在現(xiàn)代工業(yè)中，各種生產(chǎn)機械根據(jù)其工藝特點，對拖動的電動機提出了各種不同的要求，有的要求能迅速啟動、制動和反轉(zhuǎn)；有的要求多臺電動機之間的轉(zhuǎn)速按一定的比例協(xié)調(diào)運動；有的要求電動機達(dá)到極慢的穩(wěn)速運動；有的要求電動機起、制動平穩(wěn)，并能準(zhǔn)確的停在給定的位置。可見各種拖動系統(tǒng)都是通過控制轉(zhuǎn)速從而控制轉(zhuǎn)矩來實現(xiàn)的。與交流電動機相比，直流電動機由于調(diào)速性能好、靜差率小、穩(wěn)定性好以及具有良好的動態(tài)性能、運行效率高等優(yōu)點，因此在相當(dāng)長的時期內(nèi)，高性能的調(diào)速系統(tǒng)幾乎都采用了直流調(diào)速系統(tǒng)。
FPGA作為新型的大規(guī)模可編程數(shù)字集成電路器件，它充分利用計算機輔助設(shè)計技術(shù)進行器件的開發(fā)與應(yīng)用。用戶借助于計算機不僅能自行設(shè)計專用集成電路芯片，還可在計算機上進行功能仿真和實時仿真，及時發(fā)現(xiàn)問題，調(diào)整電路，改進設(shè)計方案。這樣，設(shè)計者不必動手搭接電路、調(diào)試驗證，只須在計算機上操作很短的時間，即可設(shè)計出與實際系統(tǒng)相差無幾的理想電路。而且，F(xiàn)PGA器件采用標(biāo)準(zhǔn)化結(jié)構(gòu)，體積小、集成度高、功耗低、速度快，可無限次反復(fù)編程，因此，成為科研產(chǎn)品開發(fā)及其小型化的首選器件，其應(yīng)用極為廣泛。
本文主要研究的問題是，分析直流電機的調(diào)速方式，利用當(dāng)前先進的數(shù)字技術(shù)和現(xiàn)代控制理論，在消除干擾環(huán)境中精確控制電機的起、制動，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，以提高可靠性、降低成本。最常用的直流調(diào)速技術(shù)是脈寬調(diào)制(PWM) 直流調(diào)速技術(shù),它具有調(diào)速精度高、響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍寬和耗損低等特點。系統(tǒng)采用PWM調(diào)節(jié)實現(xiàn)對電機的調(diào)速，采用紅外發(fā)射接收對管采集電機轉(zhuǎn)速。FPGA系統(tǒng)內(nèi)部進程工作在并行的狀態(tài)下，各子進程相互獨立，輸出的PWM波形具有頻率高，占空比調(diào)節(jié)步精密的特點。高頻率的PWM波形對直流電機工作的穩(wěn)定起著極其重要的作用，尤其在高負(fù)載的調(diào)速系統(tǒng)中體現(xiàn)的優(yōu)越性極其明顯，頻率越高電機運行越平穩(wěn)。另外，對PWM 波形輸出占空比的調(diào)節(jié)步進細(xì)分的特點大大的擴大了調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍。本設(shè)計中主要研究FPGA產(chǎn)生PWM波形的優(yōu)越性并對其進行驗證，并且針對FPGA系統(tǒng)進行等精度頻率測量的高精度性進行驗證。
二 直流電機
(2-1)參數(shù)名稱 | 符號 | 大小 | 單位 |
電樞電阻 | R | 8.33 |  |
電樞電感 | L | 6.17 | mH |
電動勢常數(shù) |  |  | V/(rad  s) |
轉(zhuǎn)矩系數(shù) |  | 0.03954 |  |
電樞慣量 |  |  |  |
負(fù)載慣量 |  | 0.0137 |  |
傳動比 | N | 7860:18 |
+
=
;
;
。
，所以可將傳遞函數(shù)近似為：
（2-2）
（2-3）
。
與實際輸出值
構(gòu)成的控制偏差： 
=
-
（3-1）
（3-2）
為比例系數(shù)，
為積分時間常數(shù)，
為微分時間常數(shù)。
（3-3）
（3-4）
（3-5）
為比例系數(shù)；
為積分時間常數(shù)；
為微分時間常數(shù)。
（3-6）:當(dāng)增大時，可以加快系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，但不能完全消除穩(wěn)態(tài)誤差
，并且過大，會引起系統(tǒng)振蕩，超調(diào)量增加，有可能造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。
（3-7）越大，積分作用越弱，反之則越強。因此，減小，可以消除穩(wěn)態(tài)誤差，但是過小，可能會造成系統(tǒng)不穩(wěn)定，并且系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)速度過慢。
（3-8）
。協(xié)調(diào)參數(shù),當(dāng)過大過小，也會影響系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度及穩(wěn)定性。四系統(tǒng)軟件設(shè)計
4.1 MATLAB設(shè)計思想
線相交點坐標(biāo)。
。通過觀察也可知，相頻特性曲線過線次數(shù)為0，即
，設(shè)計了系統(tǒng)PID仿真結(jié)構(gòu)圖及simulink仿真模塊，并得出仿真結(jié)果，分別如下圖4-2、4-3所示：
5.1 系統(tǒng)的工作原理
（1）總體硬件結(jié)構(gòu)
圖5-1 基于FPGA的直流電機閉環(huán)控制系統(tǒng)的總體硬件結(jié)構(gòu)
（2）基于FPGA的直流電機閉環(huán)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)工作流程框圖如圖6-2
圖5-2 直流電機閉環(huán)控制系統(tǒng)的系統(tǒng)工作流程框圖
工作流程為：檢測到電機工作脈沖，將其轉(zhuǎn)換為實際轉(zhuǎn)速b，實際轉(zhuǎn)速b與通過鍵盤設(shè)定好的設(shè)定轉(zhuǎn)速a比較并且分析，得出偏差值Q，內(nèi)部的PID調(diào)節(jié)器對偏差Q和a，b進行分析，輸出調(diào)節(jié)比較器2（PWM波形發(fā)生器）的比較值的信號。比較器2輸出的PWM波形接到電機開關(guān)控制器，電機控制器的輸出由輸入按鍵5控制。開關(guān)控制器開時輸出PWM波形到H型驅(qū)動電路驅(qū)動電機工作。
六 總結(jié)
在調(diào)速系統(tǒng)領(lǐng)域，作為一類新型的電機，直流電機在其結(jié)構(gòu)特點和運行方式上具有比其他類型的傳統(tǒng)電機更為優(yōu)秀的運行性能和更廣泛的適用范圍，因而應(yīng)用前景廣闊。針對直流電機控制的研究越來越深入，控制器也不斷改進和翻新，控制性能不斷提高。本論文基于FPGA對直流電機進行PID自動控制，整個控制系統(tǒng)看似復(fù)雜，但是將其中幾個模塊拆開來獨立進行研究就顯得簡單容易多了。整個系統(tǒng)體積小、可靠性高、靈活性強，實現(xiàn)了數(shù)字式控制。
本文研究表明，基于FPGA的永磁直流減速電機速度控制系統(tǒng)，采用數(shù)字硬件方式實現(xiàn)控制算法，整個系統(tǒng)速度快，可靠性高、具有可擴展性，大大縮短了硬件開發(fā)的周期。
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