毕业设计（论文）-基于FPGA的控制芯片设计技术

附件：直流电机调速硬件连接图

串行通信接口原理连接图

摘要

近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大变化。随着计算机进入控制领域以及新型的电力电子功率元件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制PWM控制方式已成为主流。而随着可编程门阵列器件FPGA的出现，给直流调速控制提供了新的手段和方法。

本文简要介绍了电力电子技术和直流电机的控制策略的发展历程，以及对直流电机控制方式的发展趋势；重点介绍了FPGA的发展历程、应用、分类、开发工具、语言及开发流程等内容；详细分析了24V/3A并激直流电动机驱动方式的硬件电路设计以及差分电路和二进制数字量（10位）电路的硬件电路设计，特别是整个硬件电路的电源部分和信号干扰部分；编写了AD7811数据采集模块、LCD显示驱动模块、PWM控制器模块和串行通信模块的VHDL程序。在QuartusII软件环境下，使用VHDL硬件语言实现整体模块化设计，从而能够实现对直流电机的调速，限位，显示，以及接受串行通信命令调速的功能。

关键词：直流电机，脉宽调制，硬件语言，FPGA

ABSTRACT

Inrecentyears,theDCmotor’sstructureandcontrolmodehavetakengreatchanges.Withthedevelopmentofpowerelectronicsdevicesandpower-controltechnology,thePWMmodeusingfullycontrolledpowerdevicesalreadybecomesmainstream.Atthesametime,theFieldProgrammableGateArrayappearedanditprovidesnewmethodtothedirect-currentvelocitymodulationcontrol.BasedonFPGA,thiscontrolmodeisrealizedeasily,andprovidesnewmethodforthedirectcurrentmotorcontroldigitization.

ThispapergivesthepowerelectronicsandtheDCmotorcontrolstrategyofdevelopmentprocess,aswellasthecontrol-methodtrendsofDCmotor;Thedevelopmentprocess,application,classification,developmenttools,languageandcontentdevelopmentprocessofFPGAisintroduced;The24V/3AexcitedDCmotorofdrivermodehardwareoptionsanddifferentialcircuitsandbinarydigital(10bit)hardwareimplementationcircuitisanalyeddetailly,especiallyonthehardwaredesignofthepowerpartandthepartofsignalinterference;TheAD7811dataacquisitionmodules,LCDdisplaydrivermodule,PWMcontrollermoduleandtheserialcommunicationmodulearetobeadetailedprepared.IntheQuartusIIofsoftwareenvironment,theuseofVHDLlanguageprogrammaticallyachieveamodulardesign,whichcanbeachievedfunctionsoftheDCmotorspeedcontrol,limitedspeed,display,andtoreceivecommandedspeedserialcommunication.

Keywords:DCmotor,PWM,VHDL,FPGA

第一章绪论

电机是一种机电能量转换的装置，在国民经济中起着重要作用。在越来越多的应用场合，只能旋转的电机已无法满足要求，而是要能够实现快速加速、减速或反转以及准确停止等功能。这些功能的实现均要求对电机进行控制，所以，对电机的控制是电机应用的重要分支。电机在其实际应用中，已由过去简单的起停控制、提供动力为目的的应用，上升到对其速度、位置、转矩等进行精确的控制，使被驱动的机械运动符合预想的要求。在这种情况下，原先的“电机控制” “电气传动”已发展到“运动控制”的新阶段。下面就电力电子技术和电机控制技术国内外的发展情况进行简要介绍。

1.1 国内外电力电子技术的发展

电力电子技术是电机控制技术发展的最重要的助推器，电力电子技术的迅猛发展，促使了电机控制技术水平有了突破性的提高。从20世纪60年代第一代电力电子器件晶阐管(SCR)发明至今，已经历了第二代可关断能力的电力电子器件GTR、GTO、MOSFET，第三代复合场控器件IGBT、MCT等，和如今正蓬勃发展的第四代产品-功率集成电路（PIC）。每一代的电力电子元件也未停顿，多年来其结构工艺不断改进，性能有了飞速提高，在不同应用领域它们在相互竞争，新的应用不断出现。在功率器件发展的同时，驱动电路也获得了飞速的发展，目前，对每一类功率器件都有相应的专用驱动集成电路可供选用。现在已可以做到使用一片驱动电路，一路驱动电源来驱动三相逆变器的六个开关管，而不必为每个开关元件单独提供电源、隔离驱动等，大大简化了外围电路特别是驱动电路的设计。由于功率器件工作在开关方式，所以特别适合于数字控制、驱动，即便是模拟PID闭环，也必须将最终的输出转化为数字电平。因此，在功率器件的控制中采用数字控制技术明显优于模拟控制技术。

1.1.1 国内外电机控制器的发展

最初的电机控制都是采用分立元件的模拟电路，后来随着电子技术的进步，基础电路甚至电机控制专用集成电路被大量在电机控制中引用，这些电路大多为数模混合电路，它大大提高了电机控制器的可靠性、抗干扰能力，又缩短了新产品的开发周期，降低了研制费用。因为近年来发展很快，当前电机控制的发展越来越趋于多样化、复杂化，现有的专用集成电路难以满足苛刻的新产品开发要求，为此可考虑自己开发电机专用的控制芯片。现场可编程门阵列（FPGA）可以作为一种解决方案。作为开发设备，FPGA可以方便地实现多次修改。出于FPGA的集成度非常大，一片FPGA少则几千个等效门，多则几万或几十万个等效门。所以一片FPGA就可以实现非常复杂的逻辑，替代多块集成电路和分立元件组成的电路。它借助于硬件描述语言（VHDL或Verilog HDL）来对系统进行设计，硬件描述语言摈弃了传统的从门级电路向上直至整体系统的设计方法。FPGA在电机控制中，最基本的要起三个作用：组合逻辑、计数器和状态机：在电机调速、变频控制中，存在大量的逻辑与、或、非运算，这是FPGA最基本运算。利用FPGA进行逻辑运算，无疑是非常方便的。

1.1.2 电动机驱动与控制系统的发展

随科学技术的发展，出现了许多跨领域，跨学科的综合性学科，电动机驱动控制技术就是具有这种高度综合的特点，电子技术、微电子技术、计算机技术给电动机系统以新的生命力。电动机驱动控制技术涉及机械学、电动力学、自动控制技术、微处理技术、电力电子学、传感器技术、计算机仿真技术、计算机接口技术、软件工程学等学科与领域。

电动机驱动控制技术一般包括执行机械技术、逆变与电动机驱动技术、运动信息及信号检测、自动控制技术、电动机系统集成、以嵌入式数字信号微处理器芯片为核心的单片电动机系统技术、网络信息家电中的电动机控制技术。

按照IEC（International Electrotechnical Commision,国际电工委员会）分类，一般用途电动机是指常见的交流电动机（包括异步电动机和同步电动机）、直流电动机，还有交直流两用的通用电动机（包括小功率单相换向器电动机），一般电动机将电能转换为机械能，向被驱动的机械部件提供动力来源。它们除了作为机电能量转换的一个部件外，实际上，相当于一部分电动机在应用时还需要对其起停、正反转、制动以及调速等控制。

1.2 PWM控制发展

脉冲宽度调制（Pluse width modulation，简称PWM）控制技术广泛应用于各种电源、电机、伺服系统、通信系统、电子控制器、功率控制等电力电子设备，在机械装置中也发挥着重要的作用，比如，车间的机床，液压位置控制系统等。PWM技术实现的核心思想是基于面积等效的原理，其一般表述为：冲量相等但形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上效果基本相同。因此对于各种不同形状的波形，可以通过改变波形的周期、占空比等方式来达到改变输出波形宽度的目的，从而得到所需幅度和频率的波形。简单来说，这种控制技术的本质是“等效”，即只要窄脉冲所围成的面积相等，则系统的响应或者输出波形的形状基本相同。正是由于这种简单的实现原理，加上目前各种电子器件的性能的提高以及控制方法的改进，使得PWM控制技术的应用领域不断拓宽，应用程度也不断加深。

从信号的产生方法来说，工程上常见的PWM波产生方法有：

1．三角波比较法

三角波比较法根据三角载波与正弦调制波的交点来确定逆变器功率开关器件的开关时刻，可以由模拟电了电路、数字电子电路或专用大规模集成电路芯片等硬件实现，也可以用微型计算机通过软件生成SPWM。

2．滞环比较法

该方法较多应用于电流跟踪控制。此法的优点是硬件电路简单,属于实时控制方式，反应快；不用载波，输出中不含特定频率谐波分量。其不足之处是检测信号的传感器必须是具有宽频带的高性能传感器。

3．空间电压矢量法

空间电压矢量法（SVPWM）也叫磁通正弦PWM法。它以三相对称正弦波电压供电时交流电动机的理想磁通圆为基准，用逆变器不同的开关模式所产生实际磁通去逼近基准圆磁通，由它们的比较结果决定逆变器的开关，形成PWM波形。

4．单周控制法

单周控制法作为一种新型非线性控制技术提出，它可应用于PWM控制、软开关等。这种方法的基本思想是在每个周期内强迫开关变量的平均值与控制参考量相等或成比例。

1.3 控制策略发展历程

电力电子器件经历了工频、低频、中频到高频的发展历程，与此相对应，电力电子电路的控制也从最初以相位控制为手段的由分立元件组成的控制电路发展到集成控制器，再到如今的旨在实现高频开关的计算机控制，并向着更高频率、更低损耗和全数字化的方向发展。模拟控制电路存在控制精度低、动态响应慢、参数整定不方便、温度漂移严重、容易老化等缺点。专用集成控制芯片的出现大大简化了电力电子电路的控制线路提高了控制信号的开关频率，只需接若干阻容元件即可直接构成具有校正环节的模拟调节器，提高了电路的可靠性。但正是由于阻容元件的存在，模拟控制电路的固有缺陷，如元件参数的精度和一致性、元件老化等问题仍然存在。此外，模拟集成控制芯片还存在功耗较大、集成度低、控制不够灵活、通用性不强等问题。

用数字化控制代替模拟控制，可以消除温度漂移等常规模拟调节器难以克服的缺点，有利于参数整定和变参数调节，便于通过软件程序的改变方便地调节控制方案和实现多种新型控制策略，同时可减少元器件的数目、简化硬件结构，从而提高系统的可靠性。在电力电子电路中，单片机主要用作数据采集和运算处理、电流电压调节、PWM信号生成、系统状态监控和故障自我诊断等，一般作为整个电路的主控芯片运行，完成多种综合功能。单片机控制克服了模拟电路的固有缺陷，通过数字化的控制方法，得到高精度、高稳定度的控制特性，并可实现多种灵活的控制功能。但单片的工作频率和控制精度是一对矛盾，而且处理速度难以满足高频电路的要求。

与单片机相比，DSP（Digital Signal Processing,数字信号处理器）具有更快的处理速度、更高的集成度和更大的容量。在电力电子装置中，DSP主要完成主电路控制、系统实时监控及保护、系统通信等功能。应用的具体电路包括双向DC-DC变换器、逆变电源、光伏发电逆变器、UPS逆变控制电路、交流电机调速电路、谐波抑制电路等。虽然DSP有许多优点，但也存在一些局限性，如采样频率的选择、PWM信号频率及其精度、采样延时、运算时间及其精度等。这些因素会或多或少地影响电路的控制性能。

比较而言，DSP适合应用于取样速率低和软件复杂程度高的场合；而当系统取样速率高(MHz级)、数据率高（20MB/s以上）、条件操作少、任务比较固定时，FPGA更有优势。FPGA已用于逆变器控制系统、直流电机调速、PWM控制等。

目前单片机、DSP和FPGA等在电力电子电路的控制系统中得到了日益广泛的应用。随着电力电子电路的日趋高频化和复杂化，这些芯片的单一采用往往难以达到期望的控制效果。因此，各种控制芯片的混合使用将成为控制电路的一个重要发展趋势。

(1)单片机+DSP结构比如，在UPS中，DC-DC，AC-DC的控制可以采用单片机，而DC-AC的控制则采用运算速度和频率更高的DSP芯片。

(2)DSP+FPGA结构DSP具有软件的灵活性，而FPGA具有硬件的高速性，能够处理复杂算法。因此，该结构有助于在设计中协调软、硬件之间的关系。

(3)嵌入DSP模块的FPGA将具有基本数字信号功能的DSP模块嵌入到FPGA中，这样FPGA提供的DSP性能可以达到每秒1280亿MAC（乘法并累加），将大大高于目前主流DSP的性能。数字化控制已广泛应用于电力电子电路的各个方面，满足了电力电子电路日趋高频化和复杂化发展的需要，在提高系统效率、改善系统性能等方面发挥着越来越重要的作用。

1.4 课题的研究意义

目前的数字化整流器多采用MCU（Micro Control Unit，微型处理器），DSP，以软件实现控制算法。这种以软件为主的方案较大程度上依赖于处理器的性能。但随着功率器件开关频率的提高以及数字控制算法的日趋复杂，而目前处理器进行运算多数还是串行方式，在算法的实时性和高速性上存在缺陷。采用并联系统又会增加成本，使控制器结构复杂，不利于编程实现，同时也会降低其可靠性。FPGA的出现为这个问题的解决提供了一个新的方向。

可编程门阵列（FPGA）可以方便地实现多次修改。由于FPGA的集成度非常大，一片FPGA少则几千个等效门，多则几万或几十万个等效门。一片FPGA就可以实现非常复杂的逻辑，替代多块集成电路和分立元件组成的电路。大规模的FPGA则可以让我们将微处理器、专用硬件算法单元，专用波形发生单元、信号采集处理单元等都集成于单个芯片上，使之成为一个完整的电力电子控制系统。应用在数字化电力电子设备中，可以大大简化控制系统结构，并可实现多种专用高速算法，具有较高的性价比。与由纯软件控制的数字系统相比，它用硬件连线实现其软件算法，加快了运算速度，可以实现真正意义上的并行计算，提高了系统抗干扰性能。在集成度、速度和系统功能方面满足应用需要。

1.5 本论文研究的主要工作

随着集成电路技术的发展，分立元件走向集成化。其中，控制电路的集成是电力电子集成技术中非常重要的一部分。目前，数字控制系统通常基于数字信号处理器（DSP）实现，但是DSP是软件实现算法，串行执行指令，速度受到限制，对于速度要求特别高的场合不适用，且只用DSP作控制器不能解决控制电路中的逻辑问题，为此，本文提出了一种采用现场可编程门阵列（FPGA）器件实现数字PWM控制器实现直流电机调速的方案。主要工作分为以下四个方面：

(1) 直流电动机驱动电路的选择；

(2) 基于FPGA的LCD显示和数据采集；

(3) 基于FPGA的串行通信命令调速；

(4) 分析实现基于FPGA的数字PWM控制器的原理和方法。

文中对方案的实现进行了比较详细的论述，包括A/D采样控制、LCD显示控制、PWM波形的产生、串行通信各模块的工作原理。

第二章 基于FPGA的控制芯片设计技术

目前的数字化变流控制器多以MCU／DSP为核心，以软件实现离散域的运算及控制。这种以软件为主的方案较大程度上依赖于处理器的性能。而控制器大规模的控制运算将会占用较多的CPU（Central Processing Unit,中央处理器）时间，常使其无法进行时序事件控制管理，限制其性能的发挥。再者，现代数字控制算法复杂，而目前处理器进行运算多数还是串行方式，很难保证算法的实时性和高速性。采用并联系统又会增加成本，使控制器结构复杂，降低其可靠性。FPGA的出现使这个问题有了一种新的解决方案。

2.1 FPGA概述

2.1.1 FPGA介绍

FPGA（Field Programmable Gate Array，现场可编程门阵列）是在PAL（Programmable Array Logic, 可编程阵列逻辑），GAL（Generic Arrary Logic, 通用阵列逻辑）等逻辑器件的基础之上发展起来的。同以往的PAL，GAL等相比较，FPGA的规模比较大，它可以替代几十甚至几千块通用IC芯片，这样的FPGA实际上就是一个子系统部件。这种芯片受到世界范围内电子工程设计人员的广泛关注和普遍欢迎。经过了十几年的发展，许多公司都开发出了多种可编程逻辑器件。比较典型的就是Xilinx公司和Altera公司的FPGA器件系列，它们都具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围广等特点。这些FPGA器件具有PAL和GAL等的优点，可实现较大规模的电路，编程也很灵活。与其它ASIC（Application Specific IC，专用集成芯片）相比，它们又具有设计开发周期短、设计制造成本低、开发工具先进、标准产品无需测试、质量稳定以及可实时在线检验等优点，被广泛应用于产品的原型设计和产品生产之中。

几乎所有应用门阵列、逻辑器件和中小规模通用数字集成电路的场合均可应用FPGA器件。上至高性能CPU，下至简单的74系列电路，都可以用FPGA来实现。FPGA如同一张白纸或是一堆积木，工程师可以通过传统的原理图输入法，或是硬件描述语言自由地设计一个数字系统。通过软件仿真，可以事先验证设计的正确性。在PCB（Printed Circuit Board,印刷电路板）完成以后，还可以利用FPGA的在线修改能力，随时修改设计而不必改动硬件电路。使用FPGA来开发数字电路，可以大大缩短设计时间，减少PCB面积，提高系统的可靠性。

专用集成电路（ASIC）采用硬接线的固定模式，而现场可编程门阵列（FPGA）则采用可配置芯片的方法，二者差别迥异。可编程器件是目前的新生力量。一般来说，ASIC用于大型项目，而对于需要快速投放市场且支持远程升级的小型项目，FPGA则更为适合。ASIC和FPGA供应商对这两种技术孰优孰劣不能达成共识，对适合的应用领域也持不同看法。上述技术及其衍生技术将可能在今后一段时间内长期存在。FPGA技术的主要优势仍是产品投放市场的时间较短，而ASIC的性能、密度和单位容量都相当出色，不过随着FPGA的发展和ASIC的开发成本不断上升，将会导致ASIC的市场份额不断缩小。FPGA的真正优势有两方面：一是能用可靠的标准部件迅速进行开发，而且可以方便地修改，以添加新的特性；二是能在开发期间或在产品生命期内修正错误。而且，与ASIC不同的是，FPGA作为内置标准还带有更多功能，如可测试性或JTAG（Joint Test Group Action,联合测试行为组织）接口，这可节约设计时间和成本。FPGA和其它类型的可编程ASIC一样，可以由用户编程实现专门的功能，这是由于它们内部都包含有以下三大部分：

·位于芯片中央的可编程功能单元；

·位于芯片四周的可编程IO模块；

·分布在芯片各处的可编程布线资源。

FPGA作为特殊的ASIC芯片，它们除了具有ASIC的特点之外，还具有以下几个优点：

1、随着VISI（Very Large Scale IC，超大规模集成电路）工艺的不断提高单一芯片内部可以容纳上百万个晶体管，FPGA芯片的规模也越来越大，其单片逻辑门数已达到上千万门，它所能实现的功能也越来越强，同时也可以实现系统集成。

2、FPGA芯片在出厂之前都做过缜密的测试，不需要设计人员承担相关风险和费用，设计人员只需在自己的实验室里就可以通过相关的软硬件环境来完成芯片的最终功能设计。所以，FPGA的资金投入小，节省了许多潜在的花费。

3、用户可以反复地编程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同软件就可实现不同的功能。FPGA软件包中有各种输入工具和仿真工具，版图设计工具和编程器等全线产品，电路设计人员在很短的时间内就可完成电路的输入、编译、优化、仿真，直至最后芯片的制作。当电路有少量改动时，更能显示出FPGA的优势。电路设计人员使用FPGA进行电路设计时，不需要具备专门的集成电路深层次的知识，FPGA软件易学易用，用户甚至可以不用详细了解FPGA的内部结构，也可以用自己熟悉的方法：如原理图输入或硬件描述语言来完成相当优秀的FPGA设计。

2.1.2 FPGA应用

当前半导体工艺水平已经达到深亚微米，时钟频率也发展到GHz以上，FPGA的规模也超过百万门级。同以往的PAL、GAL等相比较，FPGA的规模比较大，更适合于时序、组合等逻辑电路应用场合。它主要应用于以下几个方面：

专用集成电路（ASIC）

FPGA是实现各种逻辑电路的一个完整的途径，尤其适合于半定制专用集成（ASlC）的实现。

随机逻辑（Random Logic）电路