一種基于CPLD的PWM控制電路設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：PWM控制電路 CPLD VHDL

在直流伺服控制系統(tǒng)中，通過(guò)專用集成芯片或中小規(guī)模的數(shù)字集成電路構(gòu)成的傳統(tǒng)ＰＷＭ控制電路往往存在電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，體積大，抗干擾能力差以及設(shè)計(jì)困難、設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)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(shì)。它不僅可以使系統(tǒng)體積減小、重量減輕且功耗降低，同時(shí)可使系統(tǒng)的可靠性大大提高。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，特別是專用集成電路（ＡＳＩＣ）設(shè)計(jì)技術(shù)的日趨完善，數(shù)字化的電子自動(dòng)化設(shè)計(jì)（ＥＤＡ）工具給電子設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大變革，尤其是硬件描述語(yǔ)言的出現(xiàn)，解決了傳統(tǒng)電路原理圖設(shè)計(jì)系統(tǒng)工程的諸多不便。針對(duì)以上情況，本文給出一種基于復(fù)雜可編程邏輯器件（ＣＰＬＤ）的ＰＷＭ控制電路設(shè)計(jì)和它的仿真波形。

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為了實(shí)現(xiàn)直流伺服系統(tǒng)的Ｈ型單極模式同頻ＰＷＭ可逆控制，一般需要產(chǎn)生四路驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換控制。當(dāng)ＰＷＭ控制電路工作時(shí)，其中Ｈ橋一側(cè)的兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比相同但相位相反，同時(shí)隨控制信號(hào)改變并具有互鎖功能；而另一側(cè)上臂為低電平，下臂為高電平。另外，為防止橋路同側(cè)對(duì)管的導(dǎo)通，還應(yīng)當(dāng)配有延時(shí)電路。設(shè)計(jì)的整體模塊見(jiàn)圖１所示。其中，ｄ[７:０]矢量用于為微機(jī)提供調(diào)節(jié)占空比的控制信號(hào)，ｃｓ為微機(jī)提供控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的控制信號(hào)，ｃｌｋ為本地晶振頻率，ｑｏｕｔ[３:０]矢量為四路信號(hào)輸出。其內(nèi)部原理圖如圖２所示。

該設(shè)計(jì)可得到脈沖周期固定（用軟件設(shè)置分頻器Ｉ９可改變ＰＷＭ開關(guān)頻率，但一旦設(shè)置完畢，則其脈沖周期將固定）、占空比決定于控制信號(hào)、分辨力為１／２５６的ＰＷＭ信號(hào)。Ｉ８模塊為脈寬鎖存器，可實(shí)現(xiàn)對(duì)來(lái)自微機(jī)的控制信號(hào)ｄ[７：０]的鎖存,ｄ[７：０]的向量值用于決定ＰＷＭ信號(hào)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(jì)數(shù)器模塊和Ｉ１１延時(shí)模塊提供內(nèi)部時(shí)鐘。Ｉ１２計(jì)數(shù)器在每個(gè)脈沖的上升沿到來(lái)時(shí)加１，當(dāng)計(jì)數(shù)器的數(shù)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(dāng)Ｉ８鎖存器的值與Ｉ１２計(jì)數(shù)器中的計(jì)數(shù)值相同時(shí)，信號(hào)將通過(guò)Ｉ１３比較器模塊比較并輸出高電平至Ｉ７模塊的復(fù)位端，以使Ｉ７模塊輸出低電平。當(dāng)計(jì)數(shù)器再次溢出時(shí)，又重復(fù)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(diào)制波，并可實(shí)現(xiàn)互鎖。Ｉ１１為延時(shí)模塊，可防止橋路同側(cè)對(duì)管的導(dǎo)通，Ｉ１０模塊為脈沖分配電路，用于輸出四路滿足設(shè)計(jì)要求的信號(hào)。ＣＳ為Ｉ１０模塊的控制信號(hào)，用于控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

２　電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用的是Ｌａｔｔｉｃｅ半導(dǎo)體公司推出的ｉｓ-ｐｌｅｖｅｒ開發(fā)平臺(tái)，該開發(fā)平臺(tái)定位于復(fù)雜設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)單工具。它采用簡(jiǎn)明的設(shè)計(jì)流程并完整地集成了Ｌｅｏｎａｒｄｏ Ｓｐｅｃｔｒｕｍ的ＶＨＤＬ綜合工具和ｉｓｐＶＭＴＭ系統(tǒng)，因此，無(wú)須第三方設(shè)計(jì)工具便可完成整個(gè)設(shè)計(jì)流程。在原理設(shè)計(jì)方面，本設(shè)計(jì)采用自頂向下、層次化、模塊化的設(shè)計(jì)思想，這種設(shè)計(jì)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(xí)慣。其設(shè)計(jì)出的模塊修改方便，不影響其它模塊，且可重復(fù)使用，利用率高。本文僅就原理圖中的Ｉ１２計(jì)數(shù)器模塊和Ｉ１１延遲模塊進(jìn)行討論。

計(jì)數(shù)器模塊的ＶＨＤＬ程序設(shè)計(jì)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

ｐｒｏｃｅｓｓ(ｃｌｋ,ｒｅｓｅｔ)

ｂｅｇｉｎ

ｉｆ(ｒｅｓｅｔ＝‘１＇)ｔｈｅｎ

Ｑｓ＜＝“００００００００”;

ｅｌｓｉｆ ｃｌｋ＇ｅｖｅｎｔ ａｎｄ ｃｌｋ＝‘１＇ ｔｈｅｎ

Ｑｓ＜＝Ｑｓ＋‘１＇;

ｅｎｄ ｉｆ;

ｅｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ;

ｒｅｓｅｔ＜＝‘１＇ ｗｈｅｎ Ｑｓ＝２５５ ｅｌｓｅ

‘０＇;

ｃａｏｌｏｃｋ＜＝‘１＇ ｗｈｅｎ Ｑｓ＝０ ｅｌｓｅ

‘０＇;

Ｑ＜＝Ｑｓ;

ｃａｏ＜＝ｒｅｓｅｔ ｏｒ ｃａｏｌｏｃｋ;

ｅｎｄ ａ_ｃｏｕｎｔｅｒ;

圖2 PWM可逆控制電路原理圖

在原理圖中，延遲模塊必不可少，其功能是對(duì)ＰＷＭ波形的上升沿進(jìn)行延時(shí)，而不影響下降沿，從而確保橋路同側(cè)不會(huì)發(fā)生短路。其模塊的ＶＨＤＬ程序如下：

ｅｎｔｉｔｙ ｄｅｌａｙ ｉｓ

ｐｏｒｔ(ｃｌｋ: ｉｎ ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ;

ｉｎｐｕｔ: ｉｎ ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ_ｖｅｃｔｏｒ(１ ｄｏｗｎｔｏ ０);

ｏｕｔｐｕｔ:ｏｕｔ ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ_ｖｅｃｔｏｒ(１ ｄｏｗｎｔｏ ０)

ｅｎｄ ｄｅｌａｙ;

ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａ_ｄｅｌａｙ ｏｆ ｄｅｌａｙ ｉｓ

ｓｉｇｎａｌ Ｑ１,Ｑ２,Ｑ３,Ｑ４: ｓｔｄ_ｌｏｇｉｃ;

ｂｅｇｉｎ

ｐｒｏｃｅｓｓ(ｃｌｋ)

ｂｅｇｉｎ

ｉｆ ｃｌｋ＇ｅｖｅｎｔ ａｎｄ ｃｌｋ＝‘１＇ ｔｈｅｎ

Ｑ３＜＝Ｑ２;

Ｑ２＜＝Ｑ１;

Ｑ１＜＝ｉｎｐｕｔ(１);

ｅｎｄ ｉｆ;

ｅｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ;

Ｑ４＜＝ｎｏｔ Ｑ３;

ｏｕｔｐｕｔ(１)＜＝ｉｎｐｕｔ(１)ａｎｄ Ｑ３;

ｏｕｔｐｕｔ(０)＜＝ｉｎｐｕｔ(０)ａｎｄ Ｑ４;

ｅｎｄ ａ_ｄｅｌａｙ;

圖３為原理圖中的若干信號(hào)的波形仿真圖。

３　結(jié)束語(yǔ)

采用可編程邏輯器件和硬件描述語(yǔ)言，同時(shí)利用其供應(yīng)商提供的開發(fā)工具可大大縮短數(shù)字系統(tǒng)的設(shè)計(jì)時(shí)間，節(jié)約新產(chǎn)品的開發(fā)成本，另外，還具有設(shè)計(jì)靈活，集成度高，可靠性好，抗干能力強(qiáng)等特點(diǎn)。本文設(shè)計(jì)的ＰＷＭ控制電路用于某光測(cè)設(shè)備的傳動(dòng)裝置時(shí)，取得了良好的效果。