济 南 大 学
自动化与电气工程学院
专 业 综 合 实 训 报 告
所属实训环节： 电力电子与电气传动综合实训 学生姓名： 宋春有
学号： 20120321229 班级： 电能1201班
综合实训题目：直流电动机PWM驱动器硬件软件设计
指导教师： 龚宇雷、王成友、陈芳 计划实训时间：2015年9月15日至2015年10月25 日
自动化与电气工程学院制
专业综合实训任务书
任务与要求
专业综合实训内容：
掌握直流电动机驱动器电路原理，以及CPLD程序设计方法，编程技巧及调试的技能。
主要要求及指标：
通过在可编程逻辑器件CPLD中综合运用数字电子技术基础课程中的触发器、计数器、数据比较器等内容，实现数字PWM驱动器功能；完成作品的设计、制作和调试，给出制作实物，提交简要设计报告（按照技术类杂志投稿要求撰写1000字左右，要求学生手写），按照题目要求进行电动机调速运行等功能的演示
开始日期2015年9月15日完成日期2015年10月25日
以下由指导教师填写： 指导教师评语： 评定成绩（五级制） 指导教师签字 年 月 日
目录
一、电力电子课程实训概要……………………………………………………2
1、实训主要仪器设备和材料……………………………………………………2
二、实训软件ispLEVER的学习与运用………………………………………2
1、ispLEVER的安装………………………………………………………………2 2ispLEVER的运用………………………………………………………………3
三、实训电路图与编程原理图及其工作原理………………………………4
1、电路原理图……………………………………………………………………4 2、编程原理图……………………………………………………………………7 2、工作原理分析…………………………………………………………………9
四、电路调试与波形分析………………………………………………………12
1、仿真波形图…………………………………………………………………12 2、波形图分析…………………………………………………………………12
五、收获与体会…………………………………………………………………13
参考文献……………………………………………………………………………14
一、电力电子课程实训概要
1、实训主要仪器设备和材料
a、示波器，电烙铁，尖头镊子，斜口钳 b、示波器、万用表
c、微型直流电动机，电源，CPLD下载器
二、实训软件ispLEVER的学习与运用
1、ispLEVER编程软件
a、它支持原理图、硬件描述语言（ABEL-HDL、VHDL、Verilog）以及原
理图和硬件描述语言混合输入三种方式。
b、能对设计进行逻辑优化，并将逻辑映射到器件中去，自动完成预布线，生成编程所需的熔丝图文件，通过下载电缆下载到器件中。
c、ispLEVER在WINDOWS平台上运行，支持层次设计，具有十分友好的人机界面。
d、整个设计工作流程大致分为创建新设计项目，选择器件，输入源文件，编译与优化，逻辑模拟，连接和器件适配，下载等若干过程。
2、在系统可编程器件设计步骤
1.创建新设计项目：设计的第一步，它的任务是建立一个项目，包括项目文件和项目标题。
2.选择器件：在器件选择窗口中选择要使用的器件。针对某个可编程器件进行设计时，建立项目后，应首先选择器件。
3.输入和修改源文件：设计过程中最重要的一步。所有的设计思想通过源程序的形式输入计算机。一个项目可能由一个或多个源文件组成。
4.编译与优化：原理图和ABEL-HDL文件必须经过编译。编译用途和其他语言是一样的。若不能通过编译，则需返回修改源文件。
5.仿真：目的是对设计的正确性进行检验。从功能上对设计的正确性进行检查，它假定信号的传输时间为0，与适配器的时间无关。若仿真结果与设计要求不符，则需修改设计。
6.连接与器件适配：连接将编译后的各模块连接成一个文件。器件适配则把设计放进目标器件中。
7.下载：通过下载电缆，将生成的JED数据文件下载到电路板上的ISP器件中。下载又称为编程。一个ISP器件只有经过下载这一步骤，才能将设计成果转化为该器件的功能，在电路板上发挥应有的作用。
3、建立由原理图源文件组成的设计
1.创建一个新的设计项目 选择菜单File->New Project...
在Create New Project对话框的Project Name栏中，键入项目名，在Project type栏中选择Schematic/ABEL
你可以看到默认的项目名和器件型号: Untitled and ispLSI5256VE-165LF256。
用鼠标双击Untitled，在Title文本框中输入项目 2.选择器件
双击ispLSI5256VE-165LF256, 你会看到Device Selector对话框(如下图所示)，选择器件，按ok按钮。
在软件弹出的如下图显示的Confirm Change窗口中，按Yes按钮。
在软件接着弹出的如下图显示的ispLEVER Project Navigato窗口中，按Yes按钮,以用来去除原有的约束条件。
3.在设计中增加源文件
从菜单上选择Source项，选择new。
在对话框中，选择Schematic(原理图)，并按OK。 输入文件名demo，确认后按OK。
现在出现了如图所示的原理图编辑器，可以开始绘制原理图了。
4. 建立元件符号（Symbol）
ispLEVER工具的一个非常有用的特点是能够迅速地建立起一张原理 图的符号。通过这一步骤，你可以建立一个可供反复调用的逻辑宏 元件，以便放置在更高一层的原理图纸上。
双击原理图的资源文件demo.sch，把它打开。 在原理图编辑器中，选择File菜单。 从下拉菜单中，选择Matching Symbol命令。 关闭原理图。
至此，这张原理图的宏元件符号已经建立完毕，并且被加到元件表中。你可以在下一步中调用这个元件。
三、实训原理图及其工作原理
1、电路原理图
2、工作原理分析
电路原理图如上图所示。有两个环节组成：isp1016E芯片控制的PWM输出、驱动放大电路。
电路通电后，在可编程逻辑器件中放入所编程序实现PWM波行输出，四个按键进行控制，SW1是调速按钮，SW2是控制正反转，SW3控制SW1，SW2的输入，SW4是复位按钮。通过对不同按键的的控制来改变所输出PWM波的占空比以及线路的极性，通过放大驱动控制电路，实现对直流电动机的加减速，正反转的控制。
3、硬件电路设计方案及设计原理
直流电机PWM调速硬件设计框图如图1所示。
正反转控PWM信号驱动电路 速度设定 制电路 产生电路
电源电路 电机
1、PWM信号产生电路的设计方案及设计原理
PWM是英文pulse width modulation的缩写，其含义就是脉冲宽度调节，简称脉宽调制，广泛应用于测量，调速等。目前直流电机PWM调速信号有多种方法实现。
1）模拟电路实现方案；用模拟电路加电位器实现PWM信号的原理如图2所示。集成运放A1、A2构成三角波发生电路，集成运放A3构成电压跟随器，A4构成电压比较器，它是实现PWM信号的核心部分，电压比较器的同相端通过电压跟随器接三角波输出信号，其电压按三角波规律变化。电压比较器的反相端接10K欧姆电位器的中心抽头，调节电位器可使其电压在0V~+12V之间变化。从而调节电压比较器的基准电压，也就调节了比较器的门限电平。当基准电压低时，门限电平低，输出脉冲高电平持续时间长，即输出脉冲宽度宽；当基准电压高时，门限电平也高，输出脉冲宽度就窄，从而达到了脉宽调制的目的，其波形图如图3所示。
2、数字电路方案：采用数字电路设计方案如图4所示，由计数器、寄存器及数字比较器等电路组成。寄存器保存的是四位比较数据，由控制电机调速的开关提供数据，可以通过开关改变其数据大小。计数器是按四位二进制加法规律计数，在CP脉冲作用下，其输出Q3 Q2 Q1 Q0由0000~1111变化，每经过16个CP脉冲循环一次。四位数字比较器的比较信号B接开关数据，被比较信号A接计数器输出端。当A大于B时，输出高电平，当A小于等于B时，输出低电平。根据输入的不同比较信号，其输出脉冲宽度不同，从而得到所需要的PWM信号。图5给出了B=B3B2B1B0=0100以及B= B3B2B1B0=1100时的PWM波形。
CP 脉冲 Q0 计数器 Q1 Q2 Q3 速度设定数据 寄 存 器 A0 A1 A2 A3 B0 B1 B2 B3 四位数字比较器PWMX信号Y 数字电路产生PWM信号电路
PWM1
PWM2
CP t t t 不同调速数据的PWM信号波形 PWM1: B=0100时的PWM波 PWM2: B=1100时的PWM波形
2、正反转驱动控制电路设计
控制电机正反转的条件就是使流过电机的电流方向相反，如图6所示，当三极管T1、T4导通，且T2、T3截止时，电流由电机的左端流向右端，电机实现正转，反之，当三极管T1、T4截止，且T2、T3导通时，电流由电机的右端流向左端，电机实现反转。根据这一思想，设计中，将T1、T4的基极并联，T2、T3的基极并联，控制轮流接通PWM信号即可实现正反转控制。为了能实现轮流给出PWM信号，设计中采用了两个三态非逻辑门,如图7所示。当控制端SW3=0时，三态非逻辑门G1输出高阻态，G2有效，PWM信号通过G2输出，实现反转。当控制端SW3=1时，三态非逻辑门G1有效，G2输出高阻态，PWM信号通过G1输出，实现正转。 图6电机正反转驱动电路
PWM G1 1 PWML 1 G2 1 PWMR SW3 图7 正反转信号控制电路 3、计数器计数脉冲电路设计。 计数器正常计数需要计数脉冲，设计中采用555定时器构成多谐振荡器来实现计数脉冲。电路如图8所示。其输出波形如前面图5中CP波形。 VCC
R1
8 4 Uo
7 3
R2
6 555
2 5 UC
1 0.01 C
GND
4、编程原理图
图8 CP脉冲产生电路
4、工作原理分析
电路原理图如上图所示。有以下几个模块组成：555信号发生器，累加器，数字比较器，D触发器，三态门
555定时器发出信号、计数器进行累加，16个正弦波为一个信号，加满溢出，由clv端口控制，一开始对数字比较器的B0，B1，B2，B3端口进行初始值的设定为0100，通电后当正弦波进行到第四个上升沿是比较器输出，从而电动机转动，此时按下SW1不松，再按SW3，依次松开SW3、SW1，则对B0，B1，B2，B3的值进行了重新设定，此时只有当方波上升那个到第十二个上升沿时比较器才输
出，从而控制了输出电流的大小，实现了电机的调速，此时再按下SW3速度又返回。进行电机的正反转，在数据比较器后面设置了两个三态门，由SW2进行控制，两个三态门分别接电机的不同端子，按下SW2后面的三态交替工作，从而实现了电机的正反装的控制，此时按下SW3电机返回初始状态。
一开始接通电路，电机进行快速正向转动，此时一直按着SW1，再按一下SW3，松开SW3，SW1电机实现减速功能，按下SW3电机实现加速功能。此时一直按着SW2，再按一下SW3，松开SW3，SW2电机实现快速反转功能，按下SW3电机实现正转加速功能功能。
四、电路调试与波形分析
1、波形图
2、波形图分析
波形Y0是有555定时器发出的方波，接上电机时电动机开始快速正向旋转，此时按着SW1，按一下SW3，高电平输入，电动机开始减速，PWML波形占空比减少，PWML为高电平，按一下SW3电动机速度又回到高速，按着SW2，按一下SW3，电机实现反转，PWML波形变化，PWMR为高电平，电机实现反转，按下SW3电机又回到正转。
五、收获与体会
经过为期四周的实习训练，我觉得自己获益匪浅，这次实训，自己终于有了一个从课堂理论向实际动手操作转变的机会，从而深刻体会的理论与现实之间有很大的差距。
在实训过程中，经历了许多困难与挫折，由于这个课程设计涉及许多关于数字电子的内容，而这些内容早已在脑海中淡忘，所以，我和同学们又温习了数字电子理论，把课本上学到的知识，经过积极努力的探索，转化成了电路板上一个又一个焊点，一块又一块芯片之间的连接，最终形成整体电路，实现了软硬件结合，进而驱动电机正反转，调速等等。理论是现实技术发展的前提与向导，但技术确是检验理论的唯一手段，此次设计，让我深刻体味了技术的重要性，也许，我们的知识已经在大脑中储存了很多，但如果想要变成真正的技术进而制造出想要得到的实物，恐怕还有很长一段路要走。这个过程中，让我感触最深的就是电机驱动芯片的焊接，由于该芯片的焊接属于贴片焊接，而且芯片有很多引脚，这让许多同学在焊接过程中遇到很多麻烦，而且有一个很关键地方就是芯片怕高温，许多芯片在焊接过程中已经被高温所损坏，所以在焊接过程中要非常的小心。 该电路板设置了很多检测信号的地方，以便在测试过程中及时发现问题的所在，便于检查电压和信号的情况，又一重要过程是示波器的使用，该电路板共设置了三处波形检测处，而示波器的使用显得尤为重要。
通过这次课程设计，我不仅学会了许多软件的应用，而且进一步加深了对示波器和万用表等基础电子电器工具的使用，不仅丰富了机子的理论知识，而且增强了动手实践能力，课程设计是学习的一种有效方式，弥补了自己在课堂上的不足，进而激发了自己积极学习科学文化知识与技术的兴趣，让我在以后的学习道路上更加努力前进！
参考文献
[1]王兆安，刘进军编. 电力电子技术. 机械工业出版社.2009.7 [2]阎石.数字电子技术.高等教育出版社.2006.5
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容