直流電機的測速實驗
一、 實驗目的1、 掌握直流電機的工作原理。
2、 了解開關(guān)型霍爾傳感器的工作原理和使用方法。
3、 掌握電機測速的原理。
二、 實驗原理
直流電機是我們生活當中常用的一種電子設(shè)備。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下圖4-14-1所示：
圖4-14-1 直流電機結(jié)構(gòu)圖
下面就上圖來說明直流電機的工作原理。將直流電源通過電刷接通電樞繞組，使電樞導體有電流流過， 由于電磁作用，這樣電樞導體將會產(chǎn)生磁場。同時產(chǎn)生的磁場與主磁極的的磁場產(chǎn)生電磁力，這個電磁力作用于轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子以一定的速度開始旋轉(zhuǎn)。這樣電機就開始工作。
為了能夠測定出電機在單位時間內(nèi)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)了多少個周期，我們在電機的外部電路中加入了一個開關(guān)型的霍爾原件（44E），同時在電子轉(zhuǎn)子上的轉(zhuǎn)盤上加入了一個能夠使霍爾原件產(chǎn)生輸出的帶有磁場的磁鋼片。當電機旋轉(zhuǎn)時，帶動轉(zhuǎn)盤是的磁鋼片一起旋轉(zhuǎn)，當磁鋼片旋轉(zhuǎn)到霍爾器件的上方時，可以導致霍爾器件的輸出端高電平變?yōu)榈碗娖�。當磁鋼片轉(zhuǎn)過霍爾器件上方后，霍爾器件的輸出端又恢復高電平輸出。這樣電機每旋轉(zhuǎn)一周，則會使霍爾器件的輸出端產(chǎn)生一個低脈沖，我們就可以通過檢測單位時間內(nèi)霍爾器件輸出端低脈沖的個數(shù)來推算出直流電機在單位時間內(nèi)的轉(zhuǎn)速。直流電機和開關(guān)型霍爾器件的電路原理圖如下圖4-14-2所示：
圖4-14-2 直流電機、霍爾器件電路圖
電機的轉(zhuǎn)速通常是指每分鐘電機的轉(zhuǎn)速，也就是單位為rpm，實際測量過程中，為了減少轉(zhuǎn)速刷新的時間，通常都是5～10秒刷新一次。如果每6秒鐘刷新一次，那么相當于只記錄了6秒鐘內(nèi)的電機轉(zhuǎn)數(shù)，把記錄的數(shù)據(jù)乘10即得到一分鐘的轉(zhuǎn)速。最后將這個數(shù)據(jù)在數(shù)碼管上顯示出來。
最后顯示的數(shù)據(jù)因為是將數(shù)據(jù)乘以10，也就是將個位數(shù)據(jù)的后面加上一位來做個位即可，這一位將一直為0。如：45*10變?yōu)?50，即為在“45”個位后加了一位“0”。由此可知，這個電機的轉(zhuǎn)速的誤差將是20以內(nèi)。為了使顯示的數(shù)據(jù)能夠在數(shù)碼管是顯示穩(wěn)定，在這個數(shù)據(jù)的輸出時加入了一個16位的鎖存器，把鎖存的數(shù)據(jù)送給數(shù)碼管顯示，這樣就來會因為在計數(shù)過程中，數(shù)據(jù)的變化而使數(shù)碼管顯示不斷變化。
三、 實驗內(nèi)容
本實驗要求完成的任務(wù)是通過編程實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)數(shù)讀取，并在數(shù)碼管上顯示。其讀取數(shù)據(jù)和顯示數(shù)據(jù)的時序關(guān)系如下圖4-14-3所示：
圖4-14-3 實驗控制信號時序圖
四、 實驗步驟
1、 打開QUARTUSII軟件，新建一個工程。
2、 建完工程之后，再新建一個VHDL File，打開VHDL編輯器對話框。
3、 按照實驗原理和自己的想法，在VHDL編輯窗口編寫VHDL程序，用戶可參照光盤中提供的示例程序。示例程序共提供4個VHDL源程序。每一個源程序完成一定的功能。其具體的功能如下表4-14-1：
| 文件名稱 | 完成功能 |
| TELTCL.VHD | 在時鐘的作用下生成測頻的控制信號。 |
| CNT10.VHD | 十進制計數(shù)器。在實驗中使用4個來進行計數(shù) |
| SEG32B.VHD | 16位的鎖存器，在鎖存控制信號的作用下，將計數(shù)的值鎖存 |
| DISPLAY.VHDL | 顯示譯碼，將鎖存的數(shù)據(jù)顯示出來。 |
4、 編寫完VHDL程序后，保存起來。方法同實驗一。
5、 將自己編寫的VHDL程序進行編譯并生成模塊符號文件，并對程序的錯誤進行修改，最終所有程序通過編譯并生成模塊符號文件。其具體方法請參照實驗六。
6、 新建一個圖形編輯文件，將已生成的模塊符號文件放入其中，并根據(jù)要求邊接起來。完成后，如下圖14-4所示：
圖14-4 編輯好的圖形設(shè)計文件
7、 將自己編輯好的的程序進行編譯仿真，并對程序的錯誤進行修改，最終通過編譯。
8、 編譯仿真無誤后，根據(jù)用戶自己的要求進行管腳分配。分配完成后，再 進行全編譯一次，以使管腳分配生效。
9、 根據(jù)實驗內(nèi)容用實驗導線將上面管腳分配的FPGA管腳與對應(yīng)的模塊連接起來。
如果是調(diào)用的本書提供的VHDL代碼，則實驗連線如下：
CLK： FPGA時鐘，接數(shù)字時鐘1.5M。
MOTOR：接電機模塊的SPD測速端口。
LEDAG[6..0]：接數(shù)碼管的A、B、C、D、E、F、G。
SEL[2..0]：接數(shù)碼管的SEL2、SEL1、SEL0。
10、 用下載電纜通過JTAG口將對應(yīng)的sof文件加載到FPGA中。觀察實驗結(jié)果是否與自己的編程思想一致
五、 實驗結(jié)果與現(xiàn)象
以設(shè)計的參考示例為例，當設(shè)計文件加載到目標器件后，將直流電機模塊的模式選擇到ON模式，旋轉(zhuǎn)改變轉(zhuǎn)速的電位器，使直流電機開始旋轉(zhuǎn)，此時在一定的時間內(nèi)，數(shù)碼管上將顯示此時直流電機的每分鐘轉(zhuǎn)速。通過電位器慢慢增加或者減少直流電機的轉(zhuǎn)動速率，此時數(shù)碼管上的數(shù)值也會相應(yīng)的增加或者減少。
六、 實驗報告
1、 繪出仿真波形，并作說明。
2、 試編寫程序?qū)嶒灥慕Y(jié)果精確到個位。
3、將實驗原理、設(shè)計過程、編譯仿真波形和分析結(jié)果、硬件測試結(jié)果記錄下來。