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AbstractIn 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. Its 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 systems 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11.1课题背景11.2研究的目的及其意义2第2章 电机的基本知识32.1直流电机的特点32.2直流电机基本结构32.2.1定子部分42.2.2转子部分42.3直流电机工作原理52.4直流电机PWM调速原理5第3章 FPGA与硬件描述语言73.1现场可编程逻辑器件73.2硬件描述语言设计方法73.2.1硬件描述语言发展概况73.2.2 EDA简要介绍83.2.3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104.1直流电机PWM调速方案设计104.2FPGA内部逻辑组成114.3模块设计和相应模块程序124.3.1 PWM脉冲调制信号电路模块124.3.2 逻辑控制模块164.4 电路的总仿真图174.4.1正/反转控制仿真184.4.2 启/停控制仿真184.4.3 加/减速仿真194.4.4 仿真结果分析204.5总结21参考文献22i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作业。长期维护-FPGA 芯片为即时升级 (Field-upgradable) 特性，不需要像ASIC 一般重新设计的时间与费用。FPGA 具有可重设性质，可随时因应未来的需要而进行修改。当产品或系统趋于成熟时，不需耗时重新设计或修改配置，即可提升相关功能3。1.2研究的目的及其意义直流电动机因为具有良好的启动性能和宽广平滑的调速特性，从而被广泛应用于电力机车、无轨电车、轧钢机、机床和启动设备等这些需要经常启动并调速的电气传动装置中，直流发电机主要用作直流电源。此外，小容量直流电机大多在自动控制系统中以伺服电动机、测速发电机等形式作为测量、执行原件使用。当基于FPGA的嵌入式系统时，在设计周期之初就不必为每个模块做出用硬件还是软件的选择。由于FPGA中的逻辑单元是可编程的，可针对特定的应用而定制硬件。所以，仅使用所需要的硬件即可，而不必做出任何板级变动(前提是FPGA中的逻辑单元足够用)。设计者不必转换到另外一个新的处理器或者编写汇编代码，就可做到这一点。使用带有可配置处理器的FPGA可获得设计灵活性。设计者可以选择如何实现软件代码中的每个模块，如用定制指令，或硬件外围电路。此外，还可以通过添加定制的硬件而获取比现成微处理器更好的性能。另一点要知道的是，FPGA有充裕的资源，可配置处理器系统可以充分利用这一资源。算法可以用软件，也可用硬件实现。出于简便和成本考虑，一般利用软件来实现大部分操作，除非需要更高的速度以满足性能指标。软件可以优化，但有时还是不够的。如果需要更高的速度，利用硬件来加速算法是一个不错的选择。FPGA使软件模块和硬件模块的相互交换更加简便，不必改变处理器或进行板级变动。设计者可以在速度、硬件逻辑、存储器、代码大小和成本之间做出折衷。利用FPGA可以设计定制的嵌入式系统，以增加新的功能特性及优化性能。目前，虽然由晶闸管整流组件组成的固态直流电源设备已基本上取代了直流发电机，但直流电动机仍因为其良好调速性能的优势在许多传动性能要求高的场合占据一定的地位，而FPGA又具有很强的性能及其优势，基于FPGA的直流电机的控制还是有应用价值1。第2章 电机的基本知识电机可分为变压器、异步电机、同步电机和直流电机四个机种。其中变压器是静止的电气设备，其余均为旋转电机。异步电机和同步电机均为交流电机。在本次设计中用到的是直流电机，直流电机是实现直流电能与机械能转的装置4。2.1直流电机的特点直流电动机与交流电动机相比较，具有良好的调速性能和启动性能。直流电动机具有宽广的调速范围，平滑的无级调速特性，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；过载能力大，能承受频繁的冲击负载；能满足自动化生产系统中各种特殊运行的要求。而直流发电机则能提供无脉动的大功率的直流电源，且输出的电压可以精确地调节和控制。但直流电机也有它显着的缺点：一是制造工艺复杂，消耗有色金属较多，生产成本高；二是运行的时候由于电刷与换向器之间容易产生火花，所以可靠性比较差，维护比较困难。所以在一些对调速性能要求不高的领域中己被交流变频调速系统所取代。但是在某些要求调速范围大、快速性高、精密度好、控制性能优异的场合，直流电动机的应用目前仍然占有较大的比重5 6。 2.2直流电机基本结构直流电机由定子（静止部分）和转子（转动部分）两大部分组成。2.1 直流电机的结构2.2.1定子部分定子部分包括机座、主磁极、换向极和电刷装置等。（1）机座机座有两个作用，一是作为电机磁路系统中的一部分，二是用来固定主磁极、换向极及端盖等，起机械支承的作用。因此要求机座有好的导磁性能及足够的机械强度和刚座，机座通常用铸钢或厚钢板焊成。（2）主磁极在大多数直流电机中，主磁极是电磁铁，如图2.1的N、S就是主磁极，主磁极铁芯用