【正文】 ，起機(jī)械支撐的作用。 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)直流電機(jī)由定子（靜止部分）和轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)動部分）兩大部分組成。所以在一些對調(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。而直流發(fā)電機(jī)則能提供無脈動的大功率的直流電源，且輸出的電壓可以精確地調(diào)節(jié)和控制。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 5 頁 共 37 頁2 直流電機(jī)的基本知識 直流電機(jī)的特點 直流電動機(jī)與交流電動機(jī)相比較，具有良好的調(diào)速性能和啟動性能。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 4 頁 共 37 頁第五章簡單介紹了VHDL語言和Quartus開發(fā)系統(tǒng)。第三章講述了直流電機(jī)PWM調(diào)速的原理，單片機(jī)與FPGA直流電機(jī)調(diào)速方案的比較。 本文的安排 本文總包括六章內(nèi)容。，采用模塊化設(shè)計，包括PWM控制模塊等等。PWM電機(jī)調(diào)速方案是未來電機(jī)拖動系統(tǒng)的首選方案，是實現(xiàn)電機(jī)拖動數(shù)字控制的基礎(chǔ)。PWM調(diào)速系統(tǒng)中所需的關(guān)鍵部件IGOT管靠進(jìn)口。在國內(nèi)PWM有理論基礎(chǔ)逐漸成熟，但在應(yīng)用上，國內(nèi)外差距也很大。由原先的“電機(jī)控制”“電氣傳動”已發(fā)展到“運動控制”的新階段。 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在國外，PWM源于上世紀(jì)九十年代，其思想源于通信技術(shù)，但隨著現(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。利用FPGA可以設(shè)計定制的嵌入式系統(tǒng)，以增加新的功能特性及優(yōu)化性能。FPGA使軟件模 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 3 頁 共 37 頁塊和硬件模塊的相互交換更加簡便，不必改變處理器或進(jìn)行板級變動。軟件可以優(yōu)化，但有時還是是不夠的。算法可以用軟件，也可用硬件實現(xiàn)。此外，還可以通過添加定制的硬件而獲取比現(xiàn)成微處理器更好的性能。使用帶有可配置處理器的FPGA可獲得設(shè)計靈活性。所以，僅使用所需要的硬件即可，而不必做出任何板級變動(前提是FPGA中的邏輯單元足夠用)。如果在設(shè)計中間階段需要一些額外的性能，則可以利用FPGA中現(xiàn)有的硬件資源來加速軟件代碼中的瓶頸部分。本設(shè)計將電機(jī)控制所使用的一些基本功能盡可能地集成在一片F(xiàn)PGA上，本設(shè)計論述了利用FPGA對直流電機(jī)進(jìn)行控制時所起的各部分功能—PWM波的產(chǎn)生、在線調(diào)速、正反向控制邏輯，并利用硬件描述語言對PWM波在FPGA中進(jìn)行組合邏輯變換，并進(jìn)行仿真。熟悉現(xiàn)代電子產(chǎn)品的設(shè)計流程。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。直流電機(jī)大多數(shù)采用PWM（脈寬調(diào)制）的方法進(jìn)行控制，它有兩種模式：一種是采用模擬電路控制，另一種是采用數(shù)字的控制。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 2 頁 共 37 頁 課題研究的目的及其意義直流電動機(jī)因為具有良好的啟動性能和寬廣平滑的調(diào)速特性，從而被廣泛應(yīng)用于電力機(jī)車、無軌電車、軋鋼機(jī)、機(jī)床和啟動設(shè)備等這些需要經(jīng)常啟動并調(diào)速的電氣傳動裝置中，直流發(fā)電機(jī)主要用作直流電源。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是專用集成電路（ASIC）設(shè)計技術(shù)的日趨完善，數(shù)字化的電子自動化設(shè)計（EDA）工具給電子設(shè)計帶來了巨大變革，尤其是硬件描述語言的出現(xiàn)，解決了傳統(tǒng)電路原理圖設(shè)計系統(tǒng)工程的諸多不便?，F(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)器件集成度高、體積小、速度快，以硬件電路實現(xiàn)算法程序，將原來的電路板級產(chǎn)品集成為芯片級產(chǎn)品，從而降低了功耗，提高了可靠性。將一系列外圍設(shè)備如模數(shù)轉(zhuǎn)換器、脈寬調(diào)制發(fā)生器、和數(shù)字信號處理器集成在一起組成復(fù)雜的電機(jī)控制系統(tǒng)。由于傳統(tǒng)的8位單片機(jī)其內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)和計算功能等條件限制，在實現(xiàn)各種先進(jìn)的電機(jī)控制理論和高效的控制算法時遇到了困難。數(shù)字控制器與模擬控制器相比較，具有可靠性高、參數(shù)調(diào)整方便、控制精度高、對環(huán)境因素不敏感等優(yōu)點。直流電動機(jī)的控制器經(jīng)歷了從模擬控制器到數(shù)字控制器的發(fā)展。同時，在越來越多的應(yīng)用場合，只能旋轉(zhuǎn)的電機(jī)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(zhǔn)確停止等功能。 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 Ⅰ 頁 共 Ⅱ 頁 基于FPGA的直流電機(jī)控制設(shè)計論文目 次1 緒論………………………………………………………………………………… 1 課題的來源……………………………………………………………………… 1 課題研究的目的及其意義……………………………………………………… 2 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀…………………………………………………………… 3 課題研究的主要內(nèi)容及其安排………………………………………………… 32 直流電機(jī)的基本知識……………………………………………………………… 5 直流電機(jī)的特點………………………………………………………………… 5 直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)…………………………………………………………… 5 直流電機(jī)的工作原理…………………………………………………………… 7 直流電機(jī)的主要參數(shù)…………………………………………………………… 7 本章小結(jié)………………………………………………………………………… 83 直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)方案設(shè)計………………………………………………… 9 直流電機(jī)PWM調(diào)速原理………………………………………………………… 9 基于單片機(jī)的直流電機(jī)PWM調(diào)速方案…………………………………………10 基于FPGA的直流電機(jī)調(diào)速方案……………………………………………… 11 方案論證…………………………………………………………………………12 本章小結(jié)…………………………………………………………………………134 直流電機(jī)調(diào)速控制電路設(shè)計………………………………………………………14 系統(tǒng)工作原理……………………………………………………………………14 鍵盤電路設(shè)計……………………………………………………………………15 系統(tǒng)時鐘電路設(shè)計………………………………………………………………16 H型橋式驅(qū)動電路設(shè)計………………………………………………………… 17 電源電路設(shè)計……………………………………………………………………19 本章小結(jié)…………………………………………………………………………205 硬件描述語言VHDL及開發(fā)系統(tǒng)QuartusⅡ…………………………………… 21 VHDL語言介紹………………………………………………………………… 21 QuartusⅡ開發(fā)系統(tǒng)介紹……………………………………………………… 24 本章小結(jié)…………………………………………………………………………246 FPGA內(nèi)部邏輯電路組成及各個模塊詳解……………………………………… 25 PWM脈寬調(diào)制信號產(chǎn)生模塊…………………………………………………… 25 控制模塊…………………………………………………………………………30 FPGA內(nèi)部邏輯電路仿真……………………………………………………… 31 本科畢業(yè)設(shè)計說明書（論文） 第 1 頁 共 37 頁…………………………………………………………………… 33 本章小結(jié)…………………………………………………………………………34 結(jié)論 ………………………………………………………………………………… 35致謝 ………………………………………………………………………………… 36參考文獻(xiàn)………………………………………………………………………………371 緒論 以FPGA為其控制核心，對直流電機(jī)PWM調(diào)速系統(tǒng)方案的組成、程序設(shè)計及系統(tǒng)仿真分別進(jìn)行了詳細(xì)的敘述。 課題的來源直流電動機(jī)是一種能量轉(zhuǎn)換的裝置，具有良好的啟動性能和寬廣平滑的調(diào)速特性，在國民經(jīng)濟(jì)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(jī)，如汽車、電視機(jī)、電風(fēng)扇、空調(diào)等等也離不開電機(jī)。必須尋找新的電機(jī)控制器來適應(yīng)時代的發(fā)展。由于模擬器件的參數(shù)受外界影響大，而且精度也較差。隨著工業(yè)電氣化、自動控制和家電產(chǎn)品等領(lǐng)域?qū)﹄姍C(jī)控制產(chǎn)品的需求，人們對電機(jī)控制技術(shù)的要求有所提高。因此，目前最為普遍的做法是使用高性能的數(shù)字信號處理器(DSP)來解決電機(jī)控制器不斷增加的計算量和速度的需求。隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，用基于現(xiàn)場可編程門陣列FPGA的數(shù)字電子系統(tǒng)對電機(jī)進(jìn)行控制，為實現(xiàn)電動機(jī)數(shù)字控制提供了一種新的有效方法。傳統(tǒng)PWM控制電路往往存在電路設(shè)計復(fù)雜、體積大、抗干擾能力差以及設(shè)計困難、設(shè)計周期長等缺點，現(xiàn)在國內(nèi)外市面上已經(jīng)有具有PWM模塊的專用芯片，但是這些產(chǎn)品性價比比較差，功能不夠豐富，使用起來也不靈活方便，很難適合廣大客戶的需求。針對以上情況，本課題提出現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的PWM控制電路設(shè)計[1]。此外，小容量直流電機(jī)大多在自動控制系統(tǒng)中以伺服電動機(jī)、測速發(fā)電機(jī)等形式作為測量、執(zhí)行原件使用。模擬控制由于其調(diào)試復(fù)雜等固有原因，正逐漸被淘汰。對于本次設(shè)計目的在于：（1）掌握基于FPGA的直流電機(jī)PWM控制原理，學(xué)會應(yīng)用EDA技術(shù)進(jìn)行編程（2）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(xué)風(fēng)。FPGA用于控制領(lǐng)域特別是電機(jī)控制還是比較少的，本設(shè)計為電機(jī)控制系統(tǒng)提供一種的控制技術(shù)，在電機(jī)控制方面作了一些片內(nèi)系統(tǒng)的初步研究。當(dāng)基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)時，在設(shè)計周期之初就不必為每個模塊做出用硬件還是軟件的選擇。由于FPGA中的邏輯單元是可編程的，可針對特定的應(yīng)用而定制硬件。設(shè)計者不必轉(zhuǎn)換到另外一個新的處理器或者編寫匯編代碼，就可做到這一點。設(shè)計者可以選擇如何實現(xiàn)軟件代碼中的每個模塊，如用定制指令，或硬件外圍電路。另一點要知道的是，F(xiàn)PGA有充裕的資源，可配置處理器系統(tǒng)可以充分利用這一資源。出于簡便和成本考慮，一般利用軟件來實現(xiàn)大部分操作，除非需要更高的速度以滿足性能指標(biāo)。如果需要更高的速度，利用硬件來加速算法是一個不錯的選擇。設(shè)計者可以在速度、硬件邏輯、存儲器、代碼大小和成本之間做出折衷。目前，雖然由晶閘管整流元件組成的固態(tài)直流電源設(shè)備已基本上取代了直流發(fā)電機(jī)，但直流電動機(jī)仍因為其良好調(diào)速性能的優(yōu)勢在許多傳動性能要求高的場合占