PWM控制電路基本原理與FPGA

在直流伺服控制系統中,通過(guò)專(zhuān)用集成芯片或中小規模的數字集成電路構成的傳統PWM控制電路往往存在電路設計復雜,體積大,抗干擾能力差以及設計困難、設計周期長(cháng)等缺點(diǎn)因此PWM控制電路的模塊化、集成化已成為發(fā)展趨勢.它不僅可以使系統體積減小、重量減輕且功耗降低,同時(shí)可使系統的可靠性大大提高.隨著(zhù)電子技術(shù)的發(fā)展,特別是專(zhuān)用集成電路(ASIC)設計技術(shù)的日趨完善,數字化的電子自動(dòng)化設計(EDA)工具給電子設計帶來(lái)了巨大變革,尤其是硬件描述語(yǔ)言的出現,解決了傳統電路原理圖設計系統工程的諸多不便.針對以上情況,本文給出一種基于復雜可編程邏輯器件(CPLD)的PWM控制電路設計和它的仿真波形.
　　
1 PWM控制電路基本原理
　　
為了實(shí)現直流伺服系統的H型單極模式同頻PWM可逆控制,一般需要產(chǎn)生四路驅動(dòng)信號來(lái)實(shí)現電機的正反轉切換控制.當PWM控制電路工作時(shí),其中H橋一側的兩路驅動(dòng)信號的占空比相同但相位相反,同時(shí)隨控制信號改變并具有互鎖功能;而另一側上臂為低電平,下臂為高電平.另外,為防止橋路同側對管的導通,還應當配有延時(shí)電路.設計的整體模塊見(jiàn)圖1所示.其中,d[7:0]矢量用于為微機提供調節占空比的控制信號,cs為微機提供控制電機正反轉的控制信號,clk為本地晶振頻率,qout[3:0]矢量為四路信號輸出.其內部原理圖如圖2所示.

該設計可得到脈沖周期固定(用軟件設置分頻器I9可改變PWM開(kāi)關(guān)頻率,但一旦設置完畢,則其脈沖周期將固定)、占空比決定于控制信號、分辨力為1/256的PWM信號.I8模塊為脈寬鎖存器,可實(shí)現對來(lái)自微機的控制信號d[7:0]的鎖存,d[7:0]的向量值用于決定PWM信號的占空比.clk本地晶振在經(jīng)I9分頻模塊分頻后可為PWM控制電路中I12計數器模塊和I11延時(shí)模塊提供內部時(shí)鐘.I12計數器在每個(gè)脈沖的上升沿到來(lái)時(shí)加1,當計數器的數值為00H或由0FFH溢出時(shí),它將跳到00H時(shí),cao輸出高電平至I7觸發(fā)器模塊的置位端,I7模塊輸出一直保持高電平.當I8鎖存器的值與I12計數器中的計數值相同時(shí),信號將通過(guò)I13比較器模塊比較并輸出高電平至I7模塊的復位端,以使I7模塊輸出低電平.當計數器再次溢出時(shí),又重復上述過(guò)程.I7為RS觸發(fā)器,經(jīng)過(guò)它可得到兩路相位相反的脈寬調制波,并可實(shí)現互鎖.I11為延時(shí)模塊,可防止橋路同側對管的導通,I10模塊為脈沖分配電路,用于輸出四路滿(mǎn)足設計要求的信號.CS為I10模塊的控制信號,用于控制電機的正反轉.
2 電路設計
　　
本設計采用的是Lattice半導體公司推出的is-plever開(kāi)發(fā)平臺,該開(kāi)發(fā)平臺定位于復雜設計的簡(jiǎn)單工具.它采用簡(jiǎn)明的設計流程并完整地集成了Leonardo Spectrum的VHDL綜合工具和ispVMTM系統,因此,無(wú)須第三方設計工具便可完成整個(gè)設計流程.在原理設計方面,本設計采用自頂向下、層次化、模塊化的設計思想,這種設計思想的優(yōu)點(diǎn)是符合人們先抽象后具體,先整體后局部的思維習慣.其設計出的模塊修改方便,不影響其它模塊,且可重復使用,利用率高.本文僅就原理圖中的I12計數器模塊和I11延遲模塊進(jìn)行討論.

　　計數器模塊的VHDL程序設計如下:

　　entity counter is

　　port(clk: in std logic;

　　Q : out std logic vector(7 downto 0);

　　cao: out std_logic);

　　end counter;

　　architecture a_counter of counter is

　　signal Qs: std_logic_vector(7 downto 0);

　　signal reset: std_logic;

　　signal caolock: std_logic;

　　begin