基于FPGA的直流电机控制系统硬件设计
基于 FPGA 的无刷直流电机控制系统设计
基于FPGA的无刷直流电机控制系统设计余景华，杨冠鲁，郭亨群（华侨大学信息学院福建泉州）摘要该文叙述了一种基于FPGA+NIOS实现的无刷直流电机实时控制系统方案。
利用FPGA设计PWM模块和控制模块进行电机速度控制，使系统外围电路简单；通过测量电机的霍尔传感器输出信号的脉宽计算出电机的速度；采用FPGA内嵌的软核处理器NIOS II进行增量PID算法控制，使系统的实时性增强。
实验表明该系统硬件和软件设计合理，有很好的可靠性和实时性。
关键词 FPGA；NIOS II；无刷直流电机；PWM；PID中图分类号T 文献标识码 AA Brushless DC Motor Control System Design Based on FPGA+NIOSYU Jjinghua YANG Guanlu GUO Hengqun(College of information, Huaqiao university, Fujian, Quanzhou, 362021, China ) Abstract this paper describes a brushless DC motor real-time control system based on FPGA+NIOS. The DC motor is controlled by PWM model and control model which simple the circuit; Calculating the rate of motor by determining the impulse width of n. hall sensor signal; Adopting the soft-core processor NIOS II which embedded in FPGA process increment PID arithmetic control, improve the system real time performance. Experimental results show that the hardware and software are reasonabl,owning very good reliability and real time performance.Key words FPGA；NIOS II；brushless DC motor；PWM；PID0 引言无刷直流电机在当今控制系统中被广泛应用，特别在机器人领域，具有无电刷及换相火花，体积小，低噪声等诸多优点。
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。
基于FPGA的直流电机控制设计
125收稿日期:2020-06-05作者简介:周柳娜(1983—),女,壮族,广西都安人,硕士,讲师,研究方向:电气工程、电子信息。
1 背景意义直流电机良好的启动性和灵活的调速特性,在国民经济发展过程中起着不可替代的作用。
随着直流电动机应用场景的复杂化,功能单一的直流电动机测速与控制系统已不能满足实际需求,为适应各行业发展,设计一款可以迅速完成电机加/减等复杂控制功能的直流电机测速与控制系统势在必行。
2 系统总体设计分析系统包含多个功能模块,各个功能模块间存在控制信息和数据信息的交换,设计中控制信息由各模块的端口进行交换,而数据信息的交换本设计主要采用的是异步串口通信方式[2]。
如图1系统设计结构无刷直流电机控制系统主要由两部分组成,包括有ARM(STM32F103RCT6)为核心的算法模块、FPGA(EP4CE6F17C8N)为核心控制模块,两个模块间采用串口通信进行信息交换。
ARM核的算法模块中主要由速度环控制器、电流环控制器组成,控制器中分别编写了模糊PID、传统PID算法,实现本系统双闭环结构,闭环输入为FPGA串口发送的当前转速,输出为调节后的PWM占空比数值[3]。
FPGA核的控制模块主要由前端获取三相霍尔信号,一路根据换逻辑设置驱动板中功率管导通顺序实现换相,另一路由FPGA进行速度检测与计算,计算值分别通过串口发送给ARM核以及在数码管中显示当前转速;另外A/D转换器转换当前电流值,数据经串口发送给ARM核算法模块;算法模块的输出量由串口通信上传给FPGA,FPGA根据占空比数值调节驱动板中六路PWM 波,实现固定频率下不同占空比调节转速。
最后整个过程中串口通信的数据信息都可上传给电脑的上位机,实现实时监控[4]。
3 硬件电路总体架构设计系统的整体硬件框架如图2所示。
为使系统可以正常运行,除要构建一个完整的FPGA的最小系统(系统电源、FPGA时钟、系统复位电路等)外,还有功率驱动电路、A/D转换电路、电流信号采样回路、电平转换电路、霍尔传感器电路。
FPGA直流电机控制系统设计.
中文摘要直流电机具有良好的启动和调速性能，被广泛地应用于对启动和调速有较高要求的拖动系统。
本设计介绍了基于FPGA用PWM实现直流电机调整的基本方法，直流电机调速的相关知识，及PWM调整的基本原理和实现方法。
重点介绍了基于FPGA用软件产生PWM信号的途径，输出的PWM波形具有频率高、占空比调节步进细的优点。
对直流电机调速的实现提供了一种有效的途径。
关键词：直流电机 PWM 频率计AbstractThis paper introduces a kind of method of DC —motor speed modification based on PWM theory bythe FPGA．Showing some relative knowledge upon the DC—motor timing，the basic theory and the way to implement．And it emphasizes on the way for carrying out PWM signals based on FPGA．This PWM signals advatages base it’s high frequency and duty cycle stepping fine adjustment.It offers a sort ofeficient method for the DC motor speed—controlling system．Keyword:DC —motor PWM Cymometer目录引言 (1)第一章：设计方案及系统分析 (2)1.1 系统的实现及参数的要求 (2)1.2 直流电机调速原理 (2)1．3 PWM基本原理设计方案 (3)1.3.1 PWM基本原理 (3)1.3.2 PWM波形的设计方案 (4)1.4 系统的外围硬件及其与FPGA的接口电路 (5)1.5 系统的工作流程 (6)第二章、硬件设计 (8)2.1、电源模块的设计 (8)2.2、电机驱动模块 (9)2.3、电机转速测量模块 (10)2.4、按键输入模块 (11)2.5、LED显示模块 (12)第三章、系统软件设计及分析 (14)3.1、频率计的设计 (14)3.2、数据显示的程序设计 (16)3.3、PWM波形发生器的程序设计及分析 (18)3.4 PID控制模块 (19)3.5 键盘输入模块 (25)第四章．核心器件及开发环境的介绍 (27)4.1 FPGA核心板的介绍 (27)4.2四电压比较器LM339简介 (28)4.3开发环境 Quartus II 7.0 介绍 (30)第五章系统调试 (32)5.1 硬件电路的调试 (32)5.1.1 电源电路 (32)5.1.2 显示电路的调试 (32)5.2 系统软件调试 (33)5.2.1消抖电路参数的调整 (33)5.2.2 PWM波形参数的设计 (33)5.2.3 比较器的设计 (34)5.2.3PID控制器的参数设计 (34)5.2.4系统的最终实现 (35)结束语 (36)致谢 (37)参考文献 (38)引言电机是电动机和发电机的统称，是一实现机电能转换的电磁装置。
基于FPGA的PWM直流电机控制器开发
中文摘要摘要本设计是基于FPGA的PWM直流电机控制器开发，采用FPGA 芯片设计数字硬件PWM直流电机控制器。
其具有两种控制方式可供选择，分别是单片机控制或者上位机控制，系统通过调节直流电机的平均电压方法实现对直流电机调速控制，PWM直流电机控制器可以提供8路独立的PWM控制信号，并且每一路PWM信号均可以独立调节，能同时控制8个直流电机工作/停止、正反转及实现直流电机转速调节。
本设计主要包括硬件和软件两大部分。
硬件部分主要包括PWM控制电路、RS—232串行接口和电机驱动电路。
软件部分主要分为三大部分：第一部分是PWM的控制模块程序；第二部分是上位机的VB 界面及串行通讯控制程序；第三部分是单片机的串行通讯程序。
关键词：直流电机控制器PWM FPGAI英文摘要AbstractThe design is the title of the control exploitation of DC Motor Using Pulse-Width Modulation Based on FPGA. FPGA chip design using digital hardware PWM DC motor controllers. Its control with two options, namely the MCU control or PC control, the system through the adjustment of the average voltage direct current method of DC motor speed control, PWM DC motor controller can provide 8 independent PWM Control signals, and each path can be independent PWM signal conditioning, can simultaneously control of eight motor work / stop, and achieving positive and DC motor speed regulation.The design of hardware and software including the two most. Hardware including main PWM control circuit, RS-232 serial interface and the motor drive circuit. Some software can be divided into three parts: The first part is the PWM control module; PC is the second part of the VB interface and serial communication control procedures; SCM is the third part of the serial communication procedures.Key Words:DC motor based PWM FPGAII目录目录第1章绪论 (1)第2章整体方案设计 (3)2.1 设计任务 (3)2.2.设计方案论证 (3)2.3设计方案结构框图 (5)第3章硬件电路设计 (7)3.1 PWM控制模块电路设计 (7)3.1.1 芯片的选择 (7)3.1.2 PWM控制模块电路设计 (7)3.2单片机控制模块设计 (9)3.2.1 AT89S51芯片性能 (9)3.2.2 单片机控制模块电路设计 (11)3.3串行通讯电平转换电路设计 (12)3.3.1 芯片选择 (12)3.3.2串行通讯电平转换电路设计 (13)3.4电机驱动电路设计 (13)3.4.1直流电机特点 (13)3.4.2直流电机驱动电路设计 (15)第4章控制系统的软件开发 (17)4.1 PWM控制模块的控制元件及后台程序 (17)4.1.1 UART接收状态机元件设计 (17)4.1.2源程序文件的编译和封装 (18)4.1.3.创建工程 (22)4.1.4 UART发送状态机元件设计 (23)4.1.5建立嵌入式锁相环元件设计 (25)4.1.6 数据存储器的设计 (26)4.1.7 地址计数器的设计 (29)4.1.8按地址分配数据元件设计 (30)4.1.9数字比较器元件设计 (32)4.1.10锯齿波发生器元件设计 (33)4.1.11 二选一选择输出器元件设计 (33)4.1.12 时钟选择元件设计 (34)4.2 上位机串行通讯控制程序设计 (36)4.2.1 MSComm控件简介 (36)i目录4.2.2 MSComm控件提供的串行通讯方式 (36)4.2.3 上位机与PWM控制模块的串行通讯程序 (37)4.3单片机与PWM控制模块的串行通信程序设计 (38)第5章系统调试 (41)5.1 八路各自独立的PWM波形产生的调试 (41)5.2 PWM控制模块与上位机通讯的调试 (42)5.3 单片机对控制系统的程序控制 (43)结论 (44)参考文献............................................................................................ 错误！未定义书签。
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。
基于FPGA的直流电动机伺服系统
基于FPGA的直流电动机伺服系统设计摘要:提出的直流电动机伺服系统设计方案综合了EDA技术,单片机和模糊控制技术, 采用模糊比例算法,即大范围内采用模糊控制,以提高系统的动态响应速度,在小范围内采用比例控制,以提高系统的稳态控制精度.试验证明:该系统细分精度高,可维护性强,响应速度快,控制效果理想.关键词:FPGA;伺服系统;模糊比例控制;PWM波1 引言随着微控制进入控制领域,以及新型的电力电子功率器件的不断出现,使得采用全控型的开关功率元件进行PWM控制方式为主流.这种控制方式很容易在微控制器中实现,从而为直流电动机控制数字化提供了契机.传统的模糊控制器控制动作欠细腻,稳态精度欠佳.电动机是一种旋转式机器，它将电能转变为机械能，它主要包括一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子，其导线中有电流通过并受磁场的作用而使转动，这些机器中有些类型可作电动机用，也可作发电机用。
它是将电能转变为机械能的一种机器。
通常电动机的作功部分作旋转运动，这种电动机称为转子电动机；也有作直线运动的，称为直线电动机。
电动机能提供的功率范围很大，从毫瓦级到万千瓦级。
电动机的使用和控制非常方便，具有自起动、加速、制动、反转、掣住等能力，能满足各种运行要求；电动机的工作效率较高，又没有烟尘、气味，不污染环境，噪声也较小。
由于它的一系列优点，所以在工农业生产、交通运输、国防、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面广泛应用。
而模糊比例控制(利用模糊数学的基本思想和理论的控制方法。
在传统的控制领域里，控制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要关键，系统动态的信息越详细，则越能达到精确控制的目的。
然而，对于复杂的系统，由于变量太多，往往难以正确的描述系统的动态，于是工程师便利用各种方法来简化系统动态，以达成控制的目的，但却不尽理想。
换言之，传统的控制理论对于明确系统有强而有力的控制能力，但对于过于复杂或难以精确描述的系统，则显得无能为力了。
基于fpga的无刷直流电机控制系统设计
基于fpga的无刷直流电机控制系统设计基于FPGA的无刷直流电机控制系统设计随着科技的不断发展，FPGA技术已经广泛应用于嵌入式系统中。
其中，基于FPGA的无刷直流电机控制系统设计，是电机控制应用领域中的一个重要研究领域。
在无刷直流电机控制系统中，需要实时响应动态控制，以使电机在运转过程中能够有更高的效率和更好的稳定性，这是控制系统设计中最重要的任务。
一般地，基于FPGA的无刷直流电机控制系统设计包括硬件设计和软件设计两个方面。
硬件设计方面，需要选择适合的FPGA芯片以及其他相关硬件，然后将其连接到电机控制器。
此外，在硬件设计方面，需要注意电路板大小、电源电压、电磁干扰等方面，以确保电机能够稳定运行。
在软件设计方面，需要进行FPGA代码编写、仿真、调试等步骤。
在这个过程中，需要特别注意代码的可靠性和安全性，以确保系统能够正常工作且不会出现故障。
该设计的实现需要以下步骤：1. 设计ADC模块：无刷直流电机控制系统中需要采集电机速度和位置信号，所以需要设计ADC模块来采集这些信号。
此模块需要选择高速、高精度的模数转换器，并在硬件和FPGA代码中进行相应的配置。
2. 设计PWM模块：相较于传统的PWM芯片，基于FPGA的PWM 模块可以实现更高的精度和更高的速度控制。
在无刷直流电机控制系统中，PWM模块的最大输出频率应该与电机的驱动器匹配，以确保电机可以稳定工作。
3. 开发驱动器模块：根据电机的规格和电源电压，需要选择合适的三相桥或全桥驱动器来驱动电机。
驱动器选择后，需要进行驱动器模块的FPGA硬件和软件设计，以实现控制电机转速和位置的功能。
4. 实现PID控制器：PID控制器可以实现更精确的电机速度和位置控制。
在FPGA中，通过硬件设计和添加PID控制器FPGA代码，可以实现电机控制参数的在线调整，以适应不同情况下的要求。
基于FPGA的无刷直流电机控制系统设计，可以有效提高电机的稳定性和效率，应用范围非常广泛，包括各种机械设备、废气清洁器、制作风扇等领域。
基于FPGA的直流电机PWM控制器设计
基于FPGA的直流电机PWM控制器设计基于FPGA的直流电机PWM控制器设计摘要：利用FPGA可编程芯片及Verilog HDL语言实现了对直流电机PWM控制器的设计，对直流电机速度进行控制。
介绍了用Verilog HDL语言编程实现直流电机PWM控制器的PWM产生模块、转向调节模块等功能，该系统无须外接D／A转换器及模拟比较器，结构简单，控制精度高，可方便对电机进行远程控制，有广泛的应用前景。
关键词：FPGA；PWM；直流电机；实验0 引言传统的方法产生PWM信号电路比较复杂。
数字PWM控制只需FPGA中的内部资源就可以实现。
本文介绍了一种用单片大规模FPGA 实现的PWM发生的直流电机控制器，其中产生的PWM波具有脉冲中心对称、PWM 周期和死区时间可编程等特点，且性能优异，灵活性和可靠性高。
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的输出，另一端接线性递增计数器输出。
当线性计数器计数值小于设定值时输出低电平，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。
而且通过总线数据或按键控制在系统调整脉宽数及数字比较器的设定值，从而实现对电机转速、波动性等参数的灵活控制。
1 系统整体设计系统的整体框图如图1所示。
该系统以FPGA芯片为控制核心，通过按键或上位机设定电机速度和PWM占空比，由FPGA的I/O口控制直流电机驱动芯片驱动直流电机的转动。
转速的测量由码盘完成，速度显示数码管来实现。
本系统是基于实现电机的恒速调节而进行设计的。
系统分以下几个模块：转速调节模块，脉宽调制(PWM)模块，速度检测模块，在图2中所示的FPGA是根据设计要求设计好的一个芯片，其内部逻辑电路如图3。
START是电机的开启端，U_D控制电机加速与减速，EN1用于设定电机转速的初值，Z_F是电机的方向端口，选择电机运行的方向。
CLK2和CLK0是外部时钟端，其主要作用是向FPGA 控制系统提供时钟脉冲，控制电机进行运转。
基于_fpga_的直流电机综合测控系统电路设计
基于fpga 的直流电机综合测控系统电路设计1. 引言1.1 概述随着科技的不断进步和电机技术的广泛应用，直流电机在工业生产和自动控制领域发挥着重要作用。
直流电机的测控系统是实现对电机运行状态、控制以及数据采集等功能的关键部分。
本文将介绍基于FPGA（现场可编程门阵列）的直流电机综合测控系统电路设计。
1.2 文章结构本文主要分为五个部分：引言、直流电机测控系统概述、FPGA基础知识和相关技术介绍、直流电机综合测控系统的电路设计要点以及实验结果与分析。
其中，引言部分对论文主题进行了简要介绍，同时提出文章目的和结构。
1.3 目的本篇长文旨在通过对FPGA在直流电机测控系统中应用的研究，设计出高效且稳定可靠的直流电机测控系统。
通过深入分析和实验验证，揭示FPGA在这一领域中所具有的优势，并展示其在驱动电路设计、信号采集与处理以及系统通信接口方面所能提供的解决方案。
通过实验结果与分析，评估系统的性能，进一步证明该设计方案的可行性和有效性。
以上是“1. 引言”部分内容。
2. 直流电机测控系统概述2.1 直流电机工作原理直流电机是一种将直流电能转换为机械能的电动机。
其工作原理基于洛伦兹定律和摩擦力等物理原理。
直流电机由定子和转子组成，其中定子通常由线圈构成而转子则是一个旋转部件。
当通过定子中通入直流电流时，形成了磁场，这个磁场与转子上带有导线的部分相互作用，产生了力矩，使得转子开始旋转。
2.2 测控系统的重要性测控（Measurement and Control）系统在工程领域中具有广泛应用。
对于直流电机而言，测控系统可以实现对驱动、监控、调节等方面的功能，以确保电机能够稳定运行并满足特定需求。
测量和控制技术在直流电机领域中非常关键，因为它们可以帮助精确获取并处理与运行参数相关的信息，并根据需要进行相应的调整。
2.3 FPGA在测控系统中的应用优势FPGA（Field-Programmable Gate Array）是一种可编程逻辑器件，被广泛应用于测控系统中。
基于FPGA的直流电机伺服控制系统设计
基于FPGA的直流电机伺服控制系统设计作者：张建祥陆辉山来源：《科技视界》2016年第04期【摘要】为了提高直流电机伺服控制系统的静态调节精度和动态范围，以FPGA为核心开发了电机控制系统，设计了数据采集电路和隔离驱动电路，控制策略采用速度、位置、电流三环控制，并用Verlog HDL语言实现了控制算法。
此方案增强了电机负载能力和响应特性，在电机控制领域有着广阔的应用前景。
【关键词】直流电机；FPGA；Verlog HDLControl System of DC Motor Design based on FPGAZHANG Jian-xiang1 LU Hui-shan1，2（1.School of Mechanical and Power Engineering， North University of China， Taiyuan Shanxi 030051， China；2.Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology in Shanxi Province， North University of China， Taiyuan Shanxi 030051， China）【Abstract】Regulate the accuracy and dynamic state scope for the sake of the static state of the exaltation direct current electrical engineering servocontrol system， Taking FPGA as the core developped the electrical engineering control system， Designed a data to collect the electric circuit and insulation to drive electric circuit， Control strategy adoption speed，position，electric current three wreath controls， Counteract the language of Verlog HDL carried out the control calculate way， This project strengthenned the electrical engineering load ability with respond to characteristic， control in the electrical engineering the realm have vast of applied foreground.【Key words】BLDCM； FPGA；Verlog HDL0 引言无刷直流电机（Brushless Direct Current Motor，BLDCM）是伴随永磁材料、微控制器、电力电子等技术迅速发展起来的一种新型电动机[1]。
基于FPGA的无位置无刷直流电机控制系统设计
ｂ ｕ ｈ ｅ ｓＤＣ ｔ ｒ（ ｒ ｓ ｌｓ ｍｏ ｏ ＢＬＤＣＭ ）ｒ ａ—ｉ ｏｎｒ ｌｓ ｓｅ ｅ ｌｔｍｅ ｃ ｔｏ ｙ ｔｍ，ａ ｄ ｃ ｎ ｒ ｌｉ ｇ ｍｅｈ ｄ ｏ ｕ ｒ ｎ ｏ ｐ ｗｉｈ ｓｎ ｌ ｅ ｒ ｎ ｎ ｏ ｔｏ ｌｎ ｔｏ ｆｃ ｒｅ ｔｌｏ ｔ ｉ ｇ ｅｎ ｕ ｏ
各个领域 。但是传统的 Ｂ ＤＣ 需要一个 附加的位置传 Ｌ Ｍ
感器来控 制转子 的位置 ， 这就增 加 了电机 的制造和 维护
２ 系统 控 制 方 案
无刷直流 电机调速 系统原理结构 框图如 图 １ 所 示 ，
成本 ， 而且 当 电机 的工作环 境 较为恶 劣时 ， 会直接 影 响
Ｔｈ ｓｇ ｆ ｎ ｏ ｌｓ Ｌ ｅ Ｄｅ ｉｎｏ ｓ ｒ ｓ Ｂ ＤＣＭ ｎ ｒ ｌ ｙ ｔ ｍ Ｓｅ ｅ Ｃｏ ｔ ｓｅ ｏＳ
Ｂ ｓ ｄｏ ＰＧＡ ａ ＮＧ Ｚｈｅｃ ｎ －ｕ
（ ｃ ａ ｉａ ｎ ｅ ｔ ｃ ｎ ｉｅ ｒ ｇＩ ｓ ｔｔ ｆ ｒ ｅ ｓ Ｆ ｒｓ ｙＵｎｖ ｒｉ ， ｒ ｉ ５ ０ ０Ｃ ｉａ） Ｍｅ ｈ ｎｃ ｌ ｄＥｌ ｒ ａ Ｅ ｇｎ ｅｉ ｔ ｕｅｏ ｔ ａｔ ｏｅｔ ｉｅｓ ｙ Ｈａｂｎ１ ０ ４ ｈｎ ａ ｃ ｉｌ ｎ ｎ ｉ Ｎｏ ｈ ｒ ｔ
［１ ２
。
其 由逆变器换相环 、转速调节环 和 电流调节环组成 。逆
变器 换相环 根据估 测出的 电机转 子位 置信 号 ， 控制逆变 器 换相 ， 使得供 电频 率与 转子 转速 同步 ， 以实现 自控变 频 的功能 。转速调节环 和 电流调节环组成 了转速 、电流 双 闭环控 制器 ， 它能够 根据给定 转速和实 测转速 间的误
差 以及 转速 调 节器 生成 的 给定 电流 和反 馈 电流 间 的误
基于FPGA的直流电机测速控制系统设计
基于FPGA的直流电机测速控制系统设计摘要：文章详细的研究了FPGA控制电路对直流电机的控制,信号采集,信号处理及LED数码管显示。
针对以往设计的不足，采用了以高度集成的FPGA芯片为核心的设计方式，来实现增量式光电编码器输出信号的处理。
关键词：FPGA；直流电机；测速基于FPGA电机转速系统是工业和农业以及日常生活中不可缺少的一个系统。
它的开发引起了广泛的关注。
转速是指作圆周运动的物体在单位时间所转过的圈数，它是电机极为重要的一个状态参数。
转速检测的快速性和精度将直接影响系统的效果和动静态性能，如何提高测量精度，如何减轻工作人员的工作负担，如何采取有效措施减少经济损失，如何保障工农业顺利进行等问题迫在眉睫。
因此，电机测速系统的研究与实现具有了十分重要的意义。
这个系统综合采用了FPGA芯片、光电编码器、光电耦合器、数码管等技术相结合，提高电机转速测量精度，有效杜绝测量不准确和误测等现象的发生。
1基于EDA为核心的设计方案采用FPGA应用控制，FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、EPLD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）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。
FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。
用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。
应用FPGA设计该系统的框图如图1所示。
2系统开发工具及VHDL语言简介QuartusII是Altera公司的综合性PLD开发软件，支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL（AlteraHardwareDescriptionLanguage）等多种设计输入形式，内嵌自有的综合器以及仿真器，可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。
基于FPGA的无刷直流电机控制器设计
基于FPGA的无刷直流电机控制器设计林聪;徐今强【摘要】针对现有直流无刷电机控制器设计方案的不足,提出一种基于FPGA平台的无刷直流电机控制器设计方案,采用FPGA设计电机转速、电流双闭环控制系统,系统硬件包括以FPGA为核心的控制电路和以电机为对象的驱动电路,系统软件采用Verilog HDL生成速度和电流采样模块、电机驱动换相模块、PWM生成模块等,同时在VGA上显示控制系统的运行状态.控制器测试实验结果表明,设计的控制器能使电机在启动后1 s内达到转速给定值,1 s后保持在稳态值的±2%内,表明该控制系统具有较高的控制精度和较好的稳定性.%An FPGA platform based design scheme of brushless DC motor controller is introduced to solve the drawbacks of the available design schemes. The FPGA is used to design the double closed-loop control system of motor′s s peed and current. The hardware of the system includes the control circuit taking FPGA as its core and drive circuit taking motor as its object. The Verilog HDL is adopted in system software to generate the speed and current sampling modules,motor drive commutation module, PWM generation module and so on. The running state of the control system is displayed on VGA. The experimental result of the controller shows that the controller can make the rotate speed reach the set value within 1 second after motor starting and main-tain within ±2% of the steady-state value,which means that the control system has high control precision and good stability.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2017(040)019【总页数】3页(P150-152)【关键词】FPGA;无刷直流电机;双闭环控制系统;VGA【作者】林聪;徐今强【作者单位】广东海洋大学信息学院,广东湛江 524088;广东海洋大学信息学院,广东湛江 524088【正文语种】中文【中图分类】TN876-34;TP33Abstract：An FPGA platform based design scheme of brushless DC motor controller is introduced to solve the drawbacks of the available design schemes.The FPGA is used to design the double closed⁃loop control system of motor′s speed and current.The hardware of the system includes the control circuit taking FPGA as its core and drive circuit taking motor as its object.The Verilog HDL is adopted in system software to generate the speed and current sampling modules，motor drive commutation module，PWM generation module and so on.The running state of the control system is displayed on VGA.The experimental result of the controller shows that the controller can make the rotate speed reach the set value within 1 second after motor starting and main⁃tain within±2%of the steady⁃state value，which means that the control system has high control precision and good stability.Keywords：FPGA；brushless DC motor；double closed⁃loop control system；VGA无刷直流电机具有效率高、调速性能好和结构简单的优点，被广泛应用于电力驱动领域。
基于FPGA的直流电机综合测控系统设计
数字系统设计论文（EDA技术课程答辩2013秋）题目基于FPGA的直流电机综合测控系统设计学院电子信息学院专业电子信息工程班级12047514学号12041419,12041422 学生姓名林华，马浩杰指导教师黄继业完成日期2013年12月摘要当今，在各行业中自动化控制系统已经取得了较为广泛的发展和应用，而在现在的规模化生产中，电器传动技术以直流驱动控制技术为主流有着重要作用。
一直以来，因直流电动机其转速在调节上比较灵活，调节方法简单，大范围的平滑调速较容易，控制方面性能更好等特点，所以在传动领域中拥有不可动摇的地位。
它在工业机器人、数控机床、等工厂设备自动化中得到广泛应用。
在现代化的生产中，随着规模的不断扩大，各行各业对直流电机在技术上和数量上的需求也越来越大，并在性能上要求也更高。
因此，研究出高可靠性、高性能的直流电机控制系统，并且制造出高水平的系统就有着非常现实和重要的意义。
关键词：FPGA；Verilog；EDA；PWM调速摘要一、引言1. 本课题研究背景2. 本课题的主要研究内容及意义二、整体设计1. 功能要求2. 功能模块设计2.1. PWM脉宽调制信号发生模块2.2. 工作时钟发生器模块2.3. 消抖动模块ERZP2.4. 转向控制多路选择器模块2.5. 8位寄存器模块2.6. 7段译码模块三、直流电机驱动控制电路顶层设计四、总结五、参考文献一、引言1.本课题研究背景电机作为机电能的转换装置，其应用范围己遍及国民经济的各个领域。
近些年来，随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，电机的控制技术也得到了进一步的发展，电机应用已由过去简单的起停控制、提供动力为目的应用，上升到对其速度、位置、转矩等进行精确的控制，使被驱动的机械运动符合预想的要求。
采用功率器件进行控制，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动，这种新型控制技术己经不是传统的“电机控制”、“电气传动”而是“运动控制”。
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毕业设计（论文）题目：基于FPGA的直流电机控制系统硬件设计学院物理与信息工程学院专业名称电子信息工程班级学号B08073011学号 200807301124 学生姓名张旭东指导教师操长茂二O一二年六月EP1C6Q240C8封装和部分引脚的功能分析图U21A图U21B图U21C图U21D第一部分：封装图U21A、U21B、U21C、U21D表示的是同一块芯片EP1C6Q240C8，有240个引脚，采用的是PQFP封装(即Plastic Quad Flat Package，塑料方块平面封装)，PQFP封装的芯片的四周均有引脚，而且引脚之间距离很小，管脚也很细，一般大规模或超大规模集成电路采用这种封装形式。
用这种形式封装的芯片必须采用SMT(Surface Mount Technology，表面组装技术)将芯片边上的引脚与主板焊接起来。
对于SMT技术，个人理解，即表面组装技术，一般用来焊接一些引脚在几百以上的芯片，比如说BGA，PGA一般都采用这种技术；例如笔记本主板上的intel北桥芯片，一般都采用球形封装，又如比较古老的Intel 965底部球形引脚大约有600多个，现在笔记本流行用的P43、P45、P55、X58，从P43一代引脚多达几千个甚至更多，这样做的好处是节约面积，坏处是测试的时候比较麻烦，像BGA 这种封装的芯片一般焊上去之后，顶部要引出几个接点，以防止在使用过程中坏掉，方便用万用表或者示波器来测试各个通路便于修理。
对于这几种类型的芯片，除了PQFP少数罕见的高手能手工焊接之外，一般都采用贴片机来进行专门的焊接工作。
这里简单介绍一下这两种封装：PQFP/PFP封装具有以下特点1.适用于SMD表面安装技术在PCB电路板上安装布线。
2.适合高频使用。
2.操作方便，可靠性高。
3.芯片面积与封装面积之间的比值较小。
4.Intel系列CPU中80286、80386和某些486主板采用这种封装形式。
这里的SMD表示的是贴片组装器件；BGA球栅阵列封装随着集成电路技术的发展，对集成电路的封装要求更加严格。
这是因为封装技术关系到产品的功能性，当IC的频率超过100MHz时，传统封装方式可能会产生所谓的“CrossTalk （串扰）”现象，而且当IC的管脚数大于208 Pin时，传统的封装方式有其困难度。
因此，除使用QFP封装方式外，现今大多数的高脚数芯片（如图形芯片与芯片组等）皆转而使用BGA(Ball Grid Array Package)封装技术。
BGA一出现便成为CPU、主板上南/北桥芯片等高密度、高性能、多引脚封装的最佳选择。
第二部分：电路图关于原理图：当我们把原理图元件库做好以后，在原理图中，对于已有的原理图，我们可以选择make library选项即可生成要引用的原理图元件库，我们可以使用自动编号来对每隔模块进行编号，也可以手动的进行编号，然后在工具选项卡中找到footprints manager可以用来检查各个器件的封装，若发现器件没有封装，可以在library中找一个与该器件引脚数目一样的同类型的芯片封装来对该器件进行封装操作；封装完成之后进行DRC检测，然后更新到PCB，由于目前只做原理图分析，这里就不做详细介绍了。
在原理图中，细心的人会发现，不能单独的看只看U21A这块“芯片”，其实这只是芯片的一部分，为了便于观察，我们把电源、时钟频率、JT AG下载口和AS下载口单独出来作为4大部分；一、U21A是该芯片的主体部分：即EP1C6Q240C8主体部分，该部分引脚有点多（稍后介绍）；二、U21B模块表示的是JTAG和AS下载电路：1、AS简介：AS（Active Serial）是FPGA重要的配置方式，由FPGA器件引导配置操作过程，它控制着外部存储器和初始化过程，EPCS系列.如EPCS1,EPCS4配置器件专供AS模式，目前只支持Cyclone系列。
使用Altera串行配置器件来完成。
Cyclone期间处于主动地位，配置期间处于从属地位。
配置数据通过DA TA0引脚送入FPGA。
配置数据被同步在DCLK输入上，1个时钟周期传送1位数据。
其他配置方式还有JTAG、PS等。
2、JTAG模式JTAG主要用于芯片内部测试。
TMS、TCK、TDI、TDO,分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。
在EP1C6Q240C8芯片上，我们可以找到对应的是148、147、155、149这四个引脚，JTAG 是串行接口，使用打印口的简单JTAG电缆，利用的是打印口的输出带锁存的特点，使用软件通过I/O产生JTAG时序。
由JTAG标准决定，通过JTAG 写/读一个字节要一系列的操作，根据我的分析，使用简单JTAG电缆，利用打印口，通过JTAG输出一个字节到目标板，平均需要43个打印口I/O, 在我机器上（P4 1.7G)，每秒大约可进行660K次I/O 操作，所以下载速度大约在660K/43, 约等于15K Byte/S.对于其他机器，I/O速度大致相同，一般在600K ~ 800K.JTAG编程方式是在线编程，传统生产流程中先对芯片进行预编程后再装到板上因此而改变，简化的流程为先固定器件到电路板上，再用JTAG编程，从而大大加快工程进度。
JTAG接口可对PSD芯片内部的所有部件进行编程。
在嵌入式系统设计中，一些高档的微处理器都带有JTAG接口，方便多目标系统进行测试，同时还可以实现flash编程。
（即norflash容量较小，相当于内存，nandflash 相当于计算机上的硬盘，容量较大）三、U21C模块表示的是该芯片的电源和接地如果没记错的话，一般芯片都采用的是TTL电平，这种电平能提供几种不同的电压来满足不同的需要。
这个在数电里面应用比较广泛。
图中有14个引脚是接的+1.5V，另外12个引脚接的是+3.3V，我们可以把电源的供电部分用一个电容接到地，这样的好处是能过滤掉电源内部产生的一些高频串扰信号，接地部分有的是模拟地，有的是数字地，这样单独起来的好处是防止信号干扰，中间用一个电感来连接，这样能阻碍高频信号直接耦合；四、U21D表示的是时钟信号输入图中我们发现，对于四个时钟输入引脚我们只用了CLK2一个引脚，这样的好处是以后我们还能够扩展焊接一些不同频率的信号留作备用；时钟信号是时序逻辑的基础，它用于决定逻辑单元中的状态何时更新。
时钟信号是指有固定周期并与运行无关的信号量，时钟频率（clock frequency,CF）是时钟周期的倒数。
时钟边沿触发信号意味着所有的状态变化都发生在时钟边沿到来时刻。
在边沿触发机制中，只有上升沿或下降沿才是有效信号，才能控制逻辑单元状态量的改变。
至于到底是上升沿还是下降沿作为有效触发信号，则取决于逻辑设计的技术。
在FPGA中还有电平触发方式，这里就不作介绍，仅做了解。
三、关于EP1C6Q240C8的内部功能部件：第二部分我从原理图的角度来分析了这块芯片，下面我们就从整体上来观察整个芯片的一、EP1C6核心板为基于Altera，Cyclone器件的嵌入式系统开发提供了一个很好的硬件平台，它为开发人员提供以下资源：1 主芯片采用Altera Cyclone器件EP1C6Q240C82 EPCS1I8配置芯片3 4个用户自定义按键4 4个用户自定义LED5 1个七段码LED6 标准AS编程接口和JTAG调试接口7 50MHz高精度时钟源8 三个高密度扩展接口9 系统上电复位电路10 支持+5V直接输入，板上电源管理模块系统主芯片采用240引脚、贴片封装的E1C6FPGA，它拥有6030个LE ，26个M4K片上RAM（共计239616bits ），2个高性能PLL 以及多达185个用户自定义IO 。
同时，系统还可以根据用户不同的设计需求来更换其它不同系列的核心板，如：EP1C12 、EP2C20 、EP3C25等。
所以，不管从性能上而言，还是从系统灵活性上而言，无论您是初学者，还是资深硬件工程师，它都会成为您的好帮手。
EP1C6核心板系统功能框架图：FPGA开发平台提供了丰富的资源供学生或开发人员学习使用，资源包括接口通信、控制、存储、数据转换以及人机交互显示等几大模块，接口通信模块包括SPI接口、IIC接口、VGA接口、RS232接口、USB接口、PS2键盘/ 鼠标接口、1－Wire接口等；存储模块包括EEPROM存储器模块等；数据转换模块包括串行ADC 、DAC 以及音频CODE等；人机交互显示模块包括8 个按键、16个LED发光二极管显示、1602字符型点阵LCD 、8位动态7段码管、实时时钟、SD卡等。
上述的这些资源模块既可以满足初学者入门的要求，也可以满足开发人员进行二次开发的要求。
EDA/SOPC实验开发平台提供的资源有：1、标准配置核心板为EP1C6核心板（核心芯片为EP1C6Q240C8 ）。
可更换EP2C20F484C8等其它核心板。
2、1602字符型液晶点阵。
3、RTC ，提供系统实时时钟。
4、1个256色VGA接口。
5、1个标准串行接口。
6、1个USB设备接口，利用PDIUSBD12芯片实现USB协议转换。
7、基于SPI或IIC接口的音频CODEC模块。
8、1个蜂鸣器输出模块。
9、2个PS2键盘/ 鼠标接口。
10、串行ADC和串行DAC模块。
11、IIC接口的EEPROM存储器模块。
12、基于1-Wire接口的数字温度传感器。
13、8位动态七段码管LED显示。
14、16个用户自定义LED显示，8个用户自定义按键输出。
15、一个SD卡接口模块。
16、扩展接口，供用户高速稳定的自由扩展。
该芯片有逻辑单元LEs 6030个、M4K Memory Blocks 26个、所有RAM Bits 239616约3MB、PLLs 2个（即锁相环电路）、用户可用I/O口有185个。
16X16点阵以及按键电路分析SN74HC154DW，即左下角的芯片，16线译码器。
SN74HC154DW是具有8 位移位寄存器和一个存储器，三态输出功能。
移位寄存器和存储器是分别的时钟。
数据在SHcp 的上升沿输入，在STcp的上升沿进入的存储寄存器中去。
如果两个时钟连在一起，则移位寄存器总是比存储寄存器早一个脉冲。
移位寄存器有一个串行移位输入，和一个串行输出，和一个异步的低电平复位，存储寄存器有一个并行8位的，具备三态的总线输出，当使能OE 时（为低电平），存储寄存器的数据输出到总线。
SN74HC154DW的主要优点是具有数据存储寄存器，在移位的过程中，输出端的数据可以保持不变。
这在串行速度慢的场合很有用处，数码管没有闪烁感。
其真值表如下图：SN74HC154DW各个引脚的功能：Y0~15: 八位并行输出端，可以直接控制数码管的8个段。