基于FPGA的直流电动机调速系统设计-开题报告

中 北 大 学毕业设计开题报告学 生 姓 名： 学 号：学 院 、 系 ： 信息与通信工程学院专 业 ： 电气工程及其自动化设 计 题 目 ： 基于 FPGA 直流电动机调速系统指 导 教 师 : 年 月 日毕 业 设 计 开 题 报 告1结合毕业设计情况，根据所查阅的文献资料，撰写 2000 字左右的文献综述：文 献 综 述1 研究背景及意义在FPGA发明的几十年里，集成电路产业得到了快速的发展。同时，市场对于设计灵活性和上市时间的迫切需求，进一步促进了FPGA应用领域的不断扩大，特别是在数字信号处理领域。以 Xilinx 和A1tera为主的两大FPGA厂商多年前就涉足DSP这一领域，近一、两年，随着3G通信、视频成像等领域的发展，FPGA for DSP(FPGA的DSP)再次成为了焦点。 【1】 现场可编程门阵列FPGA是8O年代末发展起来的新型大规模集成逻辑器件，它采用高级计算机辅助设计技术进行器件的开发与设计，其优越性大大超过普通T TL集成门，具有速度快、功耗低、功能强，可反复使用等特点。FPGA技术器件的主要特点是：采用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片，可做其它全定制或半定制AsIc电路的中试样片l有丰富的触发器和IO引脚，是ASIC电路中设计周期最短，开发费用最低、风险最小的器件之一l采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。针对某调速电机，以FPGA(现场可编程门阵列)为控制器，采用数字比例积分调节器实现电机的速度控制算法，设计出数字化调速控制器。 【2】 随着可编程门阵列器件FPGA的出现，给直流调速控制提供了新的手段和方法。这种控制方式很容易在FFGA控制中实现，从而为直流电动机控制数字化提供了契机。本文简要介绍了直流电动机的控制策略和直流电动机的PWM调压调速原理。详细介绍了可编程门阵列器件FPGA及其在直流电机控制系统中的应用。FPGA的使用简化了系统结构，提高了系统工作的稳定性和可靠性。本系统利用硬件描述语言VHDL设计在片内实现电机控制逻辑，包括分频模块、数据锁存模块、比较模块、选择模块等。在QuartusII 上软件仿真和实验结果均表明输出波形稳定、精确。详细介绍了调速控制系统的工作原理，详细介绍了用FPGA实现比例积分调节器、调速控制器的软件设计。 【3】2 国内外研究现状基于 FPGA 电机转速系统是工业和农业以及日常生活中不可缺少的一个系统。 它的开发引起了广泛的关注。转速是指作圆周运动的物体在单位时间所转过的圈数，它是电机极为重要的一个状态参数。转速检测的快速性和精度将直接影响系统的效果和动静态性能，如何提高测量精度， 如何减轻工作人员的工作负担， 如何采取有效措施减少经济损失，如何保障工农业顺利进行等问题迫在眉睫。 因此， 电机测速系统的研究与实现具有了十分重要的意义。这个系统综合采用了 FPGA 芯片、光电编码器、光电耦合器、 数码管等技术相结合， 提高电机转速测量精度， 有效杜绝测量不准确和误测等现象的发生。 【4】 直流电机是以电子换相代替传统的机械换相，保持了直流电机的优点，并且还具有结构简单、运行可靠、效率高等优点，使其在航天航空、工业控制、医疗、机器人、家用电器、办公设备等领域内得到广泛的应用。目前电机的调速系统主要分为模拟式和数字式两大类。 虽然随着电子芯片技术和集成电路技术的发展，各种模拟式直流无刷电机调速系统的集成模块也得到了广泛的应用，但其始终存在着调速困难、调速范围窄、精度低等缺点，在一些领域内的应用结果不很理想。数字式直流电机调速系统以单片机、DSP 和FPGA 等控制芯片为核心，具有电路结构简单、调试方便、调速精度高和上位机实时通信等优点，在各个领域内取得广泛的应用。 【5】由于直流电源供电方式的不断更新换代, 特别是在最近的十几年期问, 进一步促使了直流电动机的单机功率、转速不断提高, 目前朝着高速、大功率方向发展。另外, 由于绝缘技术和分析技术的进步, 直流电动机已迅速向小型轻量, 低惯量方面发展。随着各种技术的进步和研究的展开,诸多高质量的直线电机产品和科研成果纷纷出现。1985年,美国Ingersol铣床公司生产了采用永磁同步直线电机的HVM600高速加工中心,最大进给速度达76.2m/min。而在1997年,汉诺威12.EMO展览会上有20多家公司展出了直线电机传动装置,如德国Trumpf公司的激光机床,法国Renault automation公司的加工中心等,展出的直线电机最大速度达150200 m/min。这些被称为最有前途的展品表明,在高速度机床的进给机构中愈来愈多的采用直线电机。新型磁性材料和控制技术、冷却方法的出现,为应用经济高速高动力直线电机创造了条件。 【6】参考文献：1. 张小新.魏厚龙. FPGA 技术及其开发方式概述期刊论文-山西电子技术 2008(5)2. 余红娟.潘松. FPGA 技术的应用与发展期刊论文-杭州电子科技大学学报2006,26(3)3.陈伯时电力拖动自动控制系统M第 2 版北京：机械工业出版社，20004.陈桂，万其基于 Fm的直流电机速度控制器设计 计算机与自动化技术，2005，32(2)5. 姜淑华.JIANG Shu-hua 基于单片机的直流电动机测控系统设计期刊论文-佳木斯 大学学报(自然科学版)2010,28(6)6.姚舜才. 电机学与电力拖动技术M. 北京: 国防工业出版社, 2006. 毕 业 设 计 开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：2.1 本课题要研究或解决的问题1.采用专用运动控制处理器 LM629 和 FPGA 实现对直流电动机的转速控制2.学习直流电动机的结构和 PWM 调速的工作原理，学习 FPGA 基本控制和设计方法3.学习专用运动控制处理器 LM629 的工作原理和控制方法。4.研究以 FPGA 为控制核心借助专用运动控制处理器 LM629 实现对直流电动机的转速控制的控制方法。2.2 PWM 脉宽调制的基本原理和实现方法脉宽调制( PWM 的全称是 Pulse Width Modulation) 是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术, 广泛应用在从测量、 通信到功率控制与变换的许多领域中。PWM 控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术, 即通过对一系列脉冲的宽度进行调制, 来等效地获得所需要的波形, 保持开关周期 T 不变, 调节开关导通时间 Ton。在采样控制理论中有个重要的结论: 冲量相等而形状不同的的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同,是指环节的输出响应波形基本相同。直流斩波实际上就是 PWM 控制技术中最为简单的一种情况。它把直流电压斩成一系列脉冲, 改变脉冲的占空比来获得所需要的输出电压。改变脉冲的占空比就是对脉冲的宽度进行调制, 只是因为输入电压和所需要的输出电压都是直流电压, 因此脉冲既是等幅的, 也是等宽的。2.2 lm629 芯片简介LM629 是美国国家半导体共识的产品，他是全数字式控制的专用运动控制处理器。通过一片单片机 一片 LM629 一片功率驱动器 一台直流电动机 一个增量式光电编码盘就可以构成一个伺服系统。LM629N 是 NMOS 结构，采用 28 引脚双列直插式封装，使用6MHZ 或 8ZHZ 时钟频率和 5V 电源工作。2.3 FPGA 的结构原理XILINX 公司的 FPGA 芯片采用一种叫“LCA(逻辑单元阵列)”的结构。9 ，即它是由四周是具有可编程的输入输出模块(10B-一 InputOutput block)，而里面是规则的排成行列的可编程逻辑模块(CLB-_configurable logic block)及具有可编程的连线资源( 结构如图 3-4)组成。IOB 提供了逻辑阵列和器件封装引脚之间的接口，CLB来实现用户指定的逻辑功能，内部连线资源可通过编程形成网络在各单元之间传递逻辑信号。2.4 直流电动机的工作原理 1、直流电动机的构造分为两部分：定子与转子。定子包括：主磁极，机座，换向极，电刷装置等。转子包括：电枢铁芯，电枢绕组，换向器，轴和风扇等。2、直流电动机的励磁方式直流电动机的性能与它的励磁方式密切相关，通常直流电动机的励磁方式有 4 种：直流他励电动机、直流并励电动机、直流串励电动机和直流复励电动机。3、掌握 4 种方式各自的特点：直流他励电动机: 励磁绕组与电枢没有电的联系，励磁电路是由另外直流电源供给的。因此励磁电流不受电枢端电压或电枢电流的影响。直流并励电动机: 并励绕组两端电压就是电枢两端电压，但是励磁绕组用细导线绕成，其匝数很多，因此具有较大的电阻，使得通过他的励磁电流较小。直流串励电动机：励磁绕组是和电枢串联的，所以这种电动机内磁场随着电枢电流的改变有显著的变化。为了使励磁绕组中不致引起大的损耗和电压降，励磁绕组的电阻越小越好，所以直流串励电动机通常用较粗的导线绕成，他的匝数较少。直流复励电动机：电动机的磁通由两个绕组内的励磁