基于EDA直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計

1、吉林大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育2015屆本科生畢業(yè)設(shè)計（論文）吉林大學(xué)遠(yuǎn)程教育本科生畢業(yè)論文（設(shè)計）中文題目基于EDA的直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計學(xué)生姓名 張 智 專業(yè) 機械電子 層次年級 13級本科 學(xué)號21332107070001指導(dǎo)教師 王 昕 職稱 副教授 學(xué)習(xí)中心 弘成宿遷 成績 2015年10月9日摘 要論文以直流電機為研究對象，應(yīng)用了FPGA技術(shù)，設(shè)計出了一種全數(shù)字的步進電機控制系統(tǒng)。 本論文分析了直流電機工作原理及其具體的控制過程，并闡述了FPGA的設(shè)計原理以及所涉及的相關(guān)芯片，然后對所用的硬件語言VHDL的知識進行簡要地介紹，這些為論文的具體設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。本系統(tǒng)針對實現(xiàn)直流電機的調(diào)速，設(shè)計

2、了一種符合要求的并連續(xù)可調(diào)的脈沖信號發(fā)生器，對整個系統(tǒng)進行模塊化設(shè)計，并且每個子模塊都通過了仿真測試。系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計思路，使系統(tǒng)的設(shè)計和維護更加方便，也提高了系統(tǒng)性能的可擴展性。FPGA、VHDL以及EDA工具構(gòu)成的數(shù)字系統(tǒng)集成技術(shù)，是本設(shè)計的核心部分，該技術(shù)具有操作靈活、利用廣泛及價廉等特點。系統(tǒng)設(shè)計采用全數(shù)字化的控制方案，使系統(tǒng)更緊湊、更合理及經(jīng)濟節(jié)約。由于系統(tǒng)的數(shù)字化，使整個系統(tǒng)運行得十分可靠，調(diào)試也極為方便。關(guān)鍵詞：直流電機，可編程門陣列，硬件描述語言目 錄一、緒論11.1課題背景11.2研究的目的及其意義2二、電機的基本知識42.1直流電機的特點42.2直流電機基本結(jié)構(gòu)42.2

3、.1定子部分42.2.2轉(zhuǎn)子部分52.3直流電機工作原理62.4直流電機PWM調(diào)速原理6三、FPGA與硬件描述語言83.1現(xiàn)場可編程邏輯器件83.2硬件描述語言設(shè)計方法83.2.1硬件描述語言發(fā)展概況83.2.2 EDA簡要介紹93.2.3采用硬件描述語言的設(shè)計流程10四、設(shè)計原理及其實現(xiàn)過程114.1直流電機PWM調(diào)速方案設(shè)計114.2FPGA內(nèi)部邏輯組成124.3模塊設(shè)計和相應(yīng)模塊程序134.3.1 PWM脈沖調(diào)制信號電路模塊134.3.2 邏輯控制模塊174.4 電路的總仿真圖194.4.1正/反轉(zhuǎn)控制仿真194.4.2 啟/?？刂品抡?94.4.3 加/減速仿真204.4.4 仿真結(jié)果

4、分析21總結(jié)23致謝24參考文獻25 一、緒論1.1課題背景自從1985年Xilinx公司推出第一片現(xiàn)場可編程邏輯器件（FPGA）到現(xiàn)在，F(xiàn)PGA已經(jīng)經(jīng)歷了二十幾年的發(fā)展歷程。在這幾十年的發(fā)展過程中，以FPGA為代表的數(shù)字系統(tǒng)現(xiàn)場集成技術(shù)取得了驚人的發(fā)展?，F(xiàn)場可編程邏輯器件從剛開始的1200個邏輯門，發(fā)展到90年代的25萬個邏輯門，甚至到現(xiàn)今國際上FPGA的著名廠商Altera公司、Xilinx公司又陸續(xù)推出了數(shù)百萬門的單片F(xiàn)PGA芯片，將現(xiàn)場可編程器件的集成度提高到一個新的水平。FPGA的優(yōu)點可以歸納為如下幾點：效能，上市時間，成本，可靠性和長期維護五個方面。效能-透過硬件的平行機制，F(xiàn)PG

5、A 可突破依序執(zhí)行 (Sequential execution) 的固定遜算，并于每時脈循環(huán)完成更多作業(yè)，超越了數(shù)位訊號處理器(DSP) 的計算功能。BDTI 作為著名的分析公司，并于某些應(yīng)用中使用 DSP 解決方案，以計算 FPGA 的處理效能。在硬件層級控制 I/O 可縮短回應(yīng)時間并特定化某些功能，以更符合應(yīng)用需求1。 上市時間-針對上市時間而言，F(xiàn)PGA技術(shù)具有彈性與快速原型制作的功能。使用者不需進行ASIC設(shè)計的冗長建構(gòu)過程，就可以在硬件中測試或驗證某個觀念。并僅需數(shù)個小時就可以建置其他變更作業(yè)，或替換 FPGA 設(shè)計?，F(xiàn)成的 (COTS) 硬件也可搭配使用不同種類的 I/O，并連接至

6、使用者設(shè)定的 FPGA 芯片。高級軟件工具正不斷提升其適用性，縮短了抽象層 (Layer of abstraction) 的學(xué)習(xí)時間，并針對進階控制與信號處理使用 IP cores (預(yù)先建立的方式)。 成本-ASIC 設(shè)計的非重置研發(fā) (NRE) 費用，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過 FPGA 架構(gòu)硬件解決方案的費用。ASIC設(shè)計的初始投資，可簡單認(rèn)列于 OEM 每年所出貨的數(shù)千組芯片，但是許多末端使用者更需要定制硬件功能，以便用于開發(fā)過程中的數(shù)百組系統(tǒng)。而可程序化芯片的特性，就代表了低成本的架構(gòu)作業(yè)，或組裝作業(yè)的長前置時間。由于系統(tǒng)需求隨時在變化，因此若與 ASIC 的龐大修改費用相比，F(xiàn)PGA 設(shè)計的成本實在

7、微不足道2。可靠性-正如軟件工具提供程序化設(shè)計的環(huán)境，F(xiàn)PGA 電路也為程序化執(zhí)行的建置方式。處理器架構(gòu)的系統(tǒng)往往具有多個抽象層，得以協(xié)助多重處理程序之間的作業(yè)與資源分享。驅(qū)動層 (Driver layer) 控制硬件資源，而作為作業(yè)系統(tǒng)則管理記憶體和處理器頻寬。針對任何現(xiàn)有的處理器核心來說，每次僅可執(zhí)行1組指令碼；而處理器架構(gòu)的系統(tǒng)則可以連續(xù)處理重要作業(yè)。FPGA 不需要使用作業(yè)系統(tǒng)，并將產(chǎn)生問題的幾率降到最低，采用平行執(zhí)行功能與專屬精密硬件執(zhí)行作業(yè)。長期維護-FPGA 芯片為即時升級 (Field-upgradable) 特性，不需要像ASIC 一般重新設(shè)計的時間與費用。FPGA 具有可重

8、設(shè)性質(zhì)，可隨時因應(yīng)未來的需要而進行修改。當(dāng)產(chǎn)品或系統(tǒng)趨于成熟時，不需耗時重新設(shè)計或修改配置，即可提升相關(guān)功能3。1.2研究的目的及其意義直流電動機因為具有良好的啟動性能和寬廣平滑的調(diào)速特性，從而被廣泛應(yīng)用于電力機車、無軌電車、軋鋼機、機床和啟動設(shè)備等這些需要經(jīng)常啟動并調(diào)速的電氣傳動裝置中，直流發(fā)電機主要用作直流電源。此外，小容量直流電機大多在自動控制系統(tǒng)中以伺服電動機、測速發(fā)電機等形式作為測量、執(zhí)行原件使用。當(dāng)基于FPGA的嵌入式系統(tǒng)時，在設(shè)計周期之初就不必為每個模塊做出用硬件還是軟件的選擇。由于FPGA中的邏輯單元是可編程的，可針對特定的應(yīng)用而定制硬件。所以，僅使用所需要的硬件即可，而不必做

9、出任何板級變動(前提是FPGA中的邏輯單元足夠用)。設(shè)計者不必轉(zhuǎn)換到另外一個新的處理器或者編寫匯編代碼，就可做到這一點。使用帶有可配置處理器的FPGA可獲得設(shè)計靈活性。設(shè)計者可以選擇如何實現(xiàn)軟件代碼中的每個模塊，如用定制指令，或硬件外圍電路。此外，還可以通過添加定制的硬件而獲取比現(xiàn)成微處理器更好的性能。另一點要知道的是，F(xiàn)PGA有充裕的資源，可配置處理器系統(tǒng)可以充分利用這一資源。算法可以用軟件，也可用硬件實現(xiàn)。出于簡便和成本考慮，一般利用軟件來實現(xiàn)大部分操作，除非需要更高的速度以滿足性能指標(biāo)。軟件可以優(yōu)化，但有時還是不夠的。如果需要更高的速度，利用硬件來加速算法是一個不錯的選擇。FPGA使軟件

10、模塊和硬件模塊的相互交換更加簡便，不必改變處理器或進行板級變動。設(shè)計者可以在速度、硬件邏輯、存儲器、代碼大小和成本之間做出折衷。利用FPGA可以設(shè)計定制的嵌入式系統(tǒng)，以增加新的功能特性及優(yōu)化性能。目前，雖然由晶閘管整流組件組成的固態(tài)直流電源設(shè)備已基本上取代了直流發(fā)電機，但直流電動機仍因為其良好調(diào)速性能的優(yōu)勢在許多傳動性能要求高的場合占據(jù)一定的地位，而FPGA又具有很強的性能及其優(yōu)勢，基于FPGA的直流電機的控制還是有應(yīng)用價值1。二、電機的基本知識電機可分為變壓器、異步電機、同步電機和直流電機四個機種。其中變壓器是靜止的電氣設(shè)備，其余均為旋轉(zhuǎn)電機。異步電機和同步電機均為交流電機。在本次設(shè)計中用到

11、的是直流電機，直流電機是實現(xiàn)直流電能與機械能轉(zhuǎn)的裝置4。2.1直流電機的特點直流電動機與交流電動機相比較，具有良好的調(diào)速性能和啟動性能。直流電動機具有寬廣的調(diào)速范圍，平滑的無級調(diào)速特性，可實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)；過載能力大，能承受頻繁的沖擊負(fù)載；能滿足自動化生產(chǎn)系統(tǒng)中各種特殊運行的要求。而直流發(fā)電機則能提供無脈動的大功率的直流電源，且輸出的電壓可以精確地調(diào)節(jié)和控制。但直流電機也有它顯著的缺點：一是制造工藝復(fù)雜，消耗有色金屬較多，生產(chǎn)成本高；二是運行的時候由于電刷與換向器之間容易產(chǎn)生火花，所以可靠性比較差，維護比較困難。所以在一些對調(diào)速性能要求不高的領(lǐng)域中己被交流變頻調(diào)速系統(tǒng)所取代。

12、但是在某些要求調(diào)速范圍大、快速性高、精密度好、控制性能優(yōu)異的場合，直流電動機的應(yīng)用目前仍然占有較大的比重5 6。 2.2直流電機基本結(jié)構(gòu)直流電機由定子（靜止部分）和轉(zhuǎn)子（轉(zhuǎn)動部分）兩大部分組成。2.1 直流電機的結(jié)構(gòu)2.2.1定子部分定子部分包括機座、主磁極、換向極和電刷裝置等。（1）機座機座有兩個作用，一是作為電機磁路系統(tǒng)中的一部分，二是用來固定主磁極、換向極及端蓋等，起機械支承的作用。因此要求機座有好的導(dǎo)磁性能及足夠的機械強度和剛座，機座通常用鑄鋼或厚鋼板焊成。（2）主磁極在大多數(shù)直流電機中，主磁極是電磁鐵，如圖2.1的N、S就是主磁極，主磁極鐵芯用11.5mm厚的低碳鋼板疊加而成，整個磁

13、級用螺釘固定在機座上。主磁極的作用是在定轉(zhuǎn)子之間的氣隙中建立磁場，使電樞繞組在此磁場的作用下感應(yīng)電動勢和產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩。（3）換向極換向極又稱附加極或間極，其作用是以改善換向。換向極裝在相鄰兩主磁極N、S之間，由鐵心和繞組構(gòu)成。鐵芯一般用整塊鋼或鋼板加工而成。換向極繞組與電樞繞組串聯(lián)。（4）電刷裝置在圖2.1中，A、B表示電刷。它的作用是把轉(zhuǎn)動的電樞繞組與靜止的外電路相連接，并與換向器相配合，起到整流或逆變器的作用。2.2.2轉(zhuǎn)子部分直流電機的轉(zhuǎn)子稱為電樞，包括電樞鐵芯、電樞繞組、換向器、風(fēng)扇、軸和軸承等。（1）電樞鐵芯電樞鐵芯是電機主磁路的一部分，且用來嵌放電樞繞組。為了減少電樞旋轉(zhuǎn)時電樞鐵芯

14、中因磁通變化而引起的磁滯及渦流損耗，電樞鐵心通常用0.5mm厚的兩面涂有絕緣漆的硅鋼片疊加而成。（2）電樞繞組電樞繞組是由許多按一定規(guī)律連接的線圈組成，它是直流電機的主要電路部分，也是通過電流和感應(yīng)電動勢，從而實現(xiàn)機電能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵部件。線圈用包有絕緣的導(dǎo)線繞制而成，嵌放在電樞槽中。每個線圈（也稱組件）有兩個出線端，分別接到換向器的兩個換向片上。所有線圈按一定規(guī)律連接成一閉合回路。（3）換向器換向器也是直流電機的重要部件。在直流電動機中，它將電刷上的直流電流轉(zhuǎn)換成繞組內(nèi)的交流電流；在直流發(fā)電機中，它將繞組內(nèi)的交流電動勢轉(zhuǎn)換成電刷端上的直流電動勢。換向器由許多換向片組成，每片之間相互絕緣。換向片

15、數(shù)與線圈組件數(shù)相同。2.3 直流電機工作原理直流電機的工作原理建立在電磁力和電磁感應(yīng)的基礎(chǔ)上，從圖2.1可以看出主磁極N、S間裝著一個可以轉(zhuǎn)動的鐵磁圓柱體，圓柱體的表面上固定著一個線圈abcd。abcd是裝在可以轉(zhuǎn)動的鐵磁圓柱上的一個線圈，把線圈的兩端分別接到兩個圓弧形的銅片上（簡稱換向片），兩者相互絕緣，鐵芯和線圈合稱電樞。當(dāng)線圈中通入直流電流時，線圈邊上受到電磁力F=Bli，根據(jù)左手定則確定力的方向，這一對電磁力形成了作用于電樞的一個電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)矩的方向是逆時針方向。若電樞轉(zhuǎn)動，線圈兩邊的位置互換，而線圈中通過的還是直流電流，則所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩的方向則變?yōu)轫槙r針方向，因此電樞受到一種方向交

16、變的電磁轉(zhuǎn)矩。這種交變的電磁轉(zhuǎn)矩只能使電樞來回?fù)u擺，而不能使電樞連續(xù)轉(zhuǎn)動。顯然，要使電樞受到一個方向不變的電磁轉(zhuǎn)矩，關(guān)鍵在于，當(dāng)線圈邊在不同極性的磁極下，如何將流過線圈中的電流方向及時地加以變換，即進行所謂“換向”。為此必須增添一個叫做換向器的裝置，換向器由互相絕緣的銅質(zhì)換向片構(gòu)成，裝在軸上，也和電樞絕緣，且和電樞一起旋轉(zhuǎn)。換向器又與兩個固定不動的由石墨制成的電刷A、B相接觸。裝了這種換向器以后，若將直流電壓加于電刷端，直流電流經(jīng)電刷流過電樞上的線圈，則產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電樞在電磁轉(zhuǎn)矩的作用下就旋轉(zhuǎn)起來。電樞一經(jīng)轉(zhuǎn)動，由于換向器配合電刷對電流的換向作用，直流電流交替地由線圈邊ab和cd流入，使線圈

17、邊只要處于N極下，其中通過電流的方向總是由電刷A流入的方向，而在S極下時，總是從電刷B流出的方向。這就保證了每個極下線圈邊中的電流始終是一個方向。這樣的結(jié)構(gòu)，就可使電動機能連續(xù)地旋轉(zhuǎn)。這就是直流電機的基本工作原理7。2.4直流電機PWM調(diào)速原理所謂脈沖寬度調(diào)制是指用改變電機電樞電壓接通與斷開的時間的占空比來控制電機轉(zhuǎn)速的方法，稱為脈沖寬度調(diào)制(PWM)。對于直流電機調(diào)速系統(tǒng)，使用FPGA進行調(diào)速是極為方便的。其方法是通過改變電機電樞電壓導(dǎo)通時間與通電時間的比值（即占空比）來控制電機速度。PWM調(diào)速原理如圖2.2所示。圖2.2 PWM調(diào)速原理在脈沖作用下，當(dāng)電機通電時，速度增加；電機斷電時，速度

18、逐漸減少。只要按一定規(guī)律，改變通、斷電時間，即可讓電機轉(zhuǎn)速得到控制。設(shè)電機永遠(yuǎn)接通電源時，其轉(zhuǎn)速最大為Vmax，設(shè)占空比為D=t1/T，則電機的平均速度為 Vd=VmaxD式中，Vd電機的平均速度 Vmax電機全通時的速度（最大） D=t1/T占空比 平均速度Vd與占空比D的函數(shù)曲線，如圖2.3所示。圖2.3 平均速度和占空比的關(guān)系由圖2.3所示可以看出，Vd與占空比D并不是完全線性關(guān)系（圖中實線），當(dāng)系統(tǒng)允許時，可以將其近似地看成線性關(guān)系（圖中虛線）。因此也就可以看成電機電樞電壓Ua與占空比D成正比，改變占空比的大小即可控制電機的速度。 由以上敘述可知：電機的轉(zhuǎn)速與電機電樞電壓成比例，而電機

19、電樞電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機的速度與占空比成比例，占空比越大，電機轉(zhuǎn)得越快，當(dāng)占空比1時，電機轉(zhuǎn)速最大。 三、FPGA與硬件描述語言在本章中首先介紹FPGA的基本知識，以及所要涉及的芯片；在此基礎(chǔ)上介紹設(shè)計中需要應(yīng)用的硬件語言，以便使下面的設(shè)計更加完整，并方便閱讀。3.1現(xiàn)場可編程邏輯器件在現(xiàn)場可編程邏輯器件領(lǐng)域，目前主要的產(chǎn)品主要分為3大類。(1)基于SRAM編程的FPGA所謂基于SRAM編程的FPGA，從結(jié)構(gòu)上而言，主要是由3個部分組成：可編程邏輯塊(CLB)、可編程輸入/輸出模塊IOB和可編程內(nèi)部連線Pl組成。(2)基于PROM或EEPROM編程的CPLD基于EPROM或E

20、EPROM編程的CPLD，主要由可編程I/O模塊、可編程邏輯單元模塊(LB)、可編程布線池(PIA)組成。其特點是：芯片功能的定義是由陣列分布EPROM或EEPROM型的下拉MOS開關(guān)來控制。(3)基于一次性編程的反熔絲FPGA反熔絲FPGA的主要特點是功耗低，布線通路豐富，邏輯元件粒度小。另一方面，眾所周知，采用反熔絲技術(shù)的FPGA盡管具有許多優(yōu)點，但是卻有一個致命的弱點，也就是只能進行一次性編程，這就為大規(guī)模FPGA產(chǎn)品的開發(fā)帶來了許多不便。為了彌補這一不足，近年來，一種新型的集高密度、低功耗、非易失性和可重新編程于一身的非易失性、可重新編程的門陣列已經(jīng)推向市場。(4)FPGA未來發(fā)展方向

21、以FPGA、CPLD為代表的現(xiàn)場可編程邏輯電路的主要發(fā)展方向是：為了迎接系統(tǒng)級芯片時代，向著密度更高、速度更快、頻帶更寬的數(shù)百萬門超大規(guī)模的方向發(fā)展。為了方便用戶設(shè)計和特殊功能的應(yīng)用，向著嵌入通用或者標(biāo)準(zhǔn)功能模塊方向發(fā)展。為了適應(yīng)全球環(huán)保潮流，向著低壓、低功耗的綠色組件方向發(fā)展3。3.2硬件描述語言設(shè)計方法3.2.1硬件描述語言發(fā)展概況硬件描述語言(Hardware Description language)是硬件設(shè)計人員和電子設(shè)計自動化(EDA)工具之間的界面。其主要目的是用來編寫設(shè)計文件建立電子系統(tǒng)行為級的仿真模型，即利用計算機的巨大能力對用Verilog HDL或VHDL建模的復(fù)雜的數(shù)字

22、邏輯進行仿真.然后再自動綜合從而生成符合要求且在電路結(jié)構(gòu)上可以實現(xiàn)的數(shù)字邏輯網(wǎng)表(Netlist)，根據(jù)網(wǎng)表和某種工藝的器件自動生成具體電路.然后生成該工藝條件下這種具體電路的延時模型,仿真驗證無誤后，用于制造ASIC芯片或?qū)懭隕PLD和FPGA器件中5。 在EDA技術(shù)領(lǐng)域中把用HDL語言建立的數(shù)字模型被稱為軟核(soft core)，把用建模和綜合后生成的網(wǎng)表稱為固核(Hard core)，對這些模塊的重復(fù)利用不僅縮短了開發(fā)時間，而且還提高了產(chǎn)品開發(fā)率和設(shè)計效率8。 3.2.2 EDA簡要介紹20世紀(jì)后半期，隨著集成電路和計算機的不斷發(fā)展，電子技術(shù)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。由于電子技術(shù)發(fā)展周期不斷縮

23、短，專用集成電路（ASIC）的設(shè)計面臨著難度不斷提高與設(shè)計周期不斷縮短的矛盾。為了解決這個問題，必須采用新的設(shè)計方法和使用高層次的設(shè)計工具。在此情況下，EDA（Electronic Design Automation,電子設(shè)計自動化）技術(shù)應(yīng)運而生。EDA技術(shù)就是以計算機為工作平臺，以EDA軟件工具為開發(fā)環(huán)境，以硬件描述語言為設(shè)計語言，以可編程器件為實驗載體，以ASIC、SOC芯片為目標(biāo)器件，以數(shù)字邏輯系統(tǒng)設(shè)計為應(yīng)用方向的電子產(chǎn)品自動化設(shè)計過程。隨著現(xiàn)代半導(dǎo)體的精密加工技術(shù)發(fā)展到深來微米（0.18um-0.35um）階段,基于大規(guī)模或超大規(guī)模集成電路技術(shù)的定制或半定制ASIC 器件大量涌現(xiàn)并獲得

24、廣泛的應(yīng)用研究，使整個電子技術(shù)與產(chǎn)品的面貌發(fā)生了深刻的變化，極大地推動了社會進程。而支撐這一發(fā)展進程的主要基礎(chǔ)之一就是EDA技術(shù)。EDA技術(shù)在硬件方面融合了大規(guī)模集成電路制造技術(shù)，IC版圖設(shè)計技術(shù)、ASIC測試和封裝技術(shù)、CPLD/FPGA技術(shù)等；在計算機輔助工程方面融合了計算機輔助設(shè)計CAD、計算機輔助制造CAM、計算機輔助測試CAT技術(shù)及多種計算機語言的設(shè)計概念，而在現(xiàn)代電子學(xué)方面則融合了更多的內(nèi)容，如數(shù)字電路設(shè)計理論、數(shù)字信號處理技術(shù)、系統(tǒng)建模和優(yōu)化技術(shù)等。因此EDA技術(shù)為現(xiàn)代數(shù)字系統(tǒng)理論和設(shè)計的表達(dá)與應(yīng)用提供了可能性，它已不是某一學(xué)科的分支，而是一門綜合性學(xué)科。EDA技術(shù)打破了計算機軟

25、件與硬件間的壁壘，是計算機軟件技術(shù)與硬件實現(xiàn)、設(shè)計效率和產(chǎn)品性能的合二為一，它代表了數(shù)字電子設(shè)計技術(shù)和應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展方向。3.2.3采用硬件描述語言的設(shè)計流程(1)自頂向下(top-down)設(shè)計的基本概念利用層次化、結(jié)構(gòu)化的設(shè)計方法，一個完整的設(shè)計任務(wù)首先是由設(shè)計師劃分為若干個可操作的模塊，編制出相應(yīng)的模型；在通過仿真驗證后，然后把模塊分給下一層的設(shè)計者。這就允許多個設(shè)計者同時設(shè)計一個硬件系統(tǒng)中的不同模塊，其中每個設(shè)計者都有負(fù)責(zé)自己所承當(dāng)?shù)牟糠?，而由上一層設(shè)計師對其下層設(shè)計者完成的設(shè)計用行為級上層模塊對其設(shè)計進行驗證。為了提高設(shè)計質(zhì)量，一部分模塊可以通過商業(yè)渠道得到，這樣可以節(jié)省開發(fā)時間和經(jīng)

26、費。 (2)層次管理的基本概念復(fù)雜數(shù)字邏輯電路和系統(tǒng)的層次化、結(jié)構(gòu)化設(shè)計隱含著對系統(tǒng)設(shè)計方案的逐次分解。在設(shè)計過程中的任意一個層次，至少得有一種形式來描述硬件。硬件描述通常稱為行為建模。在集成電路設(shè)計的每一層次，硬件可以分為一些模塊。該層次的硬件結(jié)構(gòu)由這些模塊互相描述。(3)具體模塊的設(shè)計編譯和仿真過程在不同的層次做具體模塊的設(shè)計所用的方法也有所不同。在高層次上往往編寫一些行為級的模塊通過仿真加以驗證，其主要的目的是系統(tǒng)性能的總體考慮和各模塊的指標(biāo)分配，并非具體電路的實現(xiàn)，因此綜合以上的步驟往往不需要進行；而當(dāng)設(shè)計接近底層時，行為描述往往要用電路邏輯來描述實現(xiàn)。此時模塊不但需要通過仿真加以驗證

27、，而且還要通過進行綜合、優(yōu)化和后仿真?？傊唧w電路是從底向上逐步實現(xiàn)的。(4)對應(yīng)具體工藝器件的優(yōu)化、映像和布局布線由于各種ASIC和FPGA器件的工藝各不相同，因此當(dāng)用不同廠家的不同器件來實現(xiàn)已驗證的邏輯網(wǎng)表(EDIF文件)時，就需要不同的基本單元庫與布線延遲模型與之對應(yīng)，才可以進行準(zhǔn)確的優(yōu)化、映像以及布局布線。四、設(shè)計原理及其實現(xiàn)過程4.1直流電機PWM調(diào)速方案設(shè)計圖 4.1 基于FPGA的直流電機調(diào)速系統(tǒng)如圖4.1所示為基于FPGA的直流電機調(diào)速方案的方框圖，用FPGA產(chǎn)生PWM波形，只需要FPGA內(nèi)部資源就可以實現(xiàn)，如數(shù)字比較器、鋸齒波發(fā)生器等均為FPGA內(nèi)部資源，我們只要直接調(diào)用就

28、可以。外部端口U_D、EN1、Z/F、START接在鍵盤電路上，CLK2和CLK0接在外部時鐘電路上。其工作原理是：設(shè)定值計數(shù)器的設(shè)置PWM的占空比。當(dāng)U/D=1時,輸入CLK2,使設(shè)定值計數(shù)器的輸出值增加, PWM的占空比增加,電機轉(zhuǎn)速加快;當(dāng)U/D =0時，輸入CLK2，使設(shè)定值計數(shù)器的輸出值減小,PWM的占空比減小,電機轉(zhuǎn)速變慢。在CLK0的作用下,鋸齒波計數(shù)器輸出周期性線性增加的鋸齒波。當(dāng)計數(shù)值小于設(shè)定值時,數(shù)字比較器輸出高電平;當(dāng)計數(shù)值大于設(shè)定值時,數(shù)字比較器輸出低電平,由此產(chǎn)生周期性的PWM波形。旋轉(zhuǎn)方向控制電路控制直流電動機轉(zhuǎn)向和啟/停,該電路由兩個2選1的多路選擇器組成,Z/F

29、鍵控制選擇PWM波形是從正端Z進入H橋，還是從負(fù)端F進入H橋，以控制電機的旋轉(zhuǎn)方向。當(dāng)Z/F=1時，PWM輸出波形從正端Z進入H橋，電機正轉(zhuǎn)。當(dāng) Z/F =0時，PWM輸出波形從負(fù)端F進入H橋，電機反轉(zhuǎn)。START是電機的開啟端，U_D控制電機加速與減速，EN1用于設(shè)定電機轉(zhuǎn)速的初值，Z_F是電機的方向端口，選擇電機運行的方向。CLK2和CLK0是外部時鐘端，其主要作用是向FPGA控制系統(tǒng)提供時鐘脈沖，控制電機進行運轉(zhuǎn)。通過鍵盤設(shè)置PWM信號的占空比。當(dāng)U_D=1時, 表明鍵U_D按下，輸入CLK2使電機轉(zhuǎn)速加快；當(dāng)U/D =0，表明鍵U_D松開,輸入CLK2使電機轉(zhuǎn)速變慢，這樣就可以實現(xiàn)電機

30、的加速與減速。START是電機的開啟鍵，當(dāng)START=1，允許電機工作；當(dāng)START=0時，電機停止轉(zhuǎn)動。H橋電路由大功率晶體管組成，PWM輸出波形通過由兩個二選一電路組成的方向控制電路送到 H 橋, 經(jīng)功率放大以后對直流電機實現(xiàn)四象限運行。并由EN1信號控制是否允許變速9。4.2 FPGA內(nèi)部邏輯組成圖4.2 FPGA直流電機PWM 控制電路由圖4.2可以看出電機控制邏輯模塊由PWM脈寬調(diào)制信號產(chǎn)生電路、方向控制電路組成。其中PWM脈寬調(diào)制信號產(chǎn)生電路由可控的加減計數(shù)器CNTA、5位二進制計數(shù)器CNTB、數(shù)字比較器LPM_COMPARE三部分組成，方向控制電路由兩個二選一電路21MUX組成。

31、接著就對PWM脈寬調(diào)制信號產(chǎn)生電路的VHDL描述與仿真、方向電路的VHDL描述與仿真進行詳細(xì)的分析。4.3模塊設(shè)計和相應(yīng)模塊程序4.3.1 PWM脈沖調(diào)制信號電路模塊PWM脈寬調(diào)制信號產(chǎn)生電路由可控的加減計數(shù)器CNTA、5位二進制計數(shù)器CNTB、數(shù)字比較器LPM_COMPARE三部分組成。可控的加減計數(shù)器做細(xì)分計數(shù)器，確定脈沖寬度。當(dāng)U/D=1時，輸入CLK2,使設(shè)定值計數(shù)器的輸出值增加，PWM的占空比增加,電機轉(zhuǎn)速加快；當(dāng)U/D =0，輸入CLK2,使設(shè)定值計數(shù)器的輸出值減小,PWM的占空比減小，電機轉(zhuǎn)速變慢。5位二進制計數(shù)器在CLK0的作用下,鋸齒波計數(shù)器輸出周期性線性增加的鋸齒波。當(dāng)計數(shù)

32、值小于設(shè)定值時，數(shù)字比較器輸出高電平；當(dāng)計數(shù)值大于設(shè)定值時,數(shù)字比較器輸出低電平，由此產(chǎn)生周期性的PWM波形。其內(nèi)部邏輯圖如圖4.3所示。圖 4.3 FPGA中的PWM脈寬調(diào)制信號產(chǎn)生電路在本次設(shè)計中直流電機轉(zhuǎn)速進行了32級細(xì)分。細(xì)分計數(shù)器的初值設(shè)為08H，當(dāng)計數(shù)器CNTB的值小于8時，AGB輸出高電平，當(dāng)計數(shù)器CNTB的值大于8時，AGB的輸出值為低電平，從而產(chǎn)生PWM波形。圖4.4 A4.0=08H時電機加速PWM波形通過改變細(xì)分計數(shù)器的值就可以改變PWM的占空比，從而改變直流電機的速度。在圖4.4中占空比D=8/32=0.25，在圖4.5中占空比D=4/32=0.125。通過以上兩組數(shù)據(jù)

33、比較以及分析仿真波形我們可以看出，只要改變使能端電平的高低，便可以改變細(xì)分計數(shù)器的值，也就是改變細(xì)分計數(shù)器CNTA的初值，從而可以改變直流電機的占空比，改變直流電機的速度。圖4.5 A4.0=04H時電機減速PWM波形調(diào)節(jié)PWM波的占空比是電機調(diào)速的重要手段，若脈寬計數(shù)器CNTA的值逐漸增大，輸出脈沖的開啟時間變大，PWM占空比逐漸變大，功率器件輸出給電機電樞的能量增加，電機加速。若脈寬計數(shù)器定時器CNTA的值減小，輸出脈沖的開啟時間變小，PWM占空比逐漸變小，功率器件輸出給電機電樞的能量減少，電機減速。當(dāng)電機得到加速信號，占空比增大至它可調(diào)范圍的最大值后保持，電機得到減速信號，占空比減小至它

34、的可調(diào)范圍的最小值后保持。（1）可控加減計數(shù)器模塊可控加減計數(shù)器CNTA是一個雙向計數(shù)器, 可以進行加減計數(shù),由U_D控制其加/減計數(shù)方向, CLK是計數(shù)時鐘輸入端。為了便于連續(xù)變速控制, 在計數(shù)器的CLK端通過“與”門, 加入了CLK2外部變速控制附加時鐘, 并由EN1信號控制是否允許變速。U_D=1時，加減計數(shù)器CNTA在脈沖CLK2的作用下，每來一個脈沖，計數(shù)器CNTA加1，U_D=0時，每來一個脈沖，計數(shù)器CNTA減1。使能端EN1設(shè)定計數(shù)器值的初值，當(dāng)EN1由1變?yōu)?的時候，無論U_D如何表化，計數(shù)器的值都不會發(fā)生變化，這樣就完成了可控加減計數(shù)器的設(shè)定值，其仿真波形如圖4.6所示,

35、其VHDL語言如下。LIBRARY IEEE;LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;ENTITY CNTA IS PORT(CLK:IN STD_LOGIC; U_D:IN STD_LOGIC; CQ:OUT STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0);END CNTA;ARCHITECTURE behav OF CNTA IS SIGNAL CQI:STD_LOGIC_VECTOR(4 DOWNTO 0);BEGIN PROCESS(CLK)BEGIN IF CLKEVE

36、NT AND CLK=1THEN IF U_D=1 THEN IF CQI=31 THEN CQI=11111; ELSE CQI=CQI+1; END IF; ELSIF CQI=0 THEN CQI=00000; ELSE CQI=CQI-1;END IF; END IF; END PROCESS; CQ=CQI; END behav;圖 4.6 可控加減計數(shù)器的仿真波形（2）4.3.1.2 二進制計數(shù)器電路模塊CNTB是一個簡單的5位二進制計數(shù)器，它的工作原理和CNTA的原理很相似，我們只是在CNTA的時鐘端加了一個使能端EN1控制其加減的方向。而CNTB的時鐘端沒有加使能端，所以每來一

37、個脈沖計數(shù)器加1，因為CNTB是一個5位的二進值計數(shù)器，所以當(dāng)計數(shù)器的值當(dāng)大于32時，計數(shù)器又重新從0開始記數(shù)，從而產(chǎn)生周期性的線性增加的鋸齒波。其仿真波形如圖4.7, 其VHDL語言如下。ENTITY CNTB IS PORT(CLK: IN BIT; Q:BUFFER INTEGER RANGE 31 DOWNTO 0); END;ARCHITECTURE BHV OF CNTB IS BEGIN PROCESS(CLK) BEGIN IF CLKEVENT AND CLK=1 THEN Q=Q+1; END IF; END PROCESS; END BHV;圖4.7 5位二進制計數(shù)器仿真

38、波形（3）4.3.1.3 數(shù)字比較器模塊數(shù)字比較器是產(chǎn)生PWM波形的核心組成部件，可控的加減計數(shù)器CNTA和5位二進制計數(shù)器CNTB同時加數(shù)字比較器LPM-COMPARE兩端作為兩路輸入信號，當(dāng)計數(shù)器CNTB輸出值小于細(xì)分計數(shù)器CNTA輸出的規(guī)定值時, 比較器輸出高電平; 當(dāng)CNTB輸出值不小于細(xì)分計數(shù)器CNTA輸出的規(guī)定值時, 比較器輸出低電平。改變細(xì)分計數(shù)器的設(shè)定值, 就可以改變PWM輸出信號的占空比。為了便于觀察防真波形，我在CNTB的輸出加上B4.0，仿真波形如圖4.8。圖4.8 數(shù)字比較器的仿真波形4.3.2 邏輯控制模塊如圖4.9所示FPGA中的工作/停止控制和正/反轉(zhuǎn)方向控制電路

39、，其兩個二選一多路選擇器加上兩個與門根據(jù)邏輯原理組合而成。START鍵通過“與”門控制PWM輸出,實現(xiàn)對電機的工作/停止控制。當(dāng)START端接高電平時，表示電源接通，電機開始運轉(zhuǎn)；當(dāng)START端接低電平時，電機停止運轉(zhuǎn)。Z/F鍵控制選擇PWM波形是從正端Z進入H橋，還是從負(fù)端F進入H橋，以控制電機的旋轉(zhuǎn)方向。當(dāng)Z/F=1時PWM輸出波形從正端Z進入H橋，電機正轉(zhuǎn)。當(dāng) Z/F =0時PWM輸出波形從負(fù)端F進入H橋，電機反轉(zhuǎn)。仿真如圖4.10所示。圖4.9 FPGA中的工作/停止控制和正/反轉(zhuǎn)方向控制電路圖4.10 正/反轉(zhuǎn)工作控制電路波形當(dāng)START=1時，與門打開，允許電機工作。當(dāng)START=

40、0時，與門關(guān)閉，電機停止轉(zhuǎn)動。仿真如圖4.11所示。圖4.11工作/停止電路波形4.4 直流電機PWM調(diào)速系統(tǒng)仿真在本次設(shè)計中，需要滿足的技術(shù)要求是設(shè)計具有正/反轉(zhuǎn)，起/停控制功能、速度在線可調(diào)的直流電機控制裝置。接下來就用仿真波形詳細(xì)的說明本次設(shè)計的電路滿足以上的所有要求。4.4.1正/反轉(zhuǎn)控制仿真鍵盤Z_F是電機的方向控制鍵。當(dāng)要求電機正轉(zhuǎn)時，只需要按下鍵Z_F，表示Z_F輸出高電平，即Z_F=1，電機正轉(zhuǎn)，如圖4.12所示。當(dāng)鍵Z_F松開時，Z_F0時，電機反轉(zhuǎn)，如圖4.13、圖4.14所示。圖4.12 電機正轉(zhuǎn)圖4.13 電機反轉(zhuǎn)圖4.14 電機正反轉(zhuǎn)4.4.2 啟/?？刂品抡鍿TAR

41、T鍵是電機的啟動鍵，當(dāng)按下START鍵時，START=1,電機進入運行狀態(tài)，如圖4.15所示。反之，START=0時，電機停止，如圖4.16、圖4.17所示。圖4.15 啟動仿真波形圖4.16 停止仿真波形圖4.17 啟/停仿真波形4.4.3 加/減速仿真鍵盤EN1控制電機是否允許變速。所以通過改變EN1便可以改變設(shè)定值H4.0的值，也就是設(shè)定值的初值，從而改變了直流電機的占空比，改變直流電機的速度，達(dá)到調(diào)速的目的。因為CNTB是5位的計數(shù)器，所在本設(shè)計中直流電機轉(zhuǎn)速細(xì)分為32級。如圖4.18的占空比為2/32=0.0625，同理通過按鍵EN1該變H4.0的值便得到如圖4.19、4.20的PW

42、M仿真波形，其占空比依次為0.125、0.25，也就是占空比增大，電機的速度增加。根據(jù)以上的數(shù)據(jù)比較與仿真波形的分析可以看出，電機的速度在逐漸的增加。所以通過改變EN1的值可以改變直流電機的PWM占空比，從而改變直流電機的速度。圖4.18 H4.0=02H仿真波形圖4.19 H4.0=04H仿真波形圖4.20 H4.0=08H仿真波形4.4.4 仿真結(jié)果分析通過4.4.1到4.4.3的仿真波形分析可知，本設(shè)計中的各項功能夠很好的實現(xiàn)。在時鐘脈沖的作用下，計數(shù)器CNTA和CNTB都能按照事先設(shè)定好的規(guī)則進行計數(shù)。CNTA是可控的加減計數(shù)器，U_D控制其計數(shù)的方向，EN1用于設(shè)定其初值，當(dāng)NE1由

43、高電平變?yōu)榈碗娖綍r，就完成了設(shè)定值。CNTB是5位二進制計數(shù)器，其在時鐘脈沖CLK0的作用下一直加數(shù)，當(dāng)它加到32時就自動返回到0再重新加數(shù)。兩路計數(shù)器同時加到數(shù)字比較器LMP_COMPARE上，當(dāng)CNTB的值小于設(shè)定值時，數(shù)字比較器輸出高電平，當(dāng)CNTB的值大于設(shè)定值時，數(shù)字比較器輸出低電平。因此改變設(shè)定值的大小就可以改變PWM波形的大小，也就是完成了電機的調(diào)速。Z_F是電機的方向按鍵，選擇PWM波形的進入方向，當(dāng)其為1時，電機正轉(zhuǎn)，反之，反轉(zhuǎn)。至于電機的控制，是在它的輸入端加上兩個與門來控制電機的啟動與停止。其具體的操作如下：當(dāng)按下鍵Z_F鍵時，電機正轉(zhuǎn)，松開鍵時，電機反轉(zhuǎn)。當(dāng)按下鍵START時，電機開始工作，松開時，電機停止工作。通過按鍵E