FPGA在直流电机调速中的应用

1、毕 业 论 文（设 计）题 目： FPGA在直流电机调速中的应用 （Title）： Application of FPGA in the DC Motor Speed Control 系 别： 电气工程系 专 业： 自 动 化 姓 名： 赖 锦 昌 学 号： 2009020243157 指导教师： 陈 朝 大 日 期： 2013年5月 FPGA在直流电机调速中的应用摘要针对直流电机快速发展及广泛应用，设计了一个直流电机调速系统。系统采用以FPGA芯片为中央处理核心，以L298N驱动芯片驱动直流电机，通过按键来控制直流电机的运行状态。设计详细地介绍了直流电机的类型、结构、工作原理、PWM调速原理以及FPGA集成芯片。并对直流电机PWM调速系统方案的组成、硬件电路设计进行了详细叙述。实验结果表明，控制系统能够准确快速地控制直流电机启停、正反转和加减速。关键词：直流电机；FPGA；L298N；PWMThe FPGA in the Application of the DC Motor Speed ControlAbstractRapid development and widely used

2、 for dc motor, a dc motor speed control system is designed. The system uses FPGA chip as the central processing core, L298N driver chip to drive DC motors, through the pressed key to control dc motor running state. The design detailed description of the DC motor type, structure, working principle, PWM governor principles and FPGA chip. The design for the composition of dc motor PWM speed control system and hardware circuit design has made the detailed narration. Experimental results show that th

3、e control system can quickly and accurately control the DC motor to start, stop, forward, reverse, acceleration and deceleration.Key Words：DC motor; FPGA;L298N; PWM目 录1、绪论11.1课题研究的现状及意义11.2课题研究的主要内容12、设计总体方案选择22.1主控芯片方案选择22.2驱动芯片方案选择42.3键盘电路方案选择52.4直流电机调速方案选择63、直流电机介绍73.1直流电机的特点73.2直流电机的基本结构83.3直流电机的工作原理103.4直流电机主要技术参数104、硬件电路设计134.1整流稳压电路134.2起振电路144.3复位电路154.4键盘电路164.5直流电机驱动电路174.5总电路原理图及实物图185、软件设计205.1控制逻辑Verilog HDL描述205.2 FPGA开发环境的介绍225.3建立工程项目225.4直流电机控制仿真图255.5仿真图分析265.6总设计流程286、实物调试297、

4、总结29参考文献31致谢32附录331、绪论1.1课题研究的现状及意义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。随着科学技术日益发展，特别是EDA技术的发展，直流电机的应用更加广泛。直流电机有许多有优点，如速度容易控制，精度高，效率高等，能在交款的范围内调速，因而在许多工业领域中应用广泛。直流电机大多数采用PWM（脉宽调制）的方法进行控制。在国外，PWM源于上世纪九十年代，随着现代电子技术的发展使得PWM理论越来越成熟，其发展的速度越来越快速。已经取代传统的可控硅电机调速系统。在国内PWM有理论基础逐渐成熟，但在应用上，国内外差距也很大。PWM调速系统的应用是近年来才开始的，所以PWM电机调速方案是未来电机拖动系统的首选方案，是实现电机拖动数字控制的基础。PWM

5、调速有两种模式：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。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、在线调速等功能,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,各项指标均能较好地满足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。1.2课题研究的主要内容设计提出基于FPGA在直流电机调速中的应用，主要分析直流电机的结构、主要技术参数、工作原理、调速原理以及正/反转、启/停原理。通过对直流电机控制的研究，掌握基于FPGA的直流电机PWM控制原理，学会应用Verilog HDL语言进行编程；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

6、品的设计流程。设计系统的总体框图如图1.1所示。FPGA（CPU）键盘电路起振电路驱动电路路复位电路直流电机的运行状态图1.1 总体框图2、设计总体方案选择2.1主控芯片方案选择51单片机I/O口有限，而FPGA的I/O多,可以方便连接外设。比如一个系统有多路AD、DA，51单片机要进行仔细的资源分配，总线隔离，而FPGA由于丰富的I/O资源,可以很容易用不同I/O资源连接各外设。51单片机程序是串行执行的，执行完一条才能执行下一条，在处理突发事件时只能够调用有限的中断资源；而FPGA不同逻辑可以并行执行,可以同时处理不同任务，这就导致了FPGA的工作效率更高。FPGA内部集成锁项环,可以把外部时钟倍频,核心频率可以到几百M,而51单片机运行速度低的多，在高速场合，51单片机无法代替FPGA。FPGA甚至包含51单片机和DSP软核,并且I/O数仅受FPGA自身I/O限制，所以，FPGA又是51单片机和DSP的超集，也就是说，51单片机和DSP能实现的功能，FPGA都可以实现。与51单片机相比，FPGA运行速度快；管脚多，容易实现大规模系统；内部程序并行运行，有处理更复杂功能的能力；拥有

7、大量软核，可以方便二次开发等优点。因此采用FPGA来作为主控芯片。设计选用的芯片是Altera公司的MAX II系列的EPM240T100C5N芯片如图3.1所示。图2.1 主控芯片MAX II器件系列简介Altera公司最新的MAX II系列，有史以来成本最低的CPLD，结合了FPGA和CPLD的优点，充分利用了4输入LUT体系结构的性能和密度优势，并且具有性价比较高的非易失性特性。用户可以利用MAX II CPLD将大量控制逻辑集成在单个器件中，从而降低了系统成本。MAX II器件系列是一种非易失性、即用性可编程逻辑系列，它采用了一种突破性的新型CPLD架构。这种新型架构的成本是原先MAX II器件的一半，功耗是其十分之一，密度是其四倍，性能却是其两倍。这些超级性能是在提供了所有MAX系列CPLD先进特性的架构的基础上，根据Altera专家们的意见而重新采用基于查找表的架构而得到的。这种基于查找表的架构在最小的I/O焊盘约束的空间内提供了最多的逻辑容量。因此，MAX II CPLD是所有CPLD系列产品中成本最低、功耗最小和密度最高的器件。基于成本优化的0.18微米6层金属Flas

8、h工艺，MAX II器件系列具有CPLD所有的优点，例如非易失性、即用性、易用性和快速传输延时性。以满足通用性，低密度逻辑应用为目标，MAX II器件成为接口桥接、I/O扩展、器件配置和上电顺序等应用最理想的解决方案。除这些典型的CPLD应用之外，MAX II器件还能满足大量从前在FPGA、ASSP和标准逻辑器件中实现的低密度可编程逻辑需求。MAX II器件提供的密度范围从240到2210个逻辑单元（LE），最多达272个用户I/O管脚。主芯片采用ALTERA MAX II系列的EPM240T100C5N(相当于8650门CPLD，容量是以前的EPM7128的两倍，并且可以烧写至少10万次以上)。MAX II CPLD体系结构，在所有CPLD系列中单位I/O成本最低，功耗最低。MAX II运用了低功耗的工艺技术，和前一代MAX器件相比，成本降低了一半，功率降至十分之一，容量增加了四倍，性能增加了两倍。标准JTAG下载口，防反插设计。可接ByteBlasterII和USB-Blaster下载电缆。EPM240T100C5N的芯片参数：宏单元数:192，输入/输出线数:80，传播延迟时间:

9、5.9ns，整体时钟设定时间:2.7ns，频率:201.1MHz，电源电压范围:2.375V to 2.625V, 3V to 3.6V，工作温度范围:0C to +85C ，针脚数:100，封装类型:TQFP，工作温度最低:0C，工作温度最高:85C，逻辑芯片功能:CPLD,逻辑芯片基本号:EPM240T，可编程逻辑类型:CPLD ，输入/输出接口标准:LVTTL, LVCMOS, PCI。2.2驱动芯片方案选择我们常用到的电机驱动芯片有ULN2003和L298N所示这两款芯片。ULN2003驱动芯片如图3.2所示是大电流驱动阵列,多用于单片机、智能仪表、PLC、数字量输出卡等控制电路中。可直接驱动继电器等负载。 输入5V TTL电平，输出可达500mA/50V。它还是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN达林顿管组成并是一个非门电路，包含7个单元，但独每个单元驱动电流最大可达350mA。其最大的优点是具有电流增益高、工作电压高、温度范围宽、带负载能力强等特点,适应于各类要求高速大功率驱动的系统。经常在电路中使用作为显示驱动，继电器驱动，照明灯驱动，电磁阀驱动，直流电机、步进电机驱动等等。图3.2 ULN2003驱动芯片L298N如图3.3是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作

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