毕业设计论文基于FPGA的电机控制.docx

毕业设计论文基于FPGA的电机控制.docx

《毕业设计论文基于FPGA的电机控制.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《毕业设计论文基于FPGA的电机控制.docx（29页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

毕业设计论文基于FPGA的电机控制

毕业设计（论文）-基于FPGA的电机控制

基于FPGA的电机控制

指导老师：

设计了一个基于现场可编程门阵列（FPGA）的电机控制系统。

简单介绍了步进电机和直流电机的工作原理和工作特点，并根据两种电机的不同特性设计了基于FPGA的不同的控制电路：

以改变频率来控制步进电机的转速；调节脉冲的占空比大小改变输出电压的大小，从而达到控制直流电机的转速的目的。

关键字：

FPGA步进电机直流电机电机控制PWM

DesignoftheMotor-ControlBasedonFPGA

Abstract:

theelectromotorcontrolsystemisdesignedbasedonFPGA.

Thispapersimplyintroducestheprincipleandthecharacrersofcurrent-motorandstep-motor.Andwhat’smore,differentcontrolcircuitsbasedFPGAaredesignedaccorderingtothedifferentcharacteristicofcurrent-motorandstep-motor.Therotatespeedofstep-motoriscontrolledbychangingfrequency.Theoutput-voltagechangesaccorderingtotherateofimpulses,andsotheaimtocontroltherotateofcurrent-motorachieve.

Keyword:

step-motormotor-controlPWMFPGA

1.系统设计…………………………………………………………………3

功能介绍…………………………………………………………………3

电机控制简介……………………………………………………………3

步进电机的控制………………………………………………………3

直流电机的控制………………………………………………………3

总体设计方案………………………………………………………4

总体设计思路…………………………………………………………4

方案论证与比较…………………………………………………4

2.单元电路设计……………………………………………………………7

2.1.步进电机驱动电路……………………………………………………………7

2.2.直流电机驱动电路……………………………………………………8

3.软件设计……………………………………………………………………8

实现方法……………………………………………………………………8

3.2程序流程图………………………………………………………………9

4.系统测试……………………………………………………………………10

5.结论及参考文献………………………………………………………10

5.1.结论:

…………………………………………………………………………10

5.2.参考文献:

……………………………………………………………………10

6.附录………………………………………………………………………………10

前言

步进电机：

一般，电动机都是连续旋转，而步进电动机却是一步一步转动的。

每输入一个脉冲信号，步进电机就将电脉冲信号转变为角位移或线位移。

在正常情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。

步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。

使它在速度、位置等控制领域应用非常广泛。

步进电动机的种类很多，按励磁方式可分为反应式、永磁式和感应子式；按相数分则可分为单相、两相和多相三种。

直流电机：

目前，直流电动机在控制系统中的应用十分广泛。

直流电动机的工作原理比较简单：

当定子中的励磁磁通和转子中的电流相互作用时，就会产生电磁转矩驱动电枢转动，恰当地控制转子中电枢的电流的方向和大小，就可以控制直流电动机的转动方向和转动速度。

电枢电流为零时直流电机则停止不动。

1.系统设计

功能简介

一、基本功能

（1）步进电机能够在四相八拍工作方式下连续运行。

（2）能实现步进电机正\反转及速度变换。

（3）能够实现直流电机的正反转及速度调节

（4）显示电机工作状态

电机控制简介

步进电机的控制

步进电机能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，不需要A/D转换，步进电机的空载启动频率一般较高，而运行频率相对来说较低，以超过空载频率启动将出现失步甚至无法启动。

为了保证控制速度的精确性,要从一个速度准确达到另外一个速度，就要建立一个校验机制，以防超过或未达到所需速度.

步进电机的脉冲分配:

步进电机的脉冲分配是通过电机的通电换相来实现的。

例如：

四相步进电机的八拍工作方式，当电机正转时，其各相通电顺序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A,当电机反转时，其各相通电相序为A-AD-D-DC-C-CB-B-BA。

步进电机换向时，一定要在电机降速停止或降到频率较低时才换向，以免产生较大的冲击而损坏电机。

换向信号一定要在前一个方向的最后一个CP脉冲结束后以及下一个方向的第一个CP脉冲前发出。

步进电机的转速控制：

步进电机的转速控制实际上就是控制触发脉冲的频率。

当脉冲的频率升高时，电机转速增加，当脉冲的频率降低时，电机的转速变慢。

1.2.2直流电机的控制

直流电机具有很好的线性调速特性，简单的控制性能。

控制直流电动机的转动方向比较简单，只需使驱动电路控制直流电源正接、反接，便可以达到对方向的控制。

直流电机转速n的表达式为

式中U--电枢端电压；I---电枢电流；R--电枢电路总电阻；φ---每极磁通量；K---电机结构参数。

由式可得，直流电机的转速控制方法可以分为两类：

一类是对励磁通进行控制的厉磁控制法即改变磁通ф，一类是对电枢电压进行控制的电枢控制法即改变电枢电压U。

现在一般采用后面一种方法。

总体设计方案

.1总体设计思路

用于控制的电机是广州致远电子公司生产的电机实验仪：

DP-51MOTOR（带有驱动电路,我们可以另外设计驱动电路）。

为了实现对电机的控制，我们没有去做FPGA最小控制系统，而是直接采用F广州致远电子有限公FPGA实验仪：

DP-FPGA。

关键问题是如何产生对电机的控制信号。

.2方案论证与比较

一．控制部分的方案论证

方案一、用逻辑电路实现。

用定时芯片产生脉冲，用组合和时序电路实现对脉冲的分配及频率的调节。

整个电路用到的分立元件较多，电路构成复杂，不易焊接，且电路的抗干扰能力较差。

方案二：

采用单片机作为核心控制部件。

单片机设计控制电路省去了很多分立元器件。

对于脉冲的产生及分配，频率的调节，转速及状态的改变都可以由单片机实现，不必再分别用分立元器件实现。

但是按照给定的通电换相顺序，通过单片机的I/O向驱动电路发出控制脉冲，在电机的运行过程中要不停的产生控制脉冲，占用了大量的CPU时间，可能使单片机无法进行其它工作。

方案三、用FPGA作控制部件，FPGA控制外围电路简单，整体性能好，有更好的稳定性好。

精度高，抗干扰能力强。

显然第三种方案具有更大的优越性，灵活性，经比较采用第三种方案。

二.功率驱动电路的方案论证

为了便于控制,我们把步进与直流电机的驱动电路做在一块PCB板子上。

由于从FPGA的I/O中出来的电流较少，不足以驱动电机，或者能够驱动起来，但功率达不到要求。

对于直流电机的驱动方案，有一个非常精典的驱动电路,不做过多论证。

即采用由晶体管功率放大器8050和8550组成的H型PWM电路。

用FPGA控制晶体管功率放大器使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机的转速，这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单的实现转速和方向的控制；电子开关速度很快，稳定性也极强，是一种广泛应用的PWM调速技术。

下面就步进电机的驱动作如下论证。

方案一：

单电压驱动。

单电压驱动是指电机在工作时，只用一个电压源对绕组供电。

如下图所示。

步进电机单电压驱动

它的特点是电路最简单。

电路中的限流电阻R1决定了时间常数，但R1太大会使绕组供电电流减小。

可在R1两端并联一个电容C，这样就可使电流的上升波形变陡，改善了高频特性。

该电路一般只适用于小功率步进电机的驱动。

方案二：

斩波恒流驱动

斩波驱动原理图

T1是一个高频开关管，T2开关管的发射极接一只小电阻R0。

以上的驱动过程表现为；T2每导通一次，T1导通多次，绕组的电流波形为：

在T2导通的时间里，电源是脉冲式供电，提高了电源效率，并且能在效抑制共振。

但是，由于电流波形为锯齿形，将会产生较大的电磁噪声。

经比较，单电压驱动电路简单，比较适合小功率驱动，正好适合本设计的要求。

所以采用方案一。

经过上面的比较与论证，可以得出电机控制的总方框图

2.单元电路设计

2.1.步进电机驱动电路

步进电机的驱动电路如下图所示,其驱动电路原理为：

从FPGA出来的脉冲信

号按一定的顺序分别接到晶体管Q3---Q6的基极，四个8050的集电极分别有四个相应的信号输出，并接到电机的1、4、3、6脚，2、5脚接高电平。

我们要求的电机的工作方式为四相八拍。

正转各相通电顺序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A，则只要依次通1110-1100-1101-1001-1011-0011-0111-0110-1110脉冲序列。

反转也可以此类推。

则电机在脉冲序列信号的作用下按预定方向转动,通过改变脉冲序列信号的快慢即频率来控制步进电机转速。

步进电机驱动原理图

2.2.直流电机驱动电路

直流电机驱动原理图

P1为直流电机的选择信号，即直流电机的总控制信号。

当P1为高电平时，就是让直流电机处于工作状态。

当P2输入为低电平，P3输入为高电平时，晶体管功率放大器Q2、Q5导通，Q3、Q4截止。

Q2、Q5与电机J10一起形成一个回路。

从而驱动电机正转。

当P2输入为高电平，P3输入为低电平时，晶体管功率放大器Q2、Q5截止，Q3、Q4导通，Q3、Q4与电机J10形成回路，驱动电机反转。

，若功放管的基极直接与FPGA的I/O口相连，则控制电压最高为3.3V，再加上晶体管本身的压降，加到电动机两端的电压就更少了，电动机的驱动力明显不够.。

因此，我们运用了TLP521-2光耦集成芯片，将控制部分与电机的驱动部分隔离开来，这样不仅增加了各系统模块之间的隔离度，也使驱动电流得到大大的加强。

3．软件设计

实现方法

总控制模块是采用VHDL语言在DP-FPGA实验板上编程。

通过对各个按键的选择来实现各种功能。

总的控制模块就是一个对不同按键的响应程序。

共有复位RESET键，步进与直流电机选择SLECT键，正反选择SHIFT键，速度选择SPEED键四个按键

3.2程序流程图

N

Y

4.系统测试

4.1.使用仪器:

FPGA实验仪：

DP-FPGA，广州致远电子有限公司

电机实验仪：

DP-51MOTOR，广州致远电子有限公司

数字万用表：

UT101MULTIMETER金创电子仪器厂

直流稳压电源：

DCPOWERSUPPLYDF1731SL2A，ZhongCeElectronicsCO.,LTD

5.结论及参考文献

5.1.结论:

步进电机控制的控制通过程序较易实现，但要注意其起动时的频率不能太大，否则易产生失步，甚至根本起动不起来。

步进电机的转速越快，其转矩将越小。

5.2.参考文献:

1王晓明电动机的单片机控制北京：

北京航空航天大学出版社2002年第一版

2.潘松，黄继业.EDA技术实用教程[m].北京：

科学出版社.2002

3．黄智伟全国大学生电子设计竞赛训练教程北京：

电子工业出版社2005年第一版

4．南华大学第六届全国电子设计竞赛全体参赛成员.第六届电子大赛资料

libraryIEEE;

useIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

useIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;

useIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

--Uncommentthefollowinglinestousethedeclarationsthatare

--providedforinstantiatingXilinxprimitivecomponents.

--libraryUNISIM;

--useUNISIM.VComponents.all;

entitytopis

Port（clk:

instd_logic;

reset:

instd_logic;---1为复位0开启

button1:

instd_logic;---速度选择

button2:

instd_logic;---正反选择

control:

outstd_logic_vector（3downto0）;---四相电机输入信号

buzzer:

outstd_logic;---报警信号

cs:

outstd_logic;---数码管选中

shift:

outstd_logic_vector（3downto0）;---数码管位选信号

data_led:

outstd_logic_vector（7downto0））;---数码管数据

endtop;

architectureBehavioraloftopis

componentkeyis

Port（reset:

instd_logic;---输入复位信号

clk:

instd_logic;

button1:

instd_logic;---输入速度按键信号

button2:

instd_logic;---输入正反转按键信号

speed:

outstd_logic_vector（2downto0）;---速度数据输出端

sel:

outstd_logic_vector（1downto0））;---正反转信号输出端

endcomponent;

componentmcfpis

Port（pwm_clk:

instd_logic;---速度控制脉冲

clk:

instd_logic;

reset:

instd_logic;

sel:

instd_logic_vector（1downto0）;---正反转

qs:

outstd_logic;

control:

outstd_logic_vector（3downto0））;

endcomponent;

componentmcfsis

Port（clk:

instd_logic;

reset:

instd_logic;

speed:

instd_logic_vector（2downto0）;

pwm_clk:

outstd_logic）;

endcomponent;

componentjishuis

Port（reset:

instd_logic;

qs:

instd_logic;

sel:

instd_logic_vector（1downto0）;

alarm:

outstd_logic;

shuju1:

outstd_logic_vector（7downto0）;

shuju2:

outstd_logic_vector（7downto0））;

endcomponent;

componentbaojinis

Port（clk:

instd_logic;

alarm:

instd_logic;

buzzer:

outstd_logic）;

endcomponent;

componentxsis

Port（clk:

instd_logic;

reset:

instd_logic;

shuju1:

instd_logic_vector（7downto0）;

shuju2:

instd_logic_vector（7downto0）;

cs:

outstd_logic;

shift:

outstd_logic_vector（3downto0）;

data_led:

outstd_logic_vector（7downto0））;

endcomponent;

signalload1:

std_logic_vector（2downto0）;

signalload2:

std_logic;

signalload3:

std_logic_vector（1downto0）;

signalload4:

std_logic;

signalload5:

std_logic;

signalload6:

std_logic_vector（7downto0）;

signalload7:

std_logic_vector（7downto0）;

begin

u1:

keyportmap（reset=>reset,clk=>clk,button1=>button1,button2=>button2,speed=>load1,sel=>load3）;

u2:

mcfsportmap（clk=>clk,reset=>reset,speed=>load1,pwm_clk=>load2）;

u3:

mcfpportmap（pwm_clk=>load2,clk=>clk,reset=>reset,sel=>load3,control=>control,qs=>load4）;

u4:

jishuportmap（reset=>reset,qs=>load4,sel=>load3,alarm=>load5,shuju1=>load6,shuju2=>load7）;

u5:

baojinportmap（clk=>clk,alarm=>load5,buzzer=>buzzer）;

u6:

xsportmap（clk=>clk,reset=>reset,shuju1=>load6,shuju2=>load7,cs=>cs,shift=>shift,data_led=>data_led）;

endBehavioral;

libraryIEEE;

useIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

useIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;

useIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

--Uncommentthefollowinglinestousethedeclarationsthatare

--providedforinstantiatingXilinxprimitivecomponents.

--libraryUNISIM;

--useUNISIM.VComponents.all;

entitybaojinis

Port（clk:

instd_logic;

alarm:

instd_logic;

buzzer:

outstd_logic）;

endbaojin;

architectureBehavioralofbaojinis

signalc:

std_logic;

begin

process（clk,alarm,c）

variablecnt:

integerrange0to50000;

begin

ifclk'eventandclk='1'thencnt:

=cnt+1;

ifcnt<25000thenc<='1';

elsifcnt<50000thenc<='0';

elsecnt:

=0;c<='0';

endif;

endif;

ifalarm='1'then

buzzer<=c;

elsebuzzer<='0';

endif;

endprocess;

endBehavioral;

libraryIEEE;

useIEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

useIEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;

useIEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

--Uncommentthefollowinglinestousethedeclarationsthatare

--providedforinstantiatingXilinxprimitivecomponents.

--libraryUNISIM;

--useUNISIM.VComponents.all;

entityjishuis

Port（reset:

instd_logic;

qs:

instd_logic;---1个八拍信号

sel:

instd_logic_vector（1downto0）;---01正转10反转

alarm:

outstd_logic;---报警信号

shuju1:

outstd_logic_vector（7downto0）;

shuju2:

outstd_logic_vector（7downto0））;

endjishu;

architectureBehavioralofjishuis

signalc1,c2:

std_logic;

begin

process（qs）

variablecnt:

integerrange0to50;

begin

ifrising_edge（qs）thencnt:

=cnt+1;

ifcnt=50then

cnt:

=0;alarm<='1';c1<='1';

elsealarm<='0';c1<='0';

endif;

endif;

endprocess;

process（reset,c1,sel）

variablecnt:

std_logic_vector（7downto0）:

="00000000";

begin

ifreset='1'thenshuju1<="00000000";

elsifrising_edge（c1）then

ifsel="01"then

ifcnt（3downto0）>="1001"then

cnt（3downto0）:

="0000";

cnt（7downto4）:

=cnt（7downto4）+1;

elsecnt（3downto0）:

=cnt（