毕业论文基于fpga直流电机pwm的控制实现说明书

分类号： TP311.5 单位代码： 10335 密 级：无 学 号： Z08qj076 硕士学位论文中文论文题目 ： 基于FPGA直流电机PWM 控制实现 英文论文题目： Design of DC motor PWM control Implementation base on FPGA 申请人姓名： 蔡 强 指导教师： 干 红 华 合作导师： 徐 新 民 专业学位类别： 工程硕士 专业学位领域： 软件工程 所在学院： 软件学院 论文提交日期 2010年9月5 日 学位论文书脊示例题目作者姓名浙江大学 3cm左右3cm左右 基于FPGA直流电机 PWM控制实现 论文作者签名: 蔡 强 指导教师签名: 徐 新 民 论文评阅人1： 评阅人2： (隐名评阅学位论文省略) 评阅人3： 评阅人4： 评阅人5： 答辩委员会主席： (姓名职称单位) 委员1： 委员2： 委员3： 委员4： 委员5： 答辩日期： Design of DC motor PWM control Implementation base on FPGA Authors signature: Supervisors signature: Thesis reviewer 1： (姓名职称单位,下同) Thesis reviewer 2： (隐名评阅学位论文省略) Thesis reviewer 3： Thesis reviewer 4： Thesis reviewer 5： Chair： (姓名职称单位) (Committee of oral defence)Committeeman 1： Committeeman 2： Committeeman 3： Committeeman 4： Committeeman 5： Date of oral defence： 浙江大学研究生学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 浙江大学 或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名： 签字日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解 浙江大学 有权保留并向国家有关部门或机构送交本论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权 浙江大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。（保密的学位论文在解密后适用本授权书）学位论文作者签名： 导师签名：签字日期： 年 月 日 签字日期： 年 月 日浙江大学硕士学位论文 摘要摘要论文以直流电机为研究对象，应用了先进的FPGA技术，设计了一种全数字的步进电机控制系统，通过了仿真、综合和下载的各个程序测试环节，并在实验中得到了良好的应用。本论文分析了直流电机工作原理以及其具体的控制过程，然后阐述了FPGA的设计原理以及所涉及到的相关芯片，接着对所要应用的硬件语言VHDL方面的知识进行了简要地介绍，这些为论文的具体设计部分提供了理论基础。本系统针对需要实现对直流电机的调速，设计出了一种符合要求的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。系统采用了模块化的设计思路，为系统的设计和维护提供了方便，同时也提高了系统性能的可扩展性。系统采用一种软件硬化的设计思路，应用了VHDL硬件语言，该语言较容易理解。软件也是采用了目前应用比较广泛的几种。FPGA+VHDL+EDA工具构成的数字系统现场集成技术，是本系统设计的核心部分，该门技术具有操作灵活、利用广泛以及价廉等特点。该门技术具有旺盛的生命力和广阔的前景，必然推动着整个集成电路产业系统集成的进一步发展。整个系统设计采用了全数字化的控制方案，使系统更加紧凑、更加合理以及经济节约。由于系统的全数字化，使得整个系统运行变得十分可靠，调试也极为方便。作为一种先进技术的应用，论文在很多方面做了新的尝试。关键词：直流电机，现场可编程门阵列，硬件描述语言，i浙江大学硕士学位论文 AbstractAbstractIn this paper,DC motor as the study, with the application of FPGA-advanced technology, designs an all-digital stepper motor control system, through various program text links of the simulation, synthesis and downloads, and gets a good application in experiments.This paper analyzes the DC motor works, as well as its specific control process, describes the FPGA design principles and the related chips those are involved, then gives a brief introduction on the knowledge of applied hardware language VHDL , all these provides a theoretical basis for the specific design sections of the paper.The system against the achievement of the DC motor speed control, designs a continuously adjustable pulse signal generator that can meet the requirements , and modular programmings for the whole system, each sub-module has pasted the simulation tests. The system uses a modular design concept. Its not only convenient for the system design and maintenance, but also improve the performance of the system scalability. The system adopts software hardening ideas, applies the VHDL hardware language which is easy to be understood. The software is also adopt severals which are used widely at present.FPGA + VHDL + EDA tools constitute the field of digital system integration technology, as a core part of the system design, the skill with operational flexibility ,cheap and widely use. This kind of technology has strong vitality and broad prospects, and will further the development of system integration of the entire IC industry. The whole system uses a fully digital control scheme, making the system more compact, more rational and economical. Because the systems all digital, the operation of the whole system become very reliable , the debugging is convenient,too. As an advanced technology, the paper makes many new attempts in several sapects.Key Words：DC motor,Field programmable gate array，VHDL ii浙江大学硕士学位论文 目录目录摘要iAbstractii第1章 绪论11.1 课题背景11.2 研究的目的及其内容21.3 研究内容及其安排31.3.1 研究内容31.3.2 本文的安排31.4 本章小结3第2章 电机的基本知识42.1 直流电机的特点42.2 直流电机的基本结构42.3 直流电机的工作原理62.3.1 直流电机的励磁方式72.3.2 直流电机的基本方程式12第3章 FPGA与硬件描述语言143.1 数字系统集成的基本概念143.1.1 工艺集成技术143.1.2 现场采集技术143.2 FPGA设计流程223.3 硬件描述语言设计方法233.3.1 硬件描述语言发展概况233.3.2 Verilog HDL目前的应用情况与适用的设计233.3.3 采用硬件描述语言的设计流程243.4 本章小节25第4章 直流电机系统设计方案264.1 直流电机控制实现方案的比较264.1.1 以DSP为核心的电机控制系统与单片机的电机控制系统的比较264.1.2 FPGA设计与单片机设计的比较274.1.3 硬件描述语言设计与传统技术设计对比284.1.4 FPGA与DSP的对比304.1.5 方案选择304.2 系统设计框图304.2.1 模块功能简介314.3 设计的目的及其要求324.3.1 功能要求324.4 本章小结32第5章 模块设计335.1 PID控制模块335.1.1 增量式PID控制算法375.2 PWM产生模块475.2.1 PWM的定义及原理475.2.2 PWM波的实现485.2.3 计数及数码管显示模块495.3 本章小节52第6章 硬件电路设计536.1 转速检测电路设计536.1.1 转速检测电路设计方案比较与分析536.2 电机速度显示电路546.2.1 电机速度显示模块电路方案比较与分析546.3 电机驱动电路556.3.1 H桥电机驱动电路原理556.3.2 H桥驱动电路设计56第7章 总结及其展望57参考文献58作者简历60致谢61II浙江大学硕士学位论文 图目录图目录图 2.1直流电机的结构5图 2.2直流电动机工作原理图7图 3.1单端系列边界扫描链19图 3.2反熔丝原胞21图 3.3基于ISE的FPGA设计基本流程22图 3.4自顶向下设计思想24图 3.5 HDL设计流程25图 4.6 Verilog HDL与VHDL建模能力的比较30图 4.1系统设计框图31图 5.1实际微分PID算法框图34图 5.2增量式PID控制算法结构图38图 5.3数值转换图39图 5.4乘法器modelsim仿真图41图 5.5乘法器仿真图242图 5.6四位加法器仿真图43图 5.7四位加法器仿真图244图 5.8 16位加法器仿真图46图 5.9 16位加法器仿真图246图 5.10PWM产生模块仿真图49图 5.11PWM产生模块仿真图249图 5.12分频模块仿真图50图 5.13计数模块仿真图51图 6.1GK105标准接法53图 6.2光电开关GK105检测电路54图 6.3H桥直流电机驱动原理图55图 6.4H桥驱动电路设计电路图56III- 3 -浙江大学硕士学位论文第1章 绪论第1章 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 (Sequential execution) 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 解決方案，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 (Layer of abstraction) 的学习时间，并针对进階控制与信号处理使用 IP cores (预先建立的函式)。 成本-ASIC 设计的非重置研发 (NRE) 费用，远远超过 FPGA 架构硬件解決方案的费用。ASIC设计的初始投资，可简单认列于 OEM 每年所出货的数千组晶片，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。而可程式化晶片的特性，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坚强的建置方式。处理器架构的系统往往具有多個抽象层，得以协助多重处理程序之间的作业排程与资源分享。驱动层 (Driver layer) 控制硬件資源，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 晶片为即时升级 (Field-upgradable) 特性，不需要像ASIC 一般重新设计的时间与费用。举例来说，数位通讯协定的规格可随时间而改变，而 ASIC 架构的介面却可能产生维护与向下相容的问题。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机板配置，即可提升相关功能4。1.2 研究的目的及其内容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。如果在设计中间阶段需要一些额外的性能，则可以利用FPGA中现有的硬件资源来加速软件代码中的瓶颈部分。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，虽然由晶闸管整流元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。1.3 研究内容及其安排1.3.1 研究内容本文根据以上这些特点，对直流电机的控制研究采用了一种基于FPGA平台，采用硬件描述语言加上EDA软件进行设计。具体的研究内容为：1.查找相关文献，研究直流电机的基本特点及其工作原理，并且对直流电机的PWM控制进行研究分析。2.对要进行的研究进行分析，采用模块化设计，包括PWM产生模块，PID算法模块。3.研究系统的重点PID算法模块，构建出合适的PID算法，找到一种切实可行的方案，以满足系统的要求。1.3.2 本文的安排本文总包括七章的内容。第二章首先阐述了直流电机的特点及其工作原理，分析了研究意义，提出了设计基于FPGA的直流电机，并且对研究的内容进行分析。第三章介绍了基于FPGA设计直流电机控制的设计环境，对FPGA，以及硬件描述语言进行了详细的介绍。第四章介绍了本次设计的系统框图，并且对各个模块进行了分析。第五章介绍了模块的详细设计，着重介绍了PID算法模块的研究及设计方案。第六章介绍了外围电路设计方案。1.4 本章小结在本章中，首先阐述了直流电机的简单介绍，对整个系统研究有了一定的了解。13- 13 -浙江大学硕士学位论文第2章 电机的基本知识第2章 电机的基本知识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范围，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著的缺点：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范围大、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3 5。 2.2 直流电机的基本结构直流电动机和直流发电机的结构基本一样。直流电机是由静止的定子和转动的转子两大部分组成，在定子和转子之间存在一个间隙，称做气隙。定子的作用是产生磁场和支撑电机，它主要包括主磁极、换向磁极、机座、电刷装置、端盖等。转子的作用是产生感应电动势和电磁转矩，实现机电能量的转换，通常也称做电枢。它主要包括电枢铁心、电枢绕组以及换向器、转轴、风扇等。直流电机的结构图如图2.1所示。 图 2.1直流电机的结构图中1-前端盖 2-风扇 3-定子 4-转子 5-电刷及刷架 6-后端盖1主磁极主磁极的作用是产生主磁通，它是由铁心和励磁绕组组成。铁心一般用lmml.5mm的低碳钢片叠压而成，小电机也有用整块铸钢磁极的。主磁极上的励磁绕组是用绝缘铜线绕制而成的集中绕组，与铁心绝缘，各主磁极上的线圈一般都是串联起来的。主磁极都是成对的，并按N极和S极交替排列。2换向磁极换向磁极的作用是产生附加磁场，从而改善电机的换向性能。通常铁心由整块钢做成，换向磁极的绕组应与电枢绕组串联。换向磁极装在两个主磁极之间。其极性在作为发电机运行时，应该与电枢导体将要进入的主磁极极性相同；在作为电动机运行时，则应该与电枢导体刚离开的主磁极极性相同。3机座机座一方面用来固定主磁极、换向磁极和端盖等，另一方面作为电机磁路的一部分称为磁轭。机座一般用铸钢或钢板焊接制而成。4电刷装置在直流电机中，为了使电枢绕组和外电路连接起来，必须装上固定的电刷装置，它是由电刷、刷握和刷杆座组成的。电刷是用石墨等做成的导电块，放在刷握内，用弹簧压指将它压触在换向器上。刷握用螺钉夹紧在刷杆上，用铜绞线将电刷和刷杆连接，刷杆装在刷座上，彼此绝缘，而刷杆座则装在端盖上。 5电枢铁心电枢铁心的作用是通过磁通以及安放电枢绕组。当电枢在磁场中旋转时，铁心将产生涡流和磁滞损耗。为了减少损耗，提高效率，电枢铁心一般用硅钢片冲叠而成。电枢铁心有轴向冷却通风孔。铁心外圆周上均匀分布着槽，用以嵌放电枢绕组。6电枢绕组电枢绕组的作用是产生感应电动势和通过电流产生电磁转矩，实现机电能量的转换。绕组通常用漆包线绕制而成，嵌入电枢铁心槽内，并按一定的规则连接起来。为了防止电枢旋转时产生的离心力使绕组飞出去，绕组嵌入槽内后，用槽楔压紧；线圈伸出槽外的端接部分用无纬玻璃丝带扎紧。 7换向器由许多带有鸽尾形的换向片叠成一个圆筒，片与片之间用云母片绝缘，借V形套筒和螺纹压圈拧紧成一个整体。每个换向片与绕组每个元件的引出线焊接在一起，其作用是将直流电动机输入的直流电流转换成电枢绕组内的交变电流，从而产生恒定方向的电磁转矩，使电动机连续运转3。 2.3 直流电机的工作原理直流电动机在机械构造上与直流发电机完全相同，直流电动机的工作原理图如图2.2所示。电枢不用外力驱动，把电刷A、B接到直流电源上，假定电流从电刷A流入线圈，沿abcd方向，从电刷B流出。载流线圈在磁场中将受到电磁力的作用，其方向按左手定则确定，ab边受到向上的力，cd边受到向下的力，形成电磁转矩，结果使电枢逆时针方向转动，如图2.2a所示。当电枢转过90时，如图2.2b所示，线圈中虽然无电流和力矩，但是在惯性的作用下继续旋转。当电枢转过180的时候，如图2.2c所示，电流仍然从电刷A流入线圈，沿dcba方向，从电刷B流出。与图2.2a比较，通过线圈的电流方向改变了，但两个线圈边受电磁力的方向却没有改变，即电动机只朝一个方向旋转。若要改变其转向，则必须改变电源的极性，使电流从电刷B流入，从电刷A流出才行。 图 2.2直流电动机工作原理图a)受 电磁力，逆时针转动 b) 不受电磁力，惯性转动c) 受电磁力，逆时针转动 d) 不受电磁力，惯性转动由以上分析可得直流电动机的工作原理是：当直流电动机接入直流电源时，借助于电刷和换向器的作用，使直流电动机电枢绕组中流过方向交变的电流，从而使电枢产生恒定方向的电磁转矩，进而保证了直流电动机朝一定的方向连续旋转13。2.3.1 直流电机的励磁方式直流电机的励磁方式是指电机励磁电流的供给方式，根据励磁支路和电枢支路的相互关系，分为他励、自励(并励、串和复励)、永磁方式。1他励方式他励方式中，电枢绕组和励磁绕组电路相互独立，电枢电压与励磁电压彼此没有关系。2并励方式并励方式中，电枢绕组和励磁绕组是并联关系，通过同一电源供电。 3串励方式串励方式中，电枢绕组与励磁绕组是串联关系。4复励方式复励电机的主磁极上有两组励磁绕组，其中一组与电枢绕组并联，另外一组与电枢绕组串联。当两组励磁绕组产生的磁通方向相同时，称为积复励，反之称为差复励。5永磁方式随着永磁材料和功率电子元器件的不断进步，无刷直流永磁电动机得到了非常快速的发展，它们被广泛地用于工业、农业、国防、航空航天、现代科技和日常生活等各个领域。因此，在电机技术的领域内，合理正确地设计无刷直流永磁电动机就成为了一个越来越重要的课题。在有刷直流永磁电动机中，电枢绕组设置在转子上，定子永磁体在气隙内形成激磁磁场。根据物理学定理，在此情况下，如果迫使电流在电枢绕组的某一根导体中流动，就会产生一个作用于该导体的电磁力，其表达式为F=k1Bli式中，F为力(N)；k1为一个常数；B为气隙磁通密度(T)；1为导体的长度(m)；i为导体内的电流(A)。电枢绕组由多个线圈(或者称为元件)所组成，每个线圈又是由若干线匝所组成。如果电枢绕组的总串联导体数为，且NI，并携带同样的电流，则电磁力的量的值为F=k2BNli式中，k2为一个常数。在电动机内，作用在导体上的电动力对转子中心轴线形成一个力矩，迫使转子围绕中心轴线旋转。旋转电磁力矩的量的值为M=K3RBNli式中，M为电磁力矩(Nm)；k3为一个常数；R为导线所处位置相对转子中心轴线的半径(m)。在有刷直流永磁电动机中，定子主要是由永磁体磁极、导磁轭和电刷构件所组成，转子主要是由电枢绕组和换向器所组成。电枢绕组按照一定的规律与换向器相连接，两个相邻线圈之间存在一定的角位移。假如说，处在N极下的某一线圈从0电角度位置开始通电，转子便开始旋转，该线圈内的电流在气隙磁场内产生的旋转电磁力矩从0值开始由小到大，再由大变小，当转子转至180电角度时，该线圈产生的旋转电磁力矩又回到0值。这个时候，该线圈离开了N极，进入S极下面，该线圈内的电流方向被自动地切换(开关)成相反的方向。开关动作是借助若干个电刷和一个换向器的机械结构来实现的，这种电枢线圈内电流方向的变换被称为机械换向。这样，在有刷直流电动机的某一磁极下，虽然线圈导体在不断地更替，但是只要外加电压的极性不变，线圈导体中流过的电流方向始终不变，作用在电枢上的电磁转矩的方向也始终不变，电动机的旋转方向也将始终不变，这就是有刷直流电动机的机械换向过程的本质。在无刷直流永磁电动机中，电枢绕组被设置在定子上，永磁体磁极则被设置在转子上。定子的各相电枢绕组相对转子永磁体磁场的位置，由转子位置传感器通过电子方式或电磁方式感知；并且利用其输出信号，通过电子换向电路，按照一定的逻辑程序去驱动与电枢绕组相连接的相应的功率开关晶体管，把电流开关换向到相应的电枢绕组。随着转子的转动，转子位置传感器不断地发送出信号，从而使电枢绕组不断地依次通电，不断地改变通电状态，从而使得在某一磁极下的线圈导体中流过的电流方向始终不变，这就是无刷直流永磁电动机的无接触式电子换向过程的实质。我们可以设想：在有刷直流永磁电动机中，如果把原先处于电动机内部的旋转电枢翻出来变成定子，而把所有被连接在机械换向器下面的电枢绕组的引线头抽出来，并且给每一个引线头都提供一个功率晶体管开关；而把原先处于外部的静止永磁体移入电动机的内腔变成转子，就可以把一台有刷型直流永磁电动机变换成一台无刷型直流永磁电动机。但是，这种实施方法必须包含大量的功率晶体管开关元件和与之相适应的转子位置传感器，就目前科技得水平而论，这种方法很难实施，或者说还没有实用价值。因此，在当前的无刷直流永磁电动机中，定子电枢采用类似于一般交流电动机中的三相绕组，借助转子位置传感器检测出转子永磁体磁场与定子电枢绕组三相轴线之间的相对空间位置，通过逻辑信号处理和控制，从而来实现定子电枢三相绕组的电子换向。永磁同步电机的应用范围：按照不同的工农业生产机械的要求，电机驱动又分为定速驱动、调速驱动和精密控制驱动三类。1定速驱动-工农业生产中有大量的生产机械要求连续地以大致不变的速度单方向运行，例如风机、泵、压缩机、普通机床等。对这类机械以往大多都是采用三相或单相异步电动机来驱动。异步电动机成本较低，结构简单牢靠，维修方便，很适合该类机械的驱动。但是，异步电动机效率、功率因数低、损耗大，而该类电机使用面广量大，所以有大量的电能在使用中被浪费了。其次，工农业中大量使用的风机、水泵往往也需要调节其流量，通常是通过调节风门、阀来完成的，这其中又浪费了大量的电能。从70年代起，人们用变频器调节风机、水泵中异步电动机转速来调节它们的流量，取得可观的节能效果，但变频器的成本又限制了它的使用，而且异步电动机本身的低效率依然存在。比如，家用空调压缩机原先都是采用单相异步电动机，开关式控制其运行，噪声和较高的温度变化幅度是它的不足。在90年代初，日本东芝公司首先在压缩机控制上采用了异步电动机的变频调速，变频调速的优点促进了变频空调的发展。近年来日本的日立、三洋等公司开始采用永磁无刷电动机来替代异步电动机的变频调速，显著提高了效率，获得更好的节能效果的同时进一步降低了噪声，在相同的额定功率和额定转速下，设单相异步电动要的体积和重量为100%，而永磁无刷直流电动机的体积为38.6%，重量为34.8%，用铜量为20.9%，用铁量为36.5%，效率提高10%以上，而且调速方便，价格和异步电动机变频调速相当。永磁无刷直流电动机在空调中的应用促进了空调的升级换代。再比如仪器仪表等设备上大量使用的冷却风扇，以往都采用单相异步电动机外转子结构的驱动方式，它的体积和重量大，效率低。近年来它已经完全被永磁无刷直流电动机驱动的无刷风机所取代。现代迅速发展的各种计算机等信息设备上更是无例外地均使用着无刷风机。这些年，使用无刷风机已形成了完整的系列，品种规格多，外框尺寸从15mm到120mm共有12种，框架厚度有6mm到18mm共7种，电压规格有直流1.5V、3V、5V、12V、24V、48V，转速范围从 2100rpm到14000rpm，分为低转速、中转速、高转速和超高转速4种，寿命30000小时以上，电机是外转子的永磁无刷直流电动机。近年来的实践表明，在功率不大于10kW而连续运行的场合，为了减小体积、节省材料、提高效率和降低能耗等因素，越来越多的异步电动机驱动正在被永磁无刷直流电动机逐步替代。而在功率较大的场合，由于一次成本和投资较大，除了永磁材料外，还要功率较大的驱动器，故还比较少有应用。2调速驱动-有相当多的工作机械，其运行速度需要任意设定和调节，但速度控制精度要求并不是非常高。这类驱动系统在包装机械、食品机械、印刷机械、物料输送机械、纺织机械和交通车辆中有着大量应用。在这类调速应用领域最初用的最多的是直流电动机调速系统，而在70年代后随电力电子技术和控制技术的发展，异步电动机的变频调速迅速渗透到原来的直流调速系统的应用领域。这是因为一方面异步电动机变频调速系统的性能价格完全可与直流调速系统相媲美，另一方面异步电动机与直流电动机相比有着容量大、可靠性高、干扰小、寿命长等优点。所以异步电动机变频调速在许多场合迅速取代了直流调速系统。交流永磁同步电动机由于体积小、重量轻、高效节能等一系列优点，越来越引起人们重视，其控制技术日趋成熟，控制器也已经产品化。中小功率的异步电动机变频调速正逐步为永磁同步电动机调速系统所取代。电梯驱动就是一个典型的例子。电梯的驱动系统对电机的加速、稳速、制动、定位都有一定的要求。早期人们采用直流电动机调速系统，其缺点是不言而喻的。在70年代变频技术发展成熟，异步电动机的变频调速驱动迅速取代了电梯行业中的直流调速系统。而这几年电梯行业中最新的驱动技术就是永磁同步电动机调速系统，其体积小、节能、控制性能好、又容易做成低速直接驱动，消除齿轮减速装置；其低噪声、平层精度和舒适性都优于以前的驱动系统，所以适合在无机房电梯中使用。永磁同步电动机驱动系统很快得到各大电梯公司青睐，与其配套的专用变频器系列产品已有多种牌号上市。可以预见，在调速驱动的场合，将会是永磁同步电动机的天下。日本富士公司已推出系列的永磁同步电动机产品相配的变频控制器，功率从0.4kW300kW,体积比同容量异步电动机小12个机座号，力能指标明显高于异步电动机，可用于泵、运输机械、搅拌机、卷扬机、升降机、起重机等多咱场合。3精密控制驱动-高精度的伺服控制系统，伺服电动机在工业自动化领域的运行控制中扮演着十分重要的角色，应用场合的不同对伺服电动机的控制性能要求也不尽相同。在实际应用中，伺服电动机有各种不同的控制方式，例如转矩控制/电流控制、速度控制、位置控制等。伺服电动机系统也经历了直流伺服系统、交流伺服系统、步进电机驱动系统，直至近年来最为引人注目的永磁电动机交流伺服系统。最近几年进口的各类自动化设备、自动加工装置和机器人等绝大多数都采用永磁同步电动机的交流伺服系统。4信息技术中的永磁同步电动机-当今信息技术高度发展，各种计算机外设和办公自动化设备也随之高速发展，与其配套的关键部件微电机需求量大，精度和性能要求也越来越高。对这类微电机的要求是小型化、薄形化、高速、长寿命、高可靠、低噪声和低振动，精度要求更是特别高。例如，硬盘驱动器用主轴驱动电机是永磁无刷直流电动机，它以近10000rpm的高速带动盘片旋转，盘片上执行数据读写功能的磁头在离盘片表面只有0.10.3微米处作悬浮运动，其精度要求之高可想而知了。信息技术中各种设备如打印机、软硬盘驱动器、光盘驱动、传真机、复印机等中所使用的驱动电机绝大多数是永磁无刷直流电动机。受技术水平限制，这类微电机目前国内还不能自己制造，有部分产品是在国内组装的。2.3.2 直流电机的基本方程式研究直流电动机的方程式是了解和分析直流电动机性能的主要方法和重要手段，直流电动机的基本方程式包括电压方程式、转矩方程式、功率方程式等。直流并励电动机的工作原理，以它为例来分析电压、转矩和功率之间的关系。并励电动机的励磁绕组与电枢绕组并联，由同一直流电源供电。接通直流电源后，励磁绕组中流过励磁电流If，建立主磁场；电枢绕组中流过电枢电流Ia，电枢电流与主磁场作用产生电磁转矩T，使得电枢朝转矩T的方向以转速n旋转，将电能转换为机械能，从而带动生产机械工作。 1.电压方程式 直流并励电动机中有两个电流的回路：励磁回路和电枢回路。下面主要分析电枢回路的电压、电流以及电动势之间的关系。 直流并励电动机通电旋转后，电枢导体切割主磁场，产生电枢电动势Ea，在电动机中，此电动势的方向与电枢电流Ia的方向相反，称为反电动势。电源电压U除了提供电枢内阻压降IaRa外，主要用来与电枢电动势Ea相平衡。列出电压方程式如下:： U=Ea+IaRa上式表明直流电动机在电动状态下运行时，电枢电动势Ea总是小于端电压U。 2.转矩方程式 直流电动机正常工作时，作用在轴上的转矩有三个：一个是电磁转矩T，方向与转速n的方向相同，为驱动性质转矩；一个是电动机空载损耗形成的转矩T0，是电动机空载运行时的制动转矩，方向总与转速n的方向相反；还有一个是轴上所带生产机械的负载转矩TL，一般为制动性质转矩。TL在大小上也等于电动机的输出转矩T2。稳态运行时，直流电动机中驱动性质的转矩总是等于制动性质的转矩，据此可得直流电动机的转矩方程式： T=T0+Tl3.功率方程式 ：其电源输入的电功率为： P1=UI 13。- 26 -浙江大学硕士学位论文第3章 FPGA与硬件描述语言第3章 FPGA与硬件描述语言在本章中首先介绍FPGA的基本知识，以及所要涉及的芯片；在此基础上介绍设计中需要应用的硬件语言，以便使下面的设计更加完整，并方便阅读。3.1 数字系统集成的基本概念数字系统单片化的具体表现是专用集成电路。在过去，我们常用定制电路和半定制电路来分类。其中半定制电路又可以分为门阵列、标准单元和现场可编程IC。随着现场可编程IC技术的不断成熟，现场可编程lC的设计和应用成本不断降低，器件规模和品种不断增加，在越来越多的领域和产品中，特别是生产批量小，转型更新更快的数字化传统产品中，直接采用以FPGA、CPLD为代表的现场可编程IC来实现硬件单片集成已成为时尚。现代集成电路设计与实现主要可分为工艺集成技术和现场集成技术。3.1.1 工艺集成技术数字系统的工艺集成技术就是指采用半导体掩膜工艺的方法来实现数字系统的单片物理结构。这其中，主要的加工工艺技术为CMOS(互补金属-氧化物半导体)工艺。而主要电路的设计方式，则可以分为门阵列设计、标准单元设计和全定制电路设计等。不同的设计方式和不同的加工工艺流程互为规范和制约。为了实现不同的电路性能成本指标，需要不同的电路设计规范和工艺设计规范，并要制定合理的加工工艺流程。3.1.2 现场采集技术现场集成技术，是指一个数字系统的单片化设计和实现可以在实验室现场进行，是指采用FPGA、CPLD为代表的可编程逻辑器件作为数字系统实现的目标载体来进行的数字系统单片的现场设计、现场仿真、现场实现的技术，对于利用现场集成技术来实现数字系统的单片化，其基本要素是：(1)现场集成的目标载体-现场可编程器件；(2)现场集成的设计工具以及库资源；(3)针对具体目标器件的不同编程方式。3.1.2.1 现场集成的目标载体-现场可编程逻辑器件在现场可编程逻辑器件领域，目前主要的产品主要分为3大类。(1)基于SRAM编程的FPGA所谓基于SRAM编程的FPGA，从结构上而言，主要是由3个部分组成：可编程逻辑块(CLB)、可编程输入/输出模块IOB和可编程内部连线Pl组成。(2)基于PROM或EEPROM编程的CPLD基于EPROM或EEPROM编程的CPLD，主要由可编程I/O模块、可编程逻辑单元模块(LB)、可编程布线池(PIA)组成。其特点是：芯片功能的定义是由阵列分布EPROM或EEPROM型的下拉MO