基于EDA的直流电机控制系统设计.docx

基于EDA的直流电机控制系统设计.docx

《基于EDA的直流电机控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于EDA的直流电机控制系统设计.docx（22页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于EDA的直流电机控制系统设计

大学远程教育

本科生毕业论文（设计）

中文题目基于EDA的直流电机控制系统设计

学生智专业机械电子

层次年级13级本科学号001

指导教师王昕职称副教授

学习中心弘成宿迁成绩

2015年10月9日

摘要

论文以直流电机为研究对象，应用了FPGA技术，设计出了一种全数字的步进电机控制系统。

本论文分析了直流电机工作原理及其具体的控制过程，并阐述了FPGA的设计原理以及所涉及的相关芯片，然后对所用的硬件语言VHDL的知识进行简要地介绍，这些为论文的具体设计提供了理论基础。

本系统针对实现直流电机的调速，设计了一种符合要求的并连续可调的脉冲信号发生器，对整个系统进行模块化设计，并且每个子模块都通过了仿真测试。

系统采用模块化的设计思路，使系统的设计和维护更加方便，也提高了系统性能的可扩展性。

FPGA、VHDL以及EDA工具构成的数字系统集成技术，是本设计的核心部分，该技术具有操作灵活、利用广泛及价廉等特点。

系统设计采用全数字化的控制方案，使系统更紧凑、更合理及经济节约。

由于系统的数字化，使整个系统运行得十分可靠，调试也极为方便。

关键词：

　直流电机，可编程门阵列，硬件描述语言

一、绪论

1.1课题背景

自从1985年Xilinx公司推出第一片现场可编程逻辑器件（FPGA）到现在，FPGA已经经历了二十几年的发展历程。

在这几十年的发展过程中，以FPGA为代表的数字系统现场集成技术取得了惊人的发展。

现场可编程逻辑器件从刚开始的1200个逻辑门，发展到90年代的25万个逻辑门，甚至到现今国际上FPGA的著名厂商Altera公司、Xilinx公司又陆续推出了数百万门的单片FPGA芯片，将现场可编程器件的集成度提高到一个新的水平。

FPGA的优点可以归纳为如下几点：

效能，上市时间，成本，可靠性和长期维护五个方面。

效能--透过硬件的平行机制，FPGA可突破依序执行（Sequentialexecution）的固定逊算，并于每时脉循环完成更多作业，超越了数位讯号处理器（DSP）的计算功能。

BDTI作为著名的分析公司，并于某些应用中使用DSP解决方案，以计算FPGA的处理效能。

在硬件层级控制I/O可缩短回应时间并特定化某些功能，以更符合应用需求[1]。

上市时间--针对上市时间而言，FPGA技术具有弹性与快速原型制作的功能。

使用者不需进行ASIC设计的冗长建构过程，就可以在硬件中测试或验证某个观念。

并仅需数个小时就可以建置其他变更作业，或替换FPGA设计。

现成的（COTS）硬件也可搭配使用不同种类的I/O，并连接至使用者设定的FPGA芯片。

高级软件工具正不断提升其适用性，缩短了抽象层（Layerofabstraction）的学习时间，并针对进阶控制与信号处理使用IPcores（预先建立的方式）。

成本--ASIC设计的非重置研发（NRE）费用，远远超过FPGA架构硬件解决方案的费用。

ASIC设计的初始投资，可简单认列于OEM每年所出货的数千组芯片，但是许多末端使用者更需要定制硬件功能，以便用于开发过程中的数百组系统。

而可程序化芯片的特性，就代表了低成本的架构作业，或组装作业的长前置时间。

由于系统需求随时在变化，因此若与ASIC的庞大修改费用相比，FPGA设计的成本实在微不足道[2]。

可靠性--正如软件工具提供程序化设计的环境，FPGA电路也为程序化执行的建置方式。

处理器架构的系统往往具有多个抽象层，得以协助多重处理程序之间的作业与资源分享。

驱动层（Driverlayer）控制硬件资源，而作为作业系统则管理记忆体和处理器频宽。

针对任何现有的处理器核心来说，每次仅可执行1组指令码；而处理器架构的系统则可以连续处理重要作业。

FPGA不需要使用作业系统，并将产生问题的几率降到最低，采用平行执行功能与专属精密硬件执行作业。

长期维护--FPGA芯片为即时升级（Field-upgradable）特性，不需要像ASIC一般重新设计的时间与费用。

FPGA具有可重设性质，可随时因应未来的需要而进行修改。

当产品或系统趋于成熟时，不需耗时重新设计或修改配置，即可提升相关功能[3]。

1.2研究的目的及其意义

直流电动机因为具有良好的启动性能和宽广平滑的调速特性，从而被广泛应用于电力机车、无轨电车、轧钢机、机床和启动设备等这些需要经常启动并调速的电气传动装置中，直流发电机主要用作直流电源。

此外，小容量直流电机大多在自动控制系统中以伺服电动机、测速发电机等形式作为测量、执行原件使用。

当基于FPGA的嵌入式系统时，在设计周期之初就不必为每个模块做出用硬件还是软件的选择。

由于FPGA中的逻辑单元是可编程的，可针对特定的应用而定制硬件。

所以，仅使用所需要的硬件即可，而不必做出任何板级变动（前提是FPGA中的逻辑单元足够用）。

设计者不必转换到另外一个新的处理器或者编写汇编代码，就可做到这一点。

使用带有可配置处理器的FPGA可获得设计灵活性。

设计者可以选择如何实现软件代码中的每个模块，如用定制指令，或硬件外围电路。

此外，还可以通过添加定制的硬件而获取比现成微处理器更好的性能。

另一点要知道的是，FPGA有充裕的资源，可配置处理器系统可以充分利用这一资源。

算法可以用软件，也可用硬件实现。

出于简便和成本考虑，一般利用软件来实现大部分操作，除非需要更高的速度以满足性能指标。

软件可以优化，但有时还是不够的。

如果需要更高的速度，利用硬件来加速算法是一个不错的选择。

FPGA使软件模块和硬件模块的相互交换更加简便，不必改变处理器或进行板级变动。

设计者可以在速度、硬件逻辑、存储器、代码大小和成本之间做出折衷。

利用FPGA可以设计定制的嵌入式系统，以增加新的功能特性及优化性能。

目前，虽然由晶闸管整流组件组成的固态直流电源设备已基本上取代了直流发电机，但直流电动机仍因为其良好调速性能的优势在许多传动性能要求高的场合占据一定的地位，而FPGA又具有很强的性能及其优势，基于FPGA的直流电机的控制还是有应用价值[1]。

二、电机的基本知识

电机可分为变压器、异步电机、同步电机和直流电机四个机种。

其中变压器是静止的电气设备，其余均为旋转电机。

异步电机和同步电机均为交流电机。

在本次设计中用到的是直流电机，直流电机是实现直流电能与机械能转的装置[4]。

2.1直流电机的特点

直流电动机与交流电动机相比较，具有良好的调速性能和启动性能。

直流电动机具有宽广的调速围，平滑的无级调速特性，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；过载能力大，能承受频繁的冲击负载；能满足自动化生产系统中各种特殊运行的要求。

而直流发电机则能提供无脉动的大功率的直流电源，且输出的电压可以精确地调节和控制。

但直流电机也有它显着的缺点：

一是制造工艺复杂，消耗有色金属较多，生产成本高；二是运行的时候由于电刷与换向器之间容易产生火花，所以可靠性比较差，维护比较困难。

所以在一些对调速性能要求不高的领域中己被交流变频调速系统所取代。

但是在某些要求调速围大、快速性高、精密度好、控制性能优异的场合，直流电动机的应用目前仍然占有较大的比重[5][6]。

2.2直流电机基本结构

直流电机由定子（静止部分）和转子（转动部分）两大部分组成。

2.1直流电机的结构

2.2.1定子部分

定子部分包括机座、主磁极、换向极和电刷装置等。

（1）机座

机座有两个作用，一是作为电机磁路系统中的一部分，二是用来固定主磁极、换向极及端盖等，起机械支承的作用。

因此要求机座有好的导磁性能及足够的机械强度和刚座，机座通常用铸钢或厚钢板焊成。

（2）主磁极

在大多数直流电机中，主磁极是电磁铁，如图2.1的N、S就是主磁极，主磁极铁芯用1～1.5mm厚的低碳钢板叠加而成，整个磁级用螺钉固定在机座上。

主磁极的作用是在定转子之间的气隙中建立磁场，使电枢绕组在此磁场的作用下感应电动势和产生电磁转矩。

（3）换向极

换向极又称附加极或间极，其作用是以改善换向。

换向极装在相邻两主磁极N、S之间，由铁心和绕组构成。

铁芯一般用整块钢或钢板加工而成。

换向极绕组与电枢绕组串联。

（4）电刷装置

在图2.1中，A、B表示电刷。

它的作用是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接，并与换向器相配合，起到整流或逆变器的作用。

2.2.2转子部分

直流电机的转子称为电枢，包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、风扇、轴和轴承等。

（1）电枢铁芯

电枢铁芯是电机主磁路的一部分，且用来嵌放电枢绕组。

为了减少电枢旋转时电枢铁芯中因磁通变化而引起的磁滞及涡流损耗，电枢铁心通常用0.5mm厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠加而成。

（2）电枢绕组

电枢绕组是由许多按一定规律连接的线圈组成，它是直流电机的主要电路部分，也是通过电流和感应电动势，从而实现机电能量转换的关键部件。

线圈用包有绝缘的导线绕制而成，嵌放在电枢槽中。

每个线圈（也称组件）有两个出线端，分别接到换向器的两个换向片上。

所有线圈按一定规律连接成一闭合回路。

（3）换向器

换向器也是直流电机的重要部件。

在直流电动机中，它将电刷上的直流电流转换成绕组的交流电流；在直流发电机中，它将绕组的交流电动势转换成电刷端上的直流电动势。

换向器由许多换向片组成，每片之间相互绝缘。

换向片数与线圈组件数相同。

2.3直流电机工作原理

直流电机的工作原理建立在电磁力和电磁感应的基础上，从图2.1可以看出主磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体，圆柱体的表面上固定着一个线圈abcd。

abcd是装在可以转动的铁磁圆柱上的一个线圈，把线圈的两端分别接到两个圆弧形的铜片上（简称换向片），两者相互绝缘，铁芯和线圈合称电枢。

当线圈入直流电流时，线圈边上受到电磁力F=Bli，根据左手定则确定力的方向，这一对电磁力形成了作用于电枢的一个电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向。

若电枢转动，线圈两边的位置互换，而线圈过的还是直流电流，则所产生的电磁转矩的方向则变为顺时针方向，因此电枢受到一种方向交变的电磁转矩。

这种交变的电磁转矩只能使电枢来回摇摆，而不能使电枢连续转动。

显然，要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩，关键在于，当线圈边在不同极性的磁极下，如何将流过线圈中的电流方向及时地加以变换，即进行所谓“换向”。

为此必须增添一个叫做换向器的装置，换向器由互相绝缘的铜质换向片构成，装在轴上，也和电枢绝缘，且和电枢一起旋转。

换向器又与两个固定不动的由石墨制成的电刷A、B相接触。

装了这种换向器以后，若将直流电压加于电刷端，直流电流经电刷流过电枢上的线圈，则产生电磁转矩，电枢在电磁转矩的作用下就旋转起来。

电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，直流电流交替地由线圈边ab和cd流入，使线圈边只要处于N极下，其过电流的方向总是由电刷A流入的方向，而在S极下时，总是从电刷B流出的方向。

这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向。

这样的结构，就可使电动机能连续地旋转。

这就是直流电机的基本工作原理[7]。

2.4直流电机PWM调速原理

所谓脉冲宽度调制是指用改变电机电枢电压接通与断开的时间的占空比来控制电机转速的方法，称为脉冲宽度调制（PWM）。

对于直流电机调速系统，使用FPGA进行调速是极为方便的。

其方法是通过改变电机电枢电压导通时间与通电时间的比值（即占空比）来控制电机速度。

PWM调速原理如图2.2所示。

图2.2PWM调速原理

在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。

只要按一定规律，改变通、断电时间，即可让电机转速得到控制。

设电机永远接通电源时，其转速最大为Vmax，设占空比为D=t1/T，则电机的平均速度为

Vd=Vmax·D

式中，Vd——电机的平均速度

Vmax——电机全通时的速度（最大）

D=t1/T——占空比

平均速度Vd与占空比D的函数曲线，如