EDA步进电机控制

1、EDA技术设计报告直流电机的PWM控制电子信息工程学院 通信 2 班 顾问 2012214485一、EDA技术概述EDA( Electronic Design Automation) 技术作为现代电子设计技术的核心， 它依赖功能强大的计算机，在 EDA 工具软件平台上，对以硬件描述语言 HDL(Hardware Description La nguage)为系统逻辑描述手段完成的设计文件，自 动地完成逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合、结构综合(布局布线)，以及逻辑优 化和仿真测试等项功能，直至实现既定性能的电子综合系统功能。EDA技术使得设计者的工作几乎仅限于利用软件的方式， 即利用硬件描述语言H

2、DL和EDA软件 来完成对系统硬件功能的实现。二、硬件描述语言与所用软件简介2.1 、Verilog HDL 硬件描述语言功能介绍Verilog HDL是 一种硬件描述语言，用于从算法级、门级到开关级的多种抽 象设计层次的数字系统建模。 被建模的数字系统对象的复杂性可以介于简单的门 和完整的电子数字系统之间。 数字系统能够按层次描述， 并可在相同描述中显式 地进行时序建模。Verilog HDL 语言具有下述描述能力： 设计的行为特性、 设计的数据流特性、 设计的结构组成以及包含响应监控和设计验证方面的时延和波形产生机制。 所有 这些都使用同一种建模语言。此外， Verilog HDL语言提供

3、了编程语言接口，通 过该接口可以在模拟、 验证期间从设计外部访问设计， 包括模拟的具体控制和运 行。Verilog HDL语言不仅定义了语法，而且对每个语法结构都定义了清晰的模 拟、仿真语义。因此，用这种语言编写的模型能够使用 Verilog 仿真器进行验证。 语言从C编程语言中继承了多种操作符和结构。Verilog HDL提供了扩展的建模 能力，其中许多扩展最初很难理解。但是， Verilog HDL语言的核心子集非常易 于学习和使用，这对大多数建模应用来说已经足够。当然 , 完整的硬件描述语言 足以对从最复杂的芯片到完整的电子系统进行描述。2.2 、Quartus II 软件综述Quart

4、us II 是Altera 公司在21世纪初推出的 FPGA/CPLE开发环境，是Altera前一代FPGA/CPL开发环境MAX+PLUSI的更新换代产品，其优点是功能 强大、界面友好、使用便捷。Quartus II软件集成了 Altera的FPGA/CPL开发 流程中所涉及的所有工具和第三方软件接口。 通过此开发工具，设计者可以创建、 组织和管理自己的设计。2.3 、第三方仿真工具 ModelSimModelSim 仿真工具是由 Model 技术开发公司开发的目前业界最通用的仿真 器之一，它支持Verilog和VHDL1合仿真，仿真精度高，仿真速度快。其仿真 版本繁多，与Altera 相关

5、的主要有 ModelSim-Altera（即AE版本）、ModelSimSE 和ModelSim PE版本等。三、设计原理3.1、直流电机PWI调速原理脉冲宽度调制（pwm是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制 晶体管栅极或基极的偏置， 来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的 改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定， 是利用微处理 器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。PWh控制技术以其控制简单，灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方 式，也是人们研究的热点。PW是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通 过高分辨率计数器的

6、使用， 方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平 进行编码。PW信号任然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电 要么完全有（ON ,要么完全无（OFF）。电压或电流源是以一种通（ON或断（OFF 的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。 通的时候即是直流供电被加到负载上的 时候，短的时候即是供电被断开的时候。 只要带宽足够， 任何模拟值都可以使用 PWM4行编码。3.2、直流电机的PWM控制PWMH号可以由CPU产生，也可以油FPGA产生。由CPU产生PWM&号时， 是通过模拟比较器产生的， 比较器的一端接一个给定的参考电压， 另一端接周期 线性增加的锯齿波电压。 当锯齿波电压小于

7、参考电压时输出低电平， 当锯齿波电 压大于参考电压时就输出高电平。所以改变参考电压就可以改变 PWM波形的高电 平的宽度，也就是改变PWM波形的占空比。CPL产生PWMI号，需要D/A转换器 产生锯齿波电压和设置参考电压，通过外接模拟比较器输出PWM因此外围电路很复杂。而用FPGA勺数字PWM控制产生PWM&号，只需要FPGA部资源就可以实 现，运用可编程逻辑器件，采用 VerilogHDL 硬件描述语言编程。数字比较器的 一端接设定值计数器输出， 另一端接线性递增计数器输出。 如果线性计数器的技 术值小于设定值就输出低电平， 如果线性计数器的技术值大于设定值时输出高电 平。FPGA勺数字PW

8、M控制与模拟PWM控制相比，省去了外接的 D/A转换器和模 拟比较器，FPGA外部连线很少、电路简单、便于控制。四、基本功能介绍4.1、功能简介本次设计制作了一个PWM信号电机控制系统，共有两个按键，其中，一个按 键可以控制产生的PWM的宽度（即数字1的时间长度），按下该按键，PWM 的宽度增加4096个主时钟宽度，从而达到电机加速的目的，共有16个档速，PWM 的宽度从0-4096*15个主时钟的宽度。另外一个按键控制PWM波的输出与否，按 下，如果PWME输出，则停止输出，如果不在输出，则开始运行，从而实现对电 机的开关控制。同时，本系统部自行设定了一个5s定时器，可以实现每5S钟电 机转

9、向的反转。4.2、设计原理框图电机控制系统Key_i n1Key_i n0按 消 及 测转速控制 电机开关5s定时 实现反 转Pwm_en指示信号Motoa电机a端Motob电机b端4.3、顶层图Jpwm motouclock rst_n tey1. 0pwm_enmotoamotobLinstlnr4.4、引脚说明输入：Clock:系统总时钟输入Rst_n:系统复位按键Key1:0 :系统功能按键。Key1控制PWM波从输出与否Key0控制电机转速，可加速输出：motoa，motob:电机的两个输入引脚pwm_en:pwm波指示：1-输出（即电机开启）0-停止（即无PWM输出）五、代码各部分

10、模块介绍5.1、系统模块RTL视图Jpwn_logicLelkpwm_oul1nst_nrpwnn_en duty_cycle3,.Oinst2nnr5.2、系统各模块简介：5.2.1 、pwmogic模块简介引脚说明： 输入：clk:总时钟信号 rst_n:复位信号pwm_en:pwm使能信号duty_cycle:控制PWMS度 输出：pwm_out : PWM输出PWM_logic模块顶层视图5.2.2、pwmogic模块原理介绍程序通过一个计数器来实现 PWI的输出，通过duty_cycle来控制输出的PWM 波的占空比，PWM_e来实现PW啲输出与否。核心程序如下：always (po

11、sedge clk) /计数器计数，pwm_er为使能信号begi nif(!rst_n)coun ter = 0;else if(pwm_e n)coun ter = coun ter + 1b1;endalways (posedge clk)PWM_out输出，程序根据判断计数器begin/counter【15: 12】跟 duty_cycle 比较来实现if(!rst_n)/PWM的输出，则输出 1大于则输/ 0.pwm_out = 1bO;else if (pwm_e n & (co un ter15:12 = duty_cycle) pwm_out = 1b1;elsepwm_out

12、 = 1b0;end5.2.3、moto模块简介Jmotoclockduty_cycle3.0rst_npwm_enDley仁 0motoapwmnmotobinst3moto模块顶层视图引脚说明：输入：clk:总时钟信号 rst_n:复位信号Key1 : 0:按键输入 PWM_i n:PWM 输入信号 输出：duty_cycle:转速控制pwm_e n: pwm使能信号 Motoa:电机a端口。Motob:电机b端口。5.3、moto模块原理介绍模块部原理：5.3.1 、按键消抖及检测部分核心程序如下：/按键消抖部分always (posedge clock)beginif(!rst_n)b

13、egindout1 = 0;dout2 = 0;dout3 = 0;endelse if(div_clk)/div_clk 是主时钟分频之后的时钟，Begin / 用于使能按键检测 dout1 = key; dout2 = dout1; dout3 = dout2;endend/ 按键边沿检测部分always (posedge clock)begin if(!rst_n) buff = 0;else / 按键检测，通过 assign 语句对 key_edge buff = dout1 | dout2 | dout3; / 赋值，保证了按键的消抖 endassign key_edge = (do

14、ut1 | dout2 | dout3) & buff;5.3.2 、时钟分频部分 核心程序如下：always (posedge clock)beginif(!rst_n)begincount = 0;div_clk = 0;end/else if (count 17d120000)/else if (count 17d4000)else if (count 17d4)Begin /counter 计数器计数，通过判断 count = count + 1b1; /counter 的大小来决定输出的频率 div_clk = 1b0;endelsebegincount = 17d0;div_clk

15、 = 1b1;endend5.3.3 、5s 定时及反转部分通过对计数器进行计数，计到 5s，大约计数器等于30h2FAF080时执行下 列语句，来实现输出 motoa,motob 的反转。moto_dir = moto_dir;assign motoa = moto_dir ? pwm_in : 1b0;assign motob = moto_dir ? 1b0 : pwm_in;5.3.4 、按键控制部分本程序共有两个按键，按键一通过控制 duty_cycle的长度来控制PWM波的 占空比，从而实现电机转速的控制。按键二通过控制 PWM_E来实现PWM输出与 否，从而实现电机的开关。核心程

16、序如下always (posedge clock)/ 按键 1，控制电动机速度beginif(!rst_n)duty_cycle = 0;else if(key_edge0) duty_cycle = duty_cycle + 1b1;按键按下，则 PWM&空比加一end按键 2，控制电动机启动、停止按键二按下，PWM输出使能取反 实现电机的开关always (posedge clock)/beginif(!rst_n)pwm_en = 1b0;else if(key_edge1)/pwm_en lIIinuIInI*IninIifI I I A A i I fAHKRHlLLI 申 Di|

17、V fe I R * 111 H II ! Ad fc 4 i1 v II l II 4k *14 I I *A it I I I F V I Wtiffl输出电压的谐波集中分布在n c k s (np k) s处，其中n=1,3,5,时，k=3(2m-1)1,m=1,2,3,n=2,4,6,时，k=6m+1,m=0,1,2,或 k=6m-1,m=1,2,3,所以，在载波频率的整数倍处的高次谐波不再存在。SPW的谐波分布一组一组集中分布于载波频率的整数倍频率两侧，且在每一组谐波中，随着k的增大，谐波值通常逐渐减小。三、三相SPWI半桥逆变电路的仿真在仿真在Simpowersystems的“ E

18、lectrical Sources”库中选择电压源模块，直流电压设置为530V,选择“ Universal Bridge ”模块，在对话框中选择桥臂数为3,构成三相半桥电路，开关器件选择带反并联二极管的IGBT,三相串 联RLC负载模块选择丫型连接，设定额定电压为413V,额定功率为50Hz,有功为1kW,感性无功为 500Var,SPWM控制信号由 Simpowersystems 中的 “Discrete PWMGenerator ”产生，选择三桥臂六脉冲模式。仿真模型如下：设置调制深度m为1,输出基波频率设为50Hz,载波频率设为基频的30倍，即1500Hz,仿真时间设为0.06s,在po

19、wergui中设置为离散仿真模式，sample time为5*10s,运行后结果图如下：三相SPWM逆变器m=1时的仿真波形由上至下分别为直流电流波形，交流相电压波形，相电流波形，线电压波形;输出电压谐波分析如下图：Pcwergui FFT Analysis Took:lle Edit View Insert ToolsDesktop Window He pp Signal to aRalyu c dibv 3-eiectec annii Dauisyn wnotjFFT window: 2 cf 3 cycles ofsignaltooO.W 0.0250 030 0350.040.0460

20、 050.O5STme同FFT analysis-Ailable signalsSirunurtStart nio (): G 02TtWBFUnoHps302520Fundamsitd (50HzJ - 459 , TMD= 69 55H15105001030200030004000$000Fmquoncy (Hz)til limber cf2FL.ndenieitfl.1 frscusncy (Hz)iWFFT setingsDhiplby sfls三相SPWM逆变器m=1时的谐波分析图所以当m=1时，输出线电压的幅值为0.866U，谐波的分析符合之前分析结果， 主要在开关频率的整数倍附近

21、。经分析，相电流的 THD仅为3.56%,若进一步提 高开关频率，则电流更加近似于正弦波。四、死区时间(dead time)对其影响众所周知，桥式电路是很多逆变电路的基本结构， 在理想情况下，每个桥臂 的上下开关管严格轮流导通和断开。但实际情况并非如此，每个开关管的通断都 需要一定时间，关断时间比导通时间长，所以为了防止桥臂短路，通常会让触发 信号推迟一段时间，称为死区时间。在此时间桥臂上下开关都没有触发信号，桥 臂的工作状态将取决于两个续流二极管和该相电流的方向。在下图中，ugi和u；4分别是无死区时a相桥臂上下开关管的互补驱动信号，ug1和ug4分别是将理想互补信号的各个上升沿均推迟了死区

22、时间 td的实际SPWM 驱动脉冲。当电流ia为负值时，电流由桥臂上管的反并联二极管 Di和下管S4承 载，因此在上下脉冲都不存在的死区时间里 Di工作，输出电压为正；当电流ia为 正值时，电流由桥臂下管的反并联二极管 D4和上管S承载，因此在上下脉冲都 不存在的死区时间里 D1 工作，输出电压为负。综上所述，下图中画出了有死区 时的实际输出电压波形UaN、对照无死区时的理想输出电压u：n。定义死区对输 出电压的影响为死区畸变电压*ue=uaN - uaN如下图所示，Ue为宽度为td、高度为Ud的窄脉冲，其周期与调制波相同， 其符号与电流相反，正电流时Ue为负，负电流时Ue为正。桥臂逆变的实际

23、输出 电压即为无死区时的理想输出电压再叠加上死区畸变电压，因此只需对Ue进行 分析，再结合理想电压的分析结果， 便可确定死区时间对逆变器输出电压的影响死区时间对逆变桥臂输岀的影响死区畸变电压的窄脉冲可以用调制波周期的矩形脉冲等效，对其进行傅里叶 分析知其包含3、5、7次奇次谐波，因此死区将低次谐波引入逆变器，降低了逆 变器的谐波性能。五、通过仿真研究死区时间的影响仿真模型的建立以之前的为基础，使用 Simpowersystems/Extra Libray/Discrete Control Blocks 中的“ Discrete On/Off Delay ”来模拟死区 时间。在PWM发生器与三相

24、桥的驱动信号输入端之间插入此模块，选择上升沿滞后模式，dead time为2*10 5s。仿真模型如下图：下图由上至下分别为直流电流波形，交流相电压波形，相电流波形，线电压波形:有死区时间时三相 SPWM逆变器的仿真波形图Uab: Universal Bridge00.010 020 030 040 350 06死区畸变电压波形图Powergui FFT Analysis Tool.p Signal to aRalyeC Deosv 3-eiectec annii D$pi$y n wno&z/FFT window: 2 cf 3 cycles ofsignaltooD-GOOP Agitable signals Strcjr*&tart nio (): Q.Q20.D30.0250.030.0350.040.0450 050.055Tme同| FFT analysisFundsrmntal(&0Hz) = 427 2 THD- 7575%30IMum