（微电子学与固体电子学专业论文）基于fpga的交流电机控制ip软核的设计.pdf

独创性申明 秉承祖旧优良道德传统和学校的严谨学风郑霞申明：本人所呈交的学 位论殳是我个人在导师指导f 进行的何f 究工作及取得的成果。尽我所知， 除特别加以标注和致谢的地方外论文中不包含其他人的研究成果。与我 一同工作的同志对本文所论述的i ：作的任何贡献均已在论文巾作了明确的 说明并已致谢 本论文致其相关资料若何不实之处，由本人承担一切相关责任 论文作者签名：- 2 各蚺带弓月湖u 保护知识产权申明 本人完全了解西安理_ 丁大学有关保护知i ：i 产权的规定，即：研究生在 校攻读学位期问所取得的所有研究成果的知识产权属西安理工人学所有。 本人保证：发表或使用与本论文相关的成果时署名单位仍然为西安理工人 学，无论何时何地，未经学校许呵，决不转移或扩散与之相关的任何技术 或成果。学校百枞保留本人所提交论文的原件或复印件，允许论文被查阅 或借阅；学校可以公布本论文的全部或部分内容，町以采用影印、缩印或 其他手段复制保存本论文。 ( j j 密学位论文解密之前后，以 ：申明同样适用) 论文作者签名：i ! 条目基导师签名 勋降乡月却日 摘要 基于f p g a 的交流电机 控制i p 软核的设计 学科名称：微电子学与固体电子学 指导老师： 研究生： 副教授 答辩日期： 摘要 论文适应目前大规模集成电路设计要求，结合交流电机方面的应用，利用e d a 技术和可编程器件f p g a ，设计交流电机控制i p 软核，并可满足一般交频的要求。 本文共分六章，其中第三，第四和第五章是本文的重点。主要阐述了课题的研究 方法和具体实现。 首先，论文分析了国内外电机控制：苍片的发展情况和交流电机控制芯片的广泛应 用，论证了设计三相交流电机控制i p 核的必要性。 其次，对s p w m 的发展概况及产生机理进行了介绍。 再次，按照f p g a 的设计流程，具体实现了i p 软核设计。 主要步骤包括：系统的划分，模块的设计和功能的仿真。系统划分根据电机控制 的没计要求，把系统划分为三相s p w m 产生电路，以及s p w m 外围控制电路这两部 分。然斤又根据其具体功能细分模块，并对系统中的各模块进行信号连接。模块设计 是波计每个模块内部电路结构，并心v h d l 语言编写可综合，可复用的代码。功能仿 真使用的是a l t e r a 的m a x p l u s1 1 ，首先对每个功能模块进行仿真，通过后，把各 模块以b l o c k 或元件调崩c o m p o n e n t 的形式组成一个整体，通过波形输入，对 西安理t 大学硕士学位论文 整个系统进行功能仿真。 在远一部分，还对产生三相正弦波的正弦袭进行了优化，利删分时复_ 【； j 和正弦波 的对称性，把所需的正弦表减少为原来韵l “2 ，并保持优化后的精度不变。同时改进 了单极性s p w m 的产生方法。井通过把外部的控制电路集成到芯片内部，使系统可以 无需单片机就司完成相廊功能。 最后，刚f p g a 对系统进行功能验证。使用的是a l t e r a 公司f i 。e x l 0 k 系列 的e p f l 0 k1 0 l c 8 4 4 ，通过m a x p l u s1 1 软什把生成的文件f 载到芯片中，最后用示 波器观察其输出波形。验证结果表明设计完全满足预先的要求。 关键字：电机脉宽调制叮编程器件变频调速 a b s t r a c t d e s i g n o fa cm o t o rc o n t r o li p s o f tc o r eb a s e do nf p g a s u b j e c t ：m i c r o e l e c t r o n i c sa n ds o l i de l e c t r o n i c s t u t o r g r a d u a t es t u d e n t a b s t r a c t d a t e ： a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n to fv l s ia n dt h ea p p l i c a t i o no f a cm o t o r , am o t o rc o n t r o l 1 pc o r ei sd e s i g n e dw i t he d aa n df p g a a tt h es a m et i m e ，i tc a nb ew i d e l yu s e di n i n v e r t e r t h e r ea r es i xs e c t i o n si nt h i sp a p e r , a m o n gw h i c ht h et h i r d ，t h ef o u r t ha n dt h ef i f t hi st h e m o s ti m p o r t a n t ，m a i n l yd e a l i n gw i t ht h es p e c i f i cd e s i g no f t h ec h i p f i r s t l y , t h en e c e s s i t yo fd e s i g n i n ga cm o t o ri pc o r ei sd i s c u s s e db ya n a l y z i n gt h e s i t u a t i o na n dt h ea p p l i c a t i o no f a c m o t o r c h i ph o m ea n da b r o a d s e c o n d t nt h ed e v e l o p m e n ta n dt h em e c h a n i s mo fs p w m a r ei n t r o d u c e d t h i r d l y , t h es y s t e mi sd e s i g n e da c c o r d i n gt ot h ef l o w t h em a i np r o c e s s e si n c l u d es y s t e m p a r t i t i o n ，m o d u l ed e s i g na n df u n c t i o n a ls i m u l a t i o n b a s e do nt h er e q u i r e m e n to fd e s f g n ， s y s t e mi s d i v i d e di n t ot w op a r t s ，t h a ti s ，t h e g e n e r a t i o no ft h r e e - p h a s es p w ma n di t s p e r i p h e r a lc i r c u i t s t h e nt h e s et w op a r t sa r ef a l l e ni n t os m a l l e rm o d u l e s m o d u l ed e s i g ni st o c o n s t r u c tf u n c t i o n a lc i r c u i t sw i t h s y n t h e s i z a l b ea n d r e u s a b l ev h d lc o d e s s y s t e m s i m u l a t i o ni sc o m p l e t e du n d e rs t i m u l u sw i t hs o f t w a r em a x p l u s 1 1 ，b yc o n n e c t i n ge v e r y m o d u l ei nf o r mo f “b l o c k o r “c o m p o n e n t ”，a f t e re v e r ym o d u l ei ss i m u l a t e dw i t hc o r r e c t “安理r 大学硕士学位论文 r e s u t nt h i ss e c t i o n ，w i t ht i m es h a r i n gm e t h o da n dt h es y m m e t r yo fs i n ew a v e ，t h e l o o k u pt a b l en e e d e dt og e n e r a t et h r e e p h a s es i n ew a v ei sr e d u c e dt oo n et w e l f t ho ft h e t a b l eb e f o r ea n dt h eo p t i m i z a t i o nw i l lh a v en oa n ye f f e c to np r e c i s i o n ，a tt h es a m et i m e ，t h e g e n e r a t i o nw a yo f t h em o n o p o l a rs p w m i si m p r o v e d i na d d t i o n ，t i l es y s t e mi si n d e p e n d e n t o fm c u b yi n t e g r a t i n gt h ep e r i p h e r a lc i r c u i t si n t oc h i p l a s t l y ，f p g ai sa d o p t e dt ov e r i f yt h ef l m c t i o no ft h es y s t e m t h ec h i pu s e dh e r ei s e p f i o k l 0 l c 8 4 4o ff l e xi o km a d ei na l t e r a ，t h es r a mo b j e c tf i l ei sc o n f i g u r e di n t o t i l e c h i pt h r o u g hm a x p l u s1 1 t h e nt h eo u t p u t s a r eo b s e r v e db yo s c i l l o g r a p ha n d c o m p a r e dw i t hs i m u l a t i o n ，i n d i c a t i n gt h ed e s i g nc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t si na d v a n c e k e yw o r d s ：m o t o r , s p w m ，f p g a ，v v v f 绪论 1 绪论 1 1 研究现状及研究的意义 集成电路作为电子元器件最重要的基础产品之一，已渗入到电机控制 领域。电机控制集成电路的开发和使用已成为当今世界的高新技术，它在 工业控制，仪器仪表，家用电器等各电气自动化领域已成为必需的元件 1 1 。 电机控制芯片作为专用集成电路的一个重要方面，具有非常重要的作 用，其不但能简化外围电路给电机控制带来方便，且能缩小体积，降低成 本，改善性能，调整简便，还具有大大提高了系统的可靠性和抗干扰性的 优点，具有非常广泛的应用前景。 世界各先进工业国家知名半导体j 一商都对电机控制芯片非常重视，竞 相研制开发出自己的电机控制专用集成电路，一方面供自己公司内部的电 子整机使用，同时供应国际市场。如美国的m o f o r o l a ，n a t i o n a l s e m i c o n d u t c o r ，t e x a si n s t r m e n t ，g e ，德国的s i e m e n s ，荷兰 的p h i l i p s ，f t 本的三菱，松下，三洋等著名公司。电路也由模拟电路向 模拟数字混合的集成电路转化，有的已经完全实现了数字化 目前，用于交流电机控制的芯片主要有m u l l a r d 公司生产的 h e f 4 7 5 2 ，德国西门子的s l e 4 5 2 0 ，英国m a r c o n i 公司生产的m a 8 1 8 ， 这些芯片具有以下功能：能够实现对相序的控制，换相时能对同一路上下 桥臂上的晶体管进行互锁延时，能够输出逆变器所需的六路殴定p w m 脉 冲，输出频率可以在1 h z 到上百h z 之间连续调节，在检测到过压，过流， 过载时能够对p w m 脉冲输出进行封锁。 西安理i 大学硕士学位论文 这些芯片已经实现数字化，性能也比较稳定，虽然芯片本身具有这些 功能t 但必须借助于微机，对s i 。e 4 5 2 0 而吉，微处理机是在较低层次上介 入控制芯j j 。的t 作，微处理机无暇顾及更多功能。与s l e 4 5 2 0 类似，m a 8 1 8 功能比s l e 4 5 2 0 强大得多，虽然微机的介入程度很低，但也必须在微机的 配合下彳请实现这些功能。t t e f 4 7 5 2 可以采用微处理器控制，也可以不用 微处理器而用模拟控制。国内州类芯片是重庆钢铁设计研究院开发的 z i “1 0 1 ，也须借助于微处理器或采用比较复杂的外部电路才能实现那些功 能。 由】电机在工业，农业，生产萃u 生活中的巨大作用，以及目前的相关 控制芯片主要来自围外，因此对电机芯片的研究具有重要的意义。也相信 本设计t i 了以带来巨大的实用价值和定的商业价值。 i 2 集成电路的发展状况 微电子技术，电予技术，讨算机技术在相互渗透和相互促进的关系中 均得到了高速的发展。现代信息社会的支柱，即计算机和通信，其主要硬 件是集成电路。以集成电路的发展为标志的微电子技术无处不在，已成为 了现代信息社会的基础。 集成电路白1 9 5 9 年在荚因得州仪器和西屋电气公司诞生以来，以惊人 的速度发展。第。块集成电路上只有四个晶体管，而目前集成电路可以在 。片硅片上集成几千万，甚奄上亿只晶体管。集成电路的发展经历了小规 模i c ( s s 0 ，中规模i c ( m s i ) ，大规模i c ( l s d ，超大规模i c ( v l s i ) ，特大规 模i c ( u l s i ) 的不同阶段。集成电路的工艺也发展到深亚微米。目前0 2 5 微 ， 1 绪论 米和o 1 8 微米已开始进入大生产。o 1 5 微米和o 1 3 微米大生产技术也已经 完成开发，具备了大生产的条件。2 0 0 3 年，几个主要的c p u 厂商推出的主 流c p u 都采用了0 。1 3um 的工艺，在另一个关键技术一互连技术上，铜 互连已在o 2 5 0 1 8 微米技术代中使用，与此同时，集成电路的性能( 高集 成度，高速度，低功耗) 也迅速提高，“奔腾4 m ”c p u 频率超过了3 g h z 。 早在1 9 6 0 年，i n t e l 公司的创始人之一g o r d o ne m o o r e 曾预言，集成 电路的功能随时间成指数增长。i c 近4 0 年的发展历史完全证实了m o o r e 的预言。集成电路最主要的特征参数的设计规则从1 9 5 9 年以来4 0 年间缩 小了1 4 0 倍。而平均晶体管价格降低了1 0 7 倍。 随着系统向高速度、低功耗、低电压和多媒体、网络化、移动化的发 展，系统对电路的要求越来越严格，集成电路规模越来越大，复杂程度越 来越高，传统i c 设计技术已经无法满足性能日益提高的整机系统的要求。 同时，由于i c 设计与工艺技术水平不断提高，目前，系统级芯片( s y s t e mo n ac h i p s o c ) 已能将包括数字i c 和模拟i c 的整个系统集成在单个芯片上， 完成系统的功能。s o c 的出现，使集成电路逐步向集成系统( i n t e g r a t e d s v s t e m ) 的方向发展】。 1 3 电子系统的设计方法 随着集成技术的发展和集成度的迅速提高，集成电路不断向高速度， 低功耗方向发展。集成电路的芯片设计也越来越复杂，没有功能强大的计 算机辅助，完成设计几乎是不可能的。因此，电子系统的设计方法和设计 手段也发生了很大的变化。 3 曲安理一l 大学硕士学位沦文 2 0 世纪7 0 年代出现的各种汁算机辅助设计c a d 软件的出现正是满足 了这种要求。特别是进入2 0 世纪9 0 年代以来，电子设计自动化 e d a ( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ) 技术的发展和普及给电子系统设计带来 了革命性的变化，并已渗透到电子系统设计的各个领域。 住半导体方面，可编程技术被广泛应用于器件的设计上，给数亨系统 的设计带来了极大的方便。利用e d a 。r 具，采用可编程器件，通过设计芯 ， 来实现系统功能，这种方法称为基于芯片的设计方法。采用这样的方法， 漫计者就可以定义器件的内部逻辑和管脚，将原来出电路板设计完成的大 部分工作放在芯片的设计中进行。这样不仅可以通过芯l 设计实现多种数 字逻辑功能，而且由于管脚定义是灵活的，大大减轻了电路圈设计和电路 板设计的难度，增强设计的灵活性，提高了工作效率。 利用e d a 设计工具，使得在实验室就可以完成数字系统的设计，并且 呵以预知设计结果，减少发计的卣目性。同时，基于芯片的设计还可以减 少7 1 5 ) 。数量，缩小系统体积，降低功耗，提高系统的可靠性m 。 1 4 论文的研究目标和结构安排 基于交流电机控制芯片的。泛应用且简化外围电路，增加系统稳定憔 成了发展的总趋势，而国内同类产品极少，使用的基本e 都是国外的芯片， 且外冈电路也比较复杂，一般须借助于单，；机才能实现相应的功能，且芯 j ；运算速度受微处理器系统时钟影响，且开发周期长，硬件调试不方便。 本设计适应交流电机控制芯片发展趋势，利用e d a 技术和可变编器件 f p g a ，设计交流电机控制芯片，使其芯片成为一个不借助于微机的独立系 4 1 绪论 统，可以实现电机的运行停止控制，转向控制，能对电机实现调速，在换 相时，具有互锁延时保护功能，并具有过压过流的保护功能，且电源和载 波频率，脉冲删除时间和死区延时可以通过参数调节。 本课题的设计思路如图l 一1 所示： 图1 - 1 设计流程 全文共分六章，结构安排如下： 第一章是绪论，介绍研究的背景，并对存在的问题论证了本文的研究意 义，提出了本设计的思路。 第二章对本课题涉及到的s p w m 的理论进行了介绍。 第三章详细说明了电机芯片主电路三相s p w m 的产生和控制的设计， 并对各主要模块进行了仿真。 第四章详细说明了外围控制电路的集成，并给出了主要的仿真结果a 第五章采用f p g a 对设计进行验证，并介绍了整个流程。 第六章总结设计的成果。 牵西 习窀 2s p w m 技术原理 2s p w m 技术原理 本章是设计的理论基础，包括p w m 的发展，s p w m 的基本原理，控 制方式，生成方法这儿个部分。 2 1p w m 的介绍 1 9 6 4 年德困人a s c h o n u n g 等人首先提出了脉宽调制变频的思想，将通 信系统中的渊制技术推广应用于交流变频器。它通过对逆变电路半导体开 关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等，而宽度不相等的 脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需波形。按一定的规贝, j j x , j 脉冲的宽度 进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。在自 关断器件出现并成熟以后，p w m 控制技术得到了很快的发展，p w m 型逆 变i l i 路获得丫广泛的应用。现在，p w m 技术已成为电力电子技术中一，个非 常重要的组成部分，它对提高电力电了装置的性能，推动电力电子技术的 发展起着巨大的作用m 8 】。 2 2 s p w m 控制的基本原理 采样控制中有这样一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在 具有惯性环节刊，效果基本相同。冲量是指窄脉冲的面积。这里所说的效 果基本相同是指环节的输也响应波形基本相同。如果把输出波形用傅氏变 换分析，则低频段特性非常接近，仅在高频段略有差异。脉冲越窄，其输 出差异越小。运结论是p w m 控制的重要理论基础【8 1 。 两安理j ：大学硕士学位论文 所谓正弦脉宽调制( s p w m ) 波形，就是正弦波等效的一系列等幅不 等宽的脉冲波形【6 】，如图2 1 所示。等效的原则是每一区间的面积相等。如 果把一个正弦半波分成n 等分，然后把每一等分的f 弦曲线与横轴所包围 的面积都用一个面积相等的矩形脉冲来代替，矩形脉冲的幅值不变，各脉 冲的中点与正弦波每等分的巾点相重合，这样，根据冲量相等效果相同 的原理，由n 个等幅不等宽的脉冲所组成的波形就与正弦波的半周等效。 同样，正弦波的负半周也可以用相同的方法等效为一系列的脉冲。 ( b ) 跚2 1s p w m 原理示意幽 p w m 波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出电压的幅值时， 只要按相同的比例系数改变个脉冲的宽度即可。 按照p w m 的原理在给出了正弦波频率，幅值和半个周期内的脉冲 数后，p w m 波形巾各脉冲的宽度和间隔就可以准确计算出来。按照计算结 果控制电路中各开关器件的通断，就可以得到所需的p w m 波形。但是， 这种计算很繁琐。较为实用的是采用调制的方式，即把所希望的波形作为 7 一 一 ! ! ! 婴坚垫查望堡 一* _ _ _ - _ h - ，- ，_ - ，_ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ - _ _ n _ _ _ 一 调制信号，把接受调制的信号作为载波。 通常采用等腰三角形作为载波，因为其具有上下宽度和高度成线性关 系，且磊：右对称。当它与任何一个平缓变化的涮制信号波相交时，如在交 点时刻控制电路中的开关器件的通断，就可以得到宽度讵比于信号波幅值 的脉冲，这f 好符合了p w m 的要求。当调制信号为j 卜弦波时，所得到的 刘为s p w m 波形| 8 j c 2 3s p w m 的控制方式 s p w m 的控制方j 式分为同步式，异步式幂j 分段同步式三种控制模式用6 ”。 1 同步控制方式。 三角波电j i l 三频率和参考电压频率之比为常数时成为同步控制方式。在这 种方式i - ，逆变器输出 包压每个周划内所含i 角波电压的数目是固定的， t 三角波电压数目与参考电压之比成为载波比) 。所产生的脉冲数目也是一 定的。 这种控制方式的优点是在逆变器输出频率的范围内，可保持输出波7 眵的 正，负半波完全对称，只有奇次斜波的存住，并能严格保证逆变器输出的 ：相波形之问有1 2 0 。 t l 别j x , j 称关系。这种控制方式的严重缺点是，逆变 器低频输出时，每个周期内的p w m 脉冲数过少，低次斜波分量较大，被驱 动的电机产生较大的转矩脉动和噪声。 2 异步控制方式。 骨步控制中，三角载波的频率不变。低速运行时，逆变器输出电压每 个周期内的p w m 脉冲数相应增加，因而减少负载电机的转矩脉动和噪声， r 西安理工火学硕士学位论文 使调速系统具有较好的低频特性。 异步控制方式也有缺点：由于三角波调制频率为定值，当参考电压的 频率连续变化时，难以保证载波比为常数，特别是能被3 整除的整数，因 而不能保证逆变器输出的正负半波以及三相电压之间的严格对称关系，将 会引起负载电机运行的不稳定。 2 分段同步控制方式。 该方式结合同步控制和异步控制的优点，克服了两者的不足。在低频 阶段，是三角波与参考波的频率比呈有级结构增大。在有级的改变逆变器 输出电压半波内p _ l v m 脉冲数目的同时，并保持其半波和三相对称关系，从 而改善系统的低频运行特性，并可消除由于逆变器输出电压波形不对称所 产生的不良影响。 根据调制脉冲的极性不同，p w m 可分为单极性和双极性控制模式两种【7 1 。 1 单极性p w m 模式。 产生单极性p w m 模式的基本原理如图所示。电压比较器反向输入端 加入的三角波调制电压与同极性的参考电压比较，如图2 - 2 ( a ) ，输出单 极性的p w m 脉冲信号( b ) ，在将单极性的p w m 脉冲信号与所示的反相器 信号( c ) 相乘，得j 下负半波对称的p w m 脉冲信号( d ) 。 2s p w m 技术原理 峰挈娶肇漆夺念一。 ruiil i - l i l u f - ，7 il r - - 7 l ，。) - ；n i 。 f _ _ _ _ 查：二二二：二一二当一一( c j l l 上l 一i 面一【 r 厂三! 一一一 ( d ) 幽22 孽极性s p w m 模式 蜘i 果将f 负交变的舣极性三角波与参考波电压在电压比较器两端 输入通过直接比较得到舣极性p w 脉冲。 与簟儆性p w i 模式比，双极性p w m 控制模式电路和丰电路比较简单 单极性p w m 模式要比双极性p w m 模式输出电压中高次斜波分量要小得 多，这是甲极性模式的优点。 幽2 - 3 烈极性s p w m 模式 u t如1 西安理工大学硕士学位论文 2 4 s p w m 的生成方法 按照p w t v i 逆变电路的基本原理和控制方法，可以用模拟电路构成三 角波载波和正弦调制波发生电路，用比较器来确定它们的交点，在交点时 刻对功率开关器件进行控制，就可以生成s p w m 波形。但这种模拟电路结 构复杂，难以实现精度的控制。但它的原理是其他控制方法的基础。数字 控制是s p w m 目前常用的控制方法。可以采用微机存储预先计算好的数据 表，控制时根据指令调出，或通过软件实时的生成s p w m 波形，也可以采 用大规模集成电路专用芯片产生s p w m 信号 6 1 。 1 自然采样法： 按照s p w m 控制的基本原理，在正弦波和三角波的自然交点时刻控制 功率开关的通断，这种生成s p w m 的方法称为自然采样法。 自然采样法是最基本的s p w m 波形生成法。它以s p w m 控制的 基本原理为出发点，可以准确地计算出各开关功率器件的通断时刻， 所得波形很接近正弦波。原理图如图2 - 4 所示。 一一；! ! 坚竺塾查坚壅 2 ，规则采样法： 虽然自然采样法波形很接近正弦波，但计算量过大，在工程中使 用并不多。规则采样法是一种应用较广的工程实用方法，它的效果接 近自然采样法，但计算量要比自然采样法小得多。 自然采样法中，每个脉冲的中点并不和三角波中点( 即负峰点) 重合：规则采样法使两者莺合。即使每个脉冲的中点都以相应的三角 波中点为对称这样就使计算大为简化。原理图如图2 - 5 所示。 结合s p w 的控制原理，本设计采用的是异步，单极性，双边调制， 自然采样泣。 3 三相s p w m 的设计 3 三相s p w m 的设计 本章是论文的重要部分，这一章将结合上一章的基本原理，完成- - + 1 | s p w m 的设计。首先，给出了系统的设计功能指标。然后，根据f p g a 的 设计流程，对系统按电路的功能进行模块划分。最后，对相应的模块进行 编程，仿真。 3 1 系统的功能特性要求 3 1 1 功能： a 1 独立的控制系统 b ) 输出所需三相六路s p w m 波形 c ) 实现电源频率可调 d ) 换相互锁延时，且延时参数可调 e 1 过压，过流的保护 3 1 2 指标 曲输出的s p w m 相位f 确 b 1 电源频率范围2 5 0 0 h z c 1 载波频率2 4 k h z ，分8 级可调 d 1 系统时钟1 2 2 8 8 m h z 两安理i ：人学颐p 学何论文 3 2 系统模块的划分 图3l 是本设计的系统框图，主要包括按键输入，按键译码，起，停控 制，相序羟制p w m 产生，脉冲删除，死区延时，保护电路这儿部分。根 掘系统i 殳讨要求，模块划分j , j _ k 电路模块和外围控制电路这两人部份。 叫赵，停拧制 - 魅 l 按 板 旧 键 叫# 1 宁控制 发 i 输 脉 译 a 码一p w m ? z 牛k 五0 昏 冲 一保护电路 - 输 出 图3 - 1 交流电机芯片的系统框图 外围控制电路模块实现对丰电路模块的最终控制，使得可以不借助单 片机，成为一个独立的系统，完成对电机运行停止，正反转，加减速等功 能的控制。主要指图中按键输入和按键译码，这一部分功能由卜一章实现。 这一章主要设计的是图中除去按键输入和按键译码的部分。 3 2 1 主电路模块的划分 按照这酃分的电路功能，对主电路再进行划分。t 电路主要是三相 s p w m 的j 生及相应的控制。本设计采用全数字的方法生成三相交流正弦 信号及一i 角波信号，通过比较，生成三相六路s p w m 脉冲，对输出的六路 脉冲进行脉冲删除和死区延时。并对其相序进行控制，和检测是否要刻锁 输出脉冲 3 三相s p w m 的设计 主电路包括正弦表的优化，正弦波的产生，三角波的产生，三相s p w m 的产生，脉冲的删除，死区时间的设定以及相序的控制，以及过压过流保 护这几部份。主电路的内部结构框图如3 2 所示。 分频电路卜+ 臃为3 的 f i 数鬻一季捆礁蟪糕据的岔枣；卜 ；蓐雾电路厂_ 一正赣黉一一_ ：陲潮j 锱馕簸，攥黢爨期 。蠹嗣锁谨酥锑薹卜 臁 薹一 1 躲冲筵髀扣趣霾亟西卦莲垂l l l 圈：= _ 栽捆锐 缸长稿糕绷+ 辩掴 输序 。r - 。一j 一一j j 出 整 叫脉冲延时p 避翟劐i 浏一莲隧鎏；整：e = _ 繁稠戮i 黔蘑罐螨徊 热 制 十虢滞延时 _ 畦遂! 瞪魁 瞰鞍嚣：- 一譬稠锈i 翻一留捆，撼绷+ 幽3 - 2 土电路内部结构框图 广_ _ 。_ _ _ 。_ _ _ _ ! 五u _ _ = 习 l i 三角波缎爱器| l = 二o = = = = d 3 2 2 系统引脚 图3 3 是本次设计编译产生的图元，该图元有1 4 个外部端口，8 个输 入端lj ， 个输出端口。 n cdhluer 【刳3 - 3 系统外部端口 凶安理i ：人学硕士学位论文 表3 1 是各引脚的功能说明。 端l 宽度方向有效信号描述 r s 丁 1 输入 1 系统复位 s y sc p 1输入 _ ：升沿系统时钟 c s 1输入 0 片选 s i a k ls t o pl 输入 1 启动停止 f o r w a r d r e v e r s e 1输入。l f 转反转 t i p1 输入 l 速度增加 d o w n1输入i 速度减小 i n h i b r t1 输入 o 输出封锁 w g a1输出 a 相上桥臂触发输出 i w g a l 输出a 相下桥臂触发输出 w g b1输出 b 相上桥臂触发输出 i w o b1输出 b 相下桥臂触发输出 w g cl输出 c 相上桥臂触发输出 i w g c1输出 c 相下桥臂触发输出 表3 - 1 引脚功能 3 3 正弦波的产生 由于现在f p g a 内部还不具备对模拟信号的处理能力，因此般产生 复数的或是实数的l f 弦曲线，采用食表的方法f 9 j ，把f 弦曲线的取样值存于 表中，正弦信号的输出通过调用正弦表的取样值米实现。 1 6 3 三相s p w m 的设计 具体为通过一定频率的时钟对相位进行寻址，从而实现相位和幅值的 转化，合成幅度为取样值的正弦波。通过改变对相位寻址的频率，可以实 现任意频率的正弦波。正弦波的精度受查找表中相位以及幅度的量化的影 响。正弦表的长度和宽度分别影响e 弦波的相位角精度和信号幅度的精度。 如果需要模拟输出，那么需要把这些取样值输出到d a c ( 数模转换器) ， 还有低通滤波器，获得所需频率的模拟波形。一般情况下，这些取样信号 在数字领域可以直接使用。 3 3 1 正弦表的量化 因为f p g a 内部只能处理数字信号，所以必须把模拟的正弦波进行量 化为数字量。本次采用的是无符号数量化。 传统的查找表存有相位宽度一致的取样值，如n 位的长度，则这些取 样值代表一个周期长度、2 ”的正弦曲线，对应到具体的正弦参数的值。 本次设计采用长度为8 位的正弦表，即在一个周期中对正弦波进行2 8 次，即2 5 6 次取样，因此调制的相位o 2n 量化为o 2 2 8 。相位j 1 2 ， 3j i 2 ，2n 分别量化为0 x 3 f ，0 x 7 f ，0 x b f ，0 x f f 。正弦波的幅值量化为0 x 7 f 。 即幅值的最大值为1 2 8 。 3 3 2 正弦表的优化 三相s p w m 的产生一般需要三个相位上互差1 2 0 0 的f 弦波，也即需要 三个完整的f 弦表，三相正弦表可以由三个独立的相位互差1 2 0 0 的正弦表 组成，这在设计思路上是简单的，但实际中却有很大的浪费。 因为r o m 的大小随着地址位数和数据位数的增加成指数递增关系，因此 在满足信号性能的前提下，如何减少资源丌销就是一个重要的问题。 l7 两安理l ：人学硕士学位沦文 目前有人采用了分列复用的方法柬减少三相正弦表所占用的逻辑门 。从币弦波的波形可以看出，正弦波具有很好的对称性，还能对正弦表 再进行优化。 闵此，提m 了利用分时复用以及f 弦波的对称性，对三相正弦表进一 步优化，以进一。步减少f 弦表所占用的逻辑门，提高f p g a 的利用率。 a 数据的合成 数据台成m 分时复用电路和运算电路这两部分组成。通过分时复用， 使得所需的正弦袤减少到原来的1 3 ，即产生三相j f 弦波只需一个难弦表。 运算电路利用正弦波的对称性，使得实现个完整周期的正弦波只需1 ，4 周期的匹弦表。两者结合，从而完成三相正弦波只需一个1 4 周期的难弦表， 把所需的正弦表减少到没有采用优化时的1 1 2 ，达到最大程度的节省资源 的h 的。 ( ) 分时复用原理及其应用： 分时复用的原理是各路信号占用同信道的不同时闽间隙进行信号传 输。具体到本电路就是利用对正弦表寻址的高速度，使一个正弦表在不同 列1 问段查询不同相的一弦波的幅值，减少正弦表所占用的f p g a 资源。 十h 例始地址 b 棚训始地址 c 相初始地址 = | 数器输入 1 4 i3 4 分时复j _ j 原理示意剀 路地址输出 3 三相s p w m 的设计 电路的具体实现：三路在相位上互差1 2 0 0 的地址数据并行输入，通过 一个三选一的选择器来进行选择，选择器的控制端按三进制的计数器【”。如。 计数器为0 时，输出的是a 相的地址。计数器为1 时，输出的是b 相的地 址。计数器为2 时，输出的是c 相的地址。因此只要使输入的三相地址周 期性变化，就实现了并行输入的三相地址数据在时间上形成了连续，也就 实现了三相地址数据的合成。原理如图3 - 4 所示。 这样就可以利用一个正弦表来得到三相的正弦值。把正弦表减少到没有 采用分时复用时的1 3 。浚部分电路的仿真波形如图3 5 所示。图中a d d a ， a d d b ，a d d c 分别为a 相，b 相和c 相的相位值。a d d r e s s 为合成一 路后的相位值。 a 1 3 d a d 口 ! i !i!i i i! ：i ! 彭a d d e d 口 矽a d d c d 口 础a d d r e s e0 口 图3 - 5 三相地址合成部分的仿真波形 从图3 5 中可知，a d d r e s s 数据是按a d d a ，a d d b ，a d d c 的数据 交替循环组成，满足预先设计的要求。 ( 2 ) 正弦波的对称性及其应用 在此次设汁中，充分利用了信号周期内的对称性和算术关系来减少资 源的开销。 冉图36 可知，正弦波具有良好的对称性。n 2 “t 的幅值大小与0 n 2 的幅值大小相同，只是它们在时间上出现的顺序刚好相反。3 ”2 的 幅值与0 n 2 的幅值的绝对值相同，极性相反。3 2 2 部分的幅值与 西安理工人学硕士学位论文 n 3x 2 的人小相等，只是时间上出现的顺序相反。因此，根据正弦波的 对称性，只需1 4 的正弦表，即只在正弦表r o m 中存有相位0 n 2 时的的 幅值，缩短了查找表的长度。 在采用利用了波形对称性的情况下，量化相位角的最高位和次高位采 用相限映刺。这样做，因为降低了使用f p g a 内部的r a m 单元，或者是减 少了分布的存储，靼元，存储面积减到最小，所以可以大大提高面积的利用 家。 。八。 on 2 n 3n 2 n 7 利用0 n 2 相位时的的幅值产生完整的正弦波波形。产生诈弦波酋 先需要对正弦表进行寻址，把量化的相位值转化为对应的量化的幅值。由 于i e 弦表r o h , t 中仅存有相位0 n 2 时的的幅值，而n 2 “，3n 2 2 的 绝对值与栩f ：7 ：d 2 的幅值在时间上出现的顺序相反，因此，要获得n 2 n ，3n 2 2n 的i 瞄值必须埘相位0 n 2 时的的幅值进行反向寻址。反相 寻址通过地址输入矢量取反来实现“。 本设计把周期2n 量化为8 位，即对一个正弦波周期进行2 5 6 次取样。 因此对0 n 2 相位寻址所需的地址线为6 4 条。地址线信号a d d r e s s 定义 为s t d l o g i c v e c t o r ( 7d o w n t o0 ) ，a d d r e s s 低六位用于对r o m 表进行寻址， 地址数据a d d r e s s ( 7d o w n t o6 ) 用于相限映射。a d d r e s s ( 7d o w n t o6 ) 为“o o ”，“o l ”，“1 0 ”，“1 l ”时，分别对应第一，第二，第三，第四相限， ，n 3 三相s p w m 的设计 当处于第二或第四相限时，对r o m 反向寻址。 正弦波的负半周的形成。由于负半周的幅值与正半周的幅值在极性上相 反，因此对输出的对应的幅值取反。幅值是否驭反由输入的地址数据所处 的相限决定，当处于第三，第四相限时，对应的输出幅值取反【1 1 】。并把 a d d r e s s 的最高位取反作为最终输出的正弦波幅值的最高位，即把存于 r o m 中的正弦波幅值扩展了一位。这样做实际上把正弦波向y 轴正方向平 移了一个幅值，避免了幅值出现负值。因此实际用于产生s p w m 的正弦波 如图3 7 所示。图中a ，b ，c 分别为a ，b ，c 三相的初始位置。 a 蚓3 7 实际用于产生s p w m 的正弦波示意图 由图可知，与第二章的单极性s p w m 产生原理相比，做了改进，用这 样的j f 弦波信号产生的s p w m 信号不需要与反相信号相乘得到一个周期的 s p w m 。因此避免了产生单极性s p w m 的复杂电路，同时又具有单极性 s p w m 高次谐波分量少的优点，并可以最大程度的利用正弦波的对称性来 节省r o m 所消耗的资源。 通过利用f 弦波的对称性，这样在分时复用的基础上，完成了三相数据 只需一个1 4 周期的r o m 即可查询。在分时复用和利用正弦波对称性两个 相对独立的模块连接的过程中必须考虑到时序的问题。如果只是把两个模 2 l 硝安理f ：大学硕一 学位论文 块简单的连接到一块，只能产生一相的s p w m ，如果时序上解决不好，产 生的= ：相正弦波精度会受到影响，个周；l i j 的正弦波不再由2 5 6 个点组成， 如果这样，也就失去了优化的意义。 b 数据的分离 由以! 二可知从一个1 4t f 弦波周期的r o m 表中可以得到三相相位互 差1 2 0 。的正弦波的幅值，但是由于输入的三相地址在时间上是连续的， ；| 1 剥r o m 表寻址的地址只有 路，因此，虽然得到了j 桐正弦波的橱值，可 足它们是按a d d r e s s 中各相之问的关系混合在一起的。因此，必须对所 得到的橱直进行分离，彳。能得到二三相正弦波。 汁数器输入 a 相幅值 1 3 柏幅世 c 相幅值 幽3 - 8 数据分解原理 由波形a d d r e s s 中各相地址的相互关系呵知，分离数据只要把分时复 用的合成部分反接即可，仿真波形如图3 - 9 所示( 为了使在同一个波形中可 以同时看清d a t a 中的各项数据，图3 - 9 对m a x p l u s i i 的仿真波形的2 , 0 扯s 之莳的输出零部分进行了截去。) 图中d m a 为根据1 4 周期正弦表所褥的 三相混合数据，d a t a a ，d a t a b ，d a t a c 分别为分离后a 相，b 相和c 相的相位对应的幅值。由三相正弦波幅值之问的相互关系和变化趋势可以 得知，输出的数据是正确的。最后把所得的三褶数据锁存，再与产生的三 ， 3 三相s p w m 的设计 角波比较产生三相六路s p w m 。 酗d a t ad 1 2 b 0 i 1 2 8 x 型i 1 a i 堡i 1 3 1 i 垫! i 垫i ! ! i ! 翌1 毋d a t a &d 0 0 i 1 2 8 i 1 3 1 l 够d a t a bd0 0 i 2 3 7 i 2 3 5 区尹d a t a cd 口口y 1 8 i 1 6 【冬】3 - 9 二相数据分离部分的仿真波形 由以上分析，及仿真可知，采用一个l 4 周期的正弦表实现三相_ i f 弦数 据的查淘是可行的。这将极大的节省所用f p g a 的门数，提高其利用率， 极大的降低编程的劳动量，且输出的三相正弦波与不利用分时复用和正弦 波对称性时相比，精