毕业设计（论文）基于FPGA的无刷直流电机的控制进行研究和设计.doc

摘要汽车工业是人类现代文明的重要标志之一，进入21世纪后随着人类环境保护意识的加强以及能源危机的日益突显，使得人们不得不重新审视和定位汽车产业的现状和将来。电动汽车具有节能，零排放，低噪声等优点，是真正绿色环保的交通工具。无刷直流电机是一种通用性很强的高性能应用电机，以其控制简单、可靠性高等优越的性能成为电动汽车驱动系统的首选。本文以四驱电动车电机驱动控制系统作为研究对象，采用FPGA作为控制核心进行了相关的分析研究。本文首先对国内外电动汽车的现状及发展趋势以及电动车驱动系统控制方法进行了相关调研，了解无刷直流轮毅电机的控制方法及控制器的发展。其次，本文对电动车驱动系统控制技术进行了分析，并根据电动车驱动控制系统的特性及提高系统集成度的要求，采用FPGA为控制核心。FPGA作为数字器件，通常用于控制数字化电机;通过对本控制系统进行一定程度的数字化改造，可用于控制直流电机，并且可以提高系统的调速精度和控制功能。FPGA采用独特的并行运算电路，在一个控制核心中可以加入多个控制对象进行独立驱动，控制性能不受到影响，各控制对象间不会产生干扰，避免了多对象实时控制中繁琐的时序设计问题，一定程度上提高系统的集成度和抗干扰能力。再次，以Altera FPGA为核心控制器设计电动车电机驱动控制系统。控制系统主要分为控制部分和驱动部分。控制部分主要由FPGA及AD转换器组成，包括数据采集和PWM波形的产生以及电机电枢电流的采样。驱动电路由MOSFET功率转换电路及光电隔离电路组成。电机的位置信号由霍尔元件采集。选择PID控制算法，对数字PID控制器进行设计并在FPGA控制器上实现;对电动车轮毅电机进行独立控制，使各电机的控制达到驱动电动车正常行驶的目的。方案设计与实施过程中，在QUartosll环境下对各环节及系统总体进行了仿真和验证。最后，通过对控制器的调试和实验，验证了以FPGA为控制核心的四驱电动车电机驱动控制系统的可靠性，实现了轮毅电机的平稳启动，良好的速度调节性能，达到电动车正常行驶的性能指标。关键词:电动汽车，无刷直流电机，FPGA，PID控制AbstractThe car industry is one of the most important symbol of modern industrial civilization，entering the 21st century，with the strengthening awareness of environmental protection and the expanding energy crisis，people have no choice but to reconsider the current status and future of the automobile industry. Electric cars have advantages including energy-saving，zero-exhausting and low noise etc，it is the real green traffic tools. BLDCM is the best choice in the driving system of electric cars. This thesis takes the electric control 4wd driving system as the main research object，Using the FPGA as core controller to do the interrelated analysis and research.Firstly this thesis carry on research in the present situation and development trend of electric cars and its driving system control methods at home and abroad. Find out The control method of BLDCM and development of its controller.Secondly，this thesis analyze the technology of driving system of the electric cars and use the FPGA as the core controller according to the characteristics of driving contro1 system and the request in improving the integration. As a digital device，FPGA usually use in controlling digital motor，with a certain degree of digital transformation of the system it could be used to control BLDCM. The FPGA adopt unique parallel computing circuit，could using to control multiple objects independently and its performance is not affected，avoiding the complex timing problems in design，improving the system integration and the anti-interference ability.Using Altera FPGA as core controller to design the driving control system in electric cars .The system includes controlling and driving parts. Controlling part is mainly composed of FPGA and A/D converting modules .Driving circuit includes power converting circuits and isolation circuit. Choose of PID control as the main algorithm for four wheels motor independent controlling，doing simulations under Quartus environment.Finally，through the commissioning and experiment to realize the reliability of whole system，and the good performance in speed adjustment.Key words: Electric cars，BLDCM，FPGA，PID control algorithm目录第l章绪论. 1.1选题背景及意义.11.2电动汽车发展与国内外现状.21.3无刷直流电机控制器的发展.31.4FPGA基本结构及技术.41.4.1FPGA的基本结构及特点.51.4.2FPGA在无刷直流电机控制中的应用.61.5课题主要研究内容.6第2章无刷直流电机的基本原理及控制系统分析.82.1无刷直流电机控制系统的基本构成.82.2无刷直流电机的控制原理.102.3无刷直流电机的数学模型.122.4PWM调制方式分析与研究.142.4.1PWM调制方式分类.巧2.4.2PWM调制方式对电枢电流影响.巧2.5PID控制策略研究.162.5.1PID控制原理.162.5.2PID控制参数整定.182.6本章小结.19第3章电动车电机驱动控制系统硬件组成及设计.203.1基于FPGA的电动车电机驱动控制系统硬件组成.203.2控制电路模块组成与设计.213.2.1FPGA主控制器及其配置模块.213.2.2电源模块.243.2.3AD转换模块.253.2.4串口通信模块.263.3驱动电路模块组成与设计.273.3.1功率开关器件及其驱动电路模块.273.3.2电平转换与隔离电路模块.283.3.3电流采样及霍尔信号检测模块.293.4本章小结.30武汉理工大学硕士学位论文第4章电动车电机驱动控制在FPGA中的实现.314.1FPGA的开发流程及开发工具.314.1.1FPGA基本开发流程.314.1.2系统开发工具Quartusn.犯4.1.3VHDL概述及特点.324.2无刷直流电机控制系统主要模块设计.344.2.1控制系统主要模块.344.2.2AD转换控制模块.··.344.2.3转子位置及电机转速检测模块，.374.2.4PWM产生及死区保护模块.404.2.5数字PID算法的实现.434.3基于FPGA的UA又1，设计.454.3.1uART通信方式.················454.3.2UART在FPGA中的实现.464.3.3FPGA多电机控制的讨论.504.4本章小结.52第5章系统调试与仿真.··.·················535.1Matlab系统仿真分析.，.·.···········535.2QUartusll环境各模块调试和仿真.545.2.1ADCOSOg控制模块，.545.2.2转子位置及电机转速检测模块.555.2.3PWM产生及死区模块.565.2.4数字PID控制算法.575.3本章小结.58第6章总结与展望.···················，···································596.1全文总结.596.2进一步工作展望.60参考文献.61作者在攻读硕士学位期间发表的学术论文.63致谢.，.64武汉理工大学硕士学位论文第1章绪论1.1 选题背景及意义汽车产业至今已走过了百年历史，以内燃机为动力源的汽车为人类的生活带来了极大的便利，为人类社会的进步做出了不可磨灭的贡献。然而在它不断推动社会发展的同时，也带来了日益突显的危害。汽车产业的高速发展使得全球汽车总量不断提高，内燃机汽车大量消耗有限的石油资源使得资源枯竭、能源短缺等问题日益严重;加之其在大量耗能的情况下带来越来越的环境污染问题，严重威胁到人类的健康和生存。在强调可持续发展的今天人们不得不重新审视汽车产业的发展方向，各国政府也不惜投入重金来寻求解决这些问题的途径。然而如果继续采用内燃机提供动力，以当前汽车产业的发展水平无论是研制石油的代燃料或是采用其他燃烧模式都不能从根本上解决能源的消耗和降低尾气排放等问题。寻求零排放或低排放、低噪声、提高能源率已经成为汽车产业发展的迫切需求和必然趋势。正是在这样的发展背景下，电动汽车技术的研究和发展成为了汽车产业一种新的理念和热点。电动汽车是指以车载电源为动力，用电机驱动车轮行驶，符合道路交通安全法规各项要求的车辆。电动汽车主要包括三大类，即纯电动汽车、混合动力电动汽车和燃料电池电动汽车。电动汽车较之传统内燃机汽车有着显著的优点:低噪声且无尾气排放，对环境更加友好，在很大程度上减低对人类生活环境的污染;采用电能替代石油，改善了能源结构并且可以有效提高能源利用率和经济效益。正是有着这样的优点电动汽车将成为21世纪最具竞争力和前景的交通工具。电动汽车系统一般由车体、电机驱动及控制系统、电池管理及控制系统组成，而电机驱动及控制系统是电动汽车的核心，决定着整车系统的运行性能和能量利用效率，也是区别于内燃机汽车的最大不同点。目前在电动汽车电机驱动控制方面还存在诸多难题，在极大程度上限制了电动汽车的发展。本课题以当前电动汽车的研究热点四轮驱动电动车作为研究对象，对其电机驱动控制器进行分析和研究，提出一种新的设计思路，并在设计过程中为驱动系统的发展提供相关的技术参考以及初步研究结论，对进一步开发和改良电动汽车电机驱动控制技术具有工程和学术意义。1.2电动汽车发展与国内外现状电动汽车最早出现在19末期，世界上第一辆电动汽车于1873年由英国工程师戴维森发明，是一辆由铁锌电池提供动力的三轮车;1881年法国工程师特鲁夫使用铅酸电池研制了第一辆可以反复充电的电动汽车3。从此之后的四十年电动汽车在汽车产业中占据了重要地位，这得益于19世纪末电池技术的成熟。进入20世纪后随着内燃机技术的不断发展，以内燃机为动力源的汽车逐渐占据主导，电动汽车进入了暂时的没落时期。20世纪末期爆发的能源危机和环境污染等问题给电动汽车引来了发展的转机，以美国、英国、德国及日本为代表，世界各国均开始电动汽车技术的研究工作。目前电动汽车主要分为三大类，即纯电动汽车，混合动力汽车和燃料电池电动汽车。纯电动汽车由蓄电池提供电能驱动轮毅电机，这一类电动汽车己经有着130多年的历史。它无有污染的排放成分，对环境友好，被视为绿色交通工具的首选。目前纯电动汽车技术较为成熟，但受限于电池容量密度和价格以及整车功能等问题，推广范围有所局限。混合动力电动汽车是指由两种以上能量源驱动，其中至少有一种提供电能的汽车，它的持续工作时间长，动力性强，无污染低噪声，典型代表为丰田公司的普锐斯混合动力轿车。燃料电池汽车是指通过将电池中的化学能直接装化为电能，而不经过燃烧的汽车。其电池的化学反应不产生有害物质，能效可达到80%。但这类电动汽车还存在较多技术难点，且成本较高，还需要较长的研发周期。三种电动汽车中，燃料电池汽车和纯电动汽车最具发展和应用前景，而混合动力轿车目前应用最为成熟，但长远来看它只是一种过渡时期的产品，随着电动汽车技术的发展，纯电动汽车和燃料电池汽车必将得到广泛的应用。在汽车产业发达国家中，日本在电动汽车的研发中态度最为积极，在混合动力汽车的开发中处于全球领先地位，政府制定了许多相关政策鼓励电动汽车的发展，目前丰田和本田两家公司已批量生产和销售混合动力汽车，丰田公司的PRIUS混合动力轿车已于2000年起进入欧洲、北美市场，全球混合动力汽车销量已达11万辆，美国在电动汽车产业与日本存在一定的差距，目前只进行小规模的纯电动汽车的生产，但政府投入上亿美元进行电动汽车的研发，显示对电动汽车技术的重视。欧洲各国中法国是最为积极推广电动汽车的国家之一，上世纪90年代末期该国电动汽车产量己达到2000辆，目前巴黎已有数百辆电动汽车在运行，雪铁龙汽车公司研发的电动汽车已经投入生产s。其他汽车产业并不太发达的国家也十分重视电动汽车的研发，目前电动汽车在全世界的保有量已达到5万辆左右。我国的电动汽车的研究起步于上世纪70年代，“八五”期间电动汽车被列入国家攻关项目;90年代我国进入了较快发展期，经过“八五”计划起的三个五年计划，我国在电动汽车领域取得了一系列的成果6。目前我国电动汽车整体水平已迈入国际先进行列，在一些技术领域还处于世界领先水平，如在燃料电池车载发动机的研发领域，我国是世界上少数掌握其核心技术的国家;混合动力客车已具有小规模生产能力，纯电动汽车也开始批量生产。中国是一个能源消耗大国，同时在传统汽车产业我国与发达国家存在较大差距，发展电动汽车势在必行。在已取得突破性进展的基础上，随着各项技术的逐渐成熟以及政府的更加重视，我国电动汽车必定拥有着更加光明的前景。电动汽车是真正意义上的绿色交通工具，可以预言21世纪是电动汽车代替内燃机汽车的时代，尽管当前面临许多技术方面的困难和问题，但从长远的角度来看，电动汽车必将引起一场汽车产业革命。1.3无刷直流电机控制器的发展无刷直流电机是同步电机的一种，是当代一种典型的机电一体化产品，采用电子换向装置代替机械换向装置。无刷直流电机作为一种通用的高性能应用电机，以其可靠性高、控制简单等优越的性能成为电动汽车驱动系统的首选闭。电机控制器是实现伺服调速系统基本功能的核心，保证电动机正常运行。电机控制器主要完成以下功能:产生PWM脉宽调制信号对电动机进行调速控制;为驱动电路提供控制信号;实现各种控制算法，使系统具有良好的动静态性能;实现欠压、过流保护功能等。可靠性和实时性是对控制系统的基本要求，随着电力电子技术的发展，无刷直流电机控制器主要有以下几种实现方法。(l)模拟电路。采用放大器等分离元件进行连接，其实时性好，但是控制系统规模有限，难以进行大运算量的复杂控制(2)专用集成电路。随着电子技术的发展，电机控制专用集成电路被广泛使用。这些集成电路多为模数混合电路，具有可靠性高，抗干扰能力强，价格低廉等优点，因此得到较快发展。但是这种专用集成电路一般有着固定的控制算法，无法根据被控对象的需要进行相应的修改。(3)以微控制器为核心。采用8位或16位单片机为核心构成控制器，结构简化，控制精度提高;适应性强，可实现较为复杂的控制算法。但MCU采用流水线结构，处理速度受到较大限制，而且外围电路较复杂，在实时控制和多对象控制方面存在较大的不足和困难。(4)以DSP为核心。TI公司推出的电机控制芯片TMS32OX28X系列是目前DSP控制器的代表。它延续了MCU的优点，同时片上集成了电机控制专用模块(如PWM产生电路，捕获单元等)和大容量存储器，可进行更快速的控制运算，实现复杂运算等，与MCU相比有着显著的性能提升。(5)以FPGA为核心。随着大规模集成电路技术的发展，EDA技术给电子设计带来巨大变化，FPGA工艺的不断提高及价格不断降低，使得硬件描述语言与FPGA器件的应用范围越来越广泛，通过EDA设计工具可采用软件编程实现控制算法，将控制算法下载到器件中以硬件方式实现控制。FPGA拥有丰富的可配置FO资源，采用独特的并行运算电路，高速数字信号处理能力强。采用FPGA为核心控制无刷直流电机是一种新的控制系统设计思路，相比于其他控制核心，FPGA有着显著的优势:FPGA片内资源丰富，可配置FO资源丰富，接口设计灵活，简化了外围电路结构，提高了系统的集成度;采用硬件方式实现控制算法，实时性强，可靠度高;可重复编程，设计灵活，有着丰富的IP资源，缩短了设计周期I9。1.4FPGA基本结构及技术随着微电子技术的发展，数字集成电路从电子管、晶体管、中小规模集成电路、超大规模集成电路逐步发展为专用集成电路AsIC。ASIC的出现降低了生产成本提高了系统的可靠性，但其设计周期长，灵活性差。为了满足人们对专用集成电路日益增长的需求，可编程器件逐渐在电子设计领域发展起来。从早期的可编程只读存储器PROM、紫外线可擦除只读存储器EPROM和电可擦除只读存储器EEPROM，发展到能完成中大规模数字逻辑功能的可编程阵列逻辑PAL和通用阵列逻辑GAL;如今现场可编程逻辑器件FPGA和复杂可编程逻辑器件CPLD已可完成超大规模的复杂组合逻辑和时序逻辑。1.4.1FPGA的基本结构及特点FPGA(Field Programmable Gate Array)即现场可编程门阵列，这个概念最早是由Xilinx公司提出，上世纪80年代中期Xilinx公司生产了世界上第一片FPGA，之后这种新型可编程逻辑器件以其优越的性能获得广泛青睐，应用逐渐普及。相比于其他的可编程逻辑器件，一片FPGA可以集成几十万到上百万逻辑门，并且其逻辑功能单元不仅限于逻辑门而可以具有较为复杂的逻辑功能，使得芯片功能大幅度加强。FPGA基于SRAM架构，主要由六个基本部分组成，即基本可编程逻辑单元CLB(Configurable Logic Block)，可编程输入输出单元IOB(I/O Block)，嵌入式RAM，丰富的布线资源，底层嵌入功能单元和内嵌专用硬核。(l)基本可编程逻辑单元CLB。CLB是可编程逻辑的主体和实现用户功能的基本单元，其一般由查找表LUT(Look UP Table)和寄存器(Register)组成，以阵列排列分布于芯片中ll。LUT本质上是一个RAM，在FPGA中较常使用4输入结构的LUT，每个LUT可以看作一个具有4位地址线的16*1的RAM。当用户通过原理图或硬件描述语言对一个逻辑电路进行描述后，FPGA开发软件自动对该逻辑电路的所有可能结果进行计算并将其预先写入RAM，每一个逻辑运算输入信号相当于一个查找表输入地址，通过输入地址找出相应的内容然后输出。不同FPGA制造商的查找表和寄存器在内部结构和组合模式的密切程度上存在一定的差异。Altera公司FPGA的可编程逻辑单元通常被称为逻辑单元LE(Logic Element)，每个LE由一个寄存器和一个查找表构成。Altera公司大多数FPGA将10个LE组合起来构成更大功能单元LAB，即逻辑阵列模块(Logic Array Block)。每个LAB由LE以及LE间的进位链、LUT级联链、LAB控制信号、局部互联资源和寄存器级联链等连线与控制资源等组成。(2)可编程输入输出单元IOB。IoB主要完成不同电气特性下输入输出信号的驱动与匹配要求，它是芯片与外界电路的接口部分。通过开发软件可以对不同电气标准和FO物理特性进行匹配。可以调整匹配阻抗的特性，调整输出驱动电流的大小等。近年来Aslc工艺不断得到发展，目前IOB支持的最高频率逐渐得到提高，一些高端FPGA芯片支持最高2Gbi/s的数据传输速率。(3)嵌入式RAM。目前多数FPGA都具备内嵌RAM，嵌入式RAM可根据设计要求灵活地配置为单端口RAM、双端口RAM、伪双口RAM、先进先出单元FIFO等常用存储结构单元。 (4)丰富的布线资源。布线资源的主要作用是用以连接FPGA内部单元，将各个基本可编程逻辑单元和可编程输入输出单元连接起来，从而构成能完成特定功能的电路l2。布线资源根据长度、宽度、分布位置和工艺的不同划分可以划分为不同等级，一般情况下在FPGA的开发过程中不需要直接对布线资源进行选择，可用的布线资源以及所有的底层单元模块均由布局布线器完成，其根据输入的逻辑网表拓扑结构和约束条件自动进行选择。(5)内嵌专用硬核及底层嵌入功能单元。内嵌专用硬核主要指Hard Core，其通用性相对较弱且非所有FPGA均具有。底层嵌入功能单元指通用程度比较高的嵌入式功能单元，主要包括有PLL、DSP、CPU等模块。随着FPGA工艺与技术的发展，FPGA内部的嵌入模块越来越丰富，用以满足不同设计需求。1.4.2FPGA在无刷直流电机控制中的应用近年来FPGA发展迅速，新一代高性能FPGA集成规模也越来越高，己达到百万门，具有广阔的应用前景。FPGA调试方便，开发周期短，且EDA设计软件发展迅速，设计理念先进，通用性较强。目前FPGA主要用于通信领域，将FPGA引入无刷直流电机的控制中，可以简化系统外设结构，提高系统抗干扰能力，且由于FPGA采用并行运算电路，将控制算法以硬件方式实现，可以提高系统的实时性和调速精度，同时在控制多对象，尤其是在对电动车驱动系统中的多电机被控对象时比其他控制器具有优势，各被控对象控制性能不受影响，避免了流水线结构控制器多对象控制编程时复杂的时序问题。FPGA用于无刷直流电机的控制时，需要对系统进行一定的数字化，主要包括传感器信号接收及电机驱动方式等方面，另需完成电机驱动信号、闭环控制算法等模块的设计。采用FPGA作为核心控制器功能强大，是电机控制系统一种新的发展思路和方向。1.5课题主要研究内容电机驱动控制系统是电动汽车系统的关键组成结构，决定着整车系统的运行性能和能量利用效率，也是与传统内燃机汽车最大的不同;相比于内燃机汽车，电动汽车中电机驱动控制系统响应速度快，调速精度高，可靠性强。本文主要研究以Altera公司Cycfone 系列FPGA为控制核心，根据无刷直流电动机控制系统的原理及特性，设计四驱电动车驱动控制系统，达到电动车驱动控制系统的最佳运行标准并提供相应的保护措施。本课题以此为目标进行了以下几点研究工作:(l)无刷直流电机基本原理及控制系统的结构分析对无刷直流电动机结构及控制原理进行分析，建立数学模型并研究其控制算法和控制策略;分析PWM调制方式对无刷直流电机控制的影响。(2)控制系统硬件结构设计结合控制算法和控制模块对控制系统的硬件结构进行设计，主要包括有FPGA外围电路，驱动电路、AD转换电路等设计。(3)硬件描述语言(VHDL)对控制系统各模块和控制算法的实现以硬件描述语言对无刷直流电机控制器各模块进行设计，主要包括位置传感器信号检测模块、AD转换控制模块、电机转速检测模块、PWM驱动信号产生模块;研究数字PID控制器的设计与实现等;(4)仿真和实验利用QUARTUS和MATLAB环境对系统进行相关的仿真和实验，并进行实地调试运行。第2章无刷直流电机的基本原理及控制系统分析电机驱动控制系统是电动汽车的核心，无刷直流电机以其可靠性高、控制简单等优越性能成为电动汽车驱动系统的首选”。本章选取无刷直流电机作为电动汽车驱动电机，对无刷直流电机的基本结构和控制原理进行相应的分析和研究。2.1无刷直流电机控制系统的基本构成无刷直流电机控制系统主要由永磁电机本体、位置传感器和功率开关电路组成，如图2一1所示。无刷直流电机的基本工作原理是通过位置传感器检测电机转子当前的位置信息，通过功率开关电路