EDA实验-----直流电机驱动设计（Quartus II ）-编程知识

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

一、实验目的

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

二、实验仪器设备

PC机一台
FPGA实验开发系统一套。

三、实验的重点和难点

重点：掌握直流电机调速控制原理。
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

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

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；
新建一个 Schematic File 文件，命名为 moto.bdf；
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;
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

总结Verilog设计直流电机驱动的步骤。
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;initialbegincnt<=0;outclk<=0;endalways @(posedge inclk)begincnt<=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)         
beginif(pwm_en)counter <= counter + 1'b1;
end
always @(posedge clk)      
beginif (pwm_en & (counter[15:12] <= duty_cycle))pwm_out <= 1'b1;elsepwm_out <= 1'b0;
endEndmodule

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)
beginbegindout1 <= {k1,k2,k3};dout2 <= dout1;dout3 <= dout2;end	
end  //按键边沿检测部分 
always @(posedge clk)
beginbuff <= dout1 | dout2 | dout3;key_edge = ~(dout1 | dout2 | dout3) & buff;if(key_edge[0])	//按键1;K3,控制占空比beginduty_cycle <= duty_cycle + 1'b1;if(duty_cycle==8)duty_cycle<=1;endif(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