基于FPGA的直流电机

Posted 2020-10-25 大西瓜FPGA --logic3

配套FPGA开发板（含该设计的工程代码）：https://item.taobao.com/item.htm?spm=a1z10.1-c.w4004-4676525296.4.6e8950ed57YPhv&id=17848039135

功能

本设计主要分为三个主要部分：按键控制部分、数码管转速档位显示部分、PWM信号产生部分。分别采用verilog 语言完成底层模块的设计和以原理图的方法完成顶层模块的设计，采用自顶向下的设计方法，实现通过按键控制直流电机的转速，并将转速档位分为10个等级，同时将当前的转速档位显示到数码。在软件平台下分别对设计项目、各个模块以及顶层模块进行仿真分析。

接电机

电机有两条线，红色那条接到这个。

蓝色那条接到

接电机驱动板

电机驱动板有4条线：PWM驱动信号输入--红色、PWM驱动信号输出--蓝色（该线已经焊接在电机上面）、3.3V电源--白色、地--黑色。

 

PWM驱动信号输入--红色线，接FPGA板上的142号引针

注意，这条线要等到下载好之后才能接！！！！！！！！！！

PWM驱动信号输出--蓝色

接电机的时候就已经接好了。

3.3V电源--白色

一头接电机驱动板上的"+"号引针，

一头接FPGA开发板上的3.3V电源：

地--黑色

一头接电机驱动板上的"-"号引针，

一头接FPGA开发板上的地GND；

上电

接入5V电源，用配套的线，USB那端接电脑即可；

电源开关

按下电源开关

电路板按键说明

复位

按下则复位回1，输出占空比为10%；

控制档位

按下一次，档位加1，有时可能会产生跳变，按的时候不要太用力；

电路板数码管说明

显示档位

按键消抖原理

采用状态机型消抖方法进行，状态机型消抖电路采用有限状态机的设计方法来描述与实现，状态机有S0，S1，S2三种状态，在S0状态下key_out输出为低电平，并以clk时钟信号的频率采样按键输入信号，如果key_in=\'0\'，则保持在S0状态，并继续采样按键输入信号的状态，如果key_in=\'1\'，则转入S1状态；在S1状态下key_out输出仍为低电平，继续采样按键输入信号的状态，如果key_in=\'1\'，则转入S2状态，如果key_in=\'0\'则转入S0状态；在S2状态下继续采样按键输入信号的状态，如果key_in=\'1\'，则保持在S2状态，key_out输出正脉冲，如果key_in=\'0\'，则转入S0状态，key_out输出低电平。

下图为状态机型消抖电路波形效果示意图：

 

数码管显示原理

位选信号

本设计采用共阳数码管，即位选低电平有效，需要使用2位数码管显示速度档位，所以需要位宽为2bit的位选信号，并且将位选信号设置为低电平；

段选信号

本设计采用共阳数码管，数码管的段选信号为8bit，数码管的段选对应实物图如下：

一个数码管有八段：A,B,C,D,E,F ,G,H,DP，即由八个发光二极管组成，； 因为发光二极管导通的方向是一定的（导通电压一般取为1.7V），这八个发光二极管的公共端有两种： +5V（即为共阳极数码管）、接地（即为共阴极数码管），其中共阳极每个段均有0导通，而共阴极则1导通发光，所以共阳极数码管和共阴极数码管显然是不同的，段选码表如下图所示：

PWM产生原理

PWM的全称为Pulse-Width Modulation（脉冲宽度调制，），实际就是调节脉冲的占空比。当输出的脉冲频率一定时，输出脉冲的占空比越大，相当于输出的有效电平越大，这样也就简单实现了由FPGA来控制模拟量。由一个独立按键key来控制FPGA输出脉冲的占空比，用该脉冲去直接驱动直流电机，随着占空比不同，电机的转速也将不同。

 

本设计将PWM频率固定为200KHz，而通过控制PWM的脉冲宽度来调节电机的转速，计算频率的方法为50M/（249+1）。采用定时计数法来产生PWM波，即一个脉冲的周期为250个系统时钟周期脉冲宽度调制就是对这250个系统时钟进行分配，分配多少个系统时钟周期输出高电平，多少个系统时钟周期输出低电平。

仿真图

按键模块仿真

 

数码管模块仿真

PWM产生模块仿真

    duty_cycle_cnt在复位时为0，复位完成后初始化为25，对应的占空比为10%，由于档位控制按键按下，将档位控制为档位2，所以duty_cycle_cnt变为50，即控制输出20%的占空比。

整体仿真

 

 

将档位控制为档位2，所以duty_cycle_cnt为50，即控制输出20%的占空比，此时输出PWM信号。当数码管的段选信号seg_duan输出的十六进制数：C0，对应的位选信号seg_wei输出的十进制数为：1，根据数码管BCD码表，表示在第二位数码管上面显示的数为：0；当数码管的段选信号seg_duan输出的十六进制数：A4，对应的位选信号seg_wei输出的十进制数为：2，根据数码管BCD码表，表示在第二位数码管上面显示的数为：2。