基于FPGA的红外测速直流电机调速系统设计

基于FPGA的红外调速直流电机控制器摘要直流电机具有良好的调速性能，在对调速性能要求比较高的场合获得广泛应用。生产生活中，控制器性能优劣直接关系到直流电机在调速过程中的运行稳定性，研究并设计更加合理的直流电机控制系统具有实际的应用价值。当前FPGA+NIOS+EDA工具构成的数字系统现场集成技术以其操作的灵活性、广泛的利用性和开发成本低的特点日益凸显出广阔的发展潜力。本文为实现直流电机的调速数字控制，以步进电机为基础，FPGA技术为技术支撑，采用Verilog软件硬化的设计思路，设计了一种具有连续可调特点的脉冲信号发生器。系统设计以EP4CE6E22C8N芯片为控制核心，实现全数字化的控制方案。采用模块化的设计思路，系统设计、维护方便，整体性能扩展性较好。对直流电机基本工作原理及其转速调节的控制方式作了详细介绍；具体阐述FPGA设计原理，设计过程中所应用到的具体芯片；简要介绍Verilog硬件描述语言。基础知识为本系统的设计奠定扎实的理论依据。软硬件设计结束后，对系统功能实现的每个单元模块进行仿真测试，最终实验结果表明，本直流电机调速系统电机转速调节灵活，测速精度较高，指定设计要求全部正常实现。关键词：直流电机，现场可编程门阵列，调速，硬件描述语言1第一章绪论1.1课题背景1985年Xilinx公司推出第一款现场可编程逻辑器件，简称FPGA。历经二十多年的坚实发展，以FPGA技术为主要代表的数字系统现场集成开发已逐步受到业界广泛关注与应用，获得飞速发展。FPGA系统从初始的仅有1200个逻辑门到上世纪90年代25万个逻辑门再到当今国际知名FPGA生产厂商，包括Altera公司、Xilinx公司等相继研发的百万级逻辑门的FPGA芯片，现场可编程器件在集成度水平方面获得了卓有成效的进步。FPGA技术具有上市时间，效能成本，可靠性以及长期维护等五个主要优势特色。下面分别介绍了其各自的优势特征。上市时间FPGA技术可进行弹性和快速原型制作。这就意味着开发者可直接应用硬件去完成测试或者检验某个想法，继而省去ASIC建构设计的繁琐过程，只需几个小时就可以完成变更作业任务或直接替换原有FPGA设计，开发周期明显缩短。同时通过对已有硬件选择使用各式I/O，可输出到用户指定FPGA芯片。新一代软件工具的使用也增强了它的适应性，特别是减少了抽象层学习时间。效能与数字信号处理器(DSP)计算能力相比，FPGA利用自身硬件的平行机制，以每时脉循环而不是按传统依序执行的工作方式完成指定作业。其中BDTI公司通过在应用系统中增设DSP解决方案的方式实现FPGA处理效能的计算。并且为减少回应时间和具体化特定功能，可在硬件层设置I/O的控制方式。成本通常对于系统的需求是不断变化的，与ASIC用于重置研发的费用相比，FPGA再次设计开发成本很低，甚至可忽略。可将ASIC设计的初始投资归纳为OEM出货的晶片上，然而大多数用户为方便开发数百组系统，还是需要定制硬件功能。此时若使用可程式化晶片，可完成低成本的硬件架构任务以及缩短组装作业的前置时间。可靠性2FPGA电路的建构方式同大多数软件工具的程序化设计环境基本类似。其中央处理器的架构系统能够设置多个抽象层，可实现多重处理程序之间资源共享与作业编排。作业系统负责对处理器频宽以及记忆体进行管理，由驱动层控制硬件资源。现有各式处理器核心基本都只能实现每次执行一组指令码，而处理器架构则能对多个连续的重要作业同时处理。FPGA使用平行执行功能和专属精密硬件去执行作业，无需借助作业系统，把问题出现的几率降低到最小。长期维护FPGA芯片可即时升级，节省出使用ASIC进行再次设计的时间和金钱。比如数位通讯规格能因时间变化而改变，而ASIC体系界面容易产生维护与向下相容的矛盾。FPGA技术可重设特点为方便以后需求变化带来的修改。只要系统趋于成熟，不再要求重新设计时，可直接提升相关功能。1.2研究目的及其内容直流电机包括直流电动机和直流发电机两类。其中直流电动机凭借其优良的启动特性与调速特点，在机床、轧钢机和无轨电车等装有电气传动调速装置中获得广泛应用；直流发电机通常作为直流负载的电源装置。除此之外，较小容量的直流电机一般作为测量或者执行元件，如安装在自控系统中的伺服电动机、测速发电机等。将FPGA应用到嵌入式系统中，在系统设计初期，设计者无需对每个功能模块规定软件或者硬件实现要求。即使设计过程中按照需求添加其他必要功能，也只需利用FPGA已有硬件资源即可实现对软件代码中瓶颈部分加速运行。同时FPGA逻辑单元具有可编程功能，能够针对具体应用来定制硬件。只要FPGA中的逻辑单元数量足够，设计人员只要使用所需硬件就能满足开发要求，不需要任何板级的改变。为加强设计的灵活性，可采用带有可配置处理器的FPGA，有利于设计者对软件代码中的每个模块，包括定制指令或硬件外围电路做出选择。当然也可采用添加定制硬件的方式实现比已有微处理器更佳的性能。可配置处理器系统可充分利用FPGA内部资源丰富的优势。一般来说，算法的实现既可借助软件，也能利用硬件。通常在系统本身要求的处理速度不高前提下，因为成本因素我们会选择软件方式实现多数操作。尽管软件能够通过进一步优化实现算法速度的提升，但却远远不及硬件加速。FPGA技术的一大特色在于便捷的软硬件模块互相交换，不需要改变处理器或板级变动。设计者综合考虑运3行速率、硬件逻辑、存储器、代码大小和成本并做出选择。当前，尽管大多数直流电源已借助晶闸管整流元件得以实现，逐渐代替以往的直流发电机，然而直流电动机扔因为其优异的调速性能被应用到众多高精细传动设备中。结合FPGA强悍的性能和优势，研究并设计基于FPGA的直流电机调速控制系统具有一定的现实意义和实用价值。1.3研究内容与安排1.3.1研究内容本文根据上述FPGA特点，以直流电机为研究对象，基于FPGA设计平台，采用硬件描述语言加NIOS内核的设计思路，研究并设计了基于FPGA的红外测速直流电机调速系统。具体研究内容如下：1．查找翻阅相关文献和书籍，研究直流电机基本工作原理和控制方法，分析PWM调速控制方式主要原理。2.研究分析NIOS内核，采用模块化的设计思路，对液晶显示模块、键盘模块以及控制电路等单元模块进行设计。3.重点对NIOS内核的使用和电机PWM控制方法进行研究，寻求最佳的系统解决方案。1.3.2论文的内容安排系统设计内容主要包括五个章节：第一章概述选题背景和研究内容；第二章系统阐述直流电机工作原理和特点，分析实物制作的现实意义，提出使用NIOS内核控制直流电机的可行性；第三章主要介绍FPGA的相关知识，加深对硬件描述语言Verilog和NIOS内核的理解；第四章具体描述整体设计思路并深入分析各个模块功能与实现，设计整体电路；第五章介绍外围电路设计方案。1.3.3系统主要组成和实现方案本系统设计选用EP4CE6E22C8N为主控芯片，利用红外槽型光耦检测直流电机转速并通过LCD1602进行显示。使用按键设定电机工作状态，采用闭环PID算4法控制直流电机运转状态和转速调节。采用VerilogHDL语言在FPGA内部构建NIOS内核，并通过IDE软件编写C语言程序。系统结构框图如图采用VerilogHDL语言在FPGA内部构建NIOS内核，并通过IDE软件编写C语言程序。图1.1系统框架结构EP4CE6E22C8NNIOS内核红外光耦转速检测模块电机驱动模块按键电路5第二章直流电机的基本知识2.1直流电机的工作特点相比于交流电动机，直流电动机在调速性能和启动性能方面更胜一筹。简单来说，直流电动机工作特点主要有：1.可在较宽范围内进行平滑无级调速；2.频繁无级快速启动、制动和正反转切换；3.过载能力强，可承受频繁启停下冲击电流影响；4.在对转速调节具有较高要求的自动化生产中发挥重要作用。5.直流发电机可为负载提供稳定大功率直流电源，其输出电压在一定范围内可按要求精确调节。直流电机同样存在着不足和缺陷：一方面其制造工艺比较复杂，使用有色金属多，换向器需要定期维护，因而生产成本较高；另一方面电机运行过程中电刷与换向器接触易生火花，可靠性较差。现今许多对调速性能要求不高的场合逐渐采用交流变频变压方式实现电机调节。然而在某些特殊领域，如对金属进行精细化切削加工时，为保证加工件精度，需要电动机能够满足调速范围大、快速性高、精密度好、控制性能优异的要求。2.2直流电机的基本结构直流电机总体上看主要就是由定子和转子两大部分构成。定子除了负责支撑固定电机以外，主要作用是产生旋转磁场。一般的，定子主要是由成对的主磁极、两侧的换向磁极、电刷装置以及外围的固定机座等部分构成；转动的转子亦称为电枢，主要包括铁芯、电枢绕组、换向器、转轴等。电枢上的绕组通电后其周围会产生感应电动势，并在磁场力的作用下生成电磁转矩。转子与定子之间有一定的间隙，我们称之为气隙。直流电机内部结构图如图2.1所示。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6图2.1直流电机的结构下面分别对直流电机主要组成部分进行介绍：1．主磁极主磁极由定子铁芯和励磁绕组构成，起到产生主磁通的作用。其中铁芯部分通常采用导磁性能良好的硅钢片叠加而成；励磁绕组部分采用绝缘铜线进行叠绕而成，各主磁极线圈相互串联并与铁芯绝缘。主磁极一般成对出现，按N极和S极顺序交替排列。2．换向磁极换向磁极安装在两个主磁极之间，由换向铁芯和换向绕组构成，其能够产生附加磁场，改善电机的换向性能，一般用在1kW以上的大直流电机中。换向绕组应与电枢绕组串联。直流发电机运行过程中，换向极极性应与电枢导体将要进入的主磁极极性保持一致；而在直流电动机中，则应与电枢导体刚离开的主磁极极性保持一致。3．机座机座主要有两个作用，一是固定主磁极、换向磁极和端盖；二是作为电机磁路流通载体，又可称为磁轭。机座一般用铸钢或钢板焊接制而成。4．电刷装置直流电机中，用于连接电枢绕组与外电路的装置称为电刷。它是由电刷、刷握和刷杆座组成。电刷采用石墨制成导电块置于刷握内，并用弹簧压指将它压触在换向器上。电刷和刷杆之间用铜绞线连接，刷杆绝缘处理后装在刷座上。5．电枢铁芯电枢铁心由导磁性能良好的硅钢片冲叠而成，可减少电枢在旋转磁场中产生7的涡流和磁滞损耗。其作用是流经磁通并为电枢绕组提供绕线槽。电枢铁心有轴向通风孔用以冷却。6．电枢绕组电枢绕组是产生感应电动势和电磁转矩的主要部分，负责完成电能与机械能的转换。其采用漆包线叠绕，并嵌入电枢铁心槽内，按规则连接而成。为避免电枢旋转引起的离心力造成绕组脱槽，一般用槽楔将嵌入槽内的绕组压紧。7．换向器换向器由多个铜制换向片组成，它们叠成圆筒形，固定在一个绝缘套筒上，片与片之间用云母片绝缘。每一片换向片都要与电枢绕组每根引出线焊接，实现直流电流转变为电枢绕组内的交变电流，最终形成固定方向电磁转矩，带动电机持续转动。2.3直流电机的基本方程式通过研究直流电动机方程式可更加直观的分析直流电动机主要性能，常用的基本方程式包括电压方程式、转矩方程式、功率方程式等。本文以直流并励电动机为例，具体阐释电动机电压、转矩和功率之间的关系。并励电动机的特点是励磁绕组与电枢绕组并联，且均由同一直流电源供电。当电动机接入直流电源后，励磁电流fI流经励磁绕组，形成主磁场；电枢电流aI流经电枢绕组，并与主磁场共同作用产生电磁转矩T，转子跟随T的方向按照平均转速运转，实现电能转换成机械能，拖动后续生产机械运行。1.电压方程式众所周知，在上述电动机中，励磁回路与电枢回路是两个主要的电流回路。这里只对电枢回路中的电压、电流和电动势之间的关系进行分析。电动机上电运行后，转子切割磁感应线产生电枢电动势aE，因其与电枢电流aI方向相反，称为反电动势。忽略电枢内阻压降aaRI，则电源电压U与aE相平衡。由此可得电压方程式：aaaRIEU上式表明，直流并励电动机通电运转状态下，电枢电动势aE恒小于电源端电压U。2.转矩方程式电动机稳定运行以后，转轴上主要存在三个转矩：电磁转矩T、空载转矩8T0以及负载转矩TL。其中T为驱动性质转矩，它的出力方