基于VHDL的直流電機(jī)控制功能模塊設(shè)計(jì)

仝 勇 陶東婭 金銀旗
(1．臺(tái)州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 2．臺(tái)州市光躍飲水設(shè)備有限公司)

摘要：介紹了一種基于VHDL的直流電機(jī)控制功能模塊的設(shè)計(jì)方案。用硬件描述語(yǔ)言VHDL寫(xiě)代碼生成功能模塊IP核，并通過(guò)SOPC Builder將此IP核加入到NiosII軟核中生成直流電機(jī)系統(tǒng)模塊原理圖。最后給出功能模塊仿真時(shí)序圖，結(jié)果表明與現(xiàn)有的其它方法相比，該方法具有靈活方便、穩(wěn)定、易維護(hù)、高效率等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：VHDL；直流電機(jī)；FPGA；控制功能模塊；NiosII；

0 引言
隨著社會(huì)的發(fā)展，直流電機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越普遍，對(duì)直流電機(jī)控制方式的要求也不斷提高。本文利用ALTERA公司最新開(kāi)發(fā)的SOPC解決方案，提出了基于NiosII軟核處理器的直流電機(jī)功能模塊的設(shè)計(jì)方案，給出了VHDL代碼生成功能模塊IP核。IP核的生成，不僅方便設(shè)計(jì)者靈活使用，節(jié)省資源，也大大縮短了設(shè)計(jì)周期。設(shè)計(jì)者可以根據(jù)需要直接調(diào)用IP核來(lái)組成NiosII系統(tǒng)，然后將此系統(tǒng)下載到FPGA中實(shí)現(xiàn)。IP核不僅可以用在電機(jī)控制中，還可以用來(lái)控制其它一些小型家電，全彩LED等，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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(cè)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(yǔ)言自行設(shè)計(jì)生成可以調(diào)用的IP核，通過(guò)QuartusII對(duì)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(lái)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(guò)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(hào)Clk，Sta用來(lái)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(hào)，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(hào)64分頻，作為PWM模塊的基頻信號(hào)，以256個(gè)該基頻脈沖信號(hào)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(lái)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(cè)速功能模塊的設(shè)計(jì)
測(cè)速模塊的作用主要是利用基頻的周期來(lái)計(jì)算光柵信號(hào)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(cè)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(hào)Clk用于計(jì)時(shí)，en為使能信號(hào)，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(guò)時(shí)序仿真驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)的測(cè)速模塊是有效的，從而將其生成測(cè)速功能模塊。
測(cè)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(mén)限，測(cè)基頻脈沖的個(gè)數(shù)，由基頻的周期來(lái)計(jì)算光柵信號(hào)的周期，再算出轉(zhuǎn)速，電機(jī)控制算法即根據(jù)測(cè)速模塊測(cè)出的速度進(jìn)行算法調(diào)整，達(dá)到閉環(huán)控制的效果。
測(cè)速模塊的管腳分配圖如圖9所示。

4 結(jié)束語(yǔ)
根據(jù)直流電機(jī)的功能需求，利用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)了PWM功能模塊和測(cè)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(kāi)發(fā)周期短、通用能力好、易于開(kāi)發(fā)擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，值得推廣。