i摘要論文以直流電機為研究對象，應用了先進的FPGA技術，設計了一種全數字的步進電機控制系統，通過了仿真、綜合和下載的各個程序測試環節，并在實驗本論文分析了直流電機工作原理以及其具體的控制過程，然后闡述了FPGA的設計原理以及所涉及到的相關芯片，接著對所要應用的硬件語言VHDL方面的知識進行了簡要地介紹，這些為論文的具體設計部分提供了理論基礎。本系統針對需要實現對直流電機的調速，設計出了一種符合要求的連續可調的脈沖信號發生器，對整個系統進行模塊化設計，并且每個子模塊都通過了仿真測試。系統采用了模塊化的設計思路，為系統的設計和維護提供了方便，同時也提高了系統性能的可擴展性。系統采用一種軟件硬化的設計思路，應用了VHDL硬件語言，該語言較容易理解。軟件也是采用了目前應用比較廣泛的幾種。FPGA+VHDL+EDA工具構成的數字系統現場集成技術，是本系統設計的核心部分，該門技術具有操作靈活、利用廣泛以及價廉等特點。該門技術具有旺盛的生命力和廣闊的前景，必然推動著整個集成電路產業系統集成的進一步發展。整個系統設計采用了全數字化的控制方案，使系統更加緊湊、更加合理以及經濟節約。由于系統的全數字化，使得整個系統運行變得十分可靠，調試也極為方便。作為一種先進技術的應用，論文在很多方面做了新的嘗試。浙江大學碩士學位論文Inthispaper,DCmotorasthestudy,withtheapplicationofFPGA-advancedgivesabriefintroductionontheknowledgeofappliedhardwarelaalltheseprovidesatheoreticalbasisforthespecificdesignsectionsofthepaper.forthesystemdesignandmaintenance,butalsoimprovetheperformancesystemscalability.Thesystemwhichareusedwidelyattechnology,asacorepartofthesystemdesign,tprospects,andwillfurtherthedevelopmentofsystemintegrationoftheentireICAsanadvancedtechnology,thepapermakesmanynewattemptsinseveralsapectKeyWords:DCmotor,Fieldprogrammablegatearray,VHDL浙江大學碩士學位論文目錄I摘要 iAbstract 11.1課題背景 11.2研究的目的及其內容 21.3研究內容及其安排 31.3.1研究內容 31.3.2本文的安排 31.4本章小結 3第2章電機的基本知識 42.1直流電機的特點 42.2直流電機的基本結構 42.3直流電機的工作原理 62.3.1直流電機的勵磁方式 72.3.2直流電機的基本方程式 第3章FPGA與硬件描述語言 3.1數字系統集成的基本概念 3.1.1工藝集成技術 3.1.2現場采集技術 3.3硬件描述語言設計方法 3.3.1硬件描述語言發展概況 3.3.2VerilogHDL目前的應用情況與適用的設計 3.3.3采用硬件描述語言的設計流程 3.4本章小節 第4章直流電機系統設計方案 4.1直流電機控制實現方案的比較 4.1.1以DSP為核心的電機控制系統與單片機的電機控制系統的比較 4.1.2FPGA設計與單片機設計的比較 4.1.3硬件描述語言設計與傳統技術設計對比 浙江大學碩士學位論文目錄 4.2系統設計框圖 4.2.1模塊功能簡介 4.3設計的目的及其要求 4.3.1功能要求 4.4本章小結 第5章模塊設計 5.1.1增量式PID控制算法 5.2PWM產生模塊 5.2.1PWM的定義及原理 5.2.2PWM波的實現 5.2.3計數及數碼管顯示模塊 5.3本章小節 第6章硬件電路設計 6.1轉速檢測電路設計 6.1.1轉速檢測電路設計方案比較與分析 6.2電機速度顯示電路 6.2.1電機速度顯示模塊電路方案比較與分析 6.3電機驅動電路 6.3.1H橋電機驅動電路原理 6.3.2H橋驅動電路設計 第7章總結及其展望 參考文獻 作者簡歷 圖目錄浙江大學碩士學位論文圖目錄圖目錄 5圖2.2直流電動機工作原理圖 7圖3.1單端系列邊界掃描鏈 圖3.2反熔絲原胞 圖3.3基于ISE的FPGA設計基本流程 圖3.4自頂向下設計思想 錯誤!未定義書簽。圖4.1系統設計框圖 圖5.1實際微分PID算法框圖 圖5.2增量式PID控制算法結構圖 圖5.4乘法器modelsim仿真圖 圖5.5乘法器仿真圖2 圖5.6四位加法器仿真圖 圖5.7四位加法器仿真圖2 圖5.816位加法器仿真圖 圖5.916位加法器仿真圖2 圖5.10PWM產生模塊仿真圖 圖5.11PWM產生模塊仿真圖2 圖5.12分頻模塊仿真圖 圖5.13計數模塊仿真圖 圖6.1GK105標準接法 圖6.2光電開關GK105檢測電路 圖6.3H橋直流電機驅動原理圖 圖6.4H橋驅動電路設計電路圖 1第1章緒論1.1課題背景自從1985年Xilinx公司推出第一片現場可編程邏輯器件(FPGA)到現在，FPGA已經經歷了二十幾年的發展歷程。在這幾十年的發展過程中，以FPGA為代表的數字系統現場集成技術取得了驚人的發展?，F場可編程邏輯器件從剛開始的1200個邏輯門，發展到90年代的25萬個邏輯門，甚至到現今國際上FPGA的著名廠商Altera公司、Xilinx公司又陸續推出了數百萬門的單片FPGA芯片，將現場可編程器件的集成度提高到一個新的水平。FPGA的優點可以歸納為如下幾點：效能，上市時間，成本，可靠性和長期維護五個方面。的固定遜算，并于每時脈循環完成更多作業，超越了數位訊號處理器(DSP)的計算功能。BDTI作為著名的分析公司，并于某些應用中使用DSP解泱方案，以計算FPGA的處理效能。在硬件層級控制I/O可縮短回應時間并特定化某些功使用者不需進行ASIC設計的冗長建構過程，就可以在硬件中測試或驗證某個觀念。并僅需數個小時就可以建置其他變更作業，或替換FPGA設計。現成的(COTS)硬件也可搭配使用不同種類的I/O,并連接至使用者設定的FPGA芯片。高級軟件工具正不斷提升其適用性，縮短了抽象層(Layerofabstraction)的學習時間，并針對進階控制與信號處理使用IPcores(預先建立的函式)。成本--ASIC設計的非重置研發(NRE)費用，遠遠超過FPGA架構硬件解決方案的費用。ASIC設計的初始投資，可簡單認列于OEM每年所出貨的數千組晶片，但是許多末端使用者更需要定制硬件功能，以便用于開發過程中的數百組系統。而可程式化晶片的特性，就代表了低成本的架構作業，或組裝作業的長前置時間。由于系統需求隨時在變化，因此若與ASIC的龐大修改費用相比，可靠性--正如軟件工具提供程序化設計的環境，FPGA電路也為程序的「堅強」的建置方式。處理器架構的系統往往具有多個抽象層，得以協助多重2處理程序之間的作業排程與資源分享。驅動層(Driverlayer)控制硬件資源，而作為作業系統則管理記憶體和處理器頻寬。針對任何現有的處理器核心來說，每次僅可執行1組指令碼；而處理器架構的系統則可以連續處理重要作業。FPGA不需要使用作業系統，并將產生問題的幾率降到最低，采用平行執行功能與專屬精密硬件執行作業。長期維護--FPGA晶片為即時升級(Field-upgradable)特性，不需要像ASIC一般重新設計的時間與費用。舉例來說，數位通訊協定的規格可隨時間而改變，而ASIC架構的介面卻可能產生維護與向下相容的問題。FPGA具有可重設性質，可隨時因應未來的需要而進行修改。當產品或系統趨于成熟時，不需耗時重新設計或修改機板配置，即可提升相關功能H。1.2研究的目的及其內容直流電動機因為具有良好的啟動性能和寬廣平滑的調速特性，從而被廣泛應用于電力機車、無軌電車、軋鋼機、機床和啟動設備等這些需要經常啟動并調速的電氣傳動裝置中，直流發電機主要用作直流電源。此外，小容量直流電機大多在自動控制系統中以伺服電動機、測速發電機等形式作為測量、執行原件使用。當基于FPGA的嵌入式系統時，在設計周期之初就不必為每個模塊做出用硬件還是軟件的選擇。如果在設計中間階段需要一些額外的性能，則可以利用FPGA中現有的硬件資源來加速軟件代碼中的瓶頸部分。由于FPGA中的邏輯單元是可編程的，可針對特定的應用而定制硬件。所以，僅使用所需要的硬件即可，而不必做出任何板級變動(前提是FPGA中的邏輯單元足夠用)。設計者不必轉換到另外一個新的處理器或者編寫匯編代碼，就可做到這一點。使用帶有可配置處理器的FPGA可獲得設計靈活性。設計者可以選擇如何實現軟件代碼中的每個模塊，如用定制指令，或硬件外圍電路。此外，還可以通過添加定制的硬件而獲取比現成微處理器更好的性能。另一點要知道的是，FPGA有充裕的資源，可配置處理器系統可以充分利用這一資源。算法可以用軟件，也可用硬件實現。出于簡便和成本考慮，一般利用軟件來實現大部分操作，除非需要更高的速度以滿足性能指標。軟件可以優化，但有時還是是不夠的。如果需要更高的速度，利用硬件來加速算法是一個不錯的選擇。FPGA使軟件模塊和硬件模塊的相互交換更加簡便，不必改變處理器或進3行板級變動。設計者可以在速度、硬件邏輯、存儲器、代碼大小和成本之間做出折衷。利用FPGA可以設計定制的嵌入式系統，以增加新的功能特性及優化性能。目前，雖然由晶閘管整流元件組成的固態直流電源設備已基本上取代了直流發電機，但直流電動機仍因為其良好調速性能的優勢在許多傳動性能要求高的場合占據一定的地位，而FPGA又具有很強的性能及其優勢，基于FPGA的直流電機1.3研究內容及其安排本文根據以上這些特點，對直流電機的控制研究采用了一種基于FPGA平臺，采用硬件描述語言加上EDA軟件進行設計。具體的研究內容為：1.查找相關文獻，研究直流電機的基本特點及其工作原理，并且對直流電機2.對要進行的研究進行分析，采用模塊化設計，包括PWM產生模塊，PID3.研究系統的重點PID算法模塊，構建出合適的PID算法，找到一種切實可行的方案，以滿足系統的要求。1.3.2本文的安排本文總包括七章的內容。第二章首先闡述了直流電機的特點及其工作原理，分析了研究意義，提出了設計基于FPGA的直流電機，并且對研究的內容進行分析。第三章介紹了基于FPGA設計直流電機控制的設計環境，對FPGA,以及硬件描述語言進行了詳細的介紹。第四章介紹了本次設計的系統框圖，并且對各個模塊進行了分析。第五章介紹了模塊的詳細設計，著重介紹了PID算法模塊的研究及設計方案。第六章介紹了外圍電路設計方案。1.4本章小結在本章中，首先闡述了直流電機的簡單介紹，對整個系統研究有了一定的了第2章電機的基本知識第2章電機的基本知識4直流電動機與交流電動機相比較，具有良好的調速性能和啟動性能。直流電動機具有寬廣的調速范圍，平滑的無級調速特性，可實現頻繁的無級快速啟動、制動和反轉；過載能力大，能承受頻繁的沖擊負載；能滿足自動化生產系統中各種特殊運行的要求。而直流發電機則能提供無脈動的大功率的直流電源，且輸出的電壓可以精確地調節和控制。但直流電機也有它顯著的缺點：一是制造工藝復雜，消耗有色金屬較多，生產成本高；二是運行的時候由于電刷與換向器之間容易產生火花，所以可靠性比較差，維護比較困難。所以在一些對調速性能要求不高的領域中己被交流變頻調速系統所取代。但是在某些要求調速范圍大、快速性高、精密度好、控制性能優異的場合，直流電動機的應用目前仍然占有較大的比重3115|,直流電動機和直流發電機的結構基本一樣。直流電機是由靜止的定子和轉動的轉子兩大部分組成，在定子和轉子之間存在一個間隙，稱做氣隙。定子的作用是產生磁場和支撐電機，它主要包括主磁極、換向磁極、機座、電刷裝置、端蓋等。轉子的作用是產生感應電動勢和電磁轉矩，實現機電能量的轉換，通常也稱做電樞。它主要包括電樞鐵心、電樞繞組以及換向器、轉軸、風扇等。直流電機的結構圖如圖2.1所示。第2章電機的基本知識第2章電機的基本知識5圖2.1直流電機的結構圖中1-前端蓋2-風扇3-定子4-轉子5-電刷及刷架6-后端蓋主磁極的作用是產生主磁通，它是由鐵心和勵磁繞組組成。鐵心一般用lmm~1.5mm的低碳鋼片疊壓而成，小電機也有用整塊鑄鋼磁極的。主磁極上的勵磁繞組是用絕緣銅線繞制而成的集中繞組，與鐵心絕緣，各主磁極上的線圈一般都是串聯起來的。主磁極都是成對的，并按N極和S極交替排列。2.換向磁極換向磁極的作用是產生附加磁場，從而改善電機的換向性能。通常鐵心由整塊鋼做成，換向磁極的繞組應與電樞繞組串聯。換向磁極裝在兩個主磁極之間。其極性在作為發電機運行時，應該與電樞導體將要進入的主磁極極性相同；在作為電動機運行時，則應該與電樞導體剛離開的主磁極極性相同。機座一方面用來固定主磁極、換向磁極和端蓋等，另一方面作為電機磁路的一部分稱為磁軛。機座一般用鑄鋼或鋼板焊接制而成。4.電刷裝置在直流電機中，為了使電樞繞組和外電路連接起來，必須裝上固定的電刷裝置，它是由電刷、刷握和刷桿座組成的。電刷是用石墨等做成的導電塊，放在刷握內，用彈簧壓指將它壓觸在換向器上。刷握用螺釘夾緊在刷桿上，用銅絞線將電刷和刷桿連接，刷桿裝在刷座上，彼此絕緣，而刷桿座則裝在端蓋上。第2章電機的基本知識-6-浙江大學碩士學位論文第2章電機的基本知識65.電樞鐵心電樞鐵心的作用是通過磁通以及安放電樞繞組。當電樞在磁場中旋轉時，鐵心將產生渦流和磁滯損耗。為了減少損耗，提高效率，電樞鐵心一般用硅鋼片沖疊而成。電樞鐵心有軸向冷卻通風孔。鐵心外圓周上均勻分布著槽，用以嵌放電6.電樞繞組電樞繞組的作用是產生感應電動勢和通過電流產生電磁轉矩，實現機電能量的轉換。繞組通常用漆包線繞制而成，嵌入電樞鐵心槽內，并按一定的規則連接起來。為了防止電樞旋轉時產生的離心力使繞組飛出去，繞組嵌入槽內后，用槽楔壓緊；線圈伸出槽外的端接部分用無緯玻璃絲帶扎緊。7.換向器由許多帶有鴿尾形的換向片疊成一個圓筒，片與片之間用云母片絕緣，借V形套筒和螺紋壓圈擰緊成一個整體。每個換向片與繞組每個元件的引出線焊接在一起，其作用是將直流電動機輸入的直流電流轉換成電樞繞組內的交變電流，從2.3直流電機的工作原理直流電動機在機械構造上與直流發電機完全相同，直流電動機的工作原理圖如圖2.2所示。電樞不用外力驅動，把電刷A、B接到直流電源上，假定電流從電刷A流入線圈，沿a→b→c→d方向，從電刷B流出。載流線圈在磁場中將受力，形成電磁轉矩，結果使電樞逆時針方向轉動，如圖2.2a所示。當電樞轉過90°時，如圖2.2b所示，線圈中雖然無電流和力矩，但是在慣性的作用下繼續旋轉。 當電樞轉過180°的時候，如圖2.2c所示，電流仍然從電刷A流入線圈，沿d→c→b→a方向，從電刷B流出。與圖2.2a比較，通過線圈的電流方向改變了，但兩個線圈邊受電磁力的方向卻沒有改變，即電動機只朝一個方向旋轉。若要改變其轉向，則必須改變電源的極性，使電流從電刷B流入，從電刷A流出才行。第2章電機的基本知識第2章電機的基本知識7圖2.2直流電動機工作原理圖a)受電磁力，逆時針轉動b)不受電磁力，慣性轉動c)受電磁力，逆時針轉動d)不受電磁力，慣性轉動由以上分析可得直流電動機的工作原理是：當直流電動機接入直流電源時，借助于電刷和換向器的作用，使直流電動機電樞繞組中流過方向交變的電流，從而使電樞產生恒定方向的電磁轉矩，進而保證了直流電動機朝一定的方向連續旋2.3.1直流電機的勵磁方式直流電機的勵磁方式是指電機勵磁電流的供給方式，根據勵磁支路和電樞支路的相互關系，分為他勵、自勵(并勵、串和復勵)、永磁方式。1.他勵方式他勵方式中，電樞繞組和勵磁繞組電路相互獨立，電樞電壓與勵磁電壓彼此2.并勵方式并勵方式中，電樞繞組和勵磁繞組是并聯關系，通過同一電源供電。第2章電機的基本知識-8-浙江大學碩士學位論文第2章電機的基本知識8串勵方式中，電樞繞組與勵磁繞組是串聯關系。復勵電機的主磁極上有兩組勵磁繞組，其中一組與電樞繞組并聯，另外一組與電樞繞組串聯。當兩組勵磁繞組產生的磁通方向相同時，稱為積復勵，反之稱5.永磁方式隨著永磁材料和功率電子元器件的不斷進步，無刷直流永磁電動機得到了非常快速的發展，它們被廣泛地用于工業、農業、國防、航空航天、現代科技和日因此，在電機技術的領域內，合理正確地設計無刷直流永磁電動機就成為了一個越來越重要的課題。在有刷直流永磁電動機中，電樞繞組設置在轉子上，定子永磁體在氣隙內形成激磁磁場。根據物理學定理，在此情況下，如果迫使電流在電樞繞組的某一根導體中流動，就會產生一個作用于該導體的電磁力，其表達式為i為導體內的電流(A)。電樞繞組由多個線圈(或者稱為元件)所組成，每個線圈又是由若干線匝所組成。如果電樞繞組的總串聯導體數為IV,且N>I,并攜帶同樣的電流，則電磁力的量的值為在電動機內，作用在導體上的電動力對轉子中心軸線形成一個力矩，迫使轉子圍繞中心軸線旋轉。旋轉電磁力矩的量的值為式中，M為電磁力矩(N.m);k?為一個常數；R為導線所處位置相對轉子中心軸線的半徑(m).在有刷直流永磁電動機中，定子主要是由永磁體磁極、導磁軛和電刷構件所組成，轉子主要是由電樞繞組和換向器所組成。電樞繞組按照一定的規律與換向器相連接，兩個相鄰線圈之間存在一定的角位移。假如說，處在N極下的某一線圈從0°電角度位置開始通電，轉子便開始旋轉，該線圈內的電流在氣隙磁場內產第2章電機的基本知識-9-浙江大學碩士學位論文第2章電機的基本知識9生的旋轉電磁力矩從0值開始由小到大，再由大變小，當轉子轉至180°電角度時，該線圈產生的旋轉電磁力矩又回到0值。這個時候，該線圈離開了N極，進入S極下面，該線圈內的電流方向被自動地切換(開關)成相反的方向。開關動作是借助若干個電刷和一個換向器的機械結構來實現的，這種電樞線圈內電流方向的變換被稱為機械換向。這樣，在有刷直流電動機的某一磁極下，雖然線圈導體在不斷地更替，但是只要外加電壓的極性不變，線圈導體中流過的電流方向始終不變，作用在電樞上的電磁轉矩的方向也始終不變，電動機的旋轉方向也將始終不變，這就是有刷直流電動機的機械換向在無刷直流永磁電動機中，電樞繞組被設置在定子上，永磁體磁極則被設置定子的各相電樞繞組相對轉子永磁體磁場的位置，由轉子位置傳感器通過電子方式或電磁方式感知；并且利用其輸出信號，通過電子換向電路，按照一定的邏輯程序去驅動與電樞繞組相連接的相應的功率開關晶體管，把電流開關換向到相應的電樞繞組。隨著轉子的轉動，轉子位置傳感器不斷地發送出信號，從而使電樞繞組不斷地依次通電，不斷地改變通電狀態，從而使得在某一磁極下的線圈導體中流過的電流方向始終不變，這就是無刷直流永磁電動機的無接觸式電子換我們可以設想：在有刷直流永磁電動機中，如果把原先處于電動機內部的旋轉電樞翻出來變成定子，而把所有被連接在機械換向器下面的電樞繞組的引線頭抽出來，并且給每一個引線頭都提供一個功率晶體管開關；而把原先處于外部的靜止永磁體移入電動機的內腔變成轉子，就可以把一臺有刷型直流永磁電動機變換成一臺無刷型直流永磁電動機。但是，這種實施方法必須包含大量的功率晶體管開關元件和與之相適應的轉子位置傳感器，就目前科技得水平而論，這種方法很難實施，或者說還沒有實用價值。因此，在當前的無刷直流永磁電動機中，定子電樞采用類似于一般交流電動機中的三相繞組，借助轉子位置傳感器檢測出轉子永磁體磁場與定子電樞繞組三相軸線之間的相對空間位置，通過邏輯信號處理和控制，從而來實現定子電樞三相繞組的電子換向。永磁同步電機的應用范圍：按照不同的工農業生產機械的要求，電機驅動又分為定速驅動、調速驅動和精密控制驅動三類。1.定速驅動--工農業生產中有大量的生產機械要求連續地以大致不變的速度第2章電機的基本知識-10-浙江大學碩士學位論文第2章電機的基本知識單方向運行，例如風機、泵、壓縮機、普通機床等。對這類機械以往大多都是采用三相或單相異步電動機來驅動。異步電動機成本較低，結構簡單牢靠，維修方便，很適合該類機械的驅動。但是，異步電動機效率、功率因數低、損耗大，而該類電機使用面廣量大，所以有大量的電能在使用中被浪費了。其次，工農業中大量使用的風機、水泵往往也需要調節其流量，通常是通過調節風門、閥來完成的，這其中又浪費了大量的電能。從70年代起，人們用變頻器調節風機、水泵中異步電動機轉速來調節它們的流量，取得可觀的節能效果，但變頻器的成本又限制了它的使用，而且異步電動機本身的低效率依然存在。比如，家用空調壓縮機原先都是采用單相異步電動機，開關式控制其運行，噪聲和較高的溫度變化幅度是它的不足。在90年代初，日本東芝公司首先在壓縮機控制上采用了異步電動機的變頻調速，變頻調速的優點促進了變頻空調的發展。近年來日本的日立、三洋等公司開始采用永磁無刷電動機來替代異步電動機的變頻調速，顯著提高了效率，獲得更好的節能效果的同時進一步降低了噪聲，在相同的額定功率和額定轉速下，設單相異步電動要的體積和重量為100%,而永磁無刷直流電動機的體積為38.6%,重量為34.8%,用銅量為20.9%,用鐵量為36.5%,效率提高10%以上，而且調速方便，價格和異步電動機變頻調速相當。永磁無刷直流電動機在空調中的應用促進了空調的升級換代。再比如儀器儀表等設備上大量使用的冷卻風扇，以往都采用單相異步電動機外轉子結構的驅動方式，它的體積和重量大，效率低。近年來它已經完全被永磁無刷直流電動機驅動的無刷風機所取代?，F代迅速發展的各種計算機等信息設備上更是無例外地均使用著無刷風機。這些年，使用無刷風機已形成了完整的系列，品種規格多，外框尺寸從15mm到120mm共有12種，框架厚度有6mm到18mm共7種，電壓規格有直流1.5V、3V、5V、12V、24V、48V,轉速范圍從2100rpm到14000rpm,分為低轉速、中轉速、高轉速和超高轉速4種，壽命30000小時以上，電機是外轉子的永磁無刷直流電動機。近年來的實踐表明，在功率不大于10kW而連續運行的場合，為了減小體積、節省材料、提高效率和降低能耗等因素，越來越多的異步電動機驅動正在被永磁無刷直流電動機逐步替代。而在功率較大的場合，由于一次成本和投資較大，除了永磁材料外，還要功率較大的驅動器，故還比較少有應用。2.調速驅動--有相當多的工作機械，其運行速度需要任意設定和調節，但速度控制精度要求并不是非常高。這類驅動系統在包裝機械、食品機械、印刷機械、第2章電機的基本知識-11-浙江大學碩士學位論文第2章電機的基本知識物料輸送機械、紡織機械和交通車輛中有著大量應用。在這類調速應用領域最初用的最多的是直流電動機調速系統，而在70年代后隨電力電子技術和控制技術的發展，異步電動機的變頻調速迅速滲透到原來的直流調速系統的應用領域。這是因為一方面異步電動機變頻調速系統的性能價格完全可與直流調速系統相媲美，另一方面異步電動機與直流電動機相比有著容量大、可靠性高、干擾小、壽命長等優點。所以異步電動機變頻調速在許多場合迅速取代了直流調速系統。交流永磁同步電動機由于體積小、重量輕、高效節能等一系列優點，越來越引起人們重視，其控制技術日趨成熟，控制器也已經產品化。中小功率的異步電動機變頻調速正逐步為永磁同步電動機調速系統所取代。電梯驅動就是一個典型的例子。電梯的驅動系統對電機的加速、穩速、制動、定位都有一定的要求。早期人們采用直流電動機調速系統，其缺點是不言而喻的。在70年代變頻技術發展成熟，異步電動機的變頻調速驅動迅速取代了電梯行業中的直流調速系統。而這幾年電梯行業中最新的驅動技術就是永磁同步電動機調速系統，其體積小、節能、控制性能好、又容易做成低速直接驅動，消除齒輪減速裝置；其低噪聲、平層精度和舒適性都優于以前的驅動系統，所以適合在無機房電梯中使用。永磁同步電動機驅動系統很快得到各大電梯公司青睞，與其配套的專用變頻器系列產品已有多種牌號上市?？梢灶A見，在調速驅動的場合，將會是永磁同步電動機的天下。日本富士公司已推出系列的永磁同步電動機產品相配的變頻控制器，功率從0.4kW～300kW,體積比同容量異步電動機小1~2個機座號，力能指標明顯高于異步電動機，可用于泵、運輸機械、攪拌機、卷揚機、升降機、起重機等多咱場合。3.精密控制驅動--高精度的伺服控制系統，伺服電動機在工業自動化領域的運行控制中扮演著十分重要的角色，應用場合的不同對伺服電動機的控制性能要求也不盡相同。在實際應用中，伺服電動機有各種不同的控制方式，例如轉矩控制/電流控制、速度控制、位置控制等。伺服電動機系統也經歷了直流伺服系統、交流伺服系統、步進電機驅動系統，直至近年來最為引人注目的永磁電動機交流伺服系統。最近幾年進口的各類自動化設備、自動加工裝置和機器人等絕大多數都采用永磁同步電動機的交流伺服系統。4.信息技術中的永磁同步電動機--當今信息技術高度發展，各種計算機外設和辦公自動化設備也隨之高速發展，與其配套的關鍵部件微電機需求量大，精度和性能要求也越來越高。對這類微電機的要求是小型化、薄形化、高速、長壽命、第2章電機的基本知識-12-浙江大學碩士學位論文第2章電機的基本知識高可靠、低噪聲和低振動，精度要求更是特別高。例如，硬盤驅動器用主軸驅動電機是永磁無刷直流電動機，它以近10000rpm的高速帶動盤片旋轉，盤片上執行數據讀寫功能的磁頭在離盤片表面只有0.1～0.3微米處作懸浮運動，其精度要求之高可想而知了。信息技術中各種設備如打印機、軟硬盤驅動器、光盤驅動、傳真機、復印機等中所使用的驅動電機絕大多數是永磁無刷直流電動機。受技術水平限制，這類微電機目前國內還不能自己制造，有部分產品是在國內組裝的。2.3.2直流電機的基本方程式研究直流電動機的方程式是了解和分析直流電動機性能的主要方法和重要手段，直流電動機的基本方程式包括電壓方程式、轉矩方程式、功率方程式等。直流并勵電動機的工作原理，以它為例來分析電壓、轉矩和功率之間的關系。并勵電動機的勵磁繞組與電樞繞組并聯，由同一直流電源供電。接通直流電源后，勵磁繞組中流過勵磁電流If,建立主磁場；電樞繞組中流過電樞電流Ia,電樞電流與主磁場作用產生電磁轉矩T,使得電樞朝轉矩T的方向以轉速n旋轉，將電能轉換為機械能，從而帶動生產機械工作。1.電壓方程式直流并勵電動機中有兩個電流的回路：勵磁回路和電樞回路。下面主要分析電樞回路的電壓、電流以及電動勢之間的關系。直流并勵電動機通電旋轉后，電樞導體切割主磁場，產生電樞電動勢Ea,在電動機中，此電動勢的方向與電樞電流Ia的方向相反，稱為反電動勢。電源電壓U除了提供電樞內阻壓降laRa外，主要用來與電樞電動勢Ea相平衡。列出電壓上式表明直流電動機在電動狀態下運行時，電樞電動勢Ea總是小于端電壓2.轉矩方程式直流電動機正常工作時，作用在軸上的轉矩有三個：一個是電磁轉矩T,方向與轉速n的方向相同，為驅動性質轉矩；一個是電動機空載損耗形成的轉矩T0,是電動機空載運行時的制動轉矩，方向總與轉速n的方向相反；還有一個是軸上所帶生產機械的負載轉矩TL,一般為制動性質轉矩。TL在大小上也等于電動機的輸出轉矩T2。穩態運行時，直流電動機中驅動性質的轉矩總是等于制動性質的轉矩，據此可得直流電動機的轉矩方程式：第2章電機的基本知識第2章電機的基本知識3.功率方程式:其電源輸入的電功率為：第3章FPGA與硬件描述語言在本章中首先介紹FPGA的基本知識，以及所要涉及的芯片；在此基礎上介紹設計中需要應用的硬件語言，以便使下面的設計更加完整，并方便閱讀。3.1數字系統集成的基本概念數字系統單片化的具體表現是專用集成電路。在過去，我們常用定制電路和半定制電路來分類。其中半定制電路又可以分為門陣列、標準單元和現場可編程IC。隨著現場可編程IC技術的不斷成熟，現場可編程IC的設計和應用成本不斷降低，器件規模和品種不斷增加，在越來越多的領域和產品中，特別是生產批量小，轉型更新更快的數字化傳統產品中，直接采用以FPGA、CPLD為代表的現場可編程IC來實現硬件單片集成已成為時尚?，F代集成電路設計與實現主要可分為工藝集成技術和現場集成技術。數字系統的工藝集成技術就是指采用半導體掩膜工藝的方法來實現數字系統的單片物理結構。這其中，主要的加工工藝技術為CMOS(互補金屬-氧化物半導體)工藝。而主要電路的設計方式，則可以分為門陣列設計、標準單元設計和全定制電路設計等。不同的設計方式和不同的加工工藝流程互為規范和制約。為了實現不同的電路性能成本指標，需要不同的電路設計規范和工藝設計規范，并要制定合理的加工工藝流程。3.1.2現場采集技術現場集成技術，是指一個數字系統的單片化設計和實現可以在實驗室現場進行，是指采用FPGA、CPLD為代表的可編程邏輯器件作為數字系統實現的目標載體來進行的數字系統單片的現場設計、現場仿真、現場實現的技術，對于利用現場集成技術來實現數字系統的單片化，其基本要素是：(3)針對具體目標器件的不同編程方式。在現場可編程邏輯器件領域，目前主要的產品主要分為3大類。所謂基于SRAM編程的FPGA,從結構上而言，主要是由3個部分組成：可編程邏輯塊(CLB)、可編程輸入/輸出模塊IOB和可編程內部連線PI組成。基于EPROM或EEPROM編程的CPLD,主要由可編程I/O模塊、可編程邏輯單元模塊(LB)、可編程布線池(PIA)組成。其特點是：芯片功能的定義是由陣列分布EPROM或EEPROM型的下拉MOS開關來控制。(3)基于一次性編程的反熔絲FPGA反熔絲FPGA的主要特點是功耗低，布線通路豐富，邏輯元胞粒度小。另一方面，眾所周知，采用反熔絲技術的FPGA盡管具有許多優點，但是卻有一個致命的弱點，也就是只能進行一次性編程，這就為大規模FPGA產品的開發帶來了許多不便。為了彌補這一不足，近年來，一種新型的集高密度、低功耗、非易失性和可重新編程于一身的非易失性、可重新編程的門陣列已經推向市場。(4).FPGA未來發展方向以FPGA、CPLD為代表的現場可編程邏輯電路的主要發展方向是：①為了迎接系統級芯片時代，向著密度更高、速度更快、頻帶更寬的數百萬門超大規模的方向發展。②為了方便用戶設計和特殊功能的應用，向著嵌入通用或者標準功能模塊方③為了適應全球環保潮流，向著低壓、低功耗的綠色元件方向發展。同時，模擬可編程陣列、數/?；旌峡删幊剃嚵校瑒討B可重構陣列器件等新概念的設計也正在涌現。歸納起來有以下幾點：IP庫的發展及應用。為了更好地滿足設計人員的需求，也為了擴大市場，各大現場可編程邏輯器件廠商都在不斷地擴充其知識產權(IP)庫內核，這些內核庫都有預先定義的、經過測試和驗證的、優化的和可保證正確的功能。設計人員可以利用這些現成的IP庫資源，高效率準確地完成復雜的片上系統的設計。典型的IP內核庫有Altera公司提供的LogicCORE和AllianceCORE.現場集成的設計工具及IP庫資源用于數字系統現場集成的EDA工具，主要包括設計輸入(DesignEntry),設計根據設計的需要，基于可用的元件庫和IP庫資源，設計者可反復調用工具，交錯進行電路的設計、實現和仿真。1.由Mentor技術公司開發的Modelsim,是工業上最通用的仿真器之一，可了最友好的調試環境，是唯一的單內核支持VHDL和Verilog混合仿真的仿真器。是作FPGA和ASIC設計的RTL級和門級電路仿真的首選，它采用了直接優化的編譯技術、Tcl/Tk技術、和單一內核仿真技術，編譯仿真的速度快，編譯的代碼與平臺無關，便于保護IP核，個性化的圖形界面和用戶接口，為用戶加快調錯提供強而有力的手段。全面支持VHDL和Verilog語言的IEEE標準，也支持C和Modelsim軟件是用于將設計好的程序進行編譯和仿真，驗證程序的正確性和通過查看波形圖可以總結出程序所要實現功能的正確性，以便于程序的修改。·RTL級和門級優化，本地編譯結構，編譯仿真速度快，跨平臺跨版本仿真；·集成了性能分析、波形比較、代碼覆蓋、數據流ChaseX、SignalSpy、虛擬對象VirtualObject、Memory窗口、Assertion窗口、源碼窗口顯示信號值、信號條件斷點等眾多調試功能；2.Xilinx是全球領先的可編程邏輯完整解決方案的供應商，研發、制造并銷售應用范圍廣泛的高級集成電路、軟件設計工具以及定義系統級功能的IP (IntellectualProperty)核，長期以來一直在推動著FPGA技術的發展。Xilinx的開發工具也在不斷地升級，由早期的Foundation系列逐步發展到目前的ISE系列，集成了FPGA開發需要的所有功能，其主要特點有：包含了Xilinx新型SmartCompile技術，可以將實現時間縮減2.5倍，能在最-17-浙江大學碩士學位論文-17-浙江大學碩士學位論文短的時間內提供了最高的性能，提供了一個功能強大的設計收斂環境。全面支持Virtex-5系列器件(業界首款65nmFPGA)。集成式的時序收斂環境有助于快速、輕松地識別FPGA設計的瓶頸?？梢怨澥∫粋€或者多個速度等級的成本，并且可以在邏輯設計中實現最低的總成本。芯片占有很大的市場，使其成為非常通用的FPGA工具軟件。ISE作為高效的EDA設計工具集合，與第三方軟件揚長補短，使得軟件功能越來越強大，為用戶提供了更加豐富的Xilinx平臺。ISE的主要功能包括了設計輸入、綜合、仿真、實現和下載，涵蓋了FPGA開發的全過程，從功能方面講，其工作流程不需要借助任何第三方EDA軟件。設計輸入：ISE提供的設計輸入工具包括用于HDL代碼輸入和查看報告的ISE文本編輯器(TheISETextEditor),用于原理圖編輯的工具ECS(TheEngineeringCaptureSystem),用于生成IPCore的CoreGene計的StateCAD以及用于約束文件編輯的ConstraintEditor等。綜合：ISE的綜合工具不但包含了Xilinx自身提供的綜合工具XST,同時還可以內嵌MentorGraphics公司的LeonardoSpectrum和Synplicity公司的Synplify,實現了無縫鏈接。仿真：ISE本身自帶了一個具有圖形化波形編輯功能的仿真工具HDLBencher,同時又提供了使用mentor公司的Modelsim來進行仿真的接口。實現：此功能包括了翻譯、映射、布局布線等，還具備了時序分析、管腳指定以及增量設計等高級功能。下載：下載功能包括了BitGen,用于將布局布線后的設計文件轉換為位流文件，還包括了ImPACT,其功能是進行設備配置和通信，控制將程序燒寫到FPGA芯片中去。使用ISE進行FPGA設計的各個過程涉及到的設計工具如表3.1所示[23]。表3.1ISE設計工具表設計輸入綜合仿真實現下載HDL文本輸得器StatoCAD狀態機輔輯器-18-浙江大學碩士學位論文-18-浙江大學碩士學位論文現場集成的編程方式在現場可編程集成電路的應用設計中，針對具體目標器件，需要不同的編程方式來實現目標數字系統的下載。根據不同的器件結構，目前常用的下載基本可(1).在線系統可編程技術ISP(In-SystemProgrammabilitity)。具有ISP功能的器件在下載時無需專門的編程器，可直接在已制成的系統(稱為目標系統)中或印制板上對芯片進行編程數據下載。ISP技術為系統設計和制造帶來了很大的靈活性。目前大多數CPLD新的芯片均采用ISP編程技術。(2).在線系統可重配置技術ISR(In-SystemReconfiguration)。具各ISR功能的器件也可直接在目標系統中或印制電路板上通過數據下載電纜配置和重新配置，無需專門的編程器。因為ISR器件是基于SRAM編程技術，所以在系統掉電后，芯片的編程信息會丟失。(3).一次性編程技術。具備這種編程技術的FPGA采用反烙絲制造工藝，一旦編程就不可改變，適用于高可靠性低功耗的使用場合。下面，來簡單討論以上所述的3種技術。傳統的PLD芯片需用專門的編程器來實現器件的功能定義。ISP技術則不需要用專門編程器，直接在用戶的目標系統或印制板上對PLD芯片進行數據下載，故稱為在系統可編程。具有ISP性能的CPLD器件基本上基于EECMOS工藝制造。其編程信息存儲于EEPROM內，可以隨時進行電編程和電擦除，且掉電時其編程信息不會丟失。但由于器件已經安裝在目標系統或印制電路板上，它的各個引腳與外部電路相連，因此在編程時最關鍵的問題就是如何使芯片與外部邏輯相脫離。對此，具備ISP的CPU芯片在設計時，已經采取了專門措施，使其在編程時，器件第3章FPGA與硬件描述語言器件1器件1器件2器件NTD01圖3.1單端系列邊界掃描鏈AlteraCPLD支持ISP技術，單端系列邊界掃描鏈如圖3.1所示。例如對于一個或更多個系列器件可以被連接在一起，利用一個標準的4引腳來實現JTAG協議系統內編程。JTAG(即IEEE邊界掃描標準1149.1)是一種利用軟件的測試標準。利用該標準進行在線編程，可以有效地降低成本。該標準的主要優點在于：它能利用軟件的方法有效解決復雜印刷電路板的測試問題。該標準定義了一種硬件的結構以及使用它的機理。鏈上的所有器件共享TCK和TMS信號。系統TDI信號與邊界掃描鏈的第一個器件的TDI輸入相連。來自第一個器件的TDO信號與邊界掃描鏈上的第二個器件的TDI輸入相連，依此類推。邊界掃描鏈上的最后一個器件的具有ISR功能的FPGA器件基本都采用了SRAM制造工藝，由SRAM存儲配置工作電源低于額定值時)將丟失所儲存的信息。采用這類FPGA的數字系統在每次接通電源后，首先必須對該器件的SRAM加載數據，也就是重新裝入器件功能配置數據。FPGA芯片所具有的邏輯功能將隨置入的數據不同而不同。配置器件的過程與ISP相似，也是在用戶的目標系統或印刷電路板上進行的，所以被稱為在線SRAM現場可編程門陣列(FPGA),在器件結構設計時，就設置了三個模式控表3.2顯示了FLEXIoK系列器件的配置模式一覽。其主要包括四種不同韻模式表3.2FLEK10K系列器件的配置模式配置模式主動串行模書從動并行模上拉電阻前配置方向寬度18是否無000有001有010無011邊界掃描模有100無1否無101從動串行模有1101是無111對于FPGA器件來說，可以進行主動串行模式、從動并行模式、邊界掃描模式和從動串行模式四種配置方式，通過對于M0、M1、M2分別置0和置1來決定器件的配置模式。在主動串行模式，FPGA驅動時鐘輸出來控制配置過程。而在從動串行模式，FPGA被動接收CCLK作為輸入，來控制配置過程。在兩個模式中，FPGA在每個時鐘周期下載1位數據，配置數據的最高位首先被寫到Din腳。在主動串行模式下，FPGA的時鐘CCLK輸出驅動一個串行PROM,并且將串行配置數據饋給FPGA的這是常用的一種最快速的器件配置模式。在配置時鐘頻率可達50MHz以上。設定從動并行模式，仍是由M0M1M2的電路決定，此時其值為“011”。這種配置可由微處理器，微控制器或CPLD來控制從動并行接口，這種控制可提供一定第3章FPGA與硬件描述語言位寬的配置數據下載，時鐘CCLK信號，片選(CS)信號和寫信號(Write)。如果芯在FPGA配置以后，這些從動并行端(D0-D7)仍然可以用來作為另外一些用戶I/O使用。并且，這些端也可用于8-Bit位的高速數據回讀。在采用邊界掃描式來對FPGA器件配置或回讀配置數據時，不需要使用非專進行數據配置時，需要采用專門的CFG、IN指令，這個指令可使到達TDI的輸入數據轉換成內部配置總線的數據包。(3).反熔絲(antifuse)編程技術FPGA,其邏輯功能的定義是由專用編程器，根據設計實現所給出的數據文件，對其內部的反熔絲陣列進行有的放矢的燒錄，從而使器件一次性實現相應的邏輯(a)未編程的反熔絲元胞圖3.2反熔絲原胞圖3.3給出一個典型的反熔絲開關示意圖。圖中PLICE反熔絲是在n+擴散和多3.2FPGA設計流程FPGA基本的開發流程主要包括：*設計輸入(DesignEntry);*設計仿真(Simulation);*設計綜合(Synthesize);*布局布線(Place&Route);基于ISE的FPGA設計基本流程圖如圖3.3所示功能仿真時序仿真仿真網表下載配置圖3.3基于ISE的FPGA設計基本流程設計輸入：主要有原理圖輸入、HDL輸入和狀態圖輸入三種方式，一般開發商都同時支持三種輸入方式。還有的甚至提供更多的輸入方式，如Xilinx公司的ISE6.0就提供四種輸入方式，包括EDIF網表輸入。有些熟悉硬件設計的工程師開始喜歡利用原理圖進行設計，這種方法非常直觀，但是基于可移植性和規范化方面的考慮，絕大部分深入FPGA設計和ASIC設計的工程師最終都將統設計仿真：包含功能仿真和時序仿真兩項主要內容，功能仿真忽略了綜合和布局布線導致的時延等因素，僅僅從邏輯上進行仿真，這對設計思路的驗證是有幫助的，但必須通過時序仿真作進一步驗證，發現并且修正時序問題[S。設計綜合：將HDL語言生成用于布局布線的網表和相應的約束。綜合效果直接導致設計的性能和邏輯門的利用效率，因此，很多可編程邏輯器件開發商都布局布線：工具利用綜合生成的網表，在FPGA內部進行布局布線，并且生成可用于配置的比特流文件(有了比特流文件就可以下載到板子里了)。布局布線工具與可編程邏輯器件工藝及其布線資源密切相關，一般由可編程邏輯器件開發商直接提供。3.3硬件描述語言設計方法3.3.1硬件描述語言發展概況硬件描述語言(HardwareDescriptionlanguage)是硬件設計人員和電子設計自動化(EDA)工具之間的界面。其主要目的是用來編寫設計文件建立電子系統行為級的仿真模型，即利用計算機的巨大能力對用VerilogHDL或VHDL建模的復雜的數字邏輯進行仿真.然后再自動綜合從而生成符合要求且在電路結構上可以實現的數字邏輯網表(Netlist),根據網表和某種工藝的器件自動生成具體電路.然后生成該工藝條件下這種具體電路的延時模型，仿真驗證無誤后，用于制造ASIC芯在EDA技術領域中把用HDL語言建立的數字模型被稱為軟核(softcore),把用建模和綜合后生成的網表稱為固核(Hardcore),對這些模塊的重復利用不僅縮短了開發時間，而且還提高了產品開發率和設計效率[1]。近10年來，EDA界一直對在對數字邏輯設計中采用哪種硬件語言而爭論不休，目前的情況是各有千秋。在美國，日本和中國臺灣高層次數字系統設計絕大部分都采用VerilogHDL,而在歐洲VHDL發展的比較好。VerilogHDL是專門為復雜數字系統設計仿真而開發的，本身就非常適合復雜數字邏輯系統的仿真和綜合。由于VerilogHDL在其門級描述的底層，也就是晶體管開關的描述方面比VHDL有著強大的功能，所以即使是在VHDL的設計環境下，在底層實際也是由VerilogHDL描述的器件庫支持的。在深亞微米ASIC和高密度FPGA已經成為電子3.3.3采用硬件描述語言的設計流程利用層次化、結構化的設計方法，一個完整的設計任務首先是由設計師劃分為若干個可操作的模塊，編制出相應的模型；在通過仿真驗證后，然后把模塊分給下一層的設計者。這就允許多個設計者同時設計一個硬件系統中的不同模塊，其中每個設計者都有負責自己所承當的部分，而由上一層設計師對其下層設計者完成的設計用行為級上層模塊對其設計進行驗證。為了提高設計質量，一部分模第3章FPGA與硬件描述語言塊可以通過商業渠道得到，這樣可以節省開發時間和經費。圖3.4為自頂向下設計系統級設計系統級設計模塊B模塊A1模塊A2模塊B1模塊B2模塊C1模塊C2模塊A模塊C圖3.4自頂向下設計思想自頂向下設計是從系統級開始，把系統劃分為基本單元，新產品的開發總是系統設計入手，先進行方案的總體論證、功能描述、任務以及指標的分配。復雜數字邏輯電路和系統的層次化、結構化設計隱含著對系統設計方案的逐次分解。在設計過程中的任意一個層次，至少得有一種形式來描述硬件。硬件描述通常稱為行為建模。在集成電路設計的每一層次，硬件可以分為一些模塊。該層次的硬件結構由這些模塊互相描述。這些模塊稱為該層次的基本單元，而該層次的基本單元又有下一層次的基本單元互連而成。(3)具體模塊的設計編譯和仿真過程在不同的層次做具體模塊的設計所用的方法也有所不同。在高層次上往往編寫一些行為級的模塊通過仿真加以驗證，其主要的目的是系統性能的總體考慮和各模塊的指標分配，并非具體電路的實現，因此綜合以上的步驟往往不需要進行；而當設計接近底層時，行為描述往往要用電路邏輯來描述實現。此時模塊不但需要通過仿真加以驗證，而且還要通過進行綜合、優化和后仿真。總之，具體電路是從底向上逐步實現的。圖3.5簡要的說明了模塊的編譯和測試過程。電路圖設計文電路圖設計文HDL設計文電路功能仿HDL功能仿確定實現電路的合生成的網絡類優化、布局布線有問題電路制造工藝文件與物理器件相關的布局HDL設計文沒問題圖3.5HDL設計流程設計驗證：進行各種仿真的一系列步驟。如果仿真中遇到問題，就返回設計的工藝各不相同，因此當用不同廠家的不同器件來實現已驗證的邏輯網表(EDIF本章著重介紹了FPGA以及FPGA的一些基本原理，還有硬件描述語言以及26-浙江大學碩士學位論文第4章直流電機系統設計方案第4章直流電機系統設計方案4.1直流電機控制實現方案的比較4.1.1以DSP為核心的電機控制系統與單片機的電機控制系統的比較使用高性能的數字信號處理器(DSP)來解決電機控制器不斷增加的計算量和速度需求是目前最為普遍的做法之一。將外部設備比如模數轉換(A/D),脈寬調制發生器(PWM),以及信號處理器(DSP)等結合在一起，就可以獲得一個功能強大又非常經濟的電機控制的專用DSP芯片。近些年來，各種集成化的單片DSP性能得到了很大的提高，軟件以及開發工具越來越多，也越來越好，但是價格卻大幅降低。低端產品的價格已經和單片機的價格非常接近，但是卻比單片機有著更好的性價比。越來越多的單片機擁護開始選擇DSP來提高產品的性能，DSP器件已經越來越多的開始取代高檔單片機。首先，與單片機相比，DSP具有更高的集成度。DSP器件擁有更快的CPU,存儲容量更大的存儲器，內置的波特率發生器以及FIFO緩沖器，并且提供高速和同步的串口以及標準的異步串口。有的DSP芯片內集成了A/D轉換和數據采樣/保持電路，可以提供脈寬調制(PWM)的輸出。更加不同的是，DSP作為精簡指令器件，大部分的指令都可以在一個周期之內完成，而且經過并行處理技術，具有獨立結構和數據空間，允許同時存取數據和程序。DSP內部有內置了高速度的乘法器，多級的流水線，使得DSP的器件就擁有高速度數據的計算能力。而單片機作為復雜指令系統計算機(CISC),多數指令要2~3個指令周期內完成。單片機采用了馮.諾依曼結構，數據和程序都在同一個空間內存取，同一個時刻不能單獨訪問指令和數據，ALU只能做加法，乘法器的工作需要由軟件來實現，因此需要占用更多的指令周期，所以運行速度較慢。由此可知，結構上的不同使得DSP比16位單片機單指令執行速度快8~10倍，完成一次乘法運算要快16~30倍。不僅如此，DSP還提供了高度專業化的指令集，提供了FFT快速傅里葉變換和濾波器的運算。除此之外，DSP還提供了JTAG(JointtestActionGroup)接口，具有更先進的開發手段，批量生產測試更加方便。其次，基于DSP器件制造的電機控制器可以大大地降低對于傳感器等外部器27-浙江大學碩士學位論文第4章直流電機系統設計方案件的要求。通過復雜的算法可以達到同樣的控制性能，不僅降低了成本，而且提高了可靠性，有利于專利技術的保密。現在各大DSP芯片廠商都在推出自己的內嵌DSP電機控制專用集成電路，比如占DSP市場45%的美國德州儀器公司，他們憑借著自己的實力，推出了電機控制器專用DSP芯片-TMS320C24x。新的TMS320C24xDSP采用TI公司的TMS320C2xLP16位定點DSP內核，并且集成了一個電機事件管理器，電機事件管理器的特點是以最佳方式來實現對電機的控制。這個器件利用了TI的可重用DSP核心技術，顯示出了TI的特殊能力通過在單一的芯片上集成了一個DSP和混合信號的外設，制造出面向各種應用的DSP方案。TMS320C24x作為歷史上第一個數字信號處理電機控制器的專用DSP器件，可以支持用于控制電機的指令產生，控制算法的處理，數據的交流，還有系統監控的功能等等。集成的DSP內核，最優化的電機控制事件管理器還有單片式的A/D設計等等諸多的功能模塊加在一起，就可以提供一個單芯片式的數字電機控制方案。第三，DSP芯片運算速度快，控制策略中可以使用先進的實時算法，可以大大提高控制系統的品質。而且DSP的軟件可以用C語言或者匯編語言又或者兩者嵌套使用。因此使用DSP芯片制造的電機控制器更加便于用戶的調試和應用。最后，在越來越多的場合，比如電動汽車，紡織行業，水泵變頻調速系統等，他，他們往往是規模較大，時序、組合邏輯都很復雜的情況，這時候如果同時運用DSP和一些其他的可編程邏輯可以大大減小系統的體積，提高系統的運算能力，實現更加復雜的適時控制。4.1.2FPGA設計與單片機設計的比較1.FPGA運行速度快FPGA內部集成鎖項環，可以把外部時鐘倍頻，核心頻率可以到幾百M,而單片機運行速度低的多，在高速場合，單片機無法代替FPGA2.FPGA管腳多，容易實現大規模系統單片機I/O口有限，而FPGA動輒數百I?O,可以方便連接外設。比如一個系統有多路AD、DA,單片機要進行仔細的資源分配，總線隔離，而FPGA由于豐富的I/O資源，可以很容易用不同I/O資源連接各外設。3.FPGA內部程序并行運行，有處理更復雜功能的能力單片機程序是串行執行的，執行完一條才能執行下一條，在處理突發事件時28-浙江大學碩士學位論文第4章直流電機系統設計方案只能夠調用有限的中斷資源；而FPGA不同邏輯可以并行執行，可以同時處理不同任務，這就導致了FPGA的工作效率更高。以，FPGA又是單片機和DSP的超集，也就是說，單片機和DSP能實現的功能，FPGA都可以實現。4.1.3硬件描述語言設計與傳統技術設計對比硬件描述語言特點硬件描述語言是一種獨立于現實技術的語言，它不受某一特定工藝的束縛，允許設計者使用范圍內選擇工藝和方法。為了適應未來的數字硬件技術，硬件描述語言還提供了將新技術引入現有設計的潛力，硬件描述語言最大的特點是描述的能力非常強，覆蓋了邏輯設計的諸多領域和層次，將支持眾多的硬件模型。VHDL是一種全方位的硬件描述語言，包括系統行為級、寄存器傳輸級和邏輯門級多個設計層次，支持結構、數據流、行為三種描述形式的混合描述，因此VHDL幾乎覆蓋了以往各種硬件描述語言的功能，整個自頂向下或自底向上的電具體而言硬件描述語言有如下的優點：1.支持從系統級到門級電路的描述，同時也支持多層次的混合描述；描述形式可以是結構描述，也可以是行為描述，或者兩者兼而有之。2.不僅支持自底向上(bottom-up)的設計，也支持自頂向下的設計(top-down)3.不僅支持同步電路，也支持異步電路；不僅支持同步方式，也支持異步4.支持傳輸延遲，也支持慣性延遲，可以準確地建立復雜電路的硬件模型。5.支持過程與函數的概念，有助于設計者組織描述，對行為功能進行進一6.提供了將獨立的工藝集中于一個設計包的方法，便于作為標準的設計文檔的保存，也便于設計資源的重用。7.提供了向設計實體傳送環境信息的能力。8.斷言語句可用來描述設計本身的約束信息，支持設計直接在描述中書寫29-浙江大學碩士學位論文第4章直流電機系統設計方案錯誤條件和特殊約束，不僅便于模擬測試，而且為綜合化簡提供了重要的信息。硬件描述語言設計與傳統設計技術的優勢比較(1).傳統的設計方式就小規模的設計靈活性和集成度來說，低于500門的簡單CPLD經常被成功地采用。其傳統的設計技術，諸如卡諾圖，常用于生成在CPLD中實現設計功能的設計方程。使用具有一定語言規則的簡單語言來形成組合，設計者首先以數據文件的格式著手設計方程，然后由軟件來進行方程的綜合，最后形成一個用于CPLD器件編程的數據文件。(2).傳統設計方式的缺點對于采用CPLD、FPGA或者ASIC的大型系統，上述傳統的邏輯方程的形式是行不通的，傳統技術生成邏輯方程的方式不僅費時又容易出錯，而且在方程式中查找錯誤也是很困難的。同樣，圖形輸入設計方式也是有局限的。圖形輸入方式有許多優點，例如：不僅可以提供設計的圖形觀察，還具有支持圖形的軟件工具，使設計構成模塊化形式。但是，對于大型復雜的設計，純圖形的輸入也是有其弊①控制邏輯往往必須用傳統設計技術產生。③原圖的保持比較困難，在設計實現過程中，經常需要對設計進行修改，同時，在實現過程中，設計構圖的形式也會隨之改變。③原圖的方式經常需要附一個文本來描述它的設計構思和功能，用英語或其他語言形式以能夠對用戶提供設計解釋。VerilogHDL與VHDL都是用于邏輯設計的硬件描述語言，都已成為IEEE的標準。之所以VHDL比VerilogHDL早成為IEEE標準，是因為VHDL是美國軍方組織開發的，而VerilogHDL則是從一個普通的民間公司開發來的，基于VerilogHDL的優越性才成為IEEE標準，因此有更強的生命力。VHDL全名為VeryHignLanguage,而VHSIC是VervHignspeedIntegratedcircuit的縮寫，意為超高速集成電路，因此VHDL準確得翻譯應該為超高速集成電路的硬件描述語言。VerilogHDL與VHDL同樣作為硬件描述語言，共同點在于：能形式地抽象表30-浙江大學碩士學位論文第4章直流電機系統設計方案示電路的行為和結構，支持邏輯設計中層次和范圍的描述，可借用高級語言的精巧結構來簡化電路行為的描述，具有電路仿真與驗證機制以保證設計的正確性。與VHDL相比，Verilog最大的優點在于：它是一種非常容易掌握的語言，只要有C語言的基礎，經過20個學時的學習，再通過一段時間的實際操作，就可以掌握此設計技術；而VHDL設計技術就比較困難。這是因為VHDL不直觀，還需要有Ada的編程技術，一般要經過半年以上地培訓才可以掌握。VerilogHDL在系統級抽象方面比VHDL要略差一點。而在門級開關電路描述方面比VHDL強得多。FPGA:時序控制能力很強(時序能力強，沒有指令周期，速度快)?？刂颇芰^強(由于沒有指令集，不如ARM和單片機)。數字信號處理及算法弱(這里講的弱是指內部不集成DSP的前提下)。DSP:時序控制能力較弱(沒辦法。有了指令集，就有指令周期。而且受到時鐘約束)?？刂颇芰Ρ容^強(有指令集。但是不是專業搞控制的)。數字信號處理及算法強。鑒于FPGA加上硬件描述語言的設計方法與單片機以及DSP等設計方法之間的對比，本次設計采用FPGA加上硬件描述語言進行設計。4.2系統設計框圖系統設計框圖如圖4.1所示。31-浙江大學碩士學位論文第4章直流電機系統設計方案頻率設定PWM波發生器PWM輸出PID算法模塊誤差值圖4.1系統設計框圖PWM波發生器模塊：目前，采用全控型的開關功率元件進行脈寬調制(PulseWidthModulation,簡稱PWM)控制方式已成為直流電機控制的主流。開關是使半導體功率器件工作在開關狀態，通過更改脈寬調制(PWM)的占空比來控制電動機電樞電壓，實現調速。在PWM信號的激勵下，電動機電樞繞組兩端的平均電壓輸出波形的占空比)。在此基礎上，加上閉環的控制回路，便可以達到對速度的穩定控制。本次設計PWM產生模塊的主要內容就是要設計一個可調占空比的PWM來控制直流電機的轉速。而PWM占空比的調節主要來自于PID算法的對于誤差值的調節，由于直流電機的實際轉速與設定值之間有誤差，所以采用PID算法來消除，改變PWM的占空比，從而實現調整直流電機的轉速的功能。PWM模塊的輸入是PID算法輸出的占空比值，以及時鐘，PWM模塊的輸出是一個經過PID調整過占空比的脈沖。PID算法模塊：PID算法模塊的作用就是要消除直流電機的實際轉速與設定值32-浙江大學碩士學位論文第4章直流電機系統設計方案之間的誤差。所以PID算法是本次設計的重點。PID模塊的輸入是設定值與直流電機實際轉速的誤差值，這個誤差值經過PID算法得到一個數值，這個數值就是PWM的占空比，如何調節直流電機的轉速就是要調節這個PID算法的輸出值。傳統的PID算法模擬控制器是一種線性調節器，包括了微分，積分等部分，占用資源較多，本次研究一種占用資源較少的增量式PID算法，其實通過對模擬PID算法規律離散化得到的，其中只有比例調節，沒有積分和微分，從而減少了對資源的占用。4.3設計的目的及其要求實現PWM對直流電機的驅動本次研究的目標是研究基于FPGA平臺采用PID算法調節PWM的占空比，從而調節直流電機的轉速，以及研究PID算法對于控制系統。4.4本章小結本章主要介紹了通過FPGA、DSP、單片機之間的對比選擇本研究的方案。以及主要模塊劃分以及各模塊的功能介紹。第5章模塊設計5.1PID控制模塊△u(k)=u(k)-u(k-1)=K[e(理想微分圖5.1實際微分PID算法方框圖這樣算法的設計思路是人為設置為控制不靈敏區eo,當偏差在不靈敏區范圍內化工等行業獲得廣泛應用。隨著電子協同設計自動化5.1.1增量式PID控制算法第5章模塊設計浙江大學碩士學位論文第5章模塊設計增量式數字PID的FPGA設計與實現由式(3)可得到增量式PID算法中只要存儲最近三個誤差采樣值e(k),e(k-1)和e(k-2),就可以實現其功能，實現此增量式PID控制算法的結構圖如圖5.2所十X圖5.2增量式PID控制算法結構圖在圖5.2中，e(k),e(k-1)和e(k-2)是誤差的采樣值，m1、m2、m3是給定采樣周期和比例常數后即可計算出的常數值，△u是增量式PID控制系統的輸出值。假定實際控制系統中誤差e(k)的位寬為8位，其他的三個參數ml、m2、m3,也采用8位的位寬。因此在使用VHDL語言實現PID控制算法中的乘法和加法運算時，可以采用16位定點運算的方法，其格式是最高位表示符號位，其余位表示數值位。當最高位為0時，表示為正，最高位為1時，表示為負。由于在設計時采用定點(fixed-point)16位的格式作為算術運算的標準格式，因此數值的有效表示范圍為-32767~32767,用以表示實際的數值-3.2767~+3.2767。圖5.3所示為數值轉換圖。此種格式的精度可以達到小