课程设计(论文)-利用PWM控制技术实现直流电机的速度控制.doc
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1、1 摘要摘要 随着时代的进步和科技的发展,直流电机在工农业生产、交通运输以及日 常生活中起着越来越重要的作用,因此,对直流电机的研究有着积极的意义。 长期以来,直流电机被广泛应用于调速系统中,而且一直在调速领域占据主导 地位,这主要是因为直流电机不仅仅调速方便,而且在磁场一定条件下,转速 和电枢电压成正比。并且由于直流电机具有优良的起动、制动性能,宜于在广 泛范围内平滑调速。 在本文中,我们设计一个直流电机。利用 FPGA 可编程芯片实现对直流电 机 PWM 控制器的设计,对直流电机转速进行控制。用 VHDL 语言编程实现直 流电机 PWM 控制器的 PWM 产生模块、转向调节模块等功能。 主
2、要分为如下模块: 1、PWM 模块:设定计数器设置 PWM 信号的占空比,以此来驱动。 2、正反转控制模块:控制电机的正转和反转。 3、去抖动模块:实现直流电机转速的精确测量,主要用来消除直流电机 的抖动,能够便于观察。 4、显示模块:该模块主要用来显示直流电机的转速及档位。 关键词:关键词:直流电机、PWM、控制、速度、FPGA 2 目录目录 一一. 任务解析任务解析.3 二二. 系统方案论证系统方案论证.3 2.1 总体方案与比较论证 2.2 系统原理与结构 三三PWM 模块模块.5 3.1 方案的设计 3.2 方案的实现 3.3 方案的仿真 四四. 正反转模块设计正反转模块设计.7 4.
3、1 方案的设计 4.2 方案的实现 4.3 方案的仿真 五去抖动模块五去抖动模块.8 5.1 方案的设计 5.2 方案的实现 5.3 方案的仿真 六六. 显示模块显示模块.9 6.1 方案的设计 6.2 方案的实现 6.3 方案的仿真 七七. 总结总结10 7.1 功能验证 7.2 性能测试 7.3 误差分析 7.4 整体仿真 7.5 心得体会 八参考文献八参考文献.12 九附录九附录12 3 一任务解析一任务解析 利用 PWM 控制技术实现直流电机的速度控制。 (1)基本要求: a速度调节:4 档,数字显示其档位。 b能控制电机的旋转方向。 c通过红外光电电路测得电机的转速,设计频率计用 4
4、 位 10 进制显 示电机的转速。 (2)发挥部分 a设计“去抖动”电路,实现直流电机转速的精确测量。 b修改设计,实现直流电机的闭环控制,旋转速度可设置。 课程设计要求我们利用PWM控制技术以及VHDL语言编写代码来实现对直 流电机的控制。根据设计要求我们要对电机的正反转控制、速度调节、测量电 机的转速并用4位10进制显示电机的转速以及设计去抖动电路进行设计,实现对 直流电机转速的精确测量以及实现直流电机的闭环控制等。 根据设计要求,我们可以通过FPGA产生PWM波形,其中,数字比较器的 一端接设定值计数器的输出,另一端接锯齿波发生器输出。那么数字比较器的 输出端即是PWM波形。我们将输出的
5、PWM波通过接入正反转控制来控制电机 是否开始工作。另外,我们采用两个二选一选择器来实现电机的正反转控制。 并将电机转速脉冲信号通过去抖电路送入频率计,并在数码管显示。 二系统方案论证二系统方案论证 2.1 总体方案与比较论证总体方案与比较论证 方案 1:采用线性控制方式进行直流电机的控制 此方式一般用于小功率电机平滑转速控制。 方案 2:采用一般模拟 PWM 波进行直流电机控制 此方案接有 D/A 转换器和模拟比较器,外部连线多,电路复杂,不 便于控制,故该方案不理想。 方案 3:使用单片机设计控制的直流电机 4 通过单片机,我们完全能够实现驱动模块,转速模块显示模块等需 要的模块。硬件电路
6、简单,所用器件少,但精度不易满足,产生调控范围小, 难以产生较高转速。 方案 4:基于 FPGA 实现对直流电机的控制 通过用 VHDL 语言编写各个模块,再加以整合,从而实现整体功能。 采用此方案,所形成的电机功能稳定性强,精度高,可控范围较大,能形成最 大速度较大,更能满足设计任务。 比较以上 4 种方案,可知方案 4 简洁灵活,控制性能等均比其他方案强, 能完全达到设计要求,故采用第 4 种方案。 2.2 系统原理与结构系统原理与结构 电机转速预置电机速度级别显示 PWM 模块 电机速度 控制模块 PWM 参考频率 A Y1电机正转 GND B 22MUX S Y2 电机反转 电机方向控
7、制 1Hz 电机转速显示 电机转速脉冲信号 频率计 去抖动电路 参考频率 直流电机控制原理框图直流电机控制原理框图 5 转速测量转速测量 直直 流流 键盘控制键盘控制 F P 显示电路显示电路 电电 GA 机机 串口通信串口通信 驱动电路驱动电路 硬件系统框图硬件系统框图 设定值计数器设置 PWM 信号的占空比。当 U /D = 1,输入 CL K2, 使设 定值计数器的输出值增加,PWM 占空比增加,电机转速加快。 当 U/D = 0, 输入 CL K2,使设定值计数器的输出值减小,PWM 占空比减小,电机转速变 慢。在 CL K0 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
8、值小于设定值时, 数字比较器输出低电平;当计数值大于设定值时,数字比较 器输出高电平,由此产生周期性的 PWM 波形。旋转方向控制电路控制直流电 动机转向及启动停止, 该电路由两个 2 选 1 选择器组成, Z/F 键控制选择 PWM 波形从正端 Z 进入 H 桥,还是从负端 F 进入 H 桥,以控制电机的转动 方向。START 键通过“与”门控制 PWM 的输出, 实现对电机的工作停止控 制。H 桥电路由大功率晶体管组成,PWM 波形通过方向控制送到 H 桥,经功 率放大以后驱动电机转动。 3. PWM 模块设计模块设计 3.1 方案的设计方案的设计 PWM 控制电路由计数器、锯齿波发生器及
9、数字比较器组成,由此来实 现 PWM 的波形输出。图中的 DECD 是一个转速控制模块,输入端接按键,来 选择档位的大小;其输出的一端为档位的显示,另一端接 CMP 比较器的输入 6 端。CNT8 是一个八位的二进制计数器,作为脉宽计数器。脉冲计数器在 CLK5 的激励下输出从 0 开始的逐渐增大的锯齿波。将 DECD 和 CNT8 的输出端接到 比较器 CMP 的输入端。两路数值同时加在数字比较器上,当脉宽计数器输出 值小于 DECD 输出的规定值时,比较器输出低电平;当脉宽计数器输出值大于 DECD 输出的规定值时,比较器输出高电平。改变 DECD 的输出值就等于改变 PWM 的输出信号的
10、占空比,也等于改变了周期,这样就实现了速度调控。 3.2 方案的实现方案的实现 3.3 方案的仿真方案的仿真 DECD 的仿真如下:的仿真如下: CNT8 的仿真如下:的仿真如下: 7 CMP 的仿真如下:的仿真如下: 总体呈现仿真如下:总体呈现仿真如下: 如上图所示:输入端 D_STP 接按键 2 调节速度的大小,CLK5 输入的的信号, DLED20显示档位的大小,0 到 4 的五个档位。其中,0 档位表示停止转动, 1、2、3、4 档位依次增大。 4. 正反转模块设计正反转模块设计 4.1 方案的设计方案的设计 该模块利用两个二选一选择器来控制正反转。 当输入为 1 时,两个 MUX21
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