基于VHDL的直流電機(jī)控制功能模塊設(shè)計(jì)
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1 直流電機(jī)總體硬件設(shè)計(jì)
如圖1所示，系統(tǒng)整體由FPGA芯片控制，其控制核心為ALTERA公司的NiosII軟核CPU，本文將著重介紹圖中兩個(gè)控制功能模塊PWM模塊和測速模塊的設(shè)計(jì)與生成。這兩個(gè)控制功能模塊均采用VHDL硬件描述語言自行設(shè)計(jì)生成可以調(diào)用的IP核，通過QuartusII對其進(jìn)行編譯、仿真驗(yàn)證其正確性，最后將生成自定義接口功能模塊添加到頂層原理圖中，完成整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
2 PWM功能模塊的設(shè)計(jì)
PWM模塊利用直流電機(jī)占空比來控制電機(jī)電樞電壓，從而控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。設(shè)計(jì)過程如圖2所示。
PWM功能模塊的仿真波形如圖3所示。
從圖3可以看出，仿真時(shí)給定一個(gè)時(shí)鐘信號Clk，Sta用來控制直流電機(jī)正反轉(zhuǎn)，圖3中的0表示直流電機(jī)處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)，1表示停止，3表示反轉(zhuǎn)；Conword為占空比信號，仿真中有25％、78％、50％三種值；PWM A表示直流電機(jī)處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)的占空比輸出，這時(shí)PWM B的輸出為0；PWM B表示直流電機(jī)處于反轉(zhuǎn)時(shí)的占空比輸出，此時(shí)PWM A的輸出值為0；而當(dāng)電機(jī)處于停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，如圖中當(dāng)Sta值為1時(shí)，PWM A和PWM B的輸出值均為0。經(jīng)仿真時(shí)序圖驗(yàn)證此設(shè)計(jì)是有效的，從而將其生成PWM功能模塊。
PWM功能模塊如圖4所示。
PWM控制功能模塊的原理如下：將時(shí)鐘源50MHz的基頻信號64分頻，作為PWM模塊的基頻信號，以256個(gè)該基頻脈沖信號作為PWM輸出的一個(gè)周期，由NiosII處理器給出Conword的值指定一個(gè)PWM周期內(nèi)高電平持續(xù)時(shí)間，改變Conword的值即刻改變占空比輸出的值。Sta用來控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。
PWM控制功能模塊管腳分配圖如圖5所示。
3 測速功能模塊的設(shè)計(jì)
測速模塊的作用主要是利用基頻的周期來計(jì)算光柵信號的周期，算出直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。其設(shè)計(jì)的流程圖如圖6所示。
測速模塊的時(shí)序仿真波形圖如圖7所示。
從圖7中可以看出，仿真時(shí)給定一個(gè)時(shí)鐘信號Clk用于計(jì)時(shí)，en為使能信號，即表示光柵有效，dout表示光柵有效時(shí)間，仿真中有200、400、700三種值。通過時(shí)序仿真驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)的測速模塊是有效的，從而將其生成測速功能模塊。
測速功能模塊如圖8所示。
其工作原理如下：給出己知頻率的基頻，用光柵作為門限，測基頻脈沖的個(gè)數(shù)，由基頻的周期來計(jì)算光柵信號的周期，再算出轉(zhuǎn)速，電機(jī)控制算法即根據(jù)測速模塊測出的速度進(jìn)行算法調(diào)整，達(dá)到閉環(huán)控制的效果。
測速模塊的管腳分配圖如圖9所示。
4 結(jié)束語
根據(jù)直流電機(jī)的功能需求，利用VHDL語言設(shè)計(jì)了PWM功能模塊和測速模塊，并進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性，完成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文的創(chuàng)新之處在于利用軟硬件直接設(shè)計(jì)控制功能模塊，這種設(shè)計(jì)具有開發(fā)周期短、通用能力好、易于開發(fā)擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，值得推廣。
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