直流电机PWM控制
河南科技大学
课程设计说明书
课程名称＿＿现代电子系统课程设计＿＿题目＿＿＿直流电机控制设计＿＿＿
学院＿＿＿＿＿＿＿＿
班级＿＿＿＿＿＿＿＿＿
学生姓名＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿
指导教师＿＿＿＿＿
日期＿＿＿＿＿＿＿＿
课程设计任务书
（指导教师填写）
课程设计名称现代电子系统课程设计学生姓名专业班级
设计题目直流电机控制设计
一、课程设计目的
学习直流电机PWM的FPGA控制；
掌握PWM控制的工作原理；
掌握GW48_SOPC实验箱的使用方法；
了解基于FPGA的电子系统的设计方法。
二、设计内容、技术条件和要求
利用PWM控制技术实现直流电机的速度控制。
（1）基本要求：
a．速度调节：不少于4档，可实现加减档控制。
b．能控制电机的旋转方向。
c．通过红外光电电路测得电机的转速，设计频率计用4位10进制显示电机的转速。
（2）发挥部分
a．设计“去抖动”电路，实现直流电机转速的精确测量。
b．修改设计，实现直流电机的闭环控制，旋转速度可设置。
c．其它。
三、时间进度安排
布置课题和讲解：1天查阅资料、设计：4天
实验：3天撰写报告：2天
四、主要参考文献
何小艇《电子系统设计》浙江大学出版社2008.1
潘松黄继业《EDA技术实用教程》科学出版社2006.10
齐晶晶《现代电子系统设计》实验指导书电工电子实验教学中心2009.8 指导教师签字：2013年11月21日
摘要
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，直流电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，这时通过PWM（脉冲宽度调制技术）方式控制直流电机调速的方法就应运而生。
在本文中，我们设计了一个直流电机控制的电路。本设计以Quartus2软件为工具，利用FPGA可编程芯片及VHDL语言编程实现直流电机PWM控制的设计。该设计可以实现直流电机的加速、减速以及电机的正传和反转，并且可以调整电机的转速，还可以方便的读出电机转速的大小，能够很方便的实现电机的自动控制。
总体方案：锯齿波发生器和设定值计数器经过数字比较器产生PWM波形；设定计数器设置PWM信号的占空比控制电机转速；设计2选1多路选择器控制电机的旋转方向。
直流电机PWM的PFGA控制的主要组成部分：
1、预置转速模块：通过一个ROM控制存储器和D触发器组成的微程序程制器设置
直流电机的四个档位。
2、PWM信号产生电路：产生PWM波，并且控制直流电机转速。
3、正反向控制模块：用2选1数据选择器控制直流电机PWM信号的输入，以控制
电机的旋转方向。
4、消抖电路：通过两个维持阻塞D触发器实现消抖，以便观察。
5、显示模块：通过LED灯和数码管显示直流电机的档位、预置速度和实际速度
关键词：FPGA，PWM，VHDL，直流电机，控制
目录
一．任务解析 ........................................................................................................................... - 3 -
1、任务与要求 ................................................................................................................. - 3 -
2、系统原理框图 ............................................................................................................. - 3 -二．系统方案论证 ................................................................................................................... - 4 -
2.1 总体方案与比较论证 ................................................................................................ - 4 -
2.2系统原理与结构 ......................................................................................................... - 4 -
2.2.1主要芯片选型 .................................................................................................. - 4 -
2.2.2系统结构 .......................................................................................................... - 5 -
2.2.3 FPGA直流电机驱动控制 ............................................................................ - 5 -
三. 预置转速模块设计 ............................................................................................................ - 6 -
3.1方案论证 .................................................................................................................... - 6 -
四.PWM模块设计 ...................................................................................................................... - 7 -
4.1设计方案论证 ............................................................................................................ - 7 -
4.3 仿真波形 ................................................................................................................... - 8 -
五.正反转模块设计 ................................................................................................................. - 8 -
5.1 该模块通过两个2选1多路选择器组成。............................................................ - 8 -
5.3 仿真波形图 ............................................................................................................... - 9 -六．消抖模块设计 ................................................................................................................... - 9 -
6.1方案论证 .................................................................................................................... - 9 -
6.3 仿真波形图 ............................................................................................................. - 10 -
七. 显示模块设计 ................................................................................................................. - 10 -
7.1方案论证 .................................................................................................................. - 10 -
7.2方案实施 .................................................................................................................. - 11 -
7.3 仿真波形图 ............................................................................................................. - 11 -
八.总结 ................................................................................................................................... - 11 -
8.1测试性能概览 .......................................................................................................... - 11 -
8.2误差分析 .................................................................................................................. - 12 -
8.3心得体会 .................................................................................................................. - 12 -九．参考文献 ....................................................................................................................... - 13 -附录1 ROM内容及参考程序： ..................................................................................... - 14 -附录2 系统整体原理图： .............................................................................................. - 18 -
一．任务解析
1、任务与要求
利用PWM控制技术实现直流电机的速度控制。
（1）基本要求：
a．速度调节：不少于4档，可实现加减档控制。
b．能控制电机的旋转方向。
c．通过红外光电电路测得电机的转速，设计频率计用4位10进制显示电机的转速。
（2）发挥部分
a．设计“去抖动”电路，实现直流电机转速的精确测量。
b．修改设计，实现直流电机的闭环控制，旋转速度可设置。
c．其它。
2、系统原理框图
PWM
二．系统方案论证
2.1 总体方案与比较论证
方案一：采用线性控制方式进行直流电机的控制
此方案一般用于小功率电机平滑转速控制，而大功率电机高效控制时，则常使用PWM 控制方式。
方案二：采用单片机产生PWM信号波形进行直流电机的控制。
此方案PWM信号是通过模拟比较器产生的，需要通过D/A转换器产生锯齿波电压和设置参考电压，通过外接模拟比较器输出PWM波形，因此外围电路比较复杂。
方案三：采用FPGA中的数字PWM进行直流电机的控制。
此方案用数字比较器代替模拟比较器，省去了外接的D/A转换器和模拟比较器，FPGA 外部连线很少、电路更加简单、便于控制。
由于FPGA本身是将大量的逻辑功能集成到一个器件内，集成度要远远高于单片机，能利用的资源也相对充裕，而且可移植性更强，可以较好地完成要求。
综上，选择方案三。
2.2系统原理与结构
2.2.1主要芯片选型
Gw-48-PK2中FPGA可编程芯片：
通过VHDL语言与该可编程芯片实现了对直流电机的PWM控制。
数码管、LED灯：
实现对直流电机的档位、实际速度和预置速度的显示。
按键：
实现档位的调换、速度预置、正反转控制和预设使能控制。
累加器：
实现对红外传感信号的累加计数，进而实现测速功能
2.2.2系统结构
直流电机控制结构框图
2.2.3 FPGA 直流电机驱动控制
FPGA 直流电机驱动控制电路
设定值计数器设置PWM信号的占空比。当U/D=1，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。
在CLK0的作用下，锯齿波计数器输出周期线性增加的锯齿波。当计数值小于设定值时，数字比较器输出低电平；当数值大于设定值时，数值比较器输出高电平，由此产生周期性的PWM波形。
旋转方向控制电路控制直流电机转向和启/停，该电路由2选1多路选择器组成，Z/F 键控制选择PWM波形从正端Z进入H桥，还是从反端进入H桥，以控制电机的旋转方向。
START键通过与门控制PWM的输出，实现对电机的工作/停止控制。
H桥电路由大功率晶体管组成，PWM波形通过方向控制电路送到H桥，经过过滤放大以后驱动电机转动。
三. 预置转速模块设计
3.1方案论证
通过为程序控制器设计电机四个档位的转速。微程序控制器主要由控制存储器CS、微地址产生器和微控制器三大部分组成。
其实现过程就是把控制子系统中的8个预置转速（正/反）状态要输出的控制信号以及该状态的转移去向（U/D）安一定的格式编写成微指令，将他们保存在存储器。运行时，按预定的要求逐条取出这些预置转速微指令，从而实现控制电机转速过程。
3.2 方案的实现
四.PWM模块设计
4.1设计方案论证
该模块由三部分组成：设定值计数器、锯齿波发生器和数字比较器。
用FPGA产生PWM波形，只需FPGA内部资源就可以实现。用数字比较器代替模拟比较器，数字比较器的一端接设定计数器输出，另一端接线性递增计数器（锯齿波发生器）输出。当线性计数器的值小于设定值时输出低电平，当计数器大于设定值时输出高电平。脉宽调制式细分驱动电路的关键是脉冲调制，转速的波动随着PWM脉宽细分数的增大而减小。
4.2 方案实施
4.3 仿真波形
五.正反转模块设计
5.1 该模块通过两个2选1多路选择器组成。
当把PWM信号选通到正转的H桥输入端时，电机正转（但同时要保证反转输入端接入低电平）；反之亦然。在数字电路设计中，进行选通设计用到最多的是二选一数据选择器。把PWM信号接到两个二选一选择器的互逆的端口上，就可以保证一次只有一个H桥端口有PWM信号输入；另一对互逆的端口上接低电平，则又保证了不工作的H桥端口始终为低电平。
5.2 方案实施
5.3 仿真波形图
六．消抖模块设计
6.1方案论证
红外检测电路产生的脉冲信号在加到频率计输入端时，在开始的一段短暂的时间里，会产生抖动，所以要设计一个消抖电路去除抖动。
输入信号开始会有一段抖动，然后频率趋于稳定。很明显，抖动的那一段信号的周期相对于稳定后的信号来说很短。我们就可以通过两个D触发器滤除抖动的那一段信号。假设第一个D触发器的输出为D1，第二个D触发器的输出为D2。当CLK上升沿到来时，若这时的输入信号为高电平，那么输出的D1就为1，D1经过一个非门变成0，D1的非与D2相与，输出是0。第二个CLK上升沿到来时，若输入信号还为高电平，则这时D1为1，D2
为1，D1的非与D2相与，输出还是0。只有当CLK上升沿到来，输入信号变成低电平时，这时D1变成0，D2为1，D1的非与D2相与后，输出才为1。由此分析，当CLK频率选取合适时，在一个输入信号高电平到来时，至少需要两个CLK周期才能输出高电平，而抖动的那一段信号由于周期太短，满足不了这个要求，因此抖动信号就不会输出，这样就完成了消抖功能。
6.2方案实施
6.3 仿真波形图
七. 显示模块设计
7.1方案论证
本次设计的显示模块有三部分：电机转速级别显示、预置电机转速显示和实际电机转速显示。
电机转速级别显示是通过PWM模块的一个输出连接两个LED灯，观察LED灯亮灭情况分别显示1、2、3和4档位；预置电机转速显示是通过预置转速模块ROM控制存储器的输出连接四个数码管，显示四个档位的预置转速。实际电机转速显示模块由一个分频计和一个频率计构成，用分频计将4HZ的输入信号分成1HZ作为一端输入，另一端输入是消抖电
路的输出，可以通过数码管显示实际转速。其原理就是检测在一秒时间内红外电路产生的脉冲的个数，即检验在一秒时间内电机转动了多少圈
7.2方案实施
7.3 仿真波形图
八.总结
8.1测试性能概览
本次使用的直流电机最高转速为4500转/分。
速度测试：
8.2误差分析
此次设计中，电机的实际转速未能达到预置转速，原因主要包括两个方面：
①设计造成的误差：预置转速模块的设计存在缺陷，ROM控制存储器把预置速度定
死，不能够随意通过按键控制预置转速；再者是设计中未设计闭环控制模块，也
可导致转速的误差。
②硬件系统造成的误差：红外传感模块的问题将导致速度测试的不准确性；另外就
是电机自身存在摩擦无法避免造成实际转速减慢。
8.3心得体会
此次课程设计是基于FPGA产生PWM脉宽调制信号控制直流电机，基本的设计要求已经实现，发挥部分未能圆满完成。通过这次课程设计我收获了许多，不仅仅是知识方面，从思想上也认识了自己的不足，端正了某些方面的态度。
本次课程设计维持两周，第一周主要是负责资料的收集和整理，第二周是到实验室验证功能。由于之前自己一直忙于找工作，对课程设计的精力投入的不多，前期没有好好准备，导致没能在验收前，圆满实现各个模块的功能。
进实验后，遇到了很多难题，而且自己并不能一一解决，后来请教了同学，在同学的帮助下一步步改进，顺利的实现了PWM模块、正反转模块和频率计模块。消抖模块自己查阅了书籍，最终利用两个D触发器实现其功能。最后考虑预置转速模块，由于自己所学的理论基础不扎实，对知识点的理解不透彻，想了很久也没能想出来，后来经过同学的提醒，自己联系了之前所做的实验，决定用设计微程序控制器的方法来实现预置转速功能。因为自己此前浪费了一些时间，剩下调预置转速模块的时间不足，所以未能圆满的调试出来，还有闭环控制模块也没能够实现。通过这次课程设计，我能更熟练的使用软件和调试硬件，对FPGA有了更进一步的认识和了解。
课程设计考察的知识是多方面的。首先自己要重视课程设计，对自己所要做的设计题目好好准备资料和程序，这样在进实验室后才不会忙乱；其次，注重知识的积累。其实课程设计中考察的知识点很多都是我们以前学过的，例如这次课程设计中频率计和二选一数据选择器等，都是之前学过而且做过实验的，如果平时不收集、整理和回顾所学知识，等
用上的时候就要重新学习，无形中降低了效率。还有对于自己不能够思考出来的问题，要多向他人请教，然后消化吸收。最后，在平时进实验室多多练习，把理论的东西转化成实践能力。
虽然这次课程设计没能够完成所有设计指标，但是能从过程中认识自身的不足，这将对往后的学习有很大的促进作用。
九．参考文献
【1】何晓艇《电子系统设计》第四版，浙江大学出版社
【2】潘松、黄继业《EDA技术使用教程》第三版，科学出版社
【3】侯伯亨、刘凯、顾新《VHDL硬件描述语言与数字逻辑电路设计》第三版，西安电子科技大学出版社
【4】曹晰燕、周凤臣《EDA技术试验与课程设计》，清华大学出版社
附录1 ROM内容及参考程序：
一 decd程序
library ieee ;
use ieee.std_logic_1164.all ;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity decd is
port ( clk2,ud,en: in std_logic ;
dw : out std_logic_vector( 1 downto 0 ) ;
sp : out std_logic_vector (3 downto 0 )) ;
end ;
architecture one of decd is
signal xh : std_logic_vector ( 1 downto 0 ) ;
begin
process( xh )
begin
case xh is
when "00" => sp <= "0100" ;
when "01" => sp <= "0111" ;
when "10" => sp <= "1011" ;
when "11" => sp <= "1111" ;
when others => null ;
end case ;
end process ;
process (clk2 )
begin
if en='1' then
if clk2'event and clk2 = '1' then
if ud='1' then
if xh ="11" then xh <= "00" ;
else
xh <= xh +'1' ;
end if ;
else
if xh ="00" then xh <= "11" ;
else
xh <= xh -'1' ;
end if ;
end if;
end if;
end if;
end process ;
dw <= xh ;
end ;
二 CNT5程序
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;
ENTITY CNT5 IS
PORT(
CLK:IN STD_LOGIC;
AA:OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0)
);
END CNT5;
ARCHITECTURE FRE OF CNT5 IS
SIGNAL CNT:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); BEGIN
PROCESS(CLK)
BEGIN
IF CLK'EVENT AND CLK ='1' THEN CNT<=CNT+1;
END IF;
END PROCESS;
AA<=CNT(3 DOWNTO 0);
END;
三 CMP程序
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY CMP IS
PORT(
A:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);
B:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);
AGB:OUT STD_LOGIC
);
END CMP;
ARCHITECTURE C OF CMP IS
BEGIN
PROCESS(A,B)
BEGIN
IF B<=A THEN
AGB<='1';
ELSIF B>A THEN
AGB<='0';
END IF;
END PROCESS;
END;
四 mux程序
LIBRARY IEEE;
USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;
USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL; ENTITY mux IS
PORT (A,B,S,START:IN STD_LOGIC;
Y:OUT STD_LOGIC);
END ENTITY mux;
ARCHITECTURE one OF mux IS
BEGIN
PROCESS(START,A,B,S)
BEGIN
IF START<='0' THEN Y<='0';
ELSIF S<='0' THEN Y<=A;
ELSE Y<=B;
END IF;
END PROCESS;
END;
五 fenpinqi程序
Library ieee;
Use ieee.std_logic_unsigned.all;
Use ieee.std_logic_1164.all;
Entity fenpinqi is
Port ( clkk: in std_logic;
cnt_en: out std_logic;
load: out std_logic;
rst_cnt: out std_logic);
end fenpinqi;
architecture behav of fenpinqi is
signal div2clk :std_logic;
begin
process(clkk)
begin
if clkk'event and clkk='1' then
div2clk<=not div2clk;
end if;
end process;
process(clkk,div2clk)
begin
if clkk='0' and div2clk='0' then rst_cnt<='1'; else rst_cnt<='0';
end if;
end process;
load<=not div2clk;
cnt_en<=div2clk;
end behav;
附录2 系统整体原理图：