直流电机PWM控制1.doc

直 流 电 机 的 PWM 控 制电机是一种能量转换的装置，在国民经济中起着重要作用，无论是在工农生产、交通运输、国防宇航、医疗卫生、商务与办公设备，还是日常生活中的家用电器，-----都大量的使用着各种各样的电机，如汽车、电视机、电风扇、空调等等也离不开电机同时，在越来越多的应用场合，只能旋转的电机己无法满足要求，而是要求能够实现快速加速、减速或反转以及准确停止等功能必须寻找新的电机控制器来适应时代的发展随着 EDA 技术的发展，用基于现场可编程门阵列 FPGA 的数字电子系统对电机进行控制，为实现电动机数字控制提供了一种新的有效方法现场可编程门阵列(FPGA)器件集成度高、体积小、速度快，以硬件电路实现算法程序，将原来的电路板级产品集成为芯片级产品，从而降低了功耗，提高了可靠性电动机调速系统采用 FPGA 实现数字化控制,是电气传动发展的主要趋势采用 FPGA 控制后,整个调速系统能够实现快速加速、减速或正/反转以及准确停止、调速等功能,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 FPGA 的 外部连线少,电路简单,便于控制,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。

目的和意义直流电机大多数采用 PWM（脉宽调制）的方法进行控制，它有两种模式：一种是采用模拟电路控制，另一种是采用数字的控制模拟控制由于其调试复杂等固有原因，正逐渐被淘汰而在数字控制技术中，FPGA 的数字 PWM 控制具有精度高，反应快，外部连线少，电路简单，便于控制等优点广泛的被人们使用，应而研究 FPGA 具有十分重要的意义对于本次设计目的在于：（1）掌握基于 FPGA 的直流电机 PWM 控制原理，学会应用 EDA 技术进行编程（2）通过对本课题的研究,掌握 EDA 开发技术的编程方法，培养创新意识和理论联系实际的学风熟悉现代电子产品的设计流程 FPGA 用于控制领域特别是电机控制还是比较少的，本设计为电机控制系统提供一种的控制技术，在电机控制方面作了一些片内系统的初步研究本设计利用ALTERA 公司的 FPGA 芯片—FLEX10K10 作为目标器件来控制直流电机，讲解了 MAX+Plus II 设计流程，分析了现代电子产品的设计方法，并初步研究了FPGA 产生 PWM 信号的方法本设计将电机控制所使用的一些基本功能尽可能地集成在一片 FPGA 上，本设计论述了利用 FPGA 对直流电机进行控制时所起的各部分功能—PWM 波的产生、-----调速、正反向控制逻辑，并利用硬件描述语言对 PWM 波在 FPGA 中进行组合逻辑变换，并进行仿真。

本设计的主要内容是掌握基于 FPGA 的直流电机 PWM 控制原理，设计具有正/反转、起/停控制功能、速度可调的直流电机控制装置通过对直流电机控制的研究，掌握 EDA 开发技术直流电机 PWM 调速系统方案设计电机可分为变压器、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 [1]以下详细介绍了直流电机的基本结构、工作原理、主要技术参数和调速原理直流电机直流电机基本结构直流电机由定子（静止部分）和转子（转动部分）两大部分组成AB-abcdNS2.1 直流电机的结构（1）定子部分定子部分包括机座、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部分，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2）转子部分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部分，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部分，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（也称元件）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内的交流电流；在直流发电机中，它将绕组内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元件数相同2.1.2 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基础上，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，圆柱体的表面上固定着一个线圈abcdabcd 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中通入直流电流时，线圈边上受到电磁力 F=Bli，根据左手定则确定力的方向，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若电枢转动，线圈两边的位置互换，而线圈中通过的还是直流电流，则所产生的电磁转矩的方向则变为顺时针方向，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，即进行所谓“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，若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，则产生电磁转矩，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，其中通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结构，就可使电动机能连续地旋转这就是直流电机的基本工作原理 [3]2.1.3 直流电机主要技术参数为了使电机安全可靠地工作，且保持优良的运行性能，电机厂家根据国家标准及电机的设计数据，对每台电机在运行中的电压，电流，功率，转速等规定了保证值，这些保证值就是直流电机的主要技术参数，直流电机的主要技术参数有：直流电机的转速，是指电机实际转动的速度 n； n =Ua-IR/CeΦ （2.1）Ua 为电枢电动势，Ce 为电动势常数，Φ 是磁通量额定功率（容量）P N，是指电刷输出的电功率，单位为 kW； PN=UNIN (2.2)额定电压 UN，指额定状态下电枢出线端的电压，单位为 V；额定电流 IN，指电机在额定电压、额定功率时的电枢电流值，单位为 A；额定转速 ηN，指额定状态下运行时转子的转速，单位为 r/min； -----ηN =PN/UNIN (2.3)直流电机调速原理直流电机电压调速原理图 2.2 为按电机惯例标定的直流电机稳定运行量各物理量的正方向。

由图可见电机的电枢电动势 Ea 的正方向与电枢电流 Ia 的方向相反，为反电动势；电磁转矩T 的正方向与转速 n 的方向相同，是拖动转矩；轴上的机械负载转矩 T2 及空载转矩 T0 均与 n 相反，是制动转矩根据基尔霍夫第二定律，对图 2.2 的电枢回路列回路电压方程可得直流电动的电动势平衡方程式：U=Ea-Ia（Ra+Rc） （2.4）式 2.4 中，R a 为电枢回路电阻，电枢回路串联保绕阻与电刷接触电阻的总和；Rc 是外接在电枢回路中的调节电阻由此可得到直流电机的转速公式为： n =Ua-IR/CeΦ （2.5）式中，Ce 为电动势常数，Φ 是磁通量由 1.1 式和 1.2 式得n =Ea/Ce （2.6）从由式子 2.6 中可以看出，对于一个已经制造好的电机，当励磁电压和负载转矩恒定时，它的转速由电枢电压 Ea 决定，电枢电压越高，电机转速就越快，电枢电压降低到 0V 时，电机就停止转动；改变电枢电压的极性，电机就反转总之电机的调速可以通过控制电枢电压实现 [3]。

ra Ea n T0 2 I U T1 Φ Rc 说 明 : U ……> 电 压 Ea >电 枢 电 动 势n >转 速 I……>电 枢 电 流 ra >电 枢 回 路 电 阻 Rc 外 在 电 枢 电 阻 T1， T2…>负 载 转 矩 0 空 载 转 矩Φ > 磁 通 量 图 2.2 直流电机惯例-----最大值 V m a x平均值 V d最小值 V m i n t 1 t 2T图 2.3 PWM 调速原理直流电机 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 进行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 2.3 所示在脉冲作用下，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，则电机的平均速度为 Vd=Vmax·D （2.7）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 2.4 所示。

电压( V )时间 （ t )通电 断电t 1t 2T0平均速度V dV m a x00 . 51占空比 ( D )图 2.4 平均速度和占空比的关系由图 2.4 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 由以上叙述可知：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，电机转速最大基于 FPGA 的直流电机调速方案E N 1U _ DC L K 2数字比较器+-P W M 波形输出N E T 1N E T。