基于vhdl控制的直流电机pwm控制器的设计说明书.docx
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基于vhdl控制的直流电机pwm控制器的设计说明书
课程设计
姓名：
学号：
学院：
电气与信息工程学院
专业：
设计题目：
基于VHDL控制的直流电机PWM控制器的设计
指导教师：
2014年1月安徽工业大学
摘要
本文主要介绍利用可编程芯片及VHDL语言实现对直流电机PWM控制器的设计。
该直流电机PWM控制器由速度控制器模块、计数器模块、数字比较模块、分频器模块组成，为了使该直流电机更完善，本系统还添加了正转反转模块。
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。
关键词：
直流电机；脉宽调制；VHDL语言
ABSTRACT
ThispaperdescribestheuseofprogrammablechipsandVHDLlanguagerealizePWMDCmotorcontrollerdesign.ThePWMcontrollerconsistsofaDCmotorspeedcontrollermodules,countermodules,digitalcomparatormoduledividermodules,inordertomakebettertheDCmotor,thesystemalsoaddsaTrueStoryreversalmodule.ThesystemisnoexternalD/Aconvertersandanalogcomparators,simplestructure,highcontrolaccuracy,awiderangeofapplications.
Keywords:
DCmotor;PWM;VHDL
1引言
随着电气化、自动化、智能化的发展，直流电机在工业中的应用越来越广泛，市场上也有各种直流电机，在传统的PWM调速系统中一般采用硬件作为脉冲发生器的方式,应用的元器件较多,同样会增加电路的复杂程度,随着电子技术和大规模可编程逻辑器件的发展.PWM采用软件的方法来实现调速过程,具有更大的灵活性,实现了硬件设计软件化.
早前产生PWM信号波形是采用微机或单片机通过模拟比较器实现,比较器的一端接给定的参考电压,另一端接周期性线性增加的锯齿电压。
当锯齿波电压小于参考电压时输出低电平，大于参考电压时输出高电平。
改变参考电压就可以改变PWM波形中的高电平的宽度。
此时锯齿波电压和设置参考电压均须由微机或单片机通过D/A转换器产生，再经过外接的模拟比较器输出PWM的波形，因此外围电路比较复杂。
数字PWM控制只需FPGA中的内部资源就可以实现。
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。
与模拟控制相比，省去了外接的D/A转换器和模拟比较器，FPGA外部连线很少，电路更加简单。
而且可以在系统调整脉宽细分电路位数及数字比较器的设定值，从而实现对电机转速等参数的灵活控制
2直流电机控制电路构成及工作原理
如图1所示，直流电机控制电路主要由三部分组成：
FPGA中PWM脉宽调制信号产生电路；工作/停止控制和正/反转方向控制电路;片外功率放大电路和H桥正/反转功率驱动电路。
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I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。
分频模块和cntb模块共同控制输出频率。
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。
图1直流电机控制电路框图
3各模块程序的编写、顶层模块与顶层模块的仿真波形图
3.1分频器模块程序与仿真图
该系统要求输出频率为10Khz，首先通过该分频模块由公式f1=20000/[（c+1）*2]，其中c=31,使频率为320khz,该频率作为计数模块的输入频率。
程序及仿真图3如下：
libraryieee;
useieee.std_logic_1164.all;
useieee.std_logic_unsigned.all;
entityfenpinis
port（clk:
instd_logic;
clock:
outstd_logic）;
endfenpin;
architectureartoffenpinis
signalcount:
integerrange0to31;
signalclk_data:
std_logic;
begin
process（clk）
begin
ifclk'eventandclk='1'then
ifcount=31then
count<=0;
clk_data<=notclk_data;
elsecount<=count-1;
endif;
endif;
clock<=clk_data;
endprocess;
endart;
图3.分频模块仿真图
3.2标准计数器模块
该模块既是计数模块，计数时最大计数值为31，又与分频模块共同控制输出频率。
该模块的输入频率来源于分频模块的320khz,有公式f=f1/32，从而使直流电机的输出频率等于10khz。
程序与仿真图4如下：
libraryieee;
useieee.std_logic_1164.all;
useieee.std_logic_unsigned.all;
entitycntbis
port（clk0,m:
instd_logic;q:
outstd_logic_vector（4downto0））;
endcntb;
architecturebehav1ofcntbis
signalq1:
std_logic_vector（4downto0）;
begin
process（clk0）
begin
ifclk0'eventandclk0='1'then
ifm='1'then
ifq1=31then
q1<="00000";
else
q1<=q1+1;
endif;
endif;
endif;
endprocess;
q<=q1;
endbehav1;
图4.计数模块仿真图
3.3加速器程序
设定值计数器cnta设置PWM信号的占空比。
当U/D=1，输入CLK2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CLK2，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。
程序及仿真图2如下：
libraryieee;
useieee.std_logic_unsigned.all;
useieee.std_logic_1164.all;
entitycntais
port（clk,u_d,en:
instd_logic;
m:
outstd_logic;cq:
outstd_logic_vector（4downto0））;
endcnta;
architecturebehavofcntais
signalcq1:
std_logic_vector（4downto0）;
begin
process（clk）
begin
ifclk'eventandclk='1'then
ifen='1'then
ifu_d='1'then
ifcq1=31thencq1<="11111";
else
cq1<=cq1+1;
endif;
elsifcq1=0then
cq1<="00000";
else
cq1<=cq1-1;
endif;
elsifen='0'thenm<='1';
endif;
endif;
endprocess;
cq<=cq1;
endbehav;
图2.加速器模块仿真图
3.4比较器
当计数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。
程序及仿真图6如下：
libraryieee;
useieee.std_logic_1164.all;
entitycompare1is
port（dataa,datab:
instd_logic_vector（4downto0）;m:
instd_logic;agb:
outstd_logic）;
endcompare1;
architecturebehav2ofcompare1is
begin
process（dataa,datab）
begin
ifm='1'then
ifdataa>databthen
agb<='1';
elseagb<='0';
endif;
elseagb<='0';
endif;
endprocess;
endbehav2;
图6.比较模块仿真图
3.5顶层模块图
3.6顶层模块仿真波形
4结束语
该控制模块在EDA的仿真符合设计要求，输出频率是10khz，其占空比可调，在0.1~0.9之间。
在实际应用中，可根据直流电机的转速、负载等参数合理选择晶振频率及驱动电路的输出功率等，以取得最佳控制效果。
参考文献
[1]潘 松,黄继业.EDA技术实用教程[M].北京:
科学出版社,2005,302-308
[2]张晓青.直流电动机数字PWM调速系统设计[J].北京机械工业学院学报,2000.（4）.
[3]宋万杰.FPGA技术及其应用[M]西安:
西安电子科技大学出版社,2000,171-185
[4]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程[M].北京:
电子工业出版社,2005
大学本科生毕业设计（论文）撰写规范
本科生毕业设计（论文）是学生在毕业前提交的一份具有一定研究价值和实用价值的学术资料。
它既是本科学生开始从事工程设计、科学实验和科学研究的初步尝试，也是学生在教师的指导下，对所进行研究的适当表述，还是学生毕业及学位资格认定的重要依据。
毕业论文撰写是本科生培养过程中的基本训练环节之一，应符合国家及各专业部门制定的有关标准，符合汉语语法规范。
指导教师应加强指导，严格把关。
1、论文结构及要求
论文包括题目、中文摘要、外文摘要、目录、正文、参考文献、致谢和附录等几部分。
1.1题目
论文题目应恰当、准确地反映论文的主要研究内容。
不应超过25字，原则上不得使用标点符号，不设副标题。
1.2摘要与关键词
1.2.1摘要
本科生毕业设计（论文）的摘要均要求用中、英两种文字给出，中文在前。
摘要应扼要叙述论文的研究目的、研究方法、研究内容和主要结果或结论，文字要精炼，具有一定的独立性和完整性，摘要一般应在300字左右。
摘要中不宜使用公式、图表，不标注引用文献编号，避免将摘要写成目录式的内容介绍。
1.2.2关键词
关键词是供检索用的主题词条，应采用能覆盖论文主要内容的通用技术词条（参照相应的技术术语标准），一般列3～5个，按词条的外延层次从大到小排列，应在摘要中出现。
1.3目录
目录应独立成页，包括论文中全部章、节的标题及页码。
1.4论文正文
论文正文包括绪论、论文主体及结论等部分。
1.4.1绪论
绪论一般作为论文的首篇。
绪论应说明选题的背景、目的和意义，国内外文献综述以及论文所要研究的主要内容。
文管类论文的绪论是毕业论文的开头部分，一般包括说明论文写作的目的与意义，对所研究问题的认识以及提出问题。
绪论只是文章的开头，不必写章号。
毕业设计（论文）绪论部分字数不多于全部论文字数的1/4。
1.4.2论文主体
论文主体是论文的主要部分，要求结构合理，层次清楚，重点突出，文字简练、通顺。
论文主体的内容要求参照《大学本科生毕业设计（论文）的规定》第五章。
论文主体各章后应有一节“本章小结”。
1.4.3结论
结论作为单独一章排列，但不加章号。
结论是对整个论文主要成果的归纳，要突出设计（论文）的创新点，以简练的文字对论文的主要工作进行评价，一般为400～1000字。
1.5参考文献
参考文献是论文不可缺少的组成部分，它反映了论文的取材来源和广博程度。
论文中要注重引用近期发表的与论文工作直接有关的学术期刊类文献。
对理工类论文，参考文献数量一般应在15篇以上，其中学术期刊类文献不少于8篇，外文文献不少于3篇；对文科类、管理类论文，参考文献数量一般为10～20篇，其中学术期刊类文献不少于8篇，外文文献不少于3篇。
在论文正文中必须有参考文献的编号，参考文献的序号应按在正文中出现的顺序排列。
产品说明书、各类标准、各种报纸上刊登的文章及未公开发表的研究报告（著名的内部报告如PB、AD报告及著名大公司的企业技术报告等除外）不宜做为参考文献引用。
但对于工程设计类论文，各种标准、规范和手册可作为参考文献。
引用网上参考文献时，应注明该文献的准确网页地址，网上参考文献不包含在上述规定的文献数量之内。
1.6致谢
对导师和给予指导或协助完成论文工作的组织和个人表示感谢。
内容应简洁明了、实事求是，避免俗套。
1.7附录
如开题报告、文献综述、外文译文及外文文献复印件、公式的推导、程序流程图、图纸、数据表格等有些不宜放在正文中，但有参考价值的内容可编入论文的附录中。
2、论文书写规定
2.1论文正文字数
理工类论文正文字数不少于20000字。
文管类论文正文字数12000－20000字。
其中汉语言文学专业不少于7000字。
外语类论文正文字数8000－10000个外文单词。
艺术类论文正文字数3000～5000字。
2.2论文书写
本科生毕业论文用B5纸计算机排版、编辑与双面打印输出。
论文版面设置为：
毕业论文B5纸、纵向、为横排、不分栏，上下页边距分别为2.5cm和2cm，左右页边距分别为2.4cm和2cm，对称页边距、左侧装订并装订线为0cm、奇偶页不同、无网格。
论文正文满页为29行，每行33个字，字号为小四号宋体，每页版面字数为957个，行间距为固定值20磅。
页眉。
页眉应居中置于页面上部。
单数页眉的文字为“章及标题”；双数页眉的文字为“大学本科生毕业设计（论文）”。
页眉的文字用五号宋体，页眉文字下面为2条横线（两条横线的长度与版芯尺寸相同，线粗0.5磅）。
页眉、页脚边距分别为1.8cm和1.7cm。
页码。
页码用小五号字，居中标于页面底部。
摘要、目录等文前部分的页码用罗马数字单独编排，正文以后的页码用阿拉伯数字编排。
2.3摘要
中文摘要一般为300字左右，外文摘要应与中文摘要内容相同，在语法、用词和书写上应正确无误，摘要页勿需写出论文题目。
中、外文摘要应各占一页，编排装订时放置正文前，并且中文在前，外文在后。
2.4目录
目录应包括论文中全部章节的标题及页码，含中、外文摘要；正文章、节题目；
参考文献；致谢；附录。
正文章、节题目（理工类要求编写到第3级标题，即□.□.□。
文科、管理类可视论文需要进行，编写到2～3级标题。
）
2.5论文正文
2.5.1章节及各章标题
论文正文分章、节撰写，每章应另起一页。
各章标题要突出重点、简明扼要。
字数一般在15字以内，不得使用标点符号。
标题中尽量不用英文缩写词，对必须采用者，应使用本行业的通用缩写词。
2.5.2层次
层次以少为宜，根据实际需要选择。
层次代号格式见表1和表2。
表1理工类论文层次代号及说明
层次名称
示例
说明
章
第1章□□……□
章序及章名居中排，章序用阿拉伯数字
节
1.1□□……□
题序顶格书写，与标题间空1字，下面阐述内容另起一段
条
1.1.1□□……□
款
1.1.1.1□□………□□□……□□□□……
题序顶格书写，与标题间空1字，下面阐述内容在标题后空1字接排
项
（1）□□…□□□…□□…□□□□□□……
题序空2字书写，以下内容接排，有标题者，阐述内容在标题后空1字
↑↑
版心左边线版心右边线
表2文管类论文层次代号及说明
章
节
条
款
项
一、□□□□□
（一）□□□□
1.□□□□
□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□
（1）□□□□
□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□□
□□□□□□□□□□□
①□□□□□
居中书写
空2字书写
空2字书写
空2字书写
空2字书写
↑↑
版心左边线版心右边线
各层次题序及标题不得置于页面的最后一行（孤行）。
2.6参考文献
正文中引用文献标示应置于所引内容最末句的右上角，用小五号字体。
所引文献编号用阿拉伯数字置于方括号“[]”中，如“二次铣削[1]”。
当提及的参考文献为文中直接说明时，其序号应该与正文排齐，如“由文献[8，10～14]可知”。
经济、管理类论文引用文献，若引用的是原话，要加引号，一般写在段中；若引的不是原文只是原意，文前只需用冒号或逗号，而不用引号。
在参考文献之外，若有注释的话，建议采用夹注，即紧接文句，用圆括号标明。
不得将引用文献标示置于各级标题处。
参考文献书写格式应符合GB7714－1987《文后参考文献著录规则》。
常用参考文献编写项目和顺序应按文中引用先后次序规定如下：
著作图书文献
序号└─┘作者．书名（版次）．出版地：
出版者，出版年:
引用部分起止页
第一版应省略
翻译图书文献
序号└─┘作者．书名（版次）．译者．出版地:
出版者，出版年:
引用部分起止页
第一版应省略
学术刊物文献
序号└─┘作者．文章名．学术刊物名．年，卷（期）：
引用部分起止页
学术会议文献
序号└─┘作者．文章名．编者名．会议名称，会议地址，年份．出版地，出版者，
出版年:
引用部分起止页
学位论文类参考文献
序号└─┘研究生名．学位论文题目．出版地．学校（或研究单位）及学位论文级别．答
辩年份:
引用部分起止页
西文文献中第一个词和每个实词的第一个字母大写，余者小写；俄文文献名第一个词和专有名词的第一个字母大写，余者小写；日文文献中的汉字须用日文汉字，不得用中文汉字、简化汉字代替。
文献中的外文字母一律用正体。
作者为多人时，一般只列出前3名作者，不同作者姓名间用逗号相隔。
外文姓名按国际惯例，将作者名的缩写置前，作者姓置后。
学术会议若出版论文集者，可在会议名称后加上“论文集”字样。
未出版论文集者省去“出版者”、“出版年”两项。
会议地址与出版地相同者省略“出版地”。
会议年份与出版年相同者省略“出版年”。
学术刊物文献无卷号的可略去此项，直接写“年，（期）”。
参考文献序号顶格书写，不加括号与标点，其后空一格写作者名。
序号应按文献在论文中的被引用顺序编排。
换行时与作者名第一个字对齐。
若同一文献中有多处被引用，则要写出相应引用页码，各起止页码间空一格，排列按引用顺序，不按页码顺序。
参考文献书写格式示例见附录1。
2.7名词术语
科技名词术语及设备、元件的名称，应采用国家标准或部颁标准中规定的术语或名称。
标准中未规定的术语要采用行业通用术语或名称。
全文名词术语必须统一。
一些特殊名词或新名词应在适当位置加以说明或注解。
文管类专业技术术语应为常见、常用的名词。
采用英语缩写词时，除本行业广泛应用的通用缩写词外，文中第一次出现的缩写词应该用括号注明英文全文。
2.8计量单位
物理量计量单位及符号一律采用《中华人民共和国法定计量单位》（GB3100～3102—1993，见附录2），不得使用非法定计量单位及符号。
计量单位符号，除用人名命名的单位第一个字母用大写之外，一律用小写字母。
非物理单位（如件、台、人、元、次等）可以采用汉字与单位符号混写的方式，如“万t·km”，“t/（人·a）”等。
文稿叙述中不定数字之后允许用中文计量单位符号，如“几千克至1000kg”。
表达时刻时应采用中文计量单位，如“上午8点45分”，不能写成“8h45min”。
计量单位符号一律用正体。
2.9外文字母的正、斜体用法
按照GB3100～3102－1986及GB7159－1987的规定使用，即物理量符号、物理常量、变量符号用斜体，计量单位等符号均用正体。
2.10数字
按国家语言文字工作委员会等七单位1987年发布的《关于出版物上数字用法的规定》，除习惯用中文数字表示的以外，一般均采用阿拉伯数字（参照附录3）。
2.11公式
原则上居中书写。
若公式前有文字（如“解”、“假定”等），文字顶格书写，公式仍居中写。
公式末不加标点。
公式序号按章编排，如第1章第一个公式序号为“（1-1）”，附录2中的第一个公式为（②-1）等。
文中引用公式时，一般用“见式（1-1）”或“由公式（1-1）”。
公式中用斜线表示“除”的关系时，若分母部分为乘积应采用括号，以免含糊不清，如a/（bcosx）。
通常“乘”的关系在前，如acosx/b而不写（a/b）cosx。
2.12插表
表格不加左、右边线。
表序一般按章编排，如第1章第一个插表的序号为“表1－1”等。
表序与表名之间空一格，表名中不允许使用标点符号，表名后不加标点。
表序与表名置于表上，居中排写（见附录4）。
表头设计应简单明了，尽量不用斜线。
表头中可采用化学符号或物理量符号。
全表如用同一单位，将单位符号移到表头右上角，加圆括号（见附录4中的例2）。
表中数据应正确无误，书写清楚。
数字空缺的格内加“—”字线（占2个数字宽度）。
表内文字和数字上、下或左、右相同时，不允许用“″”、“同上”之类的写法，可采用通栏处理方式（见附录4中的例2）。
表内文字说明不加标点。
文管类的插表在表下一般根据需要可增列补充材料、注解、附记、资料来源、某些指标的计算方法等。
表内文字说明，起行空一格，转行顶格，句末不加标点。
表题用五号字，表内文字及表的说明文字均用五号字，中文用宋体。
表格容量较大，必要时表格也可分为两段或多段（这只能发生在转页时），转页分段后的每一续表的表头都应重新排字，重排表头的续表上方右侧应注明（续表×）字样。
2.13插图
插图应与文字紧密配合，文图相符，技术内容正确。
2.13.1制图标准
插图应符合技术制图及相应专业制图的规定。
机械工程图：
采用第一角投影法，应符合附录5所列有关标准的规定。
电气图：
图形符号、文字符号等
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