基于FPGA的直流电机综合测控系统设计

刘兵++彭森

摘 要：当今，在各行业中自动化控制系统已经取得了较为广泛的发展和应用，而在现在的规模化生产中，电器传动技术以直流驱动控制技术为主流有着重要作用。一直以来，因直流电动机其转速在调节上比较灵活，调节方法简单，大范围的平滑调速较容易，控制方面性能更好等特点，所以在传动领域中拥有不可动摇的地位。它在工业机器人、数控机床、等工厂设备自动化中得到广泛应用。在现代化的生产中，随着规模的不断扩大，各行各业对直流电机在技术上和数量上的需求也越来越大，并在性能上要求也更高。因此，研究出高可靠性、高性能的直流电机控制系统，并且制造出高水平的系统就有着非常现实和重要的意义。

关键词：FPGA；Verilog；EDA；PWM调速

1 引言

电机作为电能的转换装置，其应用范围己遍及国民经济的各个领域。近些年来，随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，电机的控制技术也得到了进一步的发展，电机应用已由过去简单的起停控制、提供动力为目的应用，上升到对其速度、位置、转矩等进行精确的控制，使被驱动的机械运动符合预想的要求。采用功率器件进行控制，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动，这种新型控制技术己经不是传统的“电机控制”、“电气传动”而是“运动控制”。运动控制使被控机械运动实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制，以及这些被控机械量的综合控制。

2 设计方案

如图1所示，基于FPGA的直流电机PWM控制电路主要由四部分组成：控制命令输入模块、控制命令处理模块、控制命令输出模块、电源模块。键盘电路、时钟电路是系统的控制命令输入模块，向FPGA芯片发送命令，FPGA芯片是系统控制命令的处理模块，负责接收、处理输入命令并向控制命令输出模块发出PWM信号，是系统的控制核心。控制命令输出模块由H型桥式直流电机驱动电路组成，它负责接收由FPGA芯片发出的PWM信号，从而控制直流电机的正反转、加速以及在线调速。电源模块负责给整个电路供电，保证电路能够正常的运行。

3 系统硬件设计

在图1中所示的FPGA是根据设计要求设计好的一个芯片。START是电机的开启端，U_D控制电机加速与减速，EN1用于设定电机转速的初值，Z_F是电机的方向端口，选择电机运行的方向。CLK2和CLK0是外部时钟端，其主要作用是向FPGA控制系统提供时钟脉冲，控制电机进行运转。

通过键盘设置PWM信号的占空比。当U_D=1时， 表明键U_D按下，输入CLK2使电机转速加快；当U/D =0，表明键U_D松开，输入CLK2使电机转速变慢，这样就可以实现电机的加速与减速。Z_F键是电机运转的方向按键，当把Z_F键按下时，Z_F=1，电机正转；反之Z/F =0时，电机反转。START是电机的开启键，当START=1，允许电机工作；当START=0时，电机停止转动。H桥电路由大功率晶体管组成，PWM输出波形通过由两个二选一电路组成的方向控制电路送到 H 桥， 经功率放大以后对直流电机实现四象限运行。并由EN1信号控制是否允许变速。以上是在网上查询的关于直流电机的简易结构描述，我们电脑QuartusⅡ做的是FPGA内部逻辑组成。控制逻辑VHDL描述。新建文件夹，以文件名PWM保存。

4 结论

本设计采用VHDL设计FPGA脉宽调制控制方案，计算机仿真和对直流电机控制的结果表明，该电路能有效地产生PWM控制信号控制电机的转速，控制精度由FPGA中的数字比较器决定。在本设计中，采用的数字比较器为5位，若增加数字比较器的位数，就可以提高电机转速的控制精度。FPGA内部采用状态机结构，遇到干扰时，能很快从异常状态转入正常工作状态，保证了控制系统具有高的可靠性。从以上的仿真中可以看出，基于FPGA的直流电机的控制能够达到很好的预期效果。

参考文献

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作者简介

刘兵，邵阳学院魏源国际学院电子科学与技术专业学生。

通讯作者（指导老师）

彭森，邵阳学院信息工程系教师。