完整word版设计直流电机综合测控系统设计Word文件下载.docx
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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言号，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PWMI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
+5V
图1FPGA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空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=（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。
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
QuartusH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。
3.2PWN脉宽调制信号产生电路描述
图2PWM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CNTA5位二
进制计数器CNTB数字比较器LPM_COMPARE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；
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VHDLFile文本，输入如下程序：
LIBRARYIEEE;
USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITYCNTAIS
PORT（CLK:
INSTD_LOGIC;
U_D:
CQ:
OUTSTD_LOGIC_VECTOR（4DOWNTO0））;
ENDCNTA;
ARCHITECTUREbehavOFCNTAIS
SIGNALCQI:
STD_LOGIC_VECTOR（4DOWNTO0）;
BEGIN
PROCESS（CLK）
IFCLK'
EVENTANDCLK='
1'
THEN
IFU_D='
THEN
IFCQI<
=31THENCQI<
="
11111"
;
ELSECQI<
=CQI+1;
ENDIF;
ELSIFCQI=0THENCQI<
00000"
=CQI-1;
ENDIF;
ENDPROCESS;
CQ<
=CQI;
CNTA.vhd存盘，新建工程CNTA编译
ENDbehav;
保存该文件并以文件名
CNTA.vhd
如下图新建波形编辑图
Mernwyhie
S-Verificafcion2DebuggingFiles
In-SystennSourcesandPjobesFie-LogicInterfaceFile
-SigriaTapIILogicAnalyserFile
VectorWaveformFile
0-OlheiFiles
■■AHDLIncludeFife
-Block,SymtwlFile匚hainDescriptioriFieS^nopsysDesignConstraintsFile
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
Name:
Value.
9Jns
500.0ns1.0U51.5us2.0us2.5us3.0js3.5us4.Ous45us5£
u
k111H111111
■B-J_D【
to^CLK2
务¥
0|
]li
1
HDO
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=O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EN1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File—Create/Update—CreateSymbolFilesforCurrent
File,生成Symbol供顶层文件调用。
_■■1I
rCNTA
i—
GLK
U_D
CQ[1.0J
r
inst
3225位二进制计数器CNTB
如下图新建VHDLFile格式文本
[StateMachineFile
S^tenWerilogHDLFileh-TelScriptFile-VerilogHDLFite
VHDLFilel
日File©
1Mes-sadecmd（Intd-ForrmaLjFile=-■MemoryInitializahonFile曰…Verificatiori/DebuggingFil廊
图7选择编译文件类型
输入如下程序
ENTITYCNTBIS
INBIT;
Q:
BUFFERINTEGERRANGE31DOWNTO0）;
END;
ARCHITECTUREBHVOFCNTBIS
Q<
=Q+1;
ENDBHV;
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。
图85位二进制计数器仿真波形
CNTB是一个简单的5位二进制计数器，它的工作原理和CNTA
的原理很相似，我们只是在CNTA勺时钟端加了一个使能端U_D控制其加减的方向。
而CNTB勺时钟端没有加使能端，所以每来一个脉冲计数器加1,因为CNTE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File—Create/Update—CreateSymbolFilesforCurrentFile,生成Symbol供顶层文件调用。
L
-
c，
■
CLKQ[4.0]
口
图9CNTBSymbol
图10CNTBRTL
323数字比较器LPM-COMPARE
选择Tools—MegaPlug-InManager命令，按如下图示定制新
的宏功能模块。
匕
ALTFP_COMPAREALTFP_CONVERTALTFP_DIVALTFP_E>
<
P
ALTFPJNV
ALTAPJNV_SQRT
altffZlog
ALTFP^ATRI^MULT
ALTFF.MULT
ALTFP_SQRTALTMEMMULT
ALTMULT_ACCUM（MAC）ALTMULT_ADDALTMULT_COMPLEXALTSQRT
LPM_A9S
LPMADDSUB
LPMCOMPARE
LPMCOUNTER
WhichtypecFoutputfiledoyouwanttocreate?
LAHDL
柠VHDL
-VerilogHDL
Whatnamedoyouwanlfoitheoutputfile?
[daEDA.nu^FWMkangzhiU.PKlCOMPARE
Browse...|
Returntcthi$pageforanothercieateoperation
Note:
Tocompdeapioiectsuccessfullyin（fieQuarbusIIsoftware,yourdesignhiesmustbeinlheprojectritheglobaluser
librariesspecifiedintheOptionsdialogImw（Toolsmenu）,orauserlibraryspecifiedintheUierLiburiespageaftheSellingsdiak^gbox（Assignmentsmenu）.
Yaurcurientuseribrarydirectoriesate:
图11LPM宏功能模块设定
匚urrently$创ected墜vimfamily:
CvdoneIII
°
Matchproject/default
Howmanv'
dataa'
inputbitedoyouwantioctrnp^elothe'
datab1inputbits?
Vltiittioutputcto/ouwant?
（Selectatleastohe]
ab（equal）a<
>
b（notequ^l）
*目nb（grea-zerthan'
图12设5位数据比较器
324PWM脉宽调制信号产生电路
如下图新建原理图编辑窗
New
H-SOPC8uilder即血ma
DesignFifes
AHDlFie
Block.Diagram/SchematicFile
:
■■■■EDIFFile
■■StateMachineFie
SystenVeritogHDLFile
TclScriptFile
图13选择编辑类型
调用上述生成的Symbol和软件自带的常用端口，在编辑窗里连
出图2所示的PWM^宽调制信号产生电路。
并新建成工程PWMmktz.
新建波形编辑窗口，拖入信号节点。
设置好仿真激励波形，以
PWMmktz.vw存盘。
堆lu啰討f
1JI—1
血¥
6,2弱E牺6.EusE驱7,Cu?
7AsZJus76us/脈3.0j；
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2us&
也
1111111IIIIH|
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罰红］
HO0-
08'
^0[4..C]
HOB10：
｛
可卩仍帀丁可飞丁可阿:
d■'
；
M'
：
i■H：
：
■M
图14数字比较器的仿真波形
数字比较器是产生PWM波形的核心组成部件，可控的加减计数
器CNTA和5位二进制计数器CNTB同时加数字比较器LPM-COMPARE
两端作为两路输入信号，当计数器CNTB输出值小于细分计数器
CNTA输出的规定值时，比较器输出高电平；
当CNTB输出值大于细分计数器CNTA输出的规定值时，比较器输出低电平。
改变细分计数器的设定值，就可以改变PWM输出信号的占空比。
为了便于观察防真波形，在CNTB勺输出加上B[4..O]，在最后的设计中须删除不必要的的输出端口B[4..O]。
细分计数器CNTA是一个双向计数器，可以进行加减计数，由
U_D控制其加/减计数方向，CLK是计数时钟输入端。
为了便于连续
变速控制，在计数器的CLK端通过“与”门，加入了CLK2外部变速
控制附加时钟，并由EN1信号控制是否允许变速。
在本次设计中直流电机转速进行了32级细分。
其仿真波形如图15,细分计数器的
初值我设为08H,也就是十进值的8,当计数器CNTB勺值小于8时,
AGB输出高电平，当计数器CNTB的值大于8时，AGB的输出值为低
电平，从而产生PWM波形。
图15A[4..0]=08H时电机加速PWM波形
通过改变细分计数器的值就可以改变PWM的占空比，从而改变
直流电机的速度。
在图11中占空比D=8/32=0.25，在图16中占空
比D=4/32=0.125。
通过以上两组数据比较以及分析仿真波形我们可
以看出，只要改变使能端电平的高低，便可以改变细分计数器的值，
也就是改变细分计数器CNTA的初值，从而可以改变直流电机的占空
比，改变直流电机的速度。
CNTA的值逐渐增大，输出脉冲的开启时间变大，PWM占空比逐渐变
大，功率器件输出给电机电枢的能量增加，电机加速。
若脉宽计数器定时器CNTA的值减小，输出脉冲的开启时间变小，PWM占空比逐
渐变小，功率器件输出给电机电枢的能量减少，电机减速。
当电机得到加速信号，占空比增大至它可调范围的最大值后保持，电机得
到减速信号，占空比减小至它的可调范围的最小值后保持。
4.运行控制逻辑电路描述
4.12选1多路选择器MUX21A
新建VHDLFile文本，输入如下程序：
ENTITYMUX21AIS
PORT（A,B,S:
Y:
OUTSTD_LOGIC）;
ENDENTITYMUX21A;
ARCHITECTUREoneOFMUX21AIS
SIGNALE:
STD_LOGIC;
SIGNALD:
D<
=AAND（NOTS）;
E<
=BANDS;
Y<
=DORE;
ENDARCHITECTUREone;
保存该文件并以文件名MUX21A.vhd存盘，新建工程MUX21A编译
MUX21A.vhd
MernwyIrii^lizationHie
EbVerificatiori/DebuggingFiles
-In-SystemSourcesandPtobesFie■-LogicAnaly^efInteifaceFile
-SignaFapIILogicAralyzerFile
VeattxWaveFcrnnFile
EbOlhffifFilet
■AHDLIncludeFife
■-BlockSymtwlFile
■Ch^inDescrifrfionFile
S^nopsysDesignConstrainhFile
图17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
MUX21A.VW存盘。
图19仿真波形输出报告
波形分析（有一定的延时）
当S=1,输出Y=B;
当S=0,输出Y=A;
pM■|IBiHIBI|iBd|KBI■■■||iHU■■lipIIdg|i■■■|fII^HIII||fag
!
MUX21A=-
a*kia
■■!
•—B「
99
■■■・
•—s「
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■n
.iinstI
■•
a-_____»
■■■Bf■■iqi■■i■|■■■■■11Vi|ia■4,aii|ri14.i■■|.-i!
i■_
图20MUX21ASymbol
图21MUX21ARTL
4.2工作/停止控制和正/反转方向控制电路
如图22所示FPGA中的工作/停止控制和正/反转方向控制电路,
其两个二选一多路选择器加上两个与门根据逻辑原理组合而成。
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端接高电平时，表示电源接通，电机开始运转；
当START端接低电平时，电机停止运转。
Z/F键控制选择PWM波形是从正端Z
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。
仿真如图23所示。
SJ.OiisiCliis1.5us
START1
沪钿L
*1
oF
rLTLr-r^^Tn
LTLTLrLrLrLrLruw
C
0.0ns
帧矍SOD.QrnI.Ous1.5ua2Du圧厦10us3事j
tf-IJT
K-SW
D
图23正/反转工作控制电路波形
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。
仿真如图24所示。
图24工作/停止电路波形
5.直流电机PWM调速系统仿真
5.1建立工程项目PWM
原理图的设计流程如下:
图25项目输入设计框图
图26选择编辑类型
出下图所示的直流电机PWM空制电路，并建立新工程PWM
图27直流电机PWM控制电路
在本次设计中，需要满足的技术要求是设计具有正/反转，起/
停控制功能、速度在线可调的直流电机控制装置
5.2正/反转控制仿真
键盘Z_F是电机的方向控制键。
当要求电机正转时，只需要按
下键Z_F,表示Z_F输出高电平，即Z_F=1,电机正转，如图28所示。
当键Z_F松开时，Z_F=0时，电机反转，如图29、图30所示
5.3启/停控制仿真
START键是电机的启动键，当按下START键时，START=1电机
进入运行状态，如图31所示。
反之，START=0寸，电机停止，如图
32、图33所示
D（
*SIAPI
）
a
图31启动仿真波形
键盘EN1控制电机是否允许变速。
所以通过改变EN1便可以改
变设定值H[4..O]的值，也就是设定值的初值，从而改变了直流电机的
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