1.1 课题研究背景及意义

如今，无刷直流电机在各个领域中的表现可圈可点，在机器人领域表现尤为突出，具有无换向器、不会产生换相火花，体型小，噪声低，运行稳定等诸多优点[3]。

然而到目前为止，对于无刷直流电机的控制大部分是由DSP和单片机来实现的。用单片机控制虽然能够在价格上取得优势，但其外部电路较为复杂，会对系统整体的可靠性和稳定性产生较大影响，同时在算法速度方面无法满足要求，不能实现系统的高速实时控制。而DSP虽然在算法速度方面较为出色，但其与单片机有个共同的缺点——外围电路较为复杂且DSP相对而言价格更加昂贵。

与MCU与DSP构成的调速系统相比，FPGA，即现场可编程门阵列，作为数字系统的重中之重，已经逐渐的覆盖各种工业领域，而目前电机发展的首要研究方向就是将FPGA渗透并融入到电机控制行业并将这一技术成熟化[4]。采用现场可编程门阵列作为无刷直流电机调速系统的核心控制器，能够使整个系统具有结构精致、操作方便、运行稳定、便于维护、上位机实时通信以及性价比高等优点，在很大程度上克服了以上MCU和DSP调速系统所无法改善的缺陷。

1.2 课题发展状况

随着高新技术的飞速发展，几十年来电机工程师们一直倾注于弥补直流电机的不足——在保持直流电机原有的许多优良特性的前提下，不断地对其进行着改进，以求完美。20世纪中期，来自美国的哈瑞森等人第一次申请了由晶体管换相电路替换电刷及换向器的专利，于是初代无刷直流电动机就此诞生。但是鉴于该电动机尚缺乏启动转矩，因此无法使之产品化。为此，电机工程师们绞尽脑汁，终于，在1962年他们发现了除了晶体管外还可以利用霍尔传感器来实现直流电机的换相，标志着无刷直流电机进入产品化的时代即将到来。20世纪70年代末，原联邦德国曼内斯曼公司的力士乐分部在萨克森州的Hannover贸易展览会上郑重展出了他们的成果——永磁式无刷直流电动机及其相关驱动系统，这一举动意味着永磁无刷直流电动机真正进入了产品化阶段，但其调速控制系统也成为了一直以来困扰人们的问题[5]。

上世纪90年代以后，随着计算机技术的空前发展与控制理论体系的日臻完善，两大可编程逻辑器件商业巨头Altera和Xilinx为了弥补早期PLD器件的缺陷分别研发出了两种新型的可编程逻辑器件——扩展型的CPLD（复杂可编程逻辑器件）和FPGA（现场可编程门阵列）[6]。这两种刚刚问世的器件同时涵盖了可编程阵列逻辑器件和通用阵列逻辑器件的优点，但是FPGA功能更为强大，它采用了与可编程逻辑器件架构截然不同的设计方式，配有更高的密度和容量，其丰富的I/O口设计、高性价比以及低功耗都是其显著的优点。

然而长久以来，我国的传动技术一直为人所诟病，尤其是在电机控制技术方面，与美国、德国等发达国家比起来可谓相去甚远，但自20世纪八十年代开始，我国的电机控制技术得到了如闪电般的发展，并在较短的时间内逐渐赶上了发达国家的控制水平[7]。在控制电机方面， DSP和MCU是我国控制系统的主要核心，这两种控制系统虽然有其各自的强大功能，但也无法掩盖FPGA的光芒，采用FPGA作为直流电机的控制器件来负责信号的处理，不仅响应速度快、运行可靠性高，而且操作简单，性价比高，所以现在用FPGA作为控制器来控制直流电机已然成为目前控制系统中的主流趋势。

1.3本设计的主要思路及任务

本文提出了一种基于FPGA的无刷直流电动机调速系统的方案 ，利用FPGA芯片对电机控制器进行调控，再通过此控制器以及PWM技术对无刷直流电机的转速进行控制。采用Verilog HDL硬件描述语言实现了软件程序的编写，再配合转子位置检测电路、速度检测电路、驱动电路和电流检测电路等外部电路，整个控制系统具有实时性好、反应速度快、可靠性高等优良特性[8]。