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参考文献 30
1 绪论
1.1 研究背景
FPGA是现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array）的英文缩写,是Xilinx公司于1985年推出的，采用CMOS-SRAM编程工艺，其内部由可构造逻辑模块（CLB）、可构造输入/输出块（IOB）和可编程互连资源组成，具有集成密度高、编程速度快、设计灵活及可再配置等特点。FPGA内部有丰富的I/O资源和触发器资源，能兼容CMOS、TTL电平。FPGA的优点使得FPGA的应用领域越来越广泛，从医疗电子到通讯行业、汽车电子、消费电子领域都有越来越多的FPGA应用实例。源:自/751-·论,文'网·www.751com.cn/
直流电机由于其具有响应迅速、精度和效率高、调速范围宽、负载能力大、控制性能优良等特点，被广泛应用于各类闭环与半闭环控制系统中。近年来, 直流电动机的结构与控制方式都发生了很大变化。随着计算机进入控制领域，以及新型电力电子功率元件的不断出现, 使得采用全控型的开关功率元件实行脉宽调制的PWM 控制方式已成为主流控制方式。同时, 随着可编程门阵列器件FPGA 的出现, 又给直流电机的调速控制提供了新的手段和方法。这种控制方式很容易在FPGA 中实现, 从而为直流电动机控制的数字化提供了契机。
采用传统单片机来产生PWM信号，当信号路数较多时则会产生较大延迟，不能满足系统要求；传统处理器由于其指令都是串行执行，无法实现并行控制，因此，对各个电机的控制一般都是采用分时控制，此时要求处理器具有较高的工作频率和运算处理速度才能保证对每路电机都达到较好的控制效果，当控制路数较多时，则控制周期就变得比较长。文献[12]以Altera公司的FPGA为基础，实现了一种能进行高速、并行控制的全数字式控制系统。实验表明，采用FPGA 设计数字PWM 控制器对直流电机进行控制，控制精度可以做得很高,电路结构简洁，控制效果好，控制系统更可靠。
目前基于FPGA的直流电机控制系统应用越来越多，其优越性也越来越显著。比如在医疗方面，文献[4]提出了基于FPGA控制的直流伺服电机实现对外科手臂动的远程复制。控制用于外科手术两个机械手臂，使得系统可以检测到主臂的运动，并将该运动无线传输给从臂，使得从臂进行同样的动作。在航空航天方面，基于FPGA控制的直流电机也得到了应用。文献[14]提出了以FPGA芯片为核心的相互独立的四轴无刷直流电机舵机伺服控制系统。采用一片ALTERA公司的Cyclone I芯片为控制核心，利用SOPC(片上可编程系统)思想控制四台相互独立的无刷直流电机。采用FPGA实现的无刷直流电机舵机伺服系统控制速度快，可以实现一块芯片控制多台相互独立的无刷直流电机，控制器体积小，重量轻，设计灵活，具有可扩展性，能有效的提高系统的动态响应速度，具有良好的跟踪性能，能较好的满足舵机系统的各项性能要求。
综合以上可以看出，基于FPGA的直流电机控制系统优势突出，应用广泛。对于电机采用PWM方式进行控制，更加方便简洁而又精确。同时更适用于多路输出系统。
1.2 研究内容和目的
目前广泛使用的电机控制器大多是基于MCU/DSP设计的,一些MCU和DSP中配置了电机控制专用指令、接口和外设,方便用户使用。但是,实际应用中仍需要大量外围逻辑电路扩展其硬件功能,而且一块控制芯片往往只有一至两路电机控制接口,在多电机同时控制的场合,系统需要多个控制芯片,这样控制系统的成本和体积都会增加。文献综述
本文研究了一种并行化的电机运动控制系统,采用硬件描述语言实现多个电机并行控制功能,使一块FPGA控制芯片可以同时控制多个电机,并且系统的控制频率不会降低。本系统的直流电机采用PWM（脉宽调制）的方法进行控制，使用 FPGA产生数字PWM波，这种控制具有精度高，反应快，外部连线少，电路简单，便于控制等优点。本设计中电机控制所使用的一些基本功能尽可能地集成在一片FPGA上，本使得外围电路变得比较简单。本设计论述了如何利用FPGA产生PWM波、如何在线调速和如何实现正反向控制逻辑，并进行了仿真。