毕业设计（论文）开题报告-基于FPGA的PWM直流电机的控制系统设计.doc

毕业设计（论文）开题报告题 目： 基于FPGA的PWM直流电机的控制系统设计 学 院： 电子信息工程学院 专 业： 通 信 技 术 班 级： 通信12-2班 姓 名： 学 号： 2013年 12月10日毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写1500字左右的文献综述（包括研究进展，选题依据、目的、意义）文 献 综 述 一、研究进展随着时代的快速发展，在很多应用场合，只能旋转的电机已无法满足要求，往往需要能够实现加速、减速、正反转或准确计量旋转速度等功能，于是基于FPGA（现场可编程门阵列)的数字系统对直流电机进行控制的方法便诞生了。 直流电动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。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。国外主要电气公司如瑞典的ABB公司、德国的西门子公司、AEG公司、日本的三菱公司、东芝公司、美国的GE公司、西屋公司等，均已经开发出多个数字直流调速装置，有成熟的系列化、标准化、模板化的应用产品。我国从20世纪60年代初试制成功第一只硅晶闸管以来，晶闸管直流调速系统也得到迅速的发展和广泛的应用。目前，晶闸管供电的直流调速系统在我国国民经济各部门得到广泛的应用。我国关于数字直流调速系统的研究主要有:综合性最优控制，补偿PID控制，PID算法优化，也有的只应用模糊控制技术。随着新型电力半导体器件的发展，IGBT(绝缘栅双极型晶体管)具有开关速度快、驱动简单和可以自关断等优点，克服了晶闸管的主要缺点。因此我国直流电机调速也正向着脉宽调制（pulse width modulation,简称PWM）方向发展。我国现在大部分数字化控制直流调速装置依靠进口。但由于进口设备价格昂贵，也给出了国产全数字控制直流调速装置的发展空间。目前，国内许多大专院校、科研单位和厂家也都在开发全数字直流调速装置。 2000年，美国Altera公司提出了SOPC（System On Programmable Chip，片上可编程系统）技术。它嵌入FPGA芯片，将处理器（CPU），存储器，I/O口，逻辑模块，功能模块等系统设计需要的模块集成在一起，完成整个系统的主要逻辑功能，它兼顾了软件和硬件的优点，具有设计灵活、可裁减、可扩充、可升级及软件硬件在系统可编程的功能，正在不断应用于现代控制系统中。 目前最具有代表性的嵌入式软核处理器分别是Altera公司的Nios和NiosII,及Xilinx的MicroBlaze核。Altera公司的Nios和NiosII软核是用户可以配置的嵌入式软核，软核的很多特性都可以进行配置，如总线宽度、指令集等。同时Altera公司的完备的开发工具提供给客户一个良好的开发环境，SOPC Builder中包含了其他常用的外设IP模块和接口模块，同时用户也可以自己设计自己的外设IP。通过MATLAB和DSP Builder，或者直接使用VHDL等硬件描述语言，用户可以为Nios嵌入式处理器设计各类加速器，并以指令的形式加入Nios的指令系统，从而成为Nios系统的一个接口设备，与整个片内嵌入式系统融入一体，软核处理器的植入使得FPGA 的功能更加强大。 FPGA可以在办公室或实验室里方便地设计出所需的专用集成电路，且具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改，极大地提高了电子系统设计的灵活性和通用性。PWM控制电路已向体积小、重量轻、功耗低、可靠性高的模块化、集成化方向发展。2、 选题依据 随着计算机，微电子技术的发展以及新型电力电子功率器件的不断涌现，电动机的控制策略也发生了深刻的变化。电动机控制技术的发展得力于微电子技术，电力电子技术，传感器技术，永磁材料技术，微机应用技术的最新发展成就。变频技术和脉宽调制技术已成为电动机控制的主流技术。正是这些技术的进步使电动控制技术在近二十年内发生了很大的变化。其中，电动机控制策略的模拟实现正逐渐退出历史舞台，而采用微处理器，通用计算机，FPGA/CPLD，DSP控制器等现代手段构成的数字控制系统得到了迅速发展。电动机的驱动部分所采用的功率器件经历了几次的更新换代以后，速度更快，控制更容易的全控型功率器件MOSFET和IGBT逐渐成为主流。功率器件控制条件的变化和微电子技术的使用也使新型的电动机控制方法能够得到实现。其中，脉宽调制（PWM）方法，变频技术在直流调速和交流调速系统中得到了广泛应用。永磁材料技术的突破与微电子技术的结合又产生了一批新型的电动机，如永磁直流电动机，交流伺服电动机，超声波电动机等。由于有微处理器和传感器作为新一代运动控制系统的组成部分，所以又称这种运动控制系统为智能运动控制系统。所以应用先进控制算法，开发全数字化智能运动控制系统将成为新一代运动控制系统设计的发展方向。三、选题目的和意义 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，从而被广泛应用于工农业生产制造、医疗航天、交通运输、商务与办公设施，还是日常生活的各种家用电器，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。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PWM波的产生、在线调速、正反向控制逻辑，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。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。四、主要参考文献1 潘松，黄继业EDA技术实用教程M北京：北京科学出版社20022 杜玉基于FPGA直流电机的伺服系统的设计D呼和浩特：内蒙古大学，20053 崔建明电T电子EDA技术M北京：高等教育出版社，20064 徐进基于FGPA的PWM机床电力拖动系统的研究J北京理T大学学报2004(3)： 5 甘 历VHDL应用与开发实践M北京：北京科学出版社，20036 张淑骅基于FPGA的交通灯的VHDL设计J电力与能源，2007(19) 7 褚振勇翁木云FPGA设计及应用M西安：西安电子科技大学H版社，2002 8 冒建亮叶 桦，张舒哲基于FPGA的变频控制系统的实现Z南京：东南大学，2012(A1) 9 万林，唐厚君，贺 超，等基于ARM与FPGA的嵌人式开放性运动控制器的设计与开发J上海交通大学学报，2011(3) 10 李涛涛，何汉武，胡兆勇，等模拟PLC仿真系统中兼容PMW文件的研究和设计J制造业自动化2013(8) 11 文 畅基于FPGACPLD和VHDL语言的交通灯控制系统设计J电脑知识与技术，2007(3) 12 张红润FPGACPLD应用设计M北京：北京航空航天大学出版社，200913期刊论文FPGA在直流电机调速中的应用- 重庆工学院学报 - 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