基于FPGA的多通道直流电机控制器设计

摘要：设计了一种基于FPGA的多通道直流电机控制系统，充分利用FPGA并行控制的特点，采用自项而下的设计方法，将系统划分为转速测量模块，并行控制模块，PWM生成模块，电机驱动模块。采用Verilog HDL语言实现完成了对多通道直流电机的控制。通过Quartus II自带仿真功能对系统进行时序仿真表明系统结构简单，且具有良好的功能扩展性。
关键词：FPGA；PWM；多通道；并行

机电一体化系统中常需要产生多通道PWM信号以完成对多台电机进行协调控制，而传统控制系统仍然采用单片机内部的定时／计数器来产生所需要的PWM信号，但由于定时／计数器及IO端口数量的限制，单个单片机控制器常不能满足多通道电机并行控制的要求。而FPGA内部程序并行运行，不同逻辑任务可同时执行，使其工作更有效率，且其具有丰富的逻辑资源和I／O引脚资源。文中采用Altera公司Cyclone II系列的EP2C8Q208芯片，采用模块化的设计方法，以四台无刷直流电机为控制对象，完成了多通道的直流电机控制器的设计，有效地缩小了设计规模，节约了设计成本。

1 系统整体设计
本系统采用自顶向下的设计思路，将系统主要分为以下模块：FPGA控制模块、电机驱动模块，转速检测模块。如图1所示。本系统以FPGA为控制核心，通过程序设定控制电机速度的PWM信号的占空比，由FPGA的I／O口输出给直流电机驱动电路以完成对直流电机的驱动。电机转速测量由霍尔传感器完成，反馈给FPGA计数模块，通过计数结果以决策电机控制状态。文中将着重介绍FPGA控制模块及各部分的功能设计与实现方法。

设计中将FPGA控制模块又分为分频模块，计数模块，并行控制模块，PWM生成模块4部分。分频模块把外部高频时钟信号降低为系统所需的标准频率。计数模块对霍尔传感器输入脉冲进行计数以完成对电机转速的测量。并行控制模块通过计数模块的计数结果决策PWM信号的占空比。PWM生成模块通过并行控制模块输出的占空比信号生成PWM波形。如图2所示。

2 各功能模块设计
2．1 电机驱动模块
本设计中直流电机驱动模中采用ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片L298P，内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，采用标准TIL逻辑电平信号控制。由L298P构成的脉宽调速电路如图3所示。在图中，L298P可驱动两个直流电机，可以分别控制它们的转速、转向、运转与停止。图中ENA、ENB分别控制两个电机的运转与停止，当端口为高电平时电机旋转，加低电平时电机停止旋转：由In1，In2端送入脉宽调制信号，通过改变信号的脉宽达到调速和换向的目的。M1_+，M1_-和M2_+，M2_-分别是两个直流电机的电压输入端。