基于FPGA的直流電機綜合測控系統(tǒng)設計

劉兵++彭森

摘 要：當今，在各行業(yè)中自動化控制系統(tǒng)已經(jīng)取得了較為廣泛的發(fā)展和應用，而在現(xiàn)在的規(guī)模化生產(chǎn)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(jié)上比較靈活，調節(jié)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(yè)機器人、數(shù)控機床、等工廠設備自動化中得到廣泛應用。在現(xiàn)代化的生產(chǎn)中，隨著規(guī)模的不斷擴大，各行各業(yè)對直流電機在技術上和數(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(jīng)濟的各個領域。近些年來，隨著現(xiàn)代電力電子技術、控制技術和計算機技術的發(fā)展，電機的控制技術也得到了進一步的發(fā)展，電機應用已由過去簡單的起停控制、提供動力為目的應用，上升到對其速度、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(guī)劃指令轉變成期望的機械運動，這種新型控制技術己經(jīng)不是傳統(tǒng)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(xiàn)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(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，負責接收、處理輸入命令并向控制命令輸出模塊發(fā)出PWM信號，是系統(tǒng)的控制核心。控制命令輸出模塊由H型橋式直流電機驅動電路組成，它負責接收由FPGA芯片發(fā)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(tǒng)硬件設計

在圖1中所示的FPGA是根據(jù)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(tǒng)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(xiàn)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(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。以上是在網(wǎng)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(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(chǎn)生PWM控制信號控制電機的轉速，控制精度由FPGA中的數(shù)字比較器決定。在本設計中，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)，就可以提高電機轉速的控制精度。FPGA內(nèi)部采用狀態(tài)機結構，遇到干擾時，能很快從異常狀態(tài)轉入正常工作狀態(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期效果。

參考文獻

[1]曾繁態(tài).EDA工程概論[M].北京：清華大學出版社，2003.

[2]潘松，黃繼業(yè).EDA技術與VHDL[M].北京：清華大學出版社，2009.

[3]潘志浪.基于FPGA的DDS信號源的設計[D].武漢：武漢理工大學，2007.

[4]閆玉德.單片微型計算機原理與設計[M].北京：中國電力出版社，2010.

[5]王守中.51單片機開發(fā)入門與典型實例[M].北京：人民郵電出版社，2007.

[6]李光飛.單片機課程設計實例指導[M].北京：北京航空航天大學出版社，2004.

[7]張友德.單片微型機原理、應用與實驗[M].上海：復旦大學出版社，2005.

[8]江世明，黃同成.單片機原理及應用[M].北京：中國鐵道出版社，2010.

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(yè)學生。

通訊作者（指導老師）

彭森，邵陽學院信息工程系教師。