PWM控制的FPGA实现.docx
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PWM控制的FPGA实现
毕业设计（论文）
课题名称直流电机PWM控制的FPGA实现
学生姓名
学号
院、年级专业
指导教师
职称
年月日
摘要
文章详细地介绍了直流电机的类型、结构、工作原理、PWM调速原理以及FPGA集成芯片。
并对直流电机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：
直流电机；PWM；FPGA；有源晶振
Abstract
ThispaperintroducesclearlytheconstructionandtheprincipleofDCMotorandtheprincipleoftheSpeedControlbasedonPWMandintegratedFPGAchip.AnddescribesdetaillyandoperatelytheprogramofDCMotorspeedcontrolbasedonPWMhowtobeformedandthedesignofthehardwarecircuit,thedesignandtheSystemSimulation.ThedeviceofDCMotorspeedcontrolbasedonPWMbeinginventedhasthefollowcharacteristics:
widespeedcontrolrange,lowpoweridle,debuggingonlineandsoon,atthesametime,itcanachievetheautomation.ThecontrolcenterofthesystemistheFPGA,andtheinputcircuitdeliverstheordersoverthekeyboardasitsinputmethodtotheFPGAadoptingthewayoftheBreach.Whilequartzcrystalclockcircuitandinverterwhichisconsistedofharmonicoscillatorclocksignalsenttothesystem,whentheFPGAreceivestheorders，andlatersendsthePWMsignaltotheoutputcircuit,witchistheline-clectricouhecircuitandtheHboardbridgedrivecircuit.TheoutputcircuitchieflycontrolsDCMotortomoveintheclockwiseortheotherdirection.Thedesignhasbeentestedthroughtheexperiment,andtheprogramisdebuggedsuccessfully.
Keywords:
DCMotor；PWM；FPGA；oscillator
目录
摘要I
AbstractII
1前言1
1.1课题的来源1
1.2课题研究的目的和意义1
1.3课题国内外研究现状2
1.4课题研究的主要内容2
2直流电机PWM调速系统方案设计4
2.1直流电机4
2.2直流电机调速原理6
2.4基于单片机的直流电机PWM调速方案9
2.5基于FPGA的直流电机调速方案10
2.6方案论证11
3直流电机PWM调速控制电路设计12
3.1系统工作原理12
3.2键盘电路设计13
3.3系统时钟电路设计14
3.4H型桥式驱动电路设计15
3.5电源电路设计17
3.6主要元器件简介18
4控制逻辑VHDL描述20
4.1VHDL硬件描述语言20
4.2FPGA内部逻辑组成22
4.3PWM脉宽调制信号产生电路描述22
4.4运行控制逻辑电路描述27
5直流电机PWM调速系统仿真29
5.1FPGA开发环境的介绍29
5.2建立工程项目30
5.3正/反转控制仿真35
5.4启/停控制仿真36
5.5加/减速仿真36
5.6仿真结果分析37
6总结39
参考文献40
致谢41
1前言
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。
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[1]。
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MAX+PlusII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IGOT管靠进口。
近年来，我国已开发出具有自主知识产权的IGOT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[2]。
1.4课题研究的主要内容
本设计提出了两种控制方案：
一种是基于单片机的直流电机控制，另一种是基于FPGA的直流电机控制，通过方案的论证与比较，采用后者调速方案。
本设计的主要内容是掌握基于FPGA的直流电机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。
本设计的所有功能均在ALTERA公司的MAX+PlusII软件下通过仿真。
本设计对PWM波形数据进行测试与详细的分析。
2直流电机PWM调速系统方案设计
电机可分为变压器、异步电机、同步电机和直流电机四个机种。
其中变压器是静止的电气设备，其余均为旋转电机。
异步电机和同步电机均为交流电机。
在本次设计中用到的是直流电机，直流电机是实现直流电能与机械能转的装置[1]。
以下详细介绍了直流电机的基本结构、工作原理、主要技术参数和调速原理。
2.1直流电机
2.1.1直流电机基本结构
直流电机由定子（静止部分）和转子（转动部分）两大部分组成。
2.1直流电机的结构
（1）定子部分
定子部分包括机座、主磁极、换向极和电刷装置等。
①机座
机座有两个作用，一是作为电机磁路系统中的一部分，二是用来固定主磁极、换向极及端盖等，起机械支承的作用。
因此要求机座有好的导磁性能及足够的机械强度和刚座，机座通常用铸钢或厚钢板焊成。
②主磁极
在大多数直流电机中，主磁极是电磁铁，如图2.1的N、S就是主磁极，主磁极铁芯用1～1.5mm厚的低碳钢板叠加而成，整个磁级用螺钉固定在机座上。
主磁极的作用是在定转子之间的气隙中建立磁场，使电枢绕组在此磁场的作用下感应电动势和产生电磁转矩。
③换向极
换向极又称附加极或间极，其作用是以改善换向。
换向极装在相邻两主磁极N、S之间，由铁心和绕组构成。
铁芯一般用整块钢或钢板加工而成。
换向极绕组与电枢绕组串联。
④电刷装置
在图2.1中，A、B表示电刷。
它的作用是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接，并与换向器相配合，起到整流或逆变器的作用。
（2）转子部分
直流电机的转子称为电枢，包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、风扇、轴和轴承等。
①电枢铁芯
电枢铁芯是电机主磁路的一部分，且用来嵌放电枢绕组。
为了减少电枢旋转时电枢铁芯中因磁通变化而引起的磁滞及涡流损耗，电枢铁心通常用0.5mm厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠加而成。
②电枢绕组
电枢绕组是由许多按一定规律连接的线圈组成，它是直流电机的主要电路部分，也是通过电流和感应电动势，从而实现机电能量转换的关键部件。
线圈用包有绝缘的导线绕制而成，嵌放在电枢槽中。
每个线圈（也称元件）有两个出线端，分别接到换向器的两个换向片上。
所有线圈按一定规律连接成一闭合回路。
③换向器
换向器也是直流电机的重要部件。
在直流电动机中，它将电刷上的直流电流转换成绕组内的交流电流；在直流发电机中，它将绕组内的交流电动势转换成电刷端上的直流电动势。
换向器由许多换向片组成，每片之间相互绝缘。
换向片数与线圈元件数相同。
2.1.2直流电机工作原理
直流电机的工作原理建立在电磁力和电磁感应的基础上，从图2.1可以看出主磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈abcd。
abcd是装在可以转动的铁磁圆柱上的一个线圈，把线圈的两端分别接到两个圆弧形的铜片上（简称换向片），两者相互绝缘，铁芯和线圈合称电枢。
当线圈中通入直流电流时，线圈边上受到电磁力F=Bli，根据左手定则确定力的方向，这一对电磁力形成了作用于电枢的一个电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向。
若电枢转动，线圈两边的位置互换，而线圈中通过的还是直流电流，则所产生的电磁转矩的方向则变为顺时针方向，因此电枢受到一种方向交变的电磁转矩。
这种交变的电磁转矩只能使电枢来回摇摆，而不能使电枢连续转动。
显然，要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，关键在于，当线圈边在不同极性的磁极下，如何将流过线圈中的电流方向及时地加以变换，即进行所谓“换向”。
为此必须增添一个叫做换向器的装置，换向器由互相绝缘的铜质换向片构成，装在轴上，也和电枢绝缘，且和电枢一起旋转。
换向器又与两个固定不动的由石墨制成的电刷A、B相接触。
装了这种换向器以后，若将直流电压加于电刷端，直流电流经电刷流过电枢上的线圈，则产生电磁转矩，电枢在电磁转矩的作用下就旋转起来。
电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由线圈边ab和cd流入，使线圈边只要处于N极下，其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向，而在S极下时，总是从电刷B流出的方向。
这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向。
这样的结构，就可使电动机能连续地旋转。
这就是直流电机的基本工作原理[3]。
2.1.3直流电机主要技术参数
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；
n=Ua-IR/CeΦ（2.1）
Ua为电枢电动势，Ce为电动势常数，Φ是磁通量。
额定功率（容量）PN，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ηN，指额定状态下运行时转子的转速，单位为r/min；
ηN=PN/UNIN（2.3）
2.2直流电机调速原理
2.2.1直流电机电压调速原理
图2.2直流电机惯例
图2.2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。
根据基尔霍夫第二定律，对图2.2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）（2.4）
式2.4中，Ra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；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/CeΦ（2.5）
式中，Ce为电动势常数，Φ是磁通量。
由1.1式和1.2式得
n=Ea/Ce（2.6）
从由式子2.6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]。
图2.3PWM调速原理
2.2.2直流电机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2.3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。
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=Vmax·D（2.7）
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
平均速度Vd与占空比D的函数曲线，如图2.4所示。
图2.4平均速度和占空比的关系
由图2.4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。
由以上叙述可知：
电机的转速与电机电枢电压成比例，而电机电枢电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的速度与占空比成比例，占空比越大，电机转得越快，当占空比α＝1时，电机转速最大。
2.4基于单片机的直流电机PWM调速方案
图2.5基于单片机控制的PWM调速系统
如图2.5所示为基于单片机的直流电机PWM调速方案的系统方框图。
D/A转换器接在单片机AT89C51的P0引脚上，由软件编程的产生的信号从P0脚输出经D/A转换器后输出周期性线性增加的锯齿波电压，同时在模拟比较器另一端接给定的参考电压。
当锯齿波电压小于参考电压时输出低电平，当锯齿波电压大于参考电压时输出高电平。
改变滑动电阻的值便可以改变参考电压的大小，从而改变PWM波形中高电平的宽度，改变直流电机的占空比，改变直流电机的速度。
关于电机运动方向控制，本设计在单片机的P2口引出两个端口P2.1、P2.2控制直流的方向。
其控制的原理是在PWM波形输出端加上两个与门，其分别与电机的方向控制端P2.1、P2.2相与，其具体的连接如图2.5。
当P2.1、P2.2输出02H控制模型（P2.1=1，P2.2=0）时，三极管V1和V4导通，V2和V3截止，电机全速正转。
当P2.1、P2.2输出01H模型（P2.1=0，P2.2=1）时，V1和V4截止，V2和V3导通，电机全速反转。
在这里需要注意的问题的是，当输出全为1时，电机刹车，全为0时，电机滑行。
工作状态表如下：
表1电机工作状态真值表
P2.1
P2.2
状态
V1
V2
V3
V4
1
0
正转
1
0
0
1
0
1
反转
0
1
1
0
1
1
刹车
1
1
1
1
0
0
滑行
0
0
0
0
从以上的分析可知基于单片机的直流电机PWM调速方案要用到D/A转换器、模拟比较器，外围电路比较复杂。
2.5基于FPGA的直流电机调速方案
图2.6基于FPGA的直流电机调速系统
如图2.6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3.1。
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[4]。
2.6方案论证
与基于单片机的直流电机PWM调速方案相比，基于FPGA的直流电机PWM控制省去了外接的D/A转换器和模拟比较器，FPGA外部连线很少，电路更加简单，便于控制。
兼于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，因此本设计采用基于FPGA的直流电机PWM控制方案[2]。
3直流电机PWM调速控制电路设计
如图3.1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。
图3.1FPGA直流电机PWM控制电路
3.1系统工作原理
在图3.1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4.1。
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，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。
并由EN1信号控制是否允许变速[5]。
3.2键盘电路设计
本设计系统
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