基于FPGA直流电机的PWM控制.docx

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基于FPGA直流电机的PWM控制

摘要

如果采用CPU控制产生PWM信号，一般的PWM信号是通过模拟比较器产生的，比较器的一端按给定的参考电压，另一端接周期性线性增加的锯齿波电压。

当锯齿波电压小于参考电压时输出低电平，当锯齿波电压大于参考电压时输出高电平。

改变参考电压就可以改变PWM波形中高电平的宽度。

若用单片机产生PWM信号波形，需要通过D/A转换器产生锯齿波电压和设置参考电压，通过外接模拟比较器输出PWM波形，因此外围电路比较复杂。

FPGA中的数字PWM控制与一般的模拟PWM控制不同，用FPGA产生PWM波形，只需FPGA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输出，另一端接线性递增计数器输出。

当线性计数器的计数值小于设定值时输出低电平，当计数值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，便于控制。

脉宽调制式细粉驱动电路的关键是脉宽调制，转速的波动随着PWM脉宽细分数的增大而减小。

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。

FPGA中的工作/停止控制和正/反转方向控制电路。

由功率放大电路和H桥组成的正反转功率驱动电路。

关键词：

直流电机脉宽调制FPGA数字比较器

FPGA-basedDCmotorcontrolPWM

Abstract

IftheCPUcontrolofaPWMsignal,thegeneralPWMsignalthroughtheanalogcomparator,comparedwiththeendofagivenbythereferencevoltage,andtheotherterminationcyclicallinearincreaseinthesawtoothvoltage.Whenthesawtoothvoltagereferencevoltageoutputislessthanlow,whenthesawtoothreferencevoltagegreaterthanhigh-voltageoutput.ChangethereferencevoltagecanchangethePWMwaveforminthehigh-width.IftheMCUhavePWMsignalwaveform,throughD/AconvertershaveasawtoothvoltageandsetreferencevoltagethroughanexternalanalogcomparatoroutputPWMwaveform,theexternalcircuitisrathercomplicated.

ThefiguresintheFPGAPWMcontrolandthesimulationofthegeneralPWMcontroldifferent,withaFPGAPWMwaveform,justFPGAinternalresourcescanbeachieved.Comparedwithfiguresforcomparisoninsteadofanalog,digitalcomparisonwiththeterminationofasetofcounteroutput,andtheothercounterterminationlinearincrementaloutput.Whenthelinearcounterlessthanthevalueofexportsoflowvalueset,whenthesetofvaluesthanhigh-valueoutput.Comparedwithanalogcontrol,eliminatingtheexternalD/Aconverterandanalogcomparator,FPGAfewexternalconnections,circuitmoresimple,easycontrol.PWMpowderdrivecircuit,thekeyisPWM,withfluctuationsinspeedPWMpulsebreakdownincreasedthenumberofdecreases..

DCmotorcontrolcircuitsmainlyconsistsofthreeparts:

（1）FPGAinthePWMPWMsignalcircuits.

（2）FPGAinthework/controlandstop/reversedirectioncontrolcircuit.

（3）thepoweramplifierandH-bridgecomposedofpositiveandpower-drivencircuit

Keyword:

DCmotor,pulsewidthmodulation,FPGA,comparisonwit

目录

摘要II

AbstractIII

目录IV

前言-5-

1FPGA芯片简介与使用-6-

1.1FPGA部分介绍-6-

1.2直流电机-10-

1.2.1直流电动机的介绍-10-

1.3关于QuartusII软件的使用-11-

1.3.1QuartusII简介-11-

2PWM基础理论分析以及电路分析-14-

2.1PWM波调制原理-14-

2.2数字脉冲宽度调制器的实现-16-

3基于FPGA直流电动机的PWM控制实现-18-

3.1基于FPGA的PWM控制-18-

3.2FPGA电动机控制电路的设计-19-

3.2.1设计的硬件电路外部部分-20-

3.2.2QuartusII内部设计模块-21-

3.3调试与仿真-28-

3.4设计结果-28-

总结-30-

致谢-31-

参考文献-32-

附录-33-

FPGA直流电机控制模块结构图-33-

前言

在数字电子系统领域，存在三种基本的器件类型：

存储器、微处理器和逻辑器件。

存储器用来存储随机信息，如数据表或数据库的内容。

微处理器执行软件指令来完成范围广泛的任务，如运行字处理程序或视频游戏。

逻辑器件提供特定的功能，包括器件与器件间的接口、数据通信、信号处理、数据显示、定时和控制操作、以及系统运行所需要的所有其它功能。

对于可编程逻辑器件，设计人员可利用价格低廉的软件工具快速开发、仿真和测试其设计。

然后，可快速将设计编程到器件中，并立即在实际运行的电路中对设计进行测试。

可编程逻辑器件的两种类型是现场可编程门阵列（FPGA）和复杂可编程逻辑器件（CPLD）。

在这两类可编程逻辑器件中，FPGA提供了最高的逻辑密度、最丰富的特性和最高的性能。

FPGA被应用于范围广泛的应用中，从数据处理和存储直到仪器仪表、电信和数字信号处理。

FPGA是英文Field－ProgrammableGateArray的缩写，它是在PAL、GAL、EPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。

它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。

1FPGA芯片简介与使用

1.1FPGA部分介绍

⑴FPGA介绍与基本特点

FPGA是英文Field－ProgrammableGateArray的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。

它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

①FPGA工作原理

FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（LogicCellArray）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（ConfigurableLogicBlock）、输出输入模块IOB（InputOutputBlock）和内部连线（Interconnect）三个部分

FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。

用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。

加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。

掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。

FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。

当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。

②FPGA配置模式

FPGA有多种配置模式：

并行主模式为一片FPGA加一片EPROM的方式；主从模式可以支持一片PROM编程多片FPGA；串行模式可以采用串行PROM编程FPGA；外设模式可以将FPGA作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。

⑵FPGA及其辅助模块

FPGA及其辅助模块主要是FPGA最小系统，包括FPGA器件EP1C6Q240C8器件，5V开关稳压芯片LM2596-5，为FPGA内核供电的LDO（低压差线性稳压器）芯片LMS1585-1.5，

FPGA的I/O（输入/输出）端口供电芯片LM2596-3.3，50MHZ外部有源晶振，JTAG下载接口等。

图1.1FPGA电源模块

FPGA运行，需要加上50MHZ的外部有源晶振，用来作为全局时钟。

在电子学上，通常将含有晶体管元件的电路称作“有源电路”（如有源音箱、有源滤波器等），而仅由阻容元件组成的电路称作“无源电路”。

电脑中的晶体振荡器也分为无源晶振和有源晶振两种类型。

无源晶振与有源晶振的英文名称不同，无源晶振为crystal（晶体），而有源晶振则叫做oscillator（振荡器）。

无源晶振是有2个引脚的无极性元件，需要借助于时钟电路才能产生振荡信号，自身无法振荡起来，所以“无源晶振”这个说法并不准确；有源晶振有4只引脚，是一个完整的振荡器，其中除了石英晶体外，还有晶体管和阻容元件，因此体积较大。

它的内部电路图如图1.2所示：

图1.2有源晶振的内部电路图

石英晶片之所以能当振荡器使用，是基于它的压电效应：

在晶片的两个极上加一电场，会使晶体产生机械变形；在石英晶片上加上交变电压，晶体就会产生机械振动，同时机械变形振动又会产生交变电场,虽然这种交变电场的电压极其微弱,但其振动频率是十分稳定的。

当外加交变电压的频率与晶片的固有频率相等时,机械振动的幅度将急剧增加,这种现象称为“压电谐振”。

压电谐振状态的建立和维持都必须借助于振荡器电路才能实现。

上图是一个串联型振荡器，晶体管T1和T2构成的两级放大器，石英晶体XT与电容C2构成LC电路。

在这个电路中，石英晶体相当于一个电感，C2为可变电容器，调节其容量即可使电路进入谐振状态。

该振荡器供电电压为5V，输出波形为方波。

在这次设计中,外部晶振采用的是封装为DIP-14,型号为50MHZ的OSC有源晶振。

它的外部需要使用3.