基于EDA的直流電機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

基于EDA的直流電機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FPGA進行編程，在片內(nèi)可以實現(xiàn)電機控制邏輯，包括速度等級模塊、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)計自動化（EDA，E1ecbonics Design Automation）是一種以計算機為基本工作平臺，利用計算機圖形學(xué)、拓撲邏輯學(xué)、計算數(shù)學(xué)、人工智能學(xué)等多種計算機應(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)計工程師從事電子元件、產(chǎn)品和系統(tǒng)設(shè)計的綜合技術(shù)[1]。

直流電機由于具有速度控制容易，啟、制動性能良好，且在寬范圍內(nèi)平滑調(diào)速等特點而在冶金、機械制造、輕工等工業(yè)部門中得到廣泛應(yīng)用。直流電動機轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類，即勵磁控制法與電樞電壓控制法。勵磁控制法控制磁通，其控制功率雖然小，但低速時受到磁飽和的限制，高速時受到換向火花和換向器結(jié)構(gòu)強度的限制；而且由于勵磁線圈電感較大，動態(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電樞（定子）電壓的接通和斷開的時間比（占空比）來控制馬達的速度，在脈寬調(diào)速系統(tǒng)中，當電機通電時，其速度增加；電機斷電時，其速度減低。只要按照一定的規(guī)律改變通、斷電的時間，即可使電機的速度達到并保持一穩(wěn)定值。最近幾年來，隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的發(fā)展及單片機的廣泛應(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

直流電動機轉(zhuǎn)速的控制方法可分為兩類，即勵磁控制法與電樞電壓控制。在對直流電動機電樞電壓的控制中，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)電機輸入電壓的平均值，從而達到調(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。本系統(tǒng)采用電樞電壓控制法，是通過調(diào)節(jié)PWM觸發(fā)信號的占空比來改變伺服電的平均輸入電壓，從而實現(xiàn)調(diào)速的目的[2]。電動機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，從而達到控制電動機轉(zhuǎn)速的目的，即實現(xiàn)PWM控制。

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

PWM波的生成如圖1所示：

圖1 PWM波生成圖

3、電機PWM控制的實現(xiàn)

本設(shè)計是通過PWM控制來實現(xiàn)直流電機速度控制。PWM控制就是產(chǎn)生一定周期，占空比不同的方波信號，當占空比較大時，電機轉(zhuǎn)速較高，否則電機轉(zhuǎn)速較低。當采用FPGA產(chǎn)生PWM波形時，只需FPGA內(nèi)部資源就可以實現(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。當鋸齒波發(fā)生器的計數(shù)值小于設(shè)定值時輸出低電平，當計數(shù)器大于設(shè)定值時輸出高電平，這樣就可通過改變設(shè)定值，產(chǎn)生占空比不同的方波信號，從而達到控制直流電機轉(zhuǎn)速的目的。并且通過正反轉(zhuǎn)選擇模塊來控制電機的旋轉(zhuǎn)方向[3]。

直流電機控制電路主要由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)計框圖

3.1 PWM調(diào)速的實現(xiàn)

目前實現(xiàn)PWM波形的方法很多，本文采用計數(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。PWM波形產(chǎn)生模塊可由以下幾部分組成：

（1）速度等級模塊。通過Level選擇輸入速度等級，輸入等級的設(shè)定值計數(shù)器的輸出值增加，PWM的占空比增加，電機轉(zhuǎn)速加快；輸入速度等級設(shè)定值計數(shù)器的輸出值減小，PWM的占空比減小，電機轉(zhuǎn)速變慢。

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

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

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

3.2 驅(qū)動電路

本設(shè)計的電機驅(qū)動電路采用的是一種典型的直流驅(qū)動典論。電路得名于“H橋式驅(qū)動電路”是因為它的形狀酷似字母H。4個三極管組成H的4條垂直腿，而電機就是H中的橫杠。要使電機運轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同三極管對的導(dǎo)通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過電機，從而控制電機的轉(zhuǎn)向[4]。

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

4、仿真實驗

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

圖3、圖4分別是占空比為0.2、0.4的PWM波時序仿真圖。通過Level改速度等級模塊設(shè)定值，可以改變1個PWM周期中高低電平的比值，即PWM輸出信號的占空比。驅(qū)動直流電機轉(zhuǎn)動的是PWM電流的平均值，PWM輸出信號的占空比變化，從而也改變了直流電機的轉(zhuǎn)速。計算機仿真結(jié)果表明，F(xiàn)PGA電機控制電路能有效地產(chǎn)生PWM控制信號控制電機的轉(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)是一個基于CPLD/FPGA的PWM調(diào)速系統(tǒng)。它控制的對象是永磁式直流力矩電動機，該直流力矩電動機可以直接由H橋PWM驅(qū)動器驅(qū)動。本設(shè)計把電機系統(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)合起來實現(xiàn)對電機速度的精確控制。由于PLD具有連續(xù)連接結(jié)構(gòu)，易于預(yù)測延時，使電路仿真會更加準確，且編程方便，速度快，集成度高，價格低，從而使系統(tǒng)研制周期大大縮短，產(chǎn)品的性能價格比提高。

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

[2]蔣璇. 數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計與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)?？删幊踢壿嬈骷捌鋺?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