基于verilog HDL的直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制與仿真

劉舸

摘 要 直流電動機(jī)調(diào)速范圍廣泛，能夠有效的用于現(xiàn)代生產(chǎn)生活中拖動各種機(jī)械負(fù)載。本文選用PWM的調(diào)速方法，編寫了verilog HDL程序描述直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制的PWM電路，來調(diào)節(jié)電樞供電電壓，從而調(diào)節(jié)直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速。通過QuartusⅡ軟件平臺進(jìn)行模塊仿真，得到不同占空比的仿真波形。

關(guān)鍵詞 verilog；直流電動機(jī)調(diào)速；PWM

中圖分類號 TM3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）162-0171-02

電動機(jī)是把電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的設(shè)備，能夠有效的用于現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和家庭生活中拖動各種機(jī)械負(fù)載，為人們的生產(chǎn)生活帶來巨大的便利[ 1 ]。改變參數(shù)就是相當(dāng)于改變電動機(jī)運行的機(jī)械特性，常用PWM的方法來調(diào)節(jié)電樞供電電壓，如若采用硬件搭建PWM輸出，電路復(fù)雜調(diào)試費時費力，采用軟件形式設(shè)計硬件系統(tǒng)，具有方便更改參數(shù)的靈活性，本文采用verilog HDL編寫直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制的程序，較好的實現(xiàn)了PWM調(diào)速。

1 PWM轉(zhuǎn)速控制方法及其原理

要改變電樞電壓，常用脈寬調(diào)制（PWM）方法，把恒定的直流電源電壓Us調(diào)制成頻率一定、寬度可變的脈沖電壓系列，從而可以改變平均輸出電壓的大小，以控制直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速[2]。這里，改變脈沖電壓寬度是電路里利用IGBT等開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷，導(dǎo)通時電路通路，電樞電壓為Us，關(guān)斷時電路開路，電樞電壓為零。一個周期里的平均電樞電壓即：

ton為開關(guān)導(dǎo)通時間，toff為開關(guān)關(guān)斷時間，T為一個周期時間，ρ稱為占空比，PWM電壓輸出波形如圖1所示。

2 硬件電路設(shè)計

可以使用帶有可預(yù)置數(shù)的兩個計數(shù)器分別為開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)斷時間計數(shù)，計數(shù)個數(shù)是時鐘信號的個數(shù)，那么導(dǎo)通或關(guān)斷時間就是時鐘周期乘以計數(shù)個數(shù)[ 3 ]。這里，用4位計數(shù)器為例設(shè)計硬件電路，輸出out可以作為PWM電路開關(guān)器件的控制信號，如圖2所示。

啟動時輸出out為0，計數(shù)器2清零開始從0計數(shù)，且計數(shù)器2輸出c2=0；計數(shù)器1可以輸入預(yù)置數(shù)Don，當(dāng)計數(shù)器2從0計到15時，輸出c2= 1，使D觸發(fā)器輸出out為1。之后正常工作，out=1使計數(shù)器1從預(yù)置數(shù)Don開始計數(shù)，且計數(shù)器1輸出c1=0，計數(shù)器2可以輸入預(yù)置數(shù)Doff，當(dāng)計數(shù)器1從預(yù)置數(shù)計到15時，輸出c1=1，使D觸發(fā)器清零輸出out為0；out=0使計數(shù)器2從預(yù)置數(shù)Doff開始計數(shù)，且計數(shù)器2輸出c2=0，計數(shù)器1可以輸入預(yù)置數(shù)，當(dāng)計數(shù)器2從預(yù)置數(shù)計到15時，輸出c2=1，使D觸發(fā)器輸出out為1。正常工作后這相當(dāng)于一個周期時間，計數(shù)器1計數(shù)時間作為PWM電路開關(guān)導(dǎo)通時間，計數(shù)器2計數(shù)時間作為PWM電路開關(guān)關(guān)斷時間，如此反復(fù)計數(shù)，就可得PWM電路占空比：

3 verilog HDL軟件模塊編程

module PWM（clock，Don，Doff，out）；

input clock；

input [3：0] Don，Doff；

output out；

4 仿真結(jié)果

利用QuatusⅡ開發(fā)工具提供的軟件平臺，仿真結(jié)果如下。圖3表示輸入預(yù)置數(shù)Don=6，Doff=8的仿真波形，圖4表示輸入預(yù)置數(shù)Don=10，Doff=4的仿真波形。

5 結(jié)論

隨著EDA技術(shù)的發(fā)展與普及，采用軟件形式來設(shè)計硬件系統(tǒng)的方式能夠方便運用于各種數(shù)字電子系統(tǒng)的設(shè)計中。本文基于硬件描述語言verilog HDL，編寫PWM輸出電路，用以調(diào)節(jié)直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速?？梢杂行У奶岣逷WM電路控制信號的穩(wěn)定性與參數(shù)修改的靈活性，使得直流電動機(jī)轉(zhuǎn)速控制更為可靠。

參考文獻(xiàn)

[1]李發(fā)海，王巖.電機(jī)與拖動基礎(chǔ)[M].4版.北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[2]阮毅，陳伯時.電力拖動自動控制系統(tǒng)[M].4版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[3]周永宏，肖順文，宋述義.直流電機(jī)PWM調(diào)速設(shè)計及其VHDL實現(xiàn)[J].西華師范大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2006（4）.