电机调速控制设计

1、系统设计专题之电机调速控制设计日期:*学院:自动化与电气工程学院班级:*姓名: 学号:1CPLD 系统简介1.1CPLD 简介CPLD（ComplexProgrammable Logic Device） 复杂可编程逻辑器件，是从 PAL 和GAL器件发展出来的器件，相对而言规模大，结构复杂，属于大规模集成电路 范围。是一种用户根据各自需要而自行构造逻辑功能的数字集成电路。 其基本设 计方法是借助集成开发软件平台， 用原理图、 硬件描述语言等方法， 生成相应的 目标文件，通过下载电缆（“在系统”编程）将代码传送到目标芯片中，实现设 计的数字系统。1.2CPLD 系统的基本构架主要包括有处理器、

2、外围电路及接口和外部设备三大部分其中外围电路一般 包括有时钟、复位电路、。程序存储器、数据存储器和电源模块等部件组成。外 部设备一般应配有USB显示器、键盘和其他等设备及接口电路。在一片 CPLD 微处理器基础上增加电源电路、时钟电路和存储器电路，就构成了一个CPLD核心控制模块。其中操作系统和应用程序都可以固化在ROM中。1.3CPLD 系统的特点采用32位EPM3032A微处理器和实时操作系统组成的 CPLC控制系统，与传 统基于单片机的控制系统和基于 PC的控制方式相比，具有以下突出优点：性能方面：采用32位RISC结构微处理器，主频从30MHz到1200MHz以上, 接近PC机的水平，

3、但体积更小，能够真正地“嵌入”到设备中。实时性方面：CPLD机控制器内嵌实时操作系统（RTOS，能够完全保证控 制系统的强实时性。人机交互方面：CPLD空制器可支持大屏幕的液晶显示器，提供功能强大的 图形用户界面，这些方面的性能也接近于 PC,优于单片机。系统升级方面：CPLD空制器可为控制系统专门设计，其功能专一，成本较 低，而且开放的用户程序接口（ API）保证了系统能够快速升级和更新。1.4CPLD 技术的应用领域CPLC技术可应用在：工业控制；交通管理；信息家电；家庭智能管理；网 络及电子商务；环境监测；机器人等领域。在工业和服务领域中，大量 CPLC技术也已经应用于工业控制、数控机床

4、、 智能工具、工业机器人、 服务机器人等各个行业， 正在逐渐改变着传统的工业生 产和服务方式。例如，飞机的电子设备、城市地铁购票系统等都可应用CPLD系统来实现。2设计内容2.1任务目标根据所学的CPLD系统的知识，通过硬件和软件想结合，编程控制电机的正 转、反转、加速和减速。2.2硬件原理图硬件原理图如图1所示:EPM3032A芯片起到接收PW信号并实现对电机的控制的作用。X41L ln甘111 *MK i IT r輒匚ICIW TilJl k IhHL-llAkLkJM 职rvM：口CTHWILE甘爭rg_pIWI LAL|%LAIJ 4iMHM I 1GM EjNHKT UDlllyp

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6、桥原理图H桥电动机驱动电路包括4个三极管和一个电机。如图2所示。 动，必须导通对角线上的一对三极管。 根据不同三极管的导通情况， 左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。要使电机转电流可能从就改变了输出电 而低电平所占的时当G1和G4导通时，电机受正向电压，导通一段时间后，令 G4截止，由于 电机中存在电感，电流不能突变，电流经G1和Q3导通续流，此时电动机两端的 变压为零，输出电压的均值为电动机的电压。这样就实现了电机的正转。在周期不变的情况下，改变变换器输出电压的占空比， 压均值，也就改变了电机的转速。当输出高电平的时间增大， 间减小时，此时实现的是加速，反之就是减速。G2截止，由于

7、电当G2和G3导通，电机受负向电压，导通一段时间后，令 机中存在电感，电流不能突变，电流经G3和Q1导通续流，此时电动机两端的变 压为零，与正转类似，这样就实现了电机的反转。反转时也能实现加减速，同正 转。2.4直流电机调速直流电机控制驱动芯片：L9110.L9110是为控制和驱动电机设计的两通道推挽式功率放大专用集成电路 器件，将分立电路集成在单片IC之中，使外围器件成本降低，整机可靠性提 高。该芯片有两个TTL/CMOS兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性；两个输出 端能直接驱动电机的正反向运动，它具有较大的电流驱动能力，每通道能通过800mA的持续电流，峰值电流能力可达1.5A ;同时它

8、具有较低的输出饱和压降； 内置的钳位二极管能释放感性负载的反向冲击电流，使它在驱动继电器、直流L9110被广泛应用于玩具汽车电机、步进电机或开关功率管的使用上安全可靠。电机驱动、脉冲电磁阀门驱动，步进电机驱动和开关功率管等电路上。符号ft小典型«大单位Vcc, max电源电压2.25.012.0Vlout maxiSJiik 流8001000mAWin输入高电半2,25.012.0VVG输入低电皆00507VPd max允许电源消耗800mWTopr操件温S-302585Of图3 L9110管脚定义、参数序号1符40A功能A路妳卩芾脚2VCC电源电压3VCC电源电比40BB路编也筲叫

9、5GND地线6IAA路输入管脚71BB路端入管脚8GND地钱管脚定义绝对S大范国：Ta=25XOA匚1 1 GNDVCC匚 IBVCC匚 IAOB匚 GND曙件管脚图L9110直流电机控制芯片的管脚波形图:输入A 输人B输出B图4 L9110管脚波形图L9110直流电机控制芯片的电路接线图。应用电路图:听流电机图5 L9110电路接线图利用脉冲宽度调制（PWM原理进行调速。PW是靠改变脉冲宽度来控制输 出电压。如图3所示。通过改变周期来控制输出频率， 而输出频率的变化可通过 改变脉冲的调制周期来实现。IIIIIIIII图6脉冲宽度调速原理图-UpT 。t/T为PWM脉冲的占空比，决定平均电压的

10、大小。U平均电压： 占空比越大，电路开通时间越长。PW具有以下优点：（1）无需进行数模转换；（2）抗噪性能强，PW是数字形式的，噪声只有在强到足以将逻辑 1改变 为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1,才能对数字信号产生影响，PWMS于通信时 极大的延长通信距离；（3）PW既经济也节约空间。3 实验一，熟悉编程环境与仿真工具3.lQuartus n编程软件Quartus II是Altera公司的综合性PLD/FPGAT发软件，原理图、VHDL VerilogHDL 以及 AHDL（Altera Hardware 支持 Description Language ）等多种 设计输入形式， 内嵌自有的综合器

11、以及仿真器， 可以完成从设计输入到硬件配置 的完整PCLD设计流程。3.2 在系统可编程器件设计步骤1. 创建新设计项目： 设计的第一步， 它的任务是建立一个项目， 包括项目文 件和项目标题。2. 选择器件：在器件选择窗口中选择要使用的器件。 针对某个可编程器件进 行设计时，建立项目后，应首先选择器件。3. 输入和修改源文件：设计过程中最重要的一步。所有的设计思想通过源程 序的形式输入计算机。一个项目可能由一个或多个源文件组成。4. 编译与优化： 编译用途和其他语言是一样的。 若不能通过编译， 则需修改 源文件。5. 仿真：使用ModelSim软件进行仿真。目的是对设计的正确性进行检验。从 功

12、能上对设计的正确性进行检查，它假定信号的传输时间为 0，与适配器的时间 无关。若仿真结果与设计要求不符，则需修改设计。6. 下载：通过下载电缆， 将生成的 pof 数据文件下载到电路 EPM3032ATC44-10 器件中。下载又称为编程。 一个器件只有经过下载这一步骤， 才能将设计成果转 化为该器件的功能，在电路板上发挥应有的作用。3.3 建立由原理图源文件组成的设计1 .创建一个新的设计项目（1 ）选择菜单 File->New Project ，在 Create Project Wiszard 对话框的Work Director栏中，选择工程保存路径，在 Nam曲键入项目名。（2）按

13、 Next 按钮，出现添加工程文件的对话框，如下图：Aticll PMe»(JBge 2 of 91斗h 卓r- f|isEV"iim irvli'd" t npr n k- i-L <lu-h rf A|>l H-n rlifl a II rl eltiUR* +i pn bki 卓 p* n p* rh ri ra-ri'nrv Ti-i hh 卓 fw n rh»a f . ¥iZiu J I* hi-. >-p « dJ aA'rr*! 丁叮斗孑 Ed 1 t w pMi*irE U1

14、 ma .1-. I I 0 hJM 11H r*"*' d II Hl T- L r>g ,卜h r i hjib-ib 4 i iaAcU却* -BHF't-rv i I IF-I HR DF rtU K II uiRTml I hn I. L 1*4 b ，亍 II 页云.1】+*这里先不管它，然后按next进行下一步，选择FPGA器件的型号,如下图:Cg New frojcct VViMrdFamily & Device Settings (page 3 of 5SD-lAct Ih4 family and dtt/1ca ynu vjnrrt

15、to tnrDC for czhEpd日bon.*OLh 匚OP IWTal 4dllh：il1«l rkfvlc 5Wpr»H 讪I佝 tF毛 frEtfill &VtS CMWfQ门口 g tX TmDok'lca familyPin count.AMyTcTFt -teviSp«c rode - I Any已by Wi* Pn*r“flFfl filter：* soenfic tin暫 stkct*d m Avonwe rteweeg" hsr/| Show fl 昴dnt/ed devii帝s*1 lK =-' n ：t

16、HU''' 111 IAtnijh 右FPHICVI KArMZq 斗7EPH3W£AT<；-q4-l.Q甘vritA彳*3.3V3?3-3VE PH ZD3 ZATW.4- LC3-3V33匚nnp-anMin :AavtcaII； FI (Ih' I I i J1 lb ir *' V UvK.krhixL >FirnT匚 nnUd(3)在Family下拉框中，选择MAX3000系列，选择此系列的具体芯片EPM3032ATC44-。执行next出现选择其它EDA工具对话框，Simulation 选项中 Tool name选择 M

17、odelSim-Altera ,Format(s)选择 SystemVerilog HDL按 next进入工程的信息总概对话框EDA Tool Settings 訐旳e 4 of SIfw Dlhw EEM toat* luad wilt fcha Qua-rtua 口 ntwai fc-T8 1>4Tuul rcrviaPuinut-t)Kun TiuJ »nig呼护 t-r*v/ET-i-1 < hbw亠* -F- .ph 'i rlb " «-u -r 1 z-'!".r' p "I _ Ktl:! -

18、iiutabup*U)MAlllPAi£HI!4 iiaAm'wvviIulj vibkF'h-dll M* 7屮1MXtiVFtiU*岬 «Avr griuri屋空 1imii w- R jisniu'J . .RCE"l FlrtPmng.寸AvrtEri丹W 冈弧111V efli*(4) 按Finish按钮即建立一个项目。2.建立一个Verilog文件(1)执行T,弹出新建文件对话框，如下图:口 uAtLK 1 Fr£>|aiZt-ii iDhi口上gL Flh0Bloch DlAi-arVIBmeftlc FUo-

19、FPTF fil«QStjfS yEXCm FihHDl. Fl>eci E0-1 pt FUtHOL FileVWL石II亡 Iht mory <ll"H专車口EBl ©"teAFoFiot Flip Me-mory Inlt-pllnbcri 占 Vnh于点匚II*.n-3yda-n-i Seurcds- and ProtMb RIa- Lolc ArHityjr Ttuiffta包，-I. 三与 nBiTap 匚F-ilajvhbdxdtr 戸roy m OcrqpOhCancelHAJ|-选择 Verilog HDL File,点击O

20、K,开始程序编写。双击左侧下方 Tasks窗口中的Compile Design，对程序进行编译；编译如果出现错误，对程序进行修改,直至完全编译成功。生成激励(2) 选择 P rocess in g->Start->Start Test Bench Temp late Writer,文件.vt。选择Files->open,打开工程文件夹下 simulation->modelsim 中AllFiles里的.vt文件，对其进行修改，使输入信号初始化，将系统时钟信号进行延时，避免出现仿真时内存不够的情况，修改后点击保存。如下图:gE 呻+ ST HFtpjqjwaM云krtI戸

21、 dt»5*l*s d'I1 r'- * K 川A3UJJIL *却d*£nV： COBflBBI. D«rft:旦I旦旦Ll鼻:“匚*辰a2J34H-mon 加liQighan n"Tuiitlbr* hpQrH+lOMSBc WEh fhQirr4HEILIJ13NrsgiJLt clck; kilL-L "； - 1“iriAi匚 ±br( J UU -. pl.L pWTKn-pii-1 rvmr;*祚 rakH-ildP *! NEpHtG tlrtlMkh* :;丽K畅、仆畐币 =AbT *4rnm iwy

22、c asf+Mjer 辆Tl 云yrrtijpr srt TFmr 峋HgprwUwtBM iHtEt iM-tvrEM2ifehT妲+込QEf花 '*«ahF?-:3& 帀|科 F*«*亦* Trtgnji9wt VqH iVIn:Wl愉 Nil tf|l* uiiWrl:amrt B-iM HdihT伯yiu¥i*nAMl 0hTO I HA '阳lV *>1I 吟(5) 为仿真添加激励文件。选择 Assig nmen ts->setti ng->EDA ToolSettin gs->Simulatio n，在

23、NativeL ink setti ong 下，选择 Com pile testbench,点击Test Benchex在弹出的Test Benches窗口下点击New,弹出NewTestBench Sett in gs 窗口。在 Test be nch n ame下命一个名字，在Top levelmodulein test bench中输入.vt文件中带有_vlg_tst的名字。勾选Use testbench toperform VHDL timi ng Simulatio n，在 Design instanee name in test bench中输入 i1;点击下方 Test benc

24、h and simulation files下的后的，选择.vt文件，点击Add。连点OK直至回到Quartus n主界面。如下图w QV*r 也I Rih世Vd*Fb iipi.t*片 ffH If t 軽Hn 心 gfPpiiE-*車 M!-n*!T.-r'nl>S*ia mufcBPOF 打1 和血丄*1 Wrvi h W 辛*F*曾|片 vlOi. hpJ DvfhjQ rwTvIri fc亍Tvwt AjiVf*PriT>w.3lyi： *niOT；*'ljrk州Mml.l Td*F丄时冲看费碎任r爭T VW Mripid nvU皿CMPfSOmUri-.

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27、n TMiin will vnub gAtfhMUfl ri:Trf Iwpi EnnFK in-"RSFrSL VWWhg5W3.4建立一个MSim的工程，将其放在了 D:pro下，建立完成后样子如图3.1Hnd Hii jrr.'2盂F 事4 _mpvTI a -1S* p”»厂-#审7»*kh"L 访丘 E般 < * i. 1ij；«rj|t "nai丘 r?TX，nnuai j Lhfrjt 壬二壯3LCf E nniti,- rl I :二'rrr PXMd'IbxEb L乜丄ryi <&

28、lt;pe：dT* BSJfl aTfq ：luAhli <- -J* = * Ial r T * J Wfl L±HJ巫 ee -: G-； Mcii'2 Ifig -y rzaDdzL"图7软件主界面然后，编译，打开MSim.vt文件，编辑输入模拟量(#2 repeat(3000) #2 GCLKv=GCLK；。如图 5 所示：F罟片站r*氓'.I怖齊诵ft (." I 7为H fw+a411 * E* >rr*H-W1 1*M'Xhn-S-z-nc-A 'oli 氓 J, 7> EX 忖Fu *"!

29、9E WW 霜!HHiLT L2!(I = y- 7' T=rv =I.K乂rSJCi.I . niuu I Hui IQLirw l«vvi != I n j*5Bilfl_lSVEK - h < *S(wi_dfl_tsVGQl( 斗庐5lri曲占疗砧 -. 釧亡n：*-=T : Z ”:-七：H:、 ztJb 1&ZJ.L5J 二二kiy二 = i-azj l._ jl ev Lxjl-TUCiour i3 CC r尸工？黄Jj图9仿真波形图8编辑输入模拟量配置modelsim仿真设置，打开仿真器，仿真结果如下:MSC34实验二，电机调速控制编程与调试4.

30、1编程根据任务要求，编写程序如下：程序有 5个输入和2个输出。clk为时钟脉冲输入，SW1 SW2 SW3和SW4分别代表控制电机的启动/停止、正/反转、加速和减速。首先检测脉冲新信号的上升沿,设定一个寄存器，记录脉冲个数。然后对按键进行判断。加速和减速控制是通过改变参考值,以实现改变占空比，实现调速。程序1：g »*irf - K血矿H T tf s蛰雷用Srrj丄二：* Uln|ti.k. Uri,上他.±V3,pwil. punM ;IDLt1e4l-liLIDPLt 1普口 tcicjIttL; £MJj3竝AH札电忙&弋Ff閘F*，诗屮,IT弋样

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40、I曲中*扌！±孫主 灌！ ；：?菩' 培II *1 " 7 STa*)rN'图13正转加速波形H 办-1-护 Q-1鼻K0曲J；LI 5i I* 1 替令*6*1胡” J S iP兰二 -* 生 H k 斗 ju t J) ； * IT < -： inrr 二说fcr M -冋uhfaijt J 集5lW耳JIF-J rVA'bW la 吟 Ham2）进行仿真输出波形如图所示，能够实现电机正转加速”叫匸E*«$T,悶*4 忑!jh '"IbliXUw士 Tgi Lj 卢dMu三电士a'JJ3jii£

41、ia 1( ji i-± .t *-* IF -亠U y M遍U 包旨七M k<-0 A 4U： " U 9- i L r I Bl I，二住 乱0 *灶4、庖丑冷-丽i4l| 遛:X - II -Z： | L ill' - J -FTTThllg.-*-4二IHk=_-*Lbr- ?II!mM'jHfbJrrLdHMiIInnffyiTTiitTOiiiiuirnnjii iiimmmmiuu-a -1(speed = 2'b10、flag_zhengzhuan=1;)e Ji、玄 T；i 佩,C3）进行仿真输出波形如图所示，能够实现电机正转

42、加速(speed <= 2'b01 、flag_zhengzhuan=1;)OJ iPTi 1A BIjr I I r>>U* oh-Ll-la21 栏弱口 N "fllrf'- p*|r Tji"t !_；七 r*；宣 jr* 評F，4*H £ u II 两兀寺I - t Jf fr H-*- -r : .一 I w ftf Li ru iL| lb q £ llB 刃IXihU.-I.厂rrr珂“ |评b-arfadl -f，兀afcrKil - J K片石飪 hayJjIK ,r 一 j=科巴"IIL.J

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44、IF ：3fr 釦UUHflt 包岂土-忑|4I| t * T Xa ±1- IZ：'律PF “八=f-f7|- .), I石 +fH気的T TtiMilliltiiy':-2. PWM反转仿真波形2）进行仿真输出波形如图所示，能够实现电机正转加速(speed = 2'b11、flag_fanzhuan=1;)i忘HA *LTP<tAHTH血丽.网诵仃臼.A m- W 渝 ftribUi 3TxIi_* 1竺兰三r 1 II I < 7YU JlX-UEI-T厂|I 叫'卜J 4I丐；,0 L至NT性#Li 产" EbbtaMiL

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46、J -»f AiH ,f f a.IIIHIIIIHIIIIHIIIHIIIIMIIIIHIIIIHIIIIHVIIUIIHIIHIIIIUIIIIIPIhllllllllinillPllill JliriJIllllll"fcrj*Lh InW：«：1U1Z邑4，- _IJfcg 14i'r-* ¥<l-rf 64 JlX. 7)1Fgrp-iE I “ g,盔 E ；洌叫£岂1尸卜m上创 h蚱 门I* 血丄2）进行仿真输出波形如图所示，能够实现电机正转加速(speed = 2'b10、flag_fanzhuan=1;)

47、M 宀 幻.mTEPuCTaTE*，钥JA Mb fiuTvJii SinUu Z nh|0 0匕 亠巴1沪山. tHf-llLu ai I gg 二二. rt t H'II .：- r XB-a I* t-x “新 u u M fl £ a 卫*Sj- twvr riA -UP 翕砂 IB rUHBZns2）进行仿真输出波形如图所示，能够实现电机正转加速(speed = 2'b01 、flag_fanzhuan=1;)M Tih*田"OUa 4-SinUu Z 也. Tfli Li 方旳吃 4m U*r I ii HlrtS： H'JJ V a.土

48、亚I弘I =4 i±-、<h t ir' cr i'm!imifl c aI I* J <rr*4 亍 lHji 萼T环 z ' :二IJIT-应 r-；一*已尺T' *lllirTHE"出-till .11 匚 111"|卩111"'!11二111二|口1!.丁上pgjn.carf5总结首先，通过系统设计专题这门课，学习了什么是CPLD系统，对CPLD系统的 一些知识（如定义，基本构架，特点，应用及发展前景等）有了一些基本的了解, 对CPLDt了更系统的认识。CPLD系统就是将计算机硬件和软件结合起来

49、构成的能够在没有人工干一个专门的装置，这个装置可以完成一些特定的功能和任务,预的情况下独立地进行实时监测和控制。其次，通过亲自动手编写相应的程序来完成实验,锻炼了独自解决问题的能力。同时，在完成目标的过程中，发现了一些问题，比如学习并掌握理论知识并不难，将理论知识应用到实际的工程上就很难了,恰恰我们缺乏的就是这种能力,老师们能够根据学生的情况将该课程设定为为实践课程而不是一味的讲解理论, 对学生提高实践能力很有帮助。最终能最后，在龚老师的指导和帮助下，通过自己的努力和同学进行讨论, 顺利完成既定的目标。附录module MSim(GCLK, PWMAH);input GCLK;output P

50、WMAH;reg3:0 q; / reg PWMAH;initial beginPWMAH <= 0;q = 0;endalways (posedge GCLK)/if(q = 1)beginPWMAH <= 1;q = q+1;endelse if(q = 9)beginPWMAH <= 0;q = q+1;endelse if(q = 15)q = 0;else q = q+1;endmodule附录二module MSim(clk, SW1, SW2, SW3,SW4, pwm1, pwm2);input clk; input SW1;input SW2; input

51、SW3;input SW4;/电机启 / 停控制按键 电机正 / 反转控制按键 电机减速控制按键 电机加速控制按键/* *吕宪龙*输出控制变量 */正转反转output pwm1; /output pwm2; / /*吕宪龙*定义寄存器锁住信号 */ reg pwm1;reg pwm2;reg1:0 speed;reg6:0 cnt;正转标志位反转标志位正反转换挡reg flag_zhengzhuan; / reg flag_fanzhuan; / reg flag; / / 防抖设计reg2:0 dout1,dout2,dout3,buff;wire2:0 key_edge;/ 消抖寄存器/ 按键消抖输出/* *吕宪龙*程序变量初始化 */ initial beginpwm1 = 0; pwm2 = 0; speed = 2'b00;/dir = 2; flag_zhengzhuan = 0; f