CN105141173A - 基于fpga的多路移相控制器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于FPGA的多路移相控制器,包括依次相连的寄存器存储模块、判断识别模块、移相控制模块,其中,所述寄存器存储模块用来存储PC机传输的数据,PC机与FPGA芯片之间通信,传输的数据存储在FPGA芯片的RAM中;所述判断识别模块用于接收来自寄存器存储模块的数据,通过识别数据的高8位数来判断控制字的类型,然后将控制字传送到不同的寄存器;所述移相控制模块根据各寄存器中不同类型的控制字,产生所需的PWM波形,以满足超声电机驱动与控制的要求。本发明的多路移相控制器的调频、调相精度高,调节范围大,同时该控制器具有软启动与过压保护功能,能够为超声电机的驱动与控制提供保证。
Description
技术领域
本发明属于电源技术领域,特别涉及一种移相控制器,主要用于超声电机的控制。
背景技术
超声电机是利用超声波振动能作为驱动电源的新原理电机,超声波电动机作为一种全新的驱动器,它具有很多优越性能,如低速大转矩、功率密度大、响应速度快、不受电磁场的影响、掉电自保护、可直接驱动负载等。
驱动超声电动机需要专门的超声电源,要求驱动频率在超声范围内,驱动电压的频率、相位和幅值可调。
根据行波型超声波电机的传动原理,可用的控制变量有:
1.控制电压幅值。改变电压幅值可直接改变行波波动的幅值,电压过低压电元件不会起振,过高又会接近压电元件的工作极限。
2.变频控制。通过调节谐振点附近的频率控制速度和力矩。变频调速对超声波电动机最合适,因为电动机工作点在谐振点附近,调频具有响应快,方便调节的特点。
3.相位差控制。改变两相电压的相位差可改变定子表面质点椭圆的运动轨迹,从而改变输出的波形。
QuartusII是Altera公司综合性PLD/FPGA开发的软件,支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL等多种输入形式,内嵌自有的综合器以及仿真器,可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。
由于目前没有一个芯片能同时输出8路可以调频,调相和调节死区时间PWM波信号。现有的主要方法是通过信号发生器输出两路方波信号,这两路方波信号通过两个UC3875芯片或是UCC3895芯片来输出8路PWM波信号。通过这些移相控制芯片输出的信号有干扰,且调节精度不高,两个芯片之间的协同控制电路设计相对复杂,不能很好的满足控制超声电机的需求。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明的目的是提供一种基于FPGA的多路移相控制器,以解决现有技术中存在的信号有干扰,调节精度不高的问题。
为实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种基于FPGA的多路移相控制器,包括依次相连的寄存器存储模块、判断识别模块、移相控制模块,其中,
所述寄存器存储模块用来存储PC机传输的数据,PC机与FPGA芯片之间通信,传输的数据存储在FPGA芯片的RAM中,其有4个控制字,至少需要传输4次,且每次传输数据时,前面存储的数据不能被后传输的数据覆盖;
所述判断识别模块用于接收来自寄存器存储模块的数据,通过识别数据的高8位数来判断控制字的类型,然后传送到不同的寄存器,同一寄存器在接收不同的数据时,前面存储的数据被后传输的数据覆盖;
所述移相控制模块根据各寄存器中不同类型的控制字,产生所需的PWM波形,以满足超声电机驱动与控制的要求。
所述移相控制模块包括数据寄存器、累加寄存器、数值比较器和与非门,其中,
所述数据寄存器接收来自判断识别模块的数据,并分配数据给不同的累加寄存器;
所述累加寄存器每次累加数据K,当寄存器达到其最大值时,寄存器置零,进入下一次累加,这样就能输出连续的波形,通过改变累加的数据K,就能改变输出波形的频率;
所述数值比较器能够调节输出波形的死区时间,调节输出波形的相位差,通过改变两个累加寄存器计数起始时间,改变两相波形的相位差;
所述与非门用于过压保护,输出的波形与所需检测信号连接到与非门的两端,当检测的信号为高电平时,迅速拉低输出的信号,以保护后面的驱动电路。
PC机与FPGA芯片之间通过UART串口进行通信。
所述FPGA芯片采用CycloneIV芯片EP4CE6E22C8的开发板,该开发板采用50MHz的晶振,通过相位累加原理,采用28位累加器,输入的频率控制字,相位控制字,死区时间控制字均采用24位寄存器。通过设置4个累加寄存器,能输出8路PWM波。
本发明的有益效果是:与现有技术相比,本发明的基于FPGA的多路移相控制器直接通过控制器可以输出8路波形,不需要其他芯片,简化了驱动电路。这8路输出的波形为4对互补的PWM波,任意两对输出的波形能进行相位的调节。本发明的多路移相控制器的调频、调相精度高,调节范围大,同时该控制器具有软启动与过压保护功能,能够为超声波电机的驱动与控制提供保证。
附图说明
图1为本发明的结构示意图;
图2为本发明的移相控制模块信号生成原理图;
图3为本发明的基于FPGA的多路移相控制器框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
如图1-3所示,本发明的一种基于FPGA的多路移相控制器,包括依次相连的寄存器存储模块、判断识别模块、移相控制模块,其中,
寄存器存储模块用来存储PC机传输的数据,PC机与FPGA之间通过UART串口进行通信,传输的数据存储在FPGA芯片的RAM中,其有4个控制字,至少需要传输4次,且每次传输数据时,前面存储的数据不能被后面传输的数据覆盖;
判断识别模块用于接收来自寄存器存储模块的数据,通过识别数据的高8位数来判断控制字的类型,然后传送到不同的寄存器,同一寄存器在接收不同的数据时,前面存储的数据被后面传输的数据覆盖;
移相控制模块根据各寄存器中不同类型的控制字,产生所需的PWM波形,以满足超声电机驱动与控制的要求。
移相控制模块包括数据寄存器、累加寄存器、数值比较器和与非门,其中,
数据寄存器接收来自判断识别模块的数据,并分配数据给不同的累加寄存器;
累加寄存器每次累加数据K,当寄存器达到其最大值时,寄存器置零,进入下一次累加,这样就能输出连续的波形,通过改变累加的数据K,就能改变输出波形的频率;
数值比较器能够调节输出波形的死区时间,调节输出波形的相位差,通过改变两个累加寄存器计数起始时间,改变两相波形的相位差;
与非门用于过压保护,输出的波形与所需检测信号连接到与非门的两端,当检测的信号为高电平时,迅速拉低输出的信号,以保护后面的驱动电路。
本发明采用基于CycloneIV芯片EP4CE6E22C8的开发板进行设计与研究。该开发板采用50MHz的晶振,通过相位累加原理,采用28位累加器,输入的频率控制字,相位控制字,死区时间控制字均采用24位寄存器。通过设置4个累加寄存器,能输出8路PWM波。
PWM波的生成原理主要通过设置4个N位累加寄存器cnt1,cnt2,cnt3,cnt4,其中N可以调节输出波形的精度。
在一个周期内,累加寄存器cnt1每次累加K(频率控制字),当累加器的数值达到或大于2N时,累加器自动置零,进入下一次累加,通过调节频率控制字K,即可改变累加寄存器的累加次数,从而改变波形输出的频率f。
当累加寄存器cnt1达到K×H1时,累加寄存器cnt3开始计数,这样通过调整移相控制字H1,即可对两路PWM波进行移相控制,其中移相控制字H1控制最后输出两路正弦波的相位差。
当cnt1计数到K×H2时,计数器cnt2开始计数。当cnt3计数到K×H2时,cnt4开始计数。而移相控制字H2能够调节输出波形的相位,间接调节输出波形的占空比。最后控制输出两路正弦波的幅值。
当累加寄存器cnt1在累加的过程中,0~2N之间,累加寄存器与2N-1进行比较,当cnt1<2N-1,pwm1输出高电平,pwm2输出低电平。当2N-1<cnt1<2N-1+T×K,pwm1输出低电平,pwm2输出低电平。当2N-1+T×K<cnt1<2N-T×K,pwm1输出低电平,pwm2输出高电平。当2N-T×K<cnt1<2N,pwm1输出低电平,pwm2输出低电平。通过调节T即可调节输出的波形的死区时间。
设置一个过压检测端,输出的信号与检测的信号一起通过一个与非门,一旦检测的到高压,即test=1’b1时,拉低所有输出的信号,即输出的信号为低电平,保护后面的驱动电路。
通过设置寄存器cnt5,当寄存器cnt5<K×H2,cnt5每次累加1;当cnt5>K×H2时,cnt5==K×H2;当cnt1与cnt3等于cnt5时,cnt2与cnt4开始计数,这样就完成了软启动功能,实现最后输出PWM波的移相能够一步一步移到所需要的结果。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,应当指出:对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.一种基于FPGA的多路移相控制器,其特征在于:包括依次相连的寄存器存储模块、判断识别模块、移相控制模块,其中,
所述寄存器存储模块用来存储PC机传输的数据,PC机与FPGA芯片之间通信,传输的数据存储在FPGA芯片的RAM中,其有4个控制字,至少需要传输4次,且每次传输数据时,前面存储的数据不能被后传输的数据覆盖;
所述判断识别模块用于接收来自寄存器存储模块的数据,通过识别数据的高8位数来判断控制字的类型,然后将控制字传送到不同的寄存器,同一寄存器在接收不同的数据时,前面存储的数据被后传输的数据覆盖;
所述移相控制模块根据各寄存器中不同类型的控制字,产生所需的PWM波形,以满足超声电机驱动与控制的要求。
2.如权利要求1所述的基于FPGA的多路移相控制器,其特征在于:所述移相控制模块包括数据寄存器、累加寄存器、数值比较器和与非门,其中,
所述数据寄存器接收来自判断识别模块的数据,并分配数据给不同的累加寄存器;
所述累加寄存器每次累加数据K,当寄存器达到其最大值时,寄存器置零,进入下一次累加,这样就能输出连续的波形,通过改变累加的数据K,就能改变输出波形的频率;
所述数值比较器能够调节输出波形的死区时间,调节输出波形的相位差,通过改变两个累加寄存器计数起始时间,改变两相波形的相位差;
所述与非门用于过压保护,输出的波形与所需检测信号连接到与非门的两端,当检测的信号为高电平时,迅速拉低输出的信号,以保护后面的驱动电路。
3.如权利要求1所述的基于FPGA的多路移相控制器,其特征在于:PC机与FPGA芯片之间通过UART串口进行通信。
4.如权利要求1所述的基于FPGA的多路移相控制器,其特征在于:所述FPGA芯片采用CycloneIV芯片EP4CE6E22C8的开发板,该开发板采用50MHz的晶振,通过相位累加原理,采用28位累加器,输入的频率控制字,相位控制字,死区时间控制字均采用24位寄存器。
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