摘要
论文以直流电机为研究对象，应用了FPGA技术，设计出了一种全数字的步进电机控制系统。
本论文分析了直流电机工作原理及其具体的控制过程，并阐述了FPGA的设计原理以及所涉及的相关芯片，然后对所用的硬件语言VHDL的知识进行简要地介绍，这些为论文的具体设计提供了理论基础。
本系统针对实现直流电机的调速，设计了一种符合要求的并连续可调的脉冲信号发生器，对整个系统进行模块化设计，并且每个子模块都通过了仿真测试。系统采用模块化的设计思路，使系统的设计和维护更加方便，也提高了系统性能的可扩展性。
FPGA、VHDL以及EDA工具构成的数字系统集成技术，是本设计的核心部分，该技术具有操作灵活、利用广泛及价廉等特点。系统设计采用全数字化的控制方案，使系统更紧凑、更合理及经济节约。由于系统的数字化，使整个系统运行得十分可靠，调试也极为方便。
关键词：直流电机，可编程门阵列，硬件描述语言
Abstract
In this paper, DC motor as the study, with the application of FPGA technology, designs an all-digital stepper motor control system.
This paper analyzes the DC motor works, as well as its specific control process, describes the FPGA design principles and the related chips those are involved, then gives a brief introduction on the knowledge of applied hardware language VHDL , all these provides a theoretical basis for the specific design sections of the paper.
The system against the achievement of the DC motor speed control, designs a continuously adjustable pulse signal generator that can meet the requirements, and modular programmings for the whole system, each sub-module has pasted the simulation tests. The system uses a modular design concept. It's not only convenient for the system design and maintenance, but also improves the performance of the system scalability.
FPGA, VHDL and EDA tools constitute the field of digital system integration technology, as a core part of the system design, the skill with operational flexibility, cheap and widely use. The system uses a fully digital control scheme, making the system more compact, more rational and economical. Because the system's all digital,
the operation of the whole system become very reliable, the debugging is convenient, too.
Key Words：DC motor, programmable gate array, VHDL
目录
第1章绪论 (1)
1.1课题背景 (1)
1.2研究的目的及其意义 (2)
第2章电机的基本知识 (3)
2.1直流电机的特点 (3)
2.2直流电机基本结构 (3)
2.2.1定子部分 (4)
2.2.2转子部分 (4)
2.3直流电机工作原理 (5)
2.4直流电机PWM调速原理 (5)
第3章FPGA与硬件描述语言 (7)
3.1现场可编程逻辑器件 (7)
3.2硬件描述语言设计方法 (7)
3.2.1硬件描述语言发展概况 (7)
3.2.2 EDA简要介绍 (8)
3.2.3采用硬件描述语言的设计流程 (8)
第4章设计原理及其实现过程 (10)
4.1直流电机PWM调速方案设计 (10)
4.2FPGA内部逻辑组成 (11)
4.3模块设计和相应模块程序 (12)
4.3.1 PWM脉冲调制信号电路模块 (12)
4.3.2 逻辑控制模块 (16)
4.4 电路的总仿真图 (17)
4.4.1正/反转控制仿真 (18)
4.4.2 启/停控制仿真 (18)
4.4.3 加/减速仿真 (19)
4.4.4 仿真结果分析 (20)
4.5总结 (21)
参考文献 (22)
第1章绪论
1.1课题背景
自从1985年Xilinx公司推出第一片现场可编程逻辑器件（FPGA）到现在，FPGA已经经历了二十几年的发展历程。在这几十年的发展过程中，以FPGA为代表的数字系统现场集成技术取得了惊人的发展。现场可编程逻辑器件从刚开始的1200个逻辑门，发展到90年代的25万个逻辑门，甚至到现今国际上FPGA 的著名厂商Altera公司、Xilinx公司又陆续推出了数百万门的单片FPGA芯片，将现场可编程器件的集成度提高到一个新的水平。
FPGA的优点可以归纳为如下几点：效能，上市时间，成本，可靠性和长期维护五个方面。
效能--透过硬件的平行机制，FPGA 可突破依序执行(Sequential execution) 的固定逊算，并于每时脉循环完成更多作业，超越了数位讯号处理器(DSP) 的计算功能。BDTI 作为著名的分析公司，并于某些应用中使用DSP 解决方案，以计算FPGA 的处理效能。在硬件层级控制I/O 可缩短回应时间并特定化某些功能，以更符合应用需求[1]。
上市时间--针对上市时间而言，FPGA技术具有弹性与快速原型制作的功能。使用者不需进行ASIC设计的冗长建构过程，就可以在硬件中测试或验证某个观念。并仅需数个小时就可以建置其他变更作业，或替换FPGA 设计。现成的(COTS) 硬件也可搭配使用不同种类的I/O，并连接至使用者设定的FPGA 芯片。高级软件工具正不断提升其适用性，缩短了抽象层(Layer of abstraction) 的学习时间，并针对进阶控制与信号处理使用IP cores (预先建立的方式)。
成本--ASIC 设计的非重置研发(NRE) 费用，远远超过FPGA 架构硬件解决方案的费用。ASIC设计的初始投资，可简单认列于OEM 每年所出货的数千组芯片，但是许多末端使用者更需要定制硬件功能，以便用于开发过程中的数百组系统。而可程序化芯片的特性，就代表了低成本的架构作业，或组装作业的长前置时间。由于系统需求随时在变化，因此若与ASIC 的庞大修改费用相比，FPGA 设计的成本实在微不足道[2]。
可靠性--正如软件工具提供程序化设计的环境，FPGA 电路也为程序化执行的建置方式。处理器架构的系统往往具有多个抽象层，得以协助多重处理程序之间的作业与资源分享。驱动层(Driver layer) 控制硬件资源，而作为作业系统则管理记忆体和处理器频宽。针对任何现有的处理器核心来说，每次仅可执行1组指令码；而处理器架构的系统则可以连续处理重要作业。FPGA 不需要使用作业系统，并将产生问题的几率降到最低，采用平行执行功能与专属精密硬件执行
