基于FPGA的直流电机控制设计开题报告

基于FPGA的直流电机控制

前言：

直流电动机是一种能量转换的装置，具有良好的启动性能和宽广平滑的调速特性，在国民经济中起着重要作用，无论是在工农生产、交通运输、国防宇航、医疗卫生、商务与办公设备，还是日常生活中的家用电器，都大量的使用着各种各样的电机，如汽车、电视机、电风扇、空调等等也离不开电机。同时，在越来越多的应用场合，只能旋转的电机己无法满足要求，而是要求能够实现快速加速、减速或反转以及准确停止等功能。必须寻找新的电机控制器来适应时代的发展。

随着电子技术的发展，特别是专用集成电路（ASIC）设计技术的日趋完善，数字化的电子自动化设计（EDA）工具给电子设计带来了巨大变革，尤其是硬件描述语言的出现，解决了传统电路原理图设计系统工程的诸多不便。针对以上情况，本课题提出现场可编程门阵列（FPGA）的PWM控制电路设计。

主题：

FPGA是英文Field Programmable Gate Array 的缩写，即现场可编程门列阵，它是在可编程列阵逻辑（Programmable Array Logic）、门阵列逻辑GAL（Gate Array Logic）、可编程逻辑器件PLD（Programmable Logic Device）等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路ASIC（Application Specific Integrate Circuit）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

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公司又推出数百万的单片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个优点：效能、上市时间、可靠性和长期性维护五个方面。

VHDL 的英文全名是 Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，诞生于 1982 年。1987 年底，VHDL被 IEEE 和美国国防部确认为标准硬件描述语言。VHDL主要用于描述数字系统的结构，行为，功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法是十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称设计实体（可以是一个元件，一个电路模块或一个系统）分成外部（或称可视部分,及端口)和内部（或称不可视部分），既涉及实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分成内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。

直流电动机的控制器经历了从模拟控制器到数字控制器的发展。由于模拟器件的参数受外界影响大，而且精度也较差。数字控制器与模拟控制器相比较，具有可靠性高、参数调整方便、控制精度高、对环境因素不敏感等优点。随着工业电气化、自动控制和家电产品等领域对电机控制产品的需求，人们对电机控制技术的要求有所提高。由于传统的8位单片机其内部体系结构和计算功能等条件，在实现各种先进的电机控制理论和高效的控制算法时遇到了困难。因此，目前最为普遍的做法是使用高性能的数字信号处理器(DSP)来解决电机控制器不断增加的计算量和速度的需求。将一系列外围设备如模数转换器、脉宽调制发生器、和数字信号处理器集成在一起组成复杂的电机控制系统。随着EDA技术的发展，用基于现场可编程门阵列FPGA的数字电子系统对电机进行控制，为实现电动机数字控制提供了一种新的有效方法。现场可编程门阵列(FPGA)器件集成度高、体积小、速度快，以硬件电路实现算法程序，将原来的电路板级产品集成为芯片级产品，从而降低了功耗，提高了可靠性。

传统PWM控制电路往往存在电路设计复杂、体积大、抗干扰能力差以及设计困难、设计周期长等缺点，现在国内外市面上已经有具有PWM模块的专用芯片，但是这些产品性价比比较差，功能不够丰富，使用起来也不灵活方便，很难适合广大客户的需求。 

目前国外一些数字信号处理芯片甚至已在片内集成PWM波形产生功能(如TI的TMS320F243等)，只需进行寄存器参数设置就可得到PWM输出，PWM控制的设计已应用到实际科研中，并取得了良好的效果。为了加快开发进度，更为重要的是提高设计的灵活性和精确度，我国引入现代EDA(电子设计自动化)技术，采用VHDL硬件描述语言进行控制逻辑编程，配置于大规模可编程器件FPGA 芯片上，对主电路的工作状态进行控制，以获得符合要求的电源电压及波形

在国内PWM有理论基础逐渐成熟，但在应用上，国内外差距也很大。PWM调速系统的应用是近年来才开始的，原因是我国的电子工业的基础比较差。PWM调速系统中所需的关键部件IGOT管靠进口。近年来，我国已开发出具有自主知识产权的IGOT大电流晶体管，从而为该技术推行奠定了物质基础。PWM电机调速方案是未来电机拖动系统的首选方案，是实现电机拖动数字控制的基础。

FPGA可以在办公室或实验室里方便地设计出所需的专用集成电路，且具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改，极大地提高了电子系统设计的灵活性和通用性。PWM控制电路已向体积小、重量轻、功耗低、可靠性高的模块化、集成化方向发展。

电动机调速系统采用FPGA实现数字化控制,是电气传动发展的主要趋势。采用FPGA控制后,整个调速系统能够实现快速加速、减速或正/反转以及准确停止、在线调速等功能,操作维护方便,电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平,静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。由于FPGA的外部连线少,电路简单,便于控制,具有较佳的性能价格比,所以在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。

如果采用CPU控制产生PWM信号一般的PWM信号是通过模拟比较器产生的，比较器的一端按给定的参考电压，另一端接周期性线性增加的锯齿波电压。当锯齿波电压小于参考电压时输出低电平，当锯齿波电压大于参考电压时输出高电平。改变参考电压就可以改变PWM波形中高电平的宽度。若用单片机产生PWM信号波形，需要通过D/A转换器产生锯齿波电压和设置参考电压，通过外接模拟比较器输出PWM波形，因此外围电路比较复杂。

FPGA中的数字PWM控制与一般的模拟PWM控制不同，用FPGA产生PWM波形，只需FPGA内部资源就可以实现。用数字比较器代替模拟比较器，数字比较器的一端接设定值计数器输出，另一端接线性递增计数器输出。当线性计数器的计数值小于设定值时输出低电平，当计数值大于设定值时输出高电平。与模拟控制相比，省去了外接的D/A转换器和模拟比较器，FPGA外部连线很少，电路更加简单，便于控制。

     总结：

 对于直流电机的控制设计，可以利用三种方法，分别是模拟电路的方法，单片机的方法，和应用专用逻辑的电路方法。模拟电路方法现在很少有人采用了，是过去陈旧的方法。现在最常用的是单片机方法。对于采用FPGA对直流电机的控制设计，通过硬件语言最终实现直流电机的速度控制，旋转方向控制，变速控制，目前还不成熟，通过本次的毕业设计，本人尝试的去掌握它，完成他，坚信基于FPGA的直流电机控制未来有一个很好的发展前景。

参考文献：

   [1] 乔庐峰,王志功等译.VHDL数字电路设计教程[M].北京:电子工业出版社,2005.9.

   [2] 潘松,黄继业.EDA技术实用教程[M].北京:北京科学出版社,2002:145-146.

   [3] 张广益,郭前刚.电机学[M].重庆:重庆大学出版社,2006:247-251.

   [4] Alter Corportion.Alter Digital Library[M].Altera,2002.

   [5] 席德勋.现代电子技术[D].北京:高等教育出版社,2002.121-125.

   [6] 杜玉.基于FPGA直流电机的伺服系统的设计[D].内蒙古:内蒙古大学,2005.

   [7] 孙华锦.基于VHDL语言的电子设计自动化及其应用[D].陕西:西北工业大学，2001.

   [8] 谢运祥.可编程逻辑器件的发展及其应用前景[R].西安:高等教育出版社,2002.

   [9] 赵岷.基于FPGA控制器的研究[D].西安:西北工业大学,2005.

   [10] 徐进.基于FPGA的PWM机床电力拖动系统的研究[R].北京:北京理工大学，2004.

   [11] 张万奎.模拟电子技术[M].湖南.湖南大学出版社,2005.226-229.

   [12] 崔建明编.电工电子EDA技术[M].西安.高等教育出版社,2006:23-26.

   [13] 张克农.数字电子技术基础[M].西安.高等教育出版社.2005:145.

   [14] 刘军峰,尹泉.基于DPS和FPGA的开放式伺服平台设计[R].北京:北京理工大学,2004.

   [15] 周润景,图雅,张丽敏.基于Quartus Ⅱ的FPGA/CPLD数字系统设计实例[M].北京:电子工业出版社,2007.

   [16] 蒋立平等.数字逻辑电路与系统设计[M].北京:电子工业出版社,2008.

基于FPGA的直流电机控制

利用FPGA作为硬件电路，采用VHDL等硬件描述语言对硬件的功能进行编程，可以加快系统的研发进程，采用数字化的控制方式，可以大幅度提高逻辑控制的精确度，使实时控制效果显著改善。

实践证明FPGA芯片可以代替传统的复杂电路，而且可以大比例地缩小电路的硬件规模，提高了集成度，降低开发成本，提高系统的可靠性，为控制电路的设计开辟新的天地。

1. 了解直流直流电机的结构、主要技术参数、工作原理和调速原理，并且对直流电机的PWM控制进行研究分析。

2. 对毕业设计的内容进行研究，采用模块化的设计。

3. 重点掌握利用QUARTUS软件设计数字系统的方法。

4. 利用VHDL语言编写直流电机PWM控制代码。能够实现直流电机的速度控制，旋转方向控制，变速控制。

首先得了解的直流电动机的结构和工作原理。对VHDL语言再一次认真学习一遍，以及安装QUARTUS软件并完全掌握其功能。根据要求去搜集有关的资料和文献，清晰认识到整个毕业设计的原理和流程。最终采用硬件描述语言加上EDA软件进行仿真。

2．对“开题报告”（课题的深度、广度及工作量）的评语和对设计（论文）结果的预测：

                                         负责人：               

                                                  年   月   日