直流电机调速控制器详解.doc

2016 ~ 2017 学年 第 1 学期 《 数字系统设计 》 课 程 设 计 报 告 题 目： 直流电机调速控制器设计 专 业： 电子信息工程 班 级： 14信息2班 姓 名： 朱世界 张成哲 李昌峰 彭宇 洪日波 指导教师： 周珍艮 电气工程系 2016年11月27日 1、任务书 课题名称 直流电机调速控制器设计设计一个直流电机PWM调速控制器，并能进行正反转控制。PWM，直流电机，VHDL 目 录 第一章 方案设计 1 1.1 直流电机基本结构 5 1.2 直流电机调速原理 5 1.3 基于FPGA的直流电机调速方案 6 第二章 直流电机PWM调速控制电路设计 8 2.1 总体设计 8 2.2 系统工作原理 8 2.3 电源电路设计 10 第三章 控制逻辑VHDL描述 10 3.1 FPGA内部逻辑组成 10 3.2 PWM脉宽调制信号产生电路描述 11 3.3 运行控制逻辑电路描述 15 第四章 直流电机PWM调速系统仿真 17 4.1 正/反转控制仿真 17 4.2 仿真结果分析 17 总 结 19 参考文献 20 第一章 方案设计 1.1 直流电机基本结构 直流电机是通过两个磁场的互作用产生旋转。固定部分（定子）上，装设了一对直流励磁的静止的主磁极N和S，在旋转部分（转子）上装设电枢铁心。定子与转子之间有一气隙。在电枢铁心上放置了由A和X 两根导体连成的电枢线圈，线圈的首端和末端分别连到两个圆弧形的铜片上，此铜片称为换向片。换向片之间互相绝缘，由换向片构成的整体称为换向器。换向器固定在转轴上，换向片与转轴之间亦互相绝缘。在换向片上放置着一对固定不动的电刷B1和B2，当电枢旋转时，电枢线圈通过换向片和电刷与外电路接通。 定子通过永磁体或受激励电磁铁产生一个固定磁场，由于转子由一系列电磁体构成，当电流通过其中一个绕组时会产生一个磁场。对有刷直流电机而言，转子上的换向器和定子的电刷在电机旋转时为每个绕组供给电能。通电转子绕组与定子磁体有相反极性，因而相互吸引，使转子转动至与定子磁场对准的位置。当转子到达对准位置时，电刷通过换向器为下一组绕组供电，从而使转子维持旋转运动。 直流电机的速度与施加的电压成正比，输出转矩则与电流成正比。由于必须在工作期间改变直流电机的速度，直流电机的控制是一个较困难的问题。直流电机高效运行的最常见方法是施加一个 PWM（脉宽调制）方波，其占空比对应于所需速度。电机起到一个低通滤波器作用，将PWM信号转换为有效直流电平。特别是对于微处理器驱动的直流电机，由于PWM信号相对容易产生，这种驱动方式使用的更为广泛。 1.2 直流电机调速原理 所谓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，称为脉冲宽度调制(PWM)。 对于直流电机调速系统，使用进行调速是极为方便的。其方法是通过改变电机电枢电压导通时间与通电的比值（即占空比）来控制电机速度。PWM调速原理如图所示。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电时间，即可让电机转速得到控制。设电机永远接通电源时，其转速最大为Vmax，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为 Vd=Vmax·D 式中，Vd——电机的平均速度 Vmax——电机全通时的速度（最大） D=t1/T——占空比 平均速度Vd与占空比D的函数曲线，如图所示。 图1.1 PWM调速原理 由图所示可以看出，Vd与占空比D并不是完全线性关系（图中实线），当系统允许时，可以将其近似地看成线性关系（图中虚线）。因此也就可以看成电机电枢电压Ua与占空比D成正比，改变占空比的大小即可控制电机的速度 由以上叙述可知：电机的转速与电机电压成比例，而电机电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的速度与占空比成比例，占比越大，电机转得越快，当占空比α＝1时，电机转速最大。 FPGA的直流电机调速方案 图 1.3 基于FPGA的直流电机调速系统 如图1.3所示为基于FPGA的直流电机调速方案的方框图，用FPGA产生PWM波形，只需要FPGA内部资源就可以实现，如数字比较器、锯齿波发生器等均为FPGA内部资源，我们只要直接调用就可以。外部端口