26 -浙江大学硕士学位论文 第4章 直流电机系统设计方案
第4章 直流电机系统设计方案
4.1 直流电机控制实现方案的比较
4.1.1 以DSP为核心的电机控制系统与单片机的电机控制系统的比较
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需求是目前最为普遍的做法之一。将外部设备比如模数转换（A/D），脉宽调制发生器（PWM），以及信号处理器（DSP）等结合在一起，就可以获得一个功能强大又非常经济的电机控制的专用DSP芯片。近些年来，各种集成化的单片DSP性能得到了很大的提高，软件以及开发工具越来越多，也越来越好，但是价格却大幅降低。低端产品的价格已经和单片机的价格非常接近，但是却比单片机有着更好的性价比。越来越多的单片机拥护开始选择DSP来提高产品的性能，DSP器件已经越来越多的开始取代高档单片机。
首先，与单片机相比，DSP具有更高的集成度。DSP器件拥有更快的CPU，存储容量更大的存储器，内臵的波特率发生器以及FIFO缓冲器，并且提供高速和同步的串口以及标准的异步串口。有的DSP芯片内集成了A/D转换和数据采样/保持电路，可以提供脉宽调制（PWM）的输出。更加不同的是，DSP作为精简指令器件，大部分的指令都可以在一个周期之内完成，而且经过并行处理技术，使得一个指令周期内不仅可以完成多条指令，同时，DSP采用了改进型哈佛结构。具有独立结构和数据空间，允许同时存取数据和程序。DSP内部有内臵了高速度的乘法器，多级的流水线，使得DSP的器件就拥有高速度数据的计算能力。而单片机作为复杂指令系统计算机（CISC），多数指令要2~3个指令周期内完成。单片机采用了冯.诺依曼结构，数据和程序都在同一个空间内存取，同一个时刻不能单独访问指令和数据，ALU只能做加法，乘法器的工作需要由软件来实现，因此需要占用更多的指令周期，所以运行速度较慢。由此可知，结构上的不同使得DSP比16位单片机单指令执行速度快8~10倍，完成一次乘法运算要快16~30倍。不仅如此，DSP还提供了高度专业化的指令集，提供了FFT快速傅里叶变换和滤波器的运算。除此之外，DSP还提供了JTAG（Joint test Action Group）接口，具有更先进的开发手段，批量生产测试更加方便。
其次，基于DSP器件制造的电机控制器可以大大地降低对于传感器等外部器
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件的要求。通过复杂的算法可以达到同样的控制性能，不仅降低了成本，而且提高了可靠性，有利于专利技术的保密。现在各大DSP芯片厂商都在推出自己的内嵌DSP电机控制专用集成电路，比如占DSP市场45%的美国德州仪器公司，他们凭借着自己的实力，推出了电机控制器专用DSP芯片-TMS320C24x。新的TMS320C24x DSP采用TI公司的TMS320C2x LP16位定点DSP内核，并且集成了一个电机事件管理器，电机事件管理器的特点是以最佳方式来实现对电机的控制。这个器件利用了TI的可重用DSP核心技术，显示出了TI的特殊能力---通过在单一的芯片上集成了一个DSP和混合信号的外设，制造出面向各种应用的DSP方案。TMS320C24x作为历史上第一个数字信号处理电机控制器的专用DSP器件，可以支持用于控制电机的指令产生，控制算法的处理，数据的交流，还有系统监控的功能等等。集成的DSP内核，最优化的电机控制事件管理器还有单片式的A/D设计等等诸多的功能模块加在一起，就可以提供一个单芯片式的数字电机控制方案。
第三，DSP芯片运算速度快，控制策略中可以使用先进的实时算法，可以大大提高控制系统的品质。而且DSP的软件可以用C语言或者汇编语言又或者两者嵌套使用。因此使用DSP芯片制造的电机控制器更加便于用户的调试和应用。
最后，在越来越多的场合，比如电动汽车，纺织行业，水泵变频调速系统等，他，他们往往是规模较大，时序、组合逻辑都很复杂的情况，这时候如果同时运用DSP和一些其他的可编程逻辑可以大大减小系统的体积，提高系统的运算能力，实现更加复杂的适时控制。
4.1.2 FPGA设计与单片机设计的比较
1.FPGA运行速度快
FPGA内部集成锁项环,可以把外部时钟倍频,核心频率可以到几百M,而单片机运行速度低的多，在高速场合，单片机无法代替FPGA
2.FPGA管脚多，容易实现大规模系统
单片机I/O口有限，而FPGA动辄数百I?O,可以方便连接外设。比如一个系统有多路AD、DA，单片机要进行仔细的资源分配，总线隔离，而FPGA由于丰富的I/O资源,可以很容易用不同I/O资源连接各外设。
3.FPGA内部程序并行运行，有处理更复杂功能的能力
单片机程序是串行执行的，执行完一条才能执行下一条，在处理突发事件时
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只能够调用有限的中断资源；而FPGA不同逻辑可以并行执行,可以同时处理不同任务，这就导致了FPGA的工作效率更高。
4.FPGA拥有大量软核,可以方便进行二次开发
FPGA甚至包含单片机和DSP软核,并且I/O数仅受FPGA自身I/O限制，所以，FPGA又是单片机和DSP的超集，也就是说，单片机和DSP能实现的功能，FPGA都可以实现。
4.1.3 硬件描述语言设计与传统技术设计对比
4.1.3.1 硬件描述语言特点
硬件描述语言是一种独立于现实技术的语言，它不受某一特定工艺的束缚，允许设计者使用范围内选择工艺和方法。为了适应未来的数字硬件技术，硬件描述语言还提供了将新技术引入现有设计的潜力，硬件描述语言最大的特点是描述的能力非常强，覆盖了逻辑设计的诸多领域和层次，将支持众多的硬件模型。
VHDL是一种全方位的硬件描述语言，包括系统行为级、寄存器传输级和逻辑门级多个设计层次，支持结构、数据流、行为三种描述形式的混合描述，因此VHDL几乎覆盖了以往各种硬件描述语言的功能，整个自顶向下或自底向上的电路设计过程都可以用VHDL来完成[12]。
具体而言硬件描述语言有如下的优点：
1．支持从系统级到门级电路的描述，同时也支持多层次的混合描述；描述形式可以是结构描述，也可以是行为描述，或者两者兼而有之。
2．不仅支持自底向上（bottom-up）的设计，也支持自顶向下的设计（top-down）的设计。
3．不仅支持同步电路，也支持异步电路；不仅支持同步方式，也支持异步方式。
4．支持传输延迟，也支持惯性延迟，可以准确地建立复杂电路的硬件模型。 5．支持过程与函数的概念，有助于设计者组织描述，对行为功能进行进一步的分类。
6．提供了将独立的工艺集中于一个设计包的方法，便于作为标准的设计文档的保存，也便于设计资源的重用。
7．提供了向设计实体传送环境信息的能力。
8．断言语句可用来描述设计本身的约束信息，支持设计直接在描述中书写
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错误条件和特殊约束，不仅便于模拟测试，而且为综合化简提供了重要的信息。 4.1.3.2 硬件描述语言设计与传统设计技术的优势比较
(1)．传统的设计方式
就小规模的设计灵活性和集成度来说，低于500门的简单CPLD经常被成功地采用。其传统的设计技术，诸如卡诺图，常用于生成在CPLD中实现设计功能的设计方程。使用具有一定语言规则的简单语言来形成组合，设计者首先以数据文件的格式着手设计方程，然后由软件来进行方程的综合，最后形成一个用于CPLD器件编程的数据文件。
(2)．传统设计方式的缺点
对于采用CPLD、FPGA或者ASIC的大型系统，上述传统的逻辑方程的形式是行不通的，传统技术生成逻辑方程的方式不仅费时又容易出错，而且在方程式中查找错误也是很困难的。同样，图形输入设计方式也是有局限的。图形输入方式有许多优点，例如：不仅可以提供设计的图形观察，还具有支持图形的软件工具，使设计构成模块化形式。但是，对于大型复杂的设计，纯图形的输入也是有其弊端的：
①控制逻辑往往必须用传统设计技术产生。
③原图的保持比较困难，在设计实现过程中，经常需要对设计进行修改，同时，在实现过程中，设计构图的形式也会随之改变。
③原图的方式经常需要附一个文本来描述它的设计构思和功能，用英语或其他语言形式以能够对用户提供设计解释。 4.1.3.3 Verilog HDL和VHDL的比较
Verilog HDL与VHDL都是用于逻辑设计的硬件描述语言，都已成为IEEE的标准。之所以VHDL比Verilog HDL早成为IEEE标准，是因为VHDL是美国军方组织开发的，而Verilog HDL则是从一个普通的民间公司开发来的，基于Verilog HDL的优越性才成为IEEE标准，因此有更强的生命力。
VHDL全名为Very Hign Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，而VHSIC是Verv Hign speed Integrated circuit的缩写，意为超高速集成电路，因此VHDL准确得翻译应该为超高速集成电路的硬件描述语言。
Verilog HDL与VHDL同样作为硬件描述语言，共同点在于：能形式地抽象表
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示电路的行为和结构，支持逻辑设计中层次和范围的描述，可借用高级语言的精巧结构来简化电路行为的描述，具有电路仿真与验证机制以保证设计的正确性。
与VHDL相比，Verilog最大的优点在于：它是一种非常容易掌握的语言，只要有C语言的基础，经过20个学时的学习，再通过一段时间的实际操作，就可以掌握此设计技术；而VHDL设计技术就比较困难。这是因为VHDL不直观，还需要有Ada的编程技术，一般要经过半年以上地培训才可以掌握。Verilog HDL在系统级抽象方面比VHDL要略差一点。而在门级开关电路描述方面比VHDL强得多。
4.1.4 FPGA与DSP的对比
FPGA：时序控制能力很强（时序能力强，没有指令周期，速度快）。控制能力较强（由于没有指令集，不如ARM和单片机）。数字信号处理及算法弱（这里讲的弱是指内部不集成DSP的前提下）。
DSP：时序控制能力较弱（没办法。有了指令集，就有指令周期。而且受到时钟约束）。控制能力比较强（有指令集。但是不是专业搞控制的）。数字信号处理及算法强。
4.1.5 方案选择
鉴于FPGA加上硬件描述语言的设计方法与单片机以及DSP等设计方法之间的对比，本次设计采用FPGA加上硬件描述语言进行设计。
4.2 系统设计框图
系统设计框图如图4.1所示。
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