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目 錄 第一章 緒論
1.1 電力拖動控制的發展現狀 3
1.2電力拖動控制的技術現狀 4
1.3 選題意義 6
1.4 本設計的工作 7
第二章 硬件部分簡介
2.1 具體方案論證 8
2.2 主控芯片的簡介 11
第三章 電力拖動控制的原理
3.1 電力拖動控制電路原理圖 12
3.2電路實圖............................................................................................................................13
3.3程序......................................................................................................................................14
第四章 結論
結論：............................................................................................................................................18
心得體會：..................................................................................................................................19
參考文獻：..................................................................................................................................20
第1章 緒 論 1.1 電力拖動控制的發展現狀
直流電機拖動控制技術在19世紀末期就有相應的研究。在20世紀上半葉的年代，由于直流電機拖動控制速度比較方便，很多高性能可調速拖動都采用直流電機，而約占電力拖動總容量80%以上的不變速拖動系統采用的交流電機，這種分工在一段時期內已成為一種舉世公認的格局。交流調速系統的多種方案雖然早已問世，并已獲得實際應用，但其性能卻始終無法與直流調速系統相媲美。到了1960至1970年，隨著電力電子技術的發展，使得采用電力電子變換器的交流拖動系統得以實現，特別是集成電路控制的出現，很多高性能交流調速系統便應運而生，這種調速的格局被慢慢的變化。
在我國，經過改革開放20多年的發展，電力拖動控制技術有了長足的發展，特別是單片機，plc和FPGA技術的發展，使得電力拖動取得很大的進步。電機行業的發展的也取得飛躍的進步，電機產品的品種.性能和產量滿足了我國國民經濟發展的需要。而且一些產品已經達到世界先進水平。目前世界上電機行業專家紛紛預測，中國將會成為世界電動機的生產制造基地。這些年我國電機行業的發展也取得令人矚目的成績。異步電動機和同步電動機；在中小型電機和控制電機方面，亦自行設計和生產了不少新系列電機。
與電機發展過程一樣，電力拖動技術也在不斷的發展，在現代工業發達的背景下自動控制方面顯得尤為重要。近年來，隨著電子技術和控制理論的不斷發展，相續出現了順序控制，可編程無觸點斷續控制，采樣控制等多種控制方式。控制芯片種類比較多，可通過單片機，CPLD和PLC編程進行控制，通過不斷優化算法可以提高控制的精度滿足一般的生產和家用的需求。由于電力在生產，傳輸，分配，使用和控制方面的優越性，使得電力拖動具有方便，經濟，效率高，調節性能好，易于實現生產過程自動化等優點，所以電力控制系統獲得了廣泛的應用。在日常生活中使用的風扇，洗衣機等家用電器，在生產中使用的各種各樣的生產機械，如車床，鉆床，造紙機，軋鋼機等，都采用的是電力拖動自動控制的。所以，有效的控制電機使其可靠工作的情況下提高控制精度顯得尤為重要。
1.2 電力拖動自動控制技術的現狀
電力拖動控制系統由電動機和控制裝置構成。電動機(特別是直流電動機)控制簡便、靈活、可靠，而且易于實現自動化，因而電力拖動在生產部門中得到了廣泛的應用。
目前，很多直流電機的速度控制采用PWM(脈沖寬度調制)，PWM通過控制固定電壓的直流電源開關頻率，從而改變電機兩端的電壓，進而達到控制要求的一種電壓調整方法。PWM可以應用在許多方面，如電機調速、溫度控制、壓力控制等。在PWM驅動控制的調速系統中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據需要改變一個周期內“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉速。電樞電壓“占空比”與平均電壓關系圖如下所示：
file:///C:%5CUsers%5CADMINI%7E1%5CAppData%5CLocal%5CTemp%5Cksohtml%5Cwps14E8.tmp.jpg
電壓平均值描述Vd=Vmax*D（D=t2/t1+t2）式中，Vd——電機的平均速度；Vmax——電機全通電時的速度(最大)；D=t1/T由公式(2)可見，當我們改變占空比D=t1/T時，就可以得到不同的電機平均速度，從而達到調速的目的。嚴格地講，平均速度n與占空比D并不是嚴格的線性關系，在一般的應用中，可以將其近似地看成線性關系。PWM實現方法PWM信號的產生通常有兩種方法：一種是軟件的方法；另一種是硬件的方法。目前廣泛應用的是通過改變電機電樞電壓接通時間與通電周期的比值f占空比)來控制電機的轉速。PWM能通過對單片機、CPLD等進行編程來實現輸出波形占空比可調，從而控制電機的轉速。要實現其自動控制還有需增加輔助電路，比如比較器，定時器等，從而有效的控制電機。
電力拖動控制系統根據要求的功能主要分為四種控制方式控制方式。（一）電動機的起動、制動和反向 這種功能通常由繼電器接觸器裝置來實現。它的優點是結構比較簡單，所以應用范圍很廣，如機床、風機、泵等的控制。（二） 精度要求不高的電動機轉速調節 包括起動和轉速的切換。電動機的起動和轉速切換常由繼電器接觸器組成的系統來實現。對精度要求不高的轉速調節一般采 用開環控制。轉速的調節誤差完全由電動機的機械特性所決定。這類調速系統廣泛應用于金屬切削機床、軋機、起重機、電梯等各種機械。（三）高精度轉速的給定和調節 高精度的轉速調節需要采用閉環控制，稱為轉速自動調節。轉速自動調節系統能在各種外擾作用下保持轉速恒定，在精密磨床、軋鋼機、造紙機等方面有廣泛的應用。（四）隨動傳動 輸出軸復現輸入軸運動的一類電力拖動，常用機電伺服系統來實現，廣泛應用于飛剪、軋機的壓下裝置和大型天線等方面。
1.3 選題意義
鞏固了模擬電子技術基本知識，綜合運用所學知識；掌握模擬電子線路的調試方法，增強工程實踐能力和綜合分析問題的能力；掌握數字系統控制的方法。進一步加強EDA 編程能力，能運用其解決實際問題。學會用軟硬件結合完成對電機進行自動控制，使其滿足生產要求。
1.4 本設計的工作
（1）采用電機——發電機方式，兩個電機采用軸連接；（采用同一樣型號，或不同型號的直流電機做發電機）
（2）分析電路實現的功能，如何設置元件參數并購置相應的元器件，了解元件的功能和使用，將電路的原理圖繪制出來。
（3）先在面包板上調試電路的功能，是電機基本受輸入控制。功能實現后使用Altium Designer繪制pcb圖并焊接硬件電路。
（4）通過EDA編程編寫PWM波，先實現基本的功能，后通過改進實現控制精度的提升、實現其按設定值自動加減。
（5）發電機采用整流濾波電路（選取小濾波電容）輸出，負載為10Ω電阻。
（6）電機通過調節PWM脈沖寬度，控制電機轉速，間接控制發電機的輸出電壓的大小，使輸出電壓控制在1V以內。
（7）通過數碼管顯示電機當前轉速的檔位，共設置了10個檔位，當輸出電壓穩定，數碼管顯示的檔位穩定。
（8）使用LM339作為電壓比較器，以此給CPLD提供反饋信號。
（9）確定調試方案，選擇測試儀器；
（10）安裝電路和調試電路達到設計要求。
第2章 硬件部分簡介 2.1 具體方案論證與設計
方案１：
硬件電路的主要分為三個小模塊，一塊是電動機的控制電路，一塊是發電機輸出電壓比較反饋到控制芯片；另一塊就是兩電機傳動模塊。在編程上通過固定輸入信號的占空比下改變信號的頻率。
控制采用的是三級管K8050做為開關控制器件。之前考慮過用可控硅進行控制，后查閱資料發現可控硅的響應速度不及三級管，所以采用三級管。該三極管屬于NPN型硅材料，最大集電極電流：0.5A,最大集電極-發射極電壓為25V，基本上可以滿足電機控制需要。為防止電機停轉時電流過大擊穿三級管，在電機兩旁接上一個1N4007使其能在斷開瞬間放電保護三級管。接著就將這些在面包板上插好并調試，使電機能受輸入電壓控制。
兩個電機的連接方面，剛開始是想通過兩個電機的軸相互重合用烙鐵將其焊穩，后面發現這樣連接的問題就是軸沒在同一水平線上導致電機轉的時候總是在動，這樣不行。后面又想著用齒輪帶動電機相互轉，這一想法實現起來比較麻煩且還需找到合適的齒輪，所以這一方案廢除。最后想起的是一個比較簡單易行的法子。把兩個電機的軸對齊，用膠帶把它連接好，電機將其固定在一底座上減少因震動帶來的誤差。這是比較好的方法，一電機能能帶動另一電機運行并穩定的工作。
比較器的利用的是LM339，它內部集成了四個運放，本設計中利用了其中一個運放，在它的反向輸入端設置一參考電壓。當發電機輸出電壓大于參考電壓是輸出為低電平，當小于時輸出電壓為高電平，以此來反饋到控制芯片上。
以下是方案一的硬件電路實物圖：
file:///C:%5CUsers%5CADMINI%7E1%5CAppData%5CLocal%5CTemp%5Cksohtml%5Cwps14F8.tmp.png
兩電機傳動部分：
file:///C:%5CUsers%5CADMINI%7E1%5CAppData%5CLocal%5CTemp%5Cksohtml%5Cwps1509.tmp.png
方案一還存在以下一些問題：1.電機轉動的電流達到0.4A了，導致三級管發熱比較嚴重，長時間工作可能會燒壞； 2.控制芯片EMP570100C5的輸出引腳直接接在三極管的基極上，未進行隔離。若電路出故障反向電流很容易燒壞控制芯片。 3.比較器的比較電壓時有時候不靈敏，且存在一些誤差。
方案２：
在方案一的基礎進行了改進。
1.用兩個三級管構成達靈頓管，達靈頓三級管具有高電流增益，電壓增益約等于1，高輸入阻抗、低輸出阻抗，因此具有良好的開關特性。
2.軟件上通過固定輸入信號頻率改變占空比來控制電機轉速，這種方案能有效控制轉速，比調頻的方法好很多。
3.在三級管的基極輸入處用到LM244驅動芯片，它可以隔離三級管控制電路產生較大電流對控制芯片造成的影響。還可將控制芯片的電壓提高，使三級管工作在深度飽和狀態。
4.通過軟件編程增加一檔位顯示電路，將波形分為10個檔位，用數碼管顯示。
5.電路的制作采用了PCB制板，電路減少了由引線帶來的不穩定性，且較美觀。
2.2 主控芯片的簡介
可編程邏輯控制器件（FPGA）是通過硬件語言實現芯片內部邏輯門按一定組合實現一定的電路功能。PFGA的發展經歷了30的發展，從剛開始只有1000多個邏輯門，到后面能集成25萬個邏輯門，到現在的Altera公司推出了幾百萬門的可編程邏輯控制芯片。從它的發展歷程來看，FPGA的發展以達到了一個新的高度，今后要取得質的突破可能要在材料及硬件結構上進行配置。
可編程邏輯控制器的優點可歸納為：成本較低，便于維護，工作可靠。在效能方面，它執行算法的速度數字處理器速度，能在同一周期內完成很多的作業。有分析公司認為，某些應用中使用的數字處理器的方案應用FPGA,能在硬件層級控制I/O縮短回應的時間，能夠更好的滿足使用者的需求。
第3章 電力拖動自動控制原理 3.1 電路原理圖
file:///C:%5CUsers%5CADMINI%7E1%5CAppData%5CLocal%5CTemp%5Cksohtml%5Cwps150A.tmp.jpg
file:///C:%5CUsers%5CADMINI%7E1%5CAppData%5CLocal%5CTemp%5Cksohtml%5Cwps150B.tmp.jpg
3.2 實物圖
file:///C:%5CUsers%5CADMINI%7E1%5CAppData%5CLocal%5CTemp%5Cksohtml%5Cwps151B.tmp.png
FPGA輸出波形:
file:///C:%5CUsers%5CADMINI%7E1%5CAppData%5CLocal%5CTemp%5Cksohtml%5Cwps151C.tmp.png
3.3 實驗程序
library ieee;
use ieee.std_logic_1164.all;
use ieee.std_logic_arith.all;
use ieee.std_logic_unsigned.all;
entity love4 is
Port(clk,fankui:in std_logic; --輸入clk，
out1,b0,b1,b2,b3,b4,b5,b6:out std_logic); --輸出
end;
architecture kc2 of love4 is
signal clk1:std_logic;
signal count_4:std_logic_vector(3 downto 0);
signal out_7:std_logic_vector(6 downto 0);
signal cout3:integer range -1 to 40;
begin
b0<=out_7(0);b1<=out_7(1); --將信號賦給輸出
b2<=out_7(2);b3<=out_7(3);
b4<=out_7(4);b5<=out_7(5);
b6<=out_7(6);
process(clk)
variable cnt:integer range 0 to 50000000;
begin
if(clk'event and clk='1') then
cnt:=cnt+1;
if(cnt<25000000) then clk1<='0'; --clk1是250k的方波
elsif(cnt<50000000) then clk1<='1';
else cnt:=0;clk1<='0';
end if;
end if;
end process;
process(a1,b1,clk)
begin
if (clk'event and clk='1') then
if a1='0' then
if sum = 5 then sum <= 0;
else sum <= sum+1;
end if;
elsif b1='0' then --sum-- b1
if sum = 0 then sum <= 5;
else sum <= sum-1;
end if;
end if;
end if;
end process;
process(fankui)
begin
if cout3>19 then cout3<=19;
elsif cout3<0 then cout3<=0;
else
if clk1'event and clk1='1' then
if feed='0' then --反饋信號，0時自減，其他情況自加
cout3<=cout3-1;
else cout3<=cout3+1;
end if;
else null;
end if;
end if;
end process;
process(cout3)
variable cnt,cna:integer range 0 to 50000;
variable i:integer range 0 to 40;
begin
if cnt=50000 then cnt:=0;
else
if clk'event and clk='1' then
if cout3=0 then --分頻出1khz的信號
cnt:=0;
else
cnt:=10000+2000*cout3;
end if;
end if;
end if;
if clk'event and clk='1' then cna:=cna+1;
if cna<cnt then out1<='1'; --通過cna與cnt的比較確定輸出高、低電平
elsif cna<50000 then out1<='0' ;
else cna:=0;out1<='0';
end if;
end if;
end process;
process(cout3)
begin
case cout3 is
when 0=>out_7<="0111111"; --數碼顯示
when 1=>out_7<="0001100";
when 2=>out_7<="1110110";
when 3=>out_7<="1011110";
when 4=>out_7<="1001101";
when 5=>out_7<="1011011";
when 6=>out_7<="1111011";
when 7=>out_7<="0001110";
when 8=>out_7<="1111111";
when 9=>out_7<="1011111";
when others=>out_7<="0111111";
end case;
end process;
end kc2;
第4章 結論 經過一個月半的努力終于完成了課設，在本設計中存在一些毛病，比如焊接貼片元件不是很好，控制電壓的精度還是有待提高等。該設計的優點能顯示電機轉速的檔位，輸出電壓能控制在0.95--1.05V間波動，電路的整體布局比較美觀等。
本設計中的不足與改進建議：
（1）本設計存在的缺點是PWM信號每次加減占空比的幅度較大，導致輸出電壓的精度不高。因此，可以在軟件上修改加減占空比的的幅度，這種做法可能用一個數碼管顯示檔位顯得不夠，可以用兩位的顯示。
（2）在比較器參考電壓的設置上采用的比控制的電壓偏高的方式去設定的，這樣做的原因一個是占空比的加減幅度較大，另一個是比較器的反應速度較慢造成的，建議可以提高比較器的響應速度。
（3）要能夠將課設電路運用到實際的工作中，將其運用到小車的速度控制等上面.
心得體會 經歷了一個多月的努力，課設電路的功能基本實現了，真的是好事多磨，終于可以分開心去做其他的事了。當老師驗收電路時看到自己設計的電路能合格通過，那喜悅之情難以用言語表達，能讓人開心許久，也讓人記憶深刻。
通過做課設讓我學會很多，把所學的東西用上了鞏固了。之前感覺在大學里自己的專業方面的知識學進去的很少，有的是在吃高中時期的老本，做課設培養的是動手能力和分析解決問題的能力。這個電路在硬件上比較簡單，關鍵是軟件編程上，之前EDA學的并不怎樣，要讓它實現軟硬件結合也是花了較多的時間。
通過課設讓我感悟很多，做課設我體會了第一次在實驗室熬夜編程，也經歷了多次失敗仍愈挫愈勇。電路的實現方案想了很多，之前想偷點懶套用以前調頻率的去控制，后面發現調頻對直流電機的轉速控制效果不好，后面還是采用了pwm進行控制。在將各個方案實現的過程上也是個曲折的過程，有的試了還是不行，于是繼續嘗試，這種感受確實挺考驗人的耐性，不過還是做出來了。由于第一次做軟硬件的結合實現一定功能的電路，所以很多東西都不怎么懂，在電路方案的設計和參數的確定上是通過老師的指導和自己摸索才做出來的。
以后在電路的設計上，我會先做好分析，找出最優的方案去實現電路功能。做實驗有時候并不是看一個人的是不是很聰明，還要有靜下心做實驗，能排除各種干擾專注手頭之事。要經得起失敗的考驗，也要對自己有信心。
參考文獻
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