基于FPGA的直流电动机调速系统设计

中北大学 2013 届毕业设计说明书第 1 页 共 53 页基于 FPGA 直流电动机调速系统摘 要：直流电动机是人类最早发明和应用的一种电动机。与交流电动机相比，直流电动机因结构复杂、维护困难、价格较贵等缺点制约了它的发展，应用不如交流电动机广泛。但由于直流电动机具有优良的起动、调速和制动性能，因此在工业领域中仍占有一席之地。文章详细地介绍了直流电动机的结构、工作原理、PWM 调速原理以及 FPGA集成芯片。并对直流电动机 PWM 调速系统方案的组成、硬件电路设计、程序设计及系统仿真分别进行了详细的叙述。拟开发的直流电机 PWM 调速装置具有调速范围宽、低功耗、可实现在线调试等特点。本系统是以 FPGA 为其控制核心，输入电路以键盘作为输入方式向 FPGA 控制系统发出控制命令，以有源晶振构成的时钟电路发出信号。控制系统接收命令后直接向 H 型桥式驱动电路发出 PWM 控制信号。输出电路主要实现正反转、起停控制、速度在线可调功能。本设计已通过了实验仿真。关键词：直流电动机，PWM，FPGA，调速控制中北大学 2013 届毕业设计说明书第 2 页 共 53 页DC motor speed control system based on FPGAAbstract：DC motor is the first human invention and application of an electric motor. Compared with AC motors, DC motors due to structural complexity and difficult to maintain, more expensive and other shortcomings hampered its development, as AC motors are widely applied. However, due to DC motor has excellent starting, speed and braking performance, so in the industrial sector is still a place.Article detailed description of the DC motor structure, working principle, PWM speed control principle and FPGA integrated chip. PWM DC motor speed control system and program components, the hardware circuit design, programming and system simulation, respectively, for a detailed description. To be developed PWM DC motor speed control device has a wide speed range, low power consumption, enabling online debugging features. The system is based on FPGA core for its control, the input circuit to the keyboard as input to the FPGA control system sends control commands to the active crystal clock circuit consisting of a signal. The control system receives the command directly to the H-bridge driver circuit send a PWM control signal. Output circuit mainly achieve positive, start-stop control, speed adjustable function online. This design has passed the experimental simulation.Keywords：DC motor， PWM， FPGA， Speed Control中北大学 2013 届毕业设计说明书第 3 页 共 53 页目录1 引言 .11.1 课题的来源 .11.2 课题研究的目的和意义 .21.3 课题国内外研究现状 .21.4 课题研究的主要内容 .31.5 本课题要研究或解决的问题 .32 直流电动机调速原理 .42.1 直流电动机的定义 .42.2 直流电动机的基本结构 .42.3 直流电动机的工作原理 .42.4 直流电动机主要技术参数 .52.5 直流电动机调速概述 .63 直流电动机调速方法 .73.1 电枢电路串电阻调速 .73.2 改变电枢电压调速 .73.3 改变励磁电流调速 .83.4 直流电机调速原理 .93.5 直流电机 PWM 调速原理 .104 LM629 的功能和工作原理 .124.1 LM629 芯片介绍 .124.2 它有如下特性: .124.3 LM629 功能分析 .135 基于 FPGA 直流电动机调速系统工作原理 .145.1 总体设计方案 .145.2 基于 FPGA 的直流电机工作方式 .155.2.1 FPGA 系统电路 .155.2.2 电机控制电路 .15中北大学 2013 届毕业设计说明书第 4 页 共 53 页5.2.3 光电采集反馈系统 .155.2.4 人机接口电路 .155.3 基于 FPGA 的直流电机调速系统 .165.4 直流电机 PWM 调速控制电路设计 .175.5 系统工作原理 .175.6 键盘电路设计 .185.7 系统时钟电路设计 .195.8 H 型桥式驱动电路设计 .205.9 电源电路设计 .225.10 主要元器件简介 .236 控制逻辑 VHDL 描述 .256.1 VHDL 硬件描述语言 .256.2 VHDL 语言具有以下特点: .266.3 FPGA 内部逻辑组成 .276.4 PWM 脉宽调制信号产生电路描述 .276.5 运行控制逻辑电路描述 .327 直流电动机 PWM 调速系统仿真 .347.1 FPGA 最小系统电路 .347.2 FPGA 开发环境的介绍 .347.2.1 Altium Designer 简介 .347.2.2 Altium Designer 的主要功能： .357.2.3 Quartus II 简介 .358 系统软件仿真 .378.1 总体流程 .378.2 正/反转控制仿真 .378.3 启/停控制仿真 .388.4 加/减速仿真 .398.5 仿真结果分析 .399 总结 .41中北大学 2013 届毕业设计说明书第 5 页 共 53 页附录 1 直流电动机调速控制程序 .42参考文献 .44致谢 .46中北大学 2013 届毕业设计说明书第 6 页 共 53 页1 引言1.1 课题的来源电机是一种能量转换的装置，在国民经济中起着重要作用，无论是在工农生产、交通运输、国防宇航、医疗卫生、商务与办公设备，还是日常生活中的家用电器，都大量的使用着各种各样的电机，如汽车、电视机、电风扇、空调等等也离不开电机。同时，在越来越多的应用场合，只能旋转的电机己无法满足要求，而是要求能够实现快速加速、减速或反转以及准确停止等功能。必须寻找新的电机控制器来适应时代的发展。电机的控制器经历了从模拟控制器到数字控制器的发展。由于模拟器件的参数受外界影响大，而且精度也较差。数字控制器与模拟控制器相比较，具有可靠性高、参数调整方便、控制精度高、对环境因素不敏感等优点。随着工业电气化、自动控制和家电产品等领域对电机控制产品的需求，人们对电机控制技术的要求有所提高。由于传统的 8 位单片机其内部体系结构和计算功能等条件限制，在实现各种先进的电机控制理论和高效的控制算法时遇到了困难。因此，目前最为普遍的做法是使用高性能的数字信号处理器(DSP)来解决电机控制器不断增加的计算量和速度的需求。将一系列外围设备如模数转换器、脉宽调制发生器、和数字信号处理器集成在一起组成复杂的电机控制系统。随着 EDA 技术的发展，用基于现场可编程门阵列 FPGA 的数字电子系统对电机进行控制，为实现电动机数字控制提供了一种新的有效方法。现场可编程门阵列(FPGA)器件集成度高、体积小、速度快，以硬件电路实现算法程序，将原来的电路板级产品集成为芯片级产品，从而降低了功耗，提高了可靠性 【 1】 。电动机调速系统采用 FPGA 实现数字化控制,是电气传动发展的主要趋势。采用 FPGA 控制后,整个调速系统能够实现快速加速、减速或正/反转以及准确停止、在线调速等功能,操作维护方便,电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平,静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。由于 FPGA 的 外部连线少,电路简单,便于控制,具有较佳的性能价格比,所以在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。直流电动机主要分为四类:1 他励直流电动机，2 并励直流电动机，3 串励直中北大学 2013 届毕业设计说明书第 7 页 共 53 页流电动机，4 复励直流电动机。本文对他励直流电动机的调速进行设计，主要介绍了他励直流电动机的调速原理以及调速方法。1.2 课题研究的目的和意义直流电机大多数采用 PWM（脉宽调制）的方法进行控制，它有两种模式：一种是采用模拟电路控制，另一种是采用数字的控制。模拟控制由于其调试复杂等固有原因，正逐渐被淘汰。而在数字控制技术中，FPGA 的数字 PWM 控制具有精度高，反应快，外部连线少，电路简单，便于控制等优点广泛的被人们使用，应而研究 FPGA 具有十分重要的意义。对于本次设计目的在于：（1）掌握基于 FPGA 的直流电机 PWM 控制原理，学会应用 EDA 技术进行编程（2）通过对本课题的研究,掌握 EDA 开发技术的编程方法，培养创新意识和理论联系实际的学风。熟悉现代电子产品的设计流程。 FPGA 用于控制领域特别是电机控制还是比较少的，本设计为电机控制系统提供一种的控制技术，在电机控制方面作了一些片内系统的初步研究。本设计利用ALTERA 公司的 FPGA 芯片FLEX10K10作为目标器件来控制直流电机，讲解了Altium Designer 和 Quartus II 11.1设计流程，分析了现代电子产品的设计方法，并初步研究了 FPGA 产生 PWM 信号的方法。本设计将电机控制所使用的一些基本功能尽可能地集成在一片 FPGA 上，本设计论述了利用 FPGA 对直流电机进行控制时所起的各部分功能PWM 波的产生、在线调速、正反向控制逻辑，并利用硬件描述语言对 PWM 波在 FPGA 中进行组合逻辑变换，并进行仿真。1.3 课题国内外研究现状在国外，PWM 源于上世纪九十年代，其思想源于通信技术，但随着现代电子技术的发展使得 PWM 理论越来越成熟，其发展的速度越来越快速。已经取代传统的可控硅电机调速系统。由原先的“电机控制” “电气传动”已发展到“运动控制”的新阶段。IGBT、电力 MOSFET 等为代表的全控型器件的不断完善给 PWM 控制技术提供了强大的物质基础。在国内 PWM 有理论基础逐渐成熟，但在应用上，国内外差距也很大。PWM 调速系统的应用是近年来才开始的，原因是我国的电子工业的基础比较差。PWM 调速系统中所需的关键部件 IGBT 管靠进口。近年来，我国已开发出具有自主知识产中北大学 2013 届毕业设计说明书第 8 页 共 53 页权的 IGBT 大电流晶体管，从而为该技术推行奠定了物质基础。PWM 电机调速方案是未来电机拖动系统的首选方案，是实现电机拖动数字控制的基础。由于直流电源供电方式的不断更新换代,特别是在最近的十几年期问,进一步促使了直流电动机的单机功率、转速不断提高,目前朝着高速、功率方向发展。另外, 由于绝缘技术和分析技术的进步,直流电动机已迅速向小型轻量, 低惯量方面发展。随着各种技术的进步和研究的展开,诸多高质量的直线电机产品和科研成果纷纷出现。1985年,美国Ingersol铣床公司生产了采用永磁同步直线电机的HVM600高速加工中心,最大进给速度达76.2m/min。而在1997年,汉诺威12.EMO展览会上有20多家公司展出了直线电机传动装置,如德国Trumpf公司的激光机床,法国Renault automation公司的加工中心等,展出的直线电机最大速度达150200 m/min。这些有前展品表明,在高速度机床的进给机构中愈来愈多的采用直线机。新型磁性材料技术方法的应用为经济、高速、动力直流电机创造了条件 【2】 。1.4 课题研究的主要内容本设计的主要内容是掌握基于 FPGA 的直流电动机 PWM 控制原理，设计具有正/反转、起/停控制功能、速度在线可调的直流电机控制装置。通过对直流电机控制的研究，掌握 EDA 开发技术。本设计详细的分析了直流的结构、主要技术参数、工作原理和调速原理，基于 FPGA 的 PWM 波形产生的过程，并用 VHDL 描述 PWM 波形。学会运用 Altium Designer 10 完成电路设计和基于 Verilog HDL 编写的 FPGA 行为模型（ Quartus II 11.1） 。本设计对 PWM 波形数据进行测试与详细的分析。1.5 本课题要研究或解决的问题1.采用专用运动控制处理器 LM629 和 FPGA 实现对直流电动机的转速控制。2.学习直流电动机的结构和 PWM 调速的工作原理，学习 FPGA 基本控制和设计法。3.学习专用运动控制处理器 LM629 的工作原理和控制方法。4.研究以 FPGA 为控制核心借助专用运动控制处理器 LM629 实现对直流电动机的转速控制的控制方法。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 9 页 共 53 页2 直流电动机调速原理2.1 直流电动机的定义输入为直流电能的旋转电动机，称为直流电动机，它是能实现直流电能向机械能转换的电动机。将直流电能转换为机械能的转动装置。电动机定子提供磁场，直流电源向转子的绕组提供电流，换向器使转子电流与磁场产生的转矩保持方向不变。 2.2 直流电动机的基本结构直流电机由定子和转子两部分组成，其间有一定的气隙。其构造的主要特点是具有一个带换向器的电枢。直流电机的定子由机座、主磁极、换向磁极、前后端盖和刷架等部件组成。其中主磁极是产生直流电机气隙磁场的主要部件，由永磁体或带有直流励磁绕组的叠片铁心构成。直流电机的转子则由电枢、换向器（又称整流子）和转轴等部件构成。其中电枢由电枢铁心和电枢绕组两部分组成。电枢铁心由硅钢片叠成，在其外圆处均匀分布着齿槽，电枢绕组则嵌置于这些槽中。换向器是一种机械整流部件。由换向片叠成圆筒形后，以金属夹件或塑料成型为一个整体。各换向片间互相绝缘。换向器质量对运行可靠性有很大影响。图 1.1 直流电动机的基本结构1直流电机总图；2后端盖；3通风器；4定子总图；5转子（电枢）总图；6电刷装置；7前端盖。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 10 页 共 53 页2.3 直流电动机的工作原理直流发电机的工作原理就是把电枢线圈中感应产生的交变电动势，靠换向器配合电刷的换向作用，使之从电刷端引出时变为直流电动势的原理。 电刷上不加直流电压，用原动机拖动电枢使之逆时针方向恒速转动，线圈两边就分别切割不同极性磁极下的磁力线，而在其中感应产生电动势，电动势方向按右手定则确定。这种电磁情况表示在图上。由于电枢连续地旋转， ，因此，必须使载流导体在磁场中所受到线圈边 ab 和 cd 交替地切割 N 极和 S 极下的磁力线，虽然每个线圈边和整个线圈中的感应电动势的方向是交变的线圈内的感应电动势是一种交变电动势，而在电刷 A，B 端的电动势却为直流电动势(说得确切一些，是一种方向不变的脉振电动势)。因为，电枢在转动过程中，无论电枢转到什么位置，由于换向器配合电刷的换向作用，电刷 A 通过换向片所引出的电动势始终是切割 N 极磁力线的线圈边中的电动势，因此，电刷 A 始终有正极性。同样道理，电刷 B 始终有负极性，所以电刷端能引出方向不变的但大小变化的脉振电动势。如每极下的线圈数增多，可使脉振程度减小，就可获得直流电动势。这就是直流发电机的工作原理。同时也说明子直流发电机实质上是带有换向器的交流发电机。从基本电磁情况来看，一台直流电机原则上既可工作为电动机运行，也可以作为发电机运行，只是约束的条件不同而已。在直流电机的两电刷端上，加上直流电压，将电能输入电枢，机械能从电机轴上输出，拖动生产机械，将电能转换成机械能而成为电动机，如用原动机拖动直流电机的电枢，而电刷上不加直流电压，则电刷端可以引出直流电动势作为直流电源，可输出电能，电机将机械能转换成电能而成为发电机。同一台电机，能作电动机或作发电机运行的这种原理在电机理论中称为可逆原理。2.4 直流电动机主要技术参数为了使电机安全可靠地工作，且保持优良的运行性能，电机厂家根据国家标准及电机的设计数据，对每台电机在运行中的电压，电流，功率，转速等规定了保证值，这些保证值就是直流电机的主要技术参数，直流电机的主要技术参数有：直流电机的转速，是指电机实际转动的速度 n； 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 11 页 共 53 页n =Ua-IR/Ce （2.1）Ua 为电枢电动势，Ce 为电动势常数， 是磁通量。额定功率（容量）P N，是指电刷输出的电功率，单位为 kw； PN=UNIN (2.2)额定电压 UN，指额定状态下电枢出线端的电压，单位为 V；额定电流 IN，指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，单位为 A；额定转速 N，指额定状态下运行时转子的转速，单位为 r/min； N =PN/UNIN2.5 直流电动机调速概述在由直流电动机作为原动机的电力拖动系统中，被拖动的生产机械为适应工艺过程的要求，往往需要改变运行速度。如车床切削工件，粗加工时用低速，精加工时用高速。又如轧钢机，当轧制不同品种和不同厚度的钢材时，也必须采用不同的最佳速度。所谓调速就是在一定的负载下，根据生产的需要人为地改变电动机的转速。这是生产机械经常提出的要求。调速性能的好坏往往影响到生产机械的工作效率和产品质量。实现生产机械转速变化的要求有两种办法：一是机械调速，即通过改变机械传动机构速比的方法来使速度变化；二是电气调速，即通过改变电动机电气参数，在负载不变的条件下，得到不同的运行速度的方法 【3】 。在很多的情况下，采用电气调速方法较机械调速方法在技术上、经济各项指标上都优越得多,其调速方法有三种：改变电枢电阻调速、改变电枢电压调速、改变励磁电流调速。这里需要强调，调速和转速变化是两个不同的概念。由于负载的变化而引起的电动机转速变化称为转速变化。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 12 页 共 53 页3 直流电动机调速方法3.1 电枢电路串电阻调速他励直流电动机拖动负载运行时，保持电源电压及励磁电流为额定值不变，在电枢回路中串入不同值的电阻，电动机将运行于不同的转速，如图 3.1 所示，图中的负载为恒转矩负载。从图 3.1 可以看到，当电枢回路串入电阻 R 时，电动机的机械特性的斜率将增大，电动机和负载的机械特性的交点将下移，即电动机稳定运行转速降低。如图 3.1 中串入的电阻值交点 A2 的转速 n2 低于交点 A1 的转速 n1，它们都比原来没有外串电阻的交点 A 的转速 n 低。采用电枢回路串接电阻调速，调速方向是往下的；调速的平滑性取决于调速变阻器的调节方式；调速的稳定性差，因为 Ra 增加后，机械特性硬度降低，静差率增大；调速的经济性差，虽然初期投资不大，但损耗增加，运行效率低；调速范围不大，因受低速时静差率的限制调速；允许的负载为恒转矩负载。图 3.1 电枢串电阻调速机械特性曲线3.2 改变电枢电压调速他励直流电动机的电枢回路不串接电阻，由一可调节的直流电源向电枢供电，最高电压不应超过额定电压。励磁绕组由另一电源供电，一般保持励磁磁通为额定值。电枢电源电压不同时，电动机拖动负载将运行于不同的转速上，中北大学 2013 届毕业设计说明书第 13 页 共 53 页如图 3-2 所示，图中的负载为恒转矩负载。从图 3.2 中可以看出，当 电枢电源电压为额定值时，电动机和负载的机械特性的交点为 A，转速为 n；电压降到 U1 后，交点为 A1，转速为 n1；电压为U2，交点为 A2，转速为 n2；电压为 U3，交点为 A3，转速为 n3；电枢电源电压越低，转速也越低。同样，改变电枢电源电压调速方法的调速范围也只能在额定转速与零转速之间调节。改变电枢电源电压调速时，电动机机械特性的“硬度”不变，因此，即使电动机在低速运行时，转速随负载变动而变化的幅度较小，即转速稳定性好。当电枢电源电压连续调节时，转速变化也是连续的，所以这种调速称为无级调速。采用改变电枢电源电压调速，调速的方向往下；调速平滑性好，只要均匀的调节电枢电压就可实现无级调速；调速的为稳定性好，但随着电压的减小，转速降低，稳定性会变差；调速的经济方面初期投资大，但运行费用不大；调速范围大。这种调速方法在直流电力拖动系统中被广泛应用。图 3.2 改变电枢电压调速机械特性3.3 改变励磁电流调速保持他励直流电动机电枢电源电压不变，电枢回路也不串接电阻，在电动机拖动负载转矩不很大（小于额定转矩）时，减少直流电动机的励磁磁通，可使电动机转速升高，其带恒转矩负载时弱磁调速，如图 3.3 所示。从图 3.3 中可以看出，当励磁磁通为额定值时，电动机和负载的机械特性的交点为 A，转速为 n；励磁磁通减少时，理想空载转速增大，同时机械特性斜率也变大，交点为 A1，转速为 n1；励磁磁通减少为时，交点为 A2，转速为 n2 。弱磁调速的范围是在额定转速与电动机所允许最高转速之间进行调节，至于电动机所允许最高转速值是受换向与机械强度所限制，一般约为 1.2 nN 左右，特殊设计的中北大学 2013 届毕业设计说明书第 14 页 共 53 页调速电动机，可达 3 nN 或更高。单独使用弱磁调速方法，调速的范围不会很大。采用改变励磁电流调速，调速方向为往上调，因为励磁电流不能超过额定值；调速的平滑性好，只要均匀调节励磁电流的大小就可以实现无级调速；调速的稳定性好， ，励磁电流减小时，机械特性硬度下降，理想空载转速增加，静差率不变；调速的经济性好，运行费用低，但初投资大；调速范围不大。图 3.3 改变励磁电流的调速特性3.4 直流电机调速原理图 3.4 为按电机惯例标定的直流电机稳定运行量各物理量的正方向。由图可见电机的电枢电动势 Ea的正方向与电枢电流 Ia的方向相反，为反电动势；电磁转矩 T 的正方向与转速 n 的方向相同，是拖动转矩；轴上的机械负载转矩 T2 及空载转矩 T0 均与 n 相反，是制动转矩。图 3.4 直流电机惯例根据基尔霍夫第二定律，对图 3.4 的电枢回路列回路电压方程可得直流电动的电动势平衡方程式：U=Ea-Ia（Ra+Rc） （3.4）式 3.4 中，R a为电枢回路电阻，电枢回路串联保绕阻与电刷接触电阻的总和；ra E n T0 2 I U T1 Rc 说 明 : U 电 压 Ea 电 枢 电 动 势n 转 速 I 电 枢 电 流 ra 电 枢 回 路 电 阻 Rc 外 在 电 枢 电 阻 T1， T2负 载 转 矩 0 空 载 转 矩 磁 通 量 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 15 页 共 53 页Rc是外接在电枢回路中的调节电阻。由此可得到直流电机的转速公式为： n =Ua-IR/Ce （3.5）式中，Ce 为电动势常数， 是磁通量。由以上得n =Ea/Ce （3.6）从由式子 3.6 中可以看出，对于一个已经制造好的电机，当励磁电压和负载转矩恒定时，它的转速由电枢电压 Ea决定，电枢电压越高，电机转速就越快，电枢电压降低到 0V 时，电机就停止转动；改变电枢电压的极性，电机就反转。总之电机的调速可以通过控制电枢电压实现。3.5 直流电机 PWM 调速原理最大值 V m a x平均值 V d最小值 V m i n t 1 t 2T图 3.5 PWM 调速原理所谓脉冲宽度调制是指用改变电机电枢电压接通与断开的时间的的占空比来控制电机转速的方法，称为脉冲宽度调制(PWM)。对于直流电机调速系统，使用 FPGA 进行调速是极为方便的。其方法是通过改变电机电枢电压导通时间与通电时间的比值（即占空比）来控制电机速度。PWM调速原理如图 3.5 所示。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电时间，即可让电机转速得到控制 【4】 。设电机永远接通电源时，其转速最大为 Vmax，设占空比为 D=t1/T，则电机的平均速度为 Vd=VmaxD （3.7）式中，Vd电机的平均速度Vmax电机全通时的速度（最大）D=t1/T占空比 中北大学 2013 届毕业设计说明书第 16 页 共 53 页平均速度 Vd 与占空比 D 的函数曲线，如图 2.4 所示。电压( V )时间 （ t )通电 断电t 1t 2T0平均速度V dV m a x00 . 51占空比 ( D )图 3.6 平均速度和占空比的关系由图 3.6 所示可以看出，Vd 与占空比 D 并不是完全线性关系（图中实线） ，当系统允许时，可以将其近似地看成线性关系（图中虚线） 。因此也就可以看成电机电枢电压 Ua 与占空比 D 成正比，改变占空比的大小即可控制电机的速度。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 17 页 共 53 页4 LM629 的功能和工作原理4.1 LM629 芯片介绍LM629 是美国国家半导体共识的产品，是全数字式控制的专用运动控制处理器。通过一片单片机一片 LM629 一片功率驱动器一台直流电动机一个增量式光电编码盘就可以构成一个伺服系统。LM629N 是 NMOS 结构，用 28 引脚双列直插式封装，使用 6MHZ 或 8MHZ 时钟频率和 5V 电源工作 【5】 。图4.1 LM629芯片引脚图LM629是Nationalsemiconductor生产的一款专用运动控制器9在一个芯片内集成了数字式运动控制器的全部功能9使得设计一个快速准确的运动控制系统的任务变得轻松容易。4.2 它有如下特性:1内部有32bit的位置速度和加速度寄存器；2l6bit可编程数字PID控制器；3可编程微分项采样时间间隔；48bit分辨率的PWM输出；5内部梯形速度图发生器；6可以进行位置和速度控制；7速度、位置和数字PID控制器参数可以在控制过程中改变；8实时可编程中断；9可对增量式光电编码盘的输出进行4倍频处理；中北大学 2013 届毕业设计说明书第 18 页 共 53 页4.3 LM629 功能分析LM629通过IO口与单片机进行通讯，输入运动参数和控制参数，输出状态信息。用一个增黾式光电编码盘来反馈电动机的实际位置。来自增量式光电编码盘的位置信号A、B经过LM629四倍频后，提高厂分辨率。A脉冲与B脉冲逻辑状态每变化一次，LM629内的位置寄存器就会减l。编码盘的A、B、z信引司时低电平时，就产生一个INDEX信号送入LM629寄存器，记录电动机的绝对位置。LM629的速度梯形图发生器用于计算所需的梯形速度分布图。在位置控制方式时，主处理器提供加速度、最高转速、最终位置数据，LM629利用这些数tg-4-Ng运行轨迹。LM629系统框图，如图4.2所示。图4.2 LM629系统框图内部有一个数字PID控制器，用来控制闭环系统。数字PID控制器采用增量式PID控制算法，所需的疋、置、虬系数由主处理器提供。在运动伺服控制系统中，单片机所要做的只是通过总线对LM629发放指令以及各运动参数和PID参数，并从LM629接收各运动状态信息实现监控，而其它烦琐的控制运算任务全部都交由LM629完成。因此，在这个控制系统中，单片机可以得到最大程度的解放，使其可以有更多的时问从事其它控制任务。而且，作为一款专业的运动控制处理器，它的运动控制处理能力也是普通单片机所无法比的。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 19 页 共 53 页5 基于 FPGA 直流电动机调速系统工作原理5.1 总体设计方案控制系统总体方案的设计该调速控制系统由 11 个部分组成，包括速度给定、数字 PID 调节器、PWM 产生及控制模块、中央控制单元模块、AD 转换器模块、PWM 驱动及主电路模块、整流单元模块、直流电动机、速度检测及反馈电路、电流检测及反馈电路、速度显示模块等。将速度给定、数字 PID 调节器、PWM 产生及控制模块、中央控制单元等模块用编程的方法在一块 FPGA 芯片上实现。图 5.1，控制系统总体方案的硬件设计对直流电机的驱动采用 PWM 脉宽调制驱动模式FPGA 产生和模拟量对应的脉宽信号，并直接推动功率管工作于开关状态另一方面，转速的基准信号也不再是模拟量，而是和电机转速对应的参考频率量，它由 FPGA 产生，但其控制指令由微控制器发送。利用先进的FPGA技术设计出能替代模拟PWM直流调速系统的核心模块，各个方面的技术都达到了预期的要求。如果进一步研究，可以将各种先进的控制算法通过VHDL语言编程融入到该系统中，实现各种智能控制功能；还可以将调脉宽和调载波频率结合起来同时进行，在低速时可适当提高载波频率以提高电流的连续性，而在高速时恢复原来的频率，以降低开关管的负载；同时可将所研究的PID模块应用于电流环，在一块FPGA芯片上实现双环控制；另外还可以在该芯片上随心所欲地增加其他各种个性化辅助功能 【6】 。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 20 页 共 53 页5.2 基于 FPGA 的直流电机工作方式图 5.2 总体设计方案图本电路首先检测电机转速，并显示出来。然后根据需要对电机的转速进行调整。转速检测电路采用外部机械光电检测，精确度高；转速调整部分采用FPGA控制LM629，可实现电机的转速、转向调整，控制灵活 【7】 。如总体设计原理图所示，系统主要由4 部分组成：FPGA系统、电机控制系统、光电采集反馈系统、人机接口电路（显示系统、按键） 。5.2.1 FPGA 系统电路包括FPGA及其晶振、复位电路等。主要完成对外设备的信号输出，反馈信号的处理，按键信号的处理等。5.2.2 电机控制电路以LM629 为核心，FPGA输出信号通过LM629 转换后将其送给电动机。这主要通过软件编程驱动相应的执行器来实现。5.2.3 光电采集反馈系统以光电对管为核心，主要完成对电机端转速的采样，送FPGA芯片处理，确保输出信号在运行期间变化缓慢或保持恒定。5.2.4 人机接口电路实现了人机对话的功能。它包括键盘输入电路，可以输入控制指令，4 位的LED 显示器将最终经FPGA处理的信号显示、记录下来，以供参考或调用。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 21 页 共 53 页5.3 基于 FPGA 的直流电机调速系统E N 1U _ DC L K 2数字比较器+-P W M 波形输出N E T 1N E T 0N E T 0N E T 1MZFV C CV 1V 2V 3V 4设定值计数器锯齿波发生器C L K 0旋转方向控制电路Z / FS T A R TF P G A图 5.3 基于 FPGA 的直流电机调速系统如图 5.3 所示为基于 FPGA 的直流电机调速方案的方框图，FPGA 中的数字 PWM控制基于单片机 PWM 控制不同，用 FPGA 产生 PWM 波形，只需要 FPGA 内部资源就可以实现，如数字比较器、锯齿波发生器等均为 FPGA 内部资源，我们只要直接调用就可以。外部端口 U_D、EN1、Z/F、START 接在键盘电路上，CLK2 和 CLK0 接在外部时钟电路上，所用到的时钟频率为 100MHz 和 50MHz，其具体的连接方式如图5.4。其工作原理是：设定值计数器的设置 PWM 的占空比。当 U/D=1 时,输入 CLK2,使设定值计数器的输出值增加, PWM 的占空比增加,电机转速加快;当 U/D =0 时，输入 CLK2，使设定值计数器的输出值减小,PWM 的占空比减小,电机转速变慢。在 CLK0 的作用下,锯齿波计数器输出周期性线性增加的锯齿波。当计数值小于设定值时,数字比较器输出高电平;当计数值大于设定值时,数字比较器输出低电平,由此产生周期性的 PWM 波形。旋转方向控制电路控制直流电动机转向和启/停,该电路由两个 2 选 1 的多路选择器组成,Z/F 键控制选择 PWM 波形是从正端 Z 进入 H 桥，还是从负端 F 进入 H桥，以控制电机的旋转方向。当 Z/F=1 时，PWM 输出波形从正端 Z 进入 H 桥，电机正转。当 Z/F =0 时，PWM 输出波形从负端 F 进入 H 桥，电机反转。Start 键通过“与”门控制 PWM 输出,实现对电机的工作停止/控制。当中北大学 2013 届毕业设计说明书第 22 页 共 53 页START=1 时，与门打开，允许电机工作。当 START=0 时，与门关闭，电机停止转动。H 桥电路由大功率晶体管组成，PWM 输出波形通过方向控制电路送到 H 桥, 经功率放大以后对直流电机实现四象限运行。并由 EN1 信号控制是否允许变速。5.4 直流电机 PWM 调速控制电路设计如图 5.4 所示，基于 FPGA 的直流电机 PWM 控制电路主要由四部分组成：控制命令输入模块、控制命令处理模块、控制命令输出模块、电源模块。键盘电路、时钟电路是系统的控制命令输入模块，向 FPGA 芯片发送命令，FPGA 芯片是系统控制命令的处理模块，负责接收、处理输入命令并向控制命令输出模块发出 PWM信号，是系统的控制核心。控制命令输出模块由 H 型桥式直流电机驱动电路组成，它负责接收由 FPGA 芯片发出的 PWM 信号，从而控制直流电机的正反转、加速以及在线调速。电源模块负责给整个电路供电，保证电路能够正常的运行。S B 1S B 4S B 3S B 2+ 5 VR1 0 K开始设定初值加速 / 减速正 / 反向7 4 l S 0 61111S T A R TE NZFC L K 2C L K 0U _ DZ _ FF P G AD CV i n V o u tG N DV i n V o u tG N Dc 3470FC 40.1FC 50.1FC 610FC 710FC 80.1F7 8 1 2+ 1 2+ 57 8 0 5N E T 0N E T 1MV C CV 1V 2V 3V 4N E T 0N E T 1C P1 DC 1V C C1234H O - 1 2图 5.4 FPGA 直流电机 PWM 控制电路5.5 系统工作原理在图 5.4 中所示的 FPGA 是根据设计要求设计好的一个芯片，其内部逻辑电路如图 5.3。START 是电机的开启端，U_D 控制电机加速与减速，EN1 用于设定电机转速的初值，Z_F 是电机的方向端口，选择电机运行的方向。CLK2 和 CLK0 是外部时钟端，中北大学 2013 届毕业设计说明书第 23 页 共 53 页其主要作用是向 FPGA 控制系统提供时钟脉冲，控制电机进行运转。通过键盘设置 PWM 信号的占空比。当 U_D=1 时, 表明键 U_D 按下，输入 CLK2使电机转速加快；当 U/D =0，表明键 U_D 松开,输入 CLK2 使电机转速变慢，这样就可以实现电机的加速与减速。Z_F 键是电机运转的方向按键，当把 Z_F 键按下时，Z_F=1，电机正转；反之Z/F =0 时，电