【正文】 數(shù)據(jù)描述的語言。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 20 頁 共 37 頁 電源電路 本章小結(jié) 本章介紹了系統(tǒng)整個電路的設(shè)計(jì)組成，詳細(xì)描述了系統(tǒng)是如何工作的。 。 電源電路的設(shè)計(jì)由于電機(jī)在正常工作時對電源的干擾很大，如果只用一組電源時會影響系統(tǒng)的正常工作，所以我們選用雙電源供電。目前市場上有很多種電機(jī)驅(qū)動的集成電路，效率高，電路簡單，使用也比較廣泛但是其驅(qū)動方法大多與全橋式驅(qū)動一樣。這個關(guān)斷時間由軟件延時實(shí)現(xiàn)。通過軟件實(shí)現(xiàn)死區(qū)時間，就是在突然換向的時候，插入一個延時的環(huán)節(jié)，待開關(guān)管關(guān)斷之后，再開通應(yīng)該開通的開關(guān)管。如果開關(guān)管的開通和關(guān)斷時間非常小，或者在硬件電路中增加延時環(huán)節(jié)，都可以降低開關(guān)管的損耗和發(fā)熱。由于現(xiàn)在的許多集成驅(qū)動芯片內(nèi)部已經(jīng)內(nèi)置了死區(qū)保護(hù)（如LMD18200），這里主要介紹的是利用開關(guān)管等分立元件以及沒有死區(qū)保護(hù)的集成芯片制作驅(qū)動電路時增加死區(qū)的方法。 從前面的分析可知，H型全橋式驅(qū)動電路中，由于開關(guān)管有開通和關(guān)斷時間，因此存在上下橋臂直通短路的問題。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 19 頁 共 37 頁 c) 直流電機(jī)使用的電源電壓不高，因此開關(guān)管的飽和壓降應(yīng)該盡量低 在實(shí)際制作中，我們可選用大功率達(dá)林頓管TIP122或場效應(yīng)管IRF530效果都還不錯。開關(guān)管的選擇對驅(qū)動電路的影響很大，開關(guān)管的選擇宜遵循以下原則： a） 由于驅(qū)動電路是功率輸出，要求開關(guān)管輸出功率較大 。 驅(qū)動電流不僅可以通過主開關(guān)管流通，而且還可以通過續(xù)流二極管流通。在這種情況下，理論上要求兩組控制信號完全互補(bǔ)，但是，由于實(shí)際的開關(guān)器件都存在開通和關(guān)斷時間，絕對的互補(bǔ)控制邏輯必然導(dǎo)致上下橋臂直通短路，比如在上橋臂關(guān)斷的過程中，下橋臂導(dǎo)通了[11]。當(dāng)VV4導(dǎo)通時，VV3關(guān)斷，電機(jī)兩端加正向電壓，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動；當(dāng)VV3導(dǎo)通時，VV4關(guān)斷，電機(jī)兩端為反向電壓，電機(jī)反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動。 D觸發(fā)器接成二分頻 H型橋式驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 直流電機(jī)驅(qū)動電路使用最廣泛的就是H型全橋式驅(qū)動電路，這種驅(qū)動電路可以很 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 18 頁 共 37 頁方便實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的四象限運(yùn)行，分別對應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動。HO12系列的有源晶振采用TTL/HCMOS技術(shù)，頻率范圍是1000Hz1000MHz，這里我們采用的是100MHz的有源晶振。一個是50MHz的有源晶振作為時鐘信號源輸入，主要用于輸入大的時鐘信號，為波形發(fā)生器提供基準(zhǔn)的時鐘脈沖輸入。它能為FPGA提供時鐘脈沖信號。在CLK0和CLK2的共同作用下，系統(tǒng)進(jìn)行工作。在該電路中，1腳懸空，2腳接地，3腳接輸出，4腳接電源。同理，當(dāng)觸點(diǎn)K斷開時，由于電容C經(jīng)過R2充電，C兩端的充電電壓波動不會超過非門的關(guān)閉電壓，因此，非門的輸出也不會改變，從而達(dá)到防抖動的效果[9]。當(dāng)鍵SB1按下時，由于C兩端電壓不可能產(chǎn)生突變。為了排除抖動的影響，在按鍵和輸出端并上一個電阻、一個電容。多數(shù)鍵盤的按鍵均采用機(jī)械彈性開關(guān)，一個電信號通過機(jī)械觸點(diǎn)的斷開、閉合過程，完成高低電平的切換。其中一個按鈕按下去時其對應(yīng)的輸出端口在非門的作用下由低電平變?yōu)楦唠娖?，從而啟動相?yīng)的功能[8]。其4個功能鍵SB1，SB4連線分別接在FPGA控制系統(tǒng)的4個端口上，并分別往上各引一條接線串一個1KΩ的上拉電阻接在+5V電源上。這種帶中斷式的鍵盤電路現(xiàn)在應(yīng)用已經(jīng)相當(dāng)?shù)钠毡椤Ｔ阪I盤電路中往往可以與一個與非門電路構(gòu)成帶中斷的鍵盤電路。另一種鍵盤電路是矩陣式鍵盤電路，這種鍵盤電路的按鍵設(shè)置在行線和列線的交叉點(diǎn)上，因此在有限的I/O口線上可以設(shè)置比較多的按鍵。只是這種鍵盤電路的每個按鍵都要占用一根I/O口線，這樣的話，隨著按鍵的增加將使I/O口線不足。鍵盤電路有兩種類型，其中一種是獨(dú)立式鍵盤電路。 鍵盤電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的命令輸入模塊是鍵盤電路和時鐘電路，通過以按鍵的方式向FPGA控制系統(tǒng)表達(dá)人的命令來實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止和加減速，實(shí)現(xiàn)人機(jī)互換。 H橋電路由大功率晶體管組成，PWM輸出波形通過由兩個二選一電路組成的方向控制電路送到H橋, 經(jīng)功率放大以后對直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。 Z_F鍵是電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的方向按鍵，當(dāng)把Z_F鍵按下時，Z_F=1，電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之Z/F=0時，電機(jī)反轉(zhuǎn)。通過鍵盤設(shè)置PWM信號的占空比。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 15 頁 共 37 頁 START是電機(jī)的開啟端，U_D控制電機(jī)加速與減速，EN1用于設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速的初值，Z_F是電機(jī)的方向端口，選擇電機(jī)運(yùn)行的方向。電源模塊負(fù)責(zé)給整個電路供電，保證電路能夠正常的運(yùn)行[7]。鍵盤電路、時鐘電路是系統(tǒng)的控制命令輸入模塊，向FPGA芯片發(fā)送命令，F(xiàn)PGA芯片是系統(tǒng)控制命令的處理模塊，負(fù)責(zé)接收、處理輸入命令并向控制命令輸出模塊發(fā)出PWM信號，是系統(tǒng)的控制核心。 本章小結(jié) 本章對于直流電機(jī)PWM調(diào)速原理作了簡單的介紹，又對單片機(jī)直流電機(jī)PWM調(diào)速方案與FPGA直流電機(jī)PWM調(diào)速方案進(jìn)行了比較，分析出后者的優(yōu)勢明顯，所以選擇后者更加的簡單，方便。 方案論證與基于單片機(jī)的直流電機(jī)PWM調(diào)速方案相比，基于FPGA的直流電機(jī)PWM控制省去了外接的D/A轉(zhuǎn)換器和模擬比較器FPGA外部連線很少，電路更加簡單，便于控制。H橋電路由大功率晶體管組成，PWM輸出波形通過方向控制電路送到 H 橋, 經(jīng)功 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 13 頁 共 37 頁率放大以后對直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。當(dāng)START=1時，與門打開，允許電機(jī)工作。當(dāng) Z/F =0時，PWM輸出波形從負(fù)端F進(jìn)入H橋，電機(jī)反轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)方向控制電路控制直流電動機(jī)轉(zhuǎn)向和啟/停,該電路由兩個2選1的多路選擇器組成,Z/F鍵控制選擇PWM波形是從正端Z進(jìn)入H橋，還是從負(fù)端F進(jìn)入H橋，以控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。當(dāng)計(jì)數(shù)值小于設(shè)定值時,數(shù)字比較器輸出高電平。當(dāng)u/d=0時，輸入CLK2，使設(shè)定值計(jì)數(shù)器的輸出值減小,PWM的占空比減小,電機(jī)轉(zhuǎn)速變慢。 基于FPGA的直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)其工作原理是：設(shè)定值計(jì)數(shù)器的設(shè)置PWM的占空比。 基于FPGA的直流電機(jī)調(diào)速方案 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 12 頁 共 37 頁，F(xiàn)PGA中的數(shù)字PWM控制基于單片機(jī)PWM控制不同，用FPGA產(chǎn)生PWM波形，只需要FPGA內(nèi)部資源就可以實(shí)現(xiàn)，如數(shù)字比較器、鋸齒波發(fā)生器等均為FPGA內(nèi)部資源，只要直接調(diào)用就可以。在這里需要注意的問題的是，當(dāng)輸出全為1時，電機(jī)剎車，全為0時，電機(jī)滑行[5]。、（=1，=0）時，三極管V1和V4導(dǎo)通，V2和V3截止，電機(jī)全速正轉(zhuǎn)。 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 11 頁 共 37 頁 基于單片機(jī)控制的PWM調(diào)速系統(tǒng) 關(guān)于電機(jī)運(yùn)動方向控制，、。當(dāng)鋸齒波電壓小于參考電壓時輸出低電平，當(dāng)鋸齒波電壓大于參考電壓時輸出高電平。 基于單片機(jī)的直流電機(jī)PWM調(diào)速方案 。因此也就可以看成電機(jī)電樞電壓與占空比成正比，改變占空比的大小即可控制電機(jī)的速度。設(shè)電機(jī)永遠(yuǎn)接通電源時，其轉(zhuǎn)速最大為，設(shè)占空比為，則電機(jī)的平均速度為 （） 式中，—電機(jī)的平均速度 —電機(jī)全通時間的速度（最大） —占空比 平均速度與占空比的函數(shù)曲線。 PWM調(diào)速原理在脈沖作用下，當(dāng)電機(jī)通電時，速度增加，電機(jī)斷電時，速度逐漸減少。對于直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，使用FPGA進(jìn)行調(diào)速是極為方便的。 額定功率（容量）PN，是指電刷輸出的電功率，單位為KW； （） 額定電壓，指額定狀態(tài)下電樞出線端的電壓，單位為V； 額定電流，指電機(jī)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，指額定狀態(tài)下運(yùn)行時轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速，單位r/min； （） 本章小結(jié) 本章簡單介紹了直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)，工作原理以及主要參數(shù)，對直流電機(jī)有了一定的了解，在下面對直流電機(jī)PWM控制設(shè)計(jì)中起到鋪墊作用。 直流電機(jī)的工作原理圖a) 受電磁力，逆時針轉(zhuǎn)動 b) 不受電磁力，慣性轉(zhuǎn)動c) 受電磁力，逆時針轉(zhuǎn)動 d) 不受電磁力，慣性轉(zhuǎn)動由以上分析可得直流電動機(jī)的工作原理是：當(dāng)直流電動機(jī)接入直流電源時，借助于電刷和換向器的作用，使直流電動機(jī)電樞繞組中流過方向交變的電流，從而使電樞產(chǎn)生恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩，進(jìn)而保證了直流電動機(jī)朝一定的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)[3]。通過線圈的電流方向改變了，但兩個線圈邊受電磁力的方向卻沒有改變，即電動機(jī)只朝一個方向旋轉(zhuǎn)。當(dāng)電樞轉(zhuǎn)過180176。當(dāng)電樞轉(zhuǎn)過90176。電樞不用外力驅(qū)動，把電刷A、B接到直流電源上，假定電流從電刷A流入線圈，沿a→b→c→d方向，從電刷B流出。換向片數(shù)與線圈元件數(shù) 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 7 頁 共 37 頁相同[3]。在直流電動機(jī)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(jī)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。所有線圈按一定規(guī)律連接成一閉合回路。線圈用包有絕緣的導(dǎo)線繞制而成嵌放在電樞槽中。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。 b）轉(zhuǎn)子部分 直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子稱為電樞，包括電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、風(fēng)扇、軸和軸承等。 4）電刷裝置 ，A、B表示電刷。鐵芯一般用整塊鋼或鋼板加工而成。3）換向極 換向極又稱附加極或間極，其作用是以改善換向。 2）主磁極 在大多數(shù)直流電機(jī)中，主磁極是電磁鐵，、S就是主磁極，主磁，整個磁級用螺釘固定在機(jī)座上。 1）機(jī)座 機(jī)座有兩個作用，一是作為電機(jī)磁路系統(tǒng)中的一部分，二是用來固定主磁極、換 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書（論文） 第 6 頁 共 37 頁向極及端蓋等