VHDL語言PWM風(fēng)扇等精度測速裝置的實現(xiàn)

李貴子，王季

（1.甘肅省機(jī)械產(chǎn)品檢測與技術(shù)評價重點實驗室，甘肅蘭州 730030；2.甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院，甘肅蘭州 730030）

VHDL語言PWM風(fēng)扇等精度測速裝置的實現(xiàn)

李貴子1，2，王季1，2

（1.甘肅省機(jī)械產(chǎn)品檢測與技術(shù)評價重點實驗室，甘肅蘭州 730030；2.甘肅省機(jī)械科學(xué)研究院，甘肅蘭州 730030）

針對PWM風(fēng)扇性能評價中對高精度、智能化的要求，利用VHDL語言的復(fù)雜系統(tǒng)可編程邏輯器件CPLD,開發(fā)一種等精度自適應(yīng)小型風(fēng)扇轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用VHDL語言編寫程序,選用Quartus II作為開發(fā)平臺,并給出系統(tǒng)的軟硬件方案。通過仿真試驗表明：系統(tǒng)測量工作可靠,有良好的測量精度、靈敏度、分辨率，便于現(xiàn)場測試。

VHDL語言；PWM風(fēng)扇；等精度測速

0 引言

隨著電子、機(jī)械裝置可靠性水平的提升，PWM控制小型直流散熱風(fēng)扇（以下簡稱風(fēng)扇）在加速發(fā)展。風(fēng)扇性能測試主要對風(fēng)扇微型直流電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)速進(jìn)行測試。主要通過給風(fēng)扇提供多種占空比的PWM控制信號，在不同的占空比下分別測試風(fēng)扇的電流和轉(zhuǎn)速。在測量轉(zhuǎn)速方面，閃頻測試儀是目前風(fēng)扇高精度轉(zhuǎn)速測量普遍采用的儀器，更為傳統(tǒng)的測試方法需采用多臺通用儀器，即用信號發(fā)生器提供風(fēng)扇所需的PWM信號，通過電阻采樣風(fēng)扇的電流，使用光電感應(yīng)的方法測轉(zhuǎn)速，通過示波器觀察波形。對自動化流水線來說，采用以上兩種方法，每個測試工位都要配置測試員和整套測試儀器，使得成本升高、測試效率降低[1]。針對這種狀況，研制了基于VHDL語言的高精度新型直流風(fēng)扇自動測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)給風(fēng)扇提供各種占空比的PWM控制信號，通過FPGA技術(shù)和等精度測量原理提高測量的精度，借助FPGA器件內(nèi)部邏輯單元的邏輯功能以及各模塊之間或模塊與I/O間的聯(lián)接方式，計算出風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速及其他參數(shù)，通過CAN總線送到上位機(jī)保存和分析。此系統(tǒng)的測試?yán)碚摐?zhǔn)確度可達(dá)±1 r/s，可同時測試多個風(fēng)扇，實現(xiàn)直流風(fēng)扇的在線測量[2]，提高測量精度和測試效率。本文在整體測試系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，重點介紹基于VHDL語言的PWM風(fēng)扇等精度測速原理及實現(xiàn)。

1 PWM風(fēng)扇工作原理

本文以圖1所示的PWM驅(qū)動的風(fēng)扇為例，進(jìn)行分析，構(gòu)建PWM風(fēng)扇等精度測速原理的系統(tǒng)圖，PWM風(fēng)扇接口線有3線和4線，測試轉(zhuǎn)速時,主要采用其中的TO CLOCK THROTTLE信號線采集風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速信號。

2 PWM風(fēng)扇測試系統(tǒng)工作原理

PWM風(fēng)扇測試系統(tǒng)包括風(fēng)扇接口線路與裝置，測試信號預(yù)處理與控制模塊、數(shù)據(jù)采集卡及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。測試系統(tǒng)在開始測試時，將當(dāng)前測試的PWM波的頻率和占空比經(jīng)過信號預(yù)處理后傳送給所述數(shù)據(jù)采集控制模塊的可編程門陣列FPGA，可編程門陣列根據(jù)當(dāng)前測試點PWM波的頻率和占空比產(chǎn)生高頻率的PWM波，對待測PWM風(fēng)扇進(jìn)行轉(zhuǎn)速控制，上位機(jī)發(fā)出的數(shù)據(jù)采集指令，信號采集電路通過風(fēng)扇接口板采集PWM風(fēng)扇不同占空比的轉(zhuǎn)速信號，并通過雙向精密電流傳感放大器MAX471采集待測PWM風(fēng)扇的電流信號，該電流信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后，與不同占空比下的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速信號一起傳送給FPGA模塊；FPGA模塊對不同占空比的轉(zhuǎn)速信號進(jìn)行等精度處理后和電流信號傳給上位機(jī)和直接顯示裝置，計算機(jī)對該數(shù)字信號進(jìn)行誤差處理和補(bǔ)償后，依據(jù)系統(tǒng)可建制的風(fēng)扇樣品參數(shù)、電流波形高低比的實際值和電流波形寬窄比的實際值進(jìn)行比較，判斷其優(yōu)劣和其他性能指標(biāo)是否滿足。系統(tǒng)原理如圖2所示。

3 PWM風(fēng)扇轉(zhuǎn)速測試信號處理

在本系統(tǒng)預(yù)處理中，采用了美國MAXIM公司的雙向精密電流傳感放大器MAX471，其內(nèi)置35mΩ的精密傳感電阻，可測量的電流范圍是±3A，其響應(yīng)時間、精度高漂移等指標(biāo)均很理想，可以適應(yīng)3A以內(nèi)的各種規(guī)格直流風(fēng)扇的電流測量，MAX471的原理框圖如圖3所示。電流信號通過RS+和RS-輸入到MAX471的采樣電阻進(jìn)行采樣，采樣電阻是一個阻值較小的電阻，串聯(lián)在電路中用于把電流轉(zhuǎn)換為電壓信號進(jìn)行測量。用以檢測電路的電流，在實際的電路中是與負(fù)載電阻串聯(lián)的。采樣電阻一般使用的都是精密電阻，阻值低，精密度高，一般在阻值精密度在±1%以內(nèi)，更高要求的用途時會采用0.01%精度的電阻。MAX471通過一個2kΩ的輸出電阻將電流轉(zhuǎn)換成0～3V的電壓信號，直接送到A/D轉(zhuǎn)換器中。TO CLOCK THROTTLE信號是從風(fēng)扇直接輸出的一串方波信號，其頻率和風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速成正比，用于檢測風(fēng)扇的轉(zhuǎn)換[1]。TO CLOCK THROTTLE信號是電壓信號，經(jīng)電阻1分壓轉(zhuǎn)換到0～3V內(nèi)，然后經(jīng)過一個電壓跟隨器傳送到A/D輸入端。

波形經(jīng)預(yù)處理后的電流信號如圖4所示，電壓信號如圖5所示。

圖5 TO CLOCK THROTTLE預(yù)處理后的電壓信號波形

4 PWM風(fēng)扇等進(jìn)度測速原理及FPGA實現(xiàn)

4.1 等精度測量原理及誤差分析

等精度測頻方法[3]是在直接測頻方法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。它的閘門時間不是固定值，而是被測信號周期的整數(shù)倍，即與被測信號同步。因此，除了在被測信號計數(shù)產(chǎn)生±1個字誤差，已達(dá)到了在整個測試頻段的等精度測量[2]，其測頻原理如圖6所示。在測量過程中，有兩個計數(shù)器分別對標(biāo)準(zhǔn)信號和被測信號同時計數(shù)。首先給出閘門開啟信號（預(yù)置閘門上升沿），此時計數(shù)器并不開始計數(shù)，而是等到被測信號的上升沿到來時，計數(shù)器才真正開始計數(shù)。然后預(yù)置閘門關(guān)閉信號（下降沿）時，計數(shù)器并不立即停止計數(shù)，而是等到被測信號的上升沿到來時才結(jié)束計數(shù)，完成一次測量過程。可以看出，實際閘門時間t與預(yù)置閘門時間t1并不嚴(yán)格相等，但差值不超過被測信號的一個周期。

圖6 等精度測頻原理波形圖

設(shè)在一次實際閘門時間t中計數(shù)器對被測信號的計數(shù)值為Nx，對標(biāo)準(zhǔn)信號的計數(shù)值為Ns。標(biāo)準(zhǔn)信號的頻率為fx，則被測信號的頻率為

圖7 等精度測頻實現(xiàn)原理圖

等精度測頻的實現(xiàn)方法[4-9]可簡化為圖7所示。CNT1和CNT2是兩個可控計數(shù)器，標(biāo)準(zhǔn)頻率信號從CNT1的時鐘輸入端CLK輸入；經(jīng)整形后的被測信號從CNT2的時鐘輸入端CLK輸入。當(dāng)預(yù)置門控信號為高電平時，經(jīng)整形后的被測信號的上升沿通過D觸發(fā)器的Q端同時啟動CNT1和CNT2。CNT1、CNT2同時對標(biāo)準(zhǔn)頻率信號和經(jīng)整形后的被測信號進(jìn)行計數(shù)，分別為Ns與Nx。當(dāng)預(yù)置門信號為低電平時，而后來的被測信號的上升沿將使兩個計數(shù)器同時關(guān)閉，所測得的頻率為（Fs/Fn）×Nx。則等精度測量方法測量精度與預(yù)置門寬度的標(biāo)準(zhǔn)頻率有關(guān)，與被測信號的頻率無關(guān)。在預(yù)置門時間和常規(guī)測頻閘門時間相同而被測信號頻率不同的情況下，等精度測量法的測量精度不變。

4.2 誤差分析

由式（1）可知，若忽略標(biāo)頻fs的誤差，則等精度測頻可能產(chǎn)生的相對誤差為

其中fxe為被測信號頻率的準(zhǔn)確值。在測量中，由于fx計數(shù)的起停時間都是由該信號的上升沿觸發(fā)的，在閘門時間t內(nèi)對fx的計數(shù)Nx無誤差（t=Nx×Tx）；對fs的計數(shù)Ns最多相差一個數(shù)的誤差，即|ΔNs|≤1，其測量頻率如式：

將式（1）和式（2）代入式（3），并整理如式：

由式（4）可以看出，測量頻率的相對誤差與被測信號頻率的大小無關(guān)，僅與閘門時間和標(biāo)準(zhǔn)信號頻率有關(guān)，即實現(xiàn)了整個測試頻段的等精度測量。閘門時間越長，標(biāo)準(zhǔn)頻率越高，測頻的相對誤差就越小[4]。標(biāo)準(zhǔn)頻率可由穩(wěn)定度好、精度高的高頻率晶體振蕩器產(chǎn)生，在保證測量精度不變的前提下，提高標(biāo)準(zhǔn)信號頻率，可使閘門時間縮短，即提高測試速度。

4.3 PWM風(fēng)扇等進(jìn)度測速原理FPGA實現(xiàn)

PWM驅(qū)動的風(fēng)扇，其轉(zhuǎn)速的核心思想在于以TO CLOCK THROTTLE信號經(jīng)過轉(zhuǎn)換盒整形以后的方波信號的上升沿作為開啟門閘和關(guān)閉門閘的驅(qū)動信號，只有在被測信號的上升沿才將圖3中預(yù)置的“軟件閘門”的狀態(tài)鎖存，因此在實際閘門Tx內(nèi)被測信號的個數(shù)就能保證整數(shù)個周期，這樣就避免普通測量方法中被測信號的±1的誤差，但會產(chǎn)生高頻的標(biāo)準(zhǔn)頻率信號的±1周期誤差，因為周期與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速成正比，計算出的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速相較于傳統(tǒng)的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速測量方法，可以大大提高測量精度。

圖8 PWM風(fēng)扇等精度測速原理

5 PWM風(fēng)扇等精度測速系統(tǒng)的仿真

仿真使用Quartus II軟件，該軟件支持VHDL語言，對FPGA模塊編譯后，其時序仿真波形如圖5所示，在TF=0，EEND=1時，在FSTD，F(xiàn)INPUT端口有穩(wěn)定的數(shù)據(jù)輸出，并且可以設(shè)置其周期比為1/2。同時測得不同閘門時間內(nèi)對標(biāo)準(zhǔn)時鐘信號和被測信號的脈沖計數(shù)值，可以看出一直保持1/2的關(guān)系，符合系統(tǒng)要求的等精度原理公式計算。在輸入標(biāo)準(zhǔn)頻率信號時，由此可得被測信號的頻率值。進(jìn)而計算出所測轉(zhuǎn)速。由圖9可看出，基本在軟件上實現(xiàn)了測試功能，在整個頻率測量范圍內(nèi)，精度恒定，實現(xiàn)了等精度測量。

6 PWM風(fēng)扇等精度測速系統(tǒng)驗證

取20PCS風(fēng)扇，通過閃頻測速儀（DT2239B）和基于VHDL語言的PWM風(fēng)扇等精度測速裝置上進(jìn)行對比驗證，閃頻測速儀測試數(shù)據(jù)用Ai表示，本文研究裝置測試數(shù)據(jù)用Bi（i=1，2…）表示，測試數(shù)據(jù)見表1。由表1可知，該測試裝置具有很高的測試精度和穩(wěn)定性。

圖9 PWM風(fēng)扇等精度測速系統(tǒng)的仿真

表1 測試裝置對比驗證測試數(shù)據(jù)表

7 結(jié)束語

實踐證明，利用VHDL語言和復(fù)雜系統(tǒng)可編程邏輯器件CPLD，開發(fā)了等精度測量小型風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的便攜式測量系統(tǒng)，通過實驗表明：系統(tǒng)測量工作可靠，有良好的測量精度、靈敏度、分辨率，便于現(xiàn)場測試。實現(xiàn)了直流風(fēng)扇的在線測量及測量精度，提高了測試效率，適合風(fēng)扇電氣性能評價和生產(chǎn)線自動化測量。

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PWM fan equal-precision speed measurement device based on VHDL language

LI Gui-zi1，2，WANG Ji1，2
（1.Key Laboratory of Mechanical Product Testing and Technical Evaluation，Gansu Province，Lanzhou 730030，China；
2.Gansu Academy of Mechanical Sciences，Lanzhou 730030，China）

According to the requirements of high precision and intelligentialize in the process of PWM fan performance evaluation，complex programmable logic device CPLD of VHDL language was used to develop an equal-precision and self adaptive measurement system to measure the speed of small fan.The system use VHDL language to program，select Quartus II as the development platform with solution for hardware and software of the system.The simulation and experiment show the measurement of system is reliable and the measurement precision，sensitivity and resolution ratio are excellent.Therefore the system is convenient for field test.

VHDL；PWM fan；precision measurement

TM925.11；TM930.114；TP274+.2；TP302.7

A

1674-5124（2013）04-0109-04

2012-10-18；

2012-12-24

李貴子（1979-），男，甘肅秦安縣人，工程師，碩士，主要從事智能檢測與故障診斷工作。