直流电机的设计

课程设计报告课程设计报告 课程设计报告题目 直流电机课程设计报告题目 直流电机 PWM 控制控制 姓姓 名 名 xx 学学 号 号 xx 专专 业 业 电子信息工程电子信息工程 班班 级 级 xx 指导教师 指导教师 xx 20122012 年年 1111 月月 0909 日日 I 摘 要 PWM 是脉冲宽度调制 Pulse Width Modula tion 的简称 脉冲 宽度调制产生电路 通常称为 PWM 电路 是利用半导体功率晶体管或 IGBT 等开关器件的导通和关断 把直流电压变成电压脉冲列 控制电压 脉冲的宽度或周期以达到变压变频目的的一种变换电路 针对通常采 用的单片机对 PWM 输出控制实时性差的缺点 本文采用 ALTERA 公司的 MAX9000 系列芯片 运用 Verilog HDL 语言编程 通过 Quartus 开 发平台 设计了 PWM 输出控制系统 PWM 在自动控制和计算机技术领域中都有非常广泛的用途 因此 设计支持 PWM 输出的芯片使用价值很大 随着集成电路规模越来越大 数字系统设计越来越复杂 Verilog HDL 语言在硬件电路设计中的优越 性越来越突出 目前 数百万门规模的 FPGA CPLD 已进入实用 Verilog HDL 强大的系统描述能力 规范的设计结构和简洁 灵活的 编程风格使其必将用来完成大数字系统 超大规模数字系统 的几乎全部设计任务 具有广阔的发展前景 关键词 直流电机 PWM FPGA 有源晶振 Verilog HDL 目录目录 设计要求 1 1 方案 1 2 设计原理及其实现过程 1 设计总原理 1 设计总原理图 2 关于 Verilog HDL 2 新建 Verilog HDL 对程序设计与 Verilog HDL 中的仿真步骤 3 1 话框如下图 3 2 输入相应的程序如下图 4 3 点击 START 检查程序并进入仿真 4 模块设计和相应模块程序 5 1 逻辑控制模块 5 2 电路的总仿真图 6 2 1 正 反转控制仿真 6 仿真结果分析 7 课程设计结论及心得体会 8 附录 9 0 设计要求设计要求 设计一个直流电机 PWM 调速控制器 并能进行正反转控制 1 方案 方案 基于 FPGA 的直流电机调速方案用 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 其工作原理是 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 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 FPGA 外部连线很少 电路更加简单 便于控制 FPGA 的直流电机 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 2 设计原理及其实现过程 设计原理及其实现过程 设计总原理 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 START 是电机的开启端 Z F 是电机的方向端口 选择电机运行的方向 Z F 1 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 电机反转 START 是电机的开启键 当 START 1 允许电机工作 当 START 0 时 电机停止转动 H 桥电路由大功率晶体管组成 PWM 输出波形通过由两个二 选一电路组成的方向控制电路送到 H 桥 经功率放大以后对直流电机实现四象限运 行 设计总原理图 图 1 总电路设计图 关于关于 Verilog HDL 传统的硬件设计 电路及功能的调试一般只有在系统硬件完成后进行 一旦所 设计的硬件存在缺陷 就有可能要重新设计和制作系统 这样一来就造成了设计周 期的延长 如今数字电路设计的 EDA Electronic Design Automation 软件具有仿 真功能 通过系统仿真验证其结果的正确性后进行实际电路的测试 由 EDA 软件验 证的结果十分接近实际结果 因此 极大地提高了电路设计的效率 其中 Quartus 是一种比较实用的 EDA 软件 它具有原理图输入和文本输入两种方式 Verilog HDL 是一种硬件描述语言 可以在算法级 门级到开关级的多种抽象 设计层次上对数字系统建模 Verilog HDL 可以描述设计的行为特性 数据流特性 结构组成以及包含响应监控和设计验证方面的延时和波形产生机制 此外 Verilog HDL 提供了编程语言接口 通过该接口用户可以在模拟 验证期间从外部访问设计 包括 2 模拟的具体控制和运行 Verilog HDL 具有以下优点 1 Verilog HDL 作为一种通用硬件描述语言 易学易用 它的语法与 C 语言类 似 因此对于具有 C 语言编程经验的设计者来说 很容易学习和掌握 2 Verilog HDL 允许在同一个电路模型内进行不同抽象层次的描述 3 绝大多数流行的综合工具都支持 VerilogHDL 这是 Verilog HDL 成为设计 者的首选语言的重要原因之一 4 所有的制造厂商都提供用于 Verilog HDL 综合之后的逻辑仿真的元件库 5 编程语言接口 PLI 是 Verilog 语言最重要的特性之一 它使得设计者 可以通过自己编写 C 代码来访问 Verilog 内部的数据结构 设计者可以使用 PLI 按照自己的需要来配置 Verilog HDL 仿真 新建新建 Verilog HDL 对程序设计与对程序设计与 Verilog HDL 中的仿真步骤中的仿真步骤 1 话框如下图 点击 Verilog HDL File 按 OK 键 3 2 输入相应的程序如下图 3 点击 START 检查程序并进入仿真 4 模块设计和相应模块程序模块设计和相应模块程序 1 逻辑控制模块 如图 12 所示 FPGA 中的工作 停止控制和正 反转方向控制电路 其两个二选一 多路选择器加上两个与门根据逻辑原理组合而成 START 键通过 与 门控制 PWM 输出 实现对电机的工作 停止控制 当 START 端接高电平时 表示电源接通 电机 开始运转 当 START 端接低电平时 电机停止运转 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 仿真如图 图 正 反转工作控制电路波形 当 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 仿真如图 14 所示 图 14 工作 停止电路波形 5 2 电路的总仿真图 2 1 正 反转控制仿真 键盘 Z F 是电机的方向控制键 当要求电机正转时 只需要按下键 Z F 表示 Z F 输出高电平 即 Z F 1 电机正转 如图 17 所示 当键 Z F 松开时 Z F 0 时 电机反转 如图 图 电机正转 图 电机反转 图 电机正反转 2 4 2 启启 停控制仿真停控制仿真 START 键是电机的启动键 当按下 START 键时 START 1 电机进入运行状态 如图 18 所示 反之 START 0 时 电机停止 如图所示 6 图 启动仿真波形 图 停止仿真波形 图 启 停仿真波形 仿真结果分析仿真结果分析 本设计中的各项功能够很好的实现 在时钟脉冲的作用下 计数器 CNTA 和 CNTB 都能按照事先设定好的规则进行计数 Z F 是电机的方向按键 选择 PWM 波形的进入方向 当其为 1 时 电机正转 反之 反转 至于电机的控制 是在它 的输入端加上两个与门来控制电机的启动与停止 其具体的操作如下 当按下键 Z F 键时 电机正转 松开键时 电机反转 当按下键 START 时 电机开始工作 松开时 电机停止工作 电路中省去了 D A 转换器使电路变得更加简洁 同时也降低控制器的成本 FPGA 内部采用状态机结构 遇到干扰时 能很快从异常状态转入正常工作状态 保 证了控制系统具有高的可靠性 从以上的仿真中可以看出 基于 FPGA 的直流电机 的控制能够达到很好的预期效果 7 课程设计结论及心得体会课程设计结论及心得体会 数据挖掘过程可视化与交互式一般内容的建构为实现具有过程可视化和交互式 支持的数据挖掘系统提供了功能需求规格 同时 以过程对象和过程粒度等概念为 基础给出的粗细选择参考方案为考虑系统实现规模指明了思路 今后的研究要在细 分化 层次化 实用化上做进一步的探讨和实践 本次 EDA 课程设计题目为直流电机调速器设计 实现用 PWM 对于电机的控制 此次课设需要用硬件描述语言 VHDL 编写程序 并在 Quartus II 软件平台上进行 程序的编译和仿真 锁定引脚并下载到可编程逻辑器件 试验箱 中 进行硬件的 测试 EDA 技术对于我们电子信息工程专业的学生来说是一本很重要的专业技术课程 EDA 技术极大地提高了电路设计的效率和可操作性 减轻了设计者的劳动强度 是 一门实际应用很广泛的技术 现在对 EDA 的概念或范畴用得很宽 包括在机械 电 子 通信 航空航天 化工 矿产 生物 医学 军事等各个领域 都有 EDA 的应 用 目前 EDA 技术已在各大公司 企事业单位和科研教学部门广泛使用 例如在飞 机制造过程中 从设计 性能测试及特性分析直到飞行模拟 都可能涉及到 EDA 技 术 所以 EDA 课程的学习对于我们自身素质和能力的提高有十分重要的积极作用 应该很认真的学习 参考文献参考文献 1 Tom Soukup Ian Davidson 可视化数据挖掘 数据可视化和数据挖掘的技术与 工具 M 朱建秋 蔡伟杰译 北京 电子工业出版社 2004 2 Han J W Kamber M 数据挖掘概念与技术 M 范明 孟小峰译 北京 机械工业出 版社 2006 3 刘绪崇 基于 OLAM 的可视化数据挖掘技术研究 D 长沙 国防科学技术大学 研究生院 2002 8 附录附录 程序如下 module pwm start pwm z f z f input z f pwm start output reg z f always pwm begin if start begin if z f begin z pwm f 0 end else begin f pwm z 0 end end else begin z 0 f 0 end end endmodule 9 东华理工大学课程设计报告评分表东华理工大学课程设计报告评分表 学生姓名 徐浩 学号 09325224 班级 093252 课程设计题目 直流电机 PMW 控制 项目内容满分 实 评 能结合所学课程知识 有一定的能力训练 符合选题要求 3 人一题 5 选 题 工作量适中 难易度合理10 能熟练应用所学知识 有一定查阅文献及运用文献资料能力10 理论依据充分 数据准确 公式推导正确10 能