实验2-9 直流电机的PWM 控制电路.PDF

实验 2-9 直流电机的 PWM 控制电路 一、实验目的 1．学习PWM 的FPGA 控制原理。 2 ．掌握直流电机PWM 控制电路的控制原理和设计方法。 二、预习要求 1．仔细阅读实验指导，了解直流电机的PWM 控制原理，掌握直流电机PWM 控制电 路的设计思路和设计方法。 2 ．分别设计转速控制电路、旋转方向控制电路和转速测量电路，并对各部分电路进行 时序仿真。 3 ．设计顶层图形文件，进行时序仿真。 4 ．对顶层设计文件进行引脚锁定。 5 ．在预习报告中绘制表格，以便下载后记录数码管8 显示的电机转速档位和数码管5、 4 、2 、1 显示的转速值。 三、实验内容 1．设计直流电机控制电路，使之控制直流电机的转速和旋转方向。 直流电机的转速分为4 档，0 档为不运转，1～3 档转速依次增加，通过按键控制直流电 机的转速，并用数码管显示当前的转速档位。在直流电机上方提供了红外光电电路，可以测 量直流电机的转速。根据频率计原理，设计转速测量电路，并通过数码管显示测量结果。通 过按键控制直流电机旋转的方向。使电路具有系统复位功能。 进行模块划分和设计，对各个模块进行仿真验证，深入理解直流电机的控制方法。 2 ．实现“六、实验习题”中的功能扩展。 3 ．在KX-DN7 实验箱上进行设计的下载和验证。 将直流电机转片下方的 10 针跳线与其右下角的10 针跳线相连。设置实验箱工作在模式 7 （按键L1 、L4 、L7 按下时输出均为单脉冲，高有效）。 使用按键 L4 控制直流电机的转速，每按下该按键，则转速在 1、2 、3、0 四档间循环 变化（0 档为不旋转）。 在直流电机旋转过程中，使用按键L1 控制直流电机旋转的方向，初始时为逆时针旋转 （反转）；当按下按键L1 ，则变为顺时针旋转（正转）；再次按下按键L1 ，又变为反转……。 使用按键L7 进行系统复位，按下此键则电机停止运转。 由数码管8 显示当前的转速档位值。用数码管5、4 、2 、1 以十进制显示转速测量结果。 四、实验原理 1．直流电机的工作原理 直流电机是一种重要的执行机构，被广泛应用于各种机械设备中。它使用直流电流作为 驱动电流。直流电机内部主要由主磁极、绕组线圈、换向片、电刷等部件构成，其结构如图 2. 1 所示。 直流电机的两极输入直流电流，根据安培定律，通电线圈在磁场中受到磁场作用力的影 响，可以驱动线圈旋转；当线圈旋转角度超过磁场作用力范围时，换向片能够改变线圈内的 电流方向，进而改变作用力的方向，保证线圈继续旋转。对直流电机的旋转方向进行控制， 就是通过改变直流电的极性，从而改变绕组线圈中的电流方向；对直流电机的转速进行控制， 就是通过改变进入绕组线圈的电流大小，从而改变磁场作用力的大小。 图 2. 1 直流电机的结构示意图 对直流电机旋转方向的控制较为简单，只需要交换直流电的极性即可。但是，对直流电 机的转速进行精确控制就需要有专门的驱动机构，以产生特定的驱动电流。在数字系统中， 可以有多种方法实现直流电机的驱动机构，主要的方法包括数模转换（DAC ）、脉宽调制 （PWM ，Pulse Width Modulation ）等，其中，应用最为广泛的是脉宽调制的方法。 2 ．PWM 控制技术 PWM 控制技术即脉冲宽度调制技术，通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获 得所需要的波形（含形状和幅值）。脉宽调制是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法， 是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用在从测 量、通信到功率控制与变换的许多领域中。 在采样控制理论中，有一个重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性 的环节上时，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。效果基本相同，是指环节的输出响应 波形基本相同，低频段非常接近，仅在高频段略有差异。例如用一系列等幅不等宽的脉冲来 代替一个正弦半波，将正弦半波N 等分，看成N 个相连的脉冲序列，宽度相等，但幅值不 等，如图2. 2 错误！未找到引用源。中a ）图所示；将这些脉冲序列用矩形脉冲代替，等幅、 不等宽，二者中点重合，各矩形脉冲的面积（冲量）与a ）图中对应的脉冲相等，其宽度按 正弦规律变化，如图2. 2 中b ）图所示。