基于FPGA直流电动机驱动的设计
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的无刷直流电动机控制系统设计_魏然
微特电机 2006年第10期 D驱动控制ri ve and c o nt r ol29 收稿日期:2005-07-07改稿日期:2005-09-13资金项目:国家863计划资助基于FPGA 的无刷直流电动机控制系统设计魏 然1,金明河1,王新升2,刘伊威1,刘 宏1(1.哈尔滨工业大学机器人研究所,黑龙江哈尔滨150001;2.北京邮电大学,北京100876)The D esi gn of BLDC M otor Con trol Syste m Ba sed on FPGAW E I R an 1,J I N M ing -he 1,WAN G X in -sheng 2,L I U Yi -w ei 1,L I U Hong1(1,Harbin I nstitute of Technol ogy Robotics Research I nstitute,Harbin 150001,China;2.Beijing University of Post and Telecommunicati ons,Beijing 100876,China ) 摘 要:介绍了一种基于FPG A 的无刷直流电动机控制系统及自顶向下的设计方法。
该系统采用FPG A 作为核心器件,极大减少了分离元件的使用,利用硬件描述语言VHDL 设计在片内实现电机控制逻辑,因此系统具有极大的灵活性、扩展性和通用性,抗干扰能力强、且系统本身结构紧凑,已成功应用于机器人仿人灵巧手手指中。
关键词:可编程逻辑门阵列;无刷直流电动机;VHDL 中图分类号:T M 33 文献标识码:A 文章编号:1004-7018(2006)10-0029-02Abstract:The mechanis m and fr om -t op -t o -down de 2sign method of BLDC mot or contr ol syste m based on FPG A are intr oduced .A s the core of the syste m,FPG A i m p le ments the most l ogic functi ons .The distinctive advantages of the syste m are flexible,expandable,stable,si m p le and compact .This system has been successfully used in dextr ous r obot hand .Keywords:FPG A;BLDC M;VHDL1引 言无刷直流电动机由于其无电刷及换向火花、小转动惯量、小体积、低噪声、免维护等优点,在机器人领域中得到广泛应用。
基于FPGA直流电机的PWM控制——毕业设计
基于FPGA直流电机的PWM控制Based on FPGA direct current machine's PWMcontrol rotational摘要EDA技术是用于电子产品设计中比较先进的技术，可以代替设计者完成电子系统设计中的大部分工作，而且可以直接从程序中修改错误及系统功能而不需要硬件电路的支持，既缩短了研发周期，又大大节约了成本，受到了电子工程师的青睐。
实现直流电机转速的控制方法很多，可以用可编程序控制器PLC、单片机等方案来实现。
但是这些控制方法的功能修改及调试都需要硬件电路的支持，在一定程度上增加了功能修改及系统调试的困难。
因此，在设计中采用EDA技术，应用目前广泛应用的VHDL硬件电路描述语言，实现直流电机转向的控制设计，利用QuartusⅡ集成开发环境进行综合、仿真。
关键词：电子系统、硬件电路、直流电机、转向ABSTRACTEDA the technology is uses in the electronic products design the quite advanced technology, may replace the desi gner to complete in the electronic system design the majority of work, moreover may revise wrong and the system function directly from the procedure, but does not need hardware circuit's support, both reduced the research and development cycle, and saved t he cost greatly, has received the electronic engineer's favor.Realizes the direct current machine rotational speed control method to be many, may use programmable plans and so on controller PLC, monolithic integrated circuit to realize. But these control method's function revision and the debugging needed hardware circuit's support, to increase the function revision and the system debugging difficulty to a certain extent. Therefore, uses the EDA technology in the design, the application present widespread application VHDL hardware circuit description language, realizes control design which the direct current machine changes, uses QuartusⅡThe integrated development environment carries on the synthesis, the simulation.Key word：EDA、VHDL、QuartusⅡ、the direct current machine、realizes control目录前言 (3)第一章PWM技术 (4)第二章EDA简要介绍 (6)§2.1 EDA技术的发展历程 (6)§2.2 EDA技术的主要内容 (8)§2.3 EDA技术的发展趋势 (9)第三章硬件描述语言VHDL (11)§3.1 VHDL语言概况 (11)§3.2 VHDL硬件程序结构 (13)§3.3 VHDL语言的特点 (16)第四章QuartusII开发系统 (17)§4.1 QuartusII设计流程： (17)§4.2 QuartusII的设计特点 (20)第五章本设计中所用到的各基本原件的程序及仿真波形 (22)§5.1 八位计数器 (22)§5.2 A_D转换器 (23)§5.3 比较器 (25)§5.5 元件组合完成电机方向转换的仿真 (28)结论 (31)参考文献 ............................................... 错误!未定义书签。
基于FPGA的直流无刷电机驱动
基于FPGA的无刷直流电机驱动器设计当今的无刷直流电机凭借其高效，大启动力矩，调速性能优越而成为高效电力驱动的新宠，广泛地应用在航空，航天，汽车，精密电子等行业。
相比之前的有刷电机有免维护，寿命长等不可比拟的优势。
FPGA现场可编程门阵列的出现，将改变目前直流电机控制系统大多由DSP和单片机实现的格局。
与传统DPS相比，FPGA比DSP拥有更快速度，更低的功耗，更高的集成度，这不单单是针对1轴，可以将3轴，4轴，甚至多轴控制系统集成在单FPGA芯片内。
并且，FPGA的可重构型便于修改，更新，升级。
本方案就是基于XILINX的FPGA来完成直流无刷电机的驱动设计。
方案实现功能：电机调速电机电流控制电机过流保护短路保护先来看下整体伺服系统的框图。
本次设计主要完成上图中的黑线内部分。
单轴，以后再做扩展。
设计框图：电机选用24V 带霍尔传感的无刷直流电机。
驱动电路采用PWM方式驱动。
H驱动桥考虑到集成度和易用性，选用TI公司的DRV8312；电流环路采集选用ADS1204的4通道ADC；核心FPGA 芯片选用SPARTAN3E/SPARTAN6LX9；FPGA芯片内要完成两个环路的PI算法；ADC的采集，滤波；电机的测速；PWM波形发生器；霍尔信号与电机换向逻辑；人机交互界面以及PI 参数设定以上位机和LABVIEW 来实现。
本方案参考安福利公司最新的电机驱动模块，TI无刷直流电机系统方案，ADI电机系统方案，以及XILINX官网相关资料。
单位：中电集团第39研究所通信部拟定人：冯双。
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。
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河南大学2014届本科毕业论文论文题目基于FPGA直流电动机驱动的设计论文作者姓名：______________作者学号：___1003618004_______所在学院：民生学院所学专业：_电子信息科学与技术_导师姓名职称：___ _______论文完成时间： 2014年04月24日 _I河南大学民生学院本科毕业论文目录摘要： ..................................................................................... 错误！未定义书签。
0 前言 (2)1 绪论 (2)1.1 课题的来源 (2)1.2 课题研究的目的及意义 (3)1.3 课题国内外研究现状 (4)1.4 课题实质性展现 (4)2直流电动机的概括 (4)2.1 直流电动机的基本构成 (4)2.2 直流电动机的工作原理 (5)2.3 直流电动机的性能 (6)3 直流电动机的控制及PWM（脉宽调制） (7)3.1 控制器的控制电路 (7)3.2 转子位置传感器 (8)3.3 直流电动机的控制原理详解 (9)3.4 直流电机转速控制与PWM脉宽调制 (11)4 FPGA及其组成的控制器 (12)4.1 FPGA芯片 (13)4.2 VHDL硬件描述语言 (14)4.3 运用FPGA来实现对直流电动机的控制 (15)4.4 PWM（脉宽调制信号） (16)4.5速度检测 (19)5 结论 (20)参考文献 (20)II基于FPGA的直流电机驱动的设计电子信息技术在如今的社会中已然达到迅猛发展阶段，国家也在大力加强电子商务领域的引导性投资，可见其在当今社会中的重要性。
电子技术的发展方向。
可以说模拟电子技术是电子技术的根本，在调制解调，功率放大，信号放大、整流稳压等电路方面具有非常重要作用，移动通信等领域都不可或缺。
电子技术的另外一个重要组成部分数字电子技术同等重要的，和模拟电子技术相对比，数字电子技术具有稳定性好，精度高，抗干扰性强的优势。
也正是因为数字电子的这些优势使得它在一些领域的发展更胜于模拟电子，数字滤波器就是一个很好的证明。
数字电子技术目前也在向两个截然相反的方向发展，一是基于通用处理器的软件开发技术，如单片机、bps等技术，它们是在一个通用处理器的基础上结合少量的硬件电路设计来完成系统的硬件电路，而将主要精力集中在算法、数据处理等软件层次上的系统方法。
另一个方向是基于CPLD/FPGA的可编程逻辑器件的系统开发，其特点是将算法、数据加工等工作全部融入系统的硬件设计当中，在“线与线的互联”当中完成对数据的加工。
单片机微处理器作为核心来实现直流电机的控制已然跟不上时代发展的需求。
由此电机控制器也由模拟分立原件构成的电路向数模混合、全数字方向发展。
此文章主要研究了FPGA芯片在直流电机控制器中的作用。
文章详细的介绍了直流电机的类型、结构、工作原理、PWM调速原理和FPGA集成芯片。
后对所需应用的硬件语言VHDL方面知识也进行了介绍。
从而为论文的具体设计部分提供了理论基础。
FPGA的电机控制中，最基本的作用有三：组合逻辑、计数器、状态机。
关键词：FPGA芯片；直流电机；硬件描述语言（VHDL）；PWM；现场可编程门阵列DC motor driven FPGA-based design Electronic information technology in today's society has already reached the rapid development stage, countries are vigorously strengthen the field of electronic commerce to guide investment, and its importance in today's society .Direction of development of electronic technology. It can be said analog electronics technology is the fundamental electronic technology, the modem, power amplification, signal amplification, rectification regulators and other aspects of the circuit has a very important role in areas such as mobile communications are indispensable. Another important part of the digital electronic technology as important as electronic technology, and the relative ratio of analog electronics, digital electronics technology has good stability, high accuracy, strong anti-interference advantages. It is also because of these advantages make it the development of digital electronics in some areas more than analog electronics, digital filter is a good proof.Digital electronic technology is also currently the two diametrically opposite1SCM, bps technology, which is a combination of a small amount of hardware circuit design on the basis of a general purpose processor to completion of the hardware circuit system, and will mainly focus on system-level methods of software algorithms, data processing. Another direction is based on the system developed CPLD / FPGA programmable logic devices, which is characterized by the algorithms, data processing, etc. All of them integrated into the system's hardware design, the "interconnection line and the line," which complete data processing.Single-chip microprocessor as the core to achieve control of DC motor already keep up with demand of the times. Thus the motor controller is also developed by the original constitution of discrete analog circuitry to mixed analog-digital, all-digital direction. This article studies the role of FPGA chip in DC controller. Article describes in detail the types of DC motors, structure, working principle, PWM speed control principle and FPGA integrated chip. After VHDL hardware language knowledge required applications have also been introduced. Thus providing a theoretical basis for the specific design of the paper. FPGA motor control, the basic function of three factors: combinational logic, counters, state machines.Key words:DC motor， controller，FPGA(field programmable gate arrays)， VHDL(VHSIC hardware description language) ，PWM0 前言文章从开始就介绍了此次课题（FPGA控制直流电机）的选题原因，以及它的研究现状及其存在的意义。
接着详细的讲述了直流电动机、FPGA、VHDL的性能及其应用，PWM波形的产生。
随后用VHDL进行了详细的系统设计，最后运用大量的数据来验证设计的实践性能，并进行了仿真。
在此希望对此方面感兴趣的朋友们可以轻松上手。
1 绪论1.1 课题的来源在人类社会发展中使用工具,能量动力.是发展程度的标志,发电机电动机使人类社会发展中脱离了人力畜力及水力火力的现场,经电力线传送动力到一切应用动力的地点,是生产力发展的巨大动力源,是电力工业成为可能的基础,支撑着我你的现代生活的方方面面.然而电机的控制从模拟控制器发展到了数模混合控制器以及完全性的数字控制器来适应着时代的发展。
由于模拟控制器精度低，抗干扰性能差，已经被精度高，2电子信息技术在如今的社会中已然达到迅猛发展阶段，单片机微处理器作为核心来实现直流电机的控制已然跟不上时代发展的需求，只有加紧改进。
现在大多使用高性能的DSP来适应电机控制器的需求。
而随着EDA技术的突飞猛进，用FPGA （可编程门整列）的数字来实现电机的完美控制。
FPGA是在原先的PAL、GAL、CPLD等可编程器件基础上研究出来的数字电子系统编程器件。
FPGA已改其它器件的缺点，更是解决了定制电路的不足。