基于VHDL的直流電機控制功能模塊設(shè)計
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1 直流電機總體硬件設(shè)計
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控制功能模塊PWM模塊和測速模塊的設(shè)計與生成。這兩個控制功能模塊均采用VHDL硬件描述語言自行設(shè)計生成可以調(diào)用的IP核，通過QuartusII對其進行編譯、仿真驗證其正確性，最后將生成自定義接口功能模塊添加到頂層原理圖中，完成整個調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計。
2 PWM功能模塊的設(shè)計
PWM模塊利用直流電機占空比來控制電機電樞電壓，從而控制直流電機的轉(zhuǎn)速。設(shè)計過程如圖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，仿真時給定一個時鐘信號Clk，Sta用來控制直流電機正反轉(zhuǎn)，圖3中的0表示直流電機處于正轉(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表示直流電機處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)時的占空比輸出，這時PWM B的輸出為0；PWM B表示直流電機處于反轉(zhuǎn)時的占空比輸出，此時PWM A的輸出值為0；而當電機處于停止狀態(tài)時，如圖中當Sta值為1時，PWM A和PWM B的輸出值均為0。經(jīng)仿真時序圖驗證此設(shè)計是有效的，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：將時鐘源50MHz的基頻信號64分頻，作為PWM模塊的基頻信號，以256個該基頻脈沖信號作為PWM輸出的一個周期，由NiosII處理器給出Conword的值指定一個PWM周期內(nèi)高電平持續(xù)時間，改變Conword的值即刻改變占空比輸出的值。Sta用來控制電機正反轉(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
測速模塊的作用主要是利用基頻的周期來計算光柵信號的周期，算出直流電機的轉(zhuǎn)速。其設(shè)計的流程圖如圖6所示。
測速模塊的時序仿真波形圖如圖7所示。
從圖7中可以看出，仿真時給定一個時鐘信號Clk用于計時，en為使能信號，即表示光柵有效，dout表示光柵有效時間，仿真中有200、400、700三種值。通過時序仿真驗證了此設(shè)計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，測基頻脈沖的個數(shù)，由基頻的周期來計算光柵信號的周期，再算出轉(zhuǎn)速，電機控制算法即根據(jù)測速模塊測出的速度進行算法調(diào)整，達到閉環(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)直流電機的功能需求，利用VHDL語言設(shè)計了PWM功能模塊和測速模塊，并進行了仿真，驗證了設(shè)計的正確性，完成了系統(tǒng)設(shè)計。本文的創(chuàng)新之處在于利用軟硬件直接設(shè)計控制功能模塊，這種設(shè)計具有開發(fā)周期短、通用能力好、易于開發(fā)擴展等優(yōu)點，值得推廣。
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