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设计--直流电机综合测控系统设计.doc
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1、目录1. 综述22. 研究背景33. 电机速度控制系统的设计及模拟仿真33.1系统工作原理43.2 PWM脉宽调制信号产生电路描述53.2.1可控的加减计数器CNTA63.2.2 5位二进制计数器CNTB93.2.3 数字比较器LPM-COMPARE113.2.4 PWM脉宽调制信号产生电路124运行控制逻辑电路描述144.1 2选1多路选择器MUX21A144.2 工作/停止控制和正/反转方向控制电路175. 直流电机PWM调速系统仿真185.1建立工程项目PWM185.2 正/反转控制仿真195.3启/停控制仿真205.4加/减速仿真215.5仿真结果分析226. 设计总结23简易直流电机
2、PWM综合控制系统设计1.综述 直流电动机具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调速范围广;过载能力大,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的快速起动、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。电动机调速系统采用微机实现数字化控制,是电气传动发展的主要方向之一。采用微机控制后,整个调速系统实现全数字化,结构简单,可靠性高,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CPLD/FPGA性能优越,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。 PWM 调速系统与可控整流式调速系统相比有下列优
3、点:由于PWM 调速系统的开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流,低速特性好;同样,由于开关频率高,快速响应特性好,动态抗干扰能力强,可以获得很宽的频带;开关器件只工作在开关状态,主电路损耗小,装置效率高。 本文所介绍的系统是一个基于VHDL 的PWM 调速系统。由于PLD 具有连续连接结构,易于预测延时,使电路仿真会更加准确,且编程方便,速度快,集成度高,价格低,从而使系统研制周期大大缩短,产品的性能价格比提高。CPLD/FPGA芯片采用流行的VHDL 语言编程,并在Quartus II设计平台上实现了全部编程设计。 2.研究背景 电机作为机电能的转换装置,其应用范围己遍
4、及国民经济的各个领域。近些年来,随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展,电机的控制技术也得到了进一步的发展,电机应用已由过去简单的起停控制、提供动力为目的应用,上升到对其速度、位置、转矩等进行精确的控制,使被驱动的机械运动符合预想的要求。采用功率器件进行控制,将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动,这种新型控制技术己经不是传统的“ 电机控制”、“电气传动” 而是“运动控制”。运动控制使被控机械运动实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制,以及这些被控机械量的综合控制。 3.电机速度控制系统的设计及模拟仿真如图1所示,基于FPGA的直流电机PWM控制电路主要由四
5、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1 FPGA直流电机PWM 控制电路3.1系统工作原理在图1中所示的FPGA是根据设计要求设计好的一个芯片。START是电机的开启端,U_D控制电机加速与减
6、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
7、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。以上是在网上查询的关于直流电机的简易结构描述,我们电脑Quartus做的是FPGA内部逻辑组成。控制逻辑VHDL描述新建文件夹,以文件名PWM保存。3.2 PWM脉宽调制信号产生电路描述图2 PWM脉宽调制信号产生电路PWM脉宽调制信号产生电路由可控的加减计数器CNTA、5位二进制计数器CNTB、数字比较器LPM_COMPARE三部分组成。可控的加减计数器做细分计数器,确定脉冲宽度。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
8、;当U/D =0,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。5位二进制计数器在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。3.2.1可控的加减计数器CNTA新建VHDL File文本,输入如下程序: LIBRARY IEEE;LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY CNTA IS PORT(CLK:IN STD_L
9、OGIC; U_D:IN STD_LOGIC; CQ:OUT STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0);END CNTA;ARCHITECTURE behav OF CNTA IS SIGNAL CQI:STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0);BEGIN PROCESS(CLK)BEGIN IF CLKEVENT AND CLK=1THEN IF U_D=1 THEN IF CQI=31 THEN CQI=11111; ELSE CQI=CQI+1; END IF; ELSIF CQI=0 THEN CQI=00000; ELSE CQI=CQI-1;END
10、IF; END IF; END PROCESS; CQ=CQI; END behav;保存该文件并以文件名CNTA.vhd存盘,新建工程CNTA,编译CNTA.vhd。如下图新建波形编辑图图3 新建vwf向波形编辑器拖入信号节点,并设置好仿真激励波形,以CNTA.vwf存盘。仿真得如仿真波形输出报告。图4 仿真波形输出报告可控的加减计数器CNTA中的端口U_D控制计数器的方向,EN1是计数器的使能端,控制计数器初值的变化。U_D=1时,加减计数器CNTA在脉冲CLK2的作用下,每来一个脉冲,计数器CNTA加1,U_D=0时,每来一个脉冲,计数器CNTA减1。使能端EN1设定计数器值的初值,当E
11、N1由1变为0的时候,无论U_D如何表化,计数器的值都不会发生变化,这样就完成了计数器的设定值。选择FileCreate/UpdateCreate Symbol Files for Current File,生成Symbol供顶层文件调用。图5 CNTA Symbol图6 CNTA RTL3.2.2 5位二进制计数器CNTB如下图新建VHDL File格式文本图7选择编译文件类型输入如下程序LIBRARY IEEE;LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY CNTB IS PO
12、RT(CLK: IN BIT; Q:BUFFER INTEGER RANGE 31 DOWNTO 0); END;ARCHITECTURE BHV OF CNTB IS BEGIN PROCESS(CLK) BEGIN IF CLKEVENT AND CLK=1 THEN Q=Q+1; END IF; END PROCESS; END BHV;保存该文件并以文件名CNTB.vhd存盘,新建工程CNTB,编译CNTB.vhd。新建波形编辑器,向波形编辑器拖入信号节点,并设置好仿真激励波形,以CNTB.vwf存盘。仿真得如仿真波形输出报告。图8 5位二进制计数器仿真波形CNTB是一个简单的5位二进
13、制计数器,它的工作原理和CNTA的原理很相似,我们只是在CNTA的时钟端加了一个使能端U_D控制其加减的方向。而CNTB的时钟端没有加使能端,所以每来一个脉冲计数器加1,因为CNTB是一个5位的二进值计数器,所以当计数器的值当大于32时,计数器又重新从0开始记数,从而产生周期性的线性增加的锯齿波。选择FileCreate/UpdateCreate Symbol Files for Current File,生成Symbol供顶层文件调用。图9 CNTB Symbol图10 CNTB RTL3.2.3 数字比较器LPM-COMPARE选择ToolsMega Plug-In Manager命令,按
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