基于DE2开发板的直流电机控制系统的设计

引言

直流电机（DC machine）是一种常用的机械能和电能转换的元件，由定子和转子两种基本结构组成，其中，定子是运行时静止不动的部分，主要作用是产生磁场：转子是运行时转动的部分，主要作用是产生电磁转矩和感应电动势。使用者通过对输入信号的控制间接控制定子和转子，进而实现控制直流电机的工作。

目前，在直流电机的控制系统中，很多设计者喜欢采用单片机（如8051）或者DSP（如MSP430）作为微控制器，这样做的优点是成本较低，缺点是需要较多的电路和端口，可能会导致系统的稳定性不够高。

本设计给出一种方案，该方案采用Altera公司提供的Nios II作为控制系统的核心单元：采用Altera提供的基于Avalon总线的IP和用户自定义的基于Avalon总线的逻辑单元作为外设：采用de2开发板作为验证平台。

Altera提供的DE2开发板拥有丰富的硬件资源：主芯片FPGA（EP2C35）有35KLES，8MB SDRAM，4MB FLASH，4个按键开关，27个LED灯，80脚扩展端口，TV解码器及其接口，24bits CD品质声道CODEC，USB控制器及其接口，以太网，等等。这些硬件资源能够满足较为复杂的硬件设计。

硬件设计

如图1所示的系统硬件结构，虚线框内为FPGA（EPXC35）内部硬件结构，其中：

1）Nios II为Altera推出的32位RSIC嵌入式处理器，它作为整个系统的核心，控制着系统的正常工作；

2）Timer为定时器，主要用于系统的中断等服务：

3）JTAG-UART为自定义模块，主要用于软件设计过程中的调试：

4）PIO为自定义外设模块，经设计后可以挂载到Avalon总线上，它与4个按键相连接，这样按键和Nios II之间便可通过总线进行通信：

5）按键，共4个，作用分别是控制系统启动，控制电机加速，控制电机减速，控制电机转向：

6）SDRAM控制器为自定义外设，经设计后可以挂在到Avalon总线上，这样Nios II可以经过总线与SDRAM进行数据通信：

7）Flash控制器为自定义外设，经设计后可以挂在到Avalon总线上，这样Nios II可以经过总线与Flash进行数据通信：

8）PWM（脉冲宽度调制）模块为自定义模块，经设计后可以挂在到Avalon总线上，这样Nios II可以通过控制该模块实现控制直流电机的功能：

9）SDRAM用于存储软件运行时的一些指令和数据，Flash用于FPGA下载固化程序：

10）驱动电路用于将PWM信号进行转换进而驱动直流电机。

如图2所示的PWM模块硬件结构，其中：

1）方向控制寄存器，周期控制寄存器，占空比寄存器用于存储软件经总线写入的数值：

2）PWM逻辑用于根据上述3个寄存器的内容产生相应的逻辑，进而产生相应的PWM用于控制直流电机。

上述的各个模块经设计好之后采用Altera公司提供的SOPC Builder工具进行可视化的系统搭建，待系统搭建完毕后产生硬件配置文件，接下来便可以进行软件开发。

软件设计

软件设计流程

Altera公司提供完善的软硬件开发环境，硬件部分采用SOPC Builder工具开发，软件部分可以采用Nios IDE开发工具，具体开发流程如图3所示。

软件具体设计

如表1所示的寄存器说明，在软件设计过程中，通过Avalon总线对相应偏移地址处的寄存器写入数值，PWM逻辑模块通过取相应寄存器的值产生对应的逻辑功能来控制直流电机。

基地址在产生硬件配置文件的时候软件会自动分配，偏移地址是设计者在设计过程中自行定义的，软件编译后会产生system.h文件，里面有详细的硬件信息，设计者可以查阅该文件进行相应的开发。

软件流程

如图4所示。

总结

本设计给出了一种基于DE2开发板的设计方案（构思），采用Nios II软核作为控制核心，并设计了一种基于Avalon总线的PWM控制器模块，通过外加一些存储模块等外设构成了片上系统（SoC）。该系统可以控制直流电机的转向和转速，具有灵活可配置等特点。本设计给出的方案（构思）可以进行简单的移植，实现用户自定义逻辑。

参考文献：

[1]姚文刚，余国强，孟小锁基于多DsP架构的电机控制系统[J]计算机技术与发展，2006，16，（6）：48-50

[2]Altera Corportion，Nios II Softwa re DeveloDer’sHandbook[EB/OL]，2004，http//

[3]杨小明.Nios系统中Avaion从外设（PWM）的设计和研究[D]昆明：昆明理工大学，2007