2、基于FPGA的直流电机调速系统设计

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。

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的直流电机PWM控制实现》课程设计总结报告一、课题名称《基于FPGA的直流电机PWM控制实现》二、设计任务1.设计驱动电路来驱动直流电机2.显示调速等级3.测速电路基于L298N驱动直流电机设计三、系统总体设计方案（画出系统原理框图、方案的论证与比较等内容）；1.系统原理框图2.PWM的实现与比较一般的脉宽调制PWM信号是通过模拟比较器产生的，比较器的一端接给定的参考电压，另一端周期线性增加的锯齿波电压。

当锯齿波电压小于参考电压时输出低电平，当锯齿波电压大于参考电压时输出高电平。

改变参考电压就可以改变PWM波形中高电平的宽度。

若用单片机产生的PWM信号波形，需要通过D/A转换器产生锯齿波电压和设置参考电压，通过外接模拟比较器输出PWM波形，因此外围电路比较复杂。

FPGA中的数字PWM控制欲一般的模拟PWM控制不同。

用FPGA产生PWM波形，只需FPGA内部资源就可以实现。

用数字比较器代替模拟比较器，其一端接设定值计数器输出，另一端接线性递增计数器输出。

当线性计数器的计数值小于设定值时输出低电平，当计数值大于设定值时输出高电平。

与模拟控制比较，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，便于控制。

脉宽调制式细分驱动电路的关键是脉宽调制，转速的波动随着PWM脉宽系法术的增大而减小。

四、具体实现方案（各模块或单元电路的设计、工作原理阐述等内容）；1. PWM脉宽调制信号发生模块PWM-SQU1此模块是FPGA中的PWM脉宽调制信号产生电路。

它的输出接一电机转向控制电路模块，此模块输出的两个端口接直流电机。

通过控制SL端（键1），可以改变电机转向。

PWM-SQU1的输入端之一来自模块COUNTER8B。

这是一个8为计数器，输出的数据相当于锯齿波信号，此信号的频率就是PWM波的频率，它有来自锁相环的C0的频率决定。

PWM-SQU1另一端来自键控的8位数据，其中低4为CIN[3..0]设定为恒定1111，高4位有计数器CNT4B产生，计数器的时钟来自键K8.于是可以通过手动按键控制电机的转速。

《基于FPGA的直流电机PWM控制实现》课程设计总结报告一、课题名称《基于FPGA的直流电机PWM控制实现》二、设计任务1.设计驱动电路来驱动直流电机2.显示调速等级3.测速电路基于L298N驱动直流电机设计三、系统总体设计方案（画出系统原理框图、方案的论证与比较等内容）；1.系统原理框图2.PWM的实现与比较一般的脉宽调制PWM信号是通过模拟比较器产生的，比较器的一端接给定的参考电压，另一端周期线性增加的锯齿波电压。

当锯齿波电压小于参考电压时输出低电平，当锯齿波电压大于参考电压时输出高电平。

改变参考电压就可以改变PWM波形中高电平的宽度。

若用单片机产生的PWM信号波形，需要通过D/A转换器产生锯齿波电压和设置参考电压，通过外接模拟比较器输出PWM波形，因此外围电路比较复杂。

FPGA中的数字PWM控制欲一般的模拟PWM控制不同。

用FPGA产生PWM波形，只需FPGA内部资源就可以实现。

用数字比较器代替模拟比较器，其一端接设定值计数器输出，另一端接线性递增计数器输出。

当线性计数器的计数值小于设定值时输出低电平，当计数值大于设定值时输出高电平。

与模拟控制比较，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，便于控制。

脉宽调制式细分驱动电路的关键是脉宽调制，转速的波动随着PWM脉宽系法术的增大而减小。

四、具体实现方案（各模块或单元电路的设计、工作原理阐述等内容）；1. PWM脉宽调制信号发生模块PWM-SQU1此模块是FPGA中的PWM脉宽调制信号产生电路。

它的输出接一电机转向控制电路模块，此模块输出的两个端口接直流电机。

通过控制SL端（键1），可以改变电机转向。

PWM-SQU1的输入端之一来自模块COUNTER8B。

这是一个8为计数器，输出的数据相当于锯齿波信号，此信号的频率就是PWM波的频率，它有来自锁相环的C0的频率决定。

PWM-SQU1另一端来自键控的8位数据，其中低4为CIN[3..0]设定为恒定1111，高4位有计数器CNT4B产生，计数器的时钟来自键K8.于是可以通过手动按键控制电机的转速。

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 的直流电机速度控制器设计陈　桂1,万　其2(1.南京工程学院,江苏省南京市210013;2.南京电子技术研究所,江苏省南京市210013)【摘　要】　介绍了一种基于ALTERA 的FPG A (现场可编程门阵列)设计的直流电机速度控制器的设计方案及设计实现方法。

在FPG A 中实现电流和速度反馈数据的自动采集,同时设计了电流回路校正和速度回路校正模块,给出了控制器数据采集、算法实现及时序控制的实现方法。

最后介绍了速度控制器的仿真及试验结果。

该设计具有实时性强、响应速度快、集成度高、保护及时等特点。

关键词:直流电机,FPG A,速度控制中图分类号:T N99收稿日期:2005208220;修回日期:2005210220。

0　引　言随着电力电子器件和控制技术的发展,直流电机控制大多数采用P WM (脉宽调制)的方法对电机进行控制。

在这种控制方式的基础上,有两种模式:一种是采用模拟电路控制,另一种是采用高速单片机实现对电机的控制。

模拟控制的模式由于其调试繁复等固有原因,正逐渐被淘汰。

高速单片机控制全数字速度控制器正被广泛应用。

本文介绍的全数字控制的速度控制器不同于采用高速单片机控制的速度控制器,是利用FPG A (现场可编程门阵列)实现对直流电机控制。

由FPG A 完成所有的控制,具有控制保护响应快、接口设计灵活方便、特别是不会出现死机现象、控制更加可靠等特点。

1　控制器的组成控制器控制结构与普通直流电机速度控制器相似[1]。

基于FPG A 的速度控制器组成如图1所示。

图1　基于FPGA 的速度控制组成框图电机的速度反馈和电流反馈经信号调理后输入到A /D 转换器,由FPG A 控制其转换;上位机的控制输入输出直接送入FPG A;控制单元是控制器的核心部分,负责校正运算、故障检测、保护输出等功能;脉冲产生单元是产生P WM 脉冲,经驱动电路控制功率开关器件。

速度控制的设计实际上包含两个回路设计,即电流回路和速度回路设计,电流反馈和速度反馈经A /D 转换器送到FPG A 的运算单元,运算单元进行校正运算,将结果送到脉冲产生单元,控制电机的转动。

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。