基于Nios_II的PWM直流电机控制系统设计毕业论文.docx

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I-

基于NiosII的PWM直流电机控制系统设计

摘要

电力电子技术、微处理器技术、信号检测与处理技术、自动控制理论和计算机应用技术的发展以及永磁材料技术的进步，极大地推动了运动控制系统向纵深发展。

从而加速了直流电动机调速及伺服系统向一体化电动机以及控制数字化方向发展的进程，为运动控制系统的高实时性、强稳定性的控制要求提供了保障和依据。

针对运动控制系统的高实时性、强稳定性的控制要求，开发高精度、高效率和开放式的运动控制器具有十分重要的意义。

本文以两相直流电机为控制对象，采用基于NiosII的自定制Avalon外设技术，以单芯片大容量现场可编程门阵列（FPGA）为核心控制器，设计了基于可编程片上系统（SOPC，SystemonProgrammableChip）技术的运动控制器。

本文首先介绍了电气传动系统和PWM技术的基本情况，说明了本文设计的控制系统所使用的技术。

其次，本文介绍了利用嵌入FPGA内部NiosII软核来构建一个真正意义上的小型SoC（SystemOnaChip）直流电机控制系统的具体方法，并以此说明了SOPC思想和实现途径。

该系统采用通用的PWM直流电机调速方案，并使用ALTERA公司的DE2开发板上的FPGA芯片EP2C35F672C6作为系统控制器，同时利用硬件描述语言将调速控制所需的一些电路高度集合成直流电机控制系统，从而为电机的控制提供了一种新的思路。

最后，本文给出了控制系统软件中的几个关键函数，说明了系统是如何控制电机运动的。

依据上述的设计思想，做出了实体模型并进行验证测试，相关运行结果证明了设计的可行性和正确性。

本文所采用的NiosII软核组成的SOPC系统技术解决方案具有集成度高、灵活性强、扩展性好、可以大大缩短产品的开发周期的优点和特点。

关键词 直流电机控制；脉宽调制（PWM）;现场可编程门阵列（FPGA）；可编程片上系统（SOPC）；硬件描述语言

II-

BasedontheNiosIIPWMDCMotorControlSystemDesign

Abstract

Along with the development of electronic technology,microprocessortechnology,signaldetectionandprocessingtechnology,automaticcontroltheoryand computerapplication technologyand permanent magnet materialstechnology,people themovementcontrolsystem.ThusspeedinguptheDCmotorthespeedgoverningandservosystemsevolvingintotheintegrativemotorandthecontroldigitaldirectionofproceedings,fortheMotionControlSystemofaccordancewithMotionControlSystemforthe and theMotionControllerofgreatsignificance.

Inthisthesis,two-phaseDCmotortocontroltheobject,tousetheNiosII-basedAvalonperipheralscustomizedtechnology,touselarge-capacitysingle-chipfieldprogrammablegatearray（FPGA）asthecorecontroller,designbasedonprogrammablechipsystem（SOPC,SystemonProgrammableChip）technologyofmotioncontroller.

Atfirst,thisthesisintroducestheelectrictransmissionsystemandthebasicsituationofPWMtechnology,illustratesthetechnologyofcontrolsystem,whichisdesignedinthispaper.Secondly,thethesisintroducesthemethodofbuildingatruesmall-scaleSoC（SystemonaChip）forDCmotorcontrolsystemwithembeddedsoft-coreFPGAinternalNiosIIandillustratesideasandthewaytotherealizationofSOPC.ThissystemusesacommonDCmotorPWMspeedcontrolprogramandtheFPGAchipnamedEP2C35F672C6onALTERA'sDE2developmentboardasthesystemcontroller.Atthesametime,itintegratessomecircuitwhichisneededbyspeedcontroltoDCmotorcontrolsystemwiththelanguage.Thusitprovidesanewwayofthemotorcontrol.Finally,thispaperprovidesseveralkeyfunctionsinthecontrolsystemsoftwaretoexplain theabovedesign,I’vemadeasolidmodelandcarriedoutprooftests,therelatedresultsprovedthefeasibilityandcorrectnessofthisdesign.TheprogramoftheSOPCsystemtechnologywhicharecomposedofNiosIIsoft-coreinthisthesis,greatlyshortentheproductdevelopmentcycle.

KeywordsDCMotorControl;PWM；FieldProgrammableGatesArray（FPGA）；SystemOnProgrammableChip（SOPC）;HardwareDescriptionLanguage;

III-

目录

摘要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1课题背景 1

1.2电气传动与PWM技术概述 1

1.2.1电气传动的发展与趋势 1

1.2.2PWM技术发展概述 2

1.3FPGA概述 2

1.3.1EDA简介 2

1.3.2FPGA简介 3

1.3.3CycloneII系列FPGA简介 3

1.3.4FPGA开发基本流程 4

1.4SOPC概述 5

1.4.1SOPC简介 5

1.4.2NiosII软核简介 6

1.5本文研究内容 6

第2章PWM直流电机控制系统设计原理 7

2.1直流电机驱动器的组成 7

2.1.1直流PWM控制的基本原理 7

2.1.2驱动电路概述 8

2.2直流电机闭环控制系统的组成 11

2.2.1闭环控制的基本思想 11

2.2.2闭环控制的基本实现方法 11

2.3直流电机控制器的组成 12

2.3.1Avalon总线结构概述 12

2.3.2基于Avalon总线自定义外设概述 13

2.4本章小结 13

第3章基于NiosII的系统硬件设计 14

3.1系统的的主体框架 14

3.2控制器各部分模块 15

3.2.1NiosII软核构建 15

3.2.2PWM信号产生模块 19

3.2.3电机运行状态控制电路模块 22

3.2.4频率计模块 22

3.2.5显示译码模块 24

3.2.6闭环控制电路 26

IV-

3.2.7分频器 27

3.3直流电机驱动电路 28

3.3.1TLP521光耦电气隔离 28

3.3.2L298N驱动电路 29

3.3.3工作电源 31

3.4直流电机闭环控制电路 31

3.4.1电机转速信号采集 31

3.4.2电机转速信号整理电路 33

3.5本章小结 35

第4章基于IDE环境的软件工程设计 36

4.1控制系统软件主体构架 36

4.2控制软件各工作模式 37

4.2.1单速工作模式 37

4.2.2分级定速工作模式 38

4.2.3实时调节工作模式 39

4.3主要函数读解 40

4.3.1单速工作程序 40

4.3.2分级定速工作程序 40

4.3.3实时调节工作程序 41

4.3.4闭环控制程序 42

4.3.5系统异常处理程序 43

4.4本章小结 43

结论 44

致谢 45

参考文献 46

附录A 47

附录B 55

附录C 63

附录D 65

附录E 67

附录F 68

附录G 69

第1章绪论

1.1课题背景

随着电力电子技术、微处理器技术的发展以及永磁材料技术的进步，直流电动机调速及伺服系统正在向一体化电动机以及控制数字化的方向发展。

一体化电动机的发展方向主要体现于集控制及电动机于一体的无刷直流电动机。

而脉宽调制（PWM）技术以及相应的功率开关电路技术则是控制数字化的基础。

EDA（ElectronicDesignAutomation）技术作为现代电子设计技术的核心，依赖功能强大的计算机，在EDA工具软件平台上，实现既定的电子线路功能系统的设计。

单片机及DSP的性能不断提高，使得PWM控制技术及电动机控制技术也日趋成熟。

FPGA和CPLD等超大规模可编程逻辑器件的出现，不仅可以制作成控制器来代替单片机及DSP，同时还能讲外围电路集成到同一个芯片当中，大大提高了系统的集成度和可靠性。

1.2电气传动与PWM技术概述

1.2.1电气传动的发展与趋势

随着现代技术的发展，电气传动系统正在向系统高性能、控制数字化、一体化机电的方向发展。

直流传动系统控制简单、调速特性好，一直是调速传动领域中的重要组成部分[1]。

现代的直流传动系统的发展方向是电动机主极永磁化及换向无刷化，而无刷直流电机正是在这样的趋势下所发展起来的机电一