PWM控制電路原理與電路設(shè)計(jì)FPGA

在直流伺服控制系統(tǒng)中,通過(guò)專用集成芯片或中小規(guī)模的數(shù)字集成電路構(gòu)成的傳統(tǒng)PWM控制電路往往存在電路設(shè)計(jì)復(fù)雜,體積大,抗干擾能力差以及設(shè)計(jì)困難、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)等缺點(diǎn)因此PWM控制電路的模塊化、集成化已成為發(fā)展趨勢(shì).它不僅可以使系統(tǒng)體積減小、重量減輕且功耗降低,同時(shí)可使系統(tǒng)的可靠性大大提高.隨著電子技術(shù)的發(fā)展,特別是專用集成電路(ASIC)設(shè)計(jì)技術(shù)的日趨完善,數(shù)字化的電子自動(dòng)化設(shè)計(jì)(EDA)工具給電子設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大變革,尤其是硬件描述語(yǔ)言的出現(xiàn),解決了傳統(tǒng)電路原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)工程的諸多不便.針對(duì)以上情況,本文給出一種基于復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)的PWM控制電路設(shè)計(jì)和它的仿真波形.
　　
1 PWM控制電路基本原理
　　
為了實(shí)現(xiàn)直流伺服系統(tǒng)的H型單極模式同頻PWM可逆控制,一般需要產(chǎn)生四路驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換控制.當(dāng)PWM控制電路工作時(shí),其中H橋一側(cè)的兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比相同但相位相反,同時(shí)隨控制信號(hào)改變并具有互鎖功能;而另一側(cè)上臂為低電平,下臂為高電平.另外,為防止橋路同側(cè)對(duì)管的導(dǎo)通,還應(yīng)當(dāng)配有延時(shí)電路.設(shè)計(jì)的整體模塊見(jiàn)圖1所示.其中,d[7:0]矢量用于為微機(jī)提供調(diào)節(jié)占空比的控制信號(hào),cs為微機(jī)提供控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制信號(hào),clk為本地晶振頻率,qout[3:0]矢量為四路信號(hào)輸出.其內(nèi)部原理圖如圖2所示.





該設(shè)計(jì)可得到脈沖周期固定(用軟件設(shè)置分頻器I9可改變PWM開(kāi)關(guān)頻率,但一旦設(shè)置完畢,則其脈沖周期將固定)、占空比決定于控制信號(hào)、分辨力為1/256的PWM信號(hào).I8模塊為脈寬鎖存器,可實(shí)現(xiàn)對(duì)來(lái)自微機(jī)的控制信號(hào)d[7:0]的鎖存,d[7:0]的向量值用于決定PWM信號(hào)的占空比.clk本地晶振在經(jīng)I9分頻模塊分頻后可為PWM控制電路中I12計(jì)數(shù)器模塊和I11延時(shí)模塊提供內(nèi)部時(shí)鐘.I12計(jì)數(shù)器在每個(gè)脈沖的上升沿到來(lái)時(shí)加1,當(dāng)計(jì)數(shù)器的數(shù)值為00H或由0FFH溢出時(shí),它將跳到00H時(shí),cao輸出高電平至I7觸發(fā)器模塊的置位端,I7模塊輸出一直保持高電平.當(dāng)I8鎖存器的值與I12計(jì)數(shù)器中的計(jì)數(shù)值相同時(shí),信號(hào)將通過(guò)I13比較器模塊比較并輸出高電平至I7模塊的復(fù)位端,以使I7模塊輸出低電平.當(dāng)計(jì)數(shù)器再次溢出時(shí),又重復(fù)上述過(guò)程.I7為RS觸發(fā)器,經(jīng)過(guò)它可得到兩路相位相反的脈寬調(diào)制波,并可實(shí)現(xiàn)互鎖.I11為延時(shí)模塊,可防止橋路同側(cè)對(duì)管的導(dǎo)通,I10模塊為脈沖分配電路,用于輸出四路滿足設(shè)計(jì)要求的信號(hào).CS為I10模塊的控制信號(hào),用于控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn).

2 電路設(shè)計(jì)
　　
本設(shè)計(jì)采用的是Lattice半導(dǎo)體公司推出的is-plever開(kāi)發(fā)平臺(tái),該開(kāi)發(fā)平臺(tái)定位于復(fù)雜設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單工具.它采用簡(jiǎn)明的設(shè)計(jì)流程并完整地集成了Leonardo Spectrum的VHDL綜合工具和ispVMTM系統(tǒng),因此,無(wú)須第三方設(shè)計(jì)工具便可完成整個(gè)設(shè)計(jì)流程.在原理設(shè)計(jì)方面,本設(shè)計(jì)采用自頂向下、層次化、模塊化的設(shè)計(jì)思想,這種設(shè)計(jì)思想的優(yōu)點(diǎn)是符合人們先抽象后具體,先整體后局部的思維習(xí)慣.其設(shè)計(jì)出的模塊修改方便,不影響其它模塊,且可重復(fù)使用,利用率高.本文僅就原理圖中的I12計(jì)數(shù)器模塊和I11延遲模塊進(jìn)行討論.

　　計(jì)數(shù)器模塊的VHDL程序設(shè)計(jì)如下:

　　entity counter is

　　port(clk: in std logic;

　　Q : out std logic vector(7 downto 0);

　　ca out std_logic);

　　end counter;

　　architecture a_counter of counter is

　　signal Qs: std_logic_vector(7 downto 0);

　　signal reset: std_logic;

　　signal caolock: std_logic;

　　begin

　　process(clk,reset)

　　begin

　　if(reset=‘1)then

　　Qs=“00000000”;

　　elsif clkevent and clk=‘1 then

　　Qs=Qs+‘1;

　　end if;

　　end process;

　　reset=‘1 when Qs=255 else

　　‘0;

　　caolock=‘1 when Qs=0 else

　　‘0;

　　Q=Qs;

　　cao=resetorcaolock;

　　end a_counter;

在原理圖中,延遲模塊必不可少,其功能是對(duì)PWM波形的上升沿進(jìn)行延時(shí),而不影響下降沿,從而確保橋路同側(cè)不會(huì)發(fā)生短路.其模塊的VHDL程序如下:

　　entity delay is

　　port(clk: in std_logic;

　　input: in std_logic_vector(1 downto 0);

　　output:out std_logic_vector(1 downto 0)

　　end delay;

　　architecture a_delay of delay is

　　signal Q1,Q2,Q3,Q4: std_logic;

　　begin

　　process(clk)

　　begin

　　if clkevent and clk=‘1 then

　　Q3=Q2;

　　Q2=Q1;

　　Q1=input(1);

　　end if;

　　end process;

　　Q4=not Q3;

　　output(1)=input(1)and Q3;

　　output(0)=input(0)and Q4;

　　end a_delay;
　　
采用可編程邏輯器件和硬件描述語(yǔ)言,同時(shí)利用其供應(yīng)商提供的開(kāi)發(fā)工具可大大縮短數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)間,節(jié)約新產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本,另外,還具有設(shè)計(jì)靈活,集成度高,可靠性好,抗干能力強(qiáng)等特點(diǎn).本文設(shè)計(jì)的PWM控制電路用于某光測(cè)設(shè)備的傳動(dòng)裝置時(shí),取得了良好的效果.