基于FPGA的直流電機(jī)綜合測控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉兵++彭森

摘 要：當(dāng)今，在各行業(yè)中自動(dòng)化控制系統(tǒng)已經(jīng)取得了較為廣泛的發(fā)展和應(yīng)用，而在現(xiàn)在的規(guī)模化生產(chǎn)中，電器傳動(dòng)技術(shù)以直流驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)為主流有著重要作用。一直以來，因直流電動(dòng)機(jī)其轉(zhuǎn)速在調(diào)節(jié)上比較靈活，調(diào)節(jié)方法簡單，大范圍的平滑調(diào)速較容易，控制方面性能更好等特點(diǎn)，所以在傳動(dòng)領(lǐng)域中擁有不可動(dòng)搖的地位。它在工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、等工廠設(shè)備自動(dòng)化中得到廣泛應(yīng)用。在現(xiàn)代化的生產(chǎn)中，隨著規(guī)模的不斷擴(kuò)大，各行各業(yè)對(duì)直流電機(jī)在技術(shù)上和數(shù)量上的需求也越來越大，并在性能上要求也更高。因此，研究出高可靠性、高性能的直流電機(jī)控制系統(tǒng)，并且制造出高水平的系統(tǒng)就有著非常現(xiàn)實(shí)和重要的意義。

關(guān)鍵詞：FPGA；Verilog；EDA；PWM調(diào)速

1 引言

電機(jī)作為電能的轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用范圍己遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域。近些年來，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)、控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)的控制技術(shù)也得到了進(jìn)一步的發(fā)展，電機(jī)應(yīng)用已由過去簡單的起停控制、提供動(dòng)力為目的應(yīng)用，上升到對(duì)其速度、位置、轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行精確的控制，使被驅(qū)動(dòng)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)符合預(yù)想的要求。采用功率器件進(jìn)行控制，將預(yù)定的控制方案、規(guī)劃指令轉(zhuǎn)變成期望的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，這種新型控制技術(shù)己經(jīng)不是傳統(tǒng)的“電機(jī)控制”、“電氣傳動(dòng)”而是“運(yùn)動(dòng)控制”。運(yùn)動(dòng)控制使被控機(jī)械運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力的控制，以及這些被控機(jī)械量的綜合控制。

2 設(shè)計(jì)方案

如圖1所示，基于FPGA的直流電機(jī)PWM控制電路主要由四部分組成：控制命令輸入模塊、控制命令處理模塊、控制命令輸出模塊、電源模塊。鍵盤電路、時(shí)鐘電路是系統(tǒng)的控制命令輸入模塊，向FPGA芯片發(fā)送命令，F(xiàn)PGA芯片是系統(tǒng)控制命令的處理模塊，負(fù)責(zé)接收、處理輸入命令并向控制命令輸出模塊發(fā)出PWM信號(hào)，是系統(tǒng)的控制核心。控制命令輸出模塊由H型橋式直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路組成，它負(fù)責(zé)接收由FPGA芯片發(fā)出的PWM信號(hào)，從而控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、加速以及在線調(diào)速。電源模塊負(fù)責(zé)給整個(gè)電路供電，保證電路能夠正常的運(yùn)行。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在圖1中所示的FPGA是根據(jù)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)好的一個(gè)芯片。START是電機(jī)的開啟端，U_D控制電機(jī)加速與減速，EN1用于設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速的初值，Z_F是電機(jī)的方向端口，選擇電機(jī)運(yùn)行的方向。CLK2和CLK0是外部時(shí)鐘端，其主要作用是向FPGA控制系統(tǒng)提供時(shí)鐘脈沖，控制電機(jī)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。

通過鍵盤設(shè)置PWM信號(hào)的占空比。當(dāng)U_D=1時(shí)， 表明鍵U_D按下，輸入CLK2使電機(jī)轉(zhuǎn)速加快；當(dāng)U/D =0，表明鍵U_D松開，輸入CLK2使電機(jī)轉(zhuǎn)速變慢，這樣就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的加速與減速。Z_F鍵是電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的方向按鍵，當(dāng)把Z_F鍵按下時(shí)，Z_F=1，電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之Z/F =0時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。START是電機(jī)的開啟鍵，當(dāng)START=1，允許電機(jī)工作；當(dāng)START=0時(shí)，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)。H橋電路由大功率晶體管組成，PWM輸出波形通過由兩個(gè)二選一電路組成的方向控制電路送到 H 橋， 經(jīng)功率放大以后對(duì)直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。并由EN1信號(hào)控制是否允許變速。以上是在網(wǎng)上查詢的關(guān)于直流電機(jī)的簡易結(jié)構(gòu)描述，我們電腦QuartusⅡ做的是FPGA內(nèi)部邏輯組成。控制邏輯VHDL描述。新建文件夾，以文件名PWM保存。

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)采用VHDL設(shè)計(jì)FPGA脈寬調(diào)制控制方案，計(jì)算機(jī)仿真和對(duì)直流電機(jī)控制的結(jié)果表明，該電路能有效地產(chǎn)生PWM控制信號(hào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，控制精度由FPGA中的數(shù)字比較器決定。在本設(shè)計(jì)中，采用的數(shù)字比較器為5位，若增加數(shù)字比較器的位數(shù)，就可以提高電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制精度。FPGA內(nèi)部采用狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu)，遇到干擾時(shí)，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(jī)的控制能夠達(dá)到很好的預(yù)期效果。

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作者簡介

劉兵，邵陽學(xué)院魏源國際學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生。

通訊作者（指導(dǎo)老師）

彭森，邵陽學(xué)院信息工程系教師。