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 電子與信息工程學院， 甘肅 蘭州 730070； 2. 廈門大學 數學科學學院， 福建 廈門 361005)

0 引 言

脈沖寬度調制(Pulse Width Modulation,PWM，簡稱脈寬調制)是利用微處理器的數字書出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術[1]。用現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array, FPGA)產生PWM波形，只需FPGA內部資源就可實現用數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信號都是數字形式的，無需進行數模轉換，讓信號保持為數字形式可將噪聲影響降到最小[2]。又由于PWM采用了橋式驅動電路，開關管始終處于截止和飽和兩種狀態，因此具有功耗小、效率高的優點[3]。

1 工作原理

用FPGA產生PWM波形，只需要FPGA內部資源就可以實現，如數字比較器、鋸齒波發生器等均為FPGA內部資源，我們只要直接調用就可以[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。

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

旋轉方向控制電路控制直流電動機轉向和啟/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，以控制電機的旋轉方向。當Z/F=1時，PWM輸出波形從正端Z進入H橋，電機正轉；當 Z/F =0時，PWM輸出波形從負端F進入H橋，電機反轉[6]。

Start鍵通過“與”門控制PWM輸出,實現對電機的工作停止/控制。當START=1時，與門打開，允許電機工作[7]；當START=0時，與門關閉，電機停止轉動。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, 經功率放大以后對直流電機實現四象限運行，并由EN1信號控制是否允許變速。

1.1 旋轉控制模塊

PWM控制電路由細分計數器和脈寬計數器所組成，CNT5是一個5位二進制計數器，作脈寬計數器[8]。脈寬計數器在CLK5的激勵下輸出從0開始的逐漸增大的鋸齒波。兩路數值同時加在數字比較器上，當脈寬計數器輸出值小于DECD輸出的規定值時，比較器輸出低電平；當脈寬計數器輸出值大于DECD輸出的規定值時，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為旋轉控制模塊的實體電路。

圖2 旋轉控制模塊的實體電路

(2) 仿真波形。如圖3所示。

圖3 旋轉控制模塊仿真波形

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 四進制計數器

四進制計數器如圖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換的仿真

利用計數器和旋轉控制模塊產生的信號在比較器的比較作用下產生輸入信號PWM波形，用2個選擇器組成Z/F橋選擇電路實現對電機旋轉方向的控制，當Z_F選擇開關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端輸出PWM波形，電機正轉[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。

通過圖3～9的仿真波形分析可知，本設計中的各項功能能夠很好的實現。在時鐘脈沖的作用下，計數器能按照事先設定好的規則進行計數。CNT5是四進制計數器，改變設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；反之，反轉。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果

當按下Z_F鍵時，電機正轉(見圖7)，松開鍵時，電機反轉(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]。

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

3 結 語

電路中省去了D/A 轉換器使電路變得更加簡潔, 同時也降低控制器的成本。FPGA 內部采用狀態機結構, 遇到干擾時, 能很快從異常狀態轉入正常工作狀態, 保證了控制系統具有高的可靠性。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期效果。

FPGA中的數字PWM控制與一般模擬PWM控制不同，用FPGA產生PWM波形，只需FPGA內部資源就可實現。設計直流電機PWM驅動電路，用FPGA產生波形，用VHDL語言編寫程序，實現了對直流電機的轉向的控制。設計中用一旋轉控制模塊與一四進制計數器在比較器作用下產生PWM波形，用2個選擇器組成H橋電路，在Z/F開關的控制作用下，通過H橋實現了對電機的轉向的控制。

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