基於VHDL的直流電機控制功能模塊設計

隨著社會的發展，直流電機的應用越來越普遍，對直流電機控制方式的要求也不斷提高。本文利用ALTERA公司最新開發的SOPC解決方案，提出了基於NiosII軟核處理器的直流電機功能模塊的設計方案，給出了VHDL代碼生成功能模塊IP核。IP核的生成，不僅方便設計者靈活使用，節省資源，也大大縮短了設計周期。設計者可以根據需要直接調用IP核來組成NiosII系統，然後將此系統下載到FPGA中實現。IP核不僅可以用在電機控制中，還可以用來控制其它一些小型家電，全彩LED等，具有廣闊的應用前景。

1 直流電機總體硬體設計
如圖1所示，系統整體由FPGA晶片控制，其控制核心為ALTERA公司的NiosII軟核CPU，本文將著重介紹圖中兩個控制功能模塊PWM模塊和測速模塊的設計與生成。這兩個控制功能模塊均採用VHDL硬體描述語言自行設計生成可以調用的IP核，通過QuartusII對其進行編譯、仿真驗證其正確性，最後將生成自定義接口功能模塊添加到頂層原理圖中，完成整個調速系統的設計。

2 PWM功能模塊的設計
PWM模塊利用直流電機佔空比來控制電機電樞電壓，從而控制直流電機的轉速。設計過程如圖2所示。

PWM功能模塊的仿真波形如圖3所示。

從圖3可以看出，仿真時給定一個時鐘信號Clk，Sta用來控制直流電機正反轉，圖3中的0表示直流電機處於正轉狀態，1表示停止，3表示反轉；Conword為佔空比信號，仿真中有25％、78％、50％三種值；PWM A表示直流電機處於正轉狀態時的佔空比輸出，這時PWM B的輸出為0；PWM B表示直流電機處於反轉時的佔空比輸出，此時PWM A的輸出值為0；而當電機處於停止狀態時，如圖中當Sta值為1時，PWM A和PWM B的輸出值均為0。經仿真時序圖驗證此設計是有效的，從而將其生成PWM功能模塊。
PWM功能模塊如圖4所示。

PWM控制功能模塊的原理如下：將時鐘源50MHz的基頻信號64分頻，作為PWM模塊的基頻信號，以256個該基頻脈衝信號作為PWM輸出的一個周期，由NiosII處理器給出Conword的值指定一個PWM周期內高電平持續時間，改變Conword的值即刻改變佔空比輸出的值。Sta用來控制電機正反轉。
PWM控制功能模塊管腳分配圖如圖5所示。

3 測速功能模塊的設計
測速模塊的作用主要是利用基頻的周期來計算光柵信號的周期，算出直流電機的轉速。其設計的流程圖如圖6所示。

測速模塊的時序仿真波形圖如圖7所示。
從圖7中可以看出，仿真時給定一個時鐘信號Clk用於計時，en為使能信號，即表示光柵有效，dout表示光柵有效時間，仿真中有200、400、700三種值。通過時序仿真驗證了此設計的測速模塊是有效的，從而將其生成測速功能模塊。
測速功能模塊如圖8所示。

其工作原理如下：給出己知頻率的基頻，用光柵作為門限，測基頻脈衝的個數，由基頻的周期來計算光柵信號的周期，再算出轉速，電機控制算法即根據測速模塊測出的速度進行算法調整，達到閉環控制的效果。
測速模塊的管腳分配圖如圖9所示。

4 結束語
根據直流電機的功能需求，利用VHDL語言設計了PWM功能模塊和測速模塊，並進行了仿真，驗證了設計的正確性，完成了系統設計。本文的創新之處在於利用軟硬體直接設計控制功能模塊，這種設計具有開發周期短、通用能力好、易於開發擴展等優點，值得推廣。