基于VHDL的直流電機控制功能模塊設計

仝 勇 陶東婭 金銀旗
(1．臺州職業(yè)技術學院機電工程學院 2．臺州市光躍飲水設備有限公司)

摘要：介紹了一種基于VHDL的直流電機控制功能模塊的設計方案。用硬件描述語言VHDL寫代碼生成功能模塊IP核，并通過SOPC Builder將此IP核加入到NiosII軟核中生成直流電機系統(tǒng)模塊原理圖。最后給出功能模塊仿真時序圖，結果表明與現(xiàn)有的其它方法相比，該方法具有靈活方便、穩(wěn)定、易維護、高效率等優(yōu)點。
關鍵詞：VHDL；直流電機；FPGA；控制功能模塊；NiosII；

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

1 直流電機總體硬件設計
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)的設計。

2 PWM功能模塊的設計
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 結束語
根據(jù)直流電機的功能需求，利用VHDL語言設計了PWM功能模塊和測速模塊，并進行了仿真，驗證了設計的正確性，完成了系統(tǒng)設計。本文的創(chuàng)新之處在于利用軟硬件直接設計控制功能模塊，這種設計具有開發(fā)周期短、通用能力好、易于開發(fā)擴展等優(yōu)點，值得推廣。