基于FPGA的电涡流缓速器控制系统

1、基于FPGA的电涡流缓速器控制系统论文导读：这些继电器控制器完全不能够比较及不可能实现的功能，纵观整个行业开展及从汽车工业长远开展的目光来看，基于FPGA的电涡流缓速器控制系统肯定要取代继电器的控制方式以及目前的模拟电子无触电控制系统，成为电涡流缓速器的控制系统的主流。关键词：电涡流缓速器控制，FPGA芯片模糊控制系统，FPGA芯片在电涡流缓速器中的应用0.引言随着汽车工业技术的开展，汽车发动机功率逐年增加，车速大幅度提高，意味着在同样的制动条件、同样的时间内，制动器要产生更多的热量，过量的热量会使制动器发生热衰退，以致制动效能降低甚至失效。然而现在的车辆制动器虽经多方面改良，如鼓式制动改为盘

2、式制动、加宽制动鼓和摩擦片的尺寸，改变摩擦片材料配方等，都未能从根本上解决问题。因为受空间尺寸的限制，现有车轮制动器的散热能力始终是有限的。免费论文。近年来，国内商用汽车重型化、高档化趋势明显，越来越多的尖端科技将应用于现代公路交通，而缓速器作为一种辅助制动装置的先进技术应用于道路运输汽车，并且可与的ABS兼容，其诸多优点使其成为长途客车、公交客车和重型卡车上的根本配置。电涡流缓速器的工作原理基于电磁感应理论作为一种辅助制动装置，其减少了主制动装置的机械摩擦，既提高了寿命，又提高了车辆行驶的平安性、经济性和舒适性，越来越受到汽车制造厂家的青睐。但是，由于汽车领域对实时性要求较高，且模糊控制算法

3、涉及到频繁的多字节数据的乘除运算，而FPGA在实现算法方面具有巨大的优势，因此本文将基于FPGA进行设计。另外，本文结合基于FPGA的32位精简指令软核Nios编程，能很好地解决实时性与控制灵活性之间的矛盾。1. 汽车辅助制动装置的分类常用于车辆的辅助制动装置主要有以下5种形式。1.1 发动机缓速器对行驶中的汽车的发动机停止供应燃料，并将变速器挂入某一前进挡，使汽车得以通过驱动轮和传动系带动发动机曲轴继续旋转。这样，本来是汽车动力源的发动机就变成消耗汽车动能从而对汽车起缓速作用的空气压缩机。在这种情况下，汽车对发动机输人的动能大局部耗损在机内的进气、压缩、排气过程中，小局部消耗于对水泵、油泵、

4、空压机、发电机等附件的驱动上。1.2发动机排气辅助制动装置汽车在挂挡前进时，对发动机停止供油，汽车前进的惯性力通过驱动轮和传动系反带发动机曲轴继续旋转。这样，发动机就像空气压缩机那样，对汽车起到了缓速的作用。为了加强发动机这种缓速作用，可设法增加进气、排气、压缩等方面的阻力，如阻塞进气或排气通道或改变进、排气门启闭时刻等。其中，比较常用的方法是在发动机排气管处设置排气阀。在需要缓速时，关闭排气阀，阻塞排气通道。该方法又称为排气缓速。1.3电涡流缓速器电涡流缓速器是由转动的圆盘和固定的磁极、线圈组成。线圈在通电后产生磁场，由于圆盘在磁场中转动，因此有电涡流流过，电涡流和磁场间因相互作用而产生方向

5、相反的制动力。免费论文。其中随电涡流而产生的热量由装设在圆盘上的散热风道散发到大气中。电涡流缓速器的开展趋势是:轻量化、集成化、电子控制、自带发电机。1.4永磁铁电涡流缓速器永磁铁电涡流式缓速器与使用电磁线圈的电涡流缓速器工作原理相同，使用永久磁铁替换了励磁模块，较电涡流缓速器有以下优点:但是永磁式力矩不可调节，安装控制较为麻烦。1.5液力缓速器液力缓速器的主要零件是固定叶轮和旋转叶轮，一般安装在变速器处。当汽车需要缓速时，汽车通过驱动桥和变速器等反带液力缓速器的旋转叶轮转动，固定叶轮通过流动的液体对旋转叶轮产生阻力矩，使汽车缓速。2.电涡流缓速器结构及工作原理电涡流缓速器上午缓速器定子上有8

6、个由高导磁材料的磁极作为磁扼，呈圆周分布形式均匀安装在优质铝板上，8个励磁线圈套于磁极上，圆周上相对的2个磁极的励磁线圈为串联连接而形成的一对磁极，相邻磁极均为北、南相间，这样就形成了相对相互独立的4对磁极。转子由内转子与外转子组成，内外转子均为圆环状，用导磁性能良好的铁磁材料制成，转子通过法兰盘装置在传动轴凸缘上，可随传动轴自由转动，内外转子盘和定子磁扼间保持有极小的、均匀的间隙。车辆缓速或制动时，定子励磁线圈通入直流电流而励磁，产生的磁力线穿过转子圆盘。根据电磁感应理论，当穿过闭合导线回路所包围的面积的磁通发生变化时，在导线回路中将产生感应电流。缓速器的转子从外表上看不是一个闭合导线，但从

7、微观角度，可以把它看成是一个由数个闭合导线构成的集合体，这样，当转子转动时，其内部无数闭合导线所包围的面积内的磁通量就发生变化，从而在转子内部产无数段感应电流，这种电流称为涡电流。涡电流的作用有两个方面:一是这些涡流在具有一定的电阻的转子内部流动时会产生热效应而散失，也就是车辆的动能就通过感应电流转化为热能，并通过转子风叶产生的强劲风力将热量快速散发出去;二是涡流会产生的磁场，根据它自己所产生合导线回路中所产生的感应电流总是向引起电磁感应的变化，也就是说转子内部涡流所产生的新的磁场与定子线圈产生方向相反的、对抗转子的转动，这样就产生了制动力矩。电涡流缓速器的传统控制方式采用继电器控制。传统的手

8、控开关一般分4个档次。开关处于0挡位时，线圈全部断电;处于第1挡位时，继电器盒内1号继电器吸合，那么第一组励磁线圈通电，这时缓速器产生的制动力矩约为最大力矩的25%;处于第2挡位时，继电器盒内1号与2号继电器吸合，那么第一组和第二组励磁线圈同时通电，这时电涡流缓速器产生制动力矩约为最大力矩的50%;第3、第4档位依此类推。电涡流缓速器还有一个脚控开关，当驾驶员踩下制动踏板时，电涡流缓速器自动起作用，并根据制动踏板的行程，脚控开关上4个压力传感器依次接通，其作用与手控开关一样。继电器盒内有4个大电流继电器，分别为每组励磁线圈提供励磁电流。3.我国电涡流缓速器现状电涡流缓速器做为汽车的二级刹车系统

9、，相关技术源自于欧美等兴旺国家。在90年代末期我国等一些民营企业逐渐引进相关技术，历经开展近20年但是目前中国所有企业生产的缓速器系统，其整车配套的两年故障率都高达20%以上，造成此问题的核心是中国企业几乎没有够档次的开发机构和够用的开发资金。所有企业都期望跳过开发阶段直接进入成品生产阶段。然而这却是不可能的。现在大多数企业的做法是以仿制开始，以尽可能少的投入、尽可能快的时间进入投产阶段。但是这样做无可防止的带来很多的麻烦。产品的不完善必然在今后暴露出问题来。所以就有了今天这样的局面。现在是个市场决定产品的时代，而缓速器系统的和性部件跟灵魂就是缓速器控制器目前市场上缓速器控制器根本是两种控制方

10、式：继电器控制和电子开关式控制。两种控制方式应该说目前各有利弊。继电器式控制机构简单、本钱低、维修方便。但是控制方式单一，功率分配不够合理。电子开关式控制器功能强、控制方式合理，但是缺点是可靠性及环境应力较差。而基于FPGA的电涡流缓速器的控制系统那么并未进行批量化应用，FPGA的智能型控制器，可以有非常强的自诊断功能，可以有效的防止负载、电源变化带来的危害。另外这种缓速控制器一般都有恒速功能，以及其他尚待开发的升级功能等。这些继电器控制器完全不能够比较及不可能实现的功能，纵观整个行业开展及从汽车工业长远开展的目光来看，基于FPGA的电涡流缓速器控制系统肯定要取代继电器的控制方式以及目前的模拟

11、电子无触电控制系统，成为电涡流缓速器的控制系统的主流。4.节能型电涡流缓速器目前大局部电涡流缓速器利用蓄电池或自带发电机来产生励磁电流，这两种方法在缓速时都不能最优化地将车辆所具有的动能转化为刹车能量。本系统根据电涡流缓速器制动力矩的大小对自发电机和蓄电池进行调度，电涡流缓速器制动力矩公式如下：这里，lg为气隙间距; d为铁心直径;R1为励磁线圈中心点的半径;Np为磁极对数; N为励磁线圈绕组匝数;I为励磁线圈绕组电流;r为转子盘电阻率;mr为转子盘相对磁导率;w为转子角速度。当车速较大时，自发电机在一定电压下的输出电流大于I，将一局部电能用于制动，剩下的电能储存到蓄电池;当车速较慢时，自发电

12、机在一定电压下的输出电流小于I，那么从蓄电池输出电流到绕组线圈产生励磁电流，从而最大限度地利用能源5.基于FPGA的电涡流缓速器控制系统为了提升系统可靠性和灵活性，本控制器根据功能需求进行模块化设计，主要包括ADC0809控制、NIOS处理器、模糊控制器、电源控制、PWM、LCD显示等模块，系统结构如图 1所示图 1 电涡流缓速器控制系统结构系统首先由ADC0809控制模块控制ADC进行各种信号，如温度、电压等信号的采集，然后通过Avalon总线把数据传输到模糊控制器、电源控制等模块电源控制模块根据车速会对蓄电池和自发电机进行能量调度，实现最大限度的节能;模糊控制器模块根据恒速、恒流等控制策略

13、，计算出用于控制PWM占空比的参数，实现励磁电流的调节。5.1 ADC0809控制模块信号采集是系统实现闭环控制的重要环节，它的好坏关系到整个系统的性能。采用FPGA控制ADC的方式能有效降低外界干扰对采样造成的影响，提高可靠性。另外，利用FPGA状态机产生的时序控制ADC时，控制周期短、速度快，能提高整个系统的实时性。免费论文。使用状态机控制ADC0809芯片采样，包括时序控制和数据的读取首先，状态机输出两路信号先后控制引脚ale和start，一旦start有效，状态信号EOC即变为低电平，表示进入转换状态，状态机通过不断检测ADC0809引脚EOC的电平来判断转换是否结束假设EOC为高电平

14、表示转换结束，状态机输出信号使引脚OE由低电平变为高电平，最后读取转换好的数据，主要Verilog代码如下。always ( EOC state )begin case ( state )st0 :begin ale st1 :begin ale st2 :begin ale st3 :begin ale statest4 :begin ale statest5 :begin ale st6 :begin ale default : begin ale endcase end5.2模糊控制器模块电涡流缓速器是一个非线性系统、强耦合、模型较复杂的对象由于常规PID控制不具备在线调整参数的功能，所

15、以不适于励磁电流与车速呈非线性关系的系统控制而模糊理论具有很强的非线性建模能力，能完成复杂系统的非线性映射功能，将模糊推理机制引入到测控系统中，实现对电涡流缓速器的最正确控制，以满足实际的行车情况，控制器原理图如图2所示图2 模糊控制器原理图从原理图可以看出，本模糊控制器采用了二维模糊调节的方式，以改善系统的动态性能，即模糊控制器的输入为给定值与测量值偏差e和偏差变化率芿=ek-ek-1所对应的两个模糊控制集，经量化因子量化后，得到对应的量化等级，其量化等级分别表示为-7、-6、-5、-4、 -3、-2、-1、0、1、2、3、4、5、6、7。控制决策表是经离线模糊控制推理运算，并结合系统的实际

16、运行进行调整、修改得到的，但它仅反映常规模糊控制的控制规那么，不能保证系统的动、静态特性在大范围内最优因此，为改善模糊控制器的性能，根据系统的误差和误差变化等信息，对控制器实行在线调整，实际输出的控制量为决策表值与比例因子的乘积比例因子的选取规那么如下：当e和芿较大时，系统主要是减少误差，加快动态过程，应取较大值;当e和芿较小时，系统接近稳定值，应取较小值。最后，按此原那么并结合实际经验得到比例因子表。根据上面的分析，利用Verilog HDL语言设计出aul运算模块和rom存储模块，另外由Quartus II软件的LPM设计乘法器lpm_mult0模块，如图3所示。aul模块首先根据输入值i

17、n_a和in_b进行求差、除法等运算得到e和芿的值，并乘上各自的量化因子得到量化等级E和艵，然后根据E和艵与控制策略表和比例因子表的对应关系得到查表地址;rom模块存储了控制策略表U和比例因子表GU，根据aul模块传递过来的地址查找U和GU表，然后将结果输出到乘法器模块，并计算出PWM的调节增量，从而改变PWM的占空比，实现对励磁电流的调节。图3 模糊控制器顶层模块电路原理图5.3基于Nios的主控程序Nios处理器是整个系统的中枢，是各控制模块通讯的桥梁Nios处理器通过Avalon总线将采集进来的各种参数，如车速、ABS、电压等，按需要传递到各控制模块，控制模块再把相关的运算结果返回给主控

18、程序，以实现相关的控制策略，如图4所示。图4 主控程序流程图6.结论本课题选用CycloneII系列中的EP2C5Q208C8芯片，它具有4608个逻辑单元，内部RAM达119808位，内部乘法器可达26单元，最大用户I/O达 143个，这些丰富的资源能够满足电涡流缓速器控制器各模块的设计需求，逻辑单元的使用率为65%，RAM使用率为45%本设计方法提高了系统的集成度和可靠性并且降低了功耗，FPGA的可重构性大大方便了系统将来的升级，而不需要改变原来的电路布线【参考文献】【1】李宁,刘启新,张丽华. 交流伺服电动机转子初始位置的精确测定电力电子技术, 2003,(02) .【2】TELMA电涡流缓速器城市车辆, 2002,(02).【3】卢国钊. 电涡流缓速