直流电机的测速实验：了解和掌握使用方法

直流电机的测速实验

一、      实验目的
1、       掌握直流电机的工作原理。
2、       了解开关型霍尔传感器的工作原理和使用方法。
3、       掌握电机测速的原理。
二、      实验原理
直流电机是我们生活当中常用的一种电子设备。其内部结构如下图4-14-1所示：
直流电机内部结构

图4-14-1 直流电机结构图
下面就上图来说明直流电机的工作原理。将直流电源通过电刷接通电枢绕组，使电枢导体有电流流过，由于电磁作用，这样电枢导体将会产生磁场。同时产生的磁场与主磁极的的磁场产生电磁力，这个电磁力作用于转子，使转子以一定的速度开始旋转。这样电机就开始工作。
为了能够测定出电机在单位时间内转子旋转了多少个周期，我们在电机的外部电路中加入了一个开关型的霍尔原件（44E），同时在电子转子上的转盘上加入了一个能够使霍尔原件产生输出的带有磁场的磁钢片。当电机旋转时，带动转盘是的磁钢片一起旋转，当磁钢片旋转到霍尔器件的上方时，可以导致霍尔器件的输出端高电平变为低电平。当磁钢片转过霍尔器件上方后，霍尔器件的输出端又恢复高电平输出。这样电机每旋转一周，则会使霍尔器件的输出端产生一个低脉冲，我们就可以通过检测单位时间内霍尔器件输出端低脉冲的个数来推算出直流电机在单位时间内的转速。直流电机和开关型霍尔器件的电路原理图如下图4-14-2所示：

图4-14-2 直流电机、霍尔器件电路图
电机的转速通常是指每分钟电机的转速，也就是单位为rpm，实际测量过程中，为了减少转速刷新的时间，通常都是5～10秒刷新一次。如果每6秒钟刷新一次，那么相当于只记录了6秒钟内的电机转数，把记录的数据乘10即得到一分钟的转速。最后将这个数据在数码管上显示出来。
最后显示的数据因为是将数据乘以10，也就是将个位数据的后面加上一位来做个位即可，这一位将一直为0。如：45*10变为450，即为在“45”个位后加了一位“0”。由此可知，这个电机的转速的误差将是20以内。为了使显示的数据能够在数码管是显示稳定，在这个数据的输出时加入了一个16位的锁存器，把锁存的数据送给数码管显示，这样就来会因为在计数过程中，数据的变化而使数码管显示不断变化。
三、 实验内容
本实验要求完成的任务是通过编程实现电机转数读取，并在数码管上显示。其读取数据和显示数据的时序关系如下图4-14-3所示：

图4-14-3    实验控制信号时序图

四、      实验步骤
1、    打开QUARTUSII软件，新建一个工程。
2、       建完工程之后，再新建一个VHDL File，打开VHDL编辑器对话框。
3、       按照实验原理和自己的想法，在VHDL编辑窗口编写VHDL程序，用户可参照光盘中提供的示例程序。示例程序共提供4个VHDL源程序。每一个源程序完成一定的功能。其具体的功能如下表4-14-1：

文件名称

完成功能

TELTCL.VHD

在时钟的作用下生成测频的控制信号。

CNT10.VHD

十进制计数器。在实验中使用4个来进行计数

SEG32B.VHD

16位的锁存器，在锁存控制信号的作用下，将计数的值锁存

DISPLAY.VHDL

显示译码，将锁存的数据显示出来。

表4-14-1   示例程序功能表
4、       编写完VHDL程序后，保存起来。方法同实验一。
5、       将自己编写的VHDL程序进行编译并生成模块符号文件，并对程序的错误进行修改，最终所有程序通过编译并生成模块符号文件。其具体方法请参照实验六。
6、       新建一个图形编辑文件，将已生成的模块符号文件放入其中，并根据要求边接起来。完成后，如下图14-4所示：

图14-4    编辑好的图形设计文件
7、       将自己编辑好的的程序进行编译仿真，并对程序的错误进行修改，最终通过编译。
8、       编译仿真无误后，根据用户自己的要求进行管脚分配。分配完成后，再  进行全编译一次，以使管脚分配生效。
9、       根据实验内容用实验导线将上面管脚分配的FPGA管脚与对应的模块连接起来。
      如果是调用的本书提供的VHDL代码，则实验连线如下：
      CLK： FPGA时钟，接数字时钟1.5M。
      MOTOR：接电机模块的SPD测速端口。
      LEDAG[6..0]：接数码管的A、B、C、D、E、F、G。
      SEL[2..0]：接数码管的SEL2、SEL1、SEL0。
10、     用下载电缆通过JTAG口将对应的sof文件加载到FPGA中。观察实验结果是否与自己的编程思想一致
五、      实验结果与现象
以设计的参考示例为例，当设计文件加载到目标器件后，将直流电机模块的模式选择到ON模式，旋转改变转速的电位器，使直流电机开始旋转，此时在一定的时间内，数码管上将显示此时直流电机的每分钟转速。通过电位器慢慢增加或者减少直流电机的转动速率，此时数码管上的数值也会相应的增加或者减少。
六、      实验报告
1、绘出仿真波形，并作说明。
2、试编写程序将实验的结果精确到个位。
3、将实验原理、设计过程、编译仿真波形和分析结果、硬件测试结果记录下来。