基于EDA的直流电机控制系统设计

..大学远程教育本科生毕业论文〔设计〕中文题目基于EDA的直流电机控制系统设计学生智专业机械电子层次年级13级本科学号001指导教师王昕职称副教授学习中心弘成宿迁成绩2015年10月9日摘要论文以直流电机为研究对象，应用了FPGA技术，设计出了一种全数字的步进电机控制系统。本论文分析了直流电机工作原理及其具体的控制过程，并阐述了FPGA的设计原理以及所涉及的相关芯片，然后对所用的硬件语言VHDL的知识进展简要地介绍，这些为论文的具体设计提供了理论根底。本系统针对实现直流电机的调速，设计了一种符合要求的并连续可调的脉冲信号发生器，对整个系统进展模块化设计，并且每个子模块都通过了仿真测试。系统采用模块化的设计思路，使系统的设计和维护更加方便，也提高了系统性能的可扩展性。FPGA、VHDL以及EDA工具构成的数字系统集成技术，是本设计的核心局部，该技术具有操作灵活、利用广泛及价廉等特点。系统设计采用全数字化的控制方案，使系统更紧凑、更合理及经济节约。由于系统的数字化，使整个系统运行得十分可靠，调试也极为方便。关键词：直流电机，可编程门阵列，硬件描述语言目录一、绪论 11.1课题背景 11.2研究的目的及其意义 2二、电机的根本知识42.1直流电机的特点42.2直流电机根本构造42.2.1定子局部42.2.2转子局部52.3直流电机工作原理62.4直流电机PWM调速原理6三、FPGA与硬件描述语言83.1现场可编程逻辑器件83.2硬件描述语言设计方法83.2.1硬件描述语言开展概况83.2.2EDA简要介绍93.2.3采用硬件描述语言的设计流程10四、设计原理及其实现过程 114.1直流电机PWM调速方案设计114.2FPGA部逻辑组成 124.3模块设计和相应模块程序 134.3.1PWM脉冲调制信号电路模块 134.3.2逻辑控制模块 174.4电路的总仿真图194.4.1正/反转控制仿真194.4.2启/停控制仿真194.4.3加/减速仿真204.4.4仿真结果分析21总结 23致 24参考文献 25..一、绪论1.1课题背景自从1985年Xilinx公司推出第一片现场可编程逻辑器件〔FPGA〕到现在，FPGA已经经历了二十几年的开展历程。在这几十年的开展过程中，以FPGA为代表的数字系统现场集成技术取得了惊人的开展。现场可编程逻辑器件从刚开场的1200个逻辑门，开展到90年代的25万个逻辑门，甚至到现今国际上FPGA的著名厂商Altera公司、Xilinx公司又陆续推出了数百万门的单片FPGA芯片，将现场可编程器件的集成度提高到一个新的水平。FPGA的优点可以归纳为如下几点：效能，上市时间，本钱，可靠性和长期维护五个方面。效能--透过硬件的平行机制，FPGA可突破依序执行(Sequentialexecution)的固定逊算，并于每时脉循环完成更多作业，超越了数位讯号处理器(DSP)的计算功能。BDTI作为著名的分析公司，并于某些应用中使用DSP解决方案，以计算FPGA的处理效能。在硬件层级控制I/O可缩短回应时间并特定化某些功能，以更符合应用需求[1]。上市时间--针对上市时间而言，FPGA技术具有弹性与快速原型制作的功能。使用者不需进展ASIC设计的冗长建构过程，就可以在硬件中测试或验证某个观念。并仅需数个小时就可以建置其他变更作业，或替换FPGA设计。现成的(COTS)硬件也可搭配使用不同种类的I/O，并连接至使用者设定的FPGA芯片。高级软件工具正不断提升其适用性，缩短了抽象层(Layerofabstraction)的学习时间，并针对进阶控制与信号处理使用IPcores(预先建立的方式)。本钱--ASIC设计的非重置研发(NRE)费用，远远超过FPGA架构硬件解决方案的费用。ASIC设计的初始投资，可简单认列于OEM每年所出货的数千组芯片，但是许多末端使用者更需要定制硬件功能，以便用于开发过程中的数百组系统。而可程序化芯片的特性，就代表了低本钱的架构作业，或组装作业的长前置时间。由于系统需求随时在变化，因此假设与ASIC的庞大修改费用相比，FPGA设计的本钱实在微缺乏道[2]。可靠性--正如软件工具提供程序化设计的环境，FPGA电路也为程序化执行的建置方式。处理器架构的系统往往具有多个抽象层，得以协助多重处理程序之间的作业与资源分享。驱动层(Driverlayer)控制硬件资源，而作为作业系统那么管理记忆体和处理器频宽。针对任何现有的处理器核心来说，每次仅可执行1组指令码；而处理器架构的系统那么可以连续处理重要作业。FPGA不需要使用作业系统，并将产生问题的几率降到最低，采用平行执行功能与专属精细硬件执行作业。长期维护--FPGA芯片为即时升级(Field-upgradable)特性，不需要像ASIC一般重新设计的时间与费用。FPGA具有可重设性质，可随时因应未来的需要而进展修改。当产品或系统趋于成熟时，不需耗时重新设计或修改配置，即可提升相关功能[3]。1.2研究的目的及其意义直流电动机因为具有良好的启动性能和宽广平滑的调速特性，从而被广泛应用于电力机车、无轨电车、轧钢机、机床和启动设备等这些需要经常启动并调速的电气传动装置中，直流发电机主要用作直流电源。此外，小容量直流电机大多在自动控制系统中以伺服电动机、测速发电机等形式作为测量、执行原件使用。当基于FPGA的嵌入式系统时，在设计周期之初就不必为每个模块做出用硬件还是软件的选择。由于FPGA中的逻辑单元是可编程的，可针对特定的应用而定制硬件。所以，仅使用所需要的硬件即可，而不必做出任何板级变动(前提是FPGA中的逻辑单元足够用)。设计者不必转换到另外一个新的处理器或者编写汇编代码，就可做到这一点。使用带有可配置处理器的FPGA可获得设计灵活性。设计者可以选择如何实现软件代码中的每个模块，如用定制指令，或硬件外围电路。此外，还可以通过添加定制的硬件而获取比现成微处理器更好的性能。另一点要知道的是，FPGA有充裕的资源，可配置处理器系统可以充分利用这一资源。算法可以用软件，也可用硬件实现。出于简便和本钱考虑，一般利用软件来实现大局部操作，除非需要更高的速度以满足性能指标。软件可以优化，但有时还是不够的。如果需要更高的速度，利用硬件来加速算法是一个不错的选择。FPGA使软件模块和硬件模块的相互交换更加简便，不必改变处理器或进展板级变动。设计者可以在速度、硬件逻辑、存储器、代码大小和本钱之间做出折衷。利用FPGA可以设计定制的嵌入式系统，以增加新的功能特性及优化性能。目前，虽然由晶闸管整流组件组成的固态直流电源设备已根本上取代了直流发电机，但直流电动机仍因为其良好调速性能的优势在许多传动性能要求高的场合占据一定的地位，而FPGA又具有很强的性能及其优势，基于FPGA的直流电机的控制还是有应用价值[1]。二、电机的根本知识电机可分为变压器、异步电机、同步电机和直流电机四个机种。其中变压器是静止的电气设备，其余均为旋转电机。异步电机和同步电机均为交流电机。在本次设计中用到的是直流电机，直流电机是实现直流电能与机械能转的装置[4]。2.1直流电机的特点直流电动机与交流电动机相比拟，具有良好的调速性能和启动性能。直流电动机具有宽广的调速围，平滑的无级调速特性，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；过载能力大，能承受频繁的冲击负载；能满足自动化生产系统中各种特殊运行的要求。而直流发电机那么能提供无脉动的大功率的直流电源，且输出的电压可以准确地调节和控制。但直流电机也有它显着的缺点：一是制造工艺复杂，消耗有色金属较多，生产本钱高；二是运行的时候由于电刷与换向器之间容易产生火花，所以可靠性比拟差，维护比拟困难。所以在一些对调速性能要求不高的领域中己被交流变频调速系统所取代。但是在某些要求调速围大、快速性高、精细度好、控制性能优异的场合，直流电动机的应用目前仍然占有较大的比重[5][6]。2.2直流电机根本构造直流电机由定子〔静止局部〕和转子〔转动局部〕两大局部组成。2.1直流电机的构造定子局部定子局部包括机座、主磁极、换向极和电刷装置等。〔1〕机座机座有两个作用，一是作为电机磁路系统中的一局部，二是用来固定主磁极、换向极及端盖等，起机械支承的作用。因此要求机座有好的导磁性能及足够的机械强度和刚座，机座通常用铸钢或厚钢板焊成。〔2〕主磁极在大多数直流电机中，主磁极是电磁铁，如图2.1的N、S就是主磁极，主磁极铁芯用1～1.5mm厚的低碳钢板叠加而成，整个磁级用螺钉固定在机座上。主磁极的作用是在定转子之间的气隙中建立磁场，使电枢绕组在此磁场的作用下感应电动势和产生电磁转矩。〔3〕换向极换向极又称附加极或间极，其作用是以改善换向。换向极装在相邻两主磁极N、S之间，由铁心和绕组构成。铁芯一般用整块钢或钢板加工而成。换向极绕组与电枢绕组串联。〔4〕电刷装置在图2.1中，A、B表示电刷。它的作用是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接，并与换向器相配合，起到整流或逆变器的作用。转子局部直流电机的转子称为电枢，包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、风扇、轴和轴承等。〔1〕电枢铁芯电枢铁芯是电机主磁路的一局部，且用来嵌放电枢绕组。为了减少电枢旋转时电枢铁芯中因磁通变化而引起的磁滞及涡流损耗，电枢铁心通常用0.5mm厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠加而成。〔2〕电枢绕组电枢绕组是由许多按一定规律连接的线圈组成，它是直流电机的主要电路局部，也是通过电流和感应电动势，从而实现机电能量转换的关键部件。线圈用包有绝缘的导线绕制而成，嵌放在电枢槽中。每个线圈〔也称组件〕有两个出线端，分别接到换向器的两个换向片上。所有线圈按一定规律连接成一闭合回路。〔3〕换向器换向器也是直流电机的重要部件。在直流电动机中，它将电刷上的直流电流转换成绕组的交流电流；在直流发电机中，它将绕组的交流电动势转换成电刷端上的直流电动势。换向器由许多换向片组成，每片之间相互绝缘。换向片数与线圈组件数一样。2.3直流电机工作原理直流电机的工作原理建立在电磁力和电磁感应的根底上，从图2.1可以看出主磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的外表上固定着一个线圈abcd。abcd是装在可以转动的铁磁圆柱上的一个线圈，把线圈的两端分别接到两个圆弧形的铜片上〔简称换向片〕，两者相互绝缘，铁芯和线圈合称电枢。当线圈入直流电流时，线圈边上受到电磁力F=Bli，根据左手定那么确定力的方向，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。假设电枢转动，线圈两边的位置互换，而线圈过的还是直流电流，那么所产生的电磁转矩的方向那么变为顺时针方向，因此电枢受到一种方向交变的电磁转矩。这种交变的电磁转矩只能使电枢来回摇摆，而不能使电枢连续转动。显然，要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，关键在于，当线圈边在不同极性的磁极下，如何将流过线圈中的电流方向及时地加以变换，即进展所谓"换向〞。为此必须增添一个叫做换向器的装置，换向器由互相绝缘的铜质换向片构成，装在轴上，也和电枢绝缘，且和电枢一起旋转。换向器又与两个固定不动的由石墨制成的电刷A、B相接触。装了这种换向器以后，假设将直流电压加于电刷端，直流电流经电刷流过电枢上的线圈，那么产生电磁转矩，电枢在电磁转矩的作用下就旋转起来。电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由线圈边ab和cd流入，使线圈边只要处于N极下，其过电流的方向总是由电刷A流入的方向，而在S极下时，总是从电刷B流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向。这样的构造，就可使电动机能连续地旋转。这就是直流电机的根本工作原理[7]。2.4直流电机PWM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FPGA进展调速是极为方便的。其方法是通过改变电机电枢电压导通时间与通电时间的比值〔即占空比〕来控制电机速度。PWM调速原理如图2.2所示。图2.2PWM调速原理在脉冲作用下，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，那么电机的平均速度为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2.3所示。图2.3平均速度和占空比的关系由图2.3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。由以上表达可知：电机的转速与电机电枢电压成比例，而电机电枢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，占空比越大，电机转得越快，当占空比α＝1时，电机转速最大。三、FPGA与硬件描述语言在本章中首先介绍FPGA的根本知识，以及所要涉及的芯片；在此根底上介绍设计中需要应用的硬件语言，以便使下面的设计更加完整，并方便阅读。3.1现场可编程逻辑器件在现场可编程逻辑器件领域，目前主要的产品主要分为3大类。(1)基于SRAM编程的FPGA所谓基于SRAM编程的FPGA，从构造上而言，主要是由3个局部组成：可编程逻辑块(CLB)、可编程输入/输出模块IOB和可编程部连线Pl组成。(2)基于PROM或EEPROM编程的CPLD基于EPROM或EEPROM编程的CPLD，主要由可编程I/O模块、可编程逻辑单元模块(LB)、可编程布线池(PIA)组成。其特点是：芯片功能的定义是由阵列分布EPROM或EEPROM型的下拉MOS开关来控制。(3)基于一次性编程的反熔丝FPGA反熔丝FPGA的主要特点是功耗低，布线通路丰富，逻辑元件粒度小。另一方面，众所周知，采用反熔丝技术的FPGA尽管具有许多优点，但是却有一个致命的弱点，也就是只能进展一次性编程，这就为大规模FPGA产品的开发带来了许多不便。为了弥补这一缺乏，近年来，一种新型的集高密度、低功耗、非易失性和可重新编程于一身的非易失性、可重新编程的门阵列已经推向市场。(4)FPGA未来开展方向以FPGA、CPLD为代表的现场可编程逻辑电路的主要开展方向是：①为了迎接系统级芯片时代，向着密度更高、速度更快、频带更宽的数百万门超大规模的方向开展。②为了方便用户设计和特殊功能的应用，向着嵌入通用或者标准功能模块方向开展。③为了适应全球环保潮流，向着低压、低功耗的绿色组件方向开展[3]。3.2硬件描述语言设计方法硬件描述语言开展概况硬件描述语言(HardwareDescriptionlanguage)是硬件设计人员和电子设计自动化(EDA)工具之间的界面。其主要目的是用来编写设计文件建立电子系统行为级的仿真模型，即利用计算机的巨大能力对用VerilogHDL或VHDL建模的复杂的数字逻辑进展仿真.然后再自动综合从而生成符合要求且在电路构造上可以实现的数字逻辑网表(Netlist)，根据网表和某种工艺的器件自动生成具体电路.然后生成该工艺条件下这种具体电路的延时模型,仿真验证无误后，用于制造ASIC芯片或写入EPLD和FPGA器件中[5]。在EDA技术领域中把用HDL语言建立的数字模型被称为软核(softcore)，把用建模和综合后生成的网表称为固核(Hardcore)，对这些模块的重复利用不仅缩短了开发时间，而且还提高了产品开发率和设计效率[8]。3.2.2EDA简要介绍20世纪后半期，随着集成电路和计算机的不断开展，电子技术面临着严峻的挑战。由于电子技术开展周期不断缩短，专用集成电路〔ASIC〕的设计面临着难度不断提高与设计周期不断缩短的矛盾。为了解决这个问题，必须采用新的设计方法和使用高层次的设计工具。在此情况下，EDA〔ElectronicDesignAutomation,电子设计自动化〕技术应运而生。EDA技术就是以计算机为工作平台，以EDA软件工具为开发环境，以硬件描述语言为设计语言，以可编程器件为实验载体，以ASIC、SOC芯片为目标器件，以数字逻辑系统设计为应用方向的电子产品自动化设计过程。随着现代半导体的精细加工技术开展到深来微米〔0.18um-0.35um〕阶段,基于大规模或超大规模集成电路技术的定制或半定制ASIC器件大量涌现并获得广泛的应用研究，使整个电子技术与产品的面貌发生了深刻的变化，极推动了社会进程。而支撑这一开展进程的主要根底之一就是EDA技术。EDA技术在硬件方面融合了大规模集成电路制造技术，IC幅员设计技术、ASIC测试和封装技术、CPLD/FPGA技术等；在计算机辅助工程方面融合了计算机辅助设计CAD、计算机辅助制造CAM、计算机辅助测试CAT技术及多种计算机语言的设计概念，而在现代电子学方面那么融合了更多的容，如数字电路设计理论、数字信号处理技术、系统建模和优化技术等。因此EDA技术为现代数字系统理论和设计的表达与应用提供了可能性，它已不是某一学科的分支，而是一门综合性学科。EDA技术打破了计算机软件与硬件间的壁垒，是计算机软件技术与硬件实现、设计效率和产品性能的合二为一，它代表了数字电子设计技术和应用技术的开展方向。3.2.3采用硬件描述语言的设计流程(1)自顶向下(top-down)设计的根本概念利用层次化、构造化的设计方法，一个完整的设计任务首先是由设计师划分为假设干个可操作的模块，编制出相应的模型；在通过仿真验证后，然后把模块分给下一层的设计者。这就允许多个设计者同时设计一个硬件系统中的不同模块，其中每个设计者都有负责自己所承担的局部，而由上一层设计师对其下层设计者完成的设计用行为级上层模块对其设计进展验证。为了提高设计质量，一局部模块可以通过商业渠道得到，这样可以节省开发时间和经费。(2)层次管理的根本概念复杂数字逻辑电路和系统的层次化、构造化设计隐含着对系统设计方案的逐次分解。在设计过程中的任意一个层次，至少得有一种形式来描述硬件。硬件描述通常称为行为建模。在集成电路设计的每一层次，硬件可以分为一些模块。该层次的硬件构造由这些模块互相描述。(3)具体模块的设计编译和仿真过程在不同的层次做具体模块的设计所用的方法也有所不同。在高层次上往往编写一些行为级的模块通过仿真加以验证，其主要的目的是系统性能的总体考虑和各模块的指标分配，并非具体电路的实现，因此综合以上的步骤往往不需要进展；而当设计接近底层时，行为描述往往要用电路逻辑来描述实现。此时模块不但需要通过仿真加以验证，而且还要通过进展综合、优化和后仿真。总之，具体电路是从底向上逐步实现的。(4)对应具体工艺器件的优化、映像和布局布线由于各种ASIC和FPGA器件的工艺各不一样，因此当用不同厂家的不同器件来实现已验证的逻辑网表(EDIF文件)时，就需要不同的根本单元库与布线延迟模型与之对应，才可以进展准确的优化、映像以及布局布线。四、设计原理及其实现过程4.1直流电机PWM调速方案设计图4.1基于FPGA的直流电机调速系统如图4.1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部资源就可以实现，如数字比拟器、锯齿波发生器等均为FPGA部资源，我们只要直接调用就可以。外部端口U_D、EN1、Z/F、START接在键盘电路上，CLK2和CLK0接在外部时钟电路上。其工作原理是：设定值计数器的设置PWM的占空比。当U/D=1时,输入CLK2,使设定值计数器的输出值增加,PWM的占空比增加,电机转速加快;当U/D=0时，输入CLK2，使设定值计数器的输出值减小,PWM的占空比减小,电机转速变慢。在CLK0的作用下,锯齿波计数器输出周期性线性增加的锯齿波。当计数值小于设定值时,数字比拟器输出高电平;当计数值大于设定值时,数字比拟器输出低电平,由此产生周期性的PWM波形。旋转方向控制电路控制直流电动机转向和启/停,该电路由两个2选1的多路选择器组成,Z/F键控制选择PWM波形是从正端Z进入H桥，还是从负端F进入H桥，以控制电机的旋转方向。当Z/F=1时，PWM输出波形从正端Z进入H桥，电机正转。当Z/F=0时，PWM输出波形从负端F进入H桥，电机反转。START是电机的开启端，U_D控制电机加速与减速，EN1用于设定电机转速的初值，Z_F是电机的方向端口，选择电机运行的方向。CLK2和CLK0是外部时钟端，其主要作用是向FPGA控制系统提供时钟脉冲，控制电机进展运转。通过键盘设置PWM信号的占空比。当U_D=1时,说明键U_D按下，输入CLK2使电机转速加快；当U/D=0，说明键U_D松开,输入CLK2使电机转速变慢，这样就可以实现电机的加速与减速。START是电机的开启键，当START=1，允许电机工作；当START=0时，电机停顿转动。H桥电路由大功率晶体管组成，PWM输出波形通过由两个二选一电路组成的方向控制电路送到H桥,经功率放大以后对直流电机实现四象限运行。并由EN1信号控制是否允许变速[9]。4.2FPGA部逻辑组成图4.2FPGA直流电机PWM控制电路由图4.2可以看出电机控制逻辑模块由PWM脉宽调制信号产生电路、方向控制电路组成。其中PWM脉宽调制信号产生电路由可控的加减计数器TA、5位二进制计数器TB、数字比拟器LPM_PARE三局部组成，方向控制电路由两个二选一电路21MUX组成。接着就对PWM脉宽调制信号产生电路的VHDL描述与仿真、方向电路的VHDL描述与仿真进展详细的分析。4.3模块设计和相应模块程序4.3.1PWM脉冲调制信号电路模块PWM脉宽调制信号产生电路由可控的加减计数器TA、5位二进制计数器TB、数字比拟器LPM_PARE三局部组成。可控的加减计数器做细分计数器，确定脉冲宽度。当U/D=1时，输入CLK2,使设定值计数器的输出值增加，PWM的占空比增加,电机转速加快；当U/D=0，输入CLK2,使设定值计数器的输出值减小,PWM的占空比减小，电机转速变慢。5位二进制计数器在CLK0的作用下,锯齿波计数器输出周期性线性增加的锯齿波。当计数值小于设定值时，数字比拟器输出高电平；当计数值大于设定值时,数字比拟器输出低电平，由此产生周期性的PWM波形。其部逻辑图如图4.3所示。图4.3FPGA中的PWM脉宽调制信号产生电路在本次设计中直流电机转速进展了32级细分。细分计数器的初值设为08H，当计数器TB的值小于8时，AGB输出高电平，当计数器TB的值大于8时，AGB的输出值为低电平，从而产生PWM波形。图4.4A[4..0]=08H时电机加速PWM波形通过改变细分计数器的值就可以改变PWM的占空比，从而改变直流电机的速度。在图4.4中占空比D=8/32=0.25，在图4.5中占空比D=4/32=0.125。通过以上两组数据比拟以及分析仿真波形我们可以看出，只要改变使能端电平的上下，便可以改变细分计数器的值，也就是改变细分计数器TA的初值，从而可以改变直流电机的占空比，改变直流电机的速度。图4.5A[4..0]=04H时电机减速PWM波形调节PWM波的占空比是电机调速的重要手段，假设脉宽计数器TA的值逐渐增大，输出脉冲的开启时间变大，PWM占空比逐渐变大，功率器件输出给电机电枢的能量增加，电机加速。假设脉宽计数器定时器TA的值减小，输出脉冲的开启时间变小，PWM占空比逐渐变小，功率器件输出给电机电枢的能量减少，电机减速。当电机得到加速信号，占空比增大至它可调围的最大值后保持，电机得到减速信号，占空比减小至它的可调围的最小值后保持。〔1〕可控加减计数器模块可控加减计数器TA是一个双向计数器,可以进展加减计数,由U_D控制其加/减计数方向,CLK是计数时钟输入端。为了便于连续变速控制,在计数器的CLK端通过"与〞门,参加了CLK2外部变速控制附加时钟,并由EN1信号控制是否允许变速。U_D=1时，加减计数器TA在脉冲CLK2的作用下，每来一个脉冲，计数器TA加1，U_D=0时，每来一个脉冲，计数器TA减1。使能端EN1设定计数器值的初值，当EN1由1变为0的时候，无论U_D如何表化，计数器的值都不会发生变化，这样就完成了可控加减计数器的设定值，其仿真波形如图4.6所示,其VHDL语言如下。LIBRARYIEEE;LIBRARYIEEE;USEIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USEIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITYTAISPORT(CLK:INSTD_LOGIC;U_D:INSTD_LOGIC;CQ:OUTSTD_LOGIC_VECTOR(4DOWNTO0));ENDTA;ARCHITECTUREbehavOFTAISSIGNALCQI:STD_LOGIC_VECTOR(4DOWNTO0);BEGINPROCESS(CLK)BEGINIFCLK'EVENTANDCLK='1'THENIFU_D='1'THENIFCQI<=31THENCQI<="11111";ELSECQI<=CQI+1;ENDIF;ELSIFCQI=0THENCQI<="00000";ELSECQI<=CQI-1;ENDIF;ENDIF;ENDPROCESS;CQ<=CQI;ENDbehav;图4.6可控加减计数器的仿真波形〔2〕4.3.1.2二进制计数器电路模块TB是一个简单的5位二进制计数器，它的工作原理和TA的原理很相似，我们只是在TA的时钟端加了一个使能端EN1控制其加减的方向。而TB的时钟端没有加使能端，所以每来一个脉冲计数器加1，因为TB是一个5位的二进值计数器，所以当计数器的值当大于32时，计数器又重新从0开场记数，从而产生周期性的线性增加的锯齿波。其仿真波形如图4.7,其VHDL语言如下。ENTITYTBISPORT(CLK:INBIT;Q:BUFFERINTEGERRANGE31DOWNTO0);END;ARCHITECTUREBHVOFTBISBEGINPROCESS(CLK)BEGINIFCLK'EVENTANDCLK='1'THENQ<=Q+1;ENDIF;ENDPROCESS;ENDBHV;图4.75位二进制计数器仿真波形〔3〕4.3.1.3数字比拟器模块数字比拟器是产生PWM波形的核心组成部件，可控的加减计数器TA和5位二进制计数器TB同时加数字比拟器LPM-PARE两端作为两路输入信号，当计数器TB输出值小于细分计数器TA输出的规定值时,比拟器输出高电平;当TB输出值不小于细分计数器TA输出的规定值时,比拟器输出低电平。改变细分计数器的设定值,就可以改变PWM输出信号的占空比。为了便于观察防真波形，我在TB的输出加上B[4..0]，仿真波形如图4.8。图4.8数字比拟器的仿真波形4.3.2逻辑控制模块如图4.9所示FPGA中的工作/停顿控制和正/反转方向控制电路，其两个二选一多路选择器加上两个与门根据逻辑原理组合而成。START键通过"与〞门控制PWM输出,实现对电机的工作/停顿控制。当START端接高电平时，表示电源接通，电机开场运转；当START端接低电平时，电机停顿运转。Z/F键控制选择PWM波形是从正端Z进入H桥，还是从负端F进入H桥，以控制电机的旋转方向。当Z/F=1时PWM输出波形从正端Z进入H桥，电机正转。当Z/F=0时PWM输出波形从负端F进入H桥，电机反转。仿真如图4.10所示。图4.9FPGA中的工作/停顿控制和正/反转方向控制电路图4.10正/反转工作控制电路波形当START=1时，与门翻开，允许电机工作。当START=0时，与门关闭，电机停顿转动。仿真如图4.11所示。图4.11工作/停顿电路波形4.4直流电机PWM调速系统仿真在本次设计中，需要满足的技术要设计具有正/反转，起/停控制功能、速度在线可调的直流电机控制装置。接下来就用仿真波形详细的说明本次设计的电路满足以上的所有要求。4.4.1正/反转控制仿真键盘Z_F是电机的方向控制键。当要求电机正转时，只需要按下键Z_F，表示Z_F输出高电平，即Z_F=1，电机正转，如图4.12所示。当键Z_F松开时，Z_F＝0时，电机反转，如图4.13、图4.14所示。图4.12电机正转图4.13电机反转图4.14电机正反转4.4.2启/停控制仿真START键是电机的启动键，当按下START键时，START=1,电机进入运行状态，如图4.15所示。反之，START=0时，电机停顿，如图4.16、图4.17所示。图4.15启动仿真波形图4.16停顿仿真波形图4.17启/停仿真波形4.4.3加/减速仿真键盘EN1控制电机是否允许变速。所以通过改变EN1便可以改变设定值H[4..0]的值，也就是设定值的初值，从而改变了直流电机的占空比，改变直流电机的速度，到达调速的目的。因为TB是5位的计数器，所在本设计中直流电机转速细分为32级。如图4.18的占空比为2/32=0.0625，同理通过按键EN1该变H[4..0]的值便得到如图4.19、4.20的PWM仿真波形，其占空比依次为0.125、0.25，也就是占空比增大，电机的速度增加。根据以上的数据比拟与仿真波形的分析可以看出，电机的速度在逐渐的增加。所以通过改变EN1的值可以改变直流电机的PWM占空比，从而改变直流电机的速度。图4.18H[4..0]=02H仿真波形图4.19H[4..0]=04H仿真波形图4.20H[4..0]=08H仿真波形4.4.4仿真结果分析通过4.4.1到4.4.3的仿真波形分析可知，本设计中的各项功能够很好的实现。在时钟脉冲的作用下，计数器TA和TB都能按照事先设定好的规那么进展计数。TA是可控的加减计数器，U_D控制其计数的方向，EN1用于设定其初值，当NE1由高电平变为低电平时，就完成了设定值。TB是5位二进制计数器，其在时钟脉冲CLK0的作用下一直加数，当它加到32时就自动返回到0再重新加数。两路计数器同时加到数字比拟器LMP_PARE上，当TB的值小于设定值时，数字比拟器输出高电平，当TB的值大于设定值时，数字比拟器输出低电平。因此改变设定值的大小就可以改变PWM波形的大小，也就是完成了电机的调速。Z_F是电机的方向按键，选择PWM波形的进入方向，当其为1时，电机正转，反之，反转。至于电机的控制，是在它的输入端加上两个与门来控制电机的启动与停顿。其具体的操作如下：当按下键Z_F键时，电机正转，松开键时，电机反转。当按下键START时，电机开场工作，松开时，电机停顿工作。通过按键EN1的闭合与断开可以改变H[4.0]的值从而改变直流电机的PWM占空比，到达改变直流电机速度的目的。本设计采用VHDL设计FP