基于VHDL控制的直流电机PWM控制器的设计

1、基于VHDL控制的直流电机PWM控制器的设计 课 程 设 计 姓 名： 学 号： 学 院： 电气与信息工程学院 专 业： 设计题目： 基于VHDL控制的直流电机PWM控制器的设计 指导教师： 2014年1 月 安徽工业大学摘 要本文主要介绍利用可编程芯片及VHDL语言实现对直流电机PWM控制器的设计。该直流电机PWM控制器由速度控制器模块、计数器模块、数字比较模块、分频器模块组成，为了使该直流电机更完善，本系统还添加了正转反转模块。该系统无须外接D/A转换器及模拟比较器，结构简单，控制精度高，有广泛的应用前景。关键词： 直流电机；脉宽调制；VHDL语言ABSTRACTThis paper de

2、scribes the use of programmable chips and VHDL language realize PWM DC motor controller design. The PWM controller consists of a DC motor speed controller modules, counter modules, digital comparator module divider modules, in order to make better the DC motor, the system also adds a True Story reve

3、rsal module. The system is no external D / A converters and analog comparators, simple structure, high control accuracy, a wide range of applications. Key words: DC motor; PWM; VHDL目录摘 要2ABSTRACT21 引言42直流电机控制电路构成及工作原理43 各模块程序的编写、顶层模块与顶层模块的仿真波形图53.1 分频器模块程序与仿真图53.2 标准计数器模块与仿真图63.3 加速器程序与仿真图73.4 比较器程序

4、与仿真图83.5 顶层模块图93.6 顶层模块仿真波形94 结束语9参考文献101 引言 随着电气化、自动化、智能化的发展，直流电机在工业中的应用越来越广泛，市场上也有各种直流电机，在传统的PWM调速系统中一般采用硬件作为脉冲发生器的方式,应用的元器件较多,同样会增加电路的复杂程度,随着电子技术和大规模可编程逻辑器件的发展. PWM采用软件的方法来实现调速过程,具有更大的灵活性,实现了硬件设计软件化.早前产生PWM信号波形是采用微机或单片机通过模拟比较器实现,比较器的一端接给定的参考电压,另一端接周期性线性增加的锯齿电压。当锯齿波电压小于参考电压时输出低电平，大于参考电压时输出高电平。改变参考

5、电压就可以改变PWM波形中的高电平的宽度。此时锯齿波电压和设置参考电压均须由微机或单片机通过D/A转换器产生，再经过外接的模拟比较器输出PWM的波形，因此外围电路比较复杂。数字PWM控制只需FPGA中的内部资源就可以实现。用数字比较器代替模拟比较器，数字比较器的一端接设定值计数器的输出，另一端接线性递增计数器输出。当线性计数器计数值小于设定值时输出低电平，大于设定值时输出高电平。与模拟控制相比，省去了外接的D/A转换器和模拟比较器，FPGA外部连线很少，电路更加简单。而且可以在系统调整脉宽细分电路位数及数字比较器的设定值，从而实现对电机转速等参数的灵活控制2直流电机控制电路构成及工作原理如图1

6、所示，直流电机控制电路主要由三部分组成：FPGA中PWM脉宽调制信号产生电路；工作/停止控制和正/反转方向控制电路;片外功率放大电路和H桥正/反转功率驱动电路。在CLK0的作用下，锯齿波计数器输出周期性线性增加的锯齿波。当计数值小于设定值时I数字比较器输出低电平，当计数值大于设定值时，数字比较器输出高电平，由此产生周期性的PWM波形。分频模块和cntb模块共同控制输出频率。旋转方向控制电路控制直流电动机转向及启动/停止，该电路由两个2选1选择器组成Z/F键控制选择PWM波形从正端Z进入H桥，还是从负端F进入H桥，以控制电机的转动方向。START键通过”与”门控制PWM的输出实现对电机的工作/停

7、止控制。H桥电路由大功率晶体管组成，PWM 波形通过方向控制送到H桥，经功率放大以后驱动电机转动。图1 直流电机控制电路框图3 各模块程序的编写、顶层模块与顶层模块的仿真波形图3.1 分频器模块程序与仿真图 该系统要求输出频率为10Khz，首先通过该分频模块由公式f1=20000/(c+1)*2，其中c=31,使频率为320khz,该频率作为计数模块的输入频率。程序及仿真图3如下：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity fenpin isport(clk:in std_log

8、ic; clock:out std_logic);end fenpin;architecture art of fenpin issignal count:integer range 0 to 31;signal clk_data:std_logic;beginprocess(clk)begin if clk'event and clk='1' thenif count=31 then count<=0; clk_data<=not clk_data; else count<=count-1;end if;end if;clock<=clk_da

9、ta;end process;end art; 图3.分频模块仿真图3.2 标准计数器模块该模块既是计数模块，计数时最大计数值为31，又与分频模块共同控制输出频率。该模块的输入频率来源于分频模块的320khz,有公式f=f1/32，从而使直流电机的输出频率等于10khz。程序与仿真图4如下：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity cntb is port(clk0,m:in std_logic; q:out std_logic_vector(4 downto 0);end c

10、ntb;architecture behav1 of cntb issignal q1:std_logic_vector(4 downto 0);beginprocess(clk0)beginif clk0'event and clk0='1' thenif m='1' thenif q1=31 thenq1<="00000"elseq1<=q1+1;end if;end if;end if;end process;q<=q1;end behav1; 图4.计数模块仿真图3.3 加速器程序设定值计数器cnta设置PW

11、M信号的占空比。当U/D=1，输入CLK2使设定值计数器的输出值增加，PWM占空比增加，电机转速加快。当U/D=0，输入CLK2，使设定值计数器的输出值减小，PWM 占空比减小，电机转速变慢。程序及仿真图2如下：library ieee;use ieee.std_logic_unsigned.all;use ieee.std_logic_1164.all;entity cnta isport(clk,u_d,en:in std_logic; m:out std_logic;cq:out std_logic_vector(4 downto 0);end cnta;architecture beh

12、av of cnta issignal cq1:std_logic_vector(4 downto 0);beginprocess(clk)beginif clk'event and clk='1' then if en='1'then if u_d='1'then if cq1=31 then cq1<="11111" elsecq1<=cq1+1;end if;elsif cq1=0 then cq1<="00000" else cq1<=cq1-1;end if; el

13、sif en='0' then m<='1' end if; end if; end process; cq<=cq1;end behav; 图2.加速器模块仿真图3.4 比较器当计数值小于设定值时数字比较器输出低电平，当计数值大于设定值时，数字比较器输出高电平，由此产生周期性的PWM波形。程序及仿真图6如下：library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;entity compare1 isport(dataa,datab:in std_logic_vector(4 downto 0); m:in std_logi

14、c; agb:out std_logic);end compare1;architecture behav2 of compare1 isbeginprocess(dataa,datab)beginif m='1' thenif dataa>datab thenagb<='1'else agb<='0'end if;else agb<='0'end if ;end process;end behav2; 图6.比较模块仿真图3.5 顶层模块图3.6 顶层模块仿真波形4 结束语该控制模块在EDA的仿真符合设计要求，输出频率是10khz，其占空比可调，在0.10.9之间。在实际应用中，可根据直流电机的转速