FPGA在直流電機調(diào)速中的應(yīng)用

1、畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計）題 目： FPGA在直流電機調(diào)速中的應(yīng)用 （Title）： Application of FPGA in the DC Motor Speed Control 系 別： 電氣工程系 專 業(yè)： 自 動 化 姓 名： 賴 錦 昌 學 號： 2009020243157 指導(dǎo)教師： 陳 朝 大 日 期： 2013年5月 FPGA在直流電機調(diào)速中的應(yīng)用摘要針對直流電機快速發(fā)展及廣泛應(yīng)用，設(shè)計了一個直流電機調(diào)速系統(tǒng)。系統(tǒng)采用以FPGA芯片為中央處理核心，以L298N驅(qū)動芯片驅(qū)動直流電機，通過按鍵來控制直流電機的運行狀態(tài)。設(shè)計詳細地介紹了直流電機的類型、結(jié)構(gòu)、工作原理、PWM調(diào)速原理

2、以及FPGA集成芯片。并對直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)方案的組成、硬件電路設(shè)計進行了詳細敘述。實驗結(jié)果表明，控制系統(tǒng)能夠準確快速地控制直流電機啟停、正反轉(zhuǎn)和加減速。關(guān)鍵詞：直流電機；FPGA；L298N；PWMThe FPGA in the Application of the DC Motor Speed ControlAbstractRapid development and widely used for dc motor, a dc motor speed control system is designed. The system uses FPGA chip as the central

3、 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 s

4、ystem and hardware circuit design has made the detailed narration. Experimental results show that the 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 錄 TOC o 1-2 h z u HYPERLINK l _Toc

5、354845677 1、緒論 PAGEREF _Toc354845677 h 1 HYPERLINK l _Toc354845678 1.1課題研究的現(xiàn)狀及意義 PAGEREF _Toc354845678 h 1 HYPERLINK l _Toc354845679 1.2課題研究的主要內(nèi)容 PAGEREF _Toc354845679 h 1 HYPERLINK l _Toc354845680 2、設(shè)計總體方案選擇 PAGEREF _Toc354845680 h 2 HYPERLINK l _Toc354845681 2.1主控芯片方案選擇 PAGEREF _Toc354845681 h 2 H

6、YPERLINK l _Toc354845682 2.2驅(qū)動芯片方案選擇 PAGEREF _Toc354845682 h 4 HYPERLINK l _Toc354845683 2.3鍵盤電路方案選擇 PAGEREF _Toc354845683 h 5 HYPERLINK l _Toc354845684 2.4直流電機調(diào)速方案選擇 PAGEREF _Toc354845684 h 6 HYPERLINK l _Toc354845685 3、直流電機介紹 PAGEREF _Toc354845685 h 7 HYPERLINK l _Toc354845686 3.1直流電機的特點 PAGEREF _

7、Toc354845686 h 7 HYPERLINK l _Toc354845687 3.2直流電機的基本結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc354845687 h 8 HYPERLINK l _Toc354845688 3.3直流電機的工作原理 PAGEREF _Toc354845688 h 10 HYPERLINK l _Toc354845689 3.4直流電機主要技術(shù)參數(shù) PAGEREF _Toc354845689 h 10 HYPERLINK l _Toc354845690 4、硬件電路設(shè)計 PAGEREF _Toc354845690 h 13 HYPERLINK l _Toc3548456

8、91 4.1整流穩(wěn)壓電路 PAGEREF _Toc354845691 h 13 HYPERLINK l _Toc354845692 4.2起振電路 PAGEREF _Toc354845692 h 14 HYPERLINK l _Toc354845693 4.3復(fù)位電路 PAGEREF _Toc354845693 h 15 HYPERLINK l _Toc354845694 4.4鍵盤電路 PAGEREF _Toc354845694 h 16 HYPERLINK l _Toc354845695 4.5直流電機驅(qū)動電路 PAGEREF _Toc354845695 h 17 HYPERLINK l

9、_Toc354845696 4.5總電路原理圖及實物圖 PAGEREF _Toc354845696 h 18 HYPERLINK l _Toc354845697 5、軟件設(shè)計 PAGEREF _Toc354845697 h 20 HYPERLINK l _Toc354845698 5.1控制邏輯Verilog HDL描述 PAGEREF _Toc354845698 h 20 HYPERLINK l _Toc354845699 5.2 FPGA開發(fā)環(huán)境的介紹 PAGEREF _Toc354845699 h 22 HYPERLINK l _Toc354845700 5.3建立工程項目 PAGERE

10、F _Toc354845700 h 22 HYPERLINK l _Toc354845701 5.4直流電機控制仿真圖 PAGEREF _Toc354845701 h 25 HYPERLINK l _Toc354845702 5.5仿真圖分析 PAGEREF _Toc354845702 h 26 HYPERLINK l _Toc354845703 5.6總設(shè)計流程 PAGEREF _Toc354845703 h 28 HYPERLINK l _Toc354845704 6、實物調(diào)試 PAGEREF _Toc354845704 h 29 HYPERLINK l _Toc354845705 7、總

11、結(jié) PAGEREF _Toc354845705 h 29 HYPERLINK l _Toc354845706 參考文獻 PAGEREF _Toc354845706 h 31 HYPERLINK l _Toc354845707 致謝 PAGEREF _Toc354845707 h 32 HYPERLINK l _Toc354845708 附錄 PAGEREF _Toc354845708 h 331、緒論1.1課題研究的現(xiàn)狀及意義電機是一種能量轉(zhuǎn)換的裝置，在國民經(jīng)濟中起著重要作用，無論是在工農(nóng)生產(chǎn)、交通運輸、國防宇航、醫(yī)療衛(wèi)生、商務(wù)與辦公設(shè)備，還是日常生活中的家用電器，都大量的使用著各種各樣的電機

12、，如汽車、電視機、電風扇、空調(diào)等等也離不開電機。同時，在越來越多的應(yīng)用場合，只能旋轉(zhuǎn)的電機己無法滿足要求，而是要求能夠?qū)崿F(xiàn)快速加速、減速或反轉(zhuǎn)以及準確停止等功能。必須尋找新的電機控制器來適應(yīng)時代的發(fā)展。隨著科學技術(shù)日益發(fā)展，特別是EDA技術(shù)的發(fā)展，直流電機的應(yīng)用更加廣泛。直流電機有許多有優(yōu)點，如速度容易控制，精度高，效率高等，能在交款的范圍內(nèi)調(diào)速，因而在許多工業(yè)領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。直流電機大多數(shù)采用PWM（脈寬調(diào)制）的方法進行控制。在國外，PWM源于上世紀九十年代，隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展使得PWM理論越來越成熟，其發(fā)展的速度越來越快速。已經(jīng)取代傳統(tǒng)的可控硅電機調(diào)速系統(tǒng)。在國內(nèi)PWM有理論基礎(chǔ)逐漸成

13、熟，但在應(yīng)用上，國內(nèi)外差距也很大。PWM調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用是近年來才開始的，所以PWM電機調(diào)速方案是未來電機拖動系統(tǒng)的首選方案，是實現(xiàn)電機拖動數(shù)字控制的基礎(chǔ)。PWM調(diào)速有兩種模式：一種是采用模擬電路控制，另一種是采用數(shù)字的控制。模擬控制由于其調(diào)試復(fù)雜等固有原因，正逐漸被淘汰。而在數(shù)字控制技術(shù)中，F(xiàn)PGA的數(shù)字PWM控制具有精度高，反應(yīng)快，外部連線少，電路簡單，便于控制等優(yōu)點廣泛的被人們使用，應(yīng)而研究FPGA具有十分重要的意義。電動機調(diào)速系統(tǒng)采用FPGA實現(xiàn)數(shù)字化控制,是電氣傳動發(fā)展的主要趨勢。采用FPGA控制后,整個調(diào)速系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速加速、減速或正/反轉(zhuǎn)以及準確停止、在線調(diào)速等功能,操作維護方便

14、,電動機穩(wěn)態(tài)運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速精度可達到較高水平,各項指標均能較好地滿足高性能電氣傳動的要求。由于FPGA的外部連線少,電路簡單,便于控制,具有較佳的性能價格比,所以在工業(yè)過程及設(shè)備控制中得到日益廣泛的應(yīng)用。1.2課題研究的主要內(nèi)容設(shè)計提出基于FPGA在直流電機調(diào)速中的應(yīng)用，主要分析直流電機的結(jié)構(gòu)、主要技術(shù)參數(shù)、工作原理、調(diào)速原理以及正/反轉(zhuǎn)、啟/停原理。通過對直流電機控制的研究，掌握基于FPGA的直流電機PWM控制原理，學會應(yīng)用Verilog HDL語言進行編程；通過對本課題的研究,掌握EDA開發(fā)技術(shù)的編程方法，培養(yǎng)創(chuàng)新意識和理論聯(lián)系實際的學風。熟悉現(xiàn)代電子產(chǎn)品的設(shè)計流程。設(shè)計系統(tǒng)的總體框圖如圖1.

15、1所示。FPGA（CPU）鍵盤電路起振電路驅(qū)動電路路復(fù)位電路直流電機的運行狀態(tài)圖1.1 總體框圖2、設(shè)計總體方案選擇2.1主控芯片方案選擇51單片機I/O口有限，而FPGA的I/O多,可以方便連接外設(shè)。比如一個系統(tǒng)有多路AD、DA，51單片機要進行仔細的資源分配，總線隔離，而FPGA由于豐富的I/O資源,可以很容易用不同I/O資源連接各外設(shè)。51單片機程序是串行執(zhí)行的，執(zhí)行完一條才能執(zhí)行下一條，在處理突發(fā)事件時只能夠調(diào)用有限的中斷資源；而FPGA不同邏輯可以并行執(zhí)行,可以同時處理不同任務(wù)，這就導(dǎo)致了FPGA的工作效率更高。FPGA內(nèi)部集成鎖項環(huán),可以把外部時鐘倍頻,核心頻率可以到幾百M,而51

16、單片機運行速度低的多，在高速場合，51單片機無法代替FPGA。FPGA甚至包含51單片機和DSP軟核,并且I/O數(shù)僅受FPGA自身I/O限制，所以，F(xiàn)PGA又是51單片機和DSP的超集，也就是說，51單片機和DSP能實現(xiàn)的功能，F(xiàn)PGA都可以實現(xiàn)。與51單片機相比，F(xiàn)PGA運行速度快；管腳多，容易實現(xiàn)大規(guī)模系統(tǒng)；內(nèi)部程序并行運行，有處理更復(fù)雜功能的能力；擁有大量軟核，可以方便二次開發(fā)等優(yōu)點。因此采用FPGA來作為主控芯片。設(shè)計選用的芯片是Altera公司的MAX II系列的EPM240T100C5N芯片如圖3.1所示。圖2.1 主控芯片MAX II器件系列簡介Altera公司最新的MAX II

17、系列，有史以來成本最低的CPLD，結(jié)合了FPGA和CPLD的優(yōu)點，充分利用了4輸入LUT體系結(jié)構(gòu)的性能和密度優(yōu)勢，并且具有性價比較高的非易失性特性。用戶可以利用MAX II CPLD將大量控制邏輯集成在單個器件中，從而降低了系統(tǒng)成本。MAX II器件系列是一種非易失性、即用性可編程邏輯系列，它采用了一種突破性的新型CPLD架構(gòu)。這種新型架構(gòu)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，性能卻是其兩倍。這些超級性能是在提供了所有MAX系列CPLD先進特性的架構(gòu)的基礎(chǔ)上，根據(jù)Altera專家們的意見而重新采用基于查找表的架構(gòu)而得到的。這種基于查找表的架構(gòu)在最小的I/O焊盤約束

18、的空間內(nèi)提供了最多的邏輯容量。因此，MAX II CPLD是所有CPLD系列產(chǎn)品中成本最低、功耗最小和密度最高的器件。基于成本優(yōu)化的0.18微米6層金屬Flash工藝，MAX II器件系列具有CPLD所有的優(yōu)點，例如非易失性、即用性、易用性和快速傳輸延時性。以滿足通用性，低密度邏輯應(yīng)用為目標，MAX II器件成為接口橋接、I/O擴展、器件配置和上電順序等應(yīng)用最理想的解決方案。除這些典型的CPLD應(yīng)用之外，MAX II器件還能滿足大量從前在FPGA、ASSP和標準邏輯器件中實現(xiàn)的低密度可編程邏輯需求。MAX II器件提供的密度范圍從240到2210個邏輯單元（LE），最多達272個用戶I/O管腳

19、。主芯片采用ALTERA MAX II系列的EPM240T100C5N(相當于8650門CPLD，容量是以前的EPM7128的兩倍，并且可以燒寫至少10萬次以上)。MAX II CPLD體系結(jié)構(gòu)，在所有CPLD系列中單位I/O成本最低，功耗最低。MAX II運用了低功耗的工藝技術(shù)，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，性能增加了兩倍。標準JTAG下載口，防反插設(shè)計。可接ByteBlasterII和USB-Blaster下載電纜。EPM240T100C5N的芯片參數(shù)：宏單元數(shù):192，輸入/輸出線數(shù):80，傳播延遲時間:5.9ns，整體時鐘設(shè)定時間:2.7ns

20、，頻率:201.1MHz，電源電壓范圍:2.375V to 2.625V, 3V to 3.6V，工作溫度范圍:0C to +85C ，針腳數(shù):100，封裝類型:TQFP，工作溫度最低:0C，工作溫度最高:85C，邏輯芯片功能:CPLD,邏輯芯片基本號:EPM240T，可編程邏輯類型:CPLD ，輸入/輸出接口標準:LVTTL, LVCMOS, PCI。2.2驅(qū)動芯片方案選擇我們常用到的電機驅(qū)動芯片有ULN2003和L298N所示這兩款芯片。ULN2003驅(qū)動芯片如圖3.2所示是大電流驅(qū)動陣列,多用于單片機、智能儀表、PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電路中。可直接驅(qū)動繼電器等負載。 輸入5V TTL

21、電平，輸出可達500mA/50V。它還是高耐壓、大電流達林頓陳列,由七個硅NPN達林頓管組成并是一個非門電路，包含7個單元，但獨每個單元驅(qū)動電流最大可達350mA。其最大的優(yōu)點是具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點,適應(yīng)于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。經(jīng)常在電路中使用作為顯示驅(qū)動，繼電器驅(qū)動，照明燈驅(qū)動，電磁閥驅(qū)動，直流電機、步進電機驅(qū)動等等。圖3.2 ULN2003驅(qū)動芯片L298N如圖3.3是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率

22、25W。內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機和步進電動機、繼電器線圈等感性負載；采用標準邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動電機，該芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進電機或四相步進電機，也可以驅(qū)動兩臺直流電機。其特點具有信號指示，轉(zhuǎn)速可調(diào)，抗干擾能力強，可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn)，PWM脈寬平滑調(diào)速等等。圖3.3 L298N驅(qū)動芯片與ULN2003芯片相比，L298N芯片內(nèi)就集成有兩個H橋型電路，可直接實現(xiàn)對直流電機正反轉(zhuǎn)的控制

23、。而ULN2003芯片內(nèi)沒有集成H橋型電路，驅(qū)動能力較弱，oc門輸出高電平時，要上拉?；贚298N還具有具有過電壓和過電流保護并且還可以實現(xiàn)PWM脈寬平滑調(diào)速等優(yōu)點，所以選擇L298N作為設(shè)計直流電機的驅(qū)動芯片。2.3鍵盤電路方案選擇鍵盤（如圖3.4所示）電路有兩種類型，分別是獨立式鍵盤電路和矩陣式鍵盤電路。 圖a 獨立鍵盤 圖b 矩陣式鍵盤圖3.4 鍵盤獨立式鍵盤電路結(jié)構(gòu)簡單、操作方便，在目前這種結(jié)構(gòu)的鍵盤應(yīng)用還非常普遍。只是這種鍵盤電路的每個按鍵都要占用一根I/O口線，并且每個按鍵的工作都不會影響其他I/O口線的狀態(tài)。但隨著按鍵的增加將會使I/O口線不足。因此，這種鍵盤電路只有在按鍵比較

24、少的情況下比較適用。矩陣式鍵盤電路的按鍵設(shè)置在行線和列線的交叉點上，連接方法有多種，可直接連接于主控芯片的I/O口線，也可利用擴展的并行I/O口連接，還可利用可編程的鍵盤、顯示接口芯片進行連接。因此在有限的I/O口線上可以設(shè)置比較多的按鍵。只是這種鍵盤電路結(jié)構(gòu)、編程都比較復(fù)雜。設(shè)計用到的按鍵并不多，只要5個按鍵就可以了，這些按鍵用來分別控制電機的啟動，停止，正轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)，加速和減速。故設(shè)計的鍵盤電路選用獨立式鍵盤。2.4直流電機調(diào)速方案選擇直流電機的調(diào)速方法有：電樞回路串電阻調(diào)速，降低電源電壓調(diào)速，減弱磁通調(diào)速和PWM調(diào)速。電樞回路串電阻調(diào)速的特點：設(shè)備簡單，操作方便，但調(diào)速的平滑性差，靜差率大

25、，調(diào)速范圍小，轉(zhuǎn)速的相對穩(wěn)定性差，而且轉(zhuǎn)速越低，所串電阻越大，損耗越大，效率越低，故現(xiàn)在已極少采用。降低電源電壓調(diào)速的特點：電源電壓能夠平滑調(diào)節(jié)，可以實現(xiàn)無級調(diào)速，調(diào)速前后機械特性的斜率不變，硬度較高。負載變化時，速度穩(wěn)定性好，電能的損耗較小，但是需要一套電壓可連續(xù)調(diào)節(jié)的直流電源。減弱磁通調(diào)速的特點：由于在電流較小的勵磁回路中進行調(diào)節(jié)，因而控制方便，能量損耗小，設(shè)備簡單，而且調(diào)速平滑性好，經(jīng)濟性較好，但是機械特性的斜率變大，特性變軟，轉(zhuǎn)速的升高受到電機換向能力和機械強度的限制，因此升速范圍不可能很大。PWM調(diào)速就是所謂的脈沖寬度調(diào)制，是指用改變電機電樞電壓接通與斷開的時間的的占空比來控制電機轉(zhuǎn)

26、速的方法。設(shè)計主要是利用PWM調(diào)速的方法來控制直流電機的速度，其調(diào)速原理是，脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)。PWM控制技術(shù)以其控制簡單,靈活和動態(tài)響應(yīng)好的優(yōu)點而成為電力電子技術(shù)最廣泛應(yīng)用的控制方式,也是人們研究的熱點。脈沖寬度調(diào)制（PWM）是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。PWM信號仍然是數(shù)

27、字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無(OFF)。電壓或電流源是以一種通(ON)或斷(OFF)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用PWM進行編碼。PWM調(diào)速的方法又有幾種，其中主要調(diào)速方法有兩種，分別是改變驅(qū)動芯片使能端的電平和改變驅(qū)動芯片輸入端的電平來改變占空比，以此來改變直流電機的運行速度。如果通過改變輸入端的電平來調(diào)速，需要設(shè)置兩個輸入端口作為PWM端口，并且要分別對兩個端口進行電平的調(diào)節(jié)才能達到調(diào)速的目的。而通過改變使能端的電平來調(diào)速，只需設(shè)置該使

28、能端作為PWM端口就行了，并且只對這個使能端口進行電平調(diào)節(jié)就可以實現(xiàn)調(diào)速，從而在降低了設(shè)計的復(fù)雜性，簡化了程序。因此，設(shè)計的PWM調(diào)速是采用通過改變驅(qū)動芯片使能端電平來實現(xiàn)調(diào)速。3、直流電機介紹3.1直流電機的特點圖3.1 直流電機圖直流電機（如圖2.1）具有良好的調(diào)速性能和啟動性能，具有寬廣的調(diào)速范圍，平滑的無級調(diào)速特性，可實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)；過載能力大，能承受頻繁的沖擊負載；能滿足自動化生產(chǎn)系統(tǒng)中各種特殊運行的要求。但直流電機也有它顯著的缺點：一是制造工藝復(fù)雜，消耗有色金屬較多，生產(chǎn)成本高；二是運行的時候由于電刷與換向器之間容易產(chǎn)生火花，所以可靠性比較差，維護比較困難。所以

29、在一些對調(diào)速性能要求不高的領(lǐng)域中己被交流變頻調(diào)速系統(tǒng)所取代。但是在某些要求調(diào)速范圍大、快速性高、精密度好、控制性能優(yōu)異的場合，直流電動機的應(yīng)用目前仍然占有較大的比重。3.2直流電機的基本結(jié)構(gòu)直流電機是由靜止的定子和轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)子兩大部分組成，在定子和轉(zhuǎn)子之間存在一個間隙，稱做氣隙。定子的作用是產(chǎn)生磁場和支撐電機，它主要包括主磁極、換向磁極、機座、電刷裝置、端蓋等。轉(zhuǎn)子的作用是產(chǎn)生感應(yīng)電動勢和電磁轉(zhuǎn)矩，實現(xiàn)機電能量的轉(zhuǎn)換，通常也稱做電樞。它主要包括電樞鐵心、電樞繞組以及換向器、轉(zhuǎn)軸、風扇等。其原理圖如圖2.2所示 圖3.2 直流電機原理圖3.2.1定子部分定子部分包括機座、主磁極、換向極和電刷裝置等

30、。1、機座機座有兩個作用，一是作為電機磁路系統(tǒng)中的一部分，二是用來固定主磁極、換向極及端蓋等，起機械支承的作用。因此要求機座有好的導(dǎo)磁性能及足夠的機械強度和剛座，機座通常用鑄鋼或厚鋼板焊成。2、主磁極在大多數(shù)直流電機中，主磁極是電磁鐵，如圖2.1的N、S就是主磁極，主磁極鐵芯用11.5mm厚的低碳鋼板疊加而成，整個磁級用螺釘固定在機座上。主磁極的作用是在定轉(zhuǎn)子之間的氣隙中建立磁場，使電樞繞組在此磁場的作用下感應(yīng)電動勢和產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。3、換向極換向極又稱附加極或間極，其作用是以改善換向。換向極裝在相鄰兩主磁極N、S之間，由鐵心和繞組構(gòu)成。鐵芯一般用整塊鋼或鋼板加工而成。換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)。

31、4、電刷裝置在圖2.2中，A、B表示電刷。它的作用是把轉(zhuǎn)動的電樞繞組與靜止的外電路相連接，并與換向器相配合，起到整流或逆變器的作用。3.2.2轉(zhuǎn)子部分直流電機的轉(zhuǎn)子稱為電樞，包括電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、風扇、軸和軸承等。1、電樞鐵芯電樞鐵芯是電機主磁路的一部分，且用來嵌放電樞繞組。為了減少電樞旋轉(zhuǎn)時電樞鐵芯中因磁通變化而引起的磁滯及渦流損耗，電樞鐵心通常用0.5mm厚的兩面涂有絕緣漆的硅鋼片疊加而成。2、電樞繞組電樞繞組是由許多按一定規(guī)律連接的線圈組成，它是直流電機的主要電路部分，也是通過電流和感應(yīng)電動勢，從而實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。線圈用包有絕緣的導(dǎo)線繞制而成，嵌放在電樞槽中。每個線

32、圈（也稱元件）有兩個出線端，分別接到換向器的兩個換向片上。所有線圈按一定規(guī)律連接成一閉合回路。3、換向器換向器也是直流電機的重要部件。在直流電動機中，它將電刷上的直流電流轉(zhuǎn)換成繞組內(nèi)的交流電流；在直流發(fā)電機中，它將繞組內(nèi)的交流電動勢轉(zhuǎn)換成電刷端上的直流電動勢。換向器由許多換向片組成，每片之間相互絕緣。換向片數(shù)與線圈元件數(shù)相同。3.3直流電機的工作原理直流電機的工作原理建立在電磁力和電磁感應(yīng)的基礎(chǔ)上，把電刷A、B接到一直流電源上，電刷A接到電源正極，電刷B接電源的負極，此時在線圈abcd中將有電流流過。在N極范圍內(nèi)的導(dǎo)體ab中的電流是從a流向b，在S極范圍內(nèi)的導(dǎo)體cd中的電流是從c流向d。因為載

33、流導(dǎo)體在磁場中要受到電磁力的作用，因此，ab和cd兩導(dǎo)體都要受到電磁力F的作用。根據(jù)磁場方向和導(dǎo)體中的電流方向，利用電動機左手定則判斷，ab邊受力的方向是向左，而cd邊則是向右。由于磁場是均勻的，導(dǎo)體中流過的又是相同的電流，所以，ab邊和cd邊所受電磁力的大小相等。這樣，線圈上就受到了電磁力的作用而按逆時針方向轉(zhuǎn)動了。當線圈轉(zhuǎn)到磁極的中性面上時，線圈中的電流等于零，電磁力等于零，但是由于慣性的作用，線圈繼續(xù)轉(zhuǎn)動。線圈轉(zhuǎn)過半周之后，雖然ab與cd的位置調(diào)換了，ab邊轉(zhuǎn)到S極范圍內(nèi)，cd邊轉(zhuǎn)到N極范圍內(nèi)，但是，由于換向片和電刷的作用，轉(zhuǎn)到N極下的cd邊中電流方向也變了，是從d流向c，在S極下的ab

34、邊中的電流則是從b流向a。因此，電磁力Fdc的方向仍然不變，線圈仍然受力按逆時針方向轉(zhuǎn)動。可見，分別處在N、S極范圍內(nèi)的導(dǎo)體中的電流方向總是不變的，因此，線圈兩個邊的受力方向也不變，這樣，線圈就可以按照受力方向不停的旋轉(zhuǎn)了，這就是直流電機的工作原理。3.4直流電機主要技術(shù)參數(shù)為了使電機安全可靠地工作，且保持優(yōu)良的運行性能，電機廠家根據(jù)國家標準及電機的設(shè)計數(shù)據(jù)，對每臺電機在運行中的電壓，電流，功率，轉(zhuǎn)速等規(guī)定了保證值，這些保證值就是直流電機的主要技術(shù)參數(shù)，直流電機的主要技術(shù)參數(shù)有：直流電機的轉(zhuǎn)速，是指電機實際轉(zhuǎn)動的速度n； n =（Ua-IR）/Ce （2.1）式2.1中Ua為電樞電動勢，Ce為

35、電動勢常數(shù)，是磁通量。額定功率（容量）PN，是指電刷輸出的電功率，單位為kW； PN=UNIN （2.2）式2.2中，額定電壓UN，指額定狀態(tài)下電樞出線端的電壓，單位為V；額定電流IN，指電機在額定電壓、額定功率時的電樞電流值，單位為A；額定轉(zhuǎn)速N，指額定狀態(tài)下運行時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，單位為r/min； N =PN/UNIN （2.3）實際中，直流PWM-M調(diào)速系統(tǒng)近年來發(fā)展很快，直流PWM-M調(diào)速系統(tǒng)采用全控型電力電子器件，調(diào)制頻率高，與晶閘管直流調(diào)速系統(tǒng)相比動態(tài)響應(yīng)速度快，電動機轉(zhuǎn)矩平穩(wěn)脈動小，有很大的優(yōu)越性，因此在小功率調(diào)速系統(tǒng)和伺服系統(tǒng)中的應(yīng)用越來越廣泛。本系統(tǒng)主要介紹雙極式直流PWM-M可

36、逆調(diào)速系統(tǒng)。它在原來直流PWM-M的系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器ASR和電流調(diào)節(jié)器ACR，ASR和ACR都采用帶輸出限幅的PI調(diào)節(jié)器。調(diào)節(jié)器參數(shù)取值見表3.1。仿真模型如圖3.3所示表3.1 直流PWM可逆系統(tǒng)調(diào)節(jié)器參數(shù)參數(shù)ASRACR放大倍數(shù)積分時間常數(shù)調(diào)節(jié)器輸出限幅轉(zhuǎn)速反饋數(shù)電流反饋系數(shù)圖3.3 直流PWM-M可逆調(diào)速系統(tǒng)仿真模型仿真結(jié)果如圖3.4所示，從圖中可以看到系統(tǒng)從正轉(zhuǎn)起動至反轉(zhuǎn)運行過程中，轉(zhuǎn)速（見圖3.4a）和電樞電流（見圖3.4b）對轉(zhuǎn)速給定的響應(yīng)波形。在仿真中取電流過載倍數(shù)，因此電動機的正轉(zhuǎn)起動和制動、反轉(zhuǎn)起動過程中始終保持著最大電流12A左右。在正反轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)速達到額定值2400

37、r/min后，電流下降4A左右。圖3.4c為轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)輸出，即電流的給定信號，圖3.4d電流調(diào)節(jié)器的輸出信號Uct。 圖3.4a 電動機轉(zhuǎn)速 圖3.4b 電動機電樞電流 圖3.4c 電流給定 圖3.4d 電流調(diào)節(jié)器輸出圖3.4 直流PWM可逆系統(tǒng)仿真結(jié)果4、硬件電路設(shè)計4.1整流穩(wěn)壓電路圖4.1 整流穩(wěn)壓電路整流穩(wěn)壓電路（如圖4.1所示）是由二極管、電容、電阻和集成穩(wěn)壓器等電子元器件構(gòu)成。二極管是一個由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體形成的PN結(jié)，在其交界面兩側(cè)形成空間電荷層，并建有自建電場。當一存在外加電壓時，由于PN結(jié)兩邊載流子濃度差產(chǎn)生擴散電流和自建電場所引起的漂移電流相等而處于電平衡狀態(tài)。當外界有

38、正向電壓偏置時，外界電場和自建電場的互相抑制作用使載流子的擴散電流增大引起正向電流。當外界有反向電壓偏置時，外界電場和自建電場進一步加強，形成在一定反向電壓范圍內(nèi)與反向偏置電壓值無關(guān)的反向飽和電流。當外加的反向電壓調(diào)到一定程度時，PN結(jié)空間電荷層中的電場強度達到臨界值而產(chǎn)生載流子的倍增過程，進而產(chǎn)生大量電子空對，由此產(chǎn)生了數(shù)值很大的反向擊穿電流。二極管最重要的特性就是單向?qū)щ娦裕陔娐分?，電流只能從二極管的正極流入，負極流出。電容是表現(xiàn)電容器容納電荷本領(lǐng)的物理量，是一種無源元件。應(yīng)用于電源電路，實現(xiàn)旁路、去耦、濾波和儲能作用。應(yīng)用于信號電路，主要完成耦合、振蕩、同步及時間常數(shù)的作用。本電路主要

39、介紹電容的濾波作用，從理論上說，電容越大，阻抗越小，通過的頻率也越高。但實際上超過1uF的電容大多為電解電容，有很大的電感成分，所經(jīng)頻率高了反而阻抗會增大。有時會看到電容量較大的電解電容并聯(lián)了一個小電容，這時大電容通低頻，小電容通高頻。電容的作用就是通高頻阻低頻。電容越大低頻越容易通過，電容越小高頻越容易通過。電容濾波實際上就是電容的充電和放電過程。集成穩(wěn)壓器一般有三個端子：輸入端、輸出端和公共端。輸入端接整流濾波電路，輸出端接負載，公共端接輸入、輸出的公共連接點。其內(nèi)部由采、基準、放大、調(diào)整和保護等電路組成。保護電路具有過流、過熱及短路保護功能。整流穩(wěn)壓電路的主要功能是：輸入220V的交流電

40、通過變壓器變壓得到12V的交流電，12V的交流電通過四個整流二極管構(gòu)成橋式整流電路，輸出12V的直流電，但此時的直流還是含有交流成份，通過大電容濾波和小電容改善電壓波紋得到較好的12V直流電供給電機和驅(qū)動芯片L298N使用，12V直流電通過7805穩(wěn)壓器穩(wěn)壓和電容濾波得到5V的直流電供給驅(qū)動芯片L298N的控制電壓Vss，5V直流電再通過穩(wěn)壓器ASM1117_3.3V穩(wěn)壓得到3.3V的直流電供給主控芯片正常工作。4.2起振電路起振電路（如圖4.2所示）主要由晶體振蕩器組成，簡稱晶振。在電氣上它可以等效成一個電容和一個電阻并聯(lián)再串聯(lián)一個電容的二端網(wǎng)絡(luò)，電工學上這個網(wǎng)絡(luò)有兩個諧振點，以頻率的高低分

41、其中較低的頻率是串聯(lián)諧振，較高的頻率是并聯(lián)諧振。由于晶體自身的特性致使這兩個頻率的距離相當?shù)慕咏?，在這個極窄的頻率范圍內(nèi)，晶振等效為一個電感，所以只要晶振的兩端并聯(lián)上合適的電容它就會組成并聯(lián)諧振電路。這個并聯(lián)諧振電路加到一個負反饋電路中就可以構(gòu)成正弦波振蕩電路，由于晶振等效為電感的頻率范圍很窄，所以即使其他元件的參數(shù)變化很大，這個振蕩器的頻率也不會有很大的變化。晶振有一個重要的參數(shù)，那就是負載電容值，選擇與負載電容值相等的并聯(lián)電容，就可以得到晶振標稱的諧振頻率。 圖4.2 起振電路主控芯片系統(tǒng)里都有晶振，系統(tǒng)里晶振作用非常大，它的全稱叫晶體振蕩器，它結(jié)合主控芯片內(nèi)部電路產(chǎn)生所需的時鐘頻率，晶振

42、時鐘頻率越高，其運行的速度就越快，比如 ，12M晶振，其工作速度就是每秒 12M。和電腦的 CPU概念一樣。主控芯片的一切指令的執(zhí)行都是建立在晶振提供的時鐘頻率。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對精度可達百萬分之五十，高級的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍內(nèi)調(diào)整頻率，稱為壓控振蕩器。晶振用一種能把電能和機械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。因此晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號。通常一個系統(tǒng)共用一個晶振，便于各部分保同步，有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調(diào)速頻率的方法保持同步。4.3復(fù)位電路復(fù)位電路（如圖4.3所示）主要有一個按鍵

43、開關(guān)和一個電阻構(gòu)成。在上電或復(fù)位過程中，控制CPU的復(fù)位狀態(tài)：這段時間內(nèi)讓CPU保持復(fù)位狀態(tài)，而不是一上電或剛復(fù)位完畢就工作，防止CPU發(fā)出錯誤的指令、執(zhí)行錯誤操作，也可以提高電磁兼容性能。無論用戶使用哪種類型的主控芯片,總要涉及到復(fù)位電路的設(shè)計。而復(fù)位電路設(shè)計的好壞，直接影響到整個系統(tǒng)工作的可靠性。本設(shè)計主要通過手動按鈕復(fù)位，把電平給拉低。當系統(tǒng)出現(xiàn)“死機”、“程序跑飛”或“卡住”等等，按下復(fù)位按鈕可以使系統(tǒng)重新開始，回到最初的運行的狀態(tài)。圖4.3 復(fù)位電路4.4鍵盤電路圖4.4 鍵盤電路本設(shè)計系統(tǒng)的命令輸入模塊是鍵盤電路（如圖4.4所示）和時鐘電路，通過以按鍵的方式向FPGA控制系統(tǒng)表達人

44、的命令來實現(xiàn)直流電機的啟動、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止和加減速，實現(xiàn)人機互換。SW1是電機的開啟鍵或停止鍵，就是當SW1鍵一開始按下，直流電機就開始啟動工作，再按一次SW1鍵，直流電機就停止運行。SW2鍵和SW3鍵分別是直流電機正轉(zhuǎn)鍵和反轉(zhuǎn)鍵。SW4鍵和SW5鍵分別是直流電機的加速鍵和減速鍵。例如，當直流電機正在工作時，當按下時SW4鍵時，直流電機的轉(zhuǎn)速將會增加一點，每按一次SW4加速鍵，直流電機的轉(zhuǎn)速都會增加一點，直到轉(zhuǎn)速達到最大為止。同理，在直流電機工作時，每按一次SW5減速鍵，直流電機的轉(zhuǎn)速都會減少點，一直到轉(zhuǎn)速減到零為止。在鍵盤電路設(shè)計中，需要解決按鍵抖動的問題。多數(shù)鍵盤的按鍵均采用機械彈性開關(guān)

45、，一個電信號通過機械觸點的斷開、閉合過程，完成高低電平的切換。由于機械觸點的彈性作用，一個按鍵開關(guān)在閉合和斷開的瞬間必然伴隨一連串的抖動。為了排除抖動的影響，在按鍵和輸出端并上一個電阻并把電拉高。4.5直流電機驅(qū)動電路設(shè)計的驅(qū)動電路（如圖4.5所示）可以驅(qū)動兩個直流電機的，由于本設(shè)計只用一個直流電機，所以就畫了一組。通過程序來控制輸入端in1、in2、EN_A的電平高低來控制輸出端out1和out2電平的變化來控制直流電機的啟動、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)。圖4.5 驅(qū)動電路由于驅(qū)動芯片L298N內(nèi)部本身就集成了2個H型全橋驅(qū)動電路來控制直流電機的正反轉(zhuǎn)，其H型全橋驅(qū)動電路（如圖4.6）和工作原理如下：

46、圖4.6 H型全橋驅(qū)動電路H型全橋式驅(qū)動電路的4只三極管都工作在斬波狀態(tài)，Q1、Q4為一組，Q2、Q3為另一組，兩組的狀態(tài)互補，一組導(dǎo)通則另一組必須關(guān)斷。當Q1、Q4導(dǎo)通時，Q2、Q3關(guān)斷，電機兩端加正向電壓，可以實現(xiàn)電機的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動；當Q2、Q3導(dǎo)通時，Q1、Q4關(guān)斷，電機兩端為反向電壓，電機反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動。在直流電機運轉(zhuǎn)的過程中，我們要不斷地使電機在四個象限之間切換，即在正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)之間切換，也就是在Q1、Q4導(dǎo)通且Q2、Q3關(guān)斷，到Q1、Q4關(guān)斷且Q2、Q3導(dǎo)通，這兩種狀態(tài)之間換。L298N驅(qū)動芯片對直流電機控制的邏輯真值表如表4.1所示：表4.1 L298N的邏輯真值表EN_Ain1

47、in2動行狀態(tài)0XX停止110正轉(zhuǎn)101反轉(zhuǎn)111剎停100停止對于直流電機的加減速，設(shè)計采用PWM調(diào)速。硬件電路上，本設(shè)計主控芯片第15腳，16腳和17腳的I/O口分別接到L298N驅(qū)動芯片的in1，in2和EN_A中，通過改變主控芯片第15，16腳的I/O口上的高低電平變化以控制直流電機的方向，通過改變第17腳I/O口上的高低電平的占空比來控制直流電機的轉(zhuǎn)速。4.5總電路原理圖及實物圖設(shè)計的總的電路原理圖和實物圖分別如圖4.7和圖4.8所示。圖4.7 原理圖圖4.8 實物圖5、軟件設(shè)計 5.1控制邏輯Verilog HDL描述硬件描述語言（HDL）是EDA技術(shù)的重要組成部分，常見的HDL主

48、要有VHDL、Verilog HDL、ABEL、AHDL、SystemVerilog和SystemC。其中VHDL、Verilog HDL在現(xiàn)在的EDA設(shè)計中使用最好，也獲得了幾乎所有主流EDA工具的支持。VHDL語言具有很強的電路描述和建模能力，能從多個層次對數(shù)字系統(tǒng)進行建模和描述，從而大大簡化硬件設(shè)計任務(wù)，提高設(shè)計效率和可靠性。VHDL具有與具體硬件電路無關(guān)和與設(shè)計平臺無關(guān)的特性，并且具有良好的行為描述和系統(tǒng)描述的能力，并在語言易讀性和層次化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計方面表現(xiàn)出了強大的生命力和應(yīng)用潛力。用VHDL進行電子系統(tǒng)設(shè)計的一個很大的優(yōu)點是設(shè)計者可以專心致力于其工能的實現(xiàn)，而不需要對不影響功能的、

49、與工藝有關(guān)的因素花費過多的時間和精力。Verilog HDL是一種硬件描述語言，用于從算法級、門級到開頭的多種抽象設(shè)計層次的數(shù)字建模。被建模的數(shù)字系統(tǒng)對象的復(fù)雜性可以介于簡單的門和完整的電子數(shù)字系統(tǒng)之間。數(shù)字系統(tǒng)能夠按層次描述，并可在相同描述中顯示地進行時序建模。其語言具有下述描述能力：設(shè)計的行為特性、設(shè)計的數(shù)據(jù)流特性、設(shè)計的結(jié)構(gòu)組成以及包含響應(yīng)監(jiān)控和設(shè)計驗證方面的時延和波形產(chǎn)生機制。所有這些都使用同一種建模語言。此外，其語言提供了編程語言接口，通過該接口可以在模擬、驗證期間從事外部訪問設(shè)計，包括模擬的具體控制和運行。Verilog HDL語言不僅定義了語法，而且對每個結(jié)構(gòu)都定義了清晰的模擬、

50、仿真語義。因此，用這種語言編寫的模型能夠使用Verilog仿真器進行驗證。Verilog HDL語言從C編程語言中繼承了多種操作符和結(jié)構(gòu)，其語言的核心子集非常易于學習和使用。與VHDL言語相比，Verilog HDL語言獲得了較多的第三方工具的支持，語法結(jié)構(gòu)比較簡單，學起來也比較容易，功能非常強大。因此使用此語言設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)是一種趨勢，大到復(fù)雜的CPU，小到一些簡單的邏輯門，并且它非常類似于C語言，非常靈活，易學易用。所以設(shè)計采用Verilog HDL作為編程的硬件語言。Verilog HDL硬件語言的主要功能如下：基本邏輯門，例如and 、or 和nand等都內(nèi)置在語言中；開關(guān)級基本結(jié)構(gòu)模型

51、，例如pmos和nmos等也被內(nèi)置在語言中；可采用三種不同方式或混合方式對設(shè)計建模。這些方式包括：行為描述方式使用過程化。 結(jié)構(gòu)建模；數(shù)據(jù)流方式使用連續(xù)賦值語句方式建模；結(jié)構(gòu)化方式使用門和模塊實例語句描述建模。Verilog HDL中有兩類數(shù)據(jù)類型：線網(wǎng)數(shù)據(jù)類型和寄存器數(shù)據(jù)類型。線網(wǎng)類型表示構(gòu)件間的物理連線，而寄存器類型表示抽象的數(shù)據(jù)存儲元件。能夠描述層次設(shè)計，可使用模塊實例結(jié)構(gòu)描述任何層次。 設(shè)計的規(guī)?？梢允侨我獾?；語言不對設(shè)計的規(guī)模（大?。┦┘尤魏蜗拗?。Verilog HDL不再是某些公司的專有語言而是I E E E標準。 人和機器都可閱讀Verilog語言，因此它可作為E D A 的工具

52、和設(shè)計者之間的交互語言。 設(shè)計能夠在多個層次上加以描述，從開關(guān)級、門級、寄存器傳送級（RTL）到算法級。 能夠使用內(nèi)置開關(guān)級原語在開關(guān)級對設(shè)計完整建模。 同一語言可用于生成模擬激勵和指定測試的驗證約束條件，例如輸入值的指定。 Verilog HDL 能夠監(jiān)控模擬驗證的執(zhí)行，即模擬驗證執(zhí)行過程中設(shè)計的值能夠被監(jiān)控和顯示。這些值也能夠用于與期望值比較，在不匹配的情況下，打印報告消息。 在行為級描述中，Verilog HDL不僅能夠在RTL級上進行設(shè)計描述，而且能夠在體系結(jié)構(gòu)級描述及其算法級行為上進行設(shè)計描述。 還能夠使用門和模塊實例化語句在結(jié)構(gòu)級進行結(jié)構(gòu)描述。 對高級編程語言結(jié)構(gòu)，例如條件語句、情

53、況語句和循環(huán)語句，語言中都可以使用。5.2 FPGA開發(fā)環(huán)境的介紹Quartus II是Altera提供的FPGA/CPLD集成開發(fā)環(huán)境。Altera是世界上最大的可編程邏輯器件供應(yīng)商之一。Quartus II在21世紀初推出，是Altera前一代FPGA/CPLD集成開發(fā)環(huán)境MAX+plus II的更新?lián)Q代產(chǎn)品，其界面友好，使用便捷。在Quartus II上可以完成設(shè)計數(shù)字系統(tǒng)的整個流程，它提供了一種與結(jié)構(gòu)無關(guān)的設(shè)計環(huán)境，使設(shè)計者能方便地進行設(shè)計輸入、綜合、適配和器件編程。Altera的Quartus II設(shè)計工具完全支持VHDL和Verilog HDL，其內(nèi)部嵌有VHDL、Verilog

54、HDL邏輯綜合器。FPGA的開發(fā)流程如圖5.1所示。設(shè)計輸入綜合適配時序分析仿真約束下載 圖5.1 FPGA開發(fā)流程圖5.3建立工程項目本設(shè)計主要用到Quartus II軟件進行編程、仿真和下載。通過仿真，能迅速定位電路系統(tǒng)的錯誤所在，并隨時糾正。能對設(shè)計方案作隨時更改，并儲存設(shè)計過程中所有電路和測試文件。將不會有任何器件損壞和損耗，符合現(xiàn)代電子設(shè)計技術(shù)規(guī)范。下面介紹基本的設(shè)計步驟：（1）雙擊桌面上的Quartus II圖標，打開Quartus II軟件。也可以通過“開始程序AlteraQuartus II”打開。（2）選擇“FileNew Project Wizard.”打開對話框后，在對話

55、框中選擇“Next” 。（3）單擊“Next”選擇編輯工程位置、工程名稱和頂層模塊名稱，見圖5.2圖5.2 選擇編輯工程（4）連續(xù)單擊兩次“Next”選擇器件類型，界面見圖5.3圖5.3選擇器件類型（5）選擇好器件，繼續(xù)單擊“Next”后出現(xiàn)項目匯總信息，然后點擊Finish。（6）選擇“FileNew”打開新建文件類型選擇窗口，選擇編程語言Verilog HDL File界面見圖5.4圖5.4 選擇編程語言（7）單擊“OK”，至此，工程項目才算是完全建好，我們可以在新建的工程上編寫程序，仿真和下載程序。但有一點要非常注意，在寫編寫程序的過程中，module后面所定義的文件一定要保持與之前新建

56、的文件名一致，否則在編譯的過程中會出現(xiàn)錯誤。除此之外，還可以在此軟件上建模，選擇“FileNew”打開新建文件類型選擇窗口，選擇Block Symbol File進行建模，界面見圖5.5圖5.5 選擇建模5.4直流電機控制仿真圖在編寫程序，設(shè)計設(shè)置了7個輸入端口和3個輸出端口。7個輸入端口中包括1個固定脈沖輸入和6個按鍵輸入rst,start,zheng,fan,jia,jian。分別代表復(fù)位鍵，啟停鍵，正轉(zhuǎn)鍵，反轉(zhuǎn)鍵，加速鍵和減速鍵。輸出端口out1,out2和out3分別連接到L298N驅(qū)動芯片的第5、7、6腳，即in1,in2和EN_A。通過對輸入端口的控制來反應(yīng)輸出端口值的變化，以達到

57、控制電機的目的。 直流電機啟動及停止控制仿真當啟停鍵按下時，直流電機啟動運行，再次按下時，直流電機停止運行，其仿真結(jié)果如圖5.5所示。當啟停鍵start為高電平1時，輸出端口out1,out2和out3的電平為101，當啟停鍵為低電平0時，輸出端口out1,out2和out3的電平為001，完全符合L298N驅(qū)動直流電機啟動和停止運行狀態(tài)的邏輯真值表。圖5.5 直流電機啟動仿真圖 直流電機正轉(zhuǎn)控制仿真當正轉(zhuǎn)鍵按下時，其仿真結(jié)果如圖5.6所示。此時， zheng為高電平1代表正轉(zhuǎn)鍵已按下，輸出端口out1,out2和out3的電平為101，符合L298N驅(qū)動直流電機正轉(zhuǎn)運行狀態(tài)的邏輯真值表，此時

58、直流電機正轉(zhuǎn)運行。圖5.6 直流電機正轉(zhuǎn)仿真圖 直流電機反轉(zhuǎn)控制仿真當反轉(zhuǎn)鍵按下時，其仿真結(jié)果如圖5.7所示。此時，fan為高電平1，代表反轉(zhuǎn)鍵已按下，輸出端口out1,out2和out3的電平為011，符合L298N驅(qū)動直流電機反轉(zhuǎn)運行狀態(tài)的邏輯真值表，此時直流電機反轉(zhuǎn)運行。圖5.7 直流電機反轉(zhuǎn)仿真圖5.5仿真圖分析利用Quartus II軟件，使用Verilog HDL語言編寫的程序，經(jīng)過程序仿真得出仿真結(jié)果與L298N驅(qū)動芯片控制直流電機的邏輯真值表即表4.5一致。由于本設(shè)計的程序編寫是根據(jù)L298N驅(qū)動芯片控制直流電機的邏輯真值來編寫，所以在控制直流電機的加減速時不能仿真出來。但是通

59、過另外一個程序可以把直流電機的PWM調(diào)速仿真出來，該程序主要是通過改變直流電機電樞電壓接通與斷開時間的比來控制直流電機轉(zhuǎn)速。圖5.10、圖5.11和5.12分別為占空比為20%、50%和80%的PWM調(diào)速仿真圖。其中start、z_f、pwm、z和f分別代表電機的啟停開關(guān)、正反轉(zhuǎn)開關(guān)、PWM調(diào)節(jié)器、正轉(zhuǎn)輸出和反轉(zhuǎn)輸出。圖5.10 占空比為20%的仿真圖圖5.11 占空比為50%的仿真圖圖5.12 占空比為80%的仿真圖設(shè)計主要通過編寫程序以周期的5%調(diào)節(jié)占空比來控制直流電機調(diào)速，直到直流電機的速度達到最大或為零。5.6總設(shè)計流程 設(shè)計的總流程主要通過鍵值的變化來反應(yīng)直流電機的運行狀態(tài)，如圖5.

60、13所示。開始系統(tǒng)初始化啟停鍵是否按下電機啟動運行正/反轉(zhuǎn)鍵是否按下電機正/反轉(zhuǎn)運行加/減速鍵是否按下電機加/減速運行啟停鍵是否按下電機停止運行結(jié)束NNNNYYYY圖5.13 系統(tǒng)總流程圖6、實物調(diào)試設(shè)計采用的電機是一般小型的直流電機，其參考電壓為3到18伏，參考電流為500到1600毫安。在直流電機的驅(qū)動模塊做好后，就進行實物調(diào)試。由于L298N驅(qū)動電路正常工作電壓VCC在2.5到16伏之間，控制電壓Vss在4.5到7伏之間，一般取5伏。剛開始，給L298N驅(qū)動模塊提供一個給定5伏的電壓，發(fā)現(xiàn)所給的電壓太小了，根本就驅(qū)動不了直流電機。隨著給定電壓提高到6伏左右，驅(qū)動模塊可以驅(qū)動直流電機運行了