基于FPGA的直流電機綜合測控系統設計

劉兵++彭森

摘 要：當今，在各行業中自動化控制系統已經取得了較為廣泛的發展和應用，而在現在的規?；a中，電器傳動技術以直流驅動控制技術為主流有著重要作用。一直以來，因直流電動機其轉速在調節上比較靈活，調節方法簡單，大范圍的平滑調速較容易，控制方面性能更好等特點，所以在傳動領域中擁有不可動搖的地位。它在工業機器人、數控機床、等工廠設備自動化中得到廣泛應用。在現代化的生產中，隨著規模的不斷擴大，各行各業對直流電機在技術上和數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、高性能的直流電機控制系統，并且制造出高水平的系統就有著非?，F實和重要的意義。

關鍵詞：FPGA；Verilog；EDA；PWM調速

1 引言

電機作為電能的轉換裝置，其應用范圍己遍及國民經濟的各個領域。近些年來，隨著現代電力電子技術、控制技術和計算機技術的發展，電機的控制技術也得到了進一步的發展，電機應用已由過去簡單的起?？刂啤⑻峁﹦恿槟康膽茫仙綄ζ渌俣?、位置、轉矩等進行精確的控制，使被驅動的機械運動符合預想的要求。采用功率器件進行控制，將預定的控制方案、規劃指令轉變成期望的機械運動，這種新型控制技術己經不是傳統的“電機控制”、“電氣傳動”而是“運動控制”。運動控制使被控機械運動實現精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉矩或力的控制，以及這些被控機械量的綜合控制。

2 設計方案

如圖1所示，基于FPGA的直流電機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、時鐘電路是系統的控制命令輸入模塊，向FPGA芯片發送命令，FPGA芯片是系統控制命令的處理模塊，負責接收、處理輸入命令并向控制命令輸出模塊發出PWM信號，是系統的控制核心。控制命令輸出模塊由H型橋式直流電機驅動電路組成，它負責接收由FPGA芯片發出的PWM信號，從而控制直流電機的正反轉、加速以及在線調速。電源模塊負責給整個電路供電，保證電路能夠正常的運行。

3 系統硬件設計

在圖1中所示的FPGA是根據設計要求設計好的一個芯片。START是電機的開啟端，U_D控制電機加速與減速，EN1用于設定電機轉速的初值，Z_F是電機的方向端口，選擇電機運行的方向。CLK2和CLK0是外部時鐘端，其主要作用是向FPGA控制系統提供時鐘脈沖，控制電機進行運轉。

通過鍵盤設置PWM信號的占空比。當U_D=1時， 表明鍵U_D按下，輸入CLK2使電機轉速加快；當U/D =0，表明鍵U_D松開，輸入CLK2使電機轉速變慢，這樣就可以實現電機的加速與減速。Z_F鍵是電機運轉的方向按鍵，當把Z_F鍵按下時，Z_F=1，電機正轉；反之Z/F =0時，電機反轉。START是電機的開啟鍵，當START=1，允許電機工作；當START=0時，電機停止轉動。H橋電路由大功率晶體管組成，PWM輸出波形通過由兩個二選一電路組成的方向控制電路送到 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。以上是在網上查詢的關于直流電機的簡易結構描述，我們電腦QuartusⅡ做的是FPGA內部邏輯組成。控制邏輯VHDL描述。新建文件夾，以文件名PWM保存。

4 結論

本設計采用VHDL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。在本設計中，采用的數字比較器為5位，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。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。

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作者簡介

劉兵，邵陽學院魏源國際學院電子科學與技術專業學生。

通訊作者（指導老師）

彭森，邵陽學院信息工程系教師。