摘要：利用FPGA可編程芯片及Verilog HDL語言實現(xiàn)了對直流電機PwM控制器的設計，對直流電機速度進行控制。介紹了用Verilog HDL語言編程實現(xiàn)直流電機PwM控制器的PwM產(chǎn)生模塊、串口通信模塊、轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)模塊等功能，該系統(tǒng)無須外接D／A轉(zhuǎn)換器及模擬比較器，結(jié)構(gòu)簡單，控制精度高，有廣泛的應用前景。同時，控制系統(tǒng)中引入上位機控制功能，可方便對電機進行遠程控制。
關(guān)鍵詞：FPGA；串口通信；PwM；直流電機；實驗引 言傳統(tǒng)的方法產(chǎn)生PwM信號電路比較復雜。數(shù)手PWM控制只需FPGA中的內(nèi)部資源就可以實現(xiàn)。
本文介紹了一種用單片大規(guī)模FPGA實現(xiàn)的發(fā)生的直流電機控制器，其中產(chǎn)生的PwM波具有脈沖中心對稱、PwM周期和死區(qū)時間可編程等特點，且性能優(yōu)異，靈活性和可靠性高，同時，加入了串行通信接日，方便加入上位機控制功能。
用數(shù)字比較器代替模擬比較器，數(shù)字比較器的一端接設定值計數(shù)器的輸出，另一端接線性遞增計數(shù)器輸出。當線性計數(shù)器計數(shù)值小于設定值時輸出低電平，大于設定值時輸出高電平。與模擬控制相比，省去了外接的D／A轉(zhuǎn)換器和模擬比較器，F(xiàn)PcA外部連線很少，電路更加簡單。而且通過總線數(shù)據(jù)或按鍵控制在系統(tǒng)調(diào)整脈寬數(shù)及數(shù)字比較器的設定值，從而實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速、波動等參數(shù)的靈活控制。
系統(tǒng)整體設計系統(tǒng)的整體框圖如圖l所示。該系統(tǒng)以芯片為控制核心，通過按鍵或上位機設定電機速度和PwM占空比，由FPGA的I／O口控制直流電機驅(qū)動芯片驅(qū)動直流電機的轉(zhuǎn)動。轉(zhuǎn)速的測量由碼盤完成，速度顯示數(shù)碼管來實現(xiàn)。本系統(tǒng)是基于實現(xiàn)電機的恒速調(diào)節(jié)而進行設計的。
系統(tǒng)分以下幾個模塊：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊，脈寬調(diào)制(PwM)模塊，速度檢測模塊，串行通信模塊。
1．1串口通信模塊本設計中采取異步串行通信。以一個字符為單位傳送，需要cPu與上位機之間事先必須約定字符格式和波特率。設計采用固定的字符傳輸格式：一位起始位，8位數(shù)據(jù)，一位停止位。如圖2所示。
傳送順序是低位在前，高位在后，依次傳送。
用4倍波特率作為接收采樣時鐘，并把第8個采樣值作為接收數(shù)據(jù)。在用FPGA實現(xiàn)的異步串行通信電路中采用FIFO進行緩存，并在劃分為接收模塊、發(fā)送模塊和接口模塊三個功能模塊，其中接收模塊實現(xiàn)遙測數(shù)據(jù)的接收、緩存，發(fā)送模塊實現(xiàn)遙控數(shù)據(jù)的緩存、發(fā)送，接口模塊則實現(xiàn)和外部的連接。發(fā)送模塊要實現(xiàn)對遙控數(shù)據(jù)緩存，同時按照設計的異步串行通信字符格式將數(shù)據(jù)串行發(fā)送。發(fā)送模塊包含移位寄存器、實現(xiàn)遙測數(shù)據(jù)計數(shù)的計數(shù)器和發(fā)送狀態(tài)機電路等。
如圖3所示，F(xiàn)PGA模塊接收從RS一485發(fā)送過來的串行數(shù)據(jù)，25位為一個字符。該模塊分別實現(xiàn)提取八位數(shù)據(jù)和串行數(shù)據(jù)發(fā)送的功能。當連續(xù)輸出16個l后，下一個din為O時，開始提取后面的8位有效的數(shù)據(jù)00101010，然后加上起始位1，停止位O。程序中，波特率可以根據(jù)需要通過分頻程序進行改動。
1�。�2轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)模塊直流電動機轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類，即勵磁控制法與電樞電壓控制法。本系統(tǒng)采用電樞電壓控制法，是通過調(diào)節(jié)PwM觸發(fā)信號的占空比來改變伺服電機的平均輸入電壓，從而實現(xiàn)調(diào)速的目的。電動機的電樞繞組兩端的電壓平均值為：
式中，D為占空比，Us電源電壓，D的變化范圍為[O，1]。由式(1)可知，當電源電壓us不變的情況下，電樞兩端電壓的平均值Uo取決于占空比的大小，改變D值也就改變了電樞兩端電壓的平均值，從而達到控制電動機轉(zhuǎn)速的目的，即實現(xiàn)PwM控制。
1．3 PwM產(chǎn)生模塊脈沖調(diào)制PwM 原理：FPGA中的基準計數(shù)器，用來產(chǎn)生類似模擬電路中的三角波基準，是一個最小計數(shù)值為O、****計數(shù)值為周期寄存器中保存的數(shù)值、計數(shù)方向交替變化的可逆計數(shù)器。
同時基準計數(shù)器單元產(chǎn)生一個方向信號DIR，可作為外部中斷源(邊緣觸發(fā)方式)，在PwM開關(guān)周期的起始點產(chǎn)生中斷。
軟件設計較簡單，在初始化階段設置好周期寄存器、死區(qū)寄存器，以后只需在PWM中斷服務程序中將計算好的脈寬數(shù)據(jù)送到脈寬寄存器，然后退出中斷服務程序，等待控制器在觸發(fā)脈沖控制下將脈寬寄存器的數(shù)據(jù)鎖存到緩沖寄存器中。在下一個周期中輸出相應的脈沖，同時中斷被觸發(fā)，便開始了下一個PwM中斷服務程序。圖4為PwM產(chǎn)生原理圖。其中H1的占空比：
可見Hl，L1的占空比D由基準計數(shù)器值T和緩存器值he—buf和死區(qū)寄存器值共同決定，通過總線數(shù)據(jù)或者按鍵調(diào)節(jié)分別控制周期，脈寬，死區(qū)寄存器的值來調(diào)節(jié)占空比，控制電機加速、減速。
圖5為PwM波仿真結(jié)果，正如圖5所示T和—buf的值被正確的變成周期為50，占空比為％的PwM波形輸出，死區(qū)時間3也被正確地加入，產(chǎn)生了4路帶有死區(qū)的PwM波形。
1 ．4轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)模塊圖6為轉(zhuǎn)向調(diào)節(jié)原理圖，有兩個方向信號和一個使能信號。如果DIR—z信號為0，DIR—F信號為l，并且使能信號是1，那么三極管Q1和Q4導通，電流從左至右流經(jīng)電機，電機正轉(zhuǎn)；如果—z信號變?yōu)?，而DIR—F信號變?yōu)镺，那么和Q3將導通，電流則反向流過電機，電機反轉(zhuǎn)。
其中Hl，L1，H2，12是由PwM模塊產(chǎn)生的一定占空比的PWM波，用來控制電機轉(zhuǎn)速。
實驗圖7為用數(shù)字示波器采樣、基于FPcA的直流電動機控制系統(tǒng)占空比為74 6％的PwM波形。其頻率隨電機轉(zhuǎn)速變化，改變FPGA程序中的T和—buf即可改變PwM波形的占空比。
3 結(jié)語直流電機
由于具有速度控制容易，啟、制動性能良好，且在寬范圍內(nèi)F滑調(diào)速等特點而在冶金、機械制造、輕工等工業(yè)部門中得到廣泛應用。
本文所介紹的直流電機PWM控制器本文給出采用設計FPGA脈寬調(diào)制控制方案，計算機仿真的結(jié)果表明，該電路能有效地產(chǎn)生PwM控制信號控制電機的轉(zhuǎn)速，控制精度由FPGA中的數(shù)字比較器決定，硬件電路搭建簡單，程序代碼書寫容易。用FPGA的I／0口產(chǎn)生PwM控制信號，一片F(xiàn)PGA可以同時輸出多路PwM信號，具有通用性，設計同時包含實現(xiàn)異步串行通信的功能，可以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，并可以在接收數(shù)據(jù)時對其校驗位、停止位進行判斷，在發(fā)送數(shù)據(jù)時可以形成完整的一幀數(shù)據(jù)格式。將該異步串行通信接口設計實現(xiàn)的數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)中，可以成功地實現(xiàn)和遠端的上位機進行異步串行通信，方便進行遠程控制。
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