基于FPGA的电机编码器测速

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基于FPGA的红外测速直流电机调速系统设计

红外光耦转速检测模块
EP4CE6E 22C8N
NIOS内核
电机驱动模块
按键电路
图 1.1 系统框架结构
4
第二章直流电机的基本知识
2.1 直流电机的工作特点
相比于交流电动机，直流电动机在调速性能和启动性能方面更胜一筹。简单来说，直流电动机工作特点主要有： 1.可在较宽范围内进行平滑无级调速； 2.频繁无级快速启动、制动和正反转切换； 3.过载能力强，可承受频繁启停下冲击电流影响； 4.在对转速调节具有较高要求的自动化生产中发挥重要作用。 5.直流发电机可为负载提供稳定大功率直流电源，其输出电压在一定范围内可按要求精确调节。直流电机同样存在着不足和缺陷：一方面其制造工艺比较复杂，使用有色金属多，换向器需要定期维护，因而生产成本较高；另一方面电机运行过程中电刷与换向器接触易生火花，可靠性较差。现今许多对调速性能要求不高的场合逐渐采用交流变频变压方式实现电机调节。然而在某些特殊领域，如对金属进行精细化切削加工时，为保证加工件精度，需要电动机能够满足调速范围大、快速性高、精密度好、控制性能优异的要求。
与数字信号处理器( DSP)计算能力相比，FPGA利用自身硬件的平行机制，以每时脉循环而不是按传统依序执行的工作方式完成指定作业。其中 BDTI公司通过在应用系统中增设 DSP解决方案的方式实现FPGA处理效能的计算。并且为减少回应时间和具体化特定功能，可在硬件层设置I/O的控制方式。成本
通常对于系统的需求是不断变化的，与 ASIC 用于重置研发的费用相比， FPGA 再次设计开发成本很低，甚至可忽略。可将 ASIC 设计的初始投资归纳为 OEM出货的晶片上，然而大多数用户为方便开发数百组系统，还是需要定制硬件功能。此时若使用可程式化晶片，可完成低成本的硬件架构任务以及缩短组装作业的前置时间。可靠性

基于fpga的细分测速控制电路的设计

基于fpga的细分测速控制电路的设计基于FPGA的细分测速控制电路的设计细分测速控制电路是一种用于实时测量和控制电机转速的电路。

在许多应用领域中，如机器人控制、自动化设备和电动车辆等，测速控制电路的设计都起着至关重要的作用。

本文将介绍一种基于FPGA 的细分测速控制电路的设计原理和实现方法。

细分测速控制电路的设计目标是实现高精度的电机转速测量和控制。

FPGA作为一种可编程的硬件平台，具有高度灵活性和可扩展性，非常适合用于实现这样的控制电路。

在该设计中，我们将使用FPGA来实现测速信号的采集、信号处理和输出控制等功能。

我们需要对电机的转速进行测量。

为了实现高精度的测速，我们可以使用光电编码器或霍尔传感器等装置来检测电机转子的位置。

这些传感器将产生脉冲信号，频率与电机转速成正比。

通过对脉冲信号进行计数和时间测量，我们可以准确地计算出电机的转速。

接下来，我们需要将测得的转速信号输入到FPGA中进行处理。

FPGA 可以通过编程来实现对信号的采集和处理。

我们可以使用FPGA的输入/输出引脚来接收脉冲信号，并使用计数器模块来对信号进行计数。

通过测量一定时间内的脉冲数量，我们可以得到电机的转速。

此外，FPGA还可以根据需要对转速信号进行滤波和平滑处理，以提高测量的稳定性和精度。

在测量到电机的转速后，我们需要对其进行控制。

FPGA可以通过输出控制信号来实现对电机的控制。

我们可以使用FPGA的PWM模块来生成PWM信号，并通过输出引脚将其发送给电机驱动器。

PWM信号的占空比可以根据测得的转速进行调节，从而实现对电机转速的控制。

此外，FPGA还可以根据需要实现其他控制算法，如PID控制算法，以进一步提高控制的精度和稳定性。

细分测速控制电路的设计还需要考虑一些其他因素。

例如，我们需要选择合适的FPGA型号和开发工具，以满足设计要求。

我们还需要考虑电路的功耗和散热问题，以确保电路的稳定运行。

此外，我们还可以考虑添加显示模块和通信接口等功能，以便实时监测和远程控制电机的转速。

基于FPGA的电机转速测量仪实时校准方法

2021.01测试工具基于FPGA的电机转速测量仪实时校准方法高运，李轶瀛（上海航天控制技术研究所，上海，200000）摘要：为提高电机转速测量仪的测量精度，解决传统测量仪校准方法中校准效果不明显的问题，提出基于FPGA的电机转速测量仪实时校准方法。

利用电机转速的监测电路，实时收集电机转速信号,并以此作为电机转速的实际值。

根据测量仪的测量原理，得出电机转速的测量值。

分析测量仪的测量误差，并结合实际值与测量值之间的差值确定测量仪的实时校准值。

在FPGA技术下，设计并安装校准滤波装置，将实时校准值的计算结果代入其中，实现对电机转速测量仪的实时校准处理。

经对比，应用设计的校准方法得出的电机转速测量结果更加接近于设置的转速值，即设计的实时校准方法在校准效果方面更加具有优势。

关键词：FPGA；电机转速；转速测量仪；实时校准Real time calibration method of motor speed measuringinstrument based on FPGAGao Yun,Li Yihao(Shanghai Institute of Aerospace Control Technology,Shanghai,200000) Abstract；In order to improve the measurement accuracy of motor speed measuring instrument and solve the problem that the calibra t ion effec t is not obvious in the t r ad i t io n a.1calibra t ion met h od,a realtime calibration method of motor speed measurement instrument based on FPGA is proposed.By using the motor speed monitoring circuit,the motor speed signal is collected in real time,which is taken as the actual value of motor speed.According to the measuring principle of the measuring instrument,the measured value of the motor speed is obtained.The measurement error of the measuring instrument is analyzed,and the real—time calibration value of the measuring instrumerrt is determined according to the difference between the actual value and the measured value.In FPGA technology,the calibration filter device is designed and installed,and the calculation results of real-time calibration value are substituted into it to realize the real-time calibration processing of motor speed measuring instrumerrt.By comparison,the motor speed measurement resuIts obtained by the designed calibration method are closer to the set speed value,that is,the designed real-time calibration method has more advantages in the calibration effect.Keywords；FPGA;motor speed;speed measuring instrument;real time calibration0引言测量仪实时校准的最终目的是为了确定计量仪器或测量系统的示值与实际值之间误差，并予以校正的一种方法。

基于FPGA的电机转速测速系统设计

基于FPGA 的电机转速测速系统设计摘要要在现代工农业生产和日常工作生活中对机器设备的各方面要求越来越高，温度控制，电机测速等都是工农业生产中经常遇到的问题。

我们之所以研究基于FPGA 的电机转速测速系统，那是迫于时代发展的需要。

随着科技的发展，我们发现当我们在们在对运动物体的速度量进行测量时由于器件选择不当产生了误差对运动物体的速度量进行测量时由于器件选择不当产生了误差,从而直接或间接地影响了测量结果的精度，这就满足不了生产和生活的需要。

于是我们提出一种使用增量式光电编码器对运动物体速度进行测量的方法,避免了上述误差的产生,节约了成本而且实现简单,理论上可以达到更高的精度。

基于FPGA 的速度测量系统设计,以Quartus Ⅱ为软件平台,采用模块化设计并通过数码管驱动电路静态显示最终结果。

具有外围电路少,集成度高,可靠性强等特点。

接下来本文详细本文详细的研究了对的研究了对的研究了对增增量式光式光电电编码编码器器脉冲信号脉冲信号进行进行进行倍频、鉴向、计数倍频、鉴向、计数器分频、分频、锁存、锁存、锁存、运运算、算、数据位数据位数据位选择和选择和选择和显示显示显示。

首先首先，，介绍介绍了了FPGA 的国内外国内外研究现研究现研究现状状，光电编码编码器的器的器的原理、原理、FPGA 的发展的发展史、它史、它史、它的设的设的设计计方法，它的原理与特点原理与特点，，可编程可编程逻逻辑器件的基器件的基本本设计思想思想，，一般性可编程性可编程逻辑逻辑逻辑设设计的理论理论，，光电耦合耦合器以器以器以及及数码管显示；其次；其次，，针对以对以往往设计的不的不足足，采用采用了以高度了以高度了以高度集成集成集成的的FPGA 芯片芯片为为核心核心的设的设的设计计方式，来，来实实现增量式光式光电电编码编码器器输出信号出信号的的处理。

编码编码器器输出的数据数据在在FPGA 芯片芯片中中进行进行倍频、鉴倍频、鉴倍频、鉴相相、计数、锁存、、计数、锁存、运运算、数据位算、数据位选择等选择等选择等传输处传输处传输处理理；最后，所，所得得的数据经数码管显示数码管显示。

基于FPGA 和PCI 的高精度测速板卡的设计与实现

基于FPGA 和PCI 的高精度测速板卡的设计与实现摘要: 经典的码盘数字测速方法有M 法、T 法、M/ T 法，但都有一定的不足。

为了克服原有方法的不足，设计并实现了一种在较大速度范围都有良好精度和良好快速性的测速方法。

电路采用FPGA 实现，测速得到的数据通过PCI 总线从设备控制器实现与控制计算机通信。

从而根据实际传输的需要，简化了PCI 从设备控制器，实现了PCI 总线I/ O 普通读与猝发读数据的功能。

0 引言增量式码盘是一种原理简单，抗干扰能力强，可靠性高，适合于长距离传输的位置与速度测量装置，已成功应用于大量的控制系统中，极大地提高了其位置控制精度。

理论上，只要测得码盘输出信号的频率，即可得到被测轴的转速，并且可以得到比模拟方法更高的测量精度。

本文以增量式码盘为基础，设计实现一种在较宽速度范围都有较高精度并且有良好反应速度的速度、位置测量装置。

利用增量式码盘的反馈脉冲信号测量速度的典型方法有3 种: M 法、T 法和M/ T 法。

其中，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的，低速时会因为脉冲数少而影响测速精度; 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的，高速时则因为脉冲间隔短而导致精度不高; M/ T 法结合了前两种方法的优点，在大致相等的采样间隔内，计取Cm 个反馈脉冲，并同时计取这Cm 个反馈脉冲间隔内插入的高频时标信号数Cf ，经计算得到速度测量值。

M/ T 法虽然克服了前两种方法的缺点，但仍存在低速时采样时机不确定，精度不高等问题，这给定周期采样的数字伺服控制系统带来很大的不便，所以又出现了变M/ T 法等方法，以进一步改善M/ T 法的性能和实用性[ 12] 。

本文利用FPGA 实现了一种改进的M/ T 法，克服经典M/ T 法的不足，其测速电路与控制器间的数据接口形式有PCI 总线和双端口RAM，便于在高性能控制系统中使用。

1 总体方案根据控制系统的实际情况，所设计的测速板具有位置测量和速度测量功能，如图1 所示，由倍频辨向模块、改进M/ T 法测速模块、PCI 从设备控制器三个部分组成。

基于国产FPGA的增量式光电编码器测速电路研究

间一直等于整数个所测光电脉冲数。随着ＦＰＧＡ技术的不断更新，我国自主研发生产的ＦＰＧＡ在低端应用领域有着性价比高、自主性强等优势，因此使得利用硬件描述语言在国产ＦＰＧＡ上实现电机测速电路成为可能，所以本文采用国产ＦＰＧＡ＋ＡＲＭ的片上系统架构，通过改进的变犕／犜法，并用ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ语言进行片上编程，来实现在国产ＦＰＧＡ芯片上对电机转速进行测量的电路设计。
收稿日期：２０１５０７１８；修回日期：２０１５０８２７。基金项目：国家自然科学基金２０１０年资助项目（６１０７４０１８）。作者简介：马玲芝（１９８９），女，湖南郴州人，硕士研究生，主要从事电路与系统、测量与控制、ＦＰＧＡ应用方向的研究。李鸿（１９６２），男，浙江人，教授，博士，主要从事非电量电测和机电一体化、仪表及数控领域方向的研究。
基于国产犉犘犌犃的增量式光电编码器测速电路研究
马玲芝，李鸿
（长沙理工大学电气与信息工程学院，长沙４１０１１４）

摘要：利用增量式光电编码器测量电机转速对伺服控制有着至关重要的作用；针对于目前测速系统对频率、实时性等方面的要求，并结合国产ＦＰＧＡ（ｆｉｅｌｄ－ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅｇａｔｅａｒｒａｙ可编程逻辑器件）芯片的优势，提出利用嵌有ＡＲＭ（ａｃｏｒｎｒＩＳＣｍａｃｈｉｎｅ）内核的国产ＦＰＧＡ芯片ＣＭＥ＿Ｍ７作为硬件开发平台，并采用ＶｅｒｉｌｏｇＨＤＬ（ＨＤＬ：ｈａｒｄｗａｒｅｄｅｓｃｒｉｐｔｉｏｎｌａｎｇｕａｇｅ硬件描述语言）语言编程的方法，设计了一种基于国产ＦＰＧＡ的增量式光电编码器测量电机转速的测速电路；经过实验验证，证明了所设计的测速电路精度高、测速范围宽、实时性好、抗干扰能力强。

基于FPGA的电机测速仪设计

（ｏｕｅｃｎｅＤｐｒｍｅｔＴｒｅＧｏｇｓＵｉｅｓｙＣｏｇｉｇ４４０，ｈｎ）ＣｍｐｔｒＳｉｃｅａｔｎ，ｈｅｒｅｎｖｒｉ，ｈｎｑｎ０００Ｃｉａｅｔ
ＡｂｔａｔＴｉｐｐｒｐｐｓｄｏｅｋｎｆｍｅｈｄｔｓｔｅｓｅｄｏｌｃｒｃｍｏｏ，ｉｔｄｃｄｄｓｎｓｒｃ：ｈｓａｅｒｏｅｎｉｄｏｔｏｔｔｐｅｆｅｔｉｔｒｎｒｕｅｅｉｏｏｅｈｅｏｇｐｉｓｐｙｈｅｂｓｌｐｎｉｌｈｌｏｈ，ｔａａｒｃｐｅ，ｃｍｐｅｅｅｄｓｇｉａｔｙｕｉｇｈｒｗｒｅｃｉｔｎｌｎｕｇｏｉｏｌｔｄｔｅｉｍａｎｐｒｂｓｎａｄａｅｄｓｒｉａｇａｅｈｎｐｏ
人锁存器，然后输出到显示单元进行显示。
为高电平（５）＋ｖ。
收稿日期：２１０１—０３—１７
基金项目：重庆三峡学院大学生创新实寸划项目（教务处［Ｏ１ ∞１］号）作者简介：饶金湫（９８一），本科，１８男，主要从事计算机科学与技术方面的学习和研究。
２１年第９０１期
中图分类号：Ｍ３．Ｔ９０９文献标识码：Ａ文章编号：０９— ５２２１）９— ０３— ２１０２５（０１００５０
基于ＦＧ的电机测速仪设计ＰＡ
饶金湫，吴继成，姜帝，万君蒋

基于FPGA的电机测速装置

GPIO_2 _LEDS
数码管、发光二极管控制输出
实现方法
3.2 程序设计
/*主函数*/ int main(void) { //各模块初始化
while(1) { //读拨码开关 if(/*显示速度*/) //数码管显示速度 else //数码管显示位置 //控制LED亮灭 } /*定时器中断函数*/ void TimerCounterHandler() { if(/*中断发生*/) { //读取码盘计数 //计算速度 } }
实现方法
2.2正交解码
参考机械鼠标硬件电路，由两个移位寄存器和两个异或门运算组成。当检测到跳变沿时count_enable置1，再根据count_direction判断方向。
第一个触发器用于将外部信号与内部时钟信号同步，以免引入亚稳态。
正转：当满足以下任何一个条件，计数器即加1 A相出现上升沿时，B相为低电平； B相出现上升沿时，A相为高电平； B相出现下降沿时，A相为低电平； A相出现下降沿时，B相为高电平。反转：当满足以下任何一个条件，计数器即减1 A相出现上升沿时，B相为高电平； B相出现上升沿时，A相为低电平； B相出现下降沿时，A相为高电平； A相出现下降沿时，B相为低电平。
2.1差分信号转单端信号
低电压差分信号传输（LVDS）接口具有高速率、低功耗、低噪声和低电磁干扰等优点，在高速数字系统设计中具有广泛应用。
为保证采集信号的可靠和稳定，需要将电机码盘输出的差分信号
转换成单端信号。差分信号采用Differential Input Buffer(IBUFDS) IP核转换。专用的输入管脚是成对分配的，且I/O标准是默认LVDS_25模式。
2017年 1月 6日
星期五

FPGA在电机测速系统中的应用资料

存档日期：存档编号：本科生毕业设计（论文）论文题目： FPGA在电机测速系统中的应用姓名：XX学院：电气工程及自动化学院专业：电气工程及其自动化班级、学号：指导教师：XXXXX大学教务处印制摘要基于FPGA的电机速度测量系统设计,以MAX+PLUSⅡ为软件平台,采用原理图和VHDL文本设计并通过数码管驱动电路静态显示电机转速。

该系统能够完成对电机转速参数和数据的采集，实时记录、处理、分析显示的功能，通过软件设计省去了大量硬件电路设计，具有一定的电路设计集成化，经实际应用证实，该系统运行稳定、安全可靠、抗干扰能力强、高速精确。

本文介绍了FPGA的国内外研究现状和它的工作原理、发展历史、结构和特点，简单介绍光电编码器的原理，Max+plusII的流程等。

并对增量式光电编码器脉冲信号进行倍频、鉴向、锁存、运算、数据位选择和显示模块进行了详细的介绍。

编码器输出的数据在FPGA芯片中进行倍频、鉴相、计数、锁存、运算、数据位选择等传输处理；最后，所得的数据经数码管显示。

关键词：光电编码器FPGA Verilog HDL语言电机测速AbstractFPGA based motor speed measurement system design, with MAX+PLUS II as a software platform, the schematic diagram and VHDL text design and through digital tube driving circuit for static display of motor speed. The system can complete the speed of rotation of the motor parameters and data acquisition, real-time recording, processing, analysis and display functions, through the software design saves the hardware circuit design, has a certain circuit design integration, through the practical application confirms, the system has stable operation, safety and reliability, strong anti interference ability, high speed precision.This article introduced the FPGA research status at home and abroad and its working principle, developing history, structure and characteristic, introduced the principle of photoelectric encoder, the Max+plusII process. And the incremental optical encoder pulse signal frequency, phase, frequency, to counter latch, operation, data bit selection and display module in detail. The encoder output data in the FPGA chip for frequency, phase, counter, latch, operation, data bit selection, transmission and processing; finally, the data collected by a digital tube display.Key words:Optical - elect rical Encoder FPGA Verilog HDLMotor speed目录摘要 (I)Abstract.................................................... I I 1 绪论.. (1)1.1 课题研究的目的和意义 (1)1.2 本课题的研究现状及分析 (1)1.3本课题的主要工作 (2)2 FPGA 芯片简介 (3)2.1 FPGA的工作原理 (3)2.2典型的FPGA结构 (4)2.3 FPGA的优点 (6)2.4 VerilogHDL语言介绍 (8)3 方案选择 (10)3.1 光电编码器简介 (10)3.1.1 光电编码器的分类 (11)3.1.2 增量式光电编码器的原理 (12)3.2 数字测量方法 (12)3.2.1 M法测速 (13)3.2.2 T法测速 (13)3.2.3 M/T法测速 (14)3.3 三种测速方法的精度指标 (15)3.3.1 分辨率 (15)3.3.2 测速误差率 (16)3.4 测速方法的比较和选择 (17)3.5 光电耦合器介绍 (18)4 Verilog HDL编程工具 (19)4.1 MAX+plusⅡ简介 (19)4.2 MAX+plusⅡ开发系统的特点 (19)5系统总体设计 (21)5.1 系统总体结构图 (21)5.2 总体设计流程 (21)5.2.1 系统主要模块的划分 (22)5.2.2 各个模块的功能 (22)6 系统详细设计 (23)6.1 详细功能设计 (23)6.2 系统层次结构设计 (23)6.2.1 倍频、鉴向模块 (24)6.2.2 计数模块 (27)6.2.3锁存器模块 (30)6.2.4 运算模块 (32)6.2.5 译码模块 (34)6.3 整体模块设计 (36)6.4 本章小节 (37)致谢 (39)[参考文献] (40)1 绪论1.1 课题研究的目的和意义基于FPGA的电机测速显示系统是生产工业中不可缺少的一个系统。

基于FPGA的相关测速系统

基于FPGA的相关测速系统相关测速是以随机过程的相关理论和信息理论为基础发展起来的[1-2]，它的应用始于上世纪40 年代，首先应用于军事上，然后逐渐转移到科学研究和民用上，现在已经在各个领域内得到日益广泛的应用。

尽管相关测速的运算量非常巨大，但是随着EDA 技术的高速发展，大规模可编程逻辑器件CPLD/FPGA 的出现，集成电路做得比以前更快、规模更大。

设计人员有很大的自由度去设计实现用途专一的集成化数字电路：在实验室里，在电脑系统前，现场设计、现场编程、现场配置、现场修改和现场验证，从而在现场实现数字系统的单片化设计和应用。

这意味着无需更改电路，只要改写FPGA 内部功能，整个系统即可实现新功能，即一个最小的芯片方案可以转换来执行多个功能，硬件的配置变得如同软件一样灵活方便，而其速度和集成度，也随着VLS 工艺的发展而迅速提高，这就为相关测速的实际应用提供了硬件平台。

只要找到合适的算法并建立相应的硬件处理系统，运算速度和精度就能达到预期的要求。

1 系统硬件及相关算法的确定本文测速的原理是：以CCD 摄像头作为前端装置，将CCD 摄像头所采集的图像信息送到FPGA 中，由FPGA 对其进行处理，并给出当前运行的速度。

在满足速度上限的条件下，连续两次采集的图像必然有重叠的部分。

对连续两次的图像进行相关处理，就可以得到它们之间的位置关系，再结合采样间隔时间，从而可以得出速度。

由于图像处理算法涉及的运算量比较大，对系统的快速处理能力和大数据量的吞吐能力有严格的要求[3]，因此系统中的核心器件FPGA 的选择必须遵循以下原则：(1)调试使用方便；(2)适当的响应速度；(3)适当够用的逻辑资源；(4)。

基于FPGA的电机测速电路设计与实现

ｅａｉｎａｄｅｙｔｕｅｗｔｔｎｔ— ｔｅｅｃｉｔＴｅｐｅｉｏｅｔｈｍｔｒｉｕｔｅｒｏｎａｓｉｓｏｇａｉｉｅｒｎｅａｌｙｈｒｃｉｏｔａｏｅｒｉｏｔｔｓｏｈｒｎ —ｎｆｉｂｉ．ｓｎｆｈｃｅｃｃｈｆ
机械设计与制造
７８
文童编号：０１３９（０１１— ０８０１０ — ９７２１）２０７ — ３
第１２期
２１年１０１２月
ＭａｈｎｒＤｅｉｎｃｉｅｙｓｇ
＆
Ｍａｕａｔｒｎｆｃｕｅ
基于ＦＧＰＡ的电机测速电路设计与实现木
路的设计。提出等精度频率测量方法，该方法具有精度高及在测量过程中精度保持恒定，随被测号变化而变化的特点，不且精
ａｌｔｅｓｓｍｔｃｌｃｄｄｓｌｙｔｅａａｔｒａｄｄｔｆｒｔｒＳｒｍｂｏｐｒｇｄｆｒｎｎｂｅｈｙｔｏｌｔｎｉａｒｍｅｓｎａｏｍｏ ’ ｐｙｃｍａｉｉｅｅｔ－ｅｏｅａｐｈｐｅａｏｎｆｅｃｄｒｓｏｅｐｏｅｓｇｍｔｏｓａｗｉｈｃｒｅｍａｕｅｅｔｏｍｏｔｅｍｔｒａｅｌｅｒｃｓｉｅｈｄ．ｎｈｌｔｅａｕａｅｒｍｎｆｒｒｈｏｏｓｒａｉｄｎＭｅｅｃｔｓｐｆｗｚｔｒｕｈｈｄａｅｐｏｒｈｏｇａｗｒｇａｎｎｕｇｅ１ＤｎｅｅＱａｔｓｅｅｐｅｔｏｔａｅｅｖｒｎｒｒｍｍｉｇｌｇａｅＶｉｏＨＬｕｄｒｈｕｒＩｄｖｌｍｎｆｗｎｉ－ａｌｇｔｕＩｏｓｒｏ

基于FPGA的电机测速系统设计_王靖

2 FPGA 模块设计
FPGA 模块的设计主要是实现将由光电编码器转换得到的电信号转换成转速值，通过数码管显示。因此本次设计的模块主要有分频模块、计数模块、锁存模块、数据处理模块和
－80－
图 5 分频程序流程图 Fig. 5 Chart of the frequency division 2.2 四位十进制计数四位十进制计数模块是通过复位信号和闸门信号来控制模块对外部被测信号的十进制计数。当复位信号为高电平时，b1、b2、b3、b4 四位计数信号都为 0。当复位信号为低电
进行编写，利用 Quartus II 软件自带的仿真软件进行仿真，通过观察仿真波形来验证模块是否正确。本设计可以实现
小数值的方波频率测量和电机转速测量。
关键词： FPGA；电机测速； VHDL；模块化设计
中图分类号： TP302
文献标识码： A
文章编号：1674－6236（2013）12-0079-04
可编程器件因门电路数有限的而产生的缺点。 FPGA 的使用路的作用是将十进制计数器得到的数据进行相应的处理后，
十分的灵活，同一片 FPGA 只要使用不同的程序就能够达到再送入显示译码电路进行转换译码[2]。电机测速系统的总体
第 21 卷第 12 期 Vol.21 No.12
电子设计工程 Electronic Design Engineering
2013 年 6 月 Jun. 2013
基于 FPGA 的电机测速系统设计
王靖（东南大学电子科学与工程学院，江苏南京 210096）

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的速度和位置测量板卡的设计与实现

基于FPGA的速度和位置测量板卡的设计与实现针对增量式光电编码器经典速度测量算法M/T法低速采样时间过长和位置测量算法精度不高的问题，本文基于定采样周期M/T法设计实现了速度和位置测量板卡。

采用Xilinx公司的XC3S400 FPGA为核心控制芯片进行设计，并设计PC104总线接口实现板卡与控制器的数据通信。

该板卡接收处理光电编码器的反馈脉冲得到速度和位置参数，将数据通过PC104总线接口传递给控制器。

实验表明，板卡的最小采样时间达到1ms，并且位置测量精度可达510-5。

增量式光电编码器作为速度和位置传感器被广泛应用于伺服系统。

理论上，光电编码器反馈脉冲的频率对应被测轴转速，反馈脉冲个数的累加值对应位置信息。

经典的速度测量方法有M法、T法和M/T法3种：其中M法通过计取固定时间间隔内光电编码器的反馈脉冲数计算当前转速，适用于高速场合;T法利用高频脉冲测量相邻反馈脉冲的时间间隔计算当前转速，适用于低速场合;M/T法不仅测量固定时间间隔内反馈脉冲的增量值，而且计数该时间内的高频脉冲数。

虽然M/T法克服了M法和T法测速范围有限的缺点，在高速和低速段都具有较高的分辨率及较低的测速误差，但是存在低速采样时间过长等问题。

经典的位置测量方法按转向的正负对反馈脉冲进行增减计数，然后将计数值乘以脉冲当量K 得到当前位置信息，可见其测量精度取决于脉冲当量。

本文以定采样周期M/T法为基础，它解决了经典M/T法低速检测时间过长的问题，保证每一固定周期都能采样到数据。

此外，该算法充分利用反馈脉冲的位置信息和时间信息，得到了比一个脉冲当量K更为精确的位置信息。

本文利用FPGA设计实现定采样周期M/T 法，并设计PC104总线接口满足板卡与控制器数据通信的要求。

1 总体方案速度和位置测量板卡接收光电编码器的反馈脉冲信号，通过差分电路将其转换为单端信号消除共模干扰，然后在FPGA中对脉冲处理得到速度和位置参数，最后将参数通过PC104数据接口传递给控制器。

基于fpga的光控电机调速模块设计

基于fpga的光控电机调速模块设计基于FPGA的光控电机调速模块设计指的是利用现场可编程门阵列（FPGA）技术来实现光控电机的调速功能的一种设计方法。

FPGA是一种可编程逻辑器件，可以通过编程来实现各种数字逻辑功能，因此在电机控制领域中得到了广泛应用。

在基于FPGA的光控电机调速模块设计中，通常会将FPGA与光控元件、电机驱动器等组件结合起来，形成一个完整的控制系统。

其中，光控元件用于接收来自控制系统的信号，并根据这些信号来调节电机的速度。

而FPGA则负责实现控制算法和逻辑控制，根据光控元件的信号来控制电机驱动器的输出，从而实现电机的调速功能。

一个简单的基于FPGA的光控电机调速模块设计示例包括以下几个部分：1.FPGA芯片：选择一款适合电机控制应用的FPGA芯片，如Xilinx或Altera等品牌的产品。

2.光控元件：选择一款适合电机调速的光控元件，如光电编码器或光栅尺等。

3.电机驱动器：选择一款适合电机的驱动器，如直流电机驱动器或步进电机驱动器等。

4.控制系统：通过编写控制算法和逻辑控制程序，利用FPGA来实现对光控元件和电机驱动器的控制。

在实现过程中，需要根据具体的硬件设备和系统需求，设计合理的硬件电路和控制算法。

此外，还需要利用相应的EDA软件（如Quartus或Vivado等）进行FPGA的编程和配置。

总结来说，基于FPGA的光控电机调速模块设计是指利用FPGA技术来实现光控电机的调速功能的一种设计方法。

通过将FPGA与光控元件、电机驱动器等组件结合起来，可以实现精确、快速、灵活的电机调速控制。

这种设计方法在自动化生产线、机器人、数控机床等领域中具有广泛的应用前景。

基于FPGA的电机转速测速系统设计

摘要在现代工农业生产和日常工作生活中对机器设备的各方面要求越来越高，温度控制，电机测速等都是工农业生产中经常遇到的问题。

我们之所以研究基于FPGA 的电机转速测速系统，那是迫于时代发展的需要。

随着科技的发展，我们发现当我们在对运动物体的速度量进行测量时由于器件选择不当产生了误差,从而直接或间接地影响了测量结果的精度，这就满足不了生产和生活的需要。

于是我们提出一种使用增量式光电编码器对运动物体速度进行测量的方法,避免了上述误差的产生,节约了成本而且实现简单,理论上可以达到更高的精度。

基于FPGA的速度测量系统设计,以QuartusⅡ为软件平台,采用模块化设计并通过数码管驱动电路静态显示最终结果。

具有外围电路少,集成度高,可靠性强等特点。

接下来本文详细的研究了对增量式光电编码器脉冲信号进行倍频、鉴向、计数器分频、锁存、运算、数据位选择和显示。

首先，介绍了FPGA的国内外研究现状，光电编码器的原理、FPGA的发展史、它的设计方法，它的原理与特点，可编程逻辑器件的基本设计思想，一般性可编程逻辑设计的理论，光电耦合器以及数码管显示；其次，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。

编码器输出的数据在FPGA芯片中进行倍频、鉴相、计数、锁存、运算、数据位选择等传输处理；最后，所得的数据经数码管显示。

关键词：FPGA光电编码器VHDL语言电机Design of Motor Rotational Speed Measuring System based on FPGAAbstractIn modern industrial and agricultural production and daily life in all aspects of the machinery and equipment have become increasingly demanding, temperature control, motor speed and other industrial and agricultural production are often problems. The reason why we study motor speed FPGA-based system, it is forced to the needs of the times. As technology develops, we found that when we are on the moving object's velocity measured amount of choice when the device is improper because the error produced, thereby directly or indirectly affect the accuracy of the measurement. This can not meet the needs of production and life. So we propose a use of incremental optical encoder to measure the speed of the moving object method, to avoid these errors generate cost savings and simple, in theory, can achieve higher accuracy.The speed measurement system in the FPGA design to Quartus Ⅱ as the software platform, modular design and digital control drive circuit through the dynamic display of the final result. With less peripheral circuit, high integration, high reliability and so on.Next, a detailed study of this incremental photoelectric encoder pulse signal multiplier, Kam-to, count, clock module, control, data selection and display. First, the introduction of the FPGA current studies, introduced the development history of optical encoder, FPGA development history, its design, its principles and characteristics;the basic programmable logic device design, and general programmable logic design theory. Second, for less than the previous design, using a highly integrated FPGA chip as the core of the design approach to achieve incremental photoelectric encoder signal processing. Encoder output data in the FPGA chip for frequency doubling, phase, counting, control, data transmission choice;at last, the data collected by the digital display.Key words:FPGA ; Photoelectrical Encoder; VHDL Language; motor目录1 引言 (1)1.1 目的及意义 (1)1.2 研究现状及前景 (1)2 FPGA和器件介绍 (2)2.1 FPGA概述 (2)2.1.1 FPGA设计方法 (2)2.1.2 FPGA原理及特点 (3)2.1.3 FPGA的设计流程 (3)2.1.4 VHDL程序基本结构 (4)2.2 光电编码器简介 (6)2.2.1光电编码器的工作模型 (6)2.2.2 光电编码器的分类 (7)2.2.3 光电编码器的工作原理 (7)2.3 光电耦合器简介 (8)2.4七段数码管简介 (9)3 系统开发工具 (12)3.1 QuartusⅡ7.2简介 (12)3.2 软件的运行环境 (12)4电机转速测量原理 (13)4.1 数字测量方法 (13)4.1.1 M法测速 (13)4.1.2 T法测速 (13)4.1.3 M/T法测速 (14)4.2三种测速方法的精度指标 (15)4.2.1 分辨率 (15)4.2.2 测速误差率 (16)4.3测速方法的比较和选择 (17)5 系统总体设计 (18)5.1 系统总体结构图 (18)5.2 总体设计 (18)5.2.1 系统主要模块的划分 (18)5.2.2 各个模块的功能 (18)6 系统详细设计 (18)6.1 详细功能设计 (19)6.1.1系统详细结构设计 (19)6.2 系统层次结构设计 (19)6.2.1 倍频、鉴向模块 (20)6.2.2 计数模块 (21)6.2.3 时钟模块 (22)6.2.4 锁存模块 (24)6.2.5 运算模块 (25)6.2.6 译码模块 (26)6.3 整体模块设计 (27)6.4 本章小节 (28)7 系统调试与运行 (29)7.1 系统测试 (29)7.2 结果分析 (30)8 总结与展望 (32)8.1 总结与展望 (32)致谢 (33)参考文献 (34)附录 (35)外文资料 (42)1引言1.1 目的及意义基于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。

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。