直流电机调速设计

1、直流电机的定义：将直流电能转换成机械能(直流电动机)或将机械能转换成直流电能(直流发电机)的旋转电机。近年来，随着科技的进步，直流电机得到了越来越广泛的应用，直流具有优良的调速特性，调速平滑，方便，调速范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速起动、制动和反转，需要满足生产过程自动化系统各种不同的特殊要求，从而对直流电机提出了较高的要求，改变电枢回路电阻调速、改变电压调速等技术已远远不能满足现代科技的要求。随着我国经济和文化事业的发展，在很多场合，都要求有直流电机调速系统来进行调速，诸如汽车行业中的各种风扇、刮水器、喷水泵、熄火器、反视镜、宾馆中的自动门、自动门锁、自动窗帘

2、、自动给水系统、柔巾机、导弹、火炮、人造卫星、宇宙飞船、舰艇、飞机、坦克、火箭、雷达、战车等场合。EDA 是电子设计自动化(Electronic Design Automation)发展起来的新技术涉及面广内容丰富理解各异所以目前尚无一个确切的定义，但从 EDA 技术的几个主要方面的内容来看可以理解为：EDA 技术是以大规模可编程逻辑器件为设计载体以硬件描述语言为系统逻辑描述的主要表达方式以计算机、大规模可编程逻辑器件的开发软件及实验开发系统为设计工具通过有关的开发软件EDA 是电子技术设计自动化也就是能够帮助人们设计电子电路或系统的软件工具。该工具可以在电子产品的各个设计阶段发挥作用使设计更

3、复杂的电路和系统成为可能。在原理图设计阶段可以使用 EDA 中的仿真工具论证设计的正确性；在芯片设计阶段可以使用EDA 中的芯片设计工具设计制作芯片的版图：在电路板设计阶段可以使用 EDA 中电路板设计工具设计多层电路板特别是支持硬件描述语言的 EDA 工具的出现使复杂数字系统设计自动化成为可能只要用硬件描述语言将数字系统的行为描述正确就可以进行该数字系统的芯片设计与制造。1在一些实力较为雄厚的单位，它也被用来设计VHDL 主要用于描述 数字系统 的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外， VHDL 的语言形式、描述风格以及语法是十分类似于一般的 计算机高级语言 VHDL 的

4、程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL 系统设计 的基本点。硬件描述语言能准确地对系统的组成模块和接口进行定义和描述；在设计的物理实现之前验证系统/子系统/模块的功能和性能；由此可以自己生成一个硬件设计。设计流程涉及到多个不同层次的抽象级别在不同的抽象层次进行转换时需要一种统一的描述和语言支持而芯片设计与生产所涉及的巨大开销使得设计越来越依赖于 CAD工具所实现的设计自动化而设计一个芯片需要很大的资金的投入产品上市的压力也越来越大。22.2.1 Quartus II 简介QuartusII 是 Altera公司的综合性 PLD/FPG

5、A 开发软件VHDL、3Quartus II 可以在 XP、Linux以及 Unix上使用，除了可以使用 Tcl脚本完成设计流程外，提供了完善的用户图形界面设计方式。具有运行速度快，界面统一，功能集中，易学易用等特点。QuartusII支持 Altera的 IP核，包含了 LPM/MegaFunction 宏功能模块库，使用户可以充分利用成熟的模块，简化了设计的复杂性、加快了设计速度。对第三方 EDA工具的良好支持也使用户可以在设计流程的各个阶段使用熟悉的第三方EDA工具。此外，Quartus II 通过和 DSP Builder 工具与 Matlab/Simulink 相结合，可以方便地实现

6、各种 DSP应用系统；支持 Altera 的片上可编程系统（ SOPC）开发，集系统级设计、 嵌入式软件开发 、可编程逻辑设计 于一体，是一种综合性的开发平台。Maxplus II 作为 Altera的上一代 PLD设计软件，由于其出色的易用性而得到了广泛的应用。目前 Altera已经停止了对 Maxplus II 的更新支持， QuartusII 与之相比不仅仅是支持器件类型的丰富和图形界面的改变。Altera 在Quartus II 中包含了许多诸如 SignalTap II、Chip Editor 和 RTL Viewer 的设计辅助工具，集成了 SOPC和 HardCopy 设计流程，

7、并且继承了 Maxplus II 友好的图形界面及简便的使用方法。QuartusII 是 Altera 公司的第四代可编程逻辑器件集成开发环境，提供从设计输入到器件编程的全部功能。Quartus II 可以产生并识别 EDIF 网表文件、VHDL 网表文件和 Verilog HDL 网表文件，为其他 EDA 工具提供了方便的接口，可以在Quartus II集成环境中自动运行其他 EDA 工具。利用 Quartus II 软件的开发流程可概括为以下几步设计输入、设计编译、设计定时分析、设计仿真和器件编程。如图2.3图2.3功能的菜单界面4(1) 设计输入Quartus II软件在“File”菜单

8、中提供“New Project Wizard”向导，引导设 VHDL New”选项添加。QuartusII 编译器完成的功能有：检查设计错误、对逻辑进行综合、提取定时信息、在指定的 Altera 系列器件中进行适配分割，产生的输出文件将用于设计仿真、定时分析及器件编程。 首先确定软件处于编译模式，可以通过“Processing”菜单进行选择。 在“Processing”菜单中选择“ComplierSetting” 项。可以进行器件选择、模式设定、综合和适配选项设定及设计验证等。 单击“Processing”菜单下的“Start Compilation”项，开始编译过程。 查看编译结果。单击 “

9、Project ”菜单下的“Timingsetting”选项，可以方便地完成时间参数的设定。Quartus II软件的定时分析功能在编译过程结束之后自动运行，并在编译报告的Timingfmax 间 tSU 、引脚到引脚延迟tPD 、输出寄存器时钟到输出的延迟tCO和输入保持时间tH等时间的详细报告，从中可以清楚地判定是否达到系统的定时要求。(4)设计仿真QuartusII .vec也可以在 Quartus II 软件的波形编辑器中产生向量波形文件(.vwf) 作为仿真器的激励。波形编辑方式与 MAX+pulsII Processing”菜单下选择“Simulate Mode”选项进入仿真模式，

10、选择“Sumlator Settings”对话进行仿真设置。在这里可以选择激励文件、仿真模式（功能仿真或时序仿真）等，单击“RunSimulator” 即可开始仿真过程。设计者可以将配置数据通过 MasterBlaster 或 ByteBlasterMV 通信电缆下载到 JTAG JTAG模式下给多个器件进行编程。利用 Quartus II 软件给器件编程或配置时，首先需要打开编程器（在“New” 菜单选项中选择打开“ChainDescription”），在编程器中可以进行编程模式设置(Mode ProgrammingHardware” 对AddFile.cdf 文件，其中存储了器件的名称、器

11、件的设计及硬件设置等编程信息。当以上过程正确无误后，单击“Start” 按钮即可开始对器件进行编程配置。53.1 直流电机速度控制系统功能概述同小异。常见的电机控制有两个目的，第一个是速度控制，第二个是位置控制。其应用也非常广泛，小型的例子如磁盘驱动器，大型的例子如太空的人造卫星，都必须达到速度和定位置的目标。就像开汽车，如果速度太慢，就要加大油门加速，速度太快，就会踩煞车减速；如果速度达到要求，只要适当踩着油门，加速的力量和摩擦力相抵消，则汽车维持匀速状态。这里只要知道电机如何加速和减速，就可以对它进行定速控制。工作原理图如图3.1如图 4.1 所示，若晶体管 Q1 和 Q2 保持导通，通过

12、电机 M 的电流就不断从左流向右边，AB 两端所承受的是正电位差。如果没有其他阻力（转矩负载），理论上电机的转速将会加速到它的额定值。因此 FPGA 只要在 Q1 和 Q2 的基极上产生电压使其导通，便可以达到加速的目的。如图 3.26其实减速对于电机而言，只是在电机原先的转向上产生一个反向的力。因此可以利用与图 4.1 相同的方式来产生反向的转矩，即让电流反向流过电机。如图 4.2 所示，晶体管 Q3 和 Q4 导通，让电流反向流经电机，使电机反转，B 两端点所承受的是负电位差。想要使电机定速运转，就需要将图 4.1 和图 4.2 所示的电路进行整合。在FPGAQ1Q2）以及（Q3Q4）轮流

13、导通，使电流的方向 随 断快速变换，基于这个理由，不能仅仅将图 3.2 和图 3.3 所示的电路组合在一起，还 坏电路。这样的驱动电路又称为桥式驱动或是 H 型驱动电路，如图 3.4 所示。而在此介绍的控制方法称为脉冲宽度调制（Pulsewidthmodulation，PWM），就是利用晶体管 on-off(导通-不导通)进行控制的方法。使用FPGA 3.5 先Q1，Q2 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，此时Q1，Q2 和Q3，Q4 轮流导通，只是Q1，Q2 在一个周期内所导通的时间t 比，Q4 导通的时间t 长一些，

14、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 = (t -t )( t +t )。OOt 和t 电压为70，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；3.2 直流电机速度控制系统电路安排图83.4 直流电机速度控制系统 VHDL 程序设计DAC0832CS,WRDATA7DATA0如下图所示。驱动电路模数转换9IN_DATA:in std_logic_vector(7 downto 0); -输入数字量 sw7sw0-通方式低电平 引脚59CS_LOW=0; -直通10时序赋值时序仿真运行引脚分配图选择“tools”菜单中的“programmer,在弹出对话框中选择编程模式和变成目单击“start”按钮，当“Progress”显示为100%时，编程成功，FPGA开始工作，通过拨动开关，直流电机的速度发生变化，达到预期效果。这次的综合课程设计使自己有了一个思考的过程，和对语言的121王金明，杨吉斌.数字系统设计与 VerilogHDLM.北京：电子工业出版社，2冯小平，张 林，赵焕军.一种基于 CPLD 实现的数字化 PWM 波形产生器 J.现代电子技术,2003,(3):71-723陈 其