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1 引言 在機電一體化控制系統中，直流電機常用于控制系統的執行器，是電機控制的重要部分，能按照處理器指令驅動電機運轉實現電機控制。目前直流電機PWM(pulse width modulation，脈寬調制)驅動控制方式應用最為廣泛。 2 直流電動機的PWM控制原理 直流電動機具有良好的線性調速特性，控制功能簡單，效率高及動態特性優異，因此是大多數調速控制電動機的最佳選擇。一般直流電機的控制信號包括脈寬調制(PWM)、方向(Dir)和剎車(Brake)信號。而PWM脈寬調制可視為速度信號，通過改變PWM信號的占空比來控制電動機電壓，方向信號控制電動機轉向，剎車信號控制電動機啟停。 由圖1看出，PWM調速時，改變占空比有三種方法。 (1)定寬調頻法：保持t1不變，只改變t2，這樣使周期T(或頻率)也隨之改變。 (2)調頻調寬法：保持t1不變，改變t2，這樣使周期T(或頻率)也隨之改變。 (3)定頻調寬法：周期T(或頻率)保持不變，同時改變t1和t2。 在CPLD設計中．輸入不同的周期和占空比可選擇相應改變占空比方法，從而實現PWM調速。 3 系統設計 一些新型單片機具有PWM功能，能按要求自動輸出PWM信號，但筆者研制的基于PCI總線的機電一體化產品控制系統，MCU與電機驅動器通過PCI總線實現通信，其系統結構圖如圖2所示，圖3為MCU模塊與功率模塊連接圖。 MCU與其他模塊間的通信都是通過PCI總線實現的，而電機工作期間功率模塊上的電機驅動器需要連續不斷的PWM信號。如果使用MCU發送PWM信號則需長時間占用PCI總線．導致在驅動電機期間MCU無法與其他模塊通信。因此，采用CPLD實現數字控制PWM信號。 3.1 CPLD功能設計 系統設計時考慮到實用和成本等因素。選用Altera公司FLEX6000系歹CPLD EPF6010ATC100-1。EPF6010ATC100-1是專為大容量設計的一種低成本可編程交錯式門陣列，共有16 000個可用門，1320個邏輯單元，117個I／O引腳，每個I／O引腳都有獨立的三態輸出使能控制。該器件采用OPEFLEX結構，采用最小的封裝尺寸并具有高性能和高布線率。器件的基本組成是邏輯單元(LE)。每個邏輯單元由一個4輸入查找表、一個寄存器以及作為進位鏈和級連鏈功能的專用通道。每10個邏輯單元組成一個邏輯陣列塊(LAB)，并采用SRAM構造，可通過外部EEPROM或控制器實現在線配置，便于設計者在設計初期以及設計測試過程中對設計靈活修改，同時也能夠通過在線重新配置改變其內部功能。圖4為產生PWM信號的CPLD電路連接圖。 CPLD功能設計思路：對電機控制時，MCU將一個16位數據寫入CPLD器件的寄存器，CPLD則按照不同的數據產生相應的PWM波形。16位數據的分配如圖5所示。 EPF6010ATC100-1的輸人信號共有16個數據信號(LD[15：0])和4個控制信號(CLK、BLAST、CS和RESET)，16個數據信號用于接收MCU模塊發送的16位數據字。4個控制信號中，CLK為CPLD工作的時鐘信號，頻率可高達40 MHz，用于計數并產生準確的PWM占空比；BLAST為狀態信號，低電平時表示處于數據期，此時將數據讀入寄存器，等待BLAST上升沿，即該次數據訪問結束后發出PWM信號；CS信號用于片選CPLD器件；RESET則用于對CPLD器件復位，復位后，6個輸出引腳均為高阻態。 本系統設計選用的電動機PWM控制系統是雙極性可逆系統，雙極性驅動是指一個PWM周期中，作用于電樞兩端的脈沖電壓正負交替；可逆系統是指電動機可以正反兩個方向旋轉，因此采用兩個引腳產生PWM信號來控制電機的正反轉。P1.0和P1.1、P2.0和P2.1、P3.0和P3.1設置為三組PWM信號通道，當P1.0產生PWM波形時P1.1為低電平，此時電機正轉，反之電機反轉，并通過LD15控制電機運轉方向。為了簡化程序設計和以節省成本，根據實際需要，設計該三組通道不同時產生PWM信號，同一時刻只產生一組PWM信號，通過LD[14：13]選擇具體通道產生的PWM信號；LD[12：6]用于給定PWM信號的占空比；LD[5：0]用于給定PWM信號頻率，范圍為1 kHz～63 kHz，能滿足驅動電機需要。如果需要改變PWM信號的占空比、頻率、方向或更換PWM通道，只需再發送一個16位數據即可足要求。 3.2 CPLD開發工具 Altera公司開發的Quartus II軟件為可編程片上系統(SOPC)設計提供了一個工具齊全、功能強大的設計環境。Quartus II軟件可完成設計輸入、綜合、布局布線、時序分析、仿真和編程等功能。根據需要選用CPLD器件系列，采用Veilog HDL語言輸入方式編寫控制組合邏輯代碼和測試激勵代碼，利用Quartus II軟件自帶的工具分析綜合代碼，并進行布局布線、資源分配以及時序分析和波形仿真。Quartus II還為第三方EDA工具軟件提供了友好接口，可直接在Quartus II中調用Modelsim軟件進行前期的功能仿真和布局布線后的時序仿真。 4 結束語 利用CPLD技術實現了邏輯和時序的控制，簡化了硬件電路設計。基于CPLD的可編程特點，可以在不改變硬件電路整體結構的情況下對設計電路進行改造、升級以及維護；并且減少了軟件程序的操作指令，簡化了系統結構，提高了數據處理和讀取速度。 基于CPLD的PWM控制器電路結構簡單，設計方便，簡化了外部線路設計，節省了PCB板空間；解決了機電一體化開發平臺中MCU模塊與功率模塊基于PCI總線的通信，并且設計產生占空比和頻率范圍可調的PWM信號能滿足直流電機的要求，適用于自動控制和電力電子領域。 |
