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摘要： 本文介绍了一种基于CPLD的直流电机速度测量及控制系统的原理。系统采用测频法通过光电开关测量电机转速，并且在数码管上显示;系统设计以CPLD作主控制部分，调节脉冲占空比的大小，通过PWM驱动电路调节输出电压，从而控制直流电机的转速;
关键词： CPLD; 直流电机; 测频法; PWM; ATmega328p; TB6612; PID; 风洞
中图分类号： TM33 文献标识码： A
文章编号：1005—7277（2019）05—0039—03
Abstract： This paper introduces the principle of speed measurement and control system of DC motor based on CPLD.The system adopts the frequency measurement method to measure the motor speed through the photoelectric switch and displays it in the digital Guanshang.
The system design uses CPLD as the main control part， adjusting the size of the pulse ratio， and adjusting the output voltage through the PWM drive circuit to control the speed of the DC motor;
Key words： ATmega328p; TB6612; PWM; PID; wind tunnel
1 引言
大多数情况下，速度是对系统对电机进行闭环控制的必需量，由于电机控制系统中大多要求所检测的电机速度必须实时且精准，这就需要测速系统能高速且精确地检测电机的速度。
由于CPLD的集成度高且速度快，系统可靠性高容易，且设计方便灵活校验快，可随时改变设计，更容易满足控制系统的要求。
并且随着CPLD成本和价格的不断降低，其应用日益广泛，有将来取代单片机的趋势。
2 系统总体设计
2.1 系统功能
（1）实现直流电机的正反转控制;
（2）通过调节PWM占空比的大小以改变输出电压的大小，从而控制直流电机的转速;
（3）通过速度检测模块检测电机当前速度，并由数码管显示;
（4）通过发光二极管显示电机当前的正反转状态。
2.2 系统原理图
系统原理如图1所示：
CPLD有四个输入信号：add、sub、reset、keyin（1：0）;
add加速信号、sub减速信号、reset复位、keyin（1：0）电机正反转控制信号;
CPLD有四个输出信号：ledd（1：0）、shift、data_led（7：0）、control（1：0）;
ledd（1：0）表示电机正反转状态，其变化跟随keyin（1：0）的变化，送到两个颜色不同的发光二极管：
shift、data_led（7：0）输入到送到数码管，显示所测得电机当前速度值。
control（1：0）信号送到PWM驱动电路，该信号通过PWM驱动电路经过脉宽调制后送至支流电机的输入端，起到控制直流电机速度和转向的作用。
jishu为光电开关输出信号，作为CPLD的反馈输入信号。
2.3 系统程序工作流程图
3 按键输入模块
add加速键、sub减速键、reset复位键、keyin电机正反转控制键;
add、sub、reset是一位输入信号，按键盘为普通的按键;
设直流电机的速度预制值N=2
当加速按键add按下，即add=0时，速度值增大1，
即每当减速键按下，速度值增加1，电机加速;
当减速按键sub按下，即sub=0时，速度值减小1，此时速度值N=3，
即每当减速键按下，速度值减小1，电机减速。
4 PWM驱动模块
电机驱动电路采用H型桥式PWM脉宽调制驱动电路，可控制电机正反转和停止。
驱动电路与CPLD的接口电路采用光电耦合器隔离，以增大驱动电流。
通过分频程序改变速度预制数N来改变PWM脉冲的占空比，调节输出电压。
通过分频程序改变直流电机的正反转。
keyin（1：0）是两位输入信号，按键盘为两位的拨盘开关：
当开关处于“10”状态时，表示为正转控制输入;
当开关处于“01”状态时，表示为反转控制输入;
当处于其它状态时，表示停止，无操作。
输出信号control（1：0）是正反转输出信号，其状态改变跟随输入信号Keyin（1：0）：
當keyin为“10”状态时，直流电机正转输出，即control（1）有信号输出，control（0）显高阻态;
当keyin为“01”状态时，直流电机反转输出，即control（0）有信号输出，control（1）显高阻态。 输出信号ledd（1：0）显示直流电机的正反转状态，送至两个不同的发光二极管;
当ledd（1：0）为“10”状态时，即二极管A点亮，电机正转;
当ledd（1：0）为“01”状态时，即二极管B点亮，电机反轉。
5 显示模块
电机的当前速度值由四位数据组成，当低位数计数满9后向高位进1，当千位计数满9后数据清零，由此实现对直流电机的速度显示。
显示模块有四个数码管，采用动态显示四位当前速度值，利用人眼的视觉暂留特性，达到多个数码管同时显示的效果。
位选信号shift表示当前显示的位数，呈“0001”“ 0010”“ 0100”“ 1000”循环，每0.001秒从低位到高位依次选通一位进行数据输出。
data_led（7：0）用8421码在数码管上显示0～9十个数。
6 测速模块
6.1 模块功能说明
（1）信号输入原理
电机轴上有均匀开孔的挡板，挡板置于光电开关之间;
电机带动挡板转动，当挡板挡住光线时光电开关输出信号为5V，逻辑电平为1;
当光线通过挡板时，光电开关输出信号为0V，逻辑电平为0。
将信号输出端接在CPLD的输入端，这就可以实现信号的输入。
（2）速度测量原理
本文介绍的是电子计数测频法，其原理如图6所示。
计在确定的闸门时间T内记录被测信号的脉冲个数为N1，挡板间隙个数为N2，则被测信号的频率为：
设标准闸门时间T=1s，则f=N1/N2;
根据电机转速n和频率f的关系：
设p=1，则n=60*N2/N1。
信号输入电路每产生N1/N2次逻辑电平1输入CPLD，就代表电机转动一圈，计在一秒时间内产生逻辑电平1的个数，即为电机转速jishu=n，经速度检测模块处理后送至数码管，显示直流电机当前速度值。
6.2 程序仿真图
7 总结
当前，电机转速的检测是高性能电机控制系统的重要部分。
从系统仿真图和测试结果可判断，用CPLD来对电机进行测速和显示并进行转速的控制是可行的，本设计可满足预期的功能要求。
并且CPLD较之其他电机测速方法具有编程实现容易、单片内同时解决测速和显示的优点。
收稿日期：2019-09-20
关键词： CPLD; 直流电机; 测频法; PWM; ATmega328p; TB6612; PID; 风洞
中图分类号： TM33 文献标识码： A
文章编号：1005—7277（2019）05—0039—03
Abstract： This paper introduces the principle of speed measurement and control system of DC motor based on CPLD.The system adopts the frequency measurement method to measure the motor speed through the photoelectric switch and displays it in the digital Guanshang.
The system design uses CPLD as the main control part， adjusting the size of the pulse ratio， and adjusting the output voltage through the PWM drive circuit to control the speed of the DC motor;
Key words： ATmega328p; TB6612; PWM; PID; wind tunnel
1 引言
大多数情况下，速度是对系统对电机进行闭环控制的必需量，由于电机控制系统中大多要求所检测的电机速度必须实时且精准，这就需要测速系统能高速且精确地检测电机的速度。
由于CPLD的集成度高且速度快，系统可靠性高容易，且设计方便灵活校验快，可随时改变设计，更容易满足控制系统的要求。
并且随着CPLD成本和价格的不断降低，其应用日益广泛，有将来取代单片机的趋势。
2 系统总体设计
2.1 系统功能
（1）实现直流电机的正反转控制;
（2）通过调节PWM占空比的大小以改变输出电压的大小，从而控制直流电机的转速;
（3）通过速度检测模块检测电机当前速度，并由数码管显示;
（4）通过发光二极管显示电机当前的正反转状态。
2.2 系统原理图
系统原理如图1所示：
CPLD有四个输入信号：add、sub、reset、keyin（1：0）;
add加速信号、sub减速信号、reset复位、keyin（1：0）电机正反转控制信号;
CPLD有四个输出信号：ledd（1：0）、shift、data_led（7：0）、control（1：0）;
ledd（1：0）表示电机正反转状态，其变化跟随keyin（1：0）的变化，送到两个颜色不同的发光二极管：
shift、data_led（7：0）输入到送到数码管，显示所测得电机当前速度值。
control（1：0）信号送到PWM驱动电路，该信号通过PWM驱动电路经过脉宽调制后送至支流电机的输入端，起到控制直流电机速度和转向的作用。
jishu为光电开关输出信号，作为CPLD的反馈输入信号。
2.3 系统程序工作流程图
3 按键输入模块
add加速键、sub减速键、reset复位键、keyin电机正反转控制键;
add、sub、reset是一位输入信号，按键盘为普通的按键;
设直流电机的速度预制值N=2
当加速按键add按下，即add=0时，速度值增大1，
即每当减速键按下，速度值增加1，电机加速;
当减速按键sub按下，即sub=0时，速度值减小1，此时速度值N=3，
即每当减速键按下，速度值减小1，电机减速。
4 PWM驱动模块
电机驱动电路采用H型桥式PWM脉宽调制驱动电路，可控制电机正反转和停止。
驱动电路与CPLD的接口电路采用光电耦合器隔离，以增大驱动电流。
通过分频程序改变速度预制数N来改变PWM脉冲的占空比，调节输出电压。
通过分频程序改变直流电机的正反转。
keyin（1：0）是两位输入信号，按键盘为两位的拨盘开关：
当开关处于“10”状态时，表示为正转控制输入;
当开关处于“01”状态时，表示为反转控制输入;
当处于其它状态时，表示停止，无操作。
输出信号control（1：0）是正反转输出信号，其状态改变跟随输入信号Keyin（1：0）：
當keyin为“10”状态时，直流电机正转输出，即control（1）有信号输出，control（0）显高阻态;
当keyin为“01”状态时，直流电机反转输出，即control（0）有信号输出，control（1）显高阻态。 输出信号ledd（1：0）显示直流电机的正反转状态，送至两个不同的发光二极管;
当ledd（1：0）为“10”状态时，即二极管A点亮，电机正转;
当ledd（1：0）为“01”状态时，即二极管B点亮，电机反轉。
5 显示模块
电机的当前速度值由四位数据组成，当低位数计数满9后向高位进1，当千位计数满9后数据清零，由此实现对直流电机的速度显示。
显示模块有四个数码管，采用动态显示四位当前速度值，利用人眼的视觉暂留特性，达到多个数码管同时显示的效果。
位选信号shift表示当前显示的位数，呈“0001”“ 0010”“ 0100”“ 1000”循环，每0.001秒从低位到高位依次选通一位进行数据输出。
data_led（7：0）用8421码在数码管上显示0～9十个数。
6 测速模块
6.1 模块功能说明
（1）信号输入原理
电机轴上有均匀开孔的挡板，挡板置于光电开关之间;
电机带动挡板转动，当挡板挡住光线时光电开关输出信号为5V，逻辑电平为1;
当光线通过挡板时，光电开关输出信号为0V，逻辑电平为0。
将信号输出端接在CPLD的输入端，这就可以实现信号的输入。
（2）速度测量原理
本文介绍的是电子计数测频法，其原理如图6所示。
计在确定的闸门时间T内记录被测信号的脉冲个数为N1，挡板间隙个数为N2，则被测信号的频率为：
设标准闸门时间T=1s，则f=N1/N2;
根据电机转速n和频率f的关系：
设p=1，则n=60*N2/N1。
信号输入电路每产生N1/N2次逻辑电平1输入CPLD，就代表电机转动一圈，计在一秒时间内产生逻辑电平1的个数，即为电机转速jishu=n，经速度检测模块处理后送至数码管，显示直流电机当前速度值。
6.2 程序仿真图
7 总结
当前，电机转速的检测是高性能电机控制系统的重要部分。
从系统仿真图和测试结果可判断，用CPLD来对电机进行测速和显示并进行转速的控制是可行的，本设计可满足预期的功能要求。
并且CPLD较之其他电机测速方法具有编程实现容易、单片内同时解决测速和显示的优点。
收稿日期：2019-09-20