基于FPGA的多通道直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一種基于FPGA的多通道直流電機(jī)控制系統(tǒng)，充分利用FPGA并行控制的特點(diǎn)，采用自項(xiàng)而下的設(shè)計(jì)方法，將系統(tǒng)劃分為轉(zhuǎn)速測(cè)量模塊，并行控制模塊，PWM生成模塊，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。采用Verilog HDL語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)完成了對(duì)多通道直流電機(jī)的控制。通過(guò)Quartus II自帶仿真功能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行時(shí)序仿真表明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且具有良好的功能擴(kuò)展性。
關(guān)鍵詞：FPGA；PWM；多通道；并行

機(jī)電一體化系統(tǒng)中常需要產(chǎn)生多通道PWM信號(hào)以完成對(duì)多臺(tái)電機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，而傳統(tǒng)控制系統(tǒng)仍然采用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)／計(jì)數(shù)器來(lái)產(chǎn)生所需要的PWM信號(hào)，但由于定時(shí)／計(jì)數(shù)器及IO端口數(shù)量的限制，單個(gè)單片機(jī)控制器常不能滿足多通道電機(jī)并行控制的要求。而FPGA內(nèi)部程序并行運(yùn)行，不同邏輯任務(wù)可同時(shí)執(zhí)行，使其工作更有效率，且其具有豐富的邏輯資源和I／O引腳資源。文中采用Altera公司Cyclone II系列的EP2C8Q208芯片，采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，以四臺(tái)無(wú)刷直流電機(jī)為控制對(duì)象，完成了多通道的直流電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)，有效地縮小了設(shè)計(jì)規(guī)模，節(jié)約了設(shè)計(jì)成本。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用自頂向下的設(shè)計(jì)思路，將系統(tǒng)主要分為以下模塊：FPGA控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，轉(zhuǎn)速檢測(cè)模塊。如圖1所示。本系統(tǒng)以FPGA為控制核心，通過(guò)程序設(shè)定控制電機(jī)速度的PWM信號(hào)的占空比，由FPGA的I／O口輸出給直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路以完成對(duì)直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量由霍爾傳感器完成，反饋給FPGA計(jì)數(shù)模塊，通過(guò)計(jì)數(shù)結(jié)果以決策電機(jī)控制狀態(tài)。文中將著重介紹FPGA控制模塊及各部分的功能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)方法。

設(shè)計(jì)中將FPGA控制模塊又分為分頻模塊，計(jì)數(shù)模塊，并行控制模塊，PWM生成模塊4部分。分頻模塊把外部高頻時(shí)鐘信號(hào)降低為系統(tǒng)所需的標(biāo)準(zhǔn)頻率。計(jì)數(shù)模塊對(duì)霍爾傳感器輸入脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)以完成對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的測(cè)量。并行控制模塊通過(guò)計(jì)數(shù)模塊的計(jì)數(shù)結(jié)果決策PWM信號(hào)的占空比。PWM生成模塊通過(guò)并行控制模塊輸出的占空比信號(hào)生成PWM波形。如圖2所示。

2 各功能模塊設(shè)計(jì)
2．1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊
本設(shè)計(jì)中直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模中采用ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298P，內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，采用標(biāo)準(zhǔn)TIL邏輯電平信號(hào)控制。由L298P構(gòu)成的脈寬調(diào)速電路如圖3所示。在圖中，L298P可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，可以分別控制它們的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、運(yùn)轉(zhuǎn)與停止。圖中ENA、ENB分別控制兩個(gè)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)與停止，當(dāng)端口為高電平時(shí)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，加低電平時(shí)電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)：由In1，In2端送入脈寬調(diào)制信號(hào)，通過(guò)改變信號(hào)的脈寬達(dá)到調(diào)速和換向的目的。M1_+，M1_-和M2_+，M2_-分別是兩個(gè)直流電機(jī)的電壓輸入端。