毕业设计（论文）-基于FPGA直流电机驱动系统设计.doc

西南科技大学城市学院本科生毕业论文 iv基于fpga直流电机驱动系统设计摘要:运动控制技术的发展是制造自动化前进的旋律，是推动新的产业革命的关键技术，而直流电机控制模块则是运动控制系统中极为重要的组成部分，在传统的控制系统中，对于小功率直流电机的控制常采用微处理器或单片机作为控制核心以软件方式实现电机控制功能。在集成电路、现代电子技术及控制理论飞速发展的今天，电机控制技术也得到了飞快的发展，电机控制器也由模拟分立元件构成的电路向数模混合、全数字方向发展。由于fpga具有灵活的编程功能，能实时方便地实现复杂的控制算法，从而提高了控制性能。本论文主要研究了fpga芯片在直流电机控制器中的作用。论文首先对直流电机系统进行了综合性论述。对系统组成及系统中主要部分进行了较详细的说明；并且提出了与本研究相关的控制机理和实施方案。其次，论文对fpga芯片的特点及配置电路以及以fpga-flex10k10为核心的控制电路的组成进行了较详细的论述；同时对超高速集成电路硬件描述语言（vhdl）的特点和应用进行了研究；并提出了应用fpga芯片对直流电机速度进行控制的系统构成及工作原理。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。关键词：直流电机； 控制器； 现场可编程门阵列； 硬件描述语言自动化0701-钟媛dc motor drive system based on fpga designabstract：the development of motion control technology is to create automated melody forward, is to promote a new industrial revolution in the technology, and dc motor control module is the motion control system is a very important part of the , in the traditional control system for low-power dc motor control is often used as a control microprocessor or microcontroller core. the way the motor control software. in integrated circuits, modern electronic technology and the rapid development of control theory today, motor control technology has also been a rapid development, the motor controller discrete components from the analog to digital and analog mixed circuit, all-digital direction. the fpga with a flexible programming features, easy to implement complex real-time control algorithms, resulting in improved control performance. in this thesis, the fpga chip in the role of dc motor controller.firstly, the dc motor system for a comprehensive discussion. system components and systems for the main part of a more detailed explanation; and made relevant to the study and control mechanism and implementation.secondly, the paper on the characteristics and configuration of fpga chip to fpga-flex10k10 circuit and control circuit as the core of the composition discussed in detail; the same time, high speed integrated circuit hardware description language (vhdl) and application characteristics of the study; and proposes the application of fpga chips on the dc motor speed control system structure and working principle.keywords: dc motor， controller，fpga(field programmable gate arrays)， vhdl(vhsic hardware description language) 目录第1章 绪 论31.1 课题的来源31.2 课题研究的目的和意义31.3 课题国内外研究现状31.4解决的主要问题3第2章 直流电动机系统综述32.1系统组成32.2位置传感器32.2.1 霍尔元件式位置传感器32.2.2 光电编码器32.3逆变器和功率器件32.3.1功率器件的发展32.3.2 igbt的构成32.3.3 igbt的工作原理32.4驱动电路及直流电源32.4.1驱动电路的特征32.4.2 igbt的集成驱动器m57962al32.4.3 驱动电路的供电电源32.5 控制机理及实施32.5.1 脉宽调制波形的产生32.5.2 反馈信号的测量32.5.3 控制电路的功能3第3章 fpga及其所组成的控制器33.1 fpga芯片及配置电路33.1.1fpga芯片的特点33.1.2 fpgaflex 10k系列器件的配置33.2控制电路组成33.3硬件描述语言vhdl33.3.1 vhdl语言简介33.3.2 vhdl语言的三种描述方式33.4 用fpga实现对电机的速度控制33.4.1 系统工作框图与原理33.4.2 计数器应用33.4.3 脉宽调制信号（pwm）33.4.4 速度检测3结论3致谢3参考文献3西南科技大学城市学院本科生毕业论文第1章 绪 论1.1 课题的来源电机是一种能量转换的装置，在国民经济中起着重要作用，无论是在工农生产、交通运输、国防宇航、医疗卫生、商务与办公设备，还是日常生活中的家用电器，都大量的使用着各种各样的电机，如汽车、电视机、电风扇、空调等等也离不开电机。同时，在越来越多的应用场合，只能旋转的电机己无法满足要求，而是要求能够实现快速加速、减速或反转以及准确停止等功能。必须寻找新的电机控制器来适应时代的发展。电机的控制器经历了从模拟控制器到数字控制器的发展。由于模拟器件的参数受外界影响大，而且精度也较差。数字控制器与模拟控制器相比较，具有可靠性高、参数调整方便、控制精度高、对环境因素不敏感等优点。随着工业电气化、自动控制和家电产品等领域对电机控制产品的需求，人们对电机控制技术的要求有所提高。由于传统的8位单片机其内部体系结构和计算功能等条件限制，在实现各种先进的电机控制理论和高效的控制算法时遇到了困难。因此，目前最为普遍的做法是使用高性能的数字信号处理器(dsp)来解决电机控制器不断增加的计算量和速度的需求1。将一系列外围设备如模数转换器、脉宽调制发生器、和数字信号处理器集成在一起组成复杂的电机控制系统。随着eda技术的发展，用基于现场可编程门阵列fpga的数字电子系统对电机进行控制，为实现电动机数字控制提供了一种新的有效方法。现场可编程门阵列(fpga)器件集成度高、体积小、速度快，以硬件电路实现算法程序，将原来的电路板级产品集成为芯片级产品，从而降低了功耗，提高了可靠性2。电动机调速系统采用fpga实现数字化控制,是电气传动发展的主要趋势。采用fpga控制后,整个调速系统能够实现快速加速、减速或正/反转以及准确停止、在线调速等功能,操作维护方便,电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平,静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。由于fpga的外部连线少,电路简单,便于控制,具有较佳的性能价格比,所以在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用3。1.2 课题研究的目的和意义直流电机大多数采用pwm（脉宽调制）的方法进行控制，它有两种模式：一种是采用模拟电路控制，另一种是采用数字的控制。模拟控制由于其调试复杂等固有原因，正逐渐被淘汰。而在数字控制技术中，fpga的数字pwm控制具有精度高，反应快，外部连线少，电路简单，便于控制等优点广泛的被人们使用，应而研究fpga具有十分重要的意义。对于本次设计目的在于：（1）掌握基于fpga的直流电机pwm控制原理，学会应用eda技术进行编程（2）通过对本课题的研究,掌握eda开发技术的编程方法，培养创新意识和理论联系实际的学风。熟悉现代电子产品的设计流程。fpga用于控制领域特别是电机控制还是比较少的，本设计为电机控制系统提供一种的控制技术，在电机控制方面作了一些片内系统的初步研究。本设计利用altera公司的fpga芯片flex10k10作为目标器件来控制直流电机，分析了现代电子产品的设计方法，并初步研究了fpga产生pwm信号的方法。本设计将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，本设计论述了利用fpga对直流电机进行控制时所起的各部分功能，并利用硬件描述语言对pwm波在fpga中进行组合逻辑变换，并进行仿真。1.3 课题国内外研究现状电机是一种机电能量转换的装置，在国民经济中起着重要的作用。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、减速或者反转以及准确停止等功能。这些功能的实现均要求对电机控制，所以，对电机的控制是电机应用得重要分支。电机在其实际应用中，已有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、转矩等进行精确地控制，使被驱动的机械运动符合预想的要求。在国外，pwm源于上世纪九十年代，其思想源于通信技术，但随着现代电子技术的发展使得pwm理论越来越成熟，其发展的速度越来越快速。已经取代传统的可控硅电机调速系统。由原先的“电机控制”“电气传动”已发展到“运动控制”的新阶段。igbt、电力mosfet等为代表的全控型器件的不断完善给pwm控制技术提供了强大的物质基础。在国内pwm有理论基础逐渐成熟，但在应用上，国内外差距也很大。pwm调速系统的应用是近年来才开始的，原因是我国的电子工业的基础比较差。pwm调速系统中所需的关键部件igot管靠进口。近年来，我国已开发出具有自主知识产权的igot大电流晶体管，从而为该技术推行奠定了物质基础。pwm电机调速方案是未来电机拖动系统的首选方案，是实现电机拖动数字控制的基础4。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。由于fpga得集成度非常大，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。1.4解决的主要问题本论文提出用flex10k10单独控制直流电机。论述了利用flex10k10对直流电机进行控制时所起的各部分功能pwm波的产生。速度检测、正反向控制逻辑等，并利用硬件描述语言对pwm波在fpga中进行组合逻辑变换，并进行仿真。第2章 直流电动机系统综述2.1系统组成直流电动机的基本构成包括电动机主体、控制器和转子位置传感器三部分，如图2-1所示5。图2-1直流电动机构成框图 其工作原理以图2-2和图2-3所示为例来说明。图2-2 直流电动机系统图从图2-2中可以看出，直流电动机系统由以下部分组成：电机本体m及位置传感器ps、驱动电路、直流电源、逆变器、控制电路等。在本论文中，逆变器vf为6个igbt构成的三相全桥逆变器，直流电源是反激式dc-dc电源，控制电路以fpga芯片为核心，驱动电路以m57962al驱动器件为核心，ps为位于电动机本体同轴联结的转子位置传感器，控制电路对转子位置传感器检测的信号进行逻辑变换后产生脉宽调制pwm信号，经过驱动电路放大送至逆变器各功率开关管，从而控制电动机个相绕组按一定顺序工作，在电机气隙产生跳跃式旋转磁场6。图2-3直流电动机工作原理示意图在二相导通星形三相六状态直流电动机工作的过程中，当转子位于图2-3（a）所示位置时，转子位置传感器输出磁极信号位置，经过控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使功率开关管th1、th2导通，即绕组a、b通电，a进b出，电枢绕组在空间合成礠势fa，如图2-3(a)所示。此时定转子磁场相互作用拖动转子顺时针方向转动。电流流通途径为：电源正极th1管a相绕组b相绕组tl2管电源负极。当转子转过60电角度，达到图2-3（b）中位置时，位置传感器输出信号，经逻辑变换后使开关管tl2截止，tl3导通，此时th1仍导通，则绕组a、c通电，a进c出，电枢绕组在空间合成磁场如图2-3（b）中fa。此时定转子磁场相互作用使转子继续沿顺时针方向转动。电流流通路径为：电源正极th1管a相绕组c相绕组tl3管电源负极，以此类推。当转子继续沿顺时针每转过60电角度时，功率开关管的导通逻辑为：th2tl3th2tl1th3tl1th3tl2th1tl2，则转子磁场始终受到定子合成磁场的作用并沿顺时针方向连续转动。在图2-3（a）到（b）的60电角度范围内，转子磁场顺时针连续转动，而顶子合成磁场在空间保持图2-3（a）中fa的位置不动，只有当转子磁场转够60电度角到达图2-3（b）中ff的位置时，定子合成磁场才从图2-3（a）中fa位置顺时针跃变至（b）中fa的位置。可见定子合成磁场在空间不是连续旋转的磁场，而是一种跳跃式旋转磁场，每个步进角是60电角度7。当转子每转过60电角度时，逆变器开关管之间就进行一次换流，定子磁状态就改变一次。可见，电机有6个磁状态，每一状态都是两相导通，每相导通中流过电流的时间相当于转子旋转120，故该逆变器为120导通型。两相导通星形三相六状态直流电动机的三相绕组与各开关管导通顺序的关系如表2-1.表2-1 两相导通星形三相六状态时绕组和开关管导通顺序表2.2位置传感器转子位置传感器是检测转子磁极相对于定子电枢绕组轴线的位置，并向控制器提供位置信号的一种装置。转子位置传感器是无刷直流电动机的关键部件。它对电机转子位置进行检测，其输出信号经过逻辑变换后控制开关管的关断，使电机定子各项绕组按顺序导通，保证电机连续工作。转子位置传感器也由定、转子组成，其转子与电机本体同轴，以跟踪电机本体转子位置。其定子固定于电机本体定子或端盖上，以敏感和输出转子位置信号。转予位置传感器种类包括：磁敏式、电磁式、光电式、接近开关式、正余弦旋转变压器式以及编码器等。本论文使用霍尔元件式位置传感器和光电编码器。2.2.1 霍尔元件式位置传感器霍尔元件式位置传感器是磁敏式位置传感器的一种。它是一种半导体器件，是利用霍尔效应制成的。当霍尔元件按要求通以电流并置于外磁场中，就输出霍尔电势信号，当其不受外磁场作用时，输出端无信号。安装霍尔元件时应将霍尔元件粘贴于电机端盖内表面，靠近霍尔元件并与之有一小间隙处，安装着与电机轴同轴的永磁体，如图2-4所示。图2-4 霍尔元件式位置传感器1-永磁体架 2-永磁体 3-霍尔元件2.2.2 光电编码器霍尔元件位置传感器是检测转子位置的器件，从转子位置可以计算出电机的转速。但这种方式在电机高速转动时检测精度不高，无法完成高速高精度的速度调节。目前调速系统速度和位置反馈控制中应用最多的是光电编码器，即码盘。它不仅可以检测电机转速，而且还可以测定电机的转向及转予相对于定子的位置。转速输出信号可以是数字量或模拟量，可满足各种调速系统的需要。一种常见的增量光电编码器有三组输出信号，相应的有三组光电转换元件。当转动盘上的槽（光栅）与固定盘上的槽相重合时，位于固定盘后面的光敏元件可接收到来自转动盘侧相应发光元件的光，然后转变为电信号。当转动盘随电机轴转动时，该编码器可输出三组电压信号，经过整形后三相输出波形如图2-5所示。z相信号是用来定位的，因为z相在转动盘上只有一个对应的槽，故每转一周仅有一个相脉冲，对应于转子的一个固定位置。根据不同瞬时相或相输出信号相对于相定位脉冲的相互关系，便可确定该瞬时转子相对于定子的位置。图2-5 增量光电编码器的输出波形a相和b相输出信号可用于测定电机转速和转向。由于a相和b相输出信号的频率与转速成正比，故可通过在给定时间内对输出脉冲计数而求得转速，通过对a相脉冲上升沿和下降沿的检测电路可得对应于上升沿和下降沿的脉冲信号a和a一，使其分别于b相信号相“与”，可分别获得反应正转的信号b+a和反转信号b+a，如图2-6所示。图2-6 电机转向信号的产生2.3逆变器和功率器件2.3.1功率器件的发展随着电子生产技术的不断发展，功率器件的发展也越来越快。20世纪50年代末出现了属于半控形器件的晶闸管，它可以控制导通，但不能有由门极控制关断。70年代以后，功率晶体管（gtr）、门极关断晶闸管（gto晶闸管）、功率mos场效应晶体管（power mosfet）、绝缘栅双极晶体管（igbt）、mos控制晶闸管（mct）等已先后问世，这些器件都是即能控制导通又能控制关断的自关断器件，又称全控形器件。igbt由于兼有mosfet和gtr的优点，是目前用于中小功率最为流行的器件8。2.3.2 igbt的构成绝缘栅双极晶体管（isolate gate bipolar transistor-igbt），也称绝缘门极晶体管。由于igbt内置有寄生晶闸管，所以也可称作绝缘门极晶闸管。它将mosfet和gtr的优点集于一身，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的优点，又有通态电压低、耐压高的优点。igbt相当于一个由mosfet驱动的厚基区gtr，其简化等效电路如图2-7所示。图中rdr是厚基区gtr的扩展电阻。igbt是以gtr为主导体、mosfet为驱动件的复合结构。图2-7 igbt的简化等效电路2.3.3 igbt的工作原理igbt的开通和关断是由栅极电压来控制的。当栅极加正电压时,mosfet内形成沟道，并为pnp晶体管提供基极电流，从而使igbt导通，在栅极上加负电压时，mosfet内的沟道消失,pnp晶体管的基极电流被切断，igbt关断。2.4驱动电路及直流电源2.4.1驱动电路的特征驱动电路的作用是将控制电路输出的脉冲放大到足以驱动功率器件，所以单从原理上讲，驱动电路主要起开关功率放大作用，即脉冲放大器。但其重要性在于功率器件的开关特性与驱动电路的性能密切相关。同样的功率开关，采用不同的驱动电路将得到不同的开关特性。设计优良的驱动电路能改善功率器件的开关特性，从而减小开关损耗，提高整机的效率及功率器件工作的可靠性。因此，驱动电路的优劣直接影响变换器的性能。随着开关工作频率的提高，驱动电路的优化设计显得越来越重要。2.4.2 igbt的集成驱动器m57962al当前已经出现众多igbt的集成驱动器，各个电子元器件制造商都相继开发设计了依据不同要求的专门系列驱动器元件。针对不同的性能要求的igbt，其主要驱动器件存多种。例如ir系列、exb、uaa系列、m57系列、以及hl系列等等。是驱动n沟道igbt带有保护及定时复位功能的厚膜混合集成驱动器，内置可在输入与输出之间实现良好电气隔离的光电耦合器，具有高达2500vac/min的绝缘强度，且与ttl电平兼容。内藏定时的逻辑短路保护电路，并具有保护延时特性。可以单电源供电，又可以正负双电源供电，双电源供电避免了一般单电源供电时负电压不稳定的缺点。m57962al可用来直接驱动vces=600v及vces=1200v系列的电流容量在400a以内的功率igbt模块。m57962al的内部结构和工作原理框图如图2-8所示。由图可知，在这种驱动器内部具有锁存定时复位电路、门极封锁单元及检测环节几部分。图2-8 m57962al 内部结构及原理图m57962al的工作原理如下：输入信号经高速光耦隔离，由接口电路传送到功放级,产生正负栅压，驱动igbt。当发生直接短路时，集电极电压显著增大，1端检出igbt的集一射极电压较高时，就判断为短路，定时器就启动，通过栅极关闭和降压电路将短路电流钳制在较低值，同时发出故障信号：如1端回到低电平，保护复位，电路恢复常态。2.4.3 驱动电路的供电电源m57962进行双电源工作时，直流供电电源为正15v和负10v，这里采用开关式直流电源。由于该电源的输入也是直流，所以称之为dc-dc电源。直流电源电路（简称电源）按其调整管工作方式分类，可分为线性电源和开源。在线性电源中，调整管工作在线性放大区。由于线性电源具有制作技术成熟、输出波纹小、带载能力强等优点，因此它是一种应用广泛的电源。现在应用较多的是三端稳压器，它有三个引出端，即不稳定电压的输入端、稳定电压的输出端和公共端。三端稳压器使用十分方便，只需要根据手册进行接线，并配适当的散热器即可。尽管线性电源具有上述优点，但设计这种电源时，通常需要体积大而又笨重的工频变压器进行降压和隔离：由于线性电源的调整管工作在线性区，功耗大，需要较大体积的散热器。开关稳压电源有很多种工作原理，这里采用反激式丌关电源，如图2-9所示。反激式是指开关管bg被加在b-e极问的pwm脉冲激励导通时，输入电压ui加在高频变压器b的原边上，由于图中b副边整流二极管d2反偏，副边上没有电流通过，所以能量存储在变压器原边的电感l1上，而输出电压靠电容co放电维持。当bg关断时,b副边上的电压极性颠倒，使bg导通期间存储在中的能量通过d2向负载输出，此时电容co释放。可以看出，反激式工作方式有两种导电模式：不连续导电模式和连续导电模式。bg截止期间，初级的存能全部释放给负载，电路工作在不连续导电模式；bg导通期间，依靠输出端的电容维持电压，并且在原边存储能量，电路工作在连续导电模式。图2-9 反激式开关电源的工作原理2.5 控制机理及实施2.5.1 脉宽调制波形的产生为了保持逆变器的输出电压稳定，通常采用占空比控制技术。改变占空比的调节方式，由脉频调制（pfm）和脉宽调制（pwm）两种方式。脉频调制是采用恒定导通时间、可变截止时间或恒定截止时间、可变导通时间来实现占空比的改变；脉宽调制是指工作频率不变，通过改变功率器件导通时间或截止时间来改变占空比，应用较为普遍。脉宽调制是用脉冲宽度不等的一系列矩形脉冲去逼近一个所需的电压或电流信号。图2-10表示三角波调制法原理。它是利用三角波电压与参考电压相比较，以确定各分段矩形脉冲的宽度。 （a）（b）图2-10 三角波调制法原理（a）电路原理图（b）pwm脉冲的形成三角波调制法原理如图2-10a所示。在电压比较器a的两输入端分别输入正弦波参考电压ur和三角波电压u，在a的输出端使得到pwm调制电压脉冲。pwm脉冲宽度的确定可由图2-10b看出，由于u和ur分别接至电压比较器a的“-”和“”输入端。显然当uur对，的输出为高电平，反之，当uur时，a的输出为低电平。图2-10b中的u与ur的交叉点之间的距离随参考电压ur的大小而变化，而交叉点之间的距离决定了电压比较器输出电压脉冲宽度，因而可得到幅值相等而脉冲宽度不等的pwm电压信号up。2.5.2 反馈信号的测量各种pwm波的调速系统，离不开被控电机的电压、电流或转速等反馈信息。反馈信号的测取对调速系统的性能有着重要的影响。反馈信号通常分为两类：一类是电压和电流的反馈信号：另一类是转速和位置的反馈信号。1. 检测转速和位置器件简介及检测原理如2.2节所述。2.电压和电流反馈信号的测取电压和电流的检测一般有三种方法：电阻法、互感器法和霍尔传感器。对于直流及非正弦的交流电压和电流信号的隔离传送，最好的方法是用霍尔电压和电流传感器。霍尔传感器不仅可实现被测点路与反馈电路的可靠隔离，而且具有以下有点：1）可以测量任意波形的电压和电流信号。频带宽，可测量从直流到100khz的各种信号。2）线性度好，测量区问宽，测量精度高。3）响应速度快，延迟和相应时间均小于0.1us。4）过载能力强，使用安全。当被测量值大大超过额定值时，内部电路及磁路均有饱和限幅作用，不会损坏传感器。2.5.3 控制电路的功能控制电路是直流电动机正常运行并实现各种调速功能的指挥中心，它主要完成以下功能：1）对转子位置传感器输出的信号、pwm调制信号、正反转和停车信号进行逻辑综合，以给驱动电路提供各开关管的斩波信号和选通信号，实现电机的正反转及停车控制。2) 产生pwm调制信号，使电机的电压随给定速度信号而自动变化，实现电机开环调速。3) 对电动机进行速度闭环调节和电流调节，使系统具有良好的动态和静态性能。4）实现短路、过流和欠压等故障保护功能。专用集成控制电路克服了分立元件带来的弊端，使控制电路体积小，可靠性高，对于特定环境下完成特定功能、并具有规模化生产的直流电动机，是首选方案。第3章 fpga及其所组成的控制器3.1 fpga芯片及配置电路3.1.1fpga芯片的特点现在随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路已不完全由半导体厂商束独立承当。系统设计师更愿意自己设计专用集成电路（asic）芯片，并希望周期尽可能短，因而出现了现场可编程门阵列fpga。fpga是可编程逻辑器件，它们是在pal（programmable array logic，可编程阵列逻辑）、gal（generic array 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，适合于时序、组合等逻辑电路应用场合，它可以替代几十甚至上百块通用ic芯片，这样的fpga实际上就是一个子系统部件。fpga芯片是ic厂家事先生产的半成品芯片，其内部成行成列等间距地排列着以门为基本单元的阵列，只剩下一层或两层铝连线的掩膜霈要根据用户不同的电路而制。fpga芯片大体上由三部分组成：1.一个二维的逻辑块阵列，构成了fpga器件的逻辑组成核心。2.输入/输出块。3.连接逻辑块的互连资源，连接资源由各种长度的连线线段组成，其中也有一些可编程的连接开关，它们用于逻辑块之间、逻辑块与输入/输出块之间的连接。fpga芯片有以下特点：1)随着超大规模集成电路工艺的不断提高，fpga芯片的规模越来越大，其单片逻辑门数可以达到数百万甚至上千万门，它所能实现的功能也越来越强，同时也可以实现系统集成。这样大幅度地减少了印刷电路扳的面积和接插件的数量，降低了装配和调试费用。2)提高了产品的可靠性。大量分立式元器件在向印刷电路板上装配时，往往会发生由于虚焊或接触不良而造成故障，并且这种故障常常难以发现，给调试和维修造成极大的困难。fpga芯片使这种现象减少，而且fpga芯片在出厂之前都做过百分之百的测试，不需要设计人员承担投片风险，设计人员只需要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指定。3)大大减小了电子产品的体积和重量，降低了电子产品的功耗，提高了产品的工作速度。fpga内部电路尺寸很小、互连线短、分布电容小，驱动电路所需的功耗就大大降低。fpga芯片内部很短的连线能大大缩短延迟时间，并且不易受外部干扰，这对提高速度非常有利。而且fpga规模越来越大，有时可以将整个（子）系统集成到一块芯片上，这比分立元件构成的电子系统的速度要快。4）提高了产品的竞争能力。fpga芯片和eprom配合使用时，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的eprom就可实现不同的功能，所以，用fpga试制样片，能以最快的速度占领市场。再者，fpga芯片的电路设计周期较短，设计人员在较短时间内可完成电路的输入、编译、优化、仿真，直至虽后的芯片制作。当电路有少量改动时，更能显示出fpga的优势。它大大加快了新产品的试制速度，减少了库存风险与设计错误所带来的危险，从而提高了企业在市场上的竞争能力和应变能力。经过十几年的发展，许多公司都开发出了多种类型的可编程逻辑器件，比较典型的就是xilinx公司的fpga器件系列和altera公司的fpga器件系列，笔者采用altera公司的flex 10k系列，软件工具为altera公司的max+plus ii。flex 10k系列是工业界第一个嵌入式的pld，具有高密度、低成本、低功率等特点，它的逻辑功能和互连关系是出cmos sram单元配置的。系统加电时，通过存储在一个altera公司生产的串行配置eprom器件中的数据或由计算机提供的数据对flex 10k器件进行配置，这就是flex 10k系列的配置。3.1.2 fpgaflex 10k系列器件的配置当电路设计者利用软件工具将电路输入，并且经过编译、优化、仿真，从波形上看已经完全达到最初的要求以后，就要进行fpga器件的配置。配置电路分为两部分：一是器件的配置管脚至印制板的外接口，二是外接口至pc机的并口。1.器件的配置管脚至印制板的外接口flex 10k器件由四种常用配置方式，分别是：主动串行方式（as），主要应用于epci(eprom)配置，电路图如图3-1；被动串行方式（ps），主要应用于串行同步cpu接口，电路图如图3-2；被动并行同步方式（pps），主要应用于并行同步cpu接口；被动并行异步方式（ppa），主要应用于并行异步cpu接口。在这些配置方式中，第一种配置由fpga器件引导配置操作过程，它控制着外部存贮器和初始化过程，而后三种配置由计算机或控制器控制配置过程。图3-1 flex 10k 器件的主动串行方式图3-2 flex 10k 器件的被动串行方式2并口下载电缆ayteblasterflex 10k器件正常工作时，它的配置数据存在sram之中。由于sram的易失性，所以每次加电期间，配置数据必须重新构造。这样，flex器件可以通过在线配置的手段来调整电路结构、延时信息等，这给电路设计人员调试电路带来极大的方便。并口下载电缆ayteblaster正是将pc机中的配嚣信息传送到印制板flex器件中。ayteblaster有两种配置方式：被动串行模式（ps）和边界扫描模式（jtag）。ayteblaster下载电缆由三部分组成：1. ayteblaster与pc机并口相连的25针插座头，在ps和jtag两种模式下管脚有不同的名称。2. ayteblaster与印制版插座相连的10针插头，在ps和jtga两种模式下管脚有不同的名称。3.25针到10针的变换电路，由一个74ls244和n个电阻组成。一个完整的fpga的配置电路，应含有epci（eprom）配置，它的作用是将调试完毕程序固化到epci中，并且fpga可以从epci中读程序进行配置；还应含有下载电路，从pc机下载程序，主要是在调试程序的过程中使用，可采用ps或jtag方式。配置电路分别如图3-3和图3-4。图3-3 flex 10k10 ps 方式配置电路图 3-4 flex 10k10 jtag 方式配置电路3.2控制电路组成本文主要论述以flex 10k10为核心的控制电路的作用是运行相应的控制策略，并通过相应的插口将pwm斩波信号和对驱动的开关信号送至驱动板上，实现对电机的调速控制。整个控制电路组成及接口如图3-5所示，由以下部分组成：图3-5 控制板电路示意图1.fpgaflex 10k10的配置电路，如上节所述。2.5v电源。市电经工频变压器降压得到的低压交流电经整流桥整流、电容滤波和7805三端稳压器稳压得到5v直流电，给控制电路各个芯片供电。这是一个直流线性电源，工频变压器放在控制板外。3.96针总线，主要有电源、地址线、数据线、时钟信号等。由于fpga除了个别配置管脚其余都是可编程的i/o管脚，所以总线定义对fpga来说是比较容易的。4.晶振采用4脚晶振，其输出经非门反向整形后送到一个单排脚插座的1脚，插座的2、3脚接fpga的两个时钟输入脚的其中一个，插座的4脚接96针总线的时钟管脚。当1、2脚短接时,fpga使用板内晶振的时钟；当3、4脚短接时，fpga使用总线送过来的时钟信号。5.pic8位单片机。在控制电路中，除了fpga外，还有一个可编程器件一一microchip公司的8位pic单片机（pic16c74），主要对控制电路中的一些辅助功能进行协调和控制。pic16c74是精简指令集计算机，其存储结构为哈佛总线结构，并且有两级流水线结构。它还有32个可复用的i/o口，分为a、b、c、d、e五组。在本控制电路中，a组主要作为a/d的输入；b组主要输出片选信号；c组主要有spi总线标准与eeprom芯片和d/a芯片通信；d组有三个作用：与fpga通信、检测键盘、为液晶显示提供数据和控制信号；e组提供和fpga通信时的读写信号。pic单片机的时钟信号由fpga提供，fpga将其本身的时钟信号分频后送至pic单片机的时钟输入管脚。fpga还有一个管脚接pic单片机的复位管脚，当fpga从与pic单片机通信的信号发现pic单片机工作异常时，发出一个复位信号使pic单片机复位，这样fpga可以作为看门狗对p单片机进行监控。6.eeprom芯片和d/a芯片。eeprom芯片采用spi串行总线标准与pic单片机进行通信，储存必要的程序和数据；采用的d/a芯片有四路d/a转换，将通过spi串行总线从pic单片机得到的数据转化为模拟量。考虑到d/a芯片的输出能力有限，在d/a芯片的输出管脚加简单的放大电路，如图3-6。图3-6 da输出放大电路7.键盘控制电路。控制电路外部采用一个三触点4x4键盘，这种键盘的特点是每个键有三个点相连，一个接行线，一个接列线，一个是公共点，压下键后3个点两两导通，松开就都不导通了。键盘控制电路如图3-7。确定按键采用线翻转法，其工作原理为：没有键按下时，键盘的公共端为低，三极管截止，rb7处于商电平；有键按下时，键盘的公共端为高，三级管导通，rb7处于低电平。rb7的电平变化给pic单片机一个中断，使pic单片机进入检测按键的子程序。设有第m行n列按键按下，首先，pic单片机给74254一个使能信号，74254选通。pic单片机先向d口写数据，rd0-rd3全为低电平，方向端为高，数据从a端到b端，所以k5-k8均为低电平，同时rd4-rd7接收k1-k4的信号，由于第m行有键按下，该行的信号线与第n列的信号线相连被置低，其余三行均被上拉电阻拉高，这样确定按键的行数；然后，改变74254的方向端为低，数据从b端到a端，pic单片机向d口写数据，rd4-rd7全为低电平，k1-k4均为低电平，同时rd0-rd3接受k5-k8的信号，第三列均被上拉电阻拉高，这样确定按键的列数，从而确定按键，转入相应的子程序运行。图 3-7 键盘控制电路8.控制接口。控制接口用于发送控制信号和接收反馈信号，接fpga的16根i/o管脚。3.3硬件描述语言vhdl3.3.1 vhdl语言简介伴随着设计规模的增大，传统的自至上的、采用通用逻辑元器件的硬件描述方法变得过于复杂，不易于使用。随着大规模专用集成电路（asic）的开发和研制，为了提高开发的效率，增加已有开发成果的继承性以及缩短开发时间，各asic研制和生产厂家相继开发了用于各自目的硬件描述语言（hdl），可以描述硬件电路的功能，信号连接关系及定时关系的语言。其中最有代表性的是美国国防部开发的vhdl。语言（vhsic hardware description language超高速集成电路硬件描述语言）。vhdl语言具有以下特点：1.vhdl语言可以支持自上至下（top down）和基于库（library-based）的设计方法，而且还支持同步电路、异步电路及其它随机电路的设计。2.vhdl语言具有多层次描述系统硬件功能的能力，可以从系统的数学模型直到门级电路；支持大规模设计的分解和设计重用；支持传输延迟和惯性延迟，可以更准确的建立复杂的电路硬件模型。3.在用vhdl语言设计系统硬件时，没有嵌入与工艺有关的信息，这样在工艺更新时，就无需修改原设计程序，只要改变相应的映射工具即可4.vhdl语言己作为一种ieee的工业标准，设计成果便于复用和交流，这样又进一步推动vhdl语言的推广和完善；另外，vhdl语言的语法比较严格，给阅读和使用都带来了极大的好处。5.vhdl语言具有并发性，体现在两个方面：首先使用vhdl语言进行数字电路设计时存在并发性，即vhdl语言支持设计分解，可使被分解的各子部分的设计并行完成，这些子部分的设计由三部分组成：定义实体确定模型与环境的接口；定义结构体完成模型的功能描述：定义测试部分为模型生成测试向量，并捕获模型输出信号状态以供分析。其次，vhdl语言在执行上具有并发性，很适合描述电路的并发性特点。3.3.2 vhdl语言的三种描述方式vhdl语言的所谓自上至下的设计方法，就是从系统总体要求出发，自上至下地逐步将设计内容细化，最后完成系统硬件的整体设计。在利用vhdl语言的硬件设计方法中，设计者自上至下分为三个层次对系统硬件进行设计：第一层次是行为描述。行为描述实质上是对整个系统的数学模型的描述。一般来说，对系统进行行为描述的目的是试图在系统设计的初始阶段，通过对系统行为描述的仿真来发现设计中存在的问题。第二层次是rtl方式描述，这一层次称为寄存器传输描述（又称数据流描述 ）。用行为描述的系统结构的程序，其抽象程度高，难于直接映射到具体的逻辑元件结构。要想得到硬件的具体实现，必须将行为描述的vhdl语言程序改写成rtl方式。也就是说，系统采用rtl方式，能导出系统的逻辑表达式，进行逻辑综合。在rtl方式中，要使用到大量的触发器、门电路等基本的数字元件，这些均可以在元器件库中直接调用。rtl方式更趋于实际电路的描述。第三层次是逻辑综合。逻辑综合这一阶段是利用逻辑综合工具，将rtl方式描述的程序转换成用基本逻辑单元表示的文件。3.4 用fpga实现对电机的速度控制3.4.1 系统工作框图与原理系统工作框图如图3-8。fpga作为控制器的核心元件，所起的功能如虚线内部所示。这个系统采用pwm方式完成三相直流电机的调速功能，采用霍尔元件检测转子位置，用igbt构成三相全桥功率变换器，具体的工作原理如下：图3-8 系统工作原理框图速度位置检测传感器将检测到的位置信号送至fpga，fpga先将传来的信号进行数字滤波，再通过查表计算得到电机的实际转速，与外部给定的转速进行比较。如果给定速度大于电机的实际转速，则速度调节器发出加速信号，pwm波的占空比增大，功率器件的开通时间变长，电机速度增高；反之，速度调节器发出减速信号，pwm波的占空比减小，过功率器件的开通时间变短，电机速度降低。另外，还有一个转向命令决定电机的转动方向9。3.4.2 计数器应用在电机调速控制中，存在着一些复杂的时序逻辑和组合逻辑。对于组合逻辑，可以用基本的逻辑与、或、非以及状态机来实现；对于时序逻辑，则需要硬件提供时间基准，一般是时钟信号。对于电机控制来说，涉及到时间的有脉宽调制信号（pwm）、功率器件的开通关断时间、死区时间等，必须采用计数器。计数器不仅能对时钟脉冲计数，还可以用于定时、分频、产生节拍脉冲等。由于fpga的工作频率非常高，如32m晶振的时钟周期达到31ns，许多时间不需要这样搞精度，而且，这些时间相对于晶振的时钟周期来讲是非常大的。对于这些精度要求不高的时间计数器应将时钟信号适当分频作为计数时钟，便于采用较小的计数器位数，计数器的最大计数值与计数时钟的乘积为计数器的最大计时值，只要最大计时值大于预设定的时间即可。对于分频电路，可以采用vhdl语言的文本输入或者原理图输入。用vhdl语言描述一个分频器，根据时钟输入端口的值，可以做出倍分频器；每经过一个输入时钟周期，信号cnt的值就增加1，所以cnt的最低位每经过两个输入时钟周期发生一次周期变化，次低位每经过4个输入时钟周期发生一次周期变化等，其真值表如表3-1。将cnt的不同位的值输出，就能产生不同的倍分频器。用vhdl语言描述的十六分频的程序如下（其中reset为复位信号，clks为时钟输入，clk_out为分频后的时钟输出）：表3-1 分频电路真值表if(reset=1)then cnt=”0000”；