基于VHDL的直流电机控制功能模块设计

2 PWM功能模块的设计
PWM模块利用直流电机占空比来控制电机电枢电压，从而控制直流电机的转速。设计过程如图2所示。

PWM功能模块的仿真波形如图3所示。

从图3可以看出，仿真时给定一个时钟信号Clk，Sta用来控制直流电机正反转，图3中的0表示直流电机处于正转状态，1表示停止，3表示反转；Conword为占空比信号，仿真中有25％、78％、50％三种值；PWM A表示直流电机处于正转状态时的占空比输出，这时PWM B的输出为0；PWM B表示直流电机处于反转时的占空比输出，此时PWM A的输出值为0；而当电机处于停止状态时，如图中当Sta值为1时，PWM A和PWM B的输出值均为0。经仿真时序图验证此设计是有效的，从而将其生成PWM功能模块。
PWM功能模块如图4所示。

PWM控制功能模块的原理如下：将时钟源50MHz的基频信号64分频，作为PWM模块的基频信号，以256个该基频脉冲信号作为PWM输出的一个周期，由NiosII处理器给出Conword的值指定一个PWM周期内高电平持续时间，改变Conword的值即刻改变占空比输出的值。Sta用来控制电机正反转。
PWM控制功能模块管脚分配图如图5所示。

3 测速功能模块的设计
测速模块的作用主要是利用基频的周期来计算光栅信号的周期，算出直流电机的转速。其设计的流程图如图6所示。

测速模块的时序仿真波形图如图7所示。
从图7中可以看出，仿真时给定一个时钟信号Clk用于计时，en为使能信号，即表示光栅有效，dout表示光栅有效时间，仿真中有200、400、700三种值。通过时序仿真验证了此设计的测速模块是有效的，从而将其生成测速功能模块。
测速功能模块如图8所示。

其工作原理如下：给出己知频率的基频，用光栅作为门限，测基频脉冲的个数，由基频的周期来计算光栅信号的周期，再算出转速，电机控制算法即根据测速模块测出的速度进行算法调整，达到闭环控制的效果。
测速模块的管脚分配图如图9所示。

4 结束语
根据直流电机的功能需求，利用VHDL语言设计了PWM功能模块和测速模块，并进行了仿真，验证了设计的正确性，完成了系统设计。本文的创新之处在于利用软硬件直接设计控制功能模块，这种设计具有开发周期短、通用能力好、易于开发扩展等优点，值得推广。