基于fpga的开关磁阻电机调速系统的设计本科毕设论文
基于FPGA的电机控制器设计与优化
基于FPGA的电机控制器设计与优化电机控制是现代工业中非常重要的一项技术。
随着科技的不断进步，基于FPGA（现场可编程门阵列）的电机控制器越来越受到关注和应用。
本文将介绍基于FPGA的电机控制器的设计与优化方法。
首先，我们需要了解什么是FPGA。
FPGA是一种可编程逻辑器件，可以根据特定的需求而重新配置其内部电路。
相比于传统的ASIC（专用集成电路）设计，FPGA具有灵活性更高、设计周期更短等优势。
因此，基于FPGA的电机控制器可以实现更高效、更智能的控制方案。
在设计基于FPGA的电机控制器时，首先需要明确控制目标。
不同类型的电机有不同的控制要求，例如直流电机、交流电机等。
接下来，我们需要选择合适的FPGA芯片。
常见的FPGA芯片供应商有Altera、Xilinx等，根据实际需求选择适合的芯片型号。
在电机控制器设计的过程中，我们需要采用一种合适的控制算法。
常见的控制算法包括PID控制算法、模型预测控制算法等。
根据电机的特性和性能要求选择合适的控制算法，并在FPGA芯片上实现该算法。
在FPGA上实现电机控制算法可以通过硬件描述语言（如VHDL、Verilog）来进行。
在编写硬件描述语言的代码之前，我们需要先进行电路结构的设计。
根据控制算法的需求，设计电路结构，包括逻辑门、寄存器、计数器等。
设计完电路结构后，我们可以编写对应的硬件描述语言代码。
根据电路结构设计的结果，编写代码描述电路的逻辑功能。
代码编写完成后，可以进行仿真验证，确保代码的正确性。
在代码编写完成后，需要进行综合和布局布线。
综合是将硬件描述语言代码转化为逻辑门级的电路网表，布局布线是将电路网表映射到FPGA芯片的物理结构上。
这两个步骤是将代码转化为实际可用的电路的关键步骤。
设计完成后，我们需要进行电机控制器的优化。
优化可以从多个方面进行，例如功耗优化、面积优化、性能优化等。
通过优化，可以提高电机控制器的效率和可靠性。
优化的方法包括逻辑优化、时序优化、资源共享等。
开关磁阻电机调速系统设计毕业论文任务书及开题报告
毕业设计（论文）任务书机电工程系电气工程及其自动化专业2007级（2011届）电气074 班学生毕业设计（论文）题目：开关磁阻电机调速系统设计毕业设计（论文）内容：主要介绍开关磁组电机的基本结构及工作原理，开关磁阻电机的数学模型的分析与求解，开关磁阻电机控制方式，SRD的基本结构、原理与特点，SRD的设计，SRD的控制策略，SRD的特点及应用领域，SRD系统存在的问题和发展方向，SRD与步进电动机驱动系统及异步电动机变频调速系统的比较，SRD的MATLAB仿真与分析。
毕业设计（论文）专题部分：(1)研究SR电机的结构、工作原理和数学模型，分析了SR电机主要的控制方式，并对这些控制方式进行详细的研究；(2)研究SRD的特点和组成部分，并分别对它的各个组成部分功率变换器、控制器和信号反馈系统作了详细的研究;设计系统的主回路；(3)了解采用TMS320F2407设计控制器的硬件电路，结构和功能，掌握基于TMS320F2407的硬件和软件的设计方法，在对SRD深入研究的基础上，设计了SRD的硬件系统；（4）应用matlab在SR电动机进行电机的性能仿真。
█指导教师：（签名）年月日█教研室主任：（签名）年月日█系教学主任：（签名）年月日应用科学学院2007级（2011届）学生毕业设计（论文）开题报告设计（论文）题目开关磁阻电机调速系统设计专业电气工程及其自动化学生姓名指导教师本课题研究的现状近20年来，SR电机的研究在国内外取得了很大的发展，但作为一种新型调速驱动系统，研究的历史还较短，其技术涉及到电机学、微电子、电力电子、控制理论、机电一体化及工程应用等众多学科领域，加之其复杂的非线形特性，导致研究的困难性，在电机理论、性能分析和设计、控制、测试等方面都还不够成熟、完善，存在大量的工作要做。
磁阻电机的工作原理最早出现于19世纪40年代，当时的研究人员认为利用顺序磁拉力方法可以使电动机旋转是简单可行的。
但是受到当时科技条件的限制，电动机的运行特性很差，在以后的100多年时间里开关磁阻电机调速系统的发展很慢。
开关磁阻电机调速系统中功率变换器的仿真与研究 毕业论文
……………………. ………………. ………………山东农业大学毕 业 论 文 开关磁阻电机调速系统中功率变换器的仿真与研究 院 部 机械与电子工程学院 专业班级 电气工程及其自动化3班 届 次 20**届 学生姓名 学 号 指导教师 二О**年六月一日 装订线……………….……. …………. …………. ………目录摘要 (I)Abstract (II)1 绪论 (1)1.1开关磁阻电机调速系统的发展现状 (1)1.2 开关磁阻电机调速系统的应用领域 (1)1.3 开关磁阻电机调速系统简述 (2)1.3.1 开关磁阻电机调速系统的基本构成 (2)1.3.2 开关磁阻电机调速系统的优缺点 (3)2 开关磁阻电机的基本原理 (4)2.1 开关磁阻电机的基本结构 (4)2.2 开关磁阻电机的基本工作原理 (5)2.3 开关磁阻电机的数学模型 (6)2.5 本章小结 (7)3 开关磁阻电机的功率变换器部分和控制方式 (7)3.1 调速系统功率变换器的要求和特点 (7)3.2 常用的几种功率变换器的电路 (8)3.2.1 不对称半桥电路 (8)3.2.2 每相只有一个主开关管的功率变换器 (9)3.2.3 电容分压型功率变换器 (10)3.2.4 具有最少数量主开关管的功率变换器 (11)3.3 开关磁阻电机的控制方式 (12)3.3.1 角度位置控制(APC)法 (12)3.3.2 电流斩波控制(CCC)法 (13)3.3.3 电压斩波控制(CVC)法 (13)3.4 本章小结 (14)4 Matlab动态仿真 (14)4.1 Matlab工具概述 (14)4.2 Matlab仿真模型 (15)4.3 仿真运行结果 (18)4.4 本章小结 (25)5 总结和体会 (25)5.1 设计总结 (25)5.2 个人体会 (26)参考文献 (27)致谢 (28)ContentsAbstract (II)1 Summary (1)1.1 Development Status Of SRD System (1)1.2 Applications Of SRD System (1)1.3 Switched Reluctance Drive System Description (2)1.3.1 Basic configuration Of SRD System (2)1.3.2 Advantages and disadvantages of SRD (3)2 The basic principle of SRM (4)2.1 The basic structure of SRM (4)2.2 The basic operating principle of SRM (5)2.3 Mathematical model of SRM (6)2.5 Summary (7)3 Power converter and the control mode of SRM (7)3.1 Power Converter requirements and characteristics (7)3.2 Several commonly used power converter circuit (8)3.2.1 Asymmetrical half-bridge circuit (8)3.2.2 Each phase has only one main switch of the power converter (9)3.2.3 Capacitance division type power converter (10)3.2.4 The main switch has a minimum number of power converters (11)3.3 Switched reluctance motor control mode (12)3.3.1 Angle Position Control(APC) (12)3.3.2 Current chopping control(CCC) (13)3.3.3 Chopped V oltage Control(CVC) (13)3.4 Summary (14)4 Matlab Dynamic simulation (14)4.1 Matlab Tools Overview (14)4.2 Matlab Simulation Model (15)4.3 The simulation results (18)4.4 Summary (25)5 Summary and Experience (25)5.1 Design Summary (25)5.2 Personal Experience (26)References (27)To thank (28)开关磁阻电机调速系统中功率变换器的研究与设计（山东农业大学机械与电子工程学院泰安 271018）摘要：本文在综合分析开关磁阻电机工作原理的基础上，着重介绍了开关磁阻电机调速系统中功率变换器的结构和各种形式功率变换器的优点，应用MATLAB 软件建立了开关磁阻电机调速系统的仿真模型。
开关磁阻电机调速系统设计 毕业设计 精品
开关磁阻电机调速系统设计摘要开关磁阻电动机调速系统（Switched Reluctnce Drive，简称SRD）是由开关磁阻电动机、电力电子开关电路及驱动控制部分组成的高性能调速系统。
开关磁阻电机具有结构简单坚固、成本低、容错能力强、调速范围宽、低速转矩大、起动电流小、转速精度高、耐高温、可频繁起动制动等优点，又在高度发展的电力电子和微机控制技术的支持下获得了良好的可控性能。
因此，开关磁阻电机在驱动调速领域得到了广泛的应用。
本文首先介绍了课题研究背景和意义。
给出了开关磁阻电机控制系统的组成、运行原理和控制方式。
给出了开关磁阻电机的控制策略。
在Matlab/Simulink 交互式仿真集成环境下，对开关磁阻控制系统进行了建模、仿真及分析。
接着，给出了开关磁阻控制系统的硬件、软件设计方案。
主要包括：DSP TMS320LF2407最小系统、位置检测电路、电流检测电路、键盘和显示电路、上位机通信接口及电源系统、系统主程序、各模块初始化子程序、各功能子程序和各中断服务子程序等。
最后，以三相6/4 结构小功率开关磁阻电机作为执行元件，给出了仿真结果。
关键词：开关磁阻电机；TMS320LF2407；位置检测；电流检测Switch the resistance of electrical machinery velocitymodulation system designABSTRACTSwitched Reluctance Drive system is a high performance system, which is composed of Switched Reluctance Motor, Power electronic switching circuit and controller. Switched Reluctance Motor has not only low cost , strong structure, good fault-tolerant，wide range speed modulation , low starting current, high speed accuracy, high temperature, and it can be started or stopped frequently, but also excellent controllability based on the electric and mircrocomputer . Thus, Switched Reluctance Motor is widely used in drive and speed adjustment field.Firstly, the background and significance of the project were given. The structure of the position control system of SRM was given.The operational principle and control modes of SRM were discussed. The output torque could be indirectly controlled by the rotor angular acceleration closed-loop control of SRM. The position control strategy was also presented .In the Matlab/Simulink interactive simulation integrated environment, module construction, simulation and analysis of control system of SRM were given. And then, the hardware and software of control system of SRM were designed. The design of hardware mainly includes the least system of DSP TMS320LF2407, the position detection circuit,the current detection circuit,the keyboard and display circuit，the communication interface of upper computer and the power system.Thedesign of software mainly includes the main procedure, the modules initialization subroutines, the subroutines and the interrupt service subroutines. Finally, the experiment system was established with a three–phase 6/4 structure lowpower SRM prototype as action element.The simulation results were given.Keywords: switched reluctance；DSP；TMS320LF2407；control目录摘要 (I)ABSTRACT (II)1 绪论 (1)1.1 前言 (1)1.2 开关磁阻电机调速系统的研究历史和发展方向 (1)1.2.1 开关磁阻电机调速系统的发展概况 (1)1.3 开关磁阻电机调速系统的概述 (2)1.3.1 SRD的基本结构 (2)1.3.2 SR的特点 (3)1.3.3 SRD的应用 (4)1.4本课题的主要任务 (4)2 开关磁阻电机的原理 (5)2.1 开关磁阻电机的基本结构及工作原理 (5)2.1.1SR电机的基本结构 (5)2.1.2 开关磁阻电机的工作原理 (5)2.2 开关磁阻电机的数学模型 (5)2.2.1绕组电感分段线性解析式 (6)2.2.2 SRM的相电压方程 (6)2.2.3 磁链方程 (7)2.2.4 绕组电流的分析 (7)2.2.5 转矩转速的控制 (8)2.3 SR电机基本控制方式 (8)3 系统主电路 (12)3.1 系统整体框架 (12)3.2 SRM功率变换器 (12)3.2.1主回路方案 (13)3.2.2 IGBT主开关管参数计算 (14)3.3 IGBT驱动电路 (15)3.4 电流检测装置 (15)3.5 位置检测 (16)4 开关磁阻电机调速系统的设计 (17)4.1 开关磁阻电机调速系统的硬件设计 (17)4.1.1 SRD硬件系统结构概述 (17)4.2 基于DSP的SRD控制器 (17)4.2.1 基于DSP的SRD系统硬件介绍 (17)4.2.2 控制策略 (18)4.3 软件设计 (19)4.3.1主程序的设计 (20)4.3.2 功能子程序设计 (20)4.3.3 子程序显示 (20)4.3.4中断子程序设计 (21)5 开关磁阻调速电动机系统仿真研究 (23)5.1 SRM的控制方案 (23)5.1.1 电流斩波控制 (23)5.1.2 角度位置控制 (23)5.1.3 电压PWM控制 (23)5.2 电压PWM控制方案下SRD仿真模型的建立 (23)5.3 仿真模型与分析 (24)5.4 仿真结果 (26)6 结论 (31)致谢 (32)参考文献 (33)附录A 外文翻译—原文部分 (34)附录B 外文翻译—译文部分 (41)江西理工大学应用科学学院毕业设计1 绪论1.1 前言21世纪，世界的能源问题越来越严重。
毕业设计(论文)PPT答辩-开关磁阻电机调速系统设计
• (3)了解采用TMS320F2407设计控制器的硬 件电路，结构和功能。
• （4）应用matlab在SR电动机进行电机的性 能仿真。
一：开关磁阻电机的原理
• 1.1：SRD的基 本结构
3.2：基于DSP的SRD系统硬件结构 框图
3.3：DSP软件整体流程图
四：系统仿真
• 4.1：仿真模型与分析
电流滞环模块
功率变换半桥模块 位置角转换模块
4.2：仿真结果
相转矩波形 相电流波形
结论
• 在这篇论文中，详细描述了SRM驱动系 统的变速仿真的有效动态模型，提出的模 型具有普遍性，它由几个子模块组成。因 此，它很容易被修改，可以应用于任何相 数的SRM电机。仿真结果表明，双闭环复合 控制方法的设计既适合瞬时状态又适合稳 定状态。这种模式是理想模式，验证了在 各种应用范围内SRM驱动系统在稳态和暂态 期间的不同的控制算法。
致谢
• 最后感谢各位领导从百忙之中抽空为本人 答辩，谢谢你们。
2 二：系统主ຫໍສະໝຸດ 路• 2.1：系统结构 框图如下
2.2：主回路方案图 请输入内容
三：开关磁阻电机调速系统
的设计
• 3.1：SRD硬件系统结构概述
• 系统的硬件电路是整个调速系统的重 要组成部分，它应能准确、快速的检测整 个系统中所有物理量的检测、计算、判断 和处理，并且能完成通讯、显示等功能。 本文的调速系统主要包括三相（6/4）开关 磁阻电机、功率变换器、位置检测电路、 电流检测电路、以TMS320LF2407为核心的 控制器、液晶显示电路以及键盘输入电路 等。下面将详细介绍各个部分的功能以及 器件的选用。
开关磁阻电机毕业设计
performance ;modeling and simulation; MATLAB ;Control strategy
II
目录
摘 要...................................................................................................................................................... I ABSTRACT......................................................................................................................................... II 目录 ..................................................................................................................................................... III 1 绪 论 ................................................................................................................................................. 1 1.1 开关磁阻电机的研究历史和发展方向................................................................................... 1 1.2 本课
基于FPGA的步进电机控制系统的数字硬件设计研究—毕业设计论文
毕业论文基于FPGA的步进电机控制系统的数字硬件设计研究作者姓名：专业名称：电子信息科学与技术专业指导老师：摘要步进电机因其能够精确地控制机械的移动量而被广泛采用。
步进电机是由输入的脉冲信号来加以控制的。
模拟电路虽然可以用来产生连续可调的脉冲信号，但却难以控制，而用数字集成电路来对步进电机进行控制，则能克服以上缺点。
现在，数字集成电路的设计越来越多地采用VHDL + FPGA 的设计方法。
采用VHDL 的设计方法有着不依赖器件、移植容易、能加快设计的特点。
并且，VHDL 在现场就能进行修改，与FPGA 器件相结合，能大大提高设计的灵活性与效率，缩短产品的开发周期，加快产品的上市时间。
VHDL + FPGA 的设计方法是数字系统设计的一个创新，也是未来的一种发展方向。
步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构，已广泛应用于各种自动化控制系统中。
为了提高对步进电机的细分要求，提出了基于FPGA控制的步进电机控制器方案。
给出了用VHDL语言层次化设计各功能模块的过程，利用QuartusⅡ进行仿真，给出了仿真结果，并成功地在FPGA器件上验证了设计的可能性。
采用FPGA器件和VHDL语言，只需修改模块程序参数，而无须修改硬件电路就能实现各种控制。
该设计硬件结构简单可靠，可根据实践需要灵活方便进行配置。
关键词：VHDL FPGA 步进电机AbstractStepper motors can be precise because of mechanical control of the movement of production and are widely used. Stepper motor input from the pulse signal to control. Although analog circuits can be used to produce continuously adjustable pulse signal, but it is difficult to control, and the use of digital integrated circuits to the stepper motor control, to overcome the above drawbacks.Now, digital IC design increasingly used VHDL + FPGA design methods. VHDL design is not dependent on devices, easily transplanted, can speed up the design characteristics. Furthermore, VHDL at the scene can make changes and FPGA devices combine can greatly improve the design flexibility and efficiency, shorten product development cycles, accelerate product time to market. VHDL + FPGA design methodology for digital systems design an innovative, as well as the future direction of development.Stepping motor is a electrical impulses into angular displacement of the executive agency, has been widely used in all kinds of automatic control system. In order to improve the stepper motor subdivision requirements, is put forward based on FPGA control stepping motor controller scheme. In this paper, a VHDL language the function module design of hierarchical process, use ⅡQuartus simulation, then the simulation results, and succeeded in the FPGA device validate design of possibilities. Based on FPGA device and VHDL language, only modify module procedure parameters, without having to change hardware circuit can achieve all kinds of control. The hardware design of simple structure and reliable, but according to the practice needs is flexible and convenient for configuration.Keywords :FPGA,VHDL, stepper motor目录摘要 (I)Abstract (II)目录 (III)前言 (1)1 步进电机脉冲信号发生器原理与设计要求 (2)1.1步进电机原理 (2)1.2测试原理 (3)1.3设计要求 (4)1.4目前可以实现的方法及比较 (5)2 本研究课题所涉及的主要理论和技术 (7)2 .1 数字系统现场集成技术的基本概念 (7)2.1.1工艺集成技术 (7)2.1.2 现场集成技术 (8)2.2 现场集成的编程方式 (9)2.2.1高密度型和低成本型的可编程逻辑器件 (9)2.3 VHDL 设计方法及技术原理 (10)2.3.1 VHDL 的发展概况 (10)2.3.2 VHDL 设计综合过程 (11)2.3.3 设计要求的定义 (11)2.3.4 采用VHDL 进行设计描述 (11)2.4 EDA 工具 (12)3 设计与实现 (13)3.1采用的设计方案 (13)3.2 VHDL 设计 (16)3.2.1 step_control.vhd 部分 (16)3.2.2 Step_wave . vhd 部分 (21)4 设计调试与问题讨论 (26)4.1 设计调试 (26)4.2 问题讨论 (26)4.2.1 VHDL 程序编写 (27)4.2.2 VHDL 程序的顺序问题 (27)4.3 改进设计或其它方案的思索 (27)5 总结 (29)致谢 (30)参考文献 (31)附件1 VHDL源程序 (32)A1.1 VHDL源程序—Step_control.vhdl (32)A1.2 VHDL源程序—Step_wave.vhdl (35)附件2电路图 (40)A2.1 Step_control.vhdl部分的门级电路图 (40)A2.2 Step_wave.vhdl部分的门级电路图 (42)A2.3 电路总图 (43)前言电子系统设计的变革是从八十年代中期开始的。
基于FPGA的直流电机PWM调速系统设计实现分析
基于FPGA的直流电机PWM调速系统设计实现分析1.引言直流电机广泛应用于各个领域，如工业控制、机器人等。
调速系统是直流电机应用中非常重要的一部分，直流电机的调速在一定范围内能够满足不同负载需求。
本文将介绍基于FPGA的直流电机PWM调速系统的设计实现分析。
2.系统设计2.1系统架构设计基于FPGA的直流电机PWM调速系统主要包括FPGA、PWM控制器、驱动电路和直流电机。
其中，FPGA负责进行调速算法的运算和时序控制，PWM控制器用于生成PWM信号，驱动电路控制直流电机的转速和方向。
2.2算法设计调速算法一般采用PID控制算法，通过测量直流电机的转速和负载情况，计算出PWM占空比，并调整PWM信号的频率和占空比以实现电机的调速。
在FPGA中，可以使用硬件描述语言（HDL）进行算法实现。
使用VHDL或Verilog等HDL语言，编写PID控制器、计数器和状态机等模块，实现调速算法的运算和时序控制。
3.系统实现3.1FPGA的选择FPGA是可编程逻辑芯片，具有灵活性和高性能的特点。
在选择FPGA 时，需要考虑系统的性能需求、资源使用和开发成本等因素。
常用的FPGA型号包括Xilinx系列和Altera（Intel）系列等。
3.2PWM控制器设计PWM控制器的设计主要包括频率和占空比的控制。
可以使用计数器和状态机实现PWM信号的生成。
计数器用于计数并产生PWM控制信号的频率，状态机用于控制计数器并调整PWM占空比。
3.3驱动电路设计驱动电路主要负责将FPGA生成的PWM信号转化为适合驱动直流电机的电压和电流信号。
驱动电路一般包括功率放大器、H桥驱动模块和电流反馈模块等。
通过控制H桥驱动模块的开关，可以实现直流电机的正反转和调速功能。
4.总结本文介绍了基于FPGA的直流电机PWM调速系统的设计实现分析。
通过使用FPGA进行调速算法的运算和时序控制，实现了对直流电机的精确调速。
系统设计包括FPGA选择、PWM控制器设计和驱动电路设计等。
2、基于FPGA的直流电机调速系统设计
南京工程学院自动化学院大作业（论文）题目：基于FPGA的直流电机调速系统设计专业：测控技术与仪器班级：学号：学生姓名：任课教师：郭婧成绩：基于FPGA的直流电机调速系统设计一、基本要求：根据PWM控制的工作原理，利用FPGA实现对直流电机进行PWM控制，包括速度开环控制、旋转方向控制。
设按键1控制旋转方向；按键2控制旋转速度，连续按动键2时，由数码管显示0、1、2、3指示4个速度级别。
二、评分标准：1、设计方案介绍（共10分）要求：详细叙述利用FPGA对直流电机进行PWM控制的原理，以及实现速度开环控制、转向控制的方案。
评分标准：9-10分：方案叙述详细，正确；7-8分：方案叙述较详细，基本正确；6分以下：酌情给分0分：抄袭别人2、VHDL设计部分（60分）要求：给出详细的VHDL设计过程，提供详细的程序代码，如果设计中用到LPM模块，则给出生成LPM模块的每一步操作流程的截图，并加以文字描述。
评分标准：54-60分：代码详细，截图完整，书写规范，48-53分：代码较详细，截图较完整，书写较规范；47以下：酌情给分0分：抄袭别人3、模拟调试部分（15分）要求：给出详细的仿真过程，对软件编译、仿真分析、仿真波形进行截图。
并给出不同旋转转向、不同速度情况下的仿真测试结果，给出详细的实验结果分析。
评分标准：14-15分：调试过程详细，正确，截图完整；12-13分：调试过程较详细，基本正确，有截图；12分以下：酌情给分0分：抄袭别人4、提高部分（15分）要求：如何实现对直流电机的速度闭环控制？假设系统有测量电机速度的光电传感器，电机旋转一圈发出一个脉冲信号。
可以仅写出测量方案，也可以进一步设计VHDL代码、仿真调试，可以采取各种方法。
评分标准：根据完成的程度给分。
0分：抄袭别人参考：实验十三 FPGA直流电机PWM控制实验图13-2 FPGA直流电机控制模块图13-3 嵌入式逻辑分析仪测试波形：直流电机速度为1级时F输出的PWM波，cntout是转速计数脉冲图13-4 嵌入式逻辑分析仪测试波形：直流电机速度为3级时Z输出的PWM波（转向已变），cntout是转速计数脉冲。
「基于FPGA的开关磁阻电机调速系统的设计」
「基于FPGA的开关磁阻电机调速系统的设计」摘要：本文介绍了一种基于FPGA的开关磁阻电机调速系统的设计。
该系统采用了FPGA作为控制器，实现了对开关磁阻电机的精准调速控制。
文中首先介绍了开关磁阻电机的工作原理和特点，然后详细阐述了FPGA硬件设计和软件设计的过程。
在硬件设计中，通过选择适当的电路模块和接口电路，实现了FPGA与开关磁阻电机的连接；在软件设计中，利用Verilog HDL语言编写了相应的控制算法，实现了对开关磁阻电机转速的精确控制。
最后，通过实验验证了该系统的性能，并对其进行了分析和总结。
关键词：FPGA；开关磁阻电机；调速；Verilog HDL第一章引言开关磁阻电机是一种新型的电机，具有体积小、结构简单、转速范围广、转速可调等优点，因此在机械工业和航空航天领域得到了广泛的应用。
为了实现对开关磁阻电机转速的精准控制，本文设计了一种基于FPGA的开关磁阻电机调速系统。
该系统利用FPGA作为控制器，通过对电机进行电磁和电气参数监测，实现了对电机转速的精确控制。
第二章开关磁阻电机的工作原理和特点2.1开关磁阻电机的工作原理开关磁阻电机是利用电磁场与铁芯间的磁阻变化来实现转矩输出的电机。
其工作原理是通过改变驱动线圈的电流方向，控制形成驱动线圈周围的磁场方向，从而改变磁场与铁芯间的磁阻，通过转轴上的传感器获取转速信息，通过控制电流的方向和大小，实现对电机转速的控制。
2.2开关磁阻电机的特点开关磁阻电机具有以下几个特点：首先，体积小，结构简单，重量轻，因此在节省空间和重量的场合得到了广泛的应用；其次，开关磁阻电机的转速范围广，转速可调，可以满足不同工况的需求；再次，开关磁阻电机具有高效率、高快速响应的特点，其控制精度高，响应速度快。
第三章FPGA的硬件设计3.1FPGA的基本介绍FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，具有更高的集成度和更强大的计算能力，因此在控制器的设计中得到了广泛的应用。
永磁电动机速度调节控制设计毕业设计论文 精品
XXX学院本科毕业设计（论文）永磁电动机速度调节控制设计毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：日期：指导教师签名：日期：使用授权说明本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：日期：学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
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涉密论文按学校规定处理。
作者签名：日期：年月日导师签名：日期：年月日指导教师评价：一、撰写（设计）过程1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神□优□良□中□及格□不及格2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度□优□良□中□及格□不及格3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力□优□良□中□及格□不及格4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性□优□良□中□及格□不及格5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况□优□良□中□及格□不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格建议成绩：□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）指导教师：（签名）单位：（盖章）年月日评阅教师评价：一、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格二、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格建议成绩：□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）评阅教师：（签名）单位：（盖章）年月日教研室（或答辩小组）及教学系意见教研室（或答辩小组）评价：一、答辩过程1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况□优□良□中□及格□不及格2、对答辩问题的反应、理解、表达情况□优□良□中□及格□不及格3、学生答辩过程中的精神状态□优□良□中□及格□不及格二、论文（设计）质量1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？□优□良□中□及格□不及格2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？□优□良□中□及格□不及格三、论文（设计）水平1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义□优□良□中□及格□不及格2、论文的观念是否有新意？设计是否有创意？□优□良□中□及格□不及格3、论文（设计说明书）所体现的整体水平□优□良□中□及格□不及格评定成绩：□优□良□中□及格□不及格（在所选等级前的□内画“√”）教研室主任（或答辩小组组长）：（签名）年月日教学系意见：系主任：（签名）年月日摘要21世纪，随着科学技术的迅猛发展，不断涌现的高新技术，可利用的资源也越来越少。
基于DSP与FPGA的开关磁阻电机控制系统设计与优化
流 采样 频 率并可 以使 Ｄ Ｐ Ｓ 实现复 杂 的控制 算法 。而
且用Ｆ Ｇ 进 行Ｐ Ｍ ＰＡ Ｗ 斩波 控制和 主 电路 实时保 护 比在 ＤＰ Ｓ 中用 软件实现 相应功 能更加 可靠 与快速 。
２ ＦＧ Ｐ Ａ控 制 单 元
２ １控制 系统Ｆ Ｇ 各子模 块 ． ＰＡ ２ １ １ 置信 号处理及Ｐ Ｍ 生器模块 ．．位 Ｗ发
ｉ
— —
塑 基
Ｆ
芯片 ． 二整
电流 检 测 调理 电路
控 制 器部 分
位 置 检 测 电路 隔 离 驱动
不对称半桥型 功 率 交 换器
—— ＿
开 关 磁 阻 电机
图 １控 制 系统 硬 件 结 构框 图
ＤＰ Ｓ 作为 后 台主处 理器 ，需 要首 先对 控制 系统 初始 化 并 实现与 上位 机 终端 通 信 ，在完 成Ａ Ｄ ／ 电流 采样 的同 时，其余大 量空 间负责 实时读取Ｆ Ｇ 运算 ＰＡ
Ｐ Ｍ 生器 由分 频周 期计 数寄 存器 模块 、比较 Ｗ发
寄存器模 块 以及延 时缓 冲 寄存器模 块构 成 ，其周期
值 和 占空 比由参考初 始化值 及主控 制单 元控制 ，并
实时通过 并行通信 接 口灵活修 改 。 ２ １２ ． ． 综合 主 电路 驱动信 号输 出模 块 主 电路采 用斩单 管方 式 ，模 块实现 综合 相 辑开通 关断信 号 ，Ｄ Ｐ 出斩波信 号 ， 三路Ｐ Ｍ ￣号 Ｓ输 Ｗ｛ 以及系 统故障信 号 。图２ 出综 合输 出模块 图。 示
模 块主 要功 能 ：捕 获从位 置传感 器整形 滤波 之
后产生的三路Ｐ Ｒ 位置信号，以信号的边沿跳变为 Ｏ
基准 ，对 其位置 周期计 算 ；为 了增 强抗干 扰性 ，设 计 八个深 度 的位置 周期值 ＦＦ 寄存 器 ，去除最 大及 ＩＯ 最 小值 并对剩 余六个 周期值 进行均 值数 字滤波 ；从 而 按Ｍ 法根 据 位 置周 期值 和 计数 器频 率 值进 行转 速 计 算 。 以位 置信 号周 期值 为基 础 ，接收 Ｄ Ｐ 出的 Ｓ给 开通 关断角 度并对 角度 宽度进 行计数 值换算 ，从 而
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基于FPGA的开关磁阻电机调速系统的设计开关磁阻电机调速系统主要有开关磁阻电机、功率变换器、液晶显示、按键操作、位置检测和FPGA控制器等六大部分组成, 如图1所示。
功率变换器向SRM提供运转所需的能量，由蓄电池或交流电整流后得到的直流电供电；转子位置检测器负责位置信号的检测是SRM同步运行和系统控制的重要基础。
FPGA主控制器是系统的中枢，它综合处理速度指令速度反馈信号及电流传感器，转子位置检测器的反馈信息电，流检测器负责检测实时电流，是SRM安全运行的保障和系统闭环的基础，以上各部分相辅相成构成一个有机的整体。
图 1开关磁阻电机调速系统（一）硬件设计原理图1.1、FPGA开发板原理图FPGA开发板顶层原理图主要由JTAG接口、主板数码管、发光二极管、键盘电路VGA电路、RS-232电路接口、电源电路模块、时钟及时钟分频电路组成。
如图2所示，FPGA开发板顶层的接口电路的分配关系。
图 2 开发板顶层原理图1.2、FPGA电源电路电源电路是保证整个FPGA硬件系统正常工作的核心部件。
没有电源电路系统是无法工作的，本系统将交流电源经过整流滤波之后到到直流电压，使用三端稳压管，得到5V的直流电压，供给FPGA硬件系统，保证开发板的正常工作。
图 3 FPGA电源电路1.3、JTAG电路JTAG是一种国际标准测试协议，主要用于芯片的内部测试，现在许多的高级器件都支持该协议，如单片机，DSP,FPGA等器件。
标准的JTAG接口是4线：TMS、TCK、TDI、TDO,分别是模式选择、时钟、数据输入、数据输出线。
JTAG电路是下载程序所必须的电路，在PC机上编写好的程序，经过编译处理之后，生成相应的可执行文件，通过JTAG电路将文件下载到芯片内部。
如图4所示：图 4 JTAG电路1.4、功率桥模块原理图此模块是由六个IGBT组成的多用桥，可以通过跳线连接成所需要的H桥，三相全桥，四相不对称半桥等。
在本设计中所需要是四相不对称半桥，所以只需要连接TX21,TX11和TX41，TX31就能组成四相不对称半桥。
此模块在本设计中有着至关重要的作用，通过PWM 脉冲功率桥的驱动模块来控制IGBT的导通与关断从而能达到让电机运转目的。
如图5所示：图5多功能功率桥1.5、IGBT驱动电路图本模块是多用桥的驱动模块主要由M57962L芯片构成，如果M57962L的第十三管脚PWM 输入引脚为低电平时B1和E1产生15V的电压驱使IGBT的导通，而当PWM输入为高电平时B1和E1产生-9V的电压驱使IGBT的关断。
从而能够根据PWM的占空比来调整IGBT导通或关断的时间，进而能够改变输出的电流大小。
此外M57962L还具有过压保护功能。
如图6所示：图6 IGBT驱动电路1.6、光电隔离原理图光耦合器一般由三部分组成：光的发射、光的接收及信号放大。
输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。
这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入和输出的隔离的作用。
由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。
也是实现弱电对强电的控制的重要部件，所以采用光电隔离输出PWM波可以避免外界信号干扰FPGA ，避免了电磁对FPGA程序的干扰，导致的程序跑飞现象，提高了系统的可靠性。
从而使FPGA具有良好的工作环境，正常输出PWM波等。
如图7所示，光电隔离电路主要是由6N137芯片完成光和电的隔离。
由6N137芯片将FPGA输出的高电平是3.3V的PWM波，通过隔离得到5V的高电平输出PWM波，从而驱动IGBT的驱动芯片。
图7 PWM光电隔离电路（二）系统软件设计2.1、NIOS处理器结构基于SOPC的嵌入式系统结构如图8所示，主要包括嵌入式微处理器(CPU核)、定时器(Timer)、嵌入式锁相环(PLL)、嵌入式数字信号处理器(DSP)及其他IP模块等部分。
和传统的单片机相比，基于FPGA的NIOS软核系统具有CPU外围功能模块可定制剪裁的优势，用户只需根据项目的需要，添加自己所需要的外设，即可完成产品的设计，并且集成在一片芯片里边。
这样就可以大大缩减产品的开发周期，提高产品性能的稳定性。
图8 基于SOPC的嵌入式系统结构2.2、FPGA的NIOS处理器的定制本设计系统主要应用到Altera公司的FPGA芯片EP3C40F484C8内部所嵌入的NIOS ii 软核CPU、定时器2个、锁相环（PLL）、PIO口、RAM和ROM几个模块，其中NIOS与FPGA 内部电路进行数据交换的主要是PIO口，通过PIO口可以控制PWM模块的使能及输出，读取速度计算电路模块的计算结果，PID调节的信号的输入等。
本系统的定制原理图如图9所示：图9 开关磁阻电机NIOS系统2．3、锁相环倍频、分频电路锁相环电路系统构成主要是由Altera公司的FPGA内部所包含的免费的IP核，通过ALT_PLL锁相环IP核可以很容易地实现分频和倍频的功能，只需要通过设置Pll内的相关参数即可。
此电路模块主要完成功能：（1）NIOS软核工作所需要的100MHz的频率c0。
通过引脚PIN_G2接外部输入20MHz 的晶振，经过5倍频之后得到100MHz的频率c0接入NIOS的时钟输入端，保证系统能够正常工作。
（2）PWM电路模块的工作时钟频率c1。
根据PWM模块电路工作原理，时钟的输入做为三角波发生器的时钟，计数器计数得到三角波，再通过比较器比较得到PWM波，c1主要是保证计数器正常计数的需要。
通过外部接入的20MHz的频率，经过20分频之后得到1MHz 的频率。
图10 锁相环电路2.4、PWM模块的设计2.4.1、PWM波形实现原理目前，采用FPGA产生PWM波形的方法很多，如上下计数法、存储查表法等，本文采用技术比较的方法来实现PWM波形的产生，原理如所示。
其原理是：三角波发生器的值小于比较值时，输出低电平，高于比较值时输出高电平，如图所示。
其中，三角波作为载波，比较值寄存器的值作为调制，可以根据需要改变PWM脉冲的宽度。
图 11 PWM产生原理图三角波的实现是通过10位计数器IP核设置为增减计数模式，增减计数控制使能端为1时增计数，为0时是减计数。
当计数值到达计数器最大值1024时，输出一个上升沿脉冲信号，输入D触发器，使其输出状态取反一次，从而有效地使计数器工作在增减计数模式下，实现了三角波生成的功能。
调节PWM波的占空比是电机调速的重要手段，若比较寄存器的值逐渐增大，输出脉冲的开启时间变大，PWM 占空比逐渐变大，功率器件输出给电机电枢的能量增加，电机加速；若比较寄存器的值减小，输出脉冲的开启时间变小，PWM 占空比逐渐变小，功率器件输出给电机电枢的能量减少，电机减速。
PWM 波产生电路如图：图12 PWM 波产生电路2.4.2、PID 控制原理常规模拟PID 控制系统原理框图如图13所示图13 PID 控制原理图PID 控制器是一种线性器，它根据给定值r(t)与实际输出构成控制偏差：()()()e t r t c t =- (5-1)将此偏差的比例（P ）、积分（I ）和微分（D ）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。
其控制规律为：0()()[()1/()]t D P I T de t U t K e t T e t dt dt=++⎰ (5-2) 其传递函数：()()/()(11/)P I D G S U S E S K T S T S ==++ (5-3)式中，P K 为比例系数，I T 为积分时间常数，D T 为微分时间常数。
2.4.3、本设计系统PID 模块的实现本设计所采用的是增量式PID 算法，所谓增量式PID 是指数字控制器的输出只是控制量的增量。
当执行机构需要的控制量是增量，而不是位置量的绝对数值时，可以使用增量式PID 控制算法进行控制。
增量式PID 控制算法可以通过式（5-9）推导出。
由式（5-9）可以得到控制器的第k －1个采样时刻的输出值为： 110(1)(2)[(1)]k k p j d j i Te k e k u k e k e T T T--=---=-++∑ （5-10） 将式（5－8）与式（5-10）相减并整理，就可以得到增量式PID 控制算法公式为： 1k k k u u u -=- ()2(1)(2)[()(1)()]p d i T e k e k e k k e k e k e k T T T--+-=--++ [()(1)]()[()2(1)(2)]p i d k e k e k k e k k e k e k e k =--++--+- （5-11） 增量式PID 控制算法与位置式PID 算法式（5-8）相比，计算量小的多，因此在实际中得到广泛的应用。
PID 算法最终可以化简为()()()()U k q0e k q1e k 1q2e k 2=⨯-⨯-+⨯-,其可以很容易利用FPGA 内部的IP 核实现。
本系统利用一个减法器，实现误差值的求取，采用三个乘法器实现公式当中的乘法，再利用一个加法器相加，最终得到计算结果，在通过一个比较器，当计算结果大于0时输出高电平，计算结果小于0时，输出一个低电平，在NIOS 当中读取该电平的状态，根据该状态值增加或者减小PWM 脉冲宽度的值，达到脉宽调制的效果。
其中的()e k 、()e k 1-及()e k 2- 的 移位操作是通过乘法器的流水线时钟选择实现的。
图14 增量式PID 算法电路2.4.2、测速电路模块两路位置信号输入，每一次跳变上升沿或下降沿都要产生一次计算过程，读取计数器的数值即可计算出各路信号相邻两个跳变之间的标准脉冲个数N ，脉冲个数的计算是在固定频率的脉冲信号clk f 下计算的。
图15 位置信号示意图根据T 测速法，可得如下转速计算公式：60clk f n t Nθθ⨯∆⨯∆==∆ 式中，n 为开关磁阻电动机转速，单位r/min ；θ∆是一路信号上升沿和下降沿之间的机械角度差，如图15所示，θ∆ =15°/360°,单位r ；t ∆是该路信号上升沿和下降沿之间经过的时间差，单位min ；clk f 是计数器的时钟频率；由于测速范围为256~2047r/min ，当n=2048r/min 时，计数值N=256，则clk f 为0.2MHz ，即当计数器的时钟频率选在0.2MHz 时，系统能正常运行。
当n=256r/min ，θ∆ =1/24，clk f =0.2MHz ，则可以得到N=211。
在最低速时计数值N 为最大，所以选用N 脉冲计数器为11位二进制计数器。
同样，通过计算可以得到606020481024/24102048256clk f θ⨯⨯=⨯⨯⨯=⨯∆，故等式的分子可选19位全1的数据。