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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。
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的变频调速控制系统设计摘要：现代电力电子电路的控制旨在实现高速开关的计算机控制，并且朝着更高频率更低损耗和全数字化的方向发展。
现场可编程门阵列器件是最近这些年来崭露头角的一类新型集成电路，它的优势是简洁，经济，高速度，低功耗等。
同时具有全集成化，适用性强，方便开发和维护等明显优点。
同单片机，和DSP相比FPGA的频率更高，速度更快。
这些特点适应了电力电子电路的逐步高频化和复杂化发展的需要。
所以越来越多的领域中FPGA 获得了日益广泛的发展和使用。
FPGA进行设计可以简化系统的硬件结构，降低成本，并且显著改变系统的处理能力。
本文提出的FPGA设计方案可以实现数字化变频调速控制。
该系统能够产生三相正弦脉宽波形，该系统具有控制简洁，精确，易修改，可现场编程等特点，可以广泛应用于PMW变频调速系统的全数字化控制。
文中对方案的进行进行了详细的论述。
主要包括系统设计的理论分析，系统结构设计，以及在FPGA硬件上的实现，最终验证了该控制系统的可行性和有效性。
数字化是该系统的特点，系统最终生成的三相SPMW脉冲三相正弦调制波和三角载波比较得到的。
设计过程中，充分结合FPGA 器件的结构特点，产生三项正弦调制波，同三角载波通过比较器比较厚，最终得到三相SPWM脉冲序列。
概述：设计所要实现的功能：产生多路PWM波形从而实现变频调速的功能。
设计所采用的基本思想：通过调节电源频率可以调节电机的实际转速。
基于FPGA可以将所选定的变频调速控制方式和控制算法实现出来，形成输出目标控制信号的硬件电路。
系统模块设计与仿真根据系统所要实现的功能系统总体结构可以分为正弦信号生成模块，三角波产生电路D/A 转换器正弦波和三角波比较模块。
正弦波信号生成模块：生成正弦波样本，有直接数字频率合成器实现。
它主要是针对系统所需要的针线信号，做出正弦调制波模块的设计，同时在生成正弦信号的过程中完成对波形幅值的控制。
三角载波生成模块：生成三角载波，通过mif文件生成器生成三角波文件，得到三角波数据，与正弦信号生成模块中得到的数字正弦波进行比较，生成脉宽调制信号。
fpga直流电机pwm控制实验原理FPGA是一种可编程门阵列器件，可以用于实现数字电路设计，在工业自动化控制中有很广泛的应用。
而直流电机是一种常见的机电设备，其控制方式多种多样。
其中较常用的一种是PWM控制方式，即采用脉宽调制技术来实现电机控制。
在PWM控制方式中，通过将直流电源接入一个可变的开关，将其与电机串联，开关控制周期性地将电源接入电机绕组中，从而实现电机转动的控制。
在实际控制过程中，通过调整开关的开闭时间，可以实现不同的控制效果。
FPGA直流电机PWM控制实验，就是通过使用FPGA器件来实现对电机的PWM控制。
实验的流程如下：1.定义时钟信号：FPGA是一种异步工作的器件，需要一个时钟信号来同步各种逻辑操作。
因此，实验开始时需要定义一个时钟信号。
2.配置PWM模块：PWM模块是FPGA内部的一个模块，用于生成脉宽调制信号。
在此步骤中，需要对PWM模块进行配置，包括设置PWM输出频率、占空比、极性等参数。
3.编写控制代码：编写控制代码来实现PWM控制。
控制代码需要读取PWM模块输出，根据实际需要设置占空比、频率等参数，从而实现对电机的控制。
4.连接硬件：将FPGA器件与直流电机连接起来，使得FPGA能够对电机进行控制。
5.测试验证：通过实验来验证控制代码及电路的正确性。
在测试过程中，需要对PWM 信号进行观测，以确保其频率、占空比等参数符合预期，同时需要对电机转速进行观测，以确保电机的实际控制效果与预期一致。
总之，FPGA直流电机PWM控制实验，可以帮助我们更好地理解数字电路和控制原理，并通过实验验证对控制技术的应用。
在之后的研究和实际应用中，可以根据需要选择不同的PWM控制方式，并结合实际应用场景进行优化和调整，以实现最佳的控制效果。
第1篇一、实验目的1. 了解泵控马达的工作原理和系统结构。
2. 掌握泵控马达的调速控制方法。
3. 分析泵控马达在不同工况下的性能表现。
4. 评估泵控马达系统的稳定性和鲁棒性。
二、实验原理泵控马达系统由定量泵、变量马达、控制阀和执行机构组成。
通过调节定量泵的排量，实现变量马达的转速控制。
当定量泵的排量与变量马达的排量相等时，系统达到稳态，转速保持恒定。
三、实验设备1. 泵控马达实验平台2. 变频器3. 数据采集器4. 控制软件四、实验步骤1. 系统初始化：连接实验平台各部分，打开控制软件，设置实验参数。
2. 稳态实验：调整变频器输出频率，使系统达到稳态，记录转速、流量、压力等数据。
3. 变转速实验：逐步改变变频器输出频率，观察系统转速、流量、压力等参数的变化。
4. 负载实验：在系统达到稳态后，逐步增加负载，观察系统转速、流量、压力等参数的变化。
5. 控制策略实验：改变控制策略，观察系统性能的变化。
五、实验结果与分析1. 稳态实验：实验结果表明，系统在稳态时转速、流量、压力等参数基本稳定，符合预期。
2. 变转速实验：实验结果表明，随着变频器输出频率的增加，系统转速逐渐升高，流量和压力也随之增加。
3. 负载实验：实验结果表明，在系统达到稳态后，增加负载会导致转速下降，流量和压力增加。
4. 控制策略实验：实验结果表明，不同的控制策略对系统性能有显著影响。
例如，采用前馈补偿控制可以有效地提高系统的鲁棒性和稳定性。
六、结论1. 泵控马达系统具有调速范围广、响应速度快、控制精度高等优点。
2. 通过实验验证了不同工况下泵控马达系统的性能表现。
3. 前馈补偿控制等控制策略可以有效地提高泵控马达系统的稳定性和鲁棒性。
七、实验心得通过本次实验，我对泵控马达系统有了更深入的了解，掌握了泵控马达的调速控制方法，并学会了如何分析系统性能。
同时，实验过程中也遇到了一些问题，如系统稳定性不足、响应速度较慢等，通过查阅资料和请教老师，最终找到了解决方法。
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。
收稿日期：2017-10-11修回日期：2018-01-09基金项目：国家自然科学青年基金资助项目（51605488）作者简介：成钊（1992-），男，河南焦作人，硕士生。
研究方向：武器系统集成电路研究与应用。
*摘要：在行车取力发电系统中，由变量泵-定量马达组成的变转速泵控马达系统的输出转速存在非线性波动现象，保证变转速泵控马达系统的输出转速恒定是行车取力发电系统的关键技术指标之一。
为减小非线性波动的影响并实现系统的恒转速输出，提出了一种参数基于转速偏差和偏差变化率的指数函数的非线性PID 控制算法，在建立变量泵恒流量数学模型得到流量方程后，利用FPGA 完成了此算法的硬件实现，并采用“FPGA+SOPC 架构”设计了泵控马达的恒转速输出控制系统。
通过分析实验数据得出，该系统在输入转速时变，负载突变的情况下，其定量马达的输出转速波动量最大为60r/min ，超调量小于3.5%，调节时间最大为2s ，性能达到了国家III 类发电要求。
关键词：行车取力发电，泵控马达系统，非线性PID 控制，流量方程，FPGA 中图分类号：TP313文献标识码：ADOI ：10.3969/j.issn.1002-0640.2019.01.024引用格式：成钊，王和明，张勇，等.泵控马达系统恒转速控制器设计与FPGA 实现［J ］.火力与指挥控制，2019，44（1）：119-124.泵控马达系统恒转速控制器设计与FPGA 实现*成钊，王和明，张勇，张颖（空军工程大学防空反导学院，西安710051）The Design for Constant Output Speed Controller ofPump-controlled Motor System and FPGA AccomplishmentCHENG Zhao ，WANG He-ming ，ZHANG Yong ，ZHANG Ying（Air Defense and Antimissile Institute ，Air Force Engineering University ，Xi ’an 710051，China ）Abstract ：The critical problem of driving force generation technology is to realize constant outputspeed of variable speed pump -controlled motor system.The output speed of variable speed pump -controlled motor system consisted of variable displacement pump and constant displacement motorpresent nonlinear wave.A nonlinear PID control algorithm is proposed in this paper to realize constant output speed.The parameter of this algorithm is an index function based on speed deviation and deviation rate.Firstly ，the mathematic model of variable displacement pump constant flow is established and the flow equation of variable displacement is referred according to the transfer function.Secondly ，the hardware completion of this algorithm is accomplished based on FPGA.Finally ，the constant output speed of speed pump -controlled motor system is completed based on “FPGA +SOPC ”.Experiment demonstrate the largest speed wave of constant displacement motor is 60r/min ，the overshoot is less than 3.5%and the largest response time is 1.8s with input speed varying and load mutation and duty cycle of control signal mutation.These indexes satisfy the III tape of state power generation requirement.Key words ：driving force generation ，pump-controlled motor system ，nonlinear PID control ，flow equation ，FPGACitation format ：CHENG Z ，WANG H M ，ZHANG Y ，et al.The design for constant output speed controller of pump-controlled motor system and FPGA accomplishment ［J ］.Fire Control &CommandControl ，2019，44（1）：119-124.文章编号：1002-0640（2019）01-0119-06Vol.44，No.1Jan ，2019火力与指挥控制Fire Control &Command Control 第44卷第1期2019年1月119··（总第44-）火力与指挥控制2019年第1期图2A 型液压全桥示意图0引言随着现代科技的进步和现代战争模式向信息化发展，军用装备的小型化，模块化以及集成化是研究的热点方向。
现代军用车辆的车载设备需要大功率、高稳定性和可持续性电力系统的支持，因此，其工作的传统方法多采用驻车部署模式；而在车载设备机动供电方面多采用蓄电池供电模式，具有笨重、不可靠和不可持续的缺点，这两种模式均严重影响了军队的战斗力。
基于这一现状，行车取力发电成为解决这一问题的较优解决方案。
国外行车取力发电技术已经开始应用于工业领域和军事领域，美国、德国的行车取力发电技术实现了产业化［1-2］。
芬兰Dynaset 公司在行车取力发电液压调速系统的研究上，已经有了一些成熟的产品［3］。
在我国，行车取力发电也成为热点研究问题。
北京理工大学的郭初生利用带补偿的PI 控制器对输入转速处于时变情况下的泵控马达系统进行了系统建模与仿真［4］，证明了带补偿的PI 控制器能够有效克服转速波动对泵流量的影响。
北京交通大学的聂磊对行车取力发电系统恒速控制策略进行了深入研究［5］，车辆发动机转速在600r/m~2400r/m 变化时，交流用电功率在0kW~16kW 变化时，系统超调量小于6.6%，稳态误差小于0.1%。
北京交通大学的张吉军［6］利用常规PID 控制器对泵控马达系统进行了实验验证，结果表明系统性能比较稳定，但由于负载突变转速也会改变，系统超调量会不断变化。
北京理工大学的李晓林针对变量泵转速时变和负载扭矩突变的特点，利用动态面控制、LQ 最优控制等现代控制方法设计控制器［7-8］，仿真结果表明所设计的控制器可以满足泵控马达系统的技术要求。
立足于目前的研究情况，国内学者设计的泵控马达系统调速器稳态输出转速波动较小，稳态性能都比较好。
但是在如何提高系统的快速响应能力，减少超调量，以及在负载突变情况下提高系统的稳定性等方面依然需要深入研究。
为提高泵控马达系统快速响应能力和增强其在负载突变情况下的稳定性，本文根据机理性建模方法建立了变量泵恒流量数学模型，设计了一种参数基于偏差和偏差变化率的指数函数的非线性PID 控制器。
利用FPGA 完成非线性PID 控制器的硬件实现，基于“FP-GA+SOPC 架构”设计了泵控马达恒转速输出控制系统。
实验验证了本文设计的控制器对系统恒转速输出控制具有较好的可行性。
1变量泵恒流量数学模型建立在变量泵流量调节过程中，起主要调节作用的元件为比例电磁减压阀、伺服阀、斜盘和轴向活塞［9］。
变量泵的工作原理如图1所示。
图1变量泵原理图比例电磁铁将电流信号转换成位移信号，其线圈电流动态过程用微分方程表示为：（1）对式（1）进行拉式变换可以得到：（2）整理得到：（3）式中，W t =R s /L d ，L d 为线圈动态电感；R s 为线圈和比例控制放大器内阻。
伺服阀的功能是将比例电磁铁的输出功率进行放大，被用来控制液压缸。
本文将伺服阀控制流量与电路中桥式回路进行类比［10］，看成液阻构成的无源网络。
阀口的变化将影响控制回路的流量和压力。
建模时将滑阀看成两个可变液阻差动连接的全桥，如图2所示。
120··0120（总第44-）比例电磁铁通电后，电磁铁的输出力为伺服阀的输入信号，伺服阀的阀芯位移为输出量。
伺服阀的微分方程为：（4）对式（4）进行拉氏变换可得到：（5）整理得到：（6）式中，m t 为伺服阀芯组建的质量；C f 为伺服阀芯的动态阻尼系数；P f 为控制油压力；K fy 为液动力等效刚度；f d （t ）为电磁铁的输出力；y f （t ）为伺服阀芯位移。
由于阀控液压缸建模过程比较复杂，这里给出几个重要的推导公式。
伺服阀流量方程的线性化方程拉式变换后为：（7）液压缸流量连续性方程拉式变换后为：（8）液压缸输出作用力与所受斜盘和弹簧的反作用力的动态平衡方程拉式变换后为：（9）联立式（7）~式（9）得阀控液压缸的传递函数为：（10）（11）（12）式中，Y f 为伺服阀芯位移；Y p 为活塞位移；A p 为活塞有效面积；茁e 为液压油体积弹性模量；V t 为液压缸有效容积；M t 为活塞总质量；B p 为粘性阻尼系数；K 为负载弹簧刚度。
根据以上分析可以得到变量泵变量调节机构的回路框图如图3所示。
综合上式可以得到变量泵的流量方程为：（13）本文保持系统恒转速输出的主要思路为：根据变量泵的流量方程，通过非线性PID 控制变量泵流量始终维持在稳定状态，从而达到定量马达输出转速恒定的目的。
2恒转速输出的非线性PID 控制传统的PID 控制方法广泛应用于工业控制领域，其控制原理是基于误差来生成消除误差的控制，优点为依靠控制需达到的目标与实际行为之间的误差来确定消除此误差的控制策略。
