无刷直流电机控制器设计开题报告

1 本科生毕业设计 论文 开题报告 论文题目 论文题目 无刷直流电机控制器硬件电路的设计无刷直流电机控制器硬件电路的设计 学学 院 院 电气工程学院电气工程学院 专业班级 专业班级 学生姓名 学生姓名 学学 号 号 导师姓名 导师姓名 开题时间 开题时间 2 1 1 课题背景及意义课题背景及意义 1 11 1 课题研究背景 目的及意义课题研究背景 目的及意义 无刷直流电机利用电子换向代替机械换向 解决了传统直流电机因为电刷 摩擦而产生的众多问题并因其结构简单 运行可靠 维修方便等优点 使得它的 应用越来越广泛 1 如在仪器仪表 家用电气和医疗器械等方面的应用成为研究 的热点 因而对电机运行性能的要求也越来越高 因此围绕改善电机性能方面的 研究也是多方向的 早期的电机驱动控制系统多采用专用硬件控制设备 需设计专用的控制芯 片及其它硬件电路以满足不同控制对象的需要 这种封闭式结构使电机驱动控 制系统的体积大 开发成本高 开发周期长 可靠性 可扩展性和易用性都很 差 并且升级困难 随着技术的不断进步 人们对电机驱动控制系统提出了更 高的要求 既希望能够根据不同的应用需求 迅速 经济地构建面向客户的控 制系统 又希望大幅度降低系统维护费用改变以往封闭式设计模式 使底层生 产控制系统的集成更为简便和有效 现代电机驱动控制系统正朝着开放性 实 时性和可靠性方向发展 无刷直流电机大多采用 MCU 单片机 或者 DSP 数字信号处理器 来 研制电机控制器 因为一些 MCU 和 DSP 中预置了用于电机控制的指令 接 口和外设 应用较为方便 但是 在一些特殊的应用领域 例如 在高温 低 温和强电磁干扰或者有放射性粒子辐射的太空环境中 MCU 和 DSP 无法正常 工作 2 所以引入了 FPGA Field Programmable Gate Array 即现场可编程 门阵列 它是在 PAL GAL CPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物 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门电路数有限的缺点 由于 FPGA 运用了硬件电路软件化设计的理念 使得 FPGA 设计具有良好的可重复性和修 改性 模块的硬件描述语言 HDL 不拘泥于某一型号 FPGA 或某一厂商的 FPGA 只需要经过简单的设置就可重复利用已有的电路模块 又因为 FPGA 具 有优异的可重复编程的能力 可以很简单的对算法进行修改和升级 从而极大 地缩短了控制器的设计时间 节约了产品升级换代的成本 FPGA 有从商用到 航天等不同级别的芯片 环境适用范围广泛 3 1 21 2 课题国内外研究现状及趋势课题国内外研究现状及趋势 无刷直流电机驱动控制过程中 不但要完成高速的数据采集计算 还要完 成多个控制环的复杂计算以及 PWM 调制 换相控制 需要完成的计算量较大 并且对实时性和精度要求较高 而单片机由于其内部体系结构和计算功能等条 件限制 在需要处理数据量大和实时性要求高时 往往不能满足要求 另外 受芯片制造工艺限制 在现有的电机专用控制芯片中所实现的算法一般比较简 单 也难以应用在高性能 高精度的应用场合 3 因此一般采用 DSP 进行实现 但这种方法开发周期长 在运算上仅限于对串行数据的处理 对于大容量的数 据则要分时串行处理 影响了系统效率和精度 而且用 DSP 控制电机所需的外 围元件较多 影响了控制系统的可靠性 自从跨入九十年代以来 FPGA 等可编 程逻辑器件得到了飞速发展 向高集成度 高速度和低价位方向不断迈进 4 5 借助芯片强大的计算能力和逻辑能力使许多控制算法得以实现 为实现电机数 字控制提供了一种新的有效方法 采用 FPGA 作为控制芯片 使得在单个芯片上 实现原来整个控制系统实现的功能 使系统具有体积小 成本低和开放性等特 点 完全符合现代电机驱动控制系统的发展趋势 6 FPGA 端口资源丰富 且大 多由用户自己定义 使得系统设计灵活 同时便于扩展和升级 目前国外在数字化的无刷直流电机控制技术方面做的相当成熟 我国在这 方面的研制工作起步较晚 并且主要集中在一些研究所和高等院校 经过这些 年的努力 基于 FPGA 的无刷直流电机驱动控制系统的研究已经取得了很多成果 但这方面的技术还不成熟 没有形成系列产品 主要还是采用国外成熟的系统 因此 建立以 FPGA 为控制核心的无刷流电机驱动控制系统具有重要的现实意义 和广阔的发展前景 7 2 2 毕业设计研究内容及任务毕业设计研究内容及任务 2 12 1 研究内容研究内容 通过对电机驱动控制系统发展及现状的分析 以无刷直流电机为控制对象 提出一种以 FPGA 为控制核心的无刷直流电机驱动控制系统总体设计方案 1 分析电机驱动控制系统的发展及现状 提出本文所要设计的控制系统 总体方案 2 设计控制器中的硬件电路 包括控制板及与驱动板之间的接口 过流保 护电路等 并根据设计要求 采用再生制动实现了电机制动控制 8 3 设计基于 FPGA 的 PID 控制器 对于算法中涉及到的各种时序运算采用 状态机控制实现过程 4 论述无刷直流电机的基本组成 工作原理及数学模型 研究无刷直流 4 电机驱动控制系统的基本结构 建立其仿真模型 并对系统进行仿真 分析 为控制系统的设计提供理论依据 2 22 2 设计思想及设计方案设计思想及设计方案 无刷直流电机在当今控制系统中被广泛应用但是目前对无刷直流电机的控 制主要由单片机和 DSP 实现 虽然单片机实现在价格上有优势 但是外围电路 复杂 对系统的稳定性和可靠性有较大的影响 而且在算法实现上速度较慢 无法满足高速实时控制系统要求 9 DSP 虽然在算法实现上速度快 但是外围 电路也较复杂 而且价格较贵 因此 实现无刷直流电机控制系统可以通过 FPGA 实现外围数字电路的设计实现对电机的 PWM 控制 外围电路简单 实时 控制速度快 系统稳定可靠 而且价格合理 4 10 以 FPGA 芯片作为控制电路核心 以智能功率模块 IPM 作为逆变电路 核心的系统硬件电路总体架构 进行主要器件的选型 11 并设计单片机芯片必 要的外围扩展电路 霍尔信号接口电路 A D 转换电路 电流采样调理电路 电平转换电路 通信接口电路 人机交互电路以及报警电路等 12 2 32 3 毕业设计拟采用方法和手段毕业设计拟采用方法和手段 无刷直流电机驱动控制器硬件逻辑设计中 FPGA 片上模块均采用硬件逻辑 设计完成 模块之间使用串行连接 霍尔信号经过换相控制模块输出 6 路开关 管信号 同时经过位置与速度检测模块计算得到速度反馈转速 n 并与速度给定 参考速度一起经过速度调节器调节得到电流环给定参考速度下的电压 13 14 控制 A D 转换输出 A 相和 B 相电流经过电流检测模块输出母线电流并与速度调 节器输出值一起经过电流调节器输出占空比信号 用以调节 PWM 波的宽度 达 到调速的目的 15 3 毕业设计工作计划及进度安排 毕业设计工作计划及进度安排 第 1 周 第 2 周 第 3 周 第 4 周 第 5 周 第 6 周 第 7 周 第 8 周 5 第 9 周 第 10 周 第 11 周 第 12 周 第 13 周 第 14 周 第 15 周 第 16 周 第 17 周 4 参考文献参考文献 1 张琛 直流无刷电动机原理及应用 M 北京 机械工业出版社 2008 2 胡文静 永磁无刷直流电动机的发展与展望 J 微电机 2002 35 4 37 38 3 华建军 基于 FPGA 永磁同步电机控制器的研究 D 硕士论文 江苏 江南大学 2008 4 Ying Yu Tzhou Hau Jean Hsu FPGA Realization of Space Vector PWM Control IC for Three phase PWM Inverters J IEEE Transact ion on Power Electronics 1997 12 6 5 贡俊 陆国林 无刷直流电机在工业中的应用前景和发展 J 微特电机 2000 5 14 17 6 Wong C G Martin A J and Thomas P An architecture for asynchronous FPGAs IEEE International Conference on Proceedings 2003 Tokyo 2003 170 177 7 田耘 徐文波 张延伟 无线通信FPGA设计 M 北京 电子工业出版社 2008 8 林寿英 基于FPGA的直流电机控制器的研究与实现 J 福建农机 2009 4 31 34 9 徐光辉 程东旭 黄如 基于FPGA 的嵌入式开发与应用 电子工业出版社 10 Luca Mostardini Luca Bacciarelli Lorenzo Bertini FPGA based Low cost System for Automatic Tests on Digital Circuits C IEEE International Conference on Electronic Circuit sand Systems 2007 14 911 914 11 蒋昊 李哲英 基于多种EDA工具的FPGA设计流程 J 微计算机信息 2007 23 32 201 203 12 薛鹏飞 张卫东 基于Fusion FPGA 无刷直流电机的控制器设计 J 研究与设计 2011 27 8 1 4 13 吴磊 基于双DSP和FPGA的无刷直流电机伺服控制系统的设计 D 硕士论文 电子科 技大学 2010 14 Chakravarthy N Jizhong Xiao FPGA based Control System for Miniature Robots C Intelligen