基于FPGA直流電機的PWM控制

胡亞琦， 胡翔宇， 牛 寶

(1. 蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院， 甘肅 蘭州 730070； 2. 廈門大學(xué) 數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院， 福建 廈門 361005)

0 引 言

脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation,PWM，簡稱脈寬調(diào)制)是利用微處理器的數(shù)字書出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)[1]。用現(xiàn)場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)產(chǎn)生PWM波形，只需FPGA內(nèi)部資源就可實現(xiàn)用數(shù)字比較器代替模擬比較器，與模擬控制相比，省去了外接D/A轉(zhuǎn)換器和模擬比較器。FPGA外部連線很少，電路更加簡單，便于控制。PWM是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小[2]。又由于PWM采用了橋式驅(qū)動電路，開關(guān)管始終處于截止和飽和兩種狀態(tài)，因此具有功耗小、效率高的優(yōu)點[3]。

1 工作原理

用FPGA產(chǎn)生PWM波形，只需要FPGA內(nèi)部資源就可以實現(xiàn)，如數(shù)字比較器、鋸齒波發(fā)生器等均為FPGA內(nèi)部資源，我們只要直接調(diào)用就可以[4]。外部端口U_D、EN1、Z/F、START接在鍵盤電路上；CLK2和CLK0接在外部時鐘電路上，所用到的時鐘頻率為100和50 MHz，如圖 1 所示。

以設(shè)定值計數(shù)器設(shè)置PWM的占空比。當U/D=1時,輸入CLK2,使設(shè)定值計數(shù)器的輸出值增加, PWM的占空比增加,電機轉(zhuǎn)速加快;當U/D=0時，輸入CLK2，使設(shè)定值計數(shù)器的輸出值減小,PWM的占空比減小,電機轉(zhuǎn)速變慢[5]。在CLK0的作用下,鋸齒波計數(shù)器輸出周期性線性增加的鋸齒波。當計數(shù)值小于設(shè)定值時,數(shù)字比較器輸出高電平;當計數(shù)值大于設(shè)定值時,數(shù)字比較器輸出低電平,由此產(chǎn)生周期性的PWM波形。

旋轉(zhuǎn)方向控制電路控制直流電動機轉(zhuǎn)向和啟/停,該電路由兩個2選1的多路選擇器組成,Z/F鍵控制選擇PWM波形是從正端Z進入H橋，還是從負端F進入H橋，以控制電機的旋轉(zhuǎn)方向。當Z/F=1時，PWM輸出波形從正端Z進入H橋，電機正轉(zhuǎn)；當 Z/F =0時，PWM輸出波形從負端F進入H橋，電機反轉(zhuǎn)[6]。

Start鍵通過“與”門控制PWM輸出,實現(xiàn)對電機的工作停止/控制。當START=1時，與門打開，允許電機工作[7]；當START=0時，與門關(guān)閉，電機停止轉(zhuǎn)動。H橋電路由大功率晶體管組成，PWM輸出波形通過方向控制電路送到 H 橋, 經(jīng)功率放大以后對直流電機實現(xiàn)四象限運行，并由EN1信號控制是否允許變速。

1.1 旋轉(zhuǎn)控制模塊

PWM控制電路由細分計數(shù)器和脈寬計數(shù)器所組成，CNT5是一個5位二進制計數(shù)器，作脈寬計數(shù)器[8]。脈寬計數(shù)器在CLK5的激勵下輸出從0開始的逐漸增大的鋸齒波。兩路數(shù)值同時加在數(shù)字比較器上，當脈寬計數(shù)器輸出值小于DECD輸出的規(guī)定值時，比較器輸出低電平；當脈寬計數(shù)器輸出值大于DECD輸出的規(guī)定值時，比較器輸出高電平。改變DECD的輸出值，就等于改變PWM輸出信號的占空比[9]。

(1) 旋轉(zhuǎn)控制模塊的VHDL程序。

LIBRARY IEEE;

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITY CNT5 IS

PORT(CLK:IN STD_LOGIC;

AA:OUT STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 1));

END CNT5;

ARCHITECTURE behav OF CNT5 IS

SIGNAL CQI:STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 1);

BEGIN

PROCESS(CLK)

BEGIN

IF CLK'EVENT AND CLK='1'then CQI<=CQI+1;END IF;

END PROCESS;

AA<=CQI(4 DOWNTO 1);

END behav;

圖2為旋轉(zhuǎn)控制模塊的實體電路。

圖2 旋轉(zhuǎn)控制模塊的實體電路

(2) 仿真波形。如圖3所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)控制模塊仿真波形

1.2 比較器

如圖4所示。

(1) 8路比較器程序

LIBRARY IEEE;

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

ENTITY COMPARATOT8 IS

PORT(a,b:IN STD_LOGIC_VECTOR(7 DOWNTO 0);

y:OUT STD_LOGIC);

END ENTITY;

ARCHITECTURE FUNC OF COMPARATOT8 IS

BEGIN

PROCESS (a,b)

BEGIN

IF(a>b)THEN y<='1';

ELSE y<='0';

END IF;

END PROCESS;

END FUNC;

(2) 仿真波形。如圖5所示。

圖5 比較器仿真波形

1.3 四進制計數(shù)器

四進制計數(shù)器如圖6所示。

Clk為輸入信號，可以輸入一個時鐘信號，AA[4..1]為輸出信號，給定輸入信號后可以輸出一個四位信號[10]。

(1) 四進制計數(shù)器。

LIBRARY IEEE;

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;

ENTITY CNT5 IS

PORT(CLK:IN STD_LOGIC;

AA:OUT STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 1));

END CNT5;

ARCHITECTURE behav OF CNT5 IS

SIGNAL CQI:STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 1);

BEGIN

PROCESS(CLK)

BEGIN

IF CLK'EVENT AND CLK='1'then CQI<=CQI+1;END IF;

END PROCESS;

AA<=CQI(4 DOWNTO 1);

END BEHAV;

2 元件組合完成電機方向轉(zhuǎn)換的仿真

利用計數(shù)器和旋轉(zhuǎn)控制模塊產(chǎn)生的信號在比較器的比較作用下產(chǎn)生輸入信號PWM波形，用2個選擇器組成Z/F橋選擇電路實現(xiàn)對電機旋轉(zhuǎn)方向的控制，當Z_F選擇開關(guān)輸入信號為高電平時，Z橋輸出PWM波形信號，當Z_F選擇開關(guān)輸入信號為低電平時，H橋輸出PWM波形信號[11]，見圖7。

(1) 當Z/F端輸入低電平時，F(xiàn)端輸出PWM波形，電機正轉(zhuǎn)[12]，見圖8。

圖8 輸入低電平

(2) 當Z/F輸入高電平時，Z端輸出PWM波形，電機反轉(zhuǎn)。

通過圖3～9的仿真波形分析可知，本設(shè)計中的各項功能能夠很好的實現(xiàn)。在時鐘脈沖的作用下，計數(shù)器能按照事先設(shè)定好的規(guī)則進行計數(shù)。CNT5是四進制計數(shù)器，改變設(shè)定值的大小就可以改變PWM波形的大小，也就是完成了電機的調(diào)速[13]。Z_F是電機的方向按鍵，選擇PWM波形的進入方向，當其為1時，電機正轉(zhuǎn)；反之，反轉(zhuǎn)。至于電機的控制，是在它的輸入端加上兩個與門來控制電機的啟動與停止。其具體的操作如下：

圖9 輸入高電平后的仿真結(jié)果

當按下Z_F鍵時，電機正轉(zhuǎn)(見圖7)，松開鍵時，電機反轉(zhuǎn)(見圖8)。通過按鍵D_STP的閉合與斷開可以改變DECD的值(見圖3)從而改變直流電機的PWM占空比，達到改變直流電機速度的目的[14]。

本設(shè)計采用VHDL(Very-High-Speed Integrated Circuit Itard ware Description Language)設(shè)計FPGA 脈寬調(diào)制控制方案, 計算機仿真和對直流電機控制的結(jié)果表明,該電路能有效地產(chǎn)生PWM 控制信號控制電機的轉(zhuǎn)速, 控制精度由FPGA 中的數(shù)字比較器決定[15]。在本設(shè)計中，采用的數(shù)字比較器為4 b, 若增加數(shù)字比較器的位數(shù), 就可以提高電機轉(zhuǎn)速的控制精度。

3 結(jié) 語

電路中省去了D/A 轉(zhuǎn)換器使電路變得更加簡潔, 同時也降低控制器的成本。FPGA 內(nèi)部采用狀態(tài)機結(jié)構(gòu), 遇到干擾時, 能很快從異常狀態(tài)轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài), 保證了控制系統(tǒng)具有高的可靠性。從以上的仿真中可以看出，基于FPGA的直流電機的控制能夠達到很好的預(yù)期效果。

FPGA中的數(shù)字PWM控制與一般模擬PWM控制不同，用FPGA產(chǎn)生PWM波形，只需FPGA內(nèi)部資源就可實現(xiàn)。設(shè)計直流電機PWM驅(qū)動電路，用FPGA產(chǎn)生波形，用VHDL語言編寫程序，實現(xiàn)了對直流電機的轉(zhuǎn)向的控制。設(shè)計中用一旋轉(zhuǎn)控制模塊與一四進制計數(shù)器在比較器作用下產(chǎn)生PWM波形，用2個選擇器組成H橋電路，在Z/F開關(guān)的控制作用下，通過H橋?qū)崿F(xiàn)了對電機的轉(zhuǎn)向的控制。

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