基于FPGA的直流电机综合测控系统设计

  基于FPGA的直流电机综合测控系统设计  刘兵++彭森摘要：当今，在各行业中自动化控制系统已经取得了较为广泛的发展和应用，而在现在的规模化生产中，电器传动技术以直流驱动控制技术为主流有着重要作用。一直以来，因直流电动机其转速在调节上比较灵活，调节方法简单，大范围的平滑调速较容易，控制方面性能更好等特点，所以在传动领域中拥有不可动摇的地位。它在工业机器人、数控机床、等工厂设备自动化中得到广泛应用。在现代化的生产中，随着规模的不断扩大，各行各业对直流电机在技术上和数量上的需求也越来越大，并在性能上要求也更高。因此，研究出高可靠性、高性能的直流电机控制系统，并且制造出高水平的系统就有着非常现实和重要的意义。Key：FPGA；Verilog；EDA；PWM调速1引言电机作为电能的转换装置，其应用范围己遍及国民经济的各个领域。近些年来，随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，电机的控制技术也得到了进一步的发展，电机应用已由过去简单的起停控制、提供动力为目的应用，上升到对其速度、位置、转矩等进行精确的控制，使被驱动的机械运动符合预想的要求。采用功率器件进行控制，将预定的控制、规划指令转变成期望的机械运动，这种新型控制技术己经不是传统的“电机控制”、“电气传动”而是“运动控制”。运动控制使被控机械运动实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制，以及这些被控机械量的综合控制。2设计方案如图1所示，基于FPGA的直流电机PWM控制电路主要由四部分组成：控制命令输入模块、控制命令处理模块、控制命令输出模块、电源模块。键盘电路、时钟电路是系统的控制命令输入模块，向FPGA芯片发送命令，FPGA芯片是系统控制命令的处理模块，负责接收、处理输入命令并向控制命令输出模块发出PWM信号，是系统的控制核心。控制命令输出模块由H型桥式直流电机驱动电路组成，它负责接收由FPGA芯片发出的PWM信号，从而控制直流电机的正反转、加速以及在线调速。电源模块负责给整个电路供电，保证电路能够正常的运行。3系统硬件设计在图1中所示的FPGA是根据设计要求设计好的一个芯片。START是电机的开启端，U_D控制电机加速与减速，EN1用于设定电机转速的初值，Z_F是电机的方向端口，选择电机运行的方向。CLK2和CLK0是外部时钟端，其主要作用是向FPGA控制系统提供时钟脉冲，控制电机进行运转。通过键盘设置PWM信号的占空比。当U_D=1时，表明键U_D按下，输入CLK2使电机转速加快；当U/D=0，表明键U_D松开，输入CLK2使电机转速变慢，这样就可以实现电机的加速与减速。Z_F键是电机运转的方向按键，当把Z_F键按下时，Z_F=1，电机正转；反之Z/F=0时，电机反转。START是电机的开启键，当START=1，允许电机工作；当START=0时，电机停止转动。H桥电路由大功率晶体管组成，PWM输出波形通过由两个二选一电路组成的方向控制电路送到H桥，经功率放大以后对直流电机实现四象限运行。并由EN1信号控制是否允许变速。以上是在网上查询的关于直流电机的简易结构描述，我们电脑QuartusⅡ做的是FPGA内部逻辑组成。控制逻辑VHDL描述。新建文件夹，以文件名PWM保存。4结论本设计采用VHDL设计FPGA脉宽调制控制方案，计算机仿真和对直流电机控制的结果表明，该电路能有效地产生PWM控制信号控制电机的转速，控制精度由FPGA中的数字比较器决定。在本设计中，采用的数字比较器为5位，若增加数字比较器的位数，就可以提高电机转速的控制精度。FPGA内部采用状态机结构，遇到干扰时，能很快从异常状态转入正常工作状态，保证了控制系统具有高的可靠性。从以上的仿真中可以看出，基于FPGA的直流电机的控制能够达到很好的预期效果。Reference[1]曾繁态.EDA工程概论[M].北京：清华大学出版社，2003.[2]潘松，黄继业.EDA技术与VHDL[M].北京：清华大学出版社，2009.[3]潘志浪.基于FPGA的DDS信号源的设计[D].武汉：武汉理工大学，2007.[4]闫玉德.单片微型计算机原理与设计[M].北京：中国电力出版社，2010.[5]王守中.51单片机开发入门与典型实例[M].北京：人民邮电出版社，2007.[6]李光飞.单片机课程设计实例指导[M].北京：北京航空航天大学出版社，2004.[7]张友德.单片微型机原理、应用与实验[M].上海：复旦大学出版社，2005.[8]江世明，黃同成.单片机原理及应用[M].北京：中国铁道出版社，2010.作者简介刘兵，邵阳学院魏源国际学院电子科学与技术专业学生。通讯作者（指导老师）彭森，邵阳学院信息工程系教师。卷宗2017年12期卷宗的其它文章谈计算机在期刊管理中的应用动态交互设计方法的创新性研究探析化工工艺与化工设备的适应性设计基于慕课背景下的高职院校英语教学改革探讨浅谈目前中学图书馆藏书建设中存在的问及解决方法浅谈超限超载对经济发展的阻碍与影响 -全文完-