何磊的毕业设计.docx

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何磊的毕业设计

摘要

目前，电机在控制系统中的应用越来越广泛，由此凸现了电机控制的重要性。

论文设计了一个基于现场可编程门阵列（FPGA）的直流电机速度控制系统。

文章从定子部分、转子部分介绍了直流电机的基本结构；分析了直流电动机和直流发电机各自的工作原理及其工作特点，总结了直流电机的一般工作原理；从直流电机的起动、转向、转速描述了电机的调速控制原理。

系统设计以FPGA最小系统作主控制部分，通过控制调节脉冲占空比的大小改变输出电压的大小，从而达到控制直流电机的转速的目的；其受控部分包括按键输入电路、LED数码管显示电路、PWM驱动电路、速度检测电路，并分析了的各组成单元电路的作用及特点，通过QuartusII软件进行系统的功能仿真。

关键词：

FPGA；直流电机；电机控制；PWM

ABSTRACT

Atpresent,theapplicationinthecontrolsystemofelectricalmachineryismoreandmoreextensively,andhasprotrudinglyappearedtheimportanceofelectricalmachinerycontrolfromthis.ThisdesigndesignedonebasedsontheDC-motorspeedcontrolsystemoffieldprogrammablegatearray（FPGA）.Thistextreachesotherpartsandhasintroducedthebasicstructureofcurrent-motorfromstatorpartandrotorpart.Hasanalyseddirectcurrentmotiveanddirectcurrentelectricgeneratorrespectivelyworkprincipleandhisworkcharacteristic,andhassummedupthegeneralworkprinciple,useandhisthemostexcellentshortcomingofcurrent-motorStartingandturnstoandhasrotatedspeedfromthecurrent-motorhasbeendescribedtheaccentofelectricalmachineryandhasfastlycontrolledtheprinciple.ThesystemdesignisdecidedandiscontrolledthepartwithFPGA'sminimalsystem,Bywayofcontroladjuststhepulseoccupiestoemptythanthedimensionofbigorsmallchangeoutputvoltage,thusachievesthepurposeoftherotationalspeedofcontrolcurrent-motorcurrent-motor.Hisisreceivedtheaccuseparttoincludekeyinputcircuit,LED'snixielightdisplaycircuit,PWMdrivecircuitandthespeedcheckoutmodule.Thevariouseffectandthecharacteristictoformthecellcircuitofpartofanalyticsystemofsystemdesign,andthemeritabilitythatthisdesignwasrealizedhasbeennarratedbywayofQuartusII'sprogramsimulation.

Keyword:

FPGA；DC-motor；motor-control；PWM

第1章绪论

电机是使机械能与电能相互转换的机械，直流发电机把机械能变为直流电能；直流电动机把直流电能变为机械能。

历史上，最早的电源是电池，只能供应直流电能，所以直流电机的发展比交流电机早，后来交流电机发展比较快，这是因为交流电机与直流电机相比有许多优点，如易生产、成本低、能做到较大的容量等。

目前电站的发电机全都是交流电机；用在各行各业的电机，大部分也是交流电机。

然而，直流电机目前仍有相当多的应用。

直流电机有以下几方面的优点：

（1）调速范围广，且易于平滑调节；

（2）过载、启动、制动转矩大；（3）易于控制，可靠性高；（4）调速时的能量损耗较小。

所以，在调速要求高的场所，如轧钢机、轮船推进器、电车、电气铁道牵引、高炉送料、造纸、纺织拖动、吊车、挖掘机械、卷扬机拖动等方面，直流电机均得到广泛的应用。

直流电机用作直流电动机、电解、电镀、电冶炼、充电以及交流发电机的励磁等的直流电源。

直流电机的主要缺点是换向困难，它是直流电机的容量受到限制，不能做得很大。

目前极限容量也不过1万kW左右。

而且由于有换向器，使他比交流电机费工费料，造价昂贵。

运行时换向器需要经常维修，寿命也较短，所以很多人做了不少工作，以求用其他装置或改进交流电机的性能，来代替直流电机。

拿直流电源来讲，很早就有用电力整流元件，直接由交流电源变成直流，以代替直流发电机。

早期的期间有水银整流器、引燃管等。

这些期间在价格、使用方便、可靠性等等方面，不计直流发电机。

近年来，大功率半导体元件发展很快，它的可靠性、价格、控制方便等指标日益改进，在某些场合，已经可以成功的用可控整流电源代替直流发电机了。

不过，有些性能（如波形平滑等）仍不及直流发电机。

至于电动机方面，采用电力电子技术配合同步电动机，构成电子换向的无换向器电动机，也可具有直流电动机的性能，已在大容量、高电压、高转速方面显示了很大优越性，并得到实际应用。

但总的来说，还未做到全面代替直流电动机的程度。

所以，研究直流电机还是具有较大的意义。

可编程逻辑器件（PLD）通过对器件内部的设计来实现系统功能，是一种基于芯片的设计方法。

本设计采用基于现场可编程门阵列（FPGA）实现。

FPGA是PLD产品较常用的一种，它在结构上由逻辑功能块排列为阵列，并由可编程的内部连线连接这些模块，来实现一定的逻辑功能。

FPGA的功能由逻辑结构的配制数据决定，在工作时，这些配置数据存放在片内的静态存储器（SRAM）或熔丝图上。

采用基于芯片的设计方法，设计者可以根据需要定义器件的内部逻辑和引出端，将电路板设计的大部分工作放在芯片的设计中进行，通过对芯片设计实现数字系统的逻辑功能。

灵活的内部功能块组合、引出端定义等，可大大减少电路设计和电路板设计的工作量和难度，有效的增强设计的灵活性，提高工作效率。

同时采用可编程逻辑器件，设计人员在实验实可反复编程，修改错误，以尽快开发产品，迅速占领市场。

基于芯片的设计方法可以减少芯片的数量，缩小系统体积，降低能源消耗，提高系统的性能和可靠性。

另外，本设计的编程仿真基于可编程逻辑器件设计工具QuartusII。

QuartusII是Altera公司提供的一套工具集，其集成的设计工具可以完成整个FPGA/CPLD的开发过程。

QuartusII的集成工具主要分为设计输入工具、综合工具、仿真工具、实行工具和辅助设计工具五大类。

采用设计工具可以在计算机上完成对系统功能的描述，并由软件编程进行处理得到设计结果。

极大的提高了设计的效率。

第2章系统总体设计

直流电机是电机的主要类型之一。

从基本电磁情况来看，一台直流电机原则上既可工作为电动机运行，也可以作为发电机运行，只是约束的条件不同而已。

在直流电机的两电刷端上，加上直流电压，将电能输入电枢，机械能从电机轴上输出，拖动生产机械，将电能转换成机械能而成为电动机，如用原动机拖动直流电机的电枢，而电刷上不加直流电压，则电刷端可以引出直流电动势作为直流电源，可输出电能，电机将机械能转换成电能而成为发电机。

同一台电机，能作电动机或作发电机运行的这种原理．在电机理论中称为可逆原理。

2.1直流电机的基本结构和工作原理

2.1.1直流电机的基本结构

直流发电机和直流电动机在结构上没有差别。

直流电机工作时，其磁极和电枢绕组间必须有相对运动。

目前几乎所有的直流电机，电枢绕组都是装在转子上，而磁极则静止不动，装在定子上。

这样，静止的电刷装置就便于检修维护了。

下面对各部分进行简要的说明。

直流电机的基本结构图如下图2.1.1所示：

图2.1.1直流电机的基本结构图

（1）定子部分

定子通常指磁路中静止部分及其机械支撑，包括机座、主极、换向器等。

①机座

机座有两个作用，一是作为主磁路的一部分，二是作为电机的结构框架。

机座中作为磁通通路的部分称为磁轭。

机座一般用厚钢板弯成筒形以后焊成，或者用铸钢件制成。

机座的两端装有端盖。

主磁极

主磁极的作用是建立主磁极。

主磁极有主极铁心和套装在铁心上的励磁绕组构成。

当励磁绕组中通有直流励磁电流时，气隙中形成一个恒定的主磁场。

为了减少电枢转动时由于齿、槽移动造成主极极靴表面磁通密度变化所引起的铁心耗损，主极铁心通常用1~1.5mm厚的钢板冲片叠压紧固而成。

套装在各磁极上的励磁绕组既可串联、也可并联，但连接时应使相邻的主磁极呈N、S交替排列。

换向极

容量大于1kW的直流电机，在相邻两主极之间有一小极，称为换向极。

它的作用是帮助换向，一般有几个主极就有几个换向极；换向极亦由铁心和绕组组成。

（2）转子部分

转子部分包括电枢铁心、电枢绕组、换向器、风扇、转轴和轴承。

①电枢铁心

它提供主极下磁通的通路，大概电枢在磁场中旋转时，铁心中的磁通方向不断变化，因而也会产生涡流及磁带损耗。

通常用0.5mm厚的低硅硅钢片或冷轧硅钢片叠成，片间涂绝缘漆以减少损耗，硅钢片上还冲出转子槽，以便嵌放在电枢绕组。

电枢绕组

电枢绕组由一定数目的电枢线圈按一定的规律连接组成，它是直流电机的电路部分，也是感生电动势、产生电磁转距进行机电能量转换的部分。

线圈用绝缘的圆形或矩形截面的导体绕成，分上、下两层嵌放在电枢铁心槽内，上、下层以及线圈与电枢铁心之间都要妥善地绝缘，并用槽锲压紧。

换向器

换向器有许多换向片组成。

这些换向片彼此以云母相互绝缘，全部由以云母环对地绝缘。

换向片由铜料组成，尾段开端或接有连接片（呈上升高片），以供电枢绕组元件端线焊于其中。

2.1.2直流电机的基本工作原理

直流电机的基本工作原理有以下四点：

（1）将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流流过；

（2）电机内部有磁场存在；

（3）载流的转子（即电枢）导体将受到电磁力f的作用f=Blia（左手定则）

（4）所有导体产生的电磁力作用于转子，使转子以n（转/分）旋转，以便拖动机械负载。

①直流电动机的工作原理

自于绝大多数的电动机都须作连续的旋转运动的电磁力形成一种方向不变的转矩，才能构成电动机。

两磁极间装着一个可以转动的铁质圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈。

当线圈中通入直流电流时，线圈边上受到电磁力，根据左手定则确定力的方向，这一对电磁力形成了作用于电枢的一个电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向。

若电枢转动，线圈两边的位置互换，而线圈中通过的还是直流电流，则所产生的电磁转矩的方向却变为顺时针方向了，因此电枢受到一种方向交变的电磁转矩。

这种