毕业设计(论文)
课 题 名 称 直流电机 PWM 控制的 FPGA 实现
学 生 姓 名
学 号
院、年级专业
指 导 教 师
职 称
年 月 日
I
摘 要
文章详细地介绍了直流电机的类型、结构、工作原理、PWM 调速原理以及
FPGA 集成芯片。并对直流电机 PWM 调速系统方案的组成、硬件电路设计、程序
设计及系统仿真分别进行了详细的叙述。拟开发的直流电机 PWM 调速装置具有调
速范围宽、低功耗、可实现在线调试等特点。本系统是以 FPGA 为其控制核心，输
入电路以键盘作为输入方式向 FPGA 控制系统发出控制命令，以有源晶振构成的时
钟电路发出信号。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、起停控制、速度在线可调功能。本设计已通过了实验
仿真。
关键词：直流电机；PWM；FPGA；有源晶振
II
Abstract
This paper introduces clearly the construction and the principle of DC
Motor and the principle of the Speed Control based on PWM and integrated
FPGA chip.And describes detailly and operately the program of DC Motor
speed control based on PWM how to be formed and the design of the
hardware circuit ,the design and the System Simulation .The device of DC
Motor speed control based on PWM being invented has the follow
characteristics : wide speed control range, low power idle, debugging on line
and so on, at the same time , it can achieve the automation .The control center
of the system is the FPGA, and the input circuit delivers the orders over the
keyboard as its input method to the FPGA adopting the way of the Breach.
While quartz crystal clock circuit and inverter which is consisted of harmonic
oscillator clock signal sent to the system ,when the FPGA receives the orders，
and later sends the PWM signal to the output circuit ,witch is the line-clectric
ouhe circuit and the H board bridge drive circuit .The output circuit chiefly
controls DC Motor to move in the clockwise or the other direction .The
design has been tested through the experiment ,and the program is debugged
successfully.
Keywords: DC Motor ；PWM；FPGA ；oscillator
目录
摘 要..................................................................................................................I
Abstract.............................................................................................................II
1 前言...............................................................................................................1
1.1 课题的来源.....................................................................................................................1
1.2 课题研究的目的和意义.................................................................................................1
1.3 课题国内外研究现状.....................................................................................................2
1.4 课题研究的主要内容.....................................................................................................2
2 直流电机 PWM 调速系统方案设计...............................................................4
2.1 直流电机.........................................................................................................................4
2.2 直流电机调速原理.........................................................................................................6
2.4 基于单片机的直流电机 PWM 调速方案 .....................................................................9
2.5 基于 FPGA 的直流电机调速方案...............................................................................10
2.6 方案论证.......................................................................................................................11
3 直流电机 PWM 调速控制电路设计 .........................................................12
3.1 系统工作原理...............................................................................................................12
3.2 键盘电路设计...............................................................................................................13
3.3 系统时钟电路设计.......................................................................................................14
3.4 H 型桥式驱动电路设计................................................................................................15
3.5 电源电路设计...............................................................................................................17
3.6 主要元器件简介...........................................................................................................18
4 控制逻辑 VHDL 描述................................................................................20
4.1 VHDL 硬件描述语言....................................................................................................20
4.2 FPGA 内部逻辑组成.....................................................................................................22
4.3 PWM 脉宽调制信号产生电路描述 .............................................................................22
4.4 运行控制逻辑电路描述...............................................................................................27
5 直流电机 PWM 调速系统仿真 .................................................................29
5.1 FPGA 开发环境的介绍.................................................................................................29
5.2 建立工程项目...............................................................................................................30
5.3 正/反转控制仿真.........................................................................................................35
5.4 启/停控制仿真.............................................................................................................36
5.5 加/减速仿真.................................................................................................................36
5.6 仿真结果分析...............................................................................................................37
6 总结.............................................................................................................39
参考文献.........................................................................................................40
致谢.................................................................................................................41
1
1 前言
1.1 课题的来源
电机是一种能量转换的装置，在国民经济中起着重要作用，无论是在工农生产、
交通运输、国防宇航、医疗卫生、商务与办公设备，还是日常生活中的家用电器，都
大量的使用着各种各样的电机，如汽车、电视机、电风扇、空调等等也离不开电机。
同时，在越来越多的应用场合，只能旋转的电机己无法满足要求，而是要求能够实现
快速加速、减速或反转以及准确停止等功能。必须寻找新的电机控制器来适应时代的
发展。
电机的控制器经历了从模拟控制器到数字控制器的发展。由于模拟器件的参数受
外界影响大，而且精度也较差。数字控制器与模拟控制器相比较，具有可靠性高、参
数调整方便、控制精度高、对环境因素不敏感等优点。随着工业电气化、自动控制和
家电产品等领域对电机控制产品的需求，人们对电机控制技术的要求有所提高。由于
传统的 8 位单片机其内部体系结构和计算功能等条件限制，在实现各种先进的电机
控制理论和高效的控制算法时遇到了困难。因此，目前最为普遍的做法是使用高性能
的数字信号处理器(DSP)来解决电机控制器不断增加的计算量和速度的需求。将一系
列外围设备如模数转换器、脉宽调制发生器、和数字信号处理器集成在一起组成复杂
的电机控制系统。随着 EDA 技术的发展，用基于现场可编程门阵列 FPGA 的数字
电子系统对电机进行控制，为实现电动机数字控制提供了一种新的有效方法。现场可
编程门阵列(FPGA)器件集成度高、体积小、速度快，以硬件电路实现算法程序，将
原来的电路板级产品集成为芯片级产品，从而降低了功耗，提高了可靠性。
电动机调速系统采用 FPGA 实现数字化控制,是电气传动发展的主要趋势。采用
FPGA 控制后,整个调速系统能够实现快速加速、减速或正/反转以及准确停止、在线
调速等功能,操作维护方便,电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平,静动态各项
指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。由于 FPGA 的 外部连线少,
电路简单,便于控制,具有较佳的性能价格比,所以在工业过程及设备控制中得到日益
广泛的应用
[1]
。
1.2 课题研究的目的和意义
直流电机大多数采用 PWM（脉宽调制）的方法进行控制，它有两种模式：一种
是采用模拟电路控制，另一种是采用数字的控制。模拟控制由于其调试复杂等固有原
