張飛 南京大學(xué)金陵學(xué)院信息科學(xué)與工程系 210089

基于EDA的直流電機(jī)PWM控制

張飛 南京大學(xué)金陵學(xué)院信息科學(xué)與工程系 210089

可編程門陣列器件（FPGA）的使用簡化了電路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。利用硬件描述語言（VHDL）對(duì)FPGA進(jìn)行編程，在片內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制邏輯，包括速度等級(jí)模塊、鋸齒波發(fā)生器存模塊、數(shù)字比較模塊、正反轉(zhuǎn)模塊等。

可編程門陣列器件; PWM; 硬件描述語言

1、引言

電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化（EDA，E1ecbonics Design Automation）是一種以計(jì)算機(jī)為基本工作平臺(tái)，利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、拓?fù)溥壿媽W(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、人工智能學(xué)等多種計(jì)算機(jī)應(yīng)用學(xué)科的最新成果開發(fā)出來的一整套軟件工具，是用于幫助電子設(shè)計(jì)工程師從事電子元件、產(chǎn)品和系統(tǒng)設(shè)計(jì)的綜合技術(shù)[1]。

直流電機(jī)由于具有速度控制容易，啟、制動(dòng)性能良好，且在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速等特點(diǎn)而在冶金、機(jī)械制造、輕工等工業(yè)部門中得到廣泛應(yīng)用。直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類，即勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法。勵(lì)磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小，但低速時(shí)受到磁飽和的限制，高速時(shí)受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的限制；而且由于勵(lì)磁線圈電感較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。所以常用的控制方法是改變電樞端電壓調(diào)速的電樞電壓控制法。調(diào)節(jié)電阻R即可改變端電壓，達(dá)到調(diào)速目的。但這種傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速方法效率低。隨著電力電子技術(shù)的進(jìn)步，出現(xiàn)了許多新的電樞電壓控制方法，其中PWM（脈寬調(diào)制）是常用的一種調(diào)速方法。其基本原理是用改變電機(jī)電樞（定子）電壓的接通和斷開的時(shí)間比（占空比）來控制馬達(dá)的速度，在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，其速度增加；電機(jī)斷電時(shí)，其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時(shí)間，即可使電機(jī)的速度達(dá)到并保持一穩(wěn)定值。最近幾年來，隨著微電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展及單片機(jī)的廣泛應(yīng)用，使調(diào)速裝置向集成化、小型化和智能化方向發(fā)展。

2、脈沖調(diào)制PWM原理

直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類，即勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制。在對(duì)直流電動(dòng)機(jī)電樞電壓的控制中，調(diào)節(jié)方式有脈沖幅值調(diào)PAM（Pulse Amplitude Modulation）和脈沖寬度調(diào)制PWM（Pulse Width Modulation）兩種。在PAM方式中，直流母線電壓可調(diào)，通過調(diào)節(jié)直流母線電壓的大小來調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速。在PWM方式中，直流母線電壓不可調(diào)，通過斬波調(diào)節(jié)電機(jī)輸入電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的目的。最常用的直流調(diào)速技術(shù)是脈寬調(diào)制（PWM）直流調(diào)速技術(shù)，它具有調(diào)速精度高、響應(yīng)速度快、調(diào)速范圍寬和耗損低等特點(diǎn)。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(hào)的占空比來改變伺服電的平均輸入電壓，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的[2]。電動(dòng)機(jī)的電樞繞組兩端的電壓平均值U0為：

式中，D為占空比，Us電源電壓，D的變化范圍為[0，1]。由式（1）可知，當(dāng)電源電壓Us不變的情況下，電樞兩端電壓的平均值U0取決于占空比D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(dá)到控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，即實(shí)現(xiàn)PWM控制。

本設(shè)計(jì)是通過鋸齒波發(fā)生器在CLK1的激勵(lì)下輸出周期性的鋸齒波。兩路計(jì)數(shù)器的輸出同時(shí)加在數(shù)字比較器上，當(dāng)鋸齒波發(fā)生器模塊輸出值小于速度等級(jí)模塊輸出的規(guī)定值時(shí)，比較器輸出低電平；當(dāng)鋸齒波發(fā)生器模塊輸出值大于速度等級(jí)模塊輸出的規(guī)定值時(shí)，比較器輸出高電平。改速度等級(jí)模塊的設(shè)定值，就可以改變PWM輸出信號(hào)的占空比。速度等級(jí)模塊可以選擇不同的速度等級(jí)，由Level控制速度等級(jí)的選取，CLK0是計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端。

PWM波的生成如圖1所示：

圖1 PWM波生成圖

3、電機(jī)PWM控制的實(shí)現(xiàn)

本設(shè)計(jì)是通過PWM控制來實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)速度控制。PWM控制就是產(chǎn)生一定周期，占空比不同的方波信號(hào)，當(dāng)占空比較大時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，否則電機(jī)轉(zhuǎn)速較低。當(dāng)采用FPGA產(chǎn)生PWM波形時(shí)，只需FPGA內(nèi)部資源就可以實(shí)現(xiàn)，數(shù)字比較器的一端接設(shè)定值輸出，另一端接鋸齒波發(fā)生器輸出。當(dāng)鋸齒波發(fā)生器的計(jì)數(shù)值小于設(shè)定值時(shí)輸出低電平，當(dāng)計(jì)數(shù)器大于設(shè)定值時(shí)輸出高電平，這樣就可通過改變?cè)O(shè)定值，產(chǎn)生占空比不同的方波信號(hào)，從而達(dá)到控制直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的目的。并且通過正反轉(zhuǎn)選擇模塊來控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向[3]。

直流電機(jī)控制電路主要由2部分組成，如圖2所示。

（1）FPGA中PWM脈寬調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生電路；

（2）FPGA中正/反轉(zhuǎn)方向控制電路。

圖2 總體設(shè)計(jì)框圖

3.1 PWM調(diào)速的實(shí)現(xiàn)

目前實(shí)現(xiàn)PWM波形的方法很多，本文采用計(jì)數(shù)比較的方法產(chǎn)生PWM波形。該方法可以得到脈沖周期固定的PWM信號(hào)。PWM波形產(chǎn)生模塊可由以下幾部分組成：

（1）速度等級(jí)模塊。通過Level選擇輸入速度等級(jí)，輸入等級(jí)的設(shè)定值計(jì)數(shù)器的輸出值增加，PWM的占空比增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速加快；輸入速度等級(jí)設(shè)定值計(jì)數(shù)器的輸出值減小，PWM的占空比減小，電機(jī)轉(zhuǎn)速變慢。

（2）鋸齒波模塊發(fā)生器模塊。是利用計(jì)數(shù)器根據(jù)clk1的輸入進(jìn)行計(jì)數(shù)，產(chǎn)生一個(gè)周期性的鋸齒波。

（3）比較器模塊。將速度等級(jí)模塊的輸出和鋸齒波模塊的輸出進(jìn)行比較，得到PWM信號(hào)。

（4）正反轉(zhuǎn)模塊。對(duì)PWM的輸出進(jìn)行選擇，確定它是正轉(zhuǎn)還是反轉(zhuǎn)。

3.2 驅(qū)動(dòng)電路

本設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用的是一種典型的直流驅(qū)動(dòng)典論。電路得名于“H橋式驅(qū)動(dòng)電路”是因?yàn)樗男螤羁崴谱帜窰。4個(gè)三極管組成H的4條垂直腿，而電機(jī)就是H中的橫杠。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)三極管。根據(jù)不同三極管對(duì)的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì)從左至右或從右至左流過電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向[4]。

本設(shè)計(jì)是通過向驅(qū)動(dòng)電路輸入兩個(gè)方向信號(hào)。如果Z信號(hào)為1，F(xiàn)信號(hào)為0，那么三極管T1和T4導(dǎo)通，電流從左至右流經(jīng)電機(jī)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；如果Z信號(hào)變?yōu)?，而F信號(hào)變?yōu)?，那么T2和T3將導(dǎo)通，電流則反向流過電機(jī)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。其中電機(jī)的轉(zhuǎn)速是由PWM模塊產(chǎn)生的一定占空比的PWM波，用來控制電機(jī)轉(zhuǎn)速[5]。

4、仿真實(shí)驗(yàn)

PWM控制電路由速度等級(jí)模塊、鋸齒波發(fā)生器模塊、數(shù)字比較器模塊組成。鋸齒波發(fā)生器在CLK1的激勵(lì)下輸出從0開始的逐漸增大的鋸齒波。兩路計(jì)數(shù)器的輸出同時(shí)加在數(shù)字比較器上，當(dāng)鋸齒波發(fā)生器模塊輸出值小于速度等級(jí)模塊輸出的規(guī)定值時(shí)，比較器輸出低電平；當(dāng)鋸齒波發(fā)生器模塊輸出值大于速度等級(jí)模塊輸出的規(guī)定值時(shí)，比較器輸出高電平。改速度等級(jí)模塊的設(shè)定值，就可以改變PWM輸出信號(hào)的占空比。速度等級(jí)模塊可以選擇不同的速度等級(jí)，由Level控制速度等級(jí)的選取，CLK0是計(jì)數(shù)時(shí)鐘輸入端[5]。

圖3、圖4分別是占空比為0.2、0.4的PWM波時(shí)序仿真圖。通過Level改速度等級(jí)模塊設(shè)定值，可以改變1個(gè)PWM周期中高低電平的比值，即PWM輸出信號(hào)的占空比。驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的是PWM電流的平均值，PWM輸出信號(hào)的占空比變化，從而也改變了直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。計(jì)算機(jī)仿真結(jié)果表明，F(xiàn)PGA電機(jī)控制電路能有效地產(chǎn)生PWM控制信號(hào)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，且控制精度由FPGA中的數(shù)字比較器決定。

5、結(jié)束語

圖3 占空比為0.2的波形仿真

圖4 占空比為0.4的波形仿真

本文所介紹的系統(tǒng)是一個(gè)基于CPLD/FPGA的PWM調(diào)速系統(tǒng)。它控制的對(duì)象是永磁式直流力矩電動(dòng)機(jī)，該直流力矩電動(dòng)機(jī)可以直接由H橋PWM驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)。本設(shè)計(jì)把電機(jī)系統(tǒng)與具有內(nèi)部結(jié)構(gòu)重組、現(xiàn)場可編程的CPLD/ FPGA芯片完美的相結(jié)合起來實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)速度的精確控制。由于PLD具有連續(xù)連接結(jié)構(gòu)，易于預(yù)測延時(shí)，使電路仿真會(huì)更加準(zhǔn)確，且編程方便，速度快，集成度高，價(jià)格低，從而使系統(tǒng)研制周期大大縮短，產(chǎn)品的性能價(jià)格比提高。

[1]曾繁泰. VHDL程序設(shè)計(jì)[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社. 2003.

[2]蔣璇. 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)與PLD應(yīng)用技術(shù)[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社.1997.

[3]陳雪松, 滕立中. VHDL入門與應(yīng)用[M]. 北京: 人民郵電出版社. 2000.

[4]徐志軍. 大規(guī)模可編程邏輯器件及其應(yīng)用[M]. 成都: 電子科技大學(xué)出版社. 2004.

[5]趙雅興. FPGA原理及應(yīng)用[M]. 天津:天津大學(xué)出版社. 2000.

10.3969/j.issn.1001-8972.2010.21.069