易龍龍，張復(fù)春，王美玲，郝雁中

（中國人民解放軍空軍航空大學(xué) 航空理論系，吉林 長春 130022）

機(jī)電一體化系統(tǒng)中常需要產(chǎn)生多通道PWM信號以完成對多臺電機(jī)進(jìn)行協(xié)調(diào)控制，而傳統(tǒng)控制系統(tǒng)仍然采用單片機(jī)內(nèi)部的定時/計數(shù)器來產(chǎn)生所需要的PWM信號，但由于定時/計數(shù)器及IO端口數(shù)量的限制，單個單片機(jī)控制器常不能滿足多通道電機(jī)并行控制的要求[1-3]。而FPGA內(nèi)部程序并行運(yùn)行，不同邏輯任務(wù)可同時執(zhí)行，使其工作更有效率，且其具有豐富的邏輯資源和I/O引腳資源。文中采用Altera公司Cyclone II系列的EP2C8Q208芯片，采用模塊化的設(shè)計方法，以四臺無刷直流電機(jī)為控制對象，完成了多通道的直流電機(jī)控制器的設(shè)計，有效地縮小了設(shè)計規(guī)模，節(jié)約了設(shè)計成本。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計

本系統(tǒng)采用自頂向下的設(shè)計思路，將系統(tǒng)主要分為以下模塊：FPGA控制模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊，轉(zhuǎn)速檢測模塊[4]。如圖1所示。本系統(tǒng)以FPGA為控制核心，通過程序設(shè)定控制電機(jī)速度的PWM信號的占空比，由FPGA的I/O口輸出給直流電機(jī)驅(qū)動電路以完成對直流電機(jī)的驅(qū)動。電機(jī)轉(zhuǎn)速測量由霍爾傳感器完成，反饋給FPGA計數(shù)模塊，通過計數(shù)結(jié)果以決策電機(jī)控制狀態(tài)。文中將著重介紹FPGA控制模塊及各部分的功能設(shè)計與實現(xiàn)方法。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Structure of the system

設(shè)計中將FPGA控制模塊又分為分頻模塊，計數(shù)模塊，并行控制模塊，PWM生成模塊4部分。分頻模塊把外部高頻時鐘信號降低為系統(tǒng)所需的標(biāo)準(zhǔn)頻率。計數(shù)模塊對霍爾傳感器輸入脈沖進(jìn)行計數(shù)以完成對電機(jī)轉(zhuǎn)速的測量。并行控制模塊通過計數(shù)模塊的計數(shù)結(jié)果決策PWM信號的占空比。PWM生成模塊通過并行控制模塊輸出的占空比信號生成PWM波形。如圖2所示。

圖2 FPGA內(nèi)部模塊框圖Fig.2 Module chart in FPGA

2 各功能模塊設(shè)計

2.1 電機(jī)驅(qū)動模塊

本設(shè)計中直流電機(jī)驅(qū)動模中采用ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動芯片L298P，內(nèi)含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，采用標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號控制。由L298P構(gòu)成的脈寬調(diào)速電路如圖3所示。在圖中，L298P可驅(qū)動兩個直流電機(jī)，可以分別控制它們的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、運(yùn)轉(zhuǎn)與停止。圖中ENA、ENB分別控制兩個電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)與停止，當(dāng)端口為高電平時電機(jī)旋轉(zhuǎn)，加低電平時電機(jī)停止旋轉(zhuǎn)；由In1，In2端送入脈寬調(diào)制信號，通過改變信號的脈寬達(dá)到調(diào)速和換向的目的。M1_+，M1_-和M2_+，M2_-分別是兩個直流電機(jī)的電壓輸入端[5]。

圖3 LMD18200電機(jī)驅(qū)動電路Fig.3 Motor drive circuit based on LMD18200

2.2 分頻模塊

盡管可以設(shè)計中采用鎖相環(huán)來完成分頻器的設(shè)計，但為了節(jié)省邏輯資源，降低芯片功耗，在對于時鐘要求不太嚴(yán)格的設(shè)計中，可自主設(shè)計進(jìn)行時鐘分頻。本設(shè)計中采用常用的計數(shù)分頻，只改變分頻系數(shù)就可實現(xiàn)隨意分頻。其設(shè)計過程簡單，且消耗系統(tǒng)資源少。在本設(shè)計中輸入時鐘CLK_25M為25 MHz，為了設(shè)計方便，選擇分頻系數(shù)設(shè)為16。通過對模塊輸出進(jìn)行仿真，測量時鐘輸出頻率為1.562 5 MHz，周期為640 ns滿足設(shè)計要求。

2.3 計數(shù)模塊

本設(shè)計中采用霍爾傳感器對直流電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量，電機(jī)每轉(zhuǎn)一圈，霍爾傳感器就輸出一個高脈沖。測速模塊其功能主要是計數(shù)，并且將所得到的數(shù)字應(yīng)予鎖存輸出。根據(jù)單位周期內(nèi)霍爾傳感器輸出的高脈沖數(shù)就可以估算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。在本設(shè)計中設(shè)定每500 ms的周期內(nèi)對計數(shù)結(jié)果進(jìn)行一次輸出并清零。根據(jù)其具體邏輯功能將利用Verilog HDL語言實現(xiàn)，其邏輯框圖如圖4所示[6]。

圖4 測速模塊邏輯圖Fig.4 Logic chart of speed measure module

測速模塊的邏輯仿真結(jié)果如圖5所示，分頻后系統(tǒng)時鐘頻率為1.562 5 MHz，系統(tǒng)復(fù)位后，開始對被測霍爾傳感器輸入進(jìn)行計數(shù)測量，其結(jié)果為20。已經(jīng)被測輸入信號周期為50 ms，則頻率為20，表明設(shè)計完全正確。

2.4 并行控制模塊

圖5 測速模塊仿真圖Fig.5 Simulation chart of speed measure module

并行控制模塊部分是電機(jī)控制的核心部分，主要負(fù)責(zé)根據(jù)預(yù)定設(shè)置和計數(shù)模塊的計數(shù)結(jié)果，按照設(shè)計目的，完成對PWM占空比的控制。由于要實現(xiàn)各通道電機(jī)之間互不干擾，則要求各并行控制模塊與測速模塊和PWM生成模塊一一對應(yīng)，以實現(xiàn)各通道并行獨(dú)立控制。

2.5PWM生成模塊

產(chǎn)生PWM原理：FPGA中的基準(zhǔn)計數(shù)器用來產(chǎn)生類似模擬電路的三角波基準(zhǔn)，是一個最小計數(shù)值為0，最大計數(shù)值為周期寄存器中保存的數(shù)值。PWM的任務(wù)邏輯由輸入時鐘CLK，輸出信號pwm_out，使能位，32位計數(shù)器以及一個32位比較器組成。輸入時鐘作為32位計數(shù)器的時鐘信號，32位計數(shù)器的當(dāng)前值與占空比設(shè)定寄存器中的值經(jīng)過比較器后來決定pwm_out的輸出為高或為低。當(dāng)前計數(shù)器中的值小于或等于占空比寄存器中的值時，pwm_out輸出低電平，否則輸出高電平。PWM的周期設(shè)定寄存器來設(shè)置pwm_out的信號周期，當(dāng)前計數(shù)器的值等于周期設(shè)定寄存器中設(shè)定的值時產(chǎn)生一個復(fù)位信號來清除計數(shù)器中的值。使能控制寄存器能使時鐘信號有效或無效，從而控制計數(shù)器是否工作，進(jìn)而控制pwm_out是否保持當(dāng)前狀態(tài)不變。PWM生成模塊邏輯圖如圖6所示。

圖6 PWM生成邏輯圖Fig.6 Logic chart of generate PWM

本系統(tǒng)共設(shè)計了4條PWM信號輸出通道，每條通道的仿真波形如圖8所示。通過仿真發(fā)現(xiàn)，當(dāng)改變占空比寄存器data中的數(shù)據(jù)時，模塊輸出信號波形的占空比也隨之發(fā)現(xiàn)變化，符合脈寬調(diào)制的要求。在本設(shè)計中采用時鐘同步信號，只有當(dāng)一個完整的PWM波輸出時，才能接收data下一個數(shù)據(jù)，有效避免輸出信號發(fā)生混亂，使輸出信號具有良好的可預(yù)見性。

3 實驗結(jié)果與分析

本實驗中設(shè)計了四通道PWM以完成對4個直流電機(jī)控制。利用Quartus II自帶的仿真工具對系統(tǒng)進(jìn)行時序仿真，如圖7所示。由圖可以看出各個通道的PWM波的占空比與每個通道的霍爾傳感器輸入信號有關(guān)，各通道之間互不影響。

圖7 多通道PWM時序波形圖Fig.7 Timing wave of multi-channel PWM

對系統(tǒng)綜合之后，通過觀察RTL邏輯視圖，如圖8所示，可以看出，各個通道是并行的，互不影響，符合設(shè)計要求。同時，也不難看出，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單，具有較強(qiáng)的拓展能力，能夠方便地實現(xiàn)多通道電機(jī)的并行控制。

圖8 系統(tǒng)RTL邏輯視圖Fig.8 RTL logic view of the system

隨著PWM設(shè)計通道數(shù)量的增多，所需要的片內(nèi)邏輯資源也就越多，即設(shè)計PWM通道數(shù)目在一定程度上取決于FPGA片機(jī)邏輯資源的大小。

4 結(jié)束語

本設(shè)計充分利用了FPGA豐富的I/O引腳資源及程序并行運(yùn)行的特點(diǎn)，代替了普通的單片機(jī)實現(xiàn)了多通道電機(jī)的控制，克服了傳統(tǒng)PWM控制器通道少的不足，同時有效地減少了電路規(guī)模。本系統(tǒng)采用Quartus II自帶的仿真工具進(jìn)行仿真，驗證了設(shè)計的可行性。雖然本設(shè)計在功能上還比較單一，在由于其具有良好拓展性，可根據(jù)實現(xiàn)設(shè)計要求，能夠方便的對系統(tǒng)進(jìn)行升級和維護(hù)。

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