本科毕业论文___基于nios_ii的pwm直流电机控制系统设计(编辑修改稿)

本科毕业论文___基于nios_ii的pwm直流电机控制系统设计(编辑修改稿)内容摘要：

术，在功率应用中基本取代了线性功率放大电路，以减小功率器件导通损耗，提高驱动效率。 在 PWM 技术中，功率器件工作在开关饱和导通状态，通过改变功率器件的驱动脉冲信号的开通与关断的时间，来改变加在负载两端的平均电压的大小。 改变脉冲信号的开通、关断时间有两种基本方式。 一种方式是将脉冲信号的开关频率及周期 T 固定，通过改变导通脉冲的宽度来改变负载的平均电压，这就是脉冲宽度调制（ PWM）。 另一种方式是将脉 冲信号的导通宽度固定，通过改变开关频率及周期 T 来改变负载的平均电压，这就是脉冲频率调制（ PFM）。 由于 PFM 控制 是 通过改变脉冲频率来实现平均电压的调节的，频率变化范围较大。 在频率较低时，往往人耳所感觉到的电磁噪声较高；而在频率较高时，会导致功率器件开关损耗的增加，而且还存在功率器件关断速度的限制。 最严重的情况是，在某些特殊频率下系统有可能产生机械谐振，就会导致系统产生震荡和出现音频啸叫声。 而在 PWM 控制中，由于脉冲频率固定，通过频率选择不但可以克服上述问题，而且有利于消除系统中由于功率器件开关所导致的固定 频率的电磁干扰。 因此在电气传动领域内 PWM 控制技术成为应用的主流 技术。 FPGA 概述 EDA 简介 在现代高新电子产品的设计和生产中，微电子技术和现代电子设计技术是相互促进、相互推动又相互制约的两个技术环节。 前者代表了物理层在广度和深度上硬件电路实现的发展，后者则反映了现代先进的电子理论、电子技术、仿真技术、设计工艺和设计技术与最新的计算机软件技术有机的融合和升华。 因此， EDA 技术便是这两者的结合 [2]。 EDA（ Electronic Design Automation） 技术在硬件实现方面融合了大规模集成电路 制造技术、 IC 版图设计技术、 ASIC 测试技术和封装技术、 FPGA/CPLD编程下载技术、自动测试技术等；在计算机辅助工程方面融合了计算机辅助设计（ CAD）、计算机辅助制造（ CAM）、计算机辅助测试（ CAT）、计算机辅助工程（ CAE）技术以及多种计算机语言的设计概念；而在现代 电子 学方面则容纳了更多的内容， 如电子线路设计理论、数字信号处理技术、数字系统建模 xx 大学学士学位论文 3 等。 因此 EDA 技术为现代电子理论和设计的表达与实现提供了可能性。 EDA 技术通过超大规模可编程逻辑器件、半定制或全定制 ASIC 及混合ASIC 三种途径来实现完成 专用集成电路的设计和实现这一最终目标。 ASIC 作为最终的物理平台，容纳了用户通过 EDA 技术将电子用系统的既定功能和技术指标具体实现的硬件实体。 FPGA 简介 FPGA 是英文 Field Programmable Gate Array 的缩写，即现场可编程门阵列，它是在 PAL、 GAL、 EPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。 它是作为专用集成电路（ ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 FPGA 采用了逻辑单元阵列 LCA（ Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块 CLB（ Configurable Logic Block）、输出输入模块 IOB（ Input Output Block）和内部连线（ Interconnect）三个部分。 FPGA 的基本特点主要有： FPGA 设计 ASIC 电路，用户不需要投片生产，就能得到 可 用的芯片。 可做其它全定制或半定制 ASIC 电路的中试样片。 内部有丰富的触发器和 I／ O 引脚。 是 ASIC 电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 采用高速 CHMOS 工艺，功耗低，可以与 CMOS、 TTL 电平兼容。 可以说， FPGA 芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。 目前 FPGA 的品种很多，有 XILINX 的 XC 系列、 TI 公司的 TPC 系列、ALTERA 公司的 FIEX 系列等。 FPGA 是由存放在片内 RAM 中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的 RAM 进行编程。 用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。 加电时， FPGA 芯片将 EPROM 中数据读入片内编程 RAM 中，配置完成后， FPGA 进入工作状态。 掉电后 ， FPGA 恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此， FPGA 能够反复使用。 FPGA 的编程无须专用的 FPGA 编程器，只须用通用的 EPROM、 PROM 编程器即可。 当需要修改 FPGA 功能时，只需换一片 EPROM 即可。 这样，同一片 FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。 因此， FPGA 的使用非常灵活。 FPGA 有 并行主模式、主从模式、串行模式及外设模式等 多种配置模式。 Cyclone II 系列 FPGA 简介 Cyclone II 系列 FPGA 芯片是 ALTERA 公司 的产品。 ALTERA 公司的 PLD具有高性能、高集成度和 高性价比的优点。 其中， Cyclone II 系列芯片 是 最新推 xx 大学学士学位论文 4 出的产品系列。 Cyclone II 器件的制造基于 300mm 晶圆，采用 TSMC 90nm、低K 值电介质工艺。 Cyclone II FPGA 系列是低成本系列 FPGA，其功能包括： 68416LE，用于高密度应用。 的用于嵌入式处理器的通用存储单元。 150 个 18 18 用于嵌入式处理器的低成本数字信号处理（ DSP）应用。 DDR DDR 和 SDR SDRAM 以及QDRII SRAM 存储器件。 4 个嵌入式 PLL，用于片内和片外系统时钟管理。 I/O 标准用于 64 为、 66MHZ PCI 和 64 为、 100MHZ PCIX（模式 1） 协议。 I/O 信号，支持 RSDS、 miniLVDS、 LVPECL 和 LVDS，数据速率接收端最高达 805Mbps，发送端最高 633Mbps。 CRC 检测。 Nios II 嵌入式处理器。 FPGA 开发基本流程 FPGA 系统设计流程包括硬件和软件设计流程。 首先确定系统功能，并对关键部分予以仿真。 在确定系统功能并划分功能模块之后，根据不同的结构和算法 ， 确定不同的资源消耗。 由上述过程可以确定系统设计需要消耗的 门 数、存储器的大小。 根据系统设计的要求，对系统时序和时钟速率进行考察和估计，可以确定所需器件的速度级别。 根据系统外部接口的要求，确定接口时序和芯片引脚资源消耗情况。 在上述过程完成以后，考虑系统功能和性能的可扩展性，确定器件型号。 型号确定之后，需要确定配置方式，因为不同型号的器件，其配置方式是有很大的差异的。 硬件设计和软件设计可以同时进行。 所谓软件设计是用 HDL 语言 (Hardware Description Language)利用 FPGA 内部资源实现设计的过程，一般包括设计输入、综合、功能仿真 (前仿真 )、设计实现、时序仿真 (后仿真 )、配置下载五个过程 [3]。 具体设计流程如图 11 所示： ： FPGA设计一般基于某种 EDA软件的开发，设计输入就是设计人员将所要设计的系统或电路以开发软件要求的形式表示出来，目前比较流行的做法是采用硬件描述语言 (HDL)用文本的形式来描述设计。 硬件描述语言可以对系统进行行为级和寄存器传输级描述。 ： 综合，就是针对 给定的电路实现功能和实现此电路的约束条件，通过计算机进行优化处理，获得一个能满足上述要求的电路设计方案。 也就是说，被综合的文件是 HDL文件 (或相应文件等 )，综合的依据是逻辑设计的描述和各种约束条件，综合的结果则是一个硬件电路的实现方案，该方案必须同时满足预期的功能和约束条件。 xx 大学学士学位论文 5 图 1– 1 FPGA 基本开发流程 ： 从广义上讲，设计验证包括功能与时序仿真和电路验证。 仿真是指使用设计软件包对已实现的设计进行完整测试，模拟实际物理环境下的工作情 况。 前仿真是指仅对逻辑功能进行测试模拟，以了解其实现的功能否满足原设计的要求，仿真过程没有加入时序信息，不涉及具体器件的硬件特性，如延时特性；而在布局布线后，提取有关的器件延迟、连线延时等时序参数，并在此基础上进行的仿真称为后仿真，它是接近真实器件运行的仿真。 ： 实现可理解为利用实现工具把逻辑映射到目标器件结构的资源中，决定逻辑的最佳布局，选择逻辑与输入输出功能连接的布线通道进行连线，并产生相应文件 (如配置文件与相关报告 )其主要过程包括，设计文件转换、映射和布局布线。 ：产生一反标文 件，供给后续的时序仿真使用。 ：产生 FPGA配置时需要的位流文件。 ：下载是在功能仿真与时序仿真正确的前提下，将综合后形成的位流下载到具体的 FPGA芯片中，也叫芯片配置。 SOPC 概述 SOPC 简介 SOPC（ System On Programmable Chip） ,是 Altera 公司提出来的一种灵活、高效的 SOC 解决方案 ，是一种新的软硬件协同设计的系统设计技术。 它将处理器、存储器、 I/O 口、 LVDS、 CDR 等系统设计需要的功能模块集成到一个可编程器件上，构成一个可编程的片上系统 [4]。 SOPC 是 PLD 和 ASIC 技术融合的结果，可以把它看成半导体产业未来的发展方向的代表。 SOPC 结合了 ASIC 和配置器件 时序分析 时序仿真 必要的修改 设计输入 必要的修改 功能仿真 设计综合 设计实现 位流文件 报告文件 仿真网表 xx 大学学士学位论文 6 FPGA 各自的优点，其基本特征： FPGA为平台，至少包含一个以上的嵌入式处理器核(软核或硬核 )。 RAM资源。 IP资源可供选择。 FPGA编程接口。 、低功耗。 SOPC 方案构成途径有 基于 FPGA 嵌入 IP 硬核的 SOPC 系统、 基于 FPGA嵌入 IP 软核的 SOPC 系统和 基于 HardCopy 技术的 SOPC 系统 三种。 Nios II 软核简介 Nios II 系列 32 位 RISC 嵌入式处理器具有超过 200DMIP 的性能，在低成本 FPGA 中实现成本只有 35 美分。 由于处理器是软核形式，具有很大的灵活性，可以 在 多种系统设置组合中 即兴 选择，满足成本和功能要求。 采用 Nios II处理器进行设计，可以帮助 用户 将产品迅速推向市场，延长产品生命周期，防止出现处理器逐渐过时的情况 [5]。 采用 Nios II 处理器，用户将不会局限于预先制造的处理器技术，而是根据自己的要求定制处理器，按照需要选择合适的外设、存储器 和接口。 此外，用户还可以轻松集成自己专有的功能，创建一款“完美”的处理器。 由于今后发展具有不确定性，因此，设计人员必须能够更改其设计，加入多个 CPU，定制指令集及硬件加速器，以达到新的性能目标，而 Nios II 处理器能满足以上要求。 本文研究内容 鉴于上述电气传动和 PWM 技术的发展和趋势，本文以两相直流电机为控制对象， 使用 基于 SOPC 系统的 Nios II 软核 ，并 利用 PWM 技术设计实现一个直流电机控制系统，主要研究内容包括以下几点： PWM 技术的原理进行分析研究，选取适合 PWM 技术控制的直流电机驱动系统。 SOPC 系统的 Nios II 软核的控制系统的构架，确定整体片上系统，完成运动控制系统 FPGA 硬件逻辑设计。 SOPC 系统的软件开发流程和控制程序结构。 xx 大学学士学位论文 7 第 2章 PWM 直流电机控制 系统设计 原理 本章主要 阐述 了 PWM 技术的基本原理 和 电机驱动电路选择的理论依据。 说明了本文设计的 直流电机控制 系统所使用的闭环控制的基本思想和实现方法。 其次 ， 对 控制器设计中 使用 的 Avalon 总线结构 以及基于的 Avalon 总线的自定制外设进行了简要的说明。 直流电机驱动器的组成 直流 PWM 控制的基本原理 脉冲宽度调制（ PWM）是英文“ Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制。 它是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术，广泛应用于测量，通信，功率控制与变换等许多领域。 PWM 是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。 通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。 PWM 信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(ON)，要么完全无 (OFF)。 电压或电流源是以一种通 (ON)或断 (OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。 通 的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。 只要带宽足够，任何模拟值都可以使用 PWM进行编码。 [6]多数负载 (无论是电感性负载还是电容性负载 )需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为 1kHz。