基于FPGA的直流电机的PWM控制系统设计毕业设计.docx
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基于FPGA的直流电机的PWM控制系统设计毕业设计
毕业设计（论文）
题目：
基于FPGA的直流电机的PWM控制系统设计
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
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所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
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学位论文原创性声明
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所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
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年月日
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本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
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日期：
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日期：
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注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：
引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：
理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：
任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
摘要
利用FPGA可编程芯片及VHDL语言实现了对直流电机PWM控制器的设计，熟悉直流电机的工作原理及特性，对直流电机启动停止、正转反转以及速度的测量进行控制。
介绍了用VHDL语言编程实现直流电机PWM控制器的PWM产生模块、串口通信模块、转向调节模块等功能，该系统无须外接D/A转换器及模拟比较器结构简单，控制精度高，有广泛的应用前景。
同时，控制系统中引入上位机控制功能，可方便对电机进行远程控制。
关键词：
FPGA可编程门阵列；QuartusII；PWM；直流电机
Abstract
AnewdesignofDCmotorPWMcontrollerbasedonFPGAandUnderstandtheworkingprincipleandcharacteristicsofdcmotor,Startstopforwardinversionandthespeedofadcmotormeasurementcontrol，ThePWMcreatemodule,theserialcommunicationmoduleandthesteeringunithavebeenimplementedinandchip．WiththecharacteristicsofsimplestructureprecisecontrolandnoexteriorDAC．Thenewcontrolsystemcallbewidelyused．Andthecomputerstationcontrolisintro-duced．
KeyWords：
Fieldprogrammableablegatearray；QuartusII；PWM；DCmotor
1.绪论
1.1课题的来源
电机是电动机和发电机的统称，是一实现机电能转换的电磁装置。
拖动生产机械，将电能转换为机械能的电机称为电动机，作为电源，将机械能转化为电能的电机称为发电机。
由于电流有交直流之分，所以电机也就有交流电机和直流电机两大类，在各类机电系统中，由于直流电机具有良好的启动，停止和速度控制测速等良好性能，直流电机技术已广泛运用于各个行业。
本课题研究的基于FPGA的小容量的直流电动机的PWM制动控制系统中的应用，传统的方法产生PWM信号电路比较复杂，数字PWM控制只需一个FPGA中的内部资源就可以实现，而本次设计介绍了一种用单片大规模FPGA实现的PWM发生的直流电机控制器,其中产生的PWM波具有脉冲中心对称、PWM周期和死区时间可编程等特点,且性能优异,灵活性和可靠性高,同时,加入了串行通信接口,方便加入上位机控制功能。
用数字比较器代替模拟比较器,数字比较器的一端接设定值计数器的输出,另一端接线性递增计数器输出。
当线性计数器计数值小于设定值时输出低电平,大于设定值时输出高电平，而且通过总线数据或按键控制在系统调整脉宽数及数字比较器的设定值,从而实现对电机转速、波动性等参数的灵活控制。
直流电动机是一种能量转换的装置，具有良好的启动停止、正转反转以及便于测速等特性，在国民经济中起着重要作用。
在日常生活中的家用电器，随处可见各种各样的电机，如汽车、电视机、电风扇、空调等等家用电器。
同时，在越来越多的应用场合，普通的电机己无法满足要求，而是要求能够实现快速启停或反转以及准确测速等功能。
因此我们必须寻找新的电机控制器来适应时代的发展。
随着电子技术的发展，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。
尤其是硬件描述语言的出现，解决了传统电路原理图设计系统工程的诸多不便。
针对以上情况，本课题提出基于现场可编程门阵列（FPGA）的直流电机PWM控制系统设计。
1.2本课题的目的及意义
随着现代化步伐的迈进，人们对自动化的需求越来越高，使电动机控制向更复杂的方向发展。
而直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速或快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。
它过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速起动、制动、反转和测速能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。
最近几年来，由于直流电机的优秀性能，人们采用FPGA等各种可编程硬件为基础，可以大幅度提高逻辑系统的精确度和系统可靠性。
1.3本课题国内外的研究现状
从80年代中后期起,世界各大电气公司都在竞相开发直流电机装置，当直流电机的控制发展到一个很高的技术水平，使数字式直流调速装置具有很高的精度、优良的控制性能和强大的抗干扰能力,在国内外得到广泛的应用。
直流电机控制装置作为最新控制水平的传动方式更显示了强大优势。
直流电机控制系统不断推陈出新,为工程应用提供了优越的条件。
采用这种控制系统后,整个电机控制系统实现向数字化方向发展,结构简单,可靠性高,操作维护方便,电机稳态运行时转速精度可达到较高水平。
制动和反转,能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。
由于直流电机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。
在国内，从20世纪60年代初初步实现直流电机在工业中的使用。
这使直流电机控制系统也得到迅速的发展和广泛的应用。
目前，直流电机控制系统在我国国民经济各部门得到广泛的应用。
随着现在科技的迅速发展，直流电机控制的科技装置具有便于启动、停止、正转反转和测速等优点，使的直流电机在人们生活中的应用越来越广泛。
又因为我国直流电机控制也正向着脉宽调制（pulse width modulation,简称PWM）方向发展。
我国现在大部分数字化控制直流电机控制装置依靠进口。
但由于进口设备价格昂贵，也给出了国产数字控制直流电机装置的发展空间。
1.4论文章节安排
根据直流电机在国内外研究现状，对直流电机控制的研究已经逐渐成熟，对其结构也已逐步掌握，因此我们在基于现场可编程芯片来完成对直流电机控制，也符合我们本次选题的要求。
本文共包括六章内容。
第一章绪论，分析了研究意义，提出了设计基于FPGA的直流电机控制，并且对研究的内容进行分析。
第二章首先阐述直流电机的基本知识。
第三章介绍了本次主要系统整体结构及模块设计。
第四章设系统电路设计。
第五章介绍系统软件设计及其仿真。
2.直流电机的基本知识
2.1直流电机的基本情况
直流电动机与交流电动机相比较，具有良好的调速性能和启动性能。
直流电动机具有宽广的调速范围，平滑的无级调速特性，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；能满足自动化生产系统中各种特殊运行的要求。
而直流发电机则能提供无脉动的大功率的直流电源，且输出的电压可以精确地调节和控制。
但直流电机也有它显著的缺点：
一是制造工艺复杂，消耗有色金属较多，生产成本高；二是运行的时候由于电刷与换向器之间容易产生火花，所以可靠性比较差，维护比较困难。
所以在一些对调速性能要求不高的领域中己被交流变频调速系统所取代。
但是在某些要求调速范围大、快速性高、精密度好、控制性能优异的场合，直流电动机的应用目前仍然占有较大的比重。
2.2直流电动机的工作原理
电流产生磁场原理的变形（电流产生磁场），一个通电线圈相当于一个具有NS极的磁体，形成电磁力。
载流导体在磁场中将会受到力的作用，若磁场与载流导体互相垂直，作用在导体上的电磁力大小为：
f=B·l·i
力的方向用左手定则确定，如2.1图所示：
从图上可以看出，电刷A是正电位，B是负电位，在N极范围内的导体ab中的电流是从a流向b，在S极范围内的导体cd中的电流是从c流向d。
前面已经说过，载流导体在磁场中要受到电磁力的作用，因此，ab和cd两导体都要受到电磁力Fde的作用。
根据磁场方向和导体中的电流方向，利用电动机左手定则判断，ab边受力的方向是向左，而cd边则是向右。
由于磁场是均匀的，导体中流过的又是相同的电流，所以，ab边和cd边所受电磁力的大小相等。
这样，线圈上就受到了电磁力的作用而按逆时针方向转动了。
当线圈转到磁极的中性面上时，线圈中的电流等于零，电磁力等于零，但是由于惯性的作用，线圈继续转动。
线圈转过半州之后，虽然ab与cd的位置调换了，ab边转到S极范围内，cd边转到N极范围内，但是，由于换向片和电刷的作用，转到N极下的cd边中电流方向也变了，是从d流向c，在S极下的ab边中的电流则是从b流向a。
因此，电磁力Fdc的方向仍然不变，线圈仍然受力按逆时针方向转动。
可见，分别处在N、S极范围内的导体中的电流方向总是不变的，因此，线圈两个边的受力方向也不变，这样，线圈就可以按照受力方向不停的旋转了，通过齿轮或皮带等机构的传动，便可以带动其它工作机械。
从以上的分析可以看到，要使线圈按照一定的方向旋转，关键问题是当导体从一个磁极范围内转到另一个异性磁极范围内时（也就是导体经过中性面后），导体中电流的方向也要同时改变。
换向器和电刷就是完成这个任务的装置。
在直流发电机中，换向器和电刷的任务是把线圈中的交流电变为直流电向外输出；而在直流电动机中，则用换向器和电刷把输入的直流电变为线圈中的交流电。
可见，换向器和电刷是直流电机中不可缺少的关键性部件。
当然，在实际的直流电动机中，也不只有一个线圈，而是有许多个线圈牢固地嵌在转子铁芯槽中，当导体中通过电流、在磁场中因受力而转动，就带动整个转子旋转。
这就是直流电动机的基本工作原理。
比较直流发电机和直流电动机的工作原理可以看出，它们的输入和输出的能量形式不同的。
正如前面已经说过，直流发电机由原动机拖动，输入的是机械能，输出的是电能；直流电动机则是由直流电源供电，输入的是电能，输出的是机械能。
直流电机工作原理图：
图2.2直流电动机工作原理
本章小结
本章简单介绍了直流电机的基本结构和工作原理，对直流电机有了一定的了解，在下面对直流电机PWM控制设计中起到铺垫作用。
3.系统整体结构
3.1系统的结构
FPGA芯片为控制核心,通过按键或上位机设定电机速度和PWM占空比,由FPGA的I/O口控制直流电机驱动芯片驱动直流电机的转动。
转速的测量由码盘完成,速度显示数码管来实现。
本系统是基于实现电机的恒速调节而进行设计的。
如图3.1所示，系统分以下几个模块:
转速控制模块,PWM信号产生模块,速度检测模块,电机正反转模块、电机转速采集模块
图3.1基于FPGA直流电机控制系统框图
3.1.1 串口通信
本设计中采取异步串行通信。
以一个字符为单位传送,需要CPU与上位机之间事先必须约定字符格式和波特率。
设计采用固定的字符传输格式:
一位起始位,8位数据,一位停止位。
如图3.1.1所示。
传送顺序是低位在前,高位在后,依次传送。
用4倍波特率作为接收采样时钟,并把第8个采样值作为接收数据。
在用FPGA实现的异步串行通信电路中采用FIFO进行缓存,并在划分为接收模块、发送模块和接口模块三个功能模块,其中接收模块实现遥测数据的接收、缓存,发送模块实现遥控数据的缓存、发送,接口模块则实现和外部的连接。
发送模块要实现对遥控数据缓存,同时按照设计的异步串行通信字符格式将数据串行发送。
发送模块包含移位寄存器、实现遥测数据计数的计数器和发送状态机电路等。
FPGA模块接收从RS-485发送过来的串行数据,25位为一个字符。
该模块分别实现提取八位数据和串行数据发送的功能。
当din连续输出16个1后,下一个din为0时,开始提取后面的8位有效的数据00101010,然后加上起始位1,停止位0。
程序中,波特率可以根据需要通过分频程序进行改动。
3.1.2直流电机的转向控制
启动过程的时间长短取决于RI30*C20的乘积以及电源电压的大小，RI30*C20的乘积越大或Vcc越低则启动过程越长，反之越短。
启动转矩（启动电流）的大小主要取决于R96，R96越小启动差距越大。
R96太小会导致流过VD6的电流过大，不节能而且可能烧坏VD6，R96太大会导致启动转矩小，甚至VD6不能被击穿从而不能由启动进入运行状态。
一般选择R96大小的原则是使（Vcc-0.6V-Vvd6）/R96稍大于Vvd6的击穿电流即可，其中Vvd6为稳压二极管VD6的击穿电压。
而本次直流电机驱动电路使用就是H型全桥式驱动电路，这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四象限运行，分别对应正转、正转制动、反转、反转制动。
它的基本原理图如图3.1.2所示。
图3.1.2H型桥式驱动电路
H型全桥式驱动电路的4只三极管都工作在斩波状态，V1、V4为一组，V2、V3为另一组，两组的状态互补，一组导通则另一组必须关断。
当V1、V4导通时，V2、V3关断，电机两端加正向电压，可以实现电机的正转或反转制动；当V2、V3导通时，V1、V4关断，电机两端为反向电压，电机反转或正转制动。
在直流电机运转的过程中，我们要不断地使电机在四个象限之间切换，即在正转和反转之间切换，也就是在V1、V4导通且V2、V3关断，到V1、V4关断且V2、V3导通，这两种状态之间转换。
在这种情况下，理论上要求两组控制信号完全互补，但是，由于实际的开关器件都存在开通和关断时间，绝对的互补控制逻辑必然导致上下桥臂直通短路，比如在上桥臂关断的过程中，下桥臂导通了。
为了避免直通短路且保证各个开关管动作之间的同步性，两组控制信号在理论上要求互为倒相的逻辑关系，而实际上却必须相差一个足够的死区时间，这个矫正过程既可以通过硬件实现，即在上下桥臂的两组控制信号之间增加延时。
驱动电流不仅可以通过主开关管流通，而且还可以通过续流二极管流通。
当电机处于制动状态时，电机便工作在发电状态，转子电流必须通过续流二极管流通，否则电机就会发热，严重时烧毁。
开关管的选择对驱动电路的影响很大，开关管的选择宜遵循以下原则：
a）由于驱动电路是功率输出，要求开关管输出功率较大。
开关管的开通和关断时间应尽可能小。
c）直流电机使用的电源电压不高，因此开关管的饱和压降应该尽量低
在实际制作中，我们可选用大功率达林顿管TIP122或场效应管IRF530效果都还不错。
现在为了取材方便，我们选用三极管作为驱动电路的开关管。
从前面的分析可知，H型全桥式驱动电路中，由于开关管有开通和关断时间，因此存在上下桥臂直通短路的问题。
直通短路的存在，容易使开关管发热，严重时烧毁开关管，同时也增加了开关管的能量损耗。
由于现在的许多集成驱动芯片内部已经内置了死区保护（如LMD18200），这里主要介绍的是利用开关管等分立元件以及没有死区保护的集成芯片制作驱动电路时增加死区的方法。
死区时间的问题，只有在正转变为反转或者反转变为正转的时候才存在，而在正转启动或反转启动的时候并没有，因此不需要修正。
如果开关管的开通和关断时间非常小，或者在硬件电路中增加延时环节，都可以降低开关管的损耗和发热。
当然，通过软件避免直通短路是最好的办法，它的操作简单，控制灵活。
通过软件实现死区时间，就是在突然换向的时候，插入一个延时的环节，待开关管关断之后，再开通应该开通的开关管。
在开关管每次换向的时候，不立即进行方向的切换，而是先使开关管关断一段时间，使其完全关断后再换向打开另外的开关管。
这个关断时间由软件延时实现。
以上主要分析了电机的全桥式驱动电路，这是直流电机调速使用最多的调速方法。
目前市场上有很多种电机驱动的集成电路，效率高，电路简单，使用也比较广泛但是其驱动方法大多与全桥式驱动一样。
PWM控制方法配合桥式驱动电路，是目前直流电机调速最普遍的方法。
转向调节原理即为有两个方向信号和一个使能信号。
如果DIR-Z信号为0,DIR-F信号·24·为1,并且使能信号是1,那么三极管Ｑ1和Ｑ4导通,电流从左至右流经电机,电机正转;如果DIR-Z信号变为1,而DIR-F信号变为0,那么Ｑ2和Ｑ3将导通,电流则反向流过电机,电机反转。
其中Ｈ1,Ｌ1,Ｈ2,Ｌ2是由PWM模块产生的一定占空比的PWM波,用来控制电机转速。
直流电机因其具有速度容易控制，启动制动特性良好的特点而得到广泛应用。
它的控制经历了传统的模拟控制方式到数字控制方式的发展。
目前国内常用的数字控制方式是以单片微机和DSP作为微处理器的直流电机控制系统。
由于传统的单片机执行速度相对较慢，烧写入单片机的程序容易受外界干扰，特别是强磁干扰，在恶劣环境下工作会发生意想不到的结果。
而用DSP控制电机所占用的资源较多，所需的外围元件也较多，影响了系统的可靠性。
随着电子技术的发展，可编程门阵列器件FPGA的出现，给直流电机的数字控制提供了新的手段和方法。
由于FPGA集成上千万个逻辑门阵列，不仅功能强大，速度快开发简单，还易于改造升级。
用FPGA控制电机可以
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