FPGA在直流电机调速中的应用文档格式.docx

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PWM

TheFPGAintheApplicationoftheDCMotorSpeedControl

Abstract

Rapiddevelopmentandwidelyusedfordcmotor,adcmotorspeedcontrolsystemisdesigned.ThesystemusesFPGAchipasthecentralprocessingcore,L298NdriverchiptodriveDCmotors,throughthepressedkeytocontroldcmotorrunningstate.ThedesigndetaileddescriptionoftheDCmotortype,structure,workingprinciple,PWMgovernorprinciplesandFPGAchip.ThedesignforthecompositionofdcmotorPWMspeedcontrolsystemandhardwarecircuitdesignhasmadethedetailednarration.ExperimentalresultsshowthatthecontrolsystemcanquicklyandaccuratelycontroltheDCmotortostart,stop,forward,reverse,accelerationanddeceleration.

KeyWords：

DCmotor;

FPGA;

L298N;

PWM

1、绪论

1.1课题研究的现状及意义

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。

随着科学技术日益发展，特别是EDA技术的发展，直流电机的应用更加广泛。

直流电机有许多有优点，如速度容易控制，精度高，效率高等，能在交款的范围内调速，因而在许多工业领域中应用广泛。

直流电机大多数采用PWM（脉宽调制）的方法进行控制。

在国外，PWM源于上世纪九十年代，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。

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，所以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。

PWM调速有两种模式：

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。

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,各项指标均能较好地满足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。

1.2课题研究的主要内容

设计提出基于FPGA在直流电机调速中的应用，主要分析直流电机的结构、主要技术参数、工作原理、调速原理以及正/反转、启/停原理。

通过对直流电机控制的研究，掌握基于FPGA的直流电机PWM控制原理，学会应用VerilogHDL语言进行编程；

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。

设计系统的总体框图如图1.1所示。

图1.1总体框图

2、设计总体方案选择

2.1主控芯片方案选择

51单片机I/O口有限，而FPGA的I/O多,可以方便连接外设。

比如一个系统有多路AD、DA，51单片机要进行仔细的资源分配，总线隔离，而FPGA由于丰富的I/O资源,可以很容易用不同I/O资源连接各外设。

51单片机程序是串行执行的，执行完一条才能执行下一条，在处理突发事件时只能够调用有限的中断资源；

而FPGA不同逻辑可以并行执行,可以同时处理不同任务，这就导致了FPGA的工作效率更高。

FPGA内部集成锁项环,可以把外部时钟倍频,核心频率可以到几百M,而51单片机运行速度低的多，在高速场合，51单片机无法代替FPGA。

FPGA甚至包含51单片机和DSP软核,并且I/O数仅受FPGA自身I/O限制，所以，FPGA又是51单片机和DSP的超集，也就是说，51单片机和DSP能实现的功能，FPGA都可以实现。

与51单片机相比，FPGA运行速度快；

管脚多，容易实现大规模系统；

内部程序并行运行，有处理更复杂功能的能力；

拥有大量软核，可以方便二次开发等优点。

因此采用FPGA来作为主控芯片。

设计选用的芯片是Altera公司的MAXII系列的EPM240T100C5N芯片如图3.1所示。

图2.1主控芯片

MAXII器件系列简介Altera公司最新的MAXII系列，有史以来成本最低的CPLD，结合了FPGA和CPLD的优点，充分利用了4输入LUT体系结构的性能和密度优势，并且具有性价比较高的非易失性特性。

用户可以利用MAXIICPLD将大量控制逻辑集成在单个器件中，从而降低了系统成本。

MAXII器件系列是一种非易失性、即用性可编程逻辑系列，它采用了一种突破性的新型CPLD架构。

这种新型架构的成本是原先MAXII器件的一半，功耗是其十分之一，密度是其四倍，性能却是其两倍。

这些超级性能是在提供了所有MAX系列CPLD先进特性的架构的基础上，根据Altera专家们的意见而重新采用基于查找表的架构而得到的。

这种基于查找表的架构在最小的I/O焊盘约束的空间内提供了最多的逻辑容量。

因此，MAXIICPLD是所有CPLD系列产品中成本最低、功耗最小和密度最高的器件。

基于成本优化的0.18微米6层金属Flash工艺，MAXII器件系列具有CPLD所有的优点，例如非易失性、即用性、易用性和快速传输延时性。

以满足通用性，低密度逻辑应用为目标，MAXII器件成为接口桥接、I/O扩展、器件配置和上电顺序等应用最理想的解决方案。

除这些典型的CPLD应用之外，MAXII器件还能满足大量从前在FPGA、ASSP和标准逻辑器件中实现的低密度可编程逻辑需求。

MAXII器件提供的密度范围从240到2210个逻辑单元（LE），最多达272个用户I/O管脚。

主芯片采用ALTERAMAXII系列的EPM240T100C5N（相当于8650门CPLD，容量是以前的EPM7128的两倍，并且可以烧写至少10万次以上）。

MAXIICPLD体系结构，在所有CPLD系列中单位I/O成本最低，功耗最低。

MAXII运用了低功耗的工艺技术，和前一代MAX器件相比，成本降低了一半，功率降至十分之一，容量增加了四倍，性能增加了两倍。

标准JTAG下载口，防反插设计。

可接ByteBlasterII和USB-Blaster下载电缆。

EPM240T100C5N的芯片参数：

宏单元数:

192，输入/输出线数:

80，传播延迟时间:

5.9ns，整体时钟设定时间:

2.7ns，频率:

201.1MHz，电源电压范围:

2.375Vto2.625V,3Vto3.6V，工作温度范围:

°

Cto+85°

C，针脚数:

100，封装类型:

TQFP，工作温度最低:

0°

C，工作温度最高:

85°

C，逻辑芯片功能:

CPLD,逻辑芯片基本号:

EPM240T，可编程逻辑类型:

CPLD，输入/输出接口标准:

LVTTL,LVCMOS,PCI。

2.2驱动芯片方案选择

我们常用到的电机驱动芯片有ULN2003和L298N所示这两款芯片。

ULN2003驱动芯片如图3.2所示是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。

可直接驱动继电器等负载。

输入5VTTL电平，输出可达500mA/50V。

它还是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN达林顿管组成并是一个非门电路，包含7个单元，但独每个单元驱动电流最大可达350mA。

其最大的优点是具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。

经常在电路中使用作为显示驱动，继电器驱动，照明灯驱动，电磁阀驱动，直流电机、步进电机驱动等等。

图3.2ULN2003驱动芯片

L298N如图3.3是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。

该芯片采用15脚封装。

主要特点是：

工作电压高，最高工作电压可达46V；

输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；

额定功率25W。

内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；

采用标准逻辑电平信号控制；

具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；

可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。

使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。

其特点具有信号指示，转速可调，抗干扰能力强，可实现正反转，PWM脉宽平滑调速等等。

图3.3L298N驱动芯片

与ULN2003芯片相比，L298N芯片内就集成有两个H桥型电路，可直接实现对直流电机正反转的控制。

而ULN2003芯片内没有集成H桥型电路，驱动能力较弱，oc门输出高电平时，要上拉。

基于L298N还具有具有过电压和过电流保护并且还可以实现PWM脉宽平滑调速等优点，所以选择L298N

作为设计直流电机的驱动芯片。

2.3键盘电路方案选择

键盘（如图3.4所示）电路有两种类型，分别是独立式键盘电路和矩阵式键盘电路。

图a独立键盘图b矩阵式键盘

图3.4键盘

独立式键盘电路结构简单、操作方便，在目前这种结构的键盘应用还非常普遍。

只是这种键盘电路的每个按键都要占用一根I/O口线，并且每个按键的工作都不会影响其他I/O口线的状态。

但随着按键的增加将会使I/O口线不足。

因此，这种键盘电路只有在按键比较少的情况下比较适用。

矩阵式键盘电路的按键设置在行线和列线的交叉点上，连接方法有多种，可直接连接于主控芯片的I/O口线，也可利用扩展的并行I/O口连接，还可利用可编程的键盘、显示接口芯片进行连接。

因此在有限的I/O口线上可以设置比较多的按键。

只是这种键盘电路结构、编程都比较复杂。

设计用到的按键并不多，只要5个按键就可以了，这些按键用来分别控制电机的启动，停止，正转，反转，加速和减速。

故设计的键盘电路选用独立式键盘。

2.4直流电机调速方案选择

直流电机的调速方法有：

电枢回路串电阻调速，降低电源电压调速，减弱磁通调速和PWM调速。

电枢回路串电阻调速的特点：

设备简单，操作方便，但调速的平滑性差，静差率大，调速范围小，转速的相对稳定性差，而且转速越低，所串电阻越大，损耗越大，效率越低，故现在已极少采用。

降低电源电压调速的特点：

电源电压能够平滑调节，可以实现无级调速，调速前后机械特性的斜率不变，硬度较高。

负载变化时，速度稳定性好，电能的损耗较小，但是需要一套电压可连续调节的直流电源。

减弱磁通调速的特点：

由于在电流较小的励磁回路中进行调节，因而控制方便，能量损耗小，设备简单，而且调速平滑性好，经济性较好，但是机械特性的斜率变大，特性变软，转速的升高受到电机换向能力和机械强度的限制，因此升速范围不可能很大。

PWM调速就是所谓的脉冲宽度调制，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。

设计主要是利用PWM调速的方法来控制直流电机的速度，其调速原理是，脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。

PWM控制技术以其控制简单,灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式,也是人们研究的热点。

脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。

通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。

PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。

电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。

通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。

只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

PWM调速的方法又有几种，其中主要调速方法有两种，分别是改变驱动芯片使能端的电平和改变驱动芯片输入端的电平来改变占空比，以此来改变直流电机的运行速度。

如果通过改变输入端的电平来调速，需要设置两个输入端口作为PWM端口，并且要分别对两个端口进行电平的调节才能达到调速的目的。

而通过改变使能端的电平来调速，只需设置该使能端作为PWM端口就行了，并且只对这个使能端口进行电平调节就可以实现调速，从而在降低了设计的复杂性，简化了程序。

因此，设计的PWM调速是采用通过改变驱动芯片使能端电平来实现调速。

3、直流电机介绍

3.1直流电机的特点

图3.1直流电机图

直流电机（如图2.1）具有良好的调速性能和启动性能，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；

过载能力大，能承受频繁的冲击负载；

能满足自动化生产系统中各种特殊运行的要求。

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。

3.2直流电机的基本结构

直流电机是由静止的定子和转动的转子两大部分组成，在定子和转子之间存在一个间隙，称做气隙。

定子的作用是产生磁场和支撑电机，它主要包括主磁极、换向磁极、机座、电刷装置、端盖等。

转子的作用是产生感应电动势和电磁转矩，实现机电能量的转换，通常也称做电枢。

它主要包括电枢铁心、电枢绕组以及换向器、转轴、风扇等。

其原理图如图2.2所示

图3.2直流电机原理图

3.2.1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2.2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。

3.2.2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。

3.3直流电机的工作原理

直流电机的工作原理建立在电磁力和电磁感应的基础上，把电刷A、B接到一直流电源上，电刷A接到电源正极，电刷B接电源的负极，此时在线圈abcd中将有电流流过。

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。

因为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F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。

线圈转过半周之后，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，这就是直流电机的工作原理。

3.4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）

式2.1中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）

式2.2中，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）

实际中，直流PWM-M调速系统近年来发展很快，直流PWM-M调速系统采用全控型电力电子器件，调制频率高，与晶闸管直流调速系统相比动态响应速度快，电动机转矩平稳脉动小，有很大的优越性，因此在小功率调速系统和伺服系统中的应用越来越广泛。

本系统主要介绍双极式直流PWM-M可逆调速系统。

它在原来直流PWM-M的系统的基础上增加了转速调节器ASR和电流调节器ACR，ASR和ACR都采用带输出限幅的PI调节器。

调节器参数取值见表3.1。

仿真模型如图3.3所示

表3.1直流PWM可逆系统调节器参数

参数

ASR

ACR

放大倍数

积分时间常数

调节器输出限幅

转速反馈数

电流反馈系数

图3.3直流PWM-M可逆调速系统仿真模型

仿真结果如图3.4所示，从图中可以看到系统从正转起动至反转运行过程中，转速（见图3.4a）和电枢电流（见图3.4b）对转速给定

的响应波形。

在仿真中取电流过载倍数

，因此电动机的正转起动和制动、反转起动过程中始终保持着最大电流12A左右。

在正反转转速达到额定值2400r/min后，电流下降4A左右。

图3.4c为转速调节输出，即电流的给定信号

，图3.4d电流调节器的输出信号Uct。

图3.4a电动机转速图3.4b电动机电枢电流

图3.4c电流给定图3.4d电流调节器输出

图3.4直流PWM可逆系统仿真结果

4、硬件电路设计

4.1整流稳压电路

图4.1整流稳压电路

整流稳压电路（如图4.1所示）是由二极管、电容、电阻和集成稳压器等电子元器件构成。

二极管是一个由P型半导体和N型半导体形成的PN结，在其交界面两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。

当一存在外加电压时，由于PN结两边载流子浓度差产生扩散电流和自建电场所引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。

当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑制作用使载流子的扩散电流增大引起正向电流。

当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流。

当外加的反向电压调到一定程度时，PN结空间电荷层中的电场强度达到临界值而产生载流子的倍增过程，进而产生大量电子空对，由此产生了数值很大的反向击穿电流。

二极管最重要的特性就是单向导电性，在电路中，电流只能从二极管的正极流入，负极流出。

电容是表现电容器容纳电荷本领的物理量，是一种无源元件。

应用于电源电路，实现旁路、去耦、滤波和储能作用。

应用于信号电路，主要完成耦合、振荡、同步及时间常数的作用。

本电路主要介绍电容的滤波作用，从理论上说，电容越大，阻抗越小，通过的频率也越高。

但实际上超过1uF的电容大多为电解电容，有很大的电感成分，所经频率高了反而阻抗会增大。

有时会看到电容量较大的电解电容并联了一个小电容，这时大电容通低频，小电容通高频。

电容的作用就是通高频阻低频。

电容越大低频越容易通过，电容越小高频越容易通过。

电容滤波实际上就是电容的充电和放电过程。

集成稳压器一般有三个端子：

输入端、输出端和公共端。

输入端接整流滤波电路，输出端接负载，公共端接输入、输出的公共连接点。

其内部由采、基准、放大、调整和保护等电路组成。

保护电路具有过流、过热及短路保护功能。

整流稳