【摘 要】
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电机控制算法是诸如平衡车、扫地机器人、机械臂等产品的核心技术,关系到从生活到国防的方方面面。常见的电机控制方法是使用通用微处理器来运行软件形式实现的,这种方式有两个弊端,一是电机性能受限于微处理器的执行速度,一般较慢;二是由于是通用微处理器,功耗通常比较高。本文通过定制微处理器和控制算法硬件化解决这些问题。本文的主要工作如下:（1）结合RISC-V,MSP430等芯片的指令集架构,提出自己的16位
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电机控制算法是诸如平衡车、扫地机器人、机械臂等产品的核心技术,关系到从生活到国防的方方面面。常见的电机控制方法是使用通用微处理器来运行软件形式实现的,这种方式有两个弊端,一是电机性能受限于微处理器的执行速度,一般较慢;二是由于是通用微处理器,功耗通常比较高。本文通过定制微处理器和控制算法硬件化解决这些问题。本文的主要工作如下:（1）结合RISC-V,MSP430等芯片的指令集架构,提出自己的16位指令集架构,使用Verilog HDL在FPGA开发板上实现该16位处理器。本文也添加了GPIO、串口、通用SPI和定时器外设,并且在总线上为其他外设预留接口。（2）本文对FOC电机控制算法的各个模块使用Verilog HDL语言进行硬件实现,并对各个模块进行分别的测试,测试数据与Python实现的FOC算法模块进行比较。（3）为FOC算法添加了本文所实现的MCU中的总线接口,将FOC算法模块与16位处理器集成于同一系统中,并且使用该系统与Simulink进行联合仿真以验证该系统的有效性。本文结合DE10-Standard FPGA开发板和SPIFlash芯片电路板验证了上述工作。实验表明在相同FPGA器件中,本文实现的16位处理器占用的逻辑资源约为开源RISC-V芯片蜂鸟E203的11.4%,使用的寄存器约为蜂鸟E203的11.1%,更少的资源占用率意味着更低的功耗;在实现控制FOC算法模块方面,只需要8条指令就能够进行FOC的运算减少了复杂运算所需要的指令,使FOC算法能够以更高的频率运行。
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