课程设计直流电机说明说2.doc

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 ＿ 电子信息工程学院 班 级 ＿ 电信科081 学生姓名＿＿ 000＿＿ 指导教师 ＿ 齐晶晶 、 张雷鸣＿＿＿ 日 期 ＿ 2011年12月16日＿＿＿＿ 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 袁伟伟_专业班级 信科081 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：4档，数字显示其档位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： 2011年 11月28日摘要电机是指依据电磁感应定律实现电能转换或传递的一种电磁装置电动机也俗称马达，它的主要作用是产生驱动转矩，作为用电器或各种机械的动力源21世纪，在工业化集成电路设计中，直流电机得到了广泛的应用，直流电动机是依靠直流工作电压运行的电动机，广泛应用于收录机、录像机、电吹风、电子表、玩具等所以，多功能、人性化、易操作的电机设计成了一个趋势本文对于直流电机方面的研究，是基于Quartus2软件，利用FPGA器件，通过VHDL语言编程对直流电机进行基本的自动操作控制。

本次直流电机主要有以下功能：1. 转速调节转速调节通过档位来实现，档位为一、二、三、四档，每个档位都设定自己的速度，随着档位的的升高速度逐渐增大，速度的改变通过改变PWM信号的占空比来是实现2. 正反转控制设置一个按键，调节按键时电机能够改变转动方向原理为档按下按键时，改变了加在电机两端电压的极性3. 转速显示转机转动时会有一个速度，速度能够正确的显示在数码管上，并能用实验仪器正确测出原理为设计一个频率计，测试电机转速目录一、任务解析 51.1设计要求 51.2要求分析 5二 、方案论证 62.1设计思路 62.2 思路实现 7三、设计原理及模块 83.1 电机驱动原理 83.2 频率计计数原理 83.3 PWM模块电路原理 93.3.1 转速控制模块 103.3.2 频率计计数模块 113.4 数码管读数模块 123.5 消抖电路模块设计 123.6 总体电路图及其它 13四、结果评估及误差分析 16五、心得体会总结 17六、参考文献 18一、任务解析1.1设计要求本设计利用PWM控制技术实现直流电机的速度控制要求电机的速度要分为四档，要求有数码管可以档位显示通过按键可以控制直流电机的正反转，通过红外光可以测得直流电机的转速，并能在数码管上用4位十进制显示电机具体的转动速度。

在整个电路中，要有去抖动部分，以求实现直流电机转速的精确测量在基本功能实现之后，可以尝试修改设计，实现直流电机的闭环控制，这样可以随意设置旋转速度1.2要求分析根据设计要求，本次电路的实现大概要分为以下几大部分：1. FPGA中PWM模块2.频率计计数模块3. 数码管读数模块4.消抖电路模块由此，可以得出整个电路系统的原理框图：二 、方案论证2.1设计思路此次电机设计主要实现的功能是：四档速度；电机正反转；转速显示；四档转速的实现在硬件上通过按键实现，按下一次加一档，档位升高，档速提高，软件方面通过程序来设置不同的档位占空比，占空比不同，转速也就不同当输入电源的占空比大时，直流电机的转速较快；当输入电源的占空比小时，直流电机的转速较慢直流电机转动方向的控制，主要是通过一个比较器，一个二选一选择器来实现通过比较器产生高低电平，然后通过键盘输入的改变来选择通过比较器产生的两个不同电平中的一个，最后把选择的电平加载到直流电机模块上，至此，实现电机转动的正转或反转直流电机的工作/停止，需要一个二选一选择器来实现即当通过键盘输入start为1或0时，把二选一选择器选择PWM块所产生的高低电平作为直流电机模块的一个输入端口，作为使能端，从而实现电机的工作/停止。

2.2 思路实现 由上所知，本次设计的关键部分是PWM模块的设计该模块可以详细分为下面几个小模块：速度等级设置模块、数字比较器模块、锯齿波发生器、旋转方向控制模块PWM模块设计是整个电路设计的基础，只有很好的实现并产生了直流电机的四个不同速度等级，通过比较器所产生的高低电平，进而通过二选一选择器实现了方向控制信号的高低电平选择，后面的频率计计数模块和数码管读数模块才能更好的实现三、设计原理及模块3.1 电机驱动原理 一台直流电机原则上既可以作为电动机运行,也可以作为发电机运行,这种原理在电机理论中称为可逆原理当原动机驱动电枢绕组在主磁极N、S之间旋转时，电枢绕组上感生出电动势，经电刷、换向器装置整流为直流后，引向外部负载（或电网），对外供电，此时电机作直流发电机运行如用外部直流电源，经电刷换向器装置将直流电流引向电枢绕组，则此电流与主磁极N.S.产生的磁场互相作用，产生转矩，驱动转子与连接于其上的机械负载工作，此时电机作直流电动机运行3.2 频率计计数原理下图所示表达出了数字频率计测频计数的原理被测频率f1的讯号u(t)自输入通道经过整形、放大和微分形成于u(t)周期个数相同的计数脉冲进入“主控与门”电路，在门控双稳态电路开门讯号的控制下，将计数脉冲送入计数、锁存、译码、驱动与显示电路，有LED（半导体发光数码管）、LCD（液晶显示器）或其它显示器件显示出被测频率f1的值。

若主门电路的开门时间T恰好选为1秒，则数字频率计指示的即为f1的频率值为适应被测频率高低不同的要求，由晶体振荡器发出的时钟讯号频率f0经过分频或倍频，选择的主闸门开启时间可以不是1秒，而是数秒或毫秒，有时读数应计入量程倍率系数，在智能数字频率计中，量程是自动转换的N=Kf 1f 0=N/KU(t)f 1输入通道主控与门计数译码显示门控双稳分频/倍频晶振f03.3 PWM模块电路原理PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术即通过对一系列脉冲的宽度进行调制来等效地获得所需要的波形 图二中，设定值计数器设置PWM信号的占空比当U\D=1，输入CLK2，使设定值计数值的输出值增加，PWM的占空比增加，电机转速加快；当U\D=０，输入CLK2使设定值计算器的输出值减小，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，数字比较器输出低电平； 当计数值大于设定值时，数字比较器输出高电平，由此产生周期性的PWM波形旋转反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，还是从负端进入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，经功率放大以后驱动电机转动3.3.1 转速控制模块在用FPGA控制直流电机转速时，其核心是改变每个PWM周期的占空比此时需要产生一个设定值计数器，一个锯齿波发生器和一个数字比较器设定值计数器就是根据按键按下时选取的不同档位，输出一个不同的数值本次设计速度分为四档，档位为0时转速为0，每增加一档，转速相应增加，四档时转速达到最大据此，首先要设计一个档位调节模块，当输入不同的档位数值时，要输出一个计数值，这个数值规定了设定值计数器的输出数值当档位增加时，设定值计数器的值相应增加，从而改变PWM信号占空比，使其占空比增大，电机转速加快设定值计数器的输出加到比较器的一端，和锯齿波发生器的数值进行比较锯齿波发生器的数值来自对CLK0的分频，它的位数取决于电机能够达到的最大转数我们实验室的电机大概在70转左右，所以锯齿波发生器的位数不应低于7位，若更低的话，每改变一位数，对应的转数还达不到一转，这样就不能对每一转进行细分，也就无法精确控制电机的转速3.3.2 频率计计数模块转速显示模块实际上就是设计一个频率计。

电机转动时，每转一圈，电机旁边的红外检测电路就会产生一个脉冲把这个脉冲通过一个消抖电路后作为频率计待测频率的输入端频率计部分的工作原理是：先设置一个计数器，然后由1Hz的输入时钟经过倍频得到2Hz的时钟信号，当2Hz的时钟信号为高电平时，去检测有无红外电路的脉冲信号到来，每当红外脉冲信号到来，计数器加一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最后把一秒时间内电机转过的圈数输出到数码管显示频率计计数模块模块的总体框图： 3.4 数码管读数模块该模块的原理是：当输入端信号lk为高电平且为上升沿时，输出端dout读出输入端din当时的值，并在数码管上显示出来数码管读数模块的总体框图如下图14所示：数码管读数模块的框图3.5 消抖电路模块设计 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消抖电路设计原理图如下：消抖电路原理图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3.6 总体电路图及其它 电路图：。