毕业设计论文基于fpga直流电机驱动系统设计.docx

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毕业设计论文基于fpga直流电机驱动系统设计

基于FPGA直流电机驱动系统设计

摘要:

运动控制技术的发展是制造自动化前进的旋律，是推动新的产业革命的关键技术，而直流电机控制模块则是运动控制系统中极为重要的组成部分，在传统的控制系统中，对于小功率直流电机的控制常采用微处理器或单片机作为控制核心以软件方式实现电机控制功能。

在集成电路、现代电子技术及控制理论飞速发展的今天，电机控制技术也得到了飞快的发展，电机控制器也由模拟分立元件构成的电路向数模混合、全数字方向发展。

由于FPGA具有灵活的编程功能，能实时方便地实现复杂的控制算法，从而提高了控制性能。

本论文主要研究了FPGA芯片在直流电机控制器中的作用。

论文首先对直流电机系统进行了综合性论述。

对系统组成及系统中主要部分进行了较详细的说明；并且提出了与本研究相关的控制机理和实施方案。

其次，论文对FPGA芯片的特点及配置电路以及以FPGA-FLEX10K10为核心的控制电路的组成进行了较详细的论述；同时对超高速集成电路硬件描述语言（VHDL）的特点和应用进行了研究；并提出了应用FPGA芯片对直流电机速度进行控制的系统构成及工作原理。

FPGA在电机控制中，最基本的要起三个作用：

组合逻辑、计数器和状态机。

关键词：

直流电机；控制器；现场可编程门阵列；硬件描述语言

自动化0701-钟媛

DCMotorDriveSystemBasedonFPGADesign

Abstract：

Thedevelopmentofmotioncontroltechnologyistocreateautomatedmelodyforward,istopromoteanewindustrialrevolutioninthetechnology,andDCmotorcontrolmoduleisthemotioncontrolsystemisaveryimportantpartofthe,inthetraditionalcontrolsystemForlow-powerDCmotorcontrolisoftenusedasacontrolmicroprocessorormicrocontrollercore.Thewaythemotorcontrolsoftware.Inintegratedcircuits,modernelectronictechnologyandtherapiddevelopmentofcontroltheorytoday,motorcontroltechnologyhasalsobeenarapiddevelopment,themotorcontrollerdiscretecomponentsfromtheanalogtodigitalandanalogmixedcircuit,all-digitaldirection.TheFPGAwithaflexibleprogrammingfeatures,easytoimplementcomplexreal-timecontrolalgorithms,resultinginimprovedcontrolperformance.Inthisthesis,theFPGAchipintheroleofDCmotorcontroller.

Firstly,theDCmotorsystemforacomprehensivediscussion.Systemcomponentsandsystemsforthemainpartofamoredetailedexplanation;andmade​​relevanttothestudyandcontrolmechanismandimplementation.

Secondly,thepaperonthecharacteristicsandconfigurationofFPGAchiptoFPGA-FLEX10K10circuitandcontrolcircuitasthecoreofthecompositiondiscussedindetail;thesametime,highspeedintegratedcircuithardwaredescriptionlanguage（VHDL）andapplicationcharacteristicsofthestudy;AndproposestheapplicationofFPGAchipsontheDCmotorspeedcontrolsystemstructureandworkingprinciple.

Keywords:

DCmotor，controller，FPGA（fieldprogrammablegatearrays），VHDL（VHSIChardwaredescriptionlanguage）

第1章绪论

1.1课题的来源

电机是一种能量转换的装置，在国民经济中起着重要作用，无论是在工农生产、交通运输、国防宇航、医疗卫生、商务与办公设备，还是日常生活中的家用电器，都大量的使用着各种各样的电机，如汽车、电视机、电风扇、空调等等也离不开电机。

同时，在越来越多的应用场合，只能旋转的电机己无法满足要求，而是要求能够实现快速加速、减速或反转以及准确停止等功能。

必须寻找新的电机控制器来适应时代的发展。

电机的控制器经历了从模拟控制器到数字控制器的发展。

由于模拟器件的参数受外界影响大，而且精度也较差。

数字控制器与模拟控制器相比较，具有可靠性高、参数调整方便、控制精度高、对环境因素不敏感等优点。

随着工业电气化、自动控制和家电产品等领域对电机控制产品的需求，人们对电机控制技术的要求有所提高。

由于传统的8位单片机其内部体系结构和计算功能等条件限制，在实现各种先进的电机控制理论和高效的控制算法时遇到了困难。

因此，目前最为普遍的做法是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的需求[1]。

将一系列外围设备如模数转换器、脉宽调制发生器、和数字信号处理器集成在一起组成复杂的电机控制系统。

随着EDA技术的发展，用基于现场可编程门阵列FPGA的数字电子系统对电机进行控制，为实现电动机数字控制提供了一种新的有效方法。

现场可编程门阵列（FPGA）器件集成度高、体积小、速度快，以硬件电路实现算法程序，将原来的电路板级产品集成为芯片级产品，从而降低了功耗，提高了可靠性[2]。

电动机调速系统采用FPGA实现数字化控制,是电气传动发展的主要趋势。

采用FPGA控制后,整个调速系统能够实现快速加速、减速或正/反转以及准确停止、在线调速等功能,操作维护方便,电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平,静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。

由于FPGA的外部连线少,电路简单,便于控制,具有较佳的性能价格比,所以在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用[3]。

1.2课题研究的目的和意义

直流电机大多数采用PWM（脉宽调制）的方法进行控制，它有两种模式：

一种是采用模拟电路控制，另一种是采用数字的控制。

模拟控制由于其调试复杂等固有原因，正逐渐被淘汰。

而在数字控制技术中，FPGA的数字PWM控制具有精度高，反应快，外部连线少，电路简单，便于控制等优点广泛的被人们使用，应而研究FPGA具有十分重要的意义。

对于本次设计目的在于：

（1）掌握基于FPGA的直流电机PWM控制原理，学会应用EDA技术进行编程

（2）通过对本课题的研究,掌握EDA开发技术的编程方法，培养创新意识和理论联系实际的学风。

熟悉现代电子产品的设计流程。

FPGA用于控制领域特别是电机控制还是比较少的，本设计为电机控制系统提供一种的控制技术，在电机控制方面作了一些片内系统的初步研究。

本设计利用ALTERA公司的FPGA芯片—FLEX10K10作为目标器件来控制直流电机，分析了现代电子产品的设计方法，并初步研究了FPGA产生PWM信号的方法。

本设计将电机控制所使用的一些基本功能尽可能地集成在一片FPGA上，本设计论述了利用FPGA对直流电机进行控制时所起的各部分功能，并利用硬件描述语言对PWM波在FPGA中进行组合逻辑变换，并进行仿真。

1.3课题国内外研究现状

电机是一种机电能量转换的装置，在国民经济中起着重要的作用。

在越来越多的应用场合，只能旋转的电机已无法满足要求，而是要能够实现快速加速、减速或者反转以及准确停止等功能。

这些功能的实现均要求对电机控制，所以，对电机的控制是电机应用得重要分支。

电机在其实际应用中，已有过去简单的起停控制、提供动力为目的的应用，上升到对其速度、位置、转矩等进行精确地控制，使被驱动的机械运动符合预想的要求。

在国外，PWM源于上世纪九十年代，其思想源于通信技术，但随着现代电子技术的发展使得PWM理论越来越成熟，其发展的速度越来越快速。

已经取代传统的可控硅电机调速系统。

由原先的“电机控制”“电气传动”已发展到“运动控制”的新阶段。

IGBT、电力MOSFET等为代表的全控型器件的不断完善给PWM控制技术提供了强大的物质基础。

在国内PWM有理论基础逐渐成熟，但在应用上，国内外差距也很大。

PWM调速系统的应用是近年来才开始的，原因是我国的电子工业的基础比较差。

PWM调速系统中所需的关键部件IGOT管靠进口。

近年来，我国已开发出具有自主知识产权的IGOT大电流晶体管，从而为该技术推行奠定了物质基础。

PWM电机调速方案是未来电机拖动系统的首选方案，是实现电机拖动数字控制的基础[4]。

当前电机控制的发展越来越趋于多样化、复杂化，现有的专用集成电路难以满足苛刻的新产品开发要求，为此可考虑自己开发电机专用的控制芯片。

现场可编程门阵列（FPGA）可以作为一种解决方案。

作为开发设备，FPGA可以方便地实现多次修改。

由于FPGA得集成度非常大，一片FPGA少则几千个等效门，多则几万或几十万个等效门。

所以一片FPGA就可以实现非常复杂的逻辑，替代多块集成电路和分立元件组成的电路。

它借助于硬件描述语言（VHDL或VerilogHDL）来对系统进行设计。

1.4解决的主要问题

本论文提出用FLEX10K10单独控制直流电机。

论述了利用FLEX10K10对直流电机进行控制时所起的各部分功能——PWM波的产生。

速度检测、正反向控制逻辑等，并利用硬件描述语言对PWM波在FPGA中进行组合逻辑变换，并进行仿真。

第2章直流电动机系统综述

2.1系统组成

直流电动机的基本构成包括电动机主体、控制器和转子位置传感器三部分，如图2-1所示[5]。

图2-1直流电动机构成框图

其工作原理以图2-2和图2-3所示为例来说明。

图2-2直流电动机系统图

从图2-2中可以看出，直流电动机系统由以下部分组成：

电机本体M及位置传感器PS、驱动电路、直流电源、逆变器、控制电路等。

在本论文中，逆变器VF为6个IGBT构成的三相全桥逆变器，直流电源是反激式DC-DC电源，控制电路以FPGA芯片为核心，驱动电路以M57962AL驱动器件为核心，PS为位于电动机本体同轴联结的转子位置传感器，控制电路对转子位置传感器检测的信号进行逻辑变换后产生脉宽调制PWM信号，经过驱动电路放大送至逆变器各功率开关管，从而控制电动机个相绕组按一定顺序工作，在电机气隙产生跳跃式旋转磁场[6]。

图2-3直流