劉兵++彭森
摘 要:當(dāng)今,在各行業(yè)中自動化控制系統(tǒng)已經(jīng)取得了較為廣泛的發(fā)展和應(yīng)用,而在現(xiàn)在的規(guī)?;a(chǎn)中,電器傳動技術(shù)以直流驅(qū)動控制技術(shù)為主流有著重要作用。一直以來,因直流電動機(jī)其轉(zhuǎn)速在調(diào)節(jié)上比較靈活,調(diào)節(jié)方法簡單,大范圍的平滑調(diào)速較容易,控制方面性能更好等特點(diǎn),所以在傳動領(lǐng)域中擁有不可動搖的地位。它在工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、等工廠設(shè)備自動化中得到廣泛應(yīng)用。在現(xiàn)代化的生產(chǎn)中,隨著規(guī)模的不斷擴(kuò)大,各行各業(yè)對直流電機(jī)在技術(shù)上和數(shù)量上的需求也越來越大,并在性能上要求也更高。因此,研究出高可靠性、高性能的直流電機(jī)控制系統(tǒng),并且制造出高水平的系統(tǒng)就有著非?,F(xiàn)實(shí)和重要的意義。
關(guān)鍵詞:FPGA;Verilog;EDA;PWM調(diào)速
1 引言
電機(jī)作為電能的轉(zhuǎn)換裝置,其應(yīng)用范圍己遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域。近些年來,隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)、控制技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,電機(jī)的控制技術(shù)也得到了進(jìn)一步的發(fā)展,電機(jī)應(yīng)用已由過去簡單的起??刂啤⑻峁﹦恿槟康膽?yīng)用,上升到對其速度、位置、轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行精確的控制,使被驅(qū)動的機(jī)械運(yùn)動符合預(yù)想的要求。采用功率器件進(jìn)行控制,將預(yù)定的控制方案、規(guī)劃指令轉(zhuǎn)變成期望的機(jī)械運(yùn)動,這種新型控制技術(shù)己經(jīng)不是傳統(tǒng)的“電機(jī)控制”、“電氣傳動”而是“運(yùn)動控制”。運(yùn)動控制使被控機(jī)械運(yùn)動實(shí)現(xiàn)精確的位置控制、速度控制、加速度控制、轉(zhuǎn)矩或力的控制,以及這些被控機(jī)械量的綜合控制。
2 設(shè)計方案
如圖1所示,基于FPGA的直流電機(jī)PWM控制電路主要由四部分組成:控制命令輸入模塊、控制命令處理模塊、控制命令輸出模塊、電源模塊。鍵盤電路、時鐘電路是系統(tǒng)的控制命令輸入模塊,向FPGA芯片發(fā)送命令,F(xiàn)PGA芯片是系統(tǒng)控制命令的處理模塊,負(fù)責(zé)接收、處理輸入命令并向控制命令輸出模塊發(fā)出PWM信號,是系統(tǒng)的控制核心??刂泼钶敵瞿K由H型橋式直流電機(jī)驅(qū)動電路組成,它負(fù)責(zé)接收由FPGA芯片發(fā)出的PWM信號,從而控制直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、加速以及在線調(diào)速。電源模塊負(fù)責(zé)給整個電路供電,保證電路能夠正常的運(yùn)行。
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計
在圖1中所示的FPGA是根據(jù)設(shè)計要求設(shè)計好的一個芯片。START是電機(jī)的開啟端,U_D控制電機(jī)加速與減速,EN1用于設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速的初值,Z_F是電機(jī)的方向端口,選擇電機(jī)運(yùn)行的方向。CLK2和CLK0是外部時鐘端,其主要作用是向FPGA控制系統(tǒng)提供時鐘脈沖,控制電機(jī)進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。
通過鍵盤設(shè)置PWM信號的占空比。當(dāng)U_D=1時, 表明鍵U_D按下,輸入CLK2使電機(jī)轉(zhuǎn)速加快;當(dāng)U/D =0,表明鍵U_D松開,輸入CLK2使電機(jī)轉(zhuǎn)速變慢,這樣就可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的加速與減速。Z_F鍵是電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的方向按鍵,當(dāng)把Z_F鍵按下時,Z_F=1,電機(jī)正轉(zhuǎn);反之Z/F =0時,電機(jī)反轉(zhuǎn)。START是電機(jī)的開啟鍵,當(dāng)START=1,允許電機(jī)工作;當(dāng)START=0時,電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。H橋電路由大功率晶體管組成,PWM輸出波形通過由兩個二選一電路組成的方向控制電路送到 H 橋, 經(jīng)功率放大以后對直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。并由EN1信號控制是否允許變速。以上是在網(wǎng)上查詢的關(guān)于直流電機(jī)的簡易結(jié)構(gòu)描述,我們電腦QuartusⅡ做的是FPGA內(nèi)部邏輯組成??刂七壿媀HDL描述。新建文件夾,以文件名PWM保存。
4 結(jié)論
本設(shè)計采用VHDL設(shè)計FPGA脈寬調(diào)制控制方案,計算機(jī)仿真和對直流電機(jī)控制的結(jié)果表明,該電路能有效地產(chǎn)生PWM控制信號控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速,控制精度由FPGA中的數(shù)字比較器決定。在本設(shè)計中,采用的數(shù)字比較器為5位,若增加數(shù)字比較器的位數(shù),就可以提高電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制精度。FPGA內(nèi)部采用狀態(tài)機(jī)結(jié)構(gòu),遇到干擾時,能很快從異常狀態(tài)轉(zhuǎn)入正常工作狀態(tài),保證了控制系統(tǒng)具有高的可靠性。從以上的仿真中可以看出,基于FPGA的直流電機(jī)的控制能夠達(dá)到很好的預(yù)期效果。
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作者簡介
劉兵,邵陽學(xué)院魏源國際學(xué)院電子科學(xué)與技術(shù)專業(yè)學(xué)生。
通訊作者(指導(dǎo)老師)
彭森,邵陽學(xué)院信息工程系教師。