直流电机PWM调速分解.doc

安徽工业大学设计报告课程：硬件描述语言与系统仿真选题：直流电机PWM控制姓名：学院：电气信息学院专业：电气工程（专硕）学号：指导教师：武卫华摘要：直流电机由于具有响应迅速、精度和效率高、调速范围宽、负载能力大、控制性能优良等特点。随着EDA技术的发展，用基于PFGA的数字电子系统对电动机进行控制，为实现电动机数字控制提供了一种新的有效方法。该设计介绍了直流电机的PWM调速原理，讨论了各个电路模块实现的功能。论文中利用QUARTUES软件对系统进行建模、仿真。本系统是以FPGA为其控制核心，输入电路向FPGA控制系统发出控制命令。控制系统接收命令后直接向H型桥式驱动电路发出PWM控制信号。输出电路主要实现正反转、启停控制、速度在线可调功能。关键词：直流电机，FPGA，VHDL,PWM1直流电机工作原理和调速方案设计1.1直流电机简介1.1.1直流电机基本结构直流电机由定子（静止部分）和转子（转动部分）两大部分组成。1.1直流电机的结构1.1.2直流电机工作原理直流电机的工作原理建立在电磁力和电磁感应的基础上，从图2.1可以看出主磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈abcd。abcd是装在可以转动的铁磁圆柱上的一个线圈，把线圈的两端分别接到两个圆弧形的铜片上（简称换向片），两者相互绝缘，铁芯和线圈合称电枢。当线圈中通入直流电流时，线圈边上受到电磁力F=Bli，根据左手定则确定力的方向，这一对电磁力形成了作用于电枢的一个电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向。若电枢转动，线圈两边的位置互换，而线圈中通过的还是直流电流，则所产生的电磁转矩的方向则变为顺时针方向，因此电枢受到一种方向交变的电磁转矩。这种交变的电磁转矩只能使电枢来回摇摆，而不能使电枢连续转动。显然，要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，关键在于，当线圈边在不同极性的磁极下，如何将流过线圈中的电流方向及时地加以变换，即进行所谓“换向”。为此必须增添一个叫做换向器的装置，换向器由互相绝缘的铜质换向片构成，装在轴上，也和电枢绝缘，且和电枢一起旋转。换向器又与两个固定不动的由石墨制成的电刷A、B相接触。装了这种换向器以后，若将直流电压加于电刷端，直流电流经电刷流过电枢上的线圈，则产生电磁转矩，电枢在电磁转矩的作用下就旋转起来。电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由线圈边ab和cd流入，使线圈边只要处于N极下，其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向，而在S极下时，总是从电刷B流出的方向。这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向。这样的结构，就可使电动机能连续地旋转。这就是直流电机的基本工作原理。1.2直流电机调速原理1.2.1直流电机电压调速原理图1.2直流电机惯例图1.2为按电机惯例标定的直流电机稳定运行量各物理量的正方向。由图可见电机的电枢电动势Ea的正方向与电枢电流Ia的方向相反，为反电动势；电磁转矩T的正方向与转速n的方向相同，是拖动转矩；轴上的机械负载转矩T2及空载转矩T0均与n相反，是制动转矩。根据基尔霍夫第二定律，电枢回路列回路电压方程可得直流电动的电动势平衡方程式：U=Ea-Ia（Ra+Rc）式中，Ra为电枢回路电阻，电枢回路串联保绕阻与电刷接触电阻的总和；Rc是外接在电枢回路中的调节电阻。由此可得到直流电机的转速公式为：n=Ua-IR/CeΦ式中，Ce为电动势常数，Φ是磁通量。n=Ea/Ce从由式子中可以看出，对于一个已经制造好的电机，当励磁电压和负载转矩恒定时，它的转速由电枢电压Ea决定，电枢电压越高，电机转速就越快，电枢电压降低到0V时，电机就停止转动；改变电枢电压的极性，电机就反转。总之电机的调速可以通过控制电枢电压实现。图1.3PWM调速原理1.2.2直流电机PWM调速原理所谓脉冲宽度调制是指用改变电机电枢电压接通与断开的时间的的占空比来控制电机转速的方法，称为脉冲宽度调制(PWM)。对于直流电机调速系统，使用FPGA进行调速是极为方便的。其方法是通过改变电机电枢电压导通时间与通电时间的比值（即占空比）来控制电机速度[1]。PWM调速原理如图1.3所示。在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电时间，即可让电机转速得到控制。设电机永远接通电源时，其转速最大为Vmax，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为Vd=Vmax·D式中，Vd——电机的平均速度Vmax——电机全通时的速度（最大）D=t1/T——占空比平均速度Vd与占空比D的函数曲线，如图1.4所示。图1.4平均速度和占空比的关系由图1.4所示可以看出，Vd与占空比D并不是完全线性关系（图中实线），当系统允许时，可以将其近似地看成线性关系（图中虚线）。因此也就可以看成电机电枢电压Ua与占