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1.绪论
课题来源
电机是一种能量转换的装置,在国民经济中起着重要作用,无论是在工农生产、交通运输、国防宇航、医疗卫生、商务与办公设备,还是日常生活中的家用电器,都大量的使用着各种各样的电机,如汽车、电视机、电风扇、空调等等也离不开电机。
同时,在越来越多的应用场合,只能旋转的电机己无法满足要求,而是要求能够实现快速加速、减速或反转以及准确停止等功能。
必须寻找新的电机控制器来适应时代的发展。
电机的控制器经历了从模拟控制器到数字控制器的发展。
由于模拟器件的参数受外界影响大,而且精度也较差。
数字控制器与模拟控制器相比较,具有可靠性高、参数调整方便、控制精度高、对环境因素不敏感等优点。
随着工业电气化、自动控制和家电产品等领域对电机控制产品的需求,人们对电机控制技术的要求有所提高。
由于传统的8位单片机其内部体系结构和计算功能等条件限制,在实现各种先进的电机控制理论和高效的控制算法时遇到了困难。
因此,目前最为普遍的做法是使用高性能的数字信号处理器(DSP)来解决电机控制器不断增加的计算量和速度的需求。
将一系列外围设备如模数转换器、脉宽调制发生器、和数字信号处理器集成在一起组成复杂的电机控制系统。
随着EDA技术的发展,用基于现场可编程门阵列FPGA的数字电子系统对电机进行控制,为实现电动机数字控制提供了一种新的有效方法。
现场可编程门阵列(FPGA)器件集成度高、体积小、速度快,以硬件电路实现算法程序,将原来的电路板级产品集成为芯片级产品,从而降低了功耗,提高了可靠性。
电动机调速系统采用FPGA实现数字化控制,是电气传动发展的主要趋势。
采用FPGA控制后,整个调速系统能够实现快速加速、减速或正/反转以及准确停止、在线调速等功能,操作维护方便,电动机稳态运转时转速精度可达到较高水平,静动态各项指标均能较好地满足工业生产中高性能电气传动的要求。
由于FPGA的外部连线少,电路简单,便于控制,具有较佳的性能价格比,所以在工业过程及设备控制中得到日益广泛的应用。
课题背景
自从1985年Xilinx公司推出第一片现场可编程逻辑器件(FPGA)到现在,FPGA已经经历了二十几年的发展历程。
在这几十年的发展过程中,以FPGA为代表的数字系统现场集成技术取得了惊人的发展。
现场可编程逻辑器件从刚开始的1200个逻辑门,发展到90年代的25万个逻辑门,甚至到现今国际上FPGA的著名厂商Altera公司、Xilinx公司又陆续推出了数百万门的单片FPGA芯片,将现场可编程器件的集成度提高到一个新的水平。
FPGA的优点可以归纳为如下几点:
效能,上市时间,成本,可靠性和长期维护五个方面。
效能--透过硬件的平行机制,FPGA可突破依序执行(Sequentialexecution)的固定逊算,并于每时脉循环完成更多作业,超越了数位讯号处理器(DSP)的计算功能。
BDTI作为著名的分析公司,并于某些应用中使用DSP解決方案,以计算FPGA的处理效能。
在硬件层级控制I/O可缩短回应时间并特定化某些功能,以更符合应用需求。
上市时间--针对上市时间而言,FPGA技术具有弹性与快速原型制作的功能。
使用者不需进行ASIC设计的冗长建构过程,就可以在硬件中测试或验证某个观念。
并仅需数个小时就可以建置其他变更作业,或替换FPGA设计。
现成的(COTS)硬件也可搭配使用不同种类的I/O,并连接至使用者设定的FPGA芯片。
高级软件工具正不断提升其适用性,缩短了抽象层(Layerofabstraction)的学习时间,并针对进階控制与信号处理使用IPcores(预先建立的函式)。
成本--ASIC设计的非重置研发(NRE)费用,远远超过FPGA架构硬件解決方案的费用。
ASIC设计的初始投资,可简单认列于OEM每年所出货的数千组晶片,但是许多末端使用者更需要定制硬件功能,以便用于开发过程中的数百组系统。
而可程式化晶片的特性,就代表了低成本的架构作业,或组装作业的长前置时间。
由于系统需求随时在变化,因此若与ASIC的庞大修改费用相比,FPGA设计的成本实在微不足道。
可靠性--正如软件工具提供程序化设计的环境,FPGA电路也为程序化执行的建置方式。
处理器架构的系统往往具有多個抽象层,得以协助多重处理程序之间的作业排程与资源分享。
驱动层(Driverlayer)控制硬件資源,而作为作业系统则管理记忆体和处理器频宽。
针对任何现有的处理器核心来说,每次仅可执行1组指令码;
而处理器架构的系统则可以连续处理重要作业。
FPGA不需要使用作业系统,并将产生问题的几率降到最低,采用平行执行功能与专属精密硬件执行作业。
长期维护--FPGA晶片为即时升级(Field-upgradable)特性,不需要像ASIC一般重新设计的时间与费用。
举例来说,数位通讯协定的规格可随时间而改变,而ASIC架构的介面却可能产生维护与向下相容的问题。
FPGA具有可重设性质,可随时因应未来的需要而进行修改。
当产品或系统趋于成熟时,不需耗时重新设计或修改机板配置,即可提升相关功能。
研究的目的及其内容
直流电动机因为具有良好的启动性能和宽广平滑的调速特性,从而被广泛应用于电力机车、无轨电车、轧钢机、机床和启动设备等这些需要经常启动并调速的电气传动装置中,直流发电机主要用作直流电源。
此外,小容量直流电机大多在自动控制系统中以伺服电动机、测速发电机等形式作为测量、执行原件使用。
当基于FPGA的嵌入式系统时,在设计周期之初就不必为每个模块做出用硬件还是软件的选择。
如果在设计中间阶段需要一些额外的性能,则可以利用FPGA中现有的硬件资源来加速软件代码中的瓶颈部分。
由于FPGA中的逻辑单元是可编程的,可针对特定的应用而定制硬件。
所以,仅使用所需要的硬件即可,而不必做出任何板级变动(前提是FPGA中的逻辑单元足够用)。
设计者不必转换到另外一个新的处理器或者编写汇编代码,就可做到这一点。
使用带有可配置处理器的FPGA可获得设计灵活性。
设计者可以选择如何实现软件代码中的每个模块,如用定制指令,或硬件外围电路。
此外,还可以通过添加定制的硬件而获取比现成微处理器更好的性能。
另一点要知道的是,FPGA有充裕的资源,可配置处理器系统可以充分利用这一资源。
算法可以用软件,也可用硬件实现。
出于简便和成本考虑,一般利用软件来实现大部分操作,除非需要更高的速度以满足性能指标。
软件可以优化,但有时还是是不够的。
如果需要更高的速度,利用硬件来加速算法是一个不错的选择。
FPGA使软件模块和硬件模块的相互交换更加简便,不必改变处理器或进行板级变动。
设计者可以在速度、硬件逻辑、存储器、代码大小和成本之间做出折衷。
利用FPGA可以设计定制的嵌入式系统,以增加新的功能特性及优化性能。
目前,虽然由晶闸管整流元件组成的固态直流电源设备已基本上取代了直流发电机,但直流电动机仍因为其良好调速性能的优势在许多传动性能要求高的场合占据一定的地位,而FPGA又具有很强的性能及其优势,基于FPGA的直流电机的控制还是有应用价值。
本设计将电机控制所使用的一些基本功能尽可能地集成在一片FPGA上,本设计论述了利用FPGA对直流电机进行控制时所起的各部分功能—PWM波的产生、在线调速、正反向控制逻辑,并利用硬件描述语言对PWM波在FPGA中进行组合逻辑变换,并进行仿真。
课题国内外研究现状
在国外,PWM源于上世纪九十年代,其思想源于通信技术,但随着现代电子技术的发展使得PWM理论越来越成熟,其发展的速度越来越快速。
已经取代传统的可控硅电机调速系统。
由原先的“电机控制”“电气传动”已发展到“运动控制”的新阶段。
IGBT、电力MOSFET等为代表的全控型器件的不断完善给PWM控制技术提供了强大的物质基础。
在国内PWM有理论基础逐渐成熟,但在应用上,国内外差距也很大。
PWM调速系统的应用是近年来才开始的,原因是我国的电子工业的基础比较差。
PWM调速系统中所需的关键部件IGOT管靠进口。
近年来,我国已开发出具有自主知识产权的IGOT大电流晶体管,从而为该技术推行奠定了物质基础。
PWM电机调速方案是未来电机拖动系统的首选方案,是实现电机拖动数字控制的基础。
研究内容及其安排
研究内容
本文根据以上这些特点,对直流电机的控制研究采用了一种基于FPGA平台,采用硬件描述语言加上EDA软件进行设计。
具体的研究内容为:
1.查找相关文献,研究直流电机的基本特点及其工作原理,并且对直流电机的PWM控制进行研究分析。
2.对要进行的研究进行分析,采用模块化设计。
3.研究系统的重点找到一种切实可行的方案,以满足系统的要求。
本章小结
在本章中,首先阐述了直流电机的简单介绍,对整个系统研究有了一定的了解。
2.FPGA芯片简介与使用
2.1FPGA部分介绍
2.1.1FPGA介绍与基本特点
FPGA是英文Field-ProgrammableGateArray的缩写,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。
1、FPGA工作原理
FPGA采用了逻辑单元阵列LCA(LogicCellArray)这样一个新概念,内部包括可配置逻辑模块CLB(ConfigurableLogicBlock)、输出输入模块IOB(InputOutputBlock)和内部连线(Interconnect)三个部分
FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的,因此,工作时需要对片内的RAM进行编程。
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进入工作状态。
掉电后,FPGA恢复成白片,内部逻辑关系消失,因此,FPGA能够反复使用。
FPGA的编程无须专用的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。
2、FPGA配置模式
FPGA有多种配置模式:
并行主模式为一片FPGA加一片EPROM的方式;
主从模式可以支持一片PROM编程多片FPGA;
串行模式可以采用串行PROM编程FPGA;
外设模式可以将FPGA作为微处理器的外设,由微处理器对其编程。
2.1.2FPGA及其辅助模块
FPGA及其辅助模块主要是FPGA最小系统,包括FPGA器件EP1C6Q240C8器件,5V开关稳压芯片LM2596-5,为FPGA内核供电的LDO(低压差线性稳压器)芯片LMS1585-1.5,
FPGA的I/O(输入/输出)端口供电芯片LM2596-3.3,50MHZ外部有源晶振,JTAG下载接口等。
2.2电机的基本知识
2.2.1直流电机的特点
直流电动机与交流电动机相比较,具有良好的调速性能和启动性能。
直流电动机具有宽广的调速范围,平滑的无级调速特性,可实现频繁的无级快速启动、制动和反转。
过载能力大,能承受频繁的冲击负载;
能满足自动化生产系统中各种特殊运行的要求。
而直流发电机则能提供无脉动的大功率的直流电源,且输出的电压可以精确地调节和控制。
但直流电机也有它显著的缺点:
一是制造工艺复杂,消耗有色金属较多,生产成本高;
二是运行的时候由于电刷与换向器之间容易产生火花,所以可靠性比较差,维护比较困难。
所以在一些对调速性能要求不高的领域中己被交流变频调速系统所取代。
但是在某些要求调速范围大、快速性高、精密度好、控制性能优异的场合,直流电动机的应用目前仍然占有较大的比重。
2.2.2直流电机的基本结构
直流电动机和直流发电机的结构基本一样。
直流电机是由静止的定子和转动的转子两大部分组成,在定子和转子之间存在一个间隙,称做气隙。
它主要包括电枢铁心、电枢绕组以及换向器、转轴、风扇等。
直流电机的结构图如图2.1所示。
1、静止部分(称为定子),定子的作用是产生磁场和支撑电机,它主要包括主磁极、换向磁极、机座、电刷装置、端盖等。
2、旋转部分(称为转子)转子的作用是产生感应电动势和电磁转矩,实现机电能量的转换,通常也称做电枢。
3、定子和转子之间间隙(称为空气隙),气隙既保证了电机的安全运行,又是磁路的重要组成部分。
图2.1直流电机的结构
图中1-前端盖2-风扇3-定子4-转子5-电刷及刷架6-后端盖
1.主磁极
主磁极的作用是产生主磁通,它是由铁心和励磁绕组组成。
铁心一般用lmm~l.5mm的低碳钢片叠压而成,小电机也有用整块铸钢磁极的。
主磁极上的励磁绕组是用绝缘铜线绕制而成的集中绕组,与铁心绝缘,各主磁极上的线圈一般都是串联起来的。
主磁极都是成对的,并按N极和S极交替排列。
2.换向磁极
换向磁极的作用是产生附加磁场,从而改善电机的换向性能。
通常铁心由整块钢做成,换向磁极的绕组应与电枢绕组串联。
换向磁极装在两个主磁极之间。
其极性在作为发电机运行时,应该与电枢导体将要进入的主磁极极性相同;
在作为电动机运行时,则应该与电枢导体刚离开的主磁极极性相同。
3.机座
机座一方面用来固定主磁极、换向磁极和端盖等,另一方面作为电机磁路的一部分称为磁轭。
机座一般用铸钢或钢板焊接制而成。
4.电刷装置
在直流电机中,为了使电枢绕组和外电路连接起来,必须装上固定的电刷装置,它是由电刷、刷握和刷杆座组成的。
电刷是用石墨等做成的导电块,放在刷握内,用弹簧压指将它压触在换向器上。
刷握用螺钉夹紧在刷杆上,用铜绞线将电刷和刷杆连接,刷杆装在刷座上,彼此绝缘,而刷杆座则装在端盖上。
5.电枢铁心
电枢铁心的作用是通过磁通以及安放电枢绕组。
当电枢在磁场中旋转时,铁心将产生涡流和磁滞损耗。
为了减少损耗,提高效率,电枢铁心一般用硅钢片冲叠而成。
电枢铁心有轴向冷却通风孔。
铁心外圆周上均匀分布着槽,用以嵌放电枢绕组。
6.电枢绕组
电枢绕组的作用是产生感应电动势和通过电流产生电磁转矩,实现机电能量的转换。
绕组通常用漆包线绕制而成,嵌入电枢铁心槽内,并按一定的规则连接起来。
为了防止电枢旋转时产生的离心力使绕组飞出去,绕组嵌入槽内后,用槽楔压紧;
线圈伸出槽外的端接部分用无纬玻璃丝带扎紧。
2.3直流电机的工作原理
图2.2直流电机的结构
直流电机的工作原理建立在电磁力和电磁感应的基础上,从图2.2可以看出主磁极N、S间装着一个可以转动的铁磁圆柱体,圆柱体的表面上固定着一个线圈abcd。
abcd是装在可以转动的铁磁圆柱上的一个线圈,把线圈的两端分别接到两个圆弧形的铜片上(简称换向片),两者相互绝缘,铁芯和线圈合称电枢。
当线圈中通入直流电流时,线圈边上受到电磁力F=Bli,根据左手定则确定力的方向,这一对电磁力形成了作用于电枢的一个电磁转矩,转矩的方向是逆时针方向。
若电枢转动,线圈两边的位置互换,而线圈中通过的还是直流电流,则所产生的电磁转矩的方向则变为顺时针方向,因此电枢受到一种方向交变的电磁转矩。
这种交变的电磁转矩只能使电枢来回摇摆,而不能使电枢连续转动。
显然,要使电枢受到一个方向不变的电磁转矩,关键在于,当线圈边在不同极性的磁极下,如何将流过线圈中的电流方向及时地加以变换,即进行所谓“换向”。
为此必须增添一个叫做换向器的装置,换向器由互相绝缘的铜质换向片构成,装在轴上,也和电枢绝缘,且和电枢一起旋转。
换向器又与两个固定不动的由石墨制成的电刷A、B相接触。
装了这种换向器以后,若将直流电压加于电刷端,直流电流经电刷流过电枢上的线圈,则产生电磁转矩,电枢在电磁转矩的作用下就旋转起来。
电枢一经转动,由于换向器配合电刷对电流的换向作用,直流电流交替地由线圈边ab和cd流入,使线圈边只要处于N极下,其中通过电流的方向总是由电刷A流入的方向,而在S极下时,总是从电刷B流出的方向。
这就保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向。
这样的结构,就可使电动机能连续地旋转。
这就是直流电机的基本工作原理。
2.4直流电机调速原理
2.4.1直流电机电压调速原理
图2.3为按电机惯例标定的直流电机稳定运行量各物理量的正方向。
由图可见电机的电枢电动势Ea的正方向与电枢电流Ia的方向相反,为反电动势;
电磁转矩T的正方向与转速n的方向相同,是拖动转矩;
轴上的机械负载转矩T2及空载转矩T0均与n相反,是制动转矩。
图2.3直流电机惯例
根据基尔霍夫第二定律,对图2.3的电枢回路列回路电压方程可得直流电动的电动势平衡方程式:
U=Ea-Ia(Ra+Rc)(2.1)
式2.1中,Ra为电枢回路电阻,电枢回路串联保绕阻与电刷接触电阻的总和;
Rc是外接在电枢回路中的调节电阻。
由此可得到直流电机的转速公式为:
n=Ua-IR/CeΦ(2.2)
式中,Ce为电动势常数,Φ是磁通量。
由1.1式和1.2式得
n=Ea/Ce(2.3)
从由式子2.3中可以看出,对于一个已经制造好的电机,当励磁电压和负载转矩恒定时,它的转速由电枢电压Ea决定,电枢电压越高,电机转速就越快,电枢电压降低到0V时,电机就停止转动;
改变电枢电压的极性,电机就反转。
总之电机的调速可以通过控制电枢电压实现。
2.4.2PWM基础理论及直流电机PWM调速原理
所谓脉冲宽度调制是指用改变电机电枢电压接通与断开的时间的的占空比来控制电机转速的方法,称为脉冲宽度调制(PWM)。
脉冲宽度调制(PWM)是英文“PulseWidthModulation”的缩写,简称脉宽调制。
它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,广泛应用于测量,通信,功率控制与变换等许多领域。
脉冲宽度调制(PWM)是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。
通过高分辨率计数器的使用,方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。
PWM信号仍然是数字的,因为在给定的任何时刻,满幅值的直流供电要么完全有(ON),要么完全无(OFF)。
电压或电流源是以一种通(ON)或断(OFF)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。
通的时候即是直流供电被加到负载上的时候,断的时候即是供电被断开的时候。
只要带宽足够,任何模拟值都可以使
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