基于FPGA+MCU的伺服电机控制器设计
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的直流电机伺服系统设计
基于FPGA的直流电机伺服系统设计摘要：随着电子技术的发展，直流电机控制的方式正在发生着很大的变化。
当计算机进入控制领域后，PWM脉宽调制方式已经成为电机控制的主流。
随着可编程逻辑器件的出现，又给直流电机的伺服提供了新的方法和手段。
文中系统利用FPGA作为主控制芯片，利用Verilog语言在片内实现分频模块、A/D控制模块、反馈控制模块等，最后完成对PWM波形的脉宽调制，从而达到对电机的转速、正转或者反转等参数的控制。
在QuartusII软件上仿真后说明采用位置反馈、速度反馈和电流反馈对直流电机进行控制更精确、更可靠。
关键词：直流电动机；FPGA；Verilog HDLDirect current motor servo system based on FPGAAbstract：With the development of electronic technology, there is a very big change in the direct motor control. When the computer is used in the side of control, the wide PWM modulation has become the mainstream of the motor control. As programmable logic devices came out, and that gave the service of direct motor new ways and means. The systems use FPGA as the main chips of control, and realize the module of division of frequency, the module of AD control and the module of feedback control in order to control the speed of circular, the positive circular and the revise circular. After the simulation in the software QuartusII, it has been proved that position feedback, speed feedback, and current feedback make the control of direct motor more accurate and more reliable.Keywords：Direct current motor; FPGA; Verilog HDL目录1引言 (1)1.1 课题的研究及意义 (1)1.2伺服系统 (1)1.2.1 伺服系统的概念 (1)1.2.2 伺服系统的发展 (1)2 系统控制原理 (3)2.1 电气调速控制原理 (3)2.1.1 调速系统及其性能指标 (3)2.1.2 直流电机调速控制原理 (3)2.2 PWM控制原理 (5)2.3 控制原理 (6)2.4 防脉冲干扰滤波器 (7)3 算法的设计 (8)3.1 前馈算法设计 (8)3.2 反馈算法设计 (8)3.2.1 PI算法 (8)3.2.2 模糊算法 (9)4 系统硬件的设计原理 (12)4.1 硬件电路结构 (12)4.2 数据采集电路 (12)4.3 FPGA控制电路 (17)4.4电磁兼容性分析 (17)5 系统软件设计原理 (19)5.1 Verilog HDL语言的简介 (19)5.2 软件框图组成 (20)5.3 主要控制模块分析 (21)5.3.1 ADC0809控制模块 (21)5.3.2 AD1674控制模块 (21)6 结论及展望 (22)参考文献 (23)附录1 (25)附录2 (27)第一章引言1.1 课题的研究及意义近年来，由于微电子技术和计算机技术的发展以及单片机的普遍应用，使得调速装置向集成化、小型化和智能化方向发展。
基于FPGA的位置伺服三闭环控制器设计
基于FPGA的位置伺服三闭环控制器设计作者：张显亭刘兴中郑自伟来源：《科技资讯》2016年第17期摘要：设计了基于FPGA外挂SDRAM的三闭环位置伺服控制器，对三闭环控制算法进行了详细描述，并结合硬件电路应用在实际产品中，取得了预期的技术指标，提高了位置伺服系统的动态特性。
关键词：FPGA SDRAM 伺服控制器中图分类号：TP273 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2016）06（b）-0026-02目前国内外把电动位置伺服作为重要的研究方向，电动舵机的应用也日益广泛。
电动舵机相比与以前的液压舵、气动舵具有体积小、成本低、简单可靠、动态特性好且易于控制等特性。
目前电动舵机的性能越来越完善，并朝着数字化、多余度、大功率、高精度和智能化的方向发展。
电动舵机的控制策略也多种多样，根据不同应用场合的要求运用了不同的算法和设计平台，比如基于DSP、FPGA或者单片机等。
该文设计了一套全数字导弹用舵机伺服系统，该系统以无刷直流电机作为伺服电机，采用三闭环的控制策略，基于FPGA的NIOSⅡ软核为开发平台，利用C语言的优良特性，在NIOSⅡ内实现基于C语言的算法设计，实现了舵机位置的高性能跟踪，以满足导弹舵机的高精度、高灵敏度和高可靠性要求。
1 系统构成及工作原理位置伺服控制器是一个闭环的控制系统。
其执行元件是直流无刷电机，传动部件由行星减速器和滚珠丝杠组成，驱动控制器采用数字控制。
伺服控制器接收上位机的角度控制信号，驱动无刷电机按照一定的速度、旋转方向和旋转角度工作，通过传动部件转化为角度运动，从而实现位置的角度控制。
2 硬件设计2.1 FPGA主控及外围电路设计该项目采用的是Altera公司的CycloneⅢ系列低成本器件，该芯片为256管脚的BGA球栅型封装，拥有更多的I/O端口，集成嵌入式处理器NOISⅡ，I/O口157个，满足设计要求。
FPGA外围电路主要包括：电源管理电路、程序配置芯片电路、下载调试口电路等。
基于FPGA的伺服电机控制信号发生器设计
0 引言空间矢量脉宽调制(Space Vector Pulse Width Mod-ulation)SVPWM 技术是一种从电压空间矢量的角度出发的脉宽调制技术,其在伺服交流电机调速方面能减少逆变器输出的谐波成分,降低电机转矩脉动，提高逆变器输出线电压的能力，该技术广泛应用于各种变频调速的场合。
基于现场可编程逻辑门阵列FPGA 具有并行处理数据速度快、设计周期强、可重复编程写入和擦除特点，且在同等主频的条件下FPGA 的运算速度更快、能耗更低、可靠性更高，能大大提高系统的精度和响应速度[1-3]。
因此在基于STM32+FPGA 的机器人伺服控制装置中，本文充分利用FPGA 高速并行处理数据的显著优势，采用SVPWM 技术设计了基于FPGA 的伺服电机控制信号发生器，完成对伺服电机的高精度精确控制。
1 总体思路的设计机器人伺服控制装置使用永磁同步电机作为控制电机，以STM32F407微控制器为主控制器，以FPGA 芯片EP-4CE10F17C8为协控制器，其中FPGA 协控制器来实现SVPWM算法等运算算法，产生六路伺服电机控制信号，具体执行流Abstract:In order to reduce the harmonic components of current signal waveform, reduce torque ripple and improve DC voltage utilization, a servo motor control signal generator is designed for the servo control device based on stm32+fpga. The circuit design of Clark coordinate transformation, park transformation and reverse transformation, PI control and SVPWM technology is realized by using the high-speed data processing characteristics of FPGA, using Quartus II software and Verilog HDL as programming language. The simulation results show that the generator can generate PWM wave with less harmonic component, reduce torque ripple of servo motor, and realize effective control of servo motor, which is feasible.Keywords: FPGA; Coordinate transformation; PI ； SVPWM ； servo motor基金项目：河南省高等学校重点科研项目（21B510001）；安阳市科技计划项目（20382）。
基于FPGA的伺服电机控制系统设计
电子技术Electronic Technology电子技术与软件工程Electronic Technology & Software Engineering基于FPGA 的伺服电机控制系统设计孟庆仙（云南机电职业技术学院云南省昆明市 650203 ）摘 要：本文介绍了一种基于FPGA 的机器人伺服电机控制系统的实现方法，由于该系统需要大量的I/O 口，所以采用了当前流行的 FPGA 作为控制芯片。
机器人控制系统主要由FPGA 和舵机组成，FPGA 接收到来自于压力传感器传递过来的动作指令信号，将其转化为能驱动舵机的PWM 波，通过改变它的占空比，来改变舵机所转的度数，并且通过地址线的选择来定位哪个舵机工作。
通过实验测试，该系统实 现了仿人机器人准确控制，达到了预期目标。
关键词：机器人；FPGA;舵机伺服电机；PWM在机器人控制系统设计中，目前大多数控制系统仍然采用单片 机或者ARM 等比较简单的控制器，而本文采用当前比较流行的控制器件FPGA,对于多个I/O 控制也更加灵活方便。
机器人在运动过程中的控制是由各个自由度由各种电机完成，而现在的最多的是伺服电机（舵机）。
舵机由直流电机、电机控制器、电位器和减速器等构成，整体封装在一个便于安装的外壳里的伺服单元。
能够利 用简单的输入信号比较精确的转动给定角度的电机系统。
舵机安装了一个电位器（或角度传感器）检测输出轴转动角度，控制板根据 电位器（或角度传感器）的信息对输岀轴的角度进行控制盒调节，形成一个闭环的控制系统。
为了降低成本，在本控制系统的设计中，驱动各关节的电机均采用舵机。
1仿人机器人控制系统组成机器人是一种多自由度的机械，传统的控制系统占用控制I/O 口较多，且实现舵机的速度调节也占用大量的CPU 时间。
系统结构如图1所示。
机器人控制系统主要由FPGA 和舵机组成，FPGA 接收到来自 于压力传感器传递过来的动作指令信号，将其转化为能驱动舵机的PWM 波，通过改变它的占空比，来改变舵机所转的度数，并且通过地址线的选择来定位哪个舵机工作。
基于FPGA的三轴伺服控制器设计与实现
基于FPGA的三轴伺服控制器设计与实现0 引言在运动控制系统中，多轴伺服控制器的设计一直是该领域的重要内容之一。
目前伺服控制器的设计多以DSP 或MCU 为控制核心，但DSP 的灵活性不如FPGA，且在某些环境比较恶劣的条件如高温高压下DSP 的应用效果会大打折扣，因此以FPGA 为控制核心，对应用于机载三轴伺服控制平台的控制器进行了设计与优化。
1 总体方案FPGA(Field-Prograromable Gate Array，现场可编程门阵列)是在PAL，GAL，CPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。
FPGA 采用了逻辑单元阵列LCA(Logic Cell Array)这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB(Configurable Logic Block)、输出输入模块IOB(Input Output Block)和内部连线(Interconnect)三个部分。
可以说，FPGA 芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一，因此在设计中采用FPGA 为控制核心。
FPGA 的基本特点主要有：采用FPGA 设计ASIC 电路，用户不需要投片生产，就能得到可用的芯片；FPGA 可做其他全定制或半定制ASIC 电路的中试样片；FPGA 内部有丰富的触发器和I／O 引脚；FPGA 是ASIC 电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一；FPGA 采用高速CHMOS 工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL 电平兼容。
整个控制器由控制和驱动两部分组成，其结构如图1 所示。
控制部分由FPGA 及一些附件组成，该控制器能够独立完成三轴控制器的电机驱动波形发生、闭环运算与控制、与上位机通信等任务，附件主要用来完成电枢电流的反馈等功能。
驱动模块由光电耦合器件和放大驱动芯片等组成。
该控制器的最终控制目标为对驱动三轴的力矩电机进行高精度定位与驱动。
力矩电机的位置和速度反馈由光电编码器实现。
基于FPGA的步进电机伺服控制器通信系统设计
基于FPGA的步进电机伺服控制器通信系统设计摘要为实现某扫描机构伺服控制器与上位机的串行通信，提出了应用于该系统的专用异步串行通信和同步串行通信的FPGA设计方法。
介绍了扫描机构伺服控制系统的构成；详述了异步串行通信各个功能模块及光电编码器脉冲计数值同步串行发送到上位机的FPGA设计与仿真实现。
分析证明该设计时序正确，实现了功能指标，确保了伺服控制器与上位机的通信。
关键词：FPGA；异步串行通信；同步串行通信；伺服控制系统；步进电动机O 引言步进电机伺服控制器是扫描机构的核心，而通信系统是伺服控制器的关键。
本系统采用霍尔传感器和光电编码器采集步进电机的速度和角度信息，伺服控制器传统的设计方法是利用单片机或DsP和上位机进行通信。
本文采用FPGA作为下位机、采用硬件描述语言Verilog HDL，设计了扫描机构伺服控制器通信系统。
FPGA可移植性强，只需要简单地修改硬件接口和串口通信格式即可实现FPGA和不同的上位机的高速串行通信。
在此感谢吴东升老师长达8周的细心讲解，因为本门课程理论性强。
吴老师带来了很多器材设备、图片和大量影视资料，使本门课程的课堂变的生动。
再次感谢吴老师的认真准备与细心讲解。
目录l伺服控制系统构成 (1)2 FPGA异步串行通信模块 (1)2．1波特率发生器································2．2 Rs-485接收器l伺服控制系统构成某扫描机构系统框图如图l所示。
本系统采用闭环控制方式驱动步进电机做变速的连续圆周扫描，带动扫描机构实现精确扫描定位。
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。
毕业设计(论文)-基于FPGA的电机控制
毕业设计(论文)-基于FPGA的电机控制————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：基于FPGA的电机控制指导老师：设计了一个基于现场可编程门阵列（FPGA）的电机控制系统。
简单介绍了步进电机和直流电机的工作原理和工作特点，并根据两种电机的不同特性设计了基于FPGA的不同的控制电路：以改变频率来控制步进电机的转速；调节脉冲的占空比大小改变输出电压的大小，从而达到控制直流电机的转速的目的。
关键字：FPGA 步进电机直流电机电机控制PWMDesign of the Motor-Control Based on FPGAAbstract: the electromotor control system is designed based on FPGA. This paper simply introduces the principle and the characrers of current-motor and step-motor.And what’s more,different control circuits based FPGA are designed accordering to the different characteristic of current-motor and step-motor. The rotate speed of step-motor is controlled by changing frequency .The output-voltage changes accordering to the rate of impulses,and so the aim to control the rotate of current-motor achieve.Keyword : step-motor motor-control PWM FPGA目录1.系统设计 (3)1.1功能介绍 (3)1.2电机控制简介 (3)1.2.1步进电机的控制 (3)1.2.2直流电机的控制 (3)1.3总体设计方案 (4)1.3.1总体设计思路 (4)1.3.2方案论证与比较 (4)2.单元电路设计 (7)2.1.步进电机驱动电路 (7)2.2.直流电机驱动电路 (8)3.软件设计 (8)3.1实现方法 (8)3.2 程序流程图 (9)4.系统测试 (10)5.结论及参考文献 (10)5.1.结论: (10)5.2.参考文献: (10)6.附录 (10)前言步进电机：一般，电动机都是连续旋转，而步进电动机却是一步一步转动的。
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的模块化交流伺服驱动器
基于FPGA 的模块化交流伺服驱动器滕福林1,胡育文2,李宏胜1,朱伟1,张建华1(1.南京工程学院自动化学院,江苏南京211167;2.南京航空航天大学自动化学院,江苏南京210016)摘要:为提高交流伺服系统的实时性、稳定性,同时还能缩短开发周期,提出一种交流伺服驱动器硬件实现、集成化、模块化的方法和具体实现,利用F PGA 技术实现一个高性能的位置伺服驱动器的控制核心,配合少量外围器件,就形成了集成化、模块化交流伺服驱动器的一个可选方案。
该模块化交流伺服驱动器在数控机床行业中已形成一定规模的应用。
关键词:交流伺服驱动器;现场可编程门阵列;前馈复合控制;模块化中图分类号:T M 351 文献标识码:AModularized AC -servo -driver Based on FPGAT EN G F u-lin 1,H U Y u-w en 2,LI Ho ng -sheng 1,ZHU Wei 1,Z HA N G Jian-hua 1(1.School of A utomation ,N anj ing I ns titute of T echnology ,N anj ing 211167,J iangs u,China;2.School o f A utomation,N anj ing Univer sity of A er onautics &A s tr onuautics,N anj ing 210016,J iangsu,China)Abstract:T o impr ove the real-t ime,stability o f A C ser vo system,while r educing its dev elo pment cy cles,a hardwar e-based A C ser vo driv es w as presented,w hich is realized in har dw are,integ r ated and modularized.T he F PGA techno log y is used to achieve a high-per formance contro l center,and with a small amo unt o f pe ripheral dev ices,a resolution of A C servo dr iv e is pr ov ided.T he mo dular A C-serv o-driver has been used in CN C machine with a cer tain scale.Key words:A C ser vo dr iver ;field pr og rammable g ate arr ay(F PGA );feedforw ar d hy br id contro l;modular ization基金项目:江苏省自然科学基金(10KJD470001)作者简介:滕福林(1978-),男,博士,讲师,Email:tengfu lin0920@1 引言永磁同步电机交流伺服系统因其高性能,应用场合极其广泛[1-2]。
基于 FPGA 的步进电机伺服控制系统分析
基于 FPGA 的步进电机伺服控制系统分析发表时间：2020-12-31T15:04:41.623Z 来源：《科学与技术》2020年第26期作者：王传胜[导读] 如今，在我国科学技术不断发展的背景下，步进电机伺服控制系统得到了完善王传胜瑞安市中信电子设备有限公司浙江温州 325200摘要：如今，在我国科学技术不断发展的背景下，步进电机伺服控制系统得到了完善，主要基于FPGA和LMD18200技术上，对步进电机在运行中的问题进行了整合，对其中的硬件和各种系统进行了优化。
在此过程中，技术人员还可以结合FPGA和增量型编码器，建立完整的运动控制平台。
此系统主要由总线接口单元和PWM脉宽调制单元等多项内容组成，它在步进电机运行和设计中的有效应用，可以进一步提高其运行效率。
关键词：FPGA；步进电机；伺服控制系统；分析??为了在新时代背景下，实现对步进电机的自动化控制，对其的伺服控制系统进行了研究。
合理设计了一个基于FPGA的步进电机伺服控制系统，此项工作不仅是社会发展的要求，更是保障其稳定运行的关键。
在此过程中，技术人员可以合理采用EDA技术模块化等方法，实现独对步进电机的正反转控制和调速。
基于此，本文FPGA的基础上，对步进电机伺服控制系统进行了研究，希望可以给相关的学者提供借鉴价值。
一、步进电机的特点虽然在科学技术不断完善的背景下，步进电机在各个工业领域得到了有效应用。
但是此设备在控制中还存在步距角大和控制精度不高等多种问题，为了实现对这种设备的合理控制，要在其工作原理出发，采用现场可编程逻辑门阵列，也可就是FPGA，作为系统的主控芯片，提高步进电机伺服控制系统的质量，实现对其中电流和速度的双闭环控制[1]。
在对FPGA技术特点进行研究时，发现其本身具有运算速度快和实时性好等多种优势，其编程还比较灵活，技术人员可以通过数字比较器的同步，让此系统产生多路PWM控制信号，这些信号可以减小步进电机的步距角，不断提高伺服系统的性能，为步进电机安全运行提供保障。
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毕业设计（论文）基于FPGA+MCU的伺服电机控制器设计学院: 信息科学技术学院专业：姓名：指导老师：电子科学与技术梁鸿宇学号：职称：********** 赵慧元讲师中国·珠海二○一○年五月北京理工大学珠海学院毕业设计诚信承诺书本人郑重承诺：我所呈交的毕业设计《基于FPGA+MCU的伺服电机控制器设计》是在指导教师的指导下，独立开展研究取得的成果，文中引用他人的观点和材料，均在文后按顺序列出其参考文献，设计使用的数据真实可靠。
承诺人签名：日期：年月日基于FPGA+MCU的伺服电机控制器设计摘要本文首先对通用伺服控制平台项目做了整体的设计规划，并着重分析了基于FPGA的电机接口模块的设计和核心算法，给出相应的接口电路，并对等精度算法和设计思路在ALTERA QUARTUS 9.0的环境下进行了仿真，在实验电路上进行了测试。
主要目的在于研究出一款高性能的基于FPGA的伺服电机接口模块。
关键词：伺服控制平台 FPGA 等精度算法电机接口模块THE DESIGN OF FPGA+MCU BASED SERVOMOTOR CONTROLLERABSTRACTThis first general-purpose of this dissertation is the overall project design and planning for the servo control platform, and also it analyzed the core algorithms for the FPGA based interface design. Given a appropriate interface circuit ,An equal precision algorithms designed with FPGA is introduced．It adopts Verilog HardwareDescription Language to implement in servo motor interface modules ,and adds pulse width measurement on the base of traditional frequency measurement, and the HDL was simulated in the ALTERA QUARTUS 9.0 environment. Intended to design a high-performance FPGA-based servo motor interface module.Keywords：servo control platform FPGA equal precision algorithm servo motor interface module目录摘要ABSTRACT1引言 (1)1.1项目背景 (1)1.2研究意义 (1)2 系统组成 (2)2.1 运动控制器 (2)2.1.1 MCU功能 (2)2.1.2 FPGA功能 (2)2.1.3光电隔离模块功能 (2)2.2伺服驱动器 (2)2.2.1常用伺服驱动器简介 (2)2.3伺服电机 (3)2.3.1伺服电机简介 (3)2.3.2伺服电机工作原理 (4)2.3.3伺服电机的控制 (4)2.4HMI (4)2.5控制器上位机部分 (4)2.5.1上位机功能 (4)2.6以太网模块 (4)2.6.1以太网模块功能 (4)3 FPGA接口模块详细介绍 (5)3.1实现功能 (5)3.1.1 速度控制模块 (5)3.1.2 位置控制模块 (5)3.1.3 CPU接口模块 (6)3.2速度与位置检测算法讨论 (6)3.2.1M法 (6)3.2.2T法 (6)3.2.3等精度测频算法 (6)3.2.4高精度数字测速算法 (9)3.3速度与位置控制算法 (20)3.4硬件部分 (14)3.4.1ALTERA FPGA介绍 (14)3.4.2FPGA硬件部分 (14)3.4.2.1电源及晶振部分 (14)3.4.2.2内存及FLASH (15)3.4.2.3主芯片 (15)3.4.2.4JTAG下载 (16)3.4.3输入输出光电隔离 (17)3.4.3.1输入光电隔离模块 (17)3.4.3.2输出光电隔离模块 (18)3.5软件部分 (18)3.5.1 verilog HDL编程语言介绍 (18)3.5.2输入输出端子定义 (18)3.5.3寄存器定义 (19)3.5.4FPGA架构 (20)3.5.5主要模块介绍 (20)4 仿真实验结果 (22)5 应用案例 (24)6 结论 (26)谢辞参考文献附录1 引言1.1项目背景此项目为待开发项目《基于RABBIT5700+FPGA的伺服电机控制器》的前期规划方案，目的在于帮助研发人员了解伺服电机控制器的有关知识和给出基于FPGA的接口模块的设计概要说明。
1.2研究意义目前国内主力通用的伺服电机生产厂商主要有：众为兴、雷赛、固高、中达电通、摩森达等，趋于研发成本的考虑，大多数厂家在电机编码器接口芯片选择上，倾向于采用集成芯片如MX314,PCL6045等，但是随着控制要求的如见复杂，在一个ASIC上实现多轴的控制越来越吃力，这就刺激着我们回归基于MCU+FPGA的架构，把所有的多轴运算全都放到MCU里。
本次设计着重对接口FPGA的架构和主要检测算法进行讨论，对接口FPGA的设计，具有一定参考意义。
2 系统组成2.1 运动控制器主要实现对增量编码器信号的采集，以及对电机驱动器的控制，通过上位机发送过来的指令，在控制器里进行插补运算，再通过FPGA接口模块传递给驱动器。
2.1.1 MCU功能a.通过自身的以太网模块，接受上位控制机的指令b.多轴插补运算c.通过与FPGA的借口，控制FPGA发出控制脉冲2.1.2 FPGA功能a.采集增量编码器的信号b.通过与MCU的接口，把速度，位置等信息传给MCUc.通过与MCU的接口，接受MCU命令，实现单轴操作。
2.1.3光电隔离模块构成实现输入输出光电隔离2.2伺服驱动器应用于伺服电机的专用伺服驱动单元被称为伺服驱动器。
2.2.1常用伺服驱动器简介SIMODRIVE 611U的简介：西门子SIMODRIVE 611是一种模块化晶体管脉冲变频器，可以实现多轴及组合驱动的解决方案。
基于其模块化的设计，使用SIMODRIVE可以根据具体的驱动任务来制定灵活多变的解决方案。
驱动器的各模块从功能上分为6个部分：1）电源模块2）变频模块3）反馈模块4）监控模块5）功率模块6）控制模块611U 伺服驱动器各模块组成示意图2.3伺服电机2.3.1伺服电机简介一个伺服电机内部一般包括一个直流电机、一组变速齿轮组、一个反馈可调电位器以及一块电子控制板。
其中，高速转动的电机提供了原始动力，带动变速（减速）齿轮组，使之产生高扭力的输出。
齿轮组的变速比越大，伺服电机的输出扭力也越大，也就是说越能承受更高的负载，但转动的速度也相应越低。
2.3.2伺服电机工作原理伺服电机是一个典型闭环反馈系统，减速齿轮组由电机驱动，其终端（输出端）带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板，控制线路板将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动电机正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于为0，从而达到使伺服电机精确定位的目的。
2.3.3伺服电机的控制标准的伺服电机有三条控制线，分别为电源线、地线及控制线。
电源线与地线用于提供内部的电机及控制线路所需的能源，电压通常介于4V-6V之间，该电源应尽可能与处理系统的电源隔离（因为伺服电机会产生噪音）。
甚至小伺服电机在重负载时也会拉低放大器的电压，所以整个系统的电源供应的比例必须合理。
输入一个周期性的正向脉冲信号，这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在1ms到2ms之间，而低电平时间应在5ms到20ms 之间。
2.4 HMI远程显示控制器上位机的操作界面，实现交互控制。
2.5控制器上位机部分2.5.1上位机功能a.参数配置b.逻辑控制c.运动控制d实时通信e.绘制实时曲线等功能2.6以太网模块2.6.1以太网模块功能完成系统数据的转发通讯工作与运动控制平台部分之间通过RT-TCP/IP协议进行通讯，而与伺服结构模块之间通过西门子标准总线背板总线进行通讯，通讯的数据主要包括系统的参数配置数据、实时运行数据和计算输出控制数据。
3 FPGA模块详细介绍3.1实现功能3.1.1 速度控制a.方向检测b.速度检测c.速度设定初始预置加减速度点设定实时改变d.加速减速方式规划线型S型e.脉冲发生3.1.2 位置控制a.方向检测b位置检测c.绝对位置设定初始预置实时改变短距离运动优化d.相对位置设定预置实时改变短距离运动优化e.脉冲发生3.1.3 CPU接口模块可实现与16位8086、16位H8、16位6800的标准接口。
3.2速度与位置检测算法讨论全数字交流伺服系统广泛采用增量式光栅编码器作为位置和速度传感器，编码器分辨率直接影响伺服系统的控制精度，为此，高性能伺服系统往往选用高分辨率或者对编码器信号进行倍频细分等，这样不可避免的增加了反馈环节的成本和复杂性。
因而多数通用私服系统往往采用分辨率适中的编码器以寻求性能与成本的平衡，然而有限的分辨率就成为保证和提高伺服系统性能的主要瓶颈。
幸运的是增量光栅编码器的反馈脉冲信号中不仅包含景区的位置信息，也包含着丰富的时间信息，妥善利用这一特征可以保证和提高全数字交流伺服系统的速度以及位置分辨率，以提高伺服控制性能。
以下将着重讨论4种速度采集的算法，M法、T法为常用方法，但是往往只能在其频率段内达到很好的效果，等精度方法是现在比较通用的高效算法。
而高精度数字测速算法主要依靠于32位的DSP进行快速的数据运算，因以后想再用FPGA板载NIOSII软核CPU，固介绍一下这种算法。
3.2.1 M法M法是直接计取给定采样周期内的反馈脉冲数来测量速度，其特点是高速时测速精度高，低速时测速精度低，而如果在低速时把采样周期加长，那么在会对系统实时性有影响。
确定的闸门时间Tw内，记录被测信号的变化周期数（或脉冲个数）Nx，则被测信号的频率为：fx=Nx/Tw3.2.2.T法T法是通过测量两个相邻反馈脉冲的间隔时间来测量速度，其特点是低速时测速精度高，高速时测速精度低，恰恰与M法相反，如果想提高其在高速时的精度，必须大大提高系统时钟频率，实现比较麻烦，成本高。
测周期法需要有标准信号的频率fs，在待测信号的一个周期Tx内，记录标准频率的周期数Ns，则被测信号的频率为：fx=fs/Ns3.2.3等精度测频算法等精度测频算法是在直接测频方法的基础上发展起来的。