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

前言

直流电机（direct current machine）是指能将直流电能转换成机械能（直流电动机）或将机械能转换成直流电能（直流发电机）的旋转电机。它是能实现直流电能和机械能互相转换的电机。当它作电动机运行时是直流电动机，将电能转换为机械能；作发电机运行时是直流发电机，将机械能转换为电能。直流电机的结构应由定子和转子两大部分组成。直流电机运行时静止不动的部分称为定子，定子的主要作用是产生磁场，由机座、主磁极、换向极、端盖、轴承和电刷装置等组成。运行时转动的部分称为转子，其主要作用是产生电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽。无刷直流电机是近几年来随着微处理器技术的发展和高开关频率、低功耗新型电力电子器件的应用，以及控制方法的优化和低成本、高磁能级的永磁材料的出现而发展起来的一种新型直流电动机。无刷直流电机既保持了传统直流电机良好的调速性能又具有无滑动接触和换向火花、可靠性高、使用寿命长及噪声低等优点，因而在航空航天、数控机床、机器人、电动汽车、计算机外围设备和家用电器等方面都获得了广泛应用。

随着电子技术的发展，出现了多种PWM技术，其中包括：相电压控制PWM、脉宽PWM法、随机PWM、SPWM法、线电压控制PWM等，本设计采用脉宽PWM法，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为PWM波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整PWM的周期、PWM的占空比而达到控制直流电机转速的目的。

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。

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。

第1步接电机

电机有两条线，红色那条接到这个。

蓝色那条接到

第2步接电机驱动板

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。