FPGA毕业论文.doc
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1、 南京理工大学紫金学院毕业设计说明书(论文)作 者:杨望学 号:080404153系:电子工程与光电技术系专 业:通信工程题 目:基于FPGA的直流电机控制设计助教刘曦指导者: (姓 名) (专业技术职务)评阅者: (姓 名) (专业技术职务) 2012 年 5 月毕业设计说明书(论文)中文摘要 文章详细地介绍了直流电机的类型、结构、工作原理、PWM调速原理以及FPGA集成芯片。并对直流电机PWM调速系统方案的组成、硬件电路设计、程序设计及系统仿真分别进行了详细的叙述。然后阐述了FPGA的设计原理以及所涉及到的相关芯片,接着对所要应用的硬件语言VHDL方面的知识进行了简要地介绍,这些为论文的具
2、体设计部分提供了理论基础。本系统针对需要实现对直流电机的转向与速度控制,设计出了一种较理想的方法。对整个系统进行模块化设计,并且每个子模块都通过了仿真测试。系统采用了模块化的设计思路,为系统的设计和维护提供了方便,同时也提高了系统性能的可扩展性。关键词 直流电机 现场可编程门阵列 硬件描述语言 PWM毕业设计说明书(论文)外文摘要Title Design of DC Motor Control Base on FPGA AbstractThis paper introduces clearly the construction and the principle of DC Motor and
3、 the principle of the speed control based on PWM and FPGA integrated chip. And the paper describes detailedly and operationally the composition program of DC motor speed control based on PWM and the design of the hardware circuit, the program design and the system simulation . Then it describes the
4、principle of the FPGA design and the related chips, then gives a brief introduction on the knowledge of applied hardware language VHDL, all these provides a theoretical basis for the specific design sections of this paper.The system against the achievement of the DC motor speed and steering control,
5、 designs an ideal method. It designs the modularization of the whole system, and each sub-module has passed the simulation tests. The system uses a modular design concept, it is not only convenient for the system design and maintenance,but also improves the performance of the system scalability.Keyw
6、ords DC motor FPGA VHDL PWM目 次1 绪论 11.1 课题的来源 11.2 课题研究的目的及其意义 21.3 课题国内外研究现状 31.4 课题研究的主要内容及其安排 32 直流电机的基本知识 52.1 直流电机的特点 52.2 直流电机的基本结构 52.3 直流电机的工作原理 72.4 直流电机的主要参数 72.5 本章小结 83 直流电机PWM调速系统方案设计 93.1 直流电机PWM调速原理 93.2 基于单片机的直流电机PWM调速方案103.3 基于FPGA的直流电机调速方案 113.4 方案论证123.5 本章小结134 直流电机调速控制电路设计14 4.1
7、 系统工作原理144.2 键盘电路设计154.3 系统时钟电路设计164.4 H型桥式驱动电路设计174.5 电源电路设计194.6 本章小结205 硬件描述语言VHDL及开发系统Quartus215.1 VHDL语言介绍215.2 Quartus开发系统介绍245.3 本章小结246 FPGA内部逻辑电路组成及各个模块详解256.1 PWM脉宽调制信号产生模块256.2 控制模块306.3 FPGA内部逻辑电路仿真316.4仿真结果分析336.5 本章小结34 结论 35致谢 36参考文献371 绪论 以FPGA为其控制核心,对直流电机PWM调速系统方案的组成、程序设计及系统仿真分别进行了详
8、细的叙述。1.1 课题的来源直流电动机是一种能量转换的装置,具有良好的启动性能和宽广平滑的调速特性,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。直流电动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
9、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
10、(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。传统PWM控制电路往往存在电路设计复杂、体积大、抗干扰能力差以及设计困难、设计周期长等缺点,现在国内外市面上已经有具有PWM模块的专用芯片,但是这些产品性价比比较差,功能不够丰富,使用起来也不灵活方便,很难适合广大客户的需求。随着电子技术的发展,特别是专用集成电路(ASIC)设计技术的日趋完善,数字化的电子自动化设计(EDA)工具给电子设计带来了巨大变革,尤其是硬件描述语言的出现,解决了传统电路原理图设计系统工程的诸多不便。针对以上情况,本课题提出现场可编程门阵
11、列(FPGA)的PWM控制电路设计1。1.2 课题研究的目的及其意义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。直流电机大多数采用PWM(脉宽调制)的方法进行控制,它有两种模式:一种是采用模拟电路控制,另一种是采用数字的控制。模拟控制由于其调试复杂等固有原因,正逐渐被淘汰。而在数字控制技术中,FPGA的数字PWM控制具有精度高,反应快,外部连线少,电路简单,便于控制
12、等优点广泛的被人们使用,应而研究FPGA具有十分重要的意义。对于本次设计目的在于:(1)掌握基于FPGA的直流电机PWM控制原理,学会应用EDA技术进行编程(2)通过对本课题的研究,掌握EDA开发技术的编程方法,培养创新意识和理论联系实际的学风。熟悉现代电子产品的设计流程。FPGA用于控制领域特别是电机控制还是比较少的,本设计为电机控制系统提供一种的控制技术,在电机控制方面作了一些片内系统的初步研究。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
13、在FPGA中进行组合逻辑变换,并进行仿真。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
14、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
15、,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2。1.3 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
16、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。1.4 课题研究的主要内容及其安排1.4.1 研究的内容1.了解直流直流电机的结构、主要技术参数、工作原理和调速原理,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,包括PWM控制模块等等。3.重点掌握利用QUARTUS软件设计数字系统的方法。4.利用VHDL语言编写直流电机PWM控制代码。能够实现直
17、流电机的速度控制,旋转方向控制,变速控制。1.4.2 本文的安排 本文总包括六章内容。第二章先阐述了直流电机的特点及其工作原理与主要参数。第三章讲述了直流电机PWM调速的原理,单片机与FPGA直流电机调速方案的比较。第四章介绍了本次设计PWM调速电路的设计,每个部分的构造以及如何运转的。第五章简单介绍了VHDL语言和Quartus开发系统。第六章FPGA内部逻辑电路和各个模块组成以及仿真图形。2 直流电机的基本知识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
18、,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 直流电机的基本结构直流电机由定子(静止部分)和转子(转动部分)两大部分组成。 图2.1 直流电机的基本结构a)定子部分
19、定子部分包括机座、主磁极、换向极和电刷装置等。 1)机座 机座有两个作用,一是作为电机磁路系统中的一部分,二是用来固定主磁极、换向极及端盖等,起机械支撑的作用。因此要求机座有好的导磁性能及足够的机械强度和刚座,机座通常用铸钢或厚钢板焊成。 2)主磁极 在大多数直流电机中,主磁极是电磁铁,如图2.1的N、S就是主磁极,主磁极铁芯用1-1.5mm厚的低碳钢板叠加而成,整个磁级用螺钉固定在机座上。 主磁极的作用是在定转子之间的气隙中建立磁场,使电枢绕组在此磁场的作用下感应电动势和产生电磁转矩。3)换向极 换向极又称附加极或间极,其作用是以改善换向。换向极装在相邻两主磁极N、S之间,由铁心和绕组构成。
20、铁芯一般用整块钢或钢板加工而成。换向极绕组与电枢绕组串联。 4)电刷装置 在图2.1中,A、B表示电刷。它的作用是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接,并与换向器相配合,起到整流或逆变器的作用。 b)转子部分 直流电机的转子称为电枢,包括电枢铁芯、电枢绕组、换向器、风扇、轴和轴承等。 1)电枢铁芯 电枢铁芯是电机主磁路的一部分,且用来嵌放电枢绕组。为了减少电枢旋转时电枢铁芯中因磁通变化而引起的磁滞及涡流损耗,电枢铁心通常用0.5mm厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠加而成。 2)电枢绕组 电枢绕组是由许多按一定规律连接的线圈组成,它是直流电机的主要电路部分,也是通过电流和感应电动势,从而实现机电能量
21、转换的关键部件。线圈用包有绝缘的导线绕制而成嵌放在电枢槽中。每个线圈(也称元件)有两个出线端,分别接到换向器的两个换向片上。所有线圈按一定规律连接成一闭合回路。 3)换向器 换向器也是直流电机的重要部件。在直流电动机中,它将电刷上的直流电流转换成绕组内的交流电流;在直流发电机中,它将绕组内的交流电动势转换成电刷端上的直流电动势。换向器由许多换向片组成,每片之间相互绝缘。换向片数与线圈元件数相同3。2.3 直流电机的工作原理 直流电动机在机械构造上与直流发电机完全相同,直流电动机的工作原理图如图2.2所示。电枢不用外力驱动,把电刷A、B接到直流电源上,假定电流从电刷A流入线圈,沿abcd方向,从
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