直流电机的速度控制

1、EDA课程设计报告直流电机的PWM调速、概述直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调速范围广；过载能力大， 能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的快速起动、制动和反转；能满足生产过程 自动化系统各种不同的特殊运行要求。电动机调速系统采用微机实现数字化控制， 是电气传动发展的主要方向之一。采用微机控制后，整个调速系统实现全数字化， 结构简单，可靠性高，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，静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。由于 CPLD/FPGA性能优越，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。PWM调速系统与可控整流

2、式调速系统相比有下列优点：由于PWM调速系统的 开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可获得平稳的直流电流，低速特性好； 同样，由于开关频率高，快速响应特性好，动态抗干扰能力强，可以获得很宽的 频带；开关器件只工作在开关状态，主电路损耗小，装置效率高。二、PWM调速的原理图（1）图（1）是全桥型的电机驱动电路，利用的是三极管的电流放大来驱动电机。从 图上我们可以看到当Q4和Q3导通时，电机正转；当Q1和Q2导通时，电机反 转。设电机速度从静止开始加速，如图（2）所示，首先Q3, Q4必须维持导通一段 时间，此时电机所承受的电压约为供电电压U，称之为强加速。待速度接近目标 速度时，加速可以减缓，

3、此时Q3, Q4和Q1, Q2轮流导通，只是Q3, Q4在一个周期内所导通的时间ton比Q1，Q2导通的时间toff长一些，在此称为弱加速。任何时刻，电机所承受的平均电压U。，表示为U = UX(t -tff)( t n+tff)o如果速 OOon off on off度已经达到目标，便可以调整toff和ton的时间比例使之相等，此时平均电压为0， 是定速控制。由此可知，平均电压若为正值时，是加速控制；负值时是减速控制； 为零时即达到匀速。三、程序的设计在整个程序设计中，我们可以把他分成几个部分1、 PWM波形的产生LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.AL

4、L;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY PWM ISPORT ( CLK : IN STD_LOGIC;U_D ,D_D: IN STD_LOGIC;CQ : OUT STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);END PWM;ARCHITECTURE ONE OF PWM ISSIGNAL CQI : STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);BEGINPROCESS(CLK)BEGINIF CLKEVENT AND CLK = 1 THENIF U_D = 1AND D_D = 0 THENIF CQI = 255 T

5、HEN CQI = 11111111;ELSE CQI = CQI + 1;END IF;ELSIF U_D = 0AND D_D = 1 THENIF CQI=0 THEN CQI = 00000000;ELSE CQI= CQI-1;END IF;ELSE CQI = CQI;END IF;END IF;END PROCESS;CQ = CQI;END PROCESS ;END ONE;上述程序中，一个PWM周期由256个时钟周期clk组成。通过U_D和D_D来改 变一个周期中PWM周期中高低电平的比值，即PWM输出信号的占空比。驱动 直流电机转动的是PWM电流的平均值，PWM输出信号的占

6、空比变化，也就改 变了直流电机的转速。U_D表示增加占空比；D_D表示减少占空比。下面四幅仿真图表示的是四种状态：当 U_D=1，D_D=0 时 CQ 增加；当 U_D=0，D_D=1 时 CQ 减少；当 U_D=1，D_D=1 时 CQ 不变；当 U_D=0，D_D=0 时 CQ 不变；程序的仿真图为：需 r - .k?$bepwm - pwm.sd - Vffnrnr Editor-MAX+plusUj Rle Edit View Node Utiltfes Optfons Window HeWHEN 0001=WHEN 0010=WHEN 0011=WHEN 0100=WHEN 0101

7、=WHEN 0110=WHEN 0111=WHEN 1000=WHEN 1001=WHEN 1010=WHEN 1011=WHEN 1100=WHEN 1101=WHEN 1110=WHEN 1111= WHEN OTHERS = END CASE ;END PROCESS ;END ;LED7S= 0111111;LED7S= 0000110;LED7S= 1011011;LED7S= 1001111;LED7S= 1100110;LED7S= 1101101;LED7S= 1111101;LED7S= 0000111;LED7S= 1111111;LED7S= 1101111;LED7S=

8、 1110111;LED7S= 1111100;LED7S= 0111001;LED7S= 1011110;LED7S= 1111001;LED7S= 1110001;NULL ;这个程序是7段数码管的显示程序，改程序中没有考虑数码管的小数点（h段)。如果需要添加段 h，则程序中 LED7S : OUT STD_LOGIC_VECTOR(6 DOWNTO 0)的(6 DOWNTO 0)改为(7 DOWNTO 0)。四、体会这次的课程设计是当做期末考试来算的，所以从一开始选题的时候就开始比较 重视，是做交通灯，流水灯还是汽车尾灯这些比较经典的设计呢？还是作别的？ 我自己一开始也很矛盾。后来考虑到

9、自己最近在做电机的驱动方面的东西，所以 想想可不可以用VHDL来实现。所以就选择了这个题目。选择了这个题目后，一开始信心还是满足的。因为对于一些硬件的电路我还 是比较熟悉的。可是后来发现问题还是蛮多的，有些问题到现在还不知道怎么解 决，所以这次的课程设计也许就不是很完美了。在我一开始的预想中，打算使用 PWM来驱动电机，然后用光电编码电路来测出实时的速度，通过反馈来调节PWM 控制电机。对于这个思路，我是比较有信心的，因为在单片机上我实践过很多 次了。但是在实际的操作过程中，由于本身对于VHDL语言的不熟悉，有些在C 语言中的编程方法不知道怎么运用到VHDL语言中去。还有一个比较大的问题是，

10、我不知道如何在MAXPLUS中检测电机的实时速度，考虑到可以通过给定值，但是 这个速度又是通过电机来实时改变的，所以在这个问题上也有些迷茫。如果说通 过给定一个实时速度，通过PWM的改变来使得电机的转速改变达到目标值，我个 人认为也就失去了连续性，也就失去了闭环的作用，而且该场景完全可以通过于 动的控制PWM的值来模拟。鉴于上面的一些问题，也考虑到时间的问题，所以我没有把速度闭环，通过 手动的调节占空比来调节电机的速度。对于这个方案，自己也觉得比较简单，但 是我也认为本次的课程设计没有结束，对于我一开始的思路，我也一直在想办法 努力去实现。对于通过手动调节占空比的程序，原型来自于书本上的一个示例程序，但是 基本上把主程序给改了，对于原程序中的功能实现有了很大的改变。首先是在分 级上，我选了 256级得，其次是在原程序中通过U_D的两个状态来实现占空比的 增大和减少，这种方法在实际操作中会使得电机的占空比一直在改变。所以我改 进了程序，加入了一个D_D的按钮，通过与U_D组合形成四个状态，完全能够满 足电机运行的几种状态。对于译码程序，如果硬件电路中含有译码器的话就完全 没有必要了，直接映射过去就可以了，如果没有