基于FPGA直流电机PWM的控制实现硕士学位论文.docx
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基于FPGA直流电机PWM的控制实现硕士学位论文
分类号：
TP311.5单位代码：
10335
密级：
无学号：
Z08qj076
硕士学位论文
中文论文题目：
基于FPGA直流电机PWM
控制实现
英文论文题目：
DesignofDCmotorPWMcontrol
ImplementationbaseonFPGA
DesignofDCmotorPWMcontrol
ImplementationbaseonFPGA
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摘要
论文以直流电机为研究对象，应用了先进的FPGA技术，设计了一种全数字的步进电机控制系统，通过了仿真、综合和下载的各个程序测试环节，并在实验中得到了良好的应用。
本论文分析了直流电机工作原理以及其具体的控制过程，然后阐述了FPGA的设计原理以及所涉及到的相关芯片，接着对所要应用的硬件语言VHDL方面的知识进行了简要地介绍，这些为论文的具体设计部分提供了理论基础。
本系统针对需要实现对直流电机的调速，设计出了一种符合要求的连续可调的脉冲信号发生器，对整个系统进行模块化设计，并且每个子模块都通过了仿真测试。
系统采用了模块化的设计思路，为系统的设计和维护提供了方便，同时也提高了系统性能的可扩展性。
系统采用一种软件硬化的设计思路，应用了VHDL硬件语言，该语言较容易理解。
软件也是采用了目前应用比较广泛的几种。
FPGA+VHDL+EDA工具构成的数字系统现场集成技术，是本系统设计的核心部分，该门技术具有操作灵活、利用广泛以及价廉等特点。
该门技术具有旺盛的生命力和广阔的前景，必然推动着整个集成电路产业系统集成的进一步发展。
整个系统设计采用了全数字化的控制方案，使系统更加紧凑、更加合理以及经济节约。
由于系统的全数字化，使得整个系统运行变得十分可靠，调试也极为方便。
作为一种先进技术的应用，论文在很多方面做了新的尝试。
关键词：
直流电机，现场可编程门阵列，硬件描述语言，
Abstract
Inthispaper,DCmotorasthestudy,withtheapplicationofFPGA-advancedtechnology,designsanall-digitalsteppermotorcontrolsystem,throughvariousprogramtextlinksofthesimulation,synthesisanddownloads,andgetsagoodapplicationinexperiments.
ThispaperanalyzestheDCmotorworks,aswellasitsspecificcontrolprocess,describestheFPGAdesignprinciplesandtherelatedchipsthoseareinvolved,thengivesabriefintroductionontheknowledgeofappliedhardwarelanguageVHDL,alltheseprovidesatheoreticalbasisforthespecificdesignsectionsofthepaper.
ThesystemagainsttheachievementoftheDCmotorspeedcontrol,designsacontinuouslyadjustablepulsesignalgeneratorthatcanmeettherequirements,andmodularprogrammingsforthewholesystem,eachsub-modulehaspastedthesimulationtests.Thesystemusesamodulardesignconcept.It'snotonlyconvenientforthesystemdesignandmaintenance,butalsoimprovetheperformanceofthesystemscalability.Thesystemadoptssoftwarehardeningideas,appliestheVHDLhardwarelanguagewhichiseasytobeunderstood.Thesoftwareisalsoadoptseveralswhichareusedwidelyatpresent.
FPGA+VHDL+EDAtoolsconstitutethefieldofdigitalsystemintegrationtechnology,asacorepartofthesystemdesign,theskillwithoperationalflexibility,cheapandwidelyuse.Thiskindoftechnologyhasstrongvitalityandbroadprospects,andwillfurtherthedevelopmentofsystemintegrationoftheentireICindustry.Thewholesystemusesafullydigitalcontrolscheme,makingthesystemmorecompact,morerationalandeconomical.Becausethesystem'salldigital,theoperationofthewholesystembecomeveryreliable,thedebuggingisconvenient,too.Asanadvancedtechnology,thepapermakesmanynewattemptsinseveralsapects.
KeyWords：
DCmotor,Fieldprogrammablegatearray，VHDL
目录
摘要i
Abstractii
第1章绪论1
1.1课题背景1
1.2研究的目的及其内容2
1.3研究内容及其安排3
1.3.1研究内容3
1.3.2本文的安排3
1.4本章小结3
第2章电机的基本知识4
2.1直流电机的特点4
2.2直流电机的基本结构4
2.3直流电机的工作原理6
2.3.1直流电机的励磁方式7
2.3.2直流电机的基本方程式12
第3章FPGA与硬件描述语言14
3.1数字系统集成的基本概念14
3.1.1工艺集成技术14
3.1.2现场采集技术14
3.2FPGA设计流程22
3.3硬件描述语言设计方法23
3.3.1硬件描述语言发展概况23
3.3.2VerilogHDL目前的应用情况与适用的设计23
3.3.3采用硬件描述语言的设计流程24
3.4本章小节25
第4章直流电机系统设计方案26
4.1直流电机控制实现方案的比较26
4.1.1以DSP为核心的电机控制系统与单片机的电机控制系统的比较26
4.1.2FPGA设计与单片机设计的比较27
4.1.3硬件描述语言设计与传统技术设计对比28
4.1.4FPGA与DSP的对比30
4.1.5方案选择30
4.2系统设计框图30
4.2.1模块功能简介31
4.3设计的目的及其要求32
4.3.1功能要求32
4.4本章小结32
第5章模块设计
33
5.1PID控制模块33
5.1.1增量式PID控制算法37
5.2PWM产生模块47
5.2.1PWM的定义及原理47
5.2.2PWM波的实现48
5.2.3计数及数码管显示模块49
5.3本章小节52
第6章硬件电路设计53
6.1转速检测电路设计53
6.1.1转速检测电路设计方案比较与分析53
6.2电机速度显示电路54
6.2.1电机速度显示模块电路方案比较与分析54
6.3电机驱动电路55
6.3.1H桥电机驱动电路原理55
6.3.2H桥驱动电路设计56
第7章总结及其展望57
参考文献58
作者简历60
致谢61
图目录
图2.1直流电机的结构5
图2.2直流电动机工作原理图7
图3.1单端系列边界扫描链19
图3.2反熔丝原胞21
图3.3基于ISE的FPGA设计基本流程22
图3.4自顶向下设计思想24
图3.5HDL设计流程25
图4.6VerilogHDL与VHDL建模能力的比较30
图4.1系统设计框图31
图5.1实际微分PID算法框图34
图5.2增量式PID控制算法结构图38
图5.3数值转换图39
图5.4乘法器modelsim仿真图41
图5.5乘法器仿真图242
图5.6四位加法器仿真图43
图5.7四位加法器仿真图244
图5.816位加法器仿真图46
图5.916位加法器仿真图246
图5.10PWM产生模块仿真图49
图5.11PWM产生模块仿真图249
图5.12分频模块仿真图50
图5.13计数模块仿真图51
图6.1GK105标准接法53
图6.2光电开关GK105检测电路54
图6.3H桥直流电机驱动原理图55
图6.4H桥驱动电路设计电路图56
第1章绪论
1.1课题背景
自从1985年Xilinx公司推出第一片现场可编程逻辑器件（FPGA）到现在，FPGA已经经历了二十几年的发展历程。
在这几十年的发展过程中，以FPGA为代表的数字系统现场集成技术取得了惊人的发展。
现场可编程逻辑器件从刚开始的1200个逻辑门，发展到90年代的25万个逻辑门，甚至到现今国际上FPGA的著名厂商Altera公司、Xilinx公司又陆续推出了数百万门的单片FPGA芯片，将现场可编程器件的集成度提高到一个新的水平。
FPGA的优点可以归纳为如下几点：
效能，上市时间，成本，可靠性和长期维护五个方面。
效能--透过硬件的平行机制，FPGA可突破依序执行（Sequentialexecution）的固定逊算，并于每时脉循环完成更多作业，超越了数位讯号处理器（DSP）的计算功能。
BDTI作为著名的分析公司，并于某些应用中使用DSP解決方案，以计算FPGA的处理效能。
在硬件层级控制I/O可缩短回应时间并特定化某些功能，以更符合应用需求[1]。
上市时间--针对上市时间而言，FPGA技术具有弹性与快速原型制作的功能。
使用者不需进行ASIC设计的冗长建构过程，就可以在硬件中测试或验证某个观念。
并仅需数个小时就可以建置其他变更作业，或替换FPGA设计。
现成的（COTS）硬件也可搭配使用不同种类的I/O，并连接至使用者设定的FPGA芯片。
高级软件工具正不断提升其适用性，缩短了抽象层（Layerofabstraction）的学习时间，并针对进階控制与信号处理使用IPcores（预先建立的函式）。
成本--ASIC设计的非重置研发（NRE）费用，远远超过FPGA架构硬件解決方案的费用。
ASIC设计的初始投资，可简单认列于OEM每年所出货的数千组晶片，但是许多末端使用者更需要定制硬件功能，以便用于开发过程中的数百组系统。
而可程式化晶片的特性，就代表了低成本的架构作业，或组装作业的长前置时间。
由于系统需求随时在变化，因此若与ASIC的庞大修改费用相比，FPGA设计的成本实在微不足道[2]。
可靠性--正如软件工具提供程序化设计的环境，FPGA电路也为程序化执行的「坚强」的建置方式。
处理器架构的系统往往具有多個抽象层，得以协助多重处理程序之间的作业排程与资源分享。
驱动层（Driverlayer）控制硬件資源，而作为作业系统则管理记忆体和处理器频宽。
针对任何现有的处理器核心来说，每次仅可执行1组指令码；而处理器架构的系统则可以连续处理重要作业。
FPGA不需要使用作业系统，并将产生问题的几率降到最低，采用平行执行功能与专属精密硬件执行作业。
长期维护--FPGA晶片为即时升级（Field-upgradable）特性，不需要像ASIC一般重新设计的时间与费用。
举例来说，数位通讯协定的规格可随时间而改变，而ASIC架构的介面却可能产生维护与向下相容的问题。
FPGA具有可重设性质，可随时因应未来的需要而进行修改。
当产品或系统趋于成熟时，不需耗时重新设计或修改机板配置，即可提升相关功能[4]。
1.2研究的目的及其内容
直流电动机因为具有良好的启动性能和宽广平滑的调速特性，从而被广泛应用于电力机车、无轨电车、轧钢机、机床和启动设备等这些需要经常启动并调速的电气传动装置中，直流发电机主要用作直流电源。
此外，小容量直流电机大多在自动控制系统中以伺服电动机、测速发电机等形式作为测量、执行原件使用。
当基于FPGA的嵌入式系统时，在设计周期之初就不必为每个模块做出用硬件还是软件的选择。
如果在设计中间阶段需要一些额外的性能，则可以利用FPGA中现有的硬件资源来加速软件代码中的瓶颈部分。
由于FPGA中的逻辑单元是可编程的，可针对特定的应用而定制硬件。
所以，仅使用所需要的硬件即可，而不必做出任何板级变动（前提是FPGA中的逻辑单元足够用）。
设计者不必转换到另外一个新的处理器或者编写汇编代码，就可做到这一点。
使用带有可配置处理器的FPGA可获得设计灵活性。
设计者可以选择如何实现软件代码中的每个模块，如用定制指令，或硬件外围电路。
此外，还可以通过添加定制的硬件而获取比现成微处理器更好的性能。
另一点要知道的是，FPGA有充裕的资源，可配置处理器系统可以充分利用这一资源。
算法可以用软件，也可用硬件实现。
出于简便和成本考虑，一般利用软件来实现大部分操作，除非需要更高的速度以满足性能指标。
软件可以优化，但有时还是是不够的。
如果需要更高的速度，利用硬件来加速算法是一个不错的选择。
FPGA使软件模块和硬件模块的相互交换更加简便，不必改变处理器或进行板级变动。
设计者可以在速度、硬件逻辑、存储器、代码大小和成本之间做出折衷。
利用FPGA可以设计定制的嵌入式系统，以增加新的功能特性及优化性能。
目前，虽然由晶闸管整流元件组成的固态直流电源设备已基本上取代了直流发电机，但直流电动机仍因为其良好调速性能的优势在许多传动性能要求高的场合占据一定的地位，而FPGA又具有很强的性能及其优势，基于FPGA的直流电机的控制还是有应用价值[1]。
1.3研究内容及其安排
1.3.1研究内容
本文根据以上这些特点，对直流电机的控制研究采用了一种基于FPGA平台，采用硬件描述语言加上EDA软件进行设计。
具体的研究内容为：
1.查找相关文献，研究直流电机的基本特点及其工作原理，并且对直流电机的PWM控制进行研究分析。
2.对要进行的研究进行分析，采用模块化设计，包括PWM产生模块，PID算法模块。
3.研究系统的重点PID算法模块，构建出合适的PID算法，找到一种切实可行的方案，以满足系统的要求。
1.3.2本文的安排
本文总包括七章的内容。
第二章首先阐述了直流电机的特点及其工作原理，分析了研究意义，提出了设计基于FPGA的直流电机，并且对研究的内容进行分析。
第三章介绍了基于FPGA设计直流电机控制的设计环境，对FPGA，以及硬件描述语言进行了详细的介绍。
第四章介绍了本次设计的系统框图，并且对各个模块进行了分析。
第五章介绍了模块的详细设计，着重介绍了PID算法模块的研究及设计方案。
第六章介绍了外围电路设计方案。
1.4本章小结
在本章中，首先阐述了直流电机的简单介绍，对整个系统研究有了一定的了解。
第2章电机的基本知识
2.1直流电机的特点
直流电动机与交流电动机相比较，具有良好的调速性能和启动性能。
直流电动机具有宽广的调速范围，平滑的无级调速特性，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；过载能力大，能承受频繁的冲击负载；能满足自动化生产系统中各种特殊运行的要求。
而直流发电机则能提供无脉动的大功率的直流电源，且输出的电压可以精确地调节和控制。
但直流电机也有它显著的缺点：
一是制造工艺复杂，消耗有色金属较多，生产成本高；二是运行的时候由于电刷与换向器之间容易产生火花，所以可靠性比较差，维护比较困难。
所以在一些对调速性能要求不高的领域中己被交流变频调速系统所取代。
但是在某些要求调速范围大、快速性高、精密度好、控制性能优异的场合，直流电动机的应用目前仍然占有较大的比重[3][5]。
2.2直流电机的基本结构
直流电动机和直流发电机的结构基本一样。
直流电机是由静止的定子和转动的转子两大部分组成，在定子和转子之间存在一个间隙，称做气隙。
定子的作用是产生磁场和支撑电机，它主要包括主磁极、换向磁极、机座、电刷装置、端盖等。
转子的作用是产生感应电动势和电磁转矩，实现机电能量的转换，通常也称做电枢。
它主要包括电枢铁心、电枢绕组以及换向器、转轴、风扇等。
直流电机的结构图如图2.1所示。
图2.1直流电机的结构
图中1-前端盖2-风扇3-定子4-转子5-电刷及刷架6-后端盖
1．主磁极
主磁极的作用是产生主磁通，它是由铁心和励磁绕组组成。
铁心一般用lmm～l.5mm的低碳钢片叠压而成，小电机也有用整块铸钢磁极的。
主磁极上的励磁绕组是用绝缘铜线绕制而成的集中绕组，与铁心绝缘，各主磁极上的线圈一般都是串联起来的。
主磁极都是成对的，并按N极和S极交替排列。
2．换向磁极
换向磁极的作用是产生附加磁场，从而改善电机的换向性能。
通常铁心由整块钢做成，换向磁极的绕组应与电枢绕组串联。
换向磁极装在两个主磁极之间。
其极性在作为发电机运行时，应该与电枢导体将要进入的主磁极极性相同；在作为电动机运行时，则应该与电枢导体刚离开的主磁极极性相同。
3．机座
机座一方面用来固定主磁极、换向磁极和端盖等，另一方面作为电机磁路的一部分称为磁轭。
机座一般用铸钢或钢板焊接制而成。
4．电刷装置
在直流电机中，为了使电枢绕组和外电路连接起来，必须装上固定的电刷装置，它是由电刷、刷握和刷杆座组成的。
电刷是用石墨等做成的导电块，放在刷握内，用弹簧压指将它压触在换向器上。
刷握用螺钉夹紧在刷杆上，用铜绞线将电刷和刷杆连接，刷杆装在刷座上，彼此绝缘，而刷杆座则装在端盖上。
5．电枢铁心
电枢铁心的作用是通过磁通以及安放电枢绕组。
当电枢在磁场中旋转时，铁心将产生涡流和磁滞损耗。
为了减少损耗，提高效率，电枢铁心一般用硅钢片冲叠而成。
电枢铁心有轴向冷却通风孔。
铁心外圆周上均匀分布着槽，用以嵌放电枢绕组。
6．电枢绕组
电枢绕组的作用是产生感应电动势和通过电流产生电磁转矩，实现机电能量的转换。
绕组通常用漆包线绕制而成，嵌入电枢铁心槽内，并按一定的规则连接起来。
为了防止电枢旋转时产生的离心力使绕组飞出去，绕组嵌入槽内后，用槽楔压紧；线圈伸出槽外的端接部分用无纬玻璃丝带扎紧。
7．换向器
由许多带有鸽尾形的换向片叠成一个圆筒，片与片之间用云母片绝缘，借V形套筒和螺纹压圈拧紧成一个整体。
每个换向片与绕组每个元件的引出线焊接在一起，其作用是将直流电动机输入的直流电流转换成电枢绕组内的交变电流，从而产生恒定方向的电磁转矩，使电动机连续运转[3]。
2.3直流电机的工作原理
直流电动机在机械构造上与直流发电机完全相同，直流电动机的工作原理图如图2.2所示。
电枢不用外力驱动，把电刷A、B接到直流电源上，假定电流从电刷A流入线圈，沿a→b→c→d方向，从电刷B流出。
载流线圈在磁场中将受到电磁力的作用，其方向按左手定则确定，ab边受到向上的力，cd边受到向下的力，形成电磁转矩，结果使电枢逆时针方向转动，如图2.2a所示。
当电枢转过90°时，如图2.2b所示，线圈中虽然无电流和力矩，但是在惯性的作用下继续旋转。
当电枢转过180°的时候，如图2.2c所示，电流仍然从电刷A流入线圈，沿d→c→b→a方向，从电刷B流出。
与图2.2a比较，通过线圈的电流方向改变了，但两个线圈边受电磁力的方向却没有改变，即电动机只朝一个方向旋转。
若要改变其转向，则必须改变电源的极性，使
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