基于FPGA的无刷直流电动机控制器设计-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电气工程系专 业 ： 电气工程及其自动化设 计 题 目 ： 基于 FPGA 的无刷直流电动机控制器设计指 导 教 师 : 2012 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：无刷直流电机是具有串励直流电机启动特性和并励直流电机调速特性的梯形波/方波无刷直流电机，其控制系统是集电工电子技术技术、电力电子技术、电子技术、自动控制理论和计算机技术等现代科学技术于一身的机电一体化系统。无刷直流电机由于其具有结构简单、出力大和效率高等特点，已在精密车床、国防、工业过程控制、航空航天、汽车电子、机器人、办公自动化和家用电器等领域中得到了较好的应用。2.国内外研究现状目前，在应用领域的机器臂驱动电机应用中，无刷直流电机所占比例呈现越来越大的趋势，并且已开始出现替代步进电机和传统直流伺服电机驱动机器人的发展趋势。于此同时大功率的无刷直流电机在低速、环境恶劣和有一定调速性能等要求的特殊环境和场合也有很好的应用前景，如抽水蓄能、无齿轮曳引机电梯驱动、钢厂轧机传动等，具有调速动态响应快、跟踪误差小、静差率小和调速范围宽等特点。经济实用型的无刷直流电机控制器可采用多种单片机或者其他微型机来实现且实现容易、价格相对便宜，然而，处理能力有限，特别是当需要处理的数据量大，系统实时性和精度要求高时，单片机往往不能满足要求，特别是在要求多台电机协同工作的一些工业应用场合，使用单片机及各种接口电路来控制电机会使硬件较为复杂，难以实现转速的数字化控制。此时，一般可利用 DSP 芯片和 FPGA 芯片或者“DSP+FPGA”组合等方案来实现无刷直流电机控制系统的设计 1。FPGA是英文Field Programmable Gate Array的简写 2，汉语专业术语称之为现场可编程门阵列，是数字电子技术的一门引申技术。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件们电路数有限的缺点 3。FPGA的容量比较大，包含大量的逻辑单元、内嵌存储器以及一些其他的高级特性元件，如锁相环、LVDS等 4，适合一些比较复杂的时序逻辑应用之中。FPGA最早由Xilinx公司推出，多为SRAM架构或查表（Look Up Table）架构，需外接配置用的EPROM下载。由于Altera公司的FLEX/ACEX/APEX系列也是SRAM架构，所以通常把Altera公司的FLEX/ACEX/APEX系列芯片也叫做FPGA。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无需专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活 5。3.相关文献综述在电子技术日益飞速发展的今天，FPGA 器件在电机控制领域的应用越来越广泛。用 FPGA 控制无刷直流电动机，能将大量逻辑功能继承于一个单片 IC 中，节省软、硬件资源，实现在线编程、擦除、使设计更灵活，可靠程度更大，程序调整更加方便快捷，且系统结构极为紧凑 6。FPGA 可以用 Verilog、VHDL 或 C 语言来编程，灵活性强，具有动态在线系统重构和静态可重复编程的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改，并能按照用户需求来定义接口功能。在一些对控制成本和空间要求严格的应用中，复杂的控制算法可以通过 FPGA 来实现，这不但可以提高无刷直流电机控制系统的可靠性，也为其朝接口的通用化和控制的全数字化方向发展提供了坚实的基础 7。其相对简单易学的特性，更使得它在电机控制的领域飞速发展。控制器的全数字化将使系统的硬件结构更加简化，促使柔性控制算法在电机控制中的应用，同时还易与上层和远程控制系统进行数据传输通信，便于系统故障的监视与诊断 8。直流无刷电动机与一般直流电动机具有相同的工作原理和应用特性，而其组成是不一样的。除了电机本身外，前者还多一个换向电路，电机本身和换向电路紧密结合在一起。许多小功率电动机的电机本身是与换向电路合成一体，从外观上看直流无刷电动机与直流电动机完全一样 9。直流无刷电动机的电机本身是机电能量转换部分，它除了电机电枢、永磁励磁两部分外，还带有传感器。电机本身是直流无刷电机的核心，它不仅关系到性能指标、噪声振动、可靠性和使用寿命等，还涉及制造费用及产品成本 10。由于采用永磁磁场，使直流无刷电机摆脱一般直流电机的传统设计和结构，满足各种应用市场的要求，并向着省铜节材、制造简便的方向发展。永磁磁场的发展与永磁材料的应用密切相关，第三代永磁材料的应用，促使直流无刷电机向高效率、小型化、节能方向迈进 11。为了实现电子换向必须有位置信号来控制电路。早期用机电位置传感器获得位置信号，现已逐步用电子式位置传感器或其它方法得到位置信号，最简便的方法是利用电枢绕组的电势信号作为位置信号 12。要实现电机转速的控制必须有速度信号。用获得位置信号相近方法取得速度信号，最简单的速度传感器是测频式测速发电机与电子线路相结合。直流无刷电机的换向电路由驱动及控制两部分组成，这两部分是不容易分开的，尤其小功率用电路往往将两者集成化成为单一专用集成电路。在功率较大的电机中，驱动电路和控制电路可各自成为一体。驱动电路输出电功率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于控制电路。驱动电路已从线性放大状态转成脉宽调制的开关状态，相应电路组成也从晶体管分立电路转成模块化集成电路。模块化集成电路有功率双极晶体管、功率场效应管和隔离栅场效应双极晶体管等组成形式 13。虽然，隔离栅场效应双极晶体管价格较贵，但从可靠安全和性能角度看，选用它还是较合适的。控制电路用作控制电机的转速、转向、电流(或转矩)以及保护电机的过流、过压、过热等。上述参数容易转成模拟信号，用此来控制较简单，但从发展来看，电机的参数应转换成数字量，通过数字式控制电路来控制电机。当前，控制电路有专用集成电路、微处理器和数字信号处理器等三种组成方式。在对电机控制要求不高的场合，专用集成电路组成控制电路是简单实用的方式。采用数字信号处理器组成控制电路是今后发展方向 14。在微小功率范畴直流无刷电动机是发展较快的新型电机。由于各个应用领域需要各自独特的直流无刷电动机，所以直流无刷电动机的类型较多。大体上有计算机外存储器以及 VCD、DVD、CD 主轴驱动用扁平式无铁心电机结构，小型通风机用外转子电机结构，家电用多极磁场结构及内装式结构，电动自行车用多极、外转子结构等等 15。无刷直流电机（BLDCM）是在有刷直流电动机的基础上发展来的，但它的驱动电流是不折不扣的交流；无刷直流电机又可以分为无刷速率电机和无刷力矩电机。一般地，无刷电机的驱动电流有两种，一种是梯形波（一般是“方波” ） ，另一种是正弦波。有时候把前一种叫直流无刷电机，后一种叫交流伺服电机，确切地讲是交流伺服电动机的一种 16。无刷直流电机为了减少转动惯量，通常采用“细长”的结构。无刷直流电机在重量和体积上要比有刷直流电机小的多，相应的转动惯量可以减少 40%50%左右。由于永磁材料的加工问题，致使无刷直流电机一般的容量都在 100kW 以下 17。这种电动机的机械特性和调节特性的线性度好，调速范围广，寿命长，维护方便噪声小，不存在因电刷而引起的一系列问题，所以这种电动机在控制系统中有很大的应用潜力 18。电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等 19。由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会象变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。中小容量的无刷直流电动机的永磁体，多采用高磁能积的稀土钕铁硼（Nd-Fe-B）材料。稀土永磁无刷直流电动机必将以其宽调速、小体积、高效率和稳态转速误差小等特点在调速领域显现优势 20。Verilog HDL 语言是一门标准硬件设计语言，它适合于电子系统设计的所有阶段。由于它容易被机器和人工阅读，因此它支持硬件设计的开发、验证、综合及测试，以及硬件设计数据的交流，便于维护、修改和最终硬件电路的获得。Verilog HDL 语言具有简单、直观和高效的特点。在各种设计里面，它采用标准的文本格式，具有多层级的抽象。HDL（Hardware Description Language，硬件描述语言）主要用来从事法级、门级到开关级的多种抽象设计层级的数学系统建模。被建模的数字系统对象既可以是简单的门，也可以是完整的数字电子系统。硬件描述语言的主要功能是编写设计文件，建立电子系统行为级的仿真模型，然后利用高性能的计算机对用 Verilog HDL 建模的复杂数字逻辑进行仿真，之后再对它进行自动综合以生成符合要求且在电路结构上可以实现的数字逻辑表，接着根据适合某种工艺的器件自动生成具体电路，最后生成该工艺条件下具体电路的延时模型。仿真验证无误后用于写入 FPGA 中 21。基于 FPGA 的无刷直流电机控制技术，应该是无机械的位置传感器控制技术。在电机运转的过程中，作为控制逆变器换相导通时序的转子位置信号仍然是需要的，这种信号由新的位置检测信号电路代替机械式的位置传感器，即以提高电路和控制系统程序的复杂性来降低电机硬件连接系统的复杂性。所以，直流无刷电动机无位置传感器控制技术的核心和关键就是构建一个转子位置信号检测电路，从软、硬件两个方面来简介获得正确的转子位置信号，触发相应的逆变器，从而驱动电动机运转。要做到精确控制控制需要相当复杂且快速的运算，由 FPGA 强大的功能使这种控制方式成为现实。参考文献：1 夏长亮.无刷直流电机控制系统M.北京：科学出版社，2009.1-242 张丕状，李兆光.基于 VHDL 的 CPLD/FPGA 开发与应用M.北京：国防工业出版社，2009.24-353 王刚，张潋.基于 FPGA 的 SOPC 嵌入式系统设计与典型实例 M.北京：电子工业出版社，2009.1-144 史步海，张选正.特种电动机调速控制技术及应用M.广州：华南理工大学出版社，2010.134-1355 张强，吴红星，谢宗武.基于单片机的电动机控制技术M.北京：中国电力出版社，20086 谭建成.电机控制专用集成电路M.北京：机械工业出版社，19977 叶金虎.无刷直流电动机M.北京：科学出版社，19828 孙建忠，白凤仙.特种电机及其控制M.北京：中国水利水电出版社，20059 李铁才，杜坤梅.电机控制技术M.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，199710 Jahns T M. 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Altera FPGA/CPLD 设计M.北京：人民邮电出版社，2005 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）：本课题要研究的问题：在本课题的研究过程中遇到的主要问题：明确无刷直流电动机的工作原理、运行特性，包括电动机的启动和速度的控制调节，详细了解FPGA芯片的选择，FPGA软件的编程，仿真软件multisim和Quartus II的熟练应用和FPGA与si9979的连接方法以及实现的功能。拟采用的研究手段： 无刷直流电动机的工作原理：无刷直流电机主要由电动机本体、位置传感器和功率开关三部分组成，永磁体固定在转子上，位置传感器跟踪转子与电动机转轴相连接。无刷直流电动机将电枢绕组放在定子上，把永久磁钢放在转子上，而且通过位置传感器和控制电路使定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁钢产生的永磁磁场，在空间始终保持在（/2）rad 左右的电角度，以产生最大转矩。当定子绕组的某一相通电时，该相电流与转子永久磁钢磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制相应相开关管的通断，从而使定子各相绕组按一定次序换相，此时定子相电流随转子位置变化而按一定的次序换相。随着转子的转动，位置传感器不断的送出信号，以改变电枢绕组的通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变。由于开关管的导通关断次序是与转子转角同步，因而起到了机械换相器的换相作用。无刷直流电动机的运行特性：电动机的转速与反电动势成正比，转矩与相电流大小成正比。电动机的机械特性方程同一般直流电动机的机械特性方程在形式上完全一致，只不过其中的转矩和反电势运用平均转矩和平均反电势的概念，这是因为它的反电势和转矩波动比较大的缘故。因此改变电源的电压，可以容易地改变输出转矩（在同一转速下）或改变转速（在同一负载下）实现平滑调速。无刷直流电机的启动特性：电机在恒定直流母线电压作用下，转速从零上升至稳定值过程中的转速、电流的变化曲线称之为启动特性。电机接通电源，由于管压降和电枢绕组阻值一般较小，启动电流短时间内会很大，在允许范围内，启动电流大有助于转子加速，满载时电机也能很快启动。在额定工况下，电机刚启动时转速和反电动势均为零，启动瞬间电枢电流迅速增大，使电磁转矩较负载转矩大很多，转速迅速增大从而引起反电势增大，电枢电流增长变缓直至达到极大值，然后开始减小。电流减小导致电磁转矩减小，于是转速上升的加速度变小。当电磁转矩和负载转矩达到动态平衡时，转速稳定在额定值，整个机电系统保持稳态运行。无刷直流电机速度的控制：电机正常运行及基速以下运行时，一般通过 PWM 调制改变电枢端的输入电压来实现速度的控制，而电机的基速以上运行通常采用相电流提前导通、辅助励磁等手段实现的弱磁控制技术完成。FPGA 芯片的选择：在无刷直流电机控制系统中，FPGA 芯片选用 Altera 公司的cyclone，该芯片具有较多 I/O 引脚，且对可编程逻辑，存储块和其他特性进行了最优的组合。FPGA 与 si9979 的连接方法：传感器模