EDA实验-----直流电机驱动设计（Quartus II ）

目录

一、实验目的

二、实验仪器设备

三、实验的重点和难点

四、实验原理

五、实验步骤

六、实验报告

七、实验过程

1.分频器代码

2.方向选择器

3.直流电动机工作原理

4.电路连接图

5.文件烧录

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一、实验目的

1. 了解直流电机控制的工作原理和实现的方法。
2. 掌握PWM波控制直流电机转速的方法。
3. 学会用于Verilog语言设计直流电机控制电路。

二、实验仪器设备

1. PC机一台
2. FPGA实验开发系统一套。

三、实验的重点和难点

1. 重点：掌握直流电机调速控制原理。
2. 难点：应用Verilog语言实现直流电机控制电路设计。

四、实验原理

本次实验使用的电机驱动电路如下图所示：

                                                图1 直流电机H桥驱动电路 

                                                                  图2 锁存器

1. 调方向

如图1所示，当PWM1为高电平时，PWM2为低电平时，Q2和Q4导通，Q3和Q5不导通。当PWM1为低电平时，PWM2为高电平时，Q2和Q4不导通，Q3和Q5导通。两种情况电机转动的方向不一样。

     2. 调速度

电机的速度是通过PWM调节，所谓PWM就是脉宽调制器，通过调制器给电机提供一个具有一定频率的脉冲宽度可调的脉冲电。脉冲宽度越大即占空比越大，提供给电机的平均电压越大，电机转速就高。反之脉冲宽度越小，则占空比越越小。提供给电机的平均电压越小，电机转速就低。

五、实验步骤

1. 启动 Quartus II 建立一个空白工程，选择的器件为 Altera 公司的 Cyclone 系列的 EP2C8Q240C8 芯片，命名为 moto.qpf；
2. 新建一个 Schematic File 文件，命名为 moto.bdf；
3. 分别新建 3 个 Verilog HDL File 文件，分别命名为 divclk.v，pwm_logic.v, moto_test.v。输入程序代码并保存（对应源程序 11），然后进行综合编译。若在编译过程中发现错误，则找出错误并更正错误，直至编译成功为止。从设计文件创建模块（FileàCreat UpdateàCreat Symbol Files for Current File）, divclk.v生成名为 divclk.bsf；pwm_logic.v 生成名为 pwm_logic.bsf；moto_test.v 生成 moto_test.bsf;
4. 在 moto.bdf 文件中，在空白处双击鼠标左键，在 Symbol 对话框左上角的 libraries 中,分别将Project 下的 divclk、moto_test、pwm_logic 模块放在图形文件 moto.bdf 中，加入输入、输出引脚，双击每个引脚，进行引脚命名，并锁定管脚，将未使用的引脚设置为三态输入（一定要设置，否则可能会损坏芯片）；

Clk1	209
K1	153
K2	95
K3	154
MOT_CS	171
Gpio[4]	164
Gpio[5]	159

完整的顶层模块原理图如图所示：

其中 K1 控制电机的正转与反转；K2 控制电动机启动、停止；K3 控制占空比；

        5. 将 moto.bdf 设置为顶层实体。对该工程文件进行全程编译处理，若在编译过程中出现错                误，则找出错误并更正，直至编译通过为止；

        6. 将 USB-Blaster 下载电缆的两端分别连接到 PC 机的 USB 接口和EDA 实验箱上的 JTAG                下载口上，打开电源，执行下载命令，把程序下载到 FPGA 器件中，此时，即可在 EDA 实         验箱上控制直流电机。

六、实验报告

1. 总结Verilog设计直流电机驱动的步骤。
2. 讨论自己在设计过程中遇到的问题、解决的过程以及收获体会。

七、实验过程

基本流程为创建项目、创建Verilog文件、写代码、进行波形仿真、画出电路图、设置管脚和三态、烧录文件。前面的项目创建等等基本操作我就不去做演示了，下面主要去讲原理和代码。

1.分频器代码

这个模块是对输入信号的频率去进行分频处理，分出的频率是满足电动机所需的频率即可。代码如下，很显然，这个是一个8分频的分频器，这里我们直接拿过来用就行了。

module divclk(inclk,outclk);
	input inclk;
	output outclk;
	reg outclk;
	reg [2:0] cnt;
	initial
		begin
			cnt<=0;
			outclk<=0;
		end
	always @(posedge inclk)
		begin
			cnt<=cnt+1;
			if (cnt<=0)
				outclk<=outclk+1;
		end
endmodule 

2.方向选择器

下面代码是用于设计直流电动机转向选择的代码，供大家参考一下。

module pwm_logic(clk,pwm_en,duty_cycle,pwm_out);
input clk;												
input [3:0] duty_cycle;					
input pwm_en;							
output pwm_out;							
reg pwm_out;							
reg [15:0] counter;						
always @(posedge clk)         
begin
	if(pwm_en)
		counter <= counter + 1'b1;
end
always @(posedge clk)      
begin
	if (pwm_en & (counter[15:12] <= duty_cycle))
		pwm_out <= 1'b1;
	else
		pwm_out <= 1'b0;
end

Endmodule

3.直流电动机工作原理

直流电动机可以通过不同的按键来去设置其转向、转速等等内容，这里我主要去讲如何去控制转速问题。

对于电动机转速的理解，我们可以理解成日常生活当中的骑电动车，我们骑电动车的时候并不是一直在加油的，而是加油一定时间之后就让电动车自己利益惯性滑行，然后慢下来再去加油。同样的，直流电动机也是通过这样的方式去调档，输入高电平表示通电（也就是加油），低电平就不通电（此时惯性滑行），如果在一个周期内，高电平占比为99.9%的话我们就表示为最高档，如果占比66.6%我们就表示第二档，占比33.3%就最低档，那剩下的时间就是惯性转动。

这部分就是核心代码了，其中输入包括分频输出的信号，以及按键的三个输入（包括转向控制，转速设置和启动开关）。

module moto_test(clk, pwm_in, k1, k2, k3, duty_cycle, pwm_en, motoa, motob, speed_led);  
input k1, k2, k3, clk, pwm_in;  
output reg pwm_en, motoa, motob;  
output reg [3:0] duty_cycle;  
reg moto_dir;  
reg [2:0] dout1, dout2, dout3, buff, key_edge;  

output reg speed_led; // 新增的输出端口  
  
//新增部分：速度计算和速度LED显示  
reg [15:0] speed_counter; // 用于计算速度的计数器，可以根据需要调整位宽  
reg speed_flag; // 当速度计数器达到设定值时，此标志位置1  
  
initial begin  
    duty_cycle = 4;  
    speed_counter = 0;  
    speed_flag = 0;  
end  
  
// 在每个时钟上升沿，如果电机正在运行（pwm_en为高），则增加速度计数器  
always @(posedge clk) begin  
    if (pwm_en) begin  
        if (k1 || k2 || k3) begin // 如果按键被按下，增加计数器的速度  
            speed_counter <= speed_counter + 1;  
        end else begin // 否则，计数器的速度降低  
            speed_counter <= speed_counter - 1;  
        end  
    end  
end  
  
// 当速度计数器达到设定值时（例如，对应于每秒的转速），将速度LED设置为高电平，否则为低电平  
always @(posedge clk) begin  
    if (speed_flag) begin  
        speed_led <= 2; // 如果速度标志已经设置，那么点亮LED灯  
    end else if (pwm_en) begin  
        speed_led <= 1'b0; // 如果速度标志没有设置，且电机正在运行，那么熄灭LED灯  
    end  
end  
  
// 当速度计数器达到设定值时，设置速度标志，并在下一个时钟周期将其清除  
always @(posedge clk) begin  
    if (speed_counter == 10000) begin // 例如，这里设定为每10000个时钟周期为1秒（可以根据需要调整）  
        speed_flag <= 1'b1;   
    end else begin  
        speed_flag <= 1'b0;   
    end  
end  
//按键消抖部分
always @(posedge clk)
begin
	begin
		dout1 <= {k1,k2,k3};
		dout2 <= dout1;
		dout3 <= dout2;
	end	
end  

//按键边沿检测部分 
always @(posedge clk)
begin
	buff <= dout1 | dout2 | dout3;
	key_edge = ~(dout1 | dout2 | dout3) & buff;
	if(key_edge[0])	//按键1;K3,控制占空比
		begin
			duty_cycle <= duty_cycle + 1'b1;
			if(duty_cycle==8)
				duty_cycle<=1;
		end
	if(key_edge[1])	//按键2;K2，控制电动机启动、停止
		pwm_en <= ~pwm_en;
	if(key_edge[2])	//按键3;K1,控制电机正转与反转
		moto_dir <= ~moto_dir;
	motoa = moto_dir ? pwm_in : 1'b0;
	motob = moto_dir ? 1'b0 : pwm_in;	
end
endmodule

4.电路连接图

写好了Verilog代码，就进行分析错误，分析无误后，我们就对这些代码生成子模块文件。然后就创建block文件开始连接电路图，电路图以及管脚配置如下：

5.文件烧录

弄好了之后就是最后一步操作了，把没用到的管脚设置三态，然后烧录文件。

点击Assignment， Device

然后点击这里，设置管脚状态。  

选择第一个就行了，就是把多余的管脚设置三态。

最后点击此处进行烧录。 

  这里我们会看到，下面有一个芯片，这个也就是我们写好了的sof文件，然后就是通过你的电脑接口去连接到开发板，如果你看到上面有一个No Hardware的时候，你点击旁边的按钮进行接口设置，设置为USB接口即可（USB线连接了你的开发板就会自动显示出来的）。最后点击start就可以进行烧录了。 

以上就是本期的全部内容了，我们下次见！

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