第2章 电机数字控制集成设计基础-(4学时)new

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1、电机驱动与控制研究室制作《电机数字控制系统的集成设计》电子教案第2章电机数字控制集成设计基础(4学时)第2章电机数字控制集成设计基础电机驱动与控制研究室制作第2章电机数字控制集成设计基础•目录•2.1引言•2.2二进制符号数乘法器•2.3二进制无符号数除法器•2.4CORDIC协处理器•2.5M/T数字测速器•2.6PID调节器第2章电机数字控制集成设计基础第2页2011/8/19电机驱动与控制研究室制作2.1引言★在数字化伺服控制器的系统级芯片设计中，首先要解决的关键技术是如何用纯硬件的方法实现加、减、乘、除四则运

2、算或超越函数等基本算术算法的IP核，然后才能将这些IP核进行更复杂的组合来实现各种用于运动控制的功能单元，从而最终实现系统级芯片的设计。★以MCU或DSP为硬件平台的加法和减法运算可以由其内部的集成专用运算和控制单元来实现。★但以FPGA为硬件平台的加法和减法运算可以由其内部的RAM查找表和快速进位链逻辑来实现，已经不再需要进行专门的加法器（硬件）设计了。★伺服系统中空间矢量脉宽调制、M/T测速法以及PID等技术在功能上相对独立，为了实现整个系统的模块化结构，这些单元都可以作为基础IP组件进行设计。第2章电机数字控制

3、集成设计基础第3页2011/8/19电机驱动与控制研究室制作2.2二进制符号数乘法器•设被乘数B和乘数A用二进制补码形式分别表示为B=bbb"bbbJ−1J−2J−3210A=aaa"aaaI−1I−2I−3210•其中b和a均为符号位。则B×A的最大有效位数不会超J−1I−1过I+J。•另设P为K位二进制数，即P=ppp"pppK−1K−2K−3210•其中p为符号位。K−1•当K≤I+J时，可以用P来表示定标后的乘法结果，即B×AP=I+J−K（2-1）2第2章电机数字控制集成设计基础第4页2011/8/19电机

4、驱动与控制研究室制作2.2二进制符号数乘法器•形如式（2-1）的乘法运算在定点小数中非常有用，可以减少硬件资源的消耗，并自动执行定标功能。如果将A写成十进制形式，则有I−2I−1iA=−aI−1×2+∑ai×2i=0I−2I−1i•此时B×(−aI−1×2+∑ai×2)i=0P=I+J−K2I−2K−J−1i+K−(I+J)=−aI−1×B×2+∑ai×B×2i=0（2-2）I−2K−J−1K−J−1i−(I−1)=−aI−1×B×2+2×∑ai×B×2i=0第2章电机数字控制集成设计基础第5页2011/8/19电机

5、驱动与控制研究室制作2.2二进制符号数乘法器•式（2-2）最右端的乘积累加项可以直接采用串行移位迭代算法来实现，即−1P=(P+a×B)×2,n=0,1,2,",I−2n+1nn（2-3）其中P表示前一次累加的部分积，且P=0。n0这样经过I–1次迭代后，式（2-3）的收敛结果为I−2i−(I−1)PI−1=∑ai×B×2i=0•因此，式（2-1）的乘法运算结果为K−J−1P=(P−a×B)×2（2-4）I−1I−1•在根据式（2-3）和（2-4）设计硬件逻辑电路时，为了防止溢出，P和B相加之前均按各自的符号位扩展一

6、位；n第2章电机数字控制集成设计基础第6页2011/8/19电机驱动与控制研究室制作2.2二进制符号数乘法器•移位时扩展位（实际上是进位位）也参与右移。在第n=I−2次迭代结束后，再将结果减去a×B就是所求的P，因此I–1迭代次数一共为I−1。•图2-1表示一次完整的移位/加乘法运算算法逻辑电路设计流程，与其相应的IP核的硬件逻辑结构如图2-2所示。图2-1串行移位/加乘法算法逻辑电路设计流程图第2章电机数字控制集成设计基础第7页2011/8/19电机驱动与控制研究室制作2.2二进制符号数乘法器•图2-2串行乘法器I

7、P核的逻辑电路结构第2章电机数字控制集成设计基础第8页2011/8/19电机驱动与控制研究室制作2.2二进制符号数乘法器•图2-3是I=J=16，K=32时所设计乘法器组件的功能仿真结果第2章电机数字控制集成设计基础第9页2011/8/19电机驱动与控制研究室制作2.3二进制无符号数除法器•除法器是最复杂的一种运算部件之一，即使被除数和除数都是整数，也可能会出现其商为整数或小数的情况，甚至当除数为零时会发生溢出的现象；如果再考虑到符号数的除法运算，则设计的复杂性会更高。因此，设计通用的除法器是非常困难的。鉴于此，可根

8、据实际伺服系统的需求设计了两种不同用途的无符号数除法器，一种是整数除法器，另一种是定点小数除法器。对于符号数除法运算，可以先转化为绝对值的形式，然后将最终结果赋以合适的符号位。•2.3.1无符号整数除法器•设被除数A和商Q的表达式分别为I−1iA=aI−1aI−2"a1a0=∑ai×2i=0第2章电机数字控制集成设计基础第10页2011/8/1