畢業(yè)設(shè)計（論文）基于FPGA直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計

1、基于fpga直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計摘要:運(yùn)動控制技術(shù)的發(fā)展是制造自動化前進(jìn)的旋律，是推動新的產(chǎn)業(yè)革命的關(guān)鍵技術(shù)，而直流電機(jī)控制模塊則是運(yùn)動控制系統(tǒng)中極為重要的組成部分，在傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)中，對于小功率直流電機(jī)的控制常采用微處理器或單片機(jī)作為控制核心以軟件方式實現(xiàn)電機(jī)控制功能。在集成電路、現(xiàn)代電子技術(shù)及控制理論飛速發(fā)展的今天，電機(jī)控制技術(shù)也得到了飛快的發(fā)展，電機(jī)控制器也由模擬分立元件構(gòu)成的電路向數(shù)?；旌?、全數(shù)字方向發(fā)展。由于fpga具有靈活的編程功能，能實時方便地實現(xiàn)復(fù)雜的控制算法，從而提高了控制性能。本論文主要研究了fpga芯片在直流電機(jī)控制器中的作用。論文首先對直流電機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了綜合性論述。對系

2、統(tǒng)組成及系統(tǒng)中主要部分進(jìn)行了較詳細(xì)的說明；并且提出了與本研究相關(guān)的控制機(jī)理和實施方案。其次，論文對fpga芯片的特點(diǎn)及配置電路以及以fpga-flex10k10為核心的控制電路的組成進(jìn)行了較詳細(xì)的論述；同時對超高速集成電路硬件描述語言（vhdl）的特點(diǎn)和應(yīng)用進(jìn)行了研究；并提出了應(yīng)用fpga芯片對直流電機(jī)速度進(jìn)行控制的系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理。fpga在電機(jī)控制中，最基本的要起三個作用：組合邏輯、計數(shù)器和狀態(tài)機(jī)。關(guān)鍵詞：直流電機(jī)； 控制器； 現(xiàn)場可編程門陣列； 硬件描述語言自動化0701-鐘媛dc motor drive system based on fpga designabstract：the

3、development of motion control technology is to create automated melody forward, is to promote a new industrial revolution in the technology, and dc motor control module is the motion control system is a very important part of the , in the traditional control system for low-power dc motor control is

4、often used as a control microprocessor or microcontroller core. the way the motor control software. in integrated circuits, modern electronic technology and the rapid development of control theory today, motor control technology has also been a rapid development, the motor controller discrete compon

5、ents from the analog to digital and analog mixed circuit, all-digital direction. the fpga with a flexible programming features, easy to implement complex real-time control algorithms, resulting in improved control performance. in this thesis, the fpga chip in the role of dc motor controller.firstly,

6、 the dc motor system for a comprehensive discussion. system components and systems for the main part of a more detailed explanation; and made relevant to the study and control mechanism and implementation.secondly, the paper on the characteristics and configuration of fpga chip to fpga-flex10k10 cir

7、cuit and control circuit as the core of the composition discussed in detail; the same time, high speed integrated circuit hardware description language (vhdl) and application characteristics of the study; and proposes the application of fpga chips on the dc motor speed control system structure and w

8、orking principle.keywords: dc motor， controller，fpga(field programmable gate arrays)， vhdl(vhsic hardware description language) 目錄第1章 緒 論31.1 課題的來源31.2 課題研究的目的和意義31.3 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀31.4解決的主要問題3第2章 直流電動機(jī)系統(tǒng)綜述32.1系統(tǒng)組成32.2位置傳感器32.2.1 霍爾元件式位置傳感器32.2.2 光電編碼器32.3逆變器和功率器件32.3.1功率器件的發(fā)展32.3.2 igbt的構(gòu)成32.3.3 igbt的工作

9、原理32.4驅(qū)動電路及直流電源32.4.1驅(qū)動電路的特征32.4.2 igbt的集成驅(qū)動器m57962al32.4.3 驅(qū)動電路的供電電源32.5 控制機(jī)理及實施32.5.1 脈寬調(diào)制波形的產(chǎn)生32.5.2 反饋信號的測量32.5.3 控制電路的功能3第3章 fpga及其所組成的控制器33.1 fpga芯片及配置電路33.1.1fpga芯片的特點(diǎn)33.1.2 fpgaflex 10k系列器件的配置33.2控制電路組成33.3硬件描述語言vhdl33.3.1 vhdl語言簡介33.3.2 vhdl語言的三種描述方式33.4 用fpga實現(xiàn)對電機(jī)的速度控制33.4.1 系統(tǒng)工作框圖與原理33.4.

10、2 計數(shù)器應(yīng)用33.4.3 脈寬調(diào)制信號（pwm）33.4.4 速度檢測3結(jié)論3致謝3參考文獻(xiàn)3第1章 緒 論1.1 課題的來源電機(jī)是一種能量轉(zhuǎn)換的裝置，在國民經(jīng)濟(jì)中起著重要作用，無論是在工農(nóng)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸、國防宇航、醫(yī)療衛(wèi)生、商務(wù)與辦公設(shè)備，還是日常生活中的家用電器，都大量的使用著各種各樣的電機(jī)，如汽車、電視機(jī)、電風(fēng)扇、空調(diào)等等也離不開電機(jī)。同時，在越來越多的應(yīng)用場合，只能旋轉(zhuǎn)的電機(jī)己無法滿足要求，而是要求能夠?qū)崿F(xiàn)快速加速、減速或反轉(zhuǎn)以及準(zhǔn)確停止等功能。必須尋找新的電機(jī)控制器來適應(yīng)時代的發(fā)展。電機(jī)的控制器經(jīng)歷了從模擬控制器到數(shù)字控制器的發(fā)展。由于模擬器件的參數(shù)受外界影響大，而且精度也較差。數(shù)

11、字控制器與模擬控制器相比較，具有可靠性高、參數(shù)調(diào)整方便、控制精度高、對環(huán)境因素不敏感等優(yōu)點(diǎn)。隨著工業(yè)電氣化、自動控制和家電產(chǎn)品等領(lǐng)域?qū)﹄姍C(jī)控制產(chǎn)品的需求，人們對電機(jī)控制技術(shù)的要求有所提高。由于傳統(tǒng)的8位單片機(jī)其內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)和計算功能等條件限制，在實現(xiàn)各種先進(jìn)的電機(jī)控制理論和高效的控制算法時遇到了困難。因此，目前最為普遍的做法是使用高性能的數(shù)字信號處理器(dsp)來解決電機(jī)控制器不斷增加的計算量和速度的需求1。將一系列外圍設(shè)備如模數(shù)轉(zhuǎn)換器、脈寬調(diào)制發(fā)生器、和數(shù)字信號處理器集成在一起組成復(fù)雜的電機(jī)控制系統(tǒng)。隨著eda技術(shù)的發(fā)展，用基于現(xiàn)場可編程門陣列fpga的數(shù)字電子系統(tǒng)對電機(jī)進(jìn)行控制，為實現(xiàn)電動

12、機(jī)數(shù)字控制提供了一種新的有效方法?，F(xiàn)場可編程門陣列(fpga)器件集成度高、體積小、速度快，以硬件電路實現(xiàn)算法程序，將原來的電路板級產(chǎn)品集成為芯片級產(chǎn)品，從而降低了功耗，提高了可靠性2。電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)采用fpga實現(xiàn)數(shù)字化控制,是電氣傳動發(fā)展的主要趨勢。采用fpga控制后,整個調(diào)速系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)快速加速、減速或正/反轉(zhuǎn)以及準(zhǔn)確停止、在線調(diào)速等功能,操作維護(hù)方便,電動機(jī)穩(wěn)態(tài)運(yùn)轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)速精度可達(dá)到較高水平,靜動態(tài)各項指標(biāo)均能較好地滿足工業(yè)生產(chǎn)中高性能電氣傳動的要求。由于fpga的外部連線少,電路簡單,便于控制,具有較佳的性能價格比,所以在工業(yè)過程及設(shè)備控制中得到日益廣泛的應(yīng)用3。1.2 課題研究的目的

13、和意義直流電機(jī)大多數(shù)采用pwm（脈寬調(diào)制）的方法進(jìn)行控制，它有兩種模式：一種是采用模擬電路控制，另一種是采用數(shù)字的控制。模擬控制由于其調(diào)試復(fù)雜等固有原因，正逐漸被淘汰。而在數(shù)字控制技術(shù)中，fpga的數(shù)字pwm控制具有精度高，反應(yīng)快，外部連線少，電路簡單，便于控制等優(yōu)點(diǎn)廣泛的被人們使用，應(yīng)而研究fpga具有十分重要的意義。對于本次設(shè)計目的在于：（1）掌握基于fpga的直流電機(jī)pwm控制原理，學(xué)會應(yīng)用eda技術(shù)進(jìn)行編程（2）通過對本課題的研究,掌握eda開發(fā)技術(shù)的編程方法，培養(yǎng)創(chuàng)新意識和理論聯(lián)系實際的學(xué)風(fēng)。熟悉現(xiàn)代電子產(chǎn)品的設(shè)計流程。fpga用于控制領(lǐng)域特別是電機(jī)控制還是比較少的，本設(shè)計為電機(jī)控制

14、系統(tǒng)提供一種的控制技術(shù)，在電機(jī)控制方面作了一些片內(nèi)系統(tǒng)的初步研究。本設(shè)計利用altera公司的fpga芯片flex10k10作為目標(biāo)器件來控制直流電機(jī)，分析了現(xiàn)代電子產(chǎn)品的設(shè)計方法，并初步研究了fpga產(chǎn)生pwm信號的方法。本設(shè)計將電機(jī)控制所使用的一些基本功能盡可能地集成在一片fpga上，本設(shè)計論述了利用fpga對直流電機(jī)進(jìn)行控制時所起的各部分功能，并利用硬件描述語言對pwm波在fpga中進(jìn)行組合邏輯變換，并進(jìn)行仿真。1.3 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀電機(jī)是一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的裝置，在國民經(jīng)濟(jì)中起著重要的作用。在越來越多的應(yīng)用場合，只能旋轉(zhuǎn)的電機(jī)已無法滿足要求，而是要能夠?qū)崿F(xiàn)快速加速、減速或者反轉(zhuǎn)以及準(zhǔn)

15、確停止等功能。這些功能的實現(xiàn)均要求對電機(jī)控制，所以，對電機(jī)的控制是電機(jī)應(yīng)用得重要分支。電機(jī)在其實際應(yīng)用中，已有過去簡單的起?？刂?、提供動力為目的的應(yīng)用，上升到對其速度、位置、轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行精確地控制，使被驅(qū)動的機(jī)械運(yùn)動符合預(yù)想的要求。在國外，pwm源于上世紀(jì)九十年代，其思想源于通信技術(shù)，但隨著現(xiàn)代電子技術(shù)的發(fā)展使得pwm理論越來越成熟，其發(fā)展的速度越來越快速。已經(jīng)取代傳統(tǒng)的可控硅電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)。由原先的“電機(jī)控制”“電氣傳動”已發(fā)展到“運(yùn)動控制”的新階段。igbt、電力mosfet等為代表的全控型器件的不斷完善給pwm控制技術(shù)提供了強(qiáng)大的物質(zhì)基礎(chǔ)。在國內(nèi)pwm有理論基礎(chǔ)逐漸成熟，但在應(yīng)用上，國內(nèi)外差

16、距也很大。pwm調(diào)速系統(tǒng)的應(yīng)用是近年來才開始的，原因是我國的電子工業(yè)的基礎(chǔ)比較差。pwm調(diào)速系統(tǒng)中所需的關(guān)鍵部件igot管靠進(jìn)口。近年來，我國已開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的igot大電流晶體管，從而為該技術(shù)推行奠定了物質(zhì)基礎(chǔ)。pwm電機(jī)調(diào)速方案是未來電機(jī)拖動系統(tǒng)的首選方案，是實現(xiàn)電機(jī)拖動數(shù)字控制的基礎(chǔ)4。當(dāng)前電機(jī)控制的發(fā)展越來越趨于多樣化、復(fù)雜化，現(xiàn)有的專用集成電路難以滿足苛刻的新產(chǎn)品開發(fā)要求，為此可考慮自己開發(fā)電機(jī)專用的控制芯片?，F(xiàn)場可編程門陣列（fpga）可以作為一種解決方案。作為開發(fā)設(shè)備，fpga可以方便地實現(xiàn)多次修改。由于fpga得集成度非常大，一片fpga少則幾千個等效門，多則幾萬或幾十

17、萬個等效門。所以一片fpga就可以實現(xiàn)非常復(fù)雜的邏輯，替代多塊集成電路和分立元件組成的電路。它借助于硬件描述語言（vhdl或verilog hdl）來對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計。1.4解決的主要問題本論文提出用flex10k10單獨(dú)控制直流電機(jī)。論述了利用flex10k10對直流電機(jī)進(jìn)行控制時所起的各部分功能pwm波的產(chǎn)生。速度檢測、正反向控制邏輯等，并利用硬件描述語言對pwm波在fpga中進(jìn)行組合邏輯變換，并進(jìn)行仿真。第2章 直流電動機(jī)系統(tǒng)綜述2.1系統(tǒng)組成直流電動機(jī)的基本構(gòu)成包括電動機(jī)主體、控制器和轉(zhuǎn)子位置傳感器三部分，如圖2-1所示5。圖2-1直流電動機(jī)構(gòu)成框圖 其工作原理以圖2-2和圖2-3所示為

18、例來說明。圖2-2 直流電動機(jī)系統(tǒng)圖從圖2-2中可以看出，直流電動機(jī)系統(tǒng)由以下部分組成：電機(jī)本體m及位置傳感器ps、驅(qū)動電路、直流電源、逆變器、控制電路等。在本論文中，逆變器vf為6個igbt構(gòu)成的三相全橋逆變器，直流電源是反激式dc-dc電源，控制電路以fpga芯片為核心，驅(qū)動電路以m57962al驅(qū)動器件為核心，ps為位于電動機(jī)本體同軸聯(lián)結(jié)的轉(zhuǎn)子位置傳感器，控制電路對轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測的信號進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生脈寬調(diào)制pwm信號，經(jīng)過驅(qū)動電路放大送至逆變器各功率開關(guān)管，從而控制電動機(jī)個相繞組按一定順序工作，在電機(jī)氣隙產(chǎn)生跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場6。圖2-3直流電動機(jī)工作原理示意圖在二相導(dǎo)通星形三相六狀

19、態(tài)直流電動機(jī)工作的過程中，當(dāng)轉(zhuǎn)子位于圖2-3（a）所示位置時，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出磁極信號位置，經(jīng)過控制電路邏輯變換后驅(qū)動逆變器，使功率開關(guān)管th1、th2導(dǎo)通，即繞組a、b通電，a進(jìn)b出，電樞繞組在空間合成礠勢fa，如圖2-3(a)所示。此時定轉(zhuǎn)子磁場相互作用拖動轉(zhuǎn)子順時針方向轉(zhuǎn)動。電流流通途徑為：電源正極th1管a相繞組b相繞組tl2管電源負(fù)極。當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過60電角度，達(dá)到圖2-3（b）中位置時，位置傳感器輸出信號，經(jīng)邏輯變換后使開關(guān)管tl2截止，tl3導(dǎo)通，此時th1仍導(dǎo)通，則繞組a、c通電，a進(jìn)c出，電樞繞組在空間合成磁場如圖2-3（b）中fa。此時定轉(zhuǎn)子磁場相互作用使轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時針方向

20、轉(zhuǎn)動。電流流通路徑為：電源正極th1管a相繞組c相繞組tl3管電源負(fù)極，以此類推。當(dāng)轉(zhuǎn)子繼續(xù)沿順時針每轉(zhuǎn)過60電角度時，功率開關(guān)管的導(dǎo)通邏輯為：th2tl3th2tl1th3tl1th3tl2th1tl2，則轉(zhuǎn)子磁場始終受到定子合成磁場的作用并沿順時針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動。在圖2-3（a）到（b）的60電角度范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子磁場順時針連續(xù)轉(zhuǎn)動，而頂子合成磁場在空間保持圖2-3（a）中fa的位置不動，只有當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場轉(zhuǎn)夠60電度角到達(dá)圖2-3（b）中ff的位置時，定子合成磁場才從圖2-3（a）中fa位置順時針躍變至（b）中fa的位置?？梢姸ㄗ雍铣纱艌鲈诳臻g不是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的磁場，而是一種跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場，每個步進(jìn)角

21、是60電角度7。當(dāng)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60電角度時，逆變器開關(guān)管之間就進(jìn)行一次換流，定子磁狀態(tài)就改變一次?？梢姡姍C(jī)有6個磁狀態(tài)，每一狀態(tài)都是兩相導(dǎo)通，每相導(dǎo)通中流過電流的時間相當(dāng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)120，故該逆變器為120導(dǎo)通型。兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)直流電動機(jī)的三相繞組與各開關(guān)管導(dǎo)通順序的關(guān)系如表2-1.表2-1 兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)時繞組和開關(guān)管導(dǎo)通順序表2.2位置傳感器轉(zhuǎn)子位置傳感器是檢測轉(zhuǎn)子磁極相對于定子電樞繞組軸線的位置，并向控制器提供位置信號的一種裝置。轉(zhuǎn)子位置傳感器是無刷直流電動機(jī)的關(guān)鍵部件。它對電機(jī)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測，其輸出信號經(jīng)過邏輯變換后控制開關(guān)管的關(guān)斷，使電機(jī)定子各項繞組按順序?qū)?，保證

22、電機(jī)連續(xù)工作。轉(zhuǎn)子位置傳感器也由定、轉(zhuǎn)子組成，其轉(zhuǎn)子與電機(jī)本體同軸，以跟蹤電機(jī)本體轉(zhuǎn)子位置。其定子固定于電機(jī)本體定子或端蓋上，以敏感和輸出轉(zhuǎn)子位置信號。轉(zhuǎn)予位置傳感器種類包括：磁敏式、電磁式、光電式、接近開關(guān)式、正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器式以及編碼器等。本論文使用霍爾元件式位置傳感器和光電編碼器。2.2.1 霍爾元件式位置傳感器霍爾元件式位置傳感器是磁敏式位置傳感器的一種。它是一種半導(dǎo)體器件，是利用霍爾效應(yīng)制成的。當(dāng)霍爾元件按要求通以電流并置于外磁場中，就輸出霍爾電勢信號，當(dāng)其不受外磁場作用時，輸出端無信號。安裝霍爾元件時應(yīng)將霍爾元件粘貼于電機(jī)端蓋內(nèi)表面，靠近霍爾元件并與之有一小間隙處，安裝著與電機(jī)軸同

23、軸的永磁體，如圖2-4所示。圖2-4 霍爾元件式位置傳感器1-永磁體架 2-永磁體 3-霍爾元件2.2.2 光電編碼器霍爾元件位置傳感器是檢測轉(zhuǎn)子位置的器件，從轉(zhuǎn)子位置可以計算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。但這種方式在電機(jī)高速轉(zhuǎn)動時檢測精度不高，無法完成高速高精度的速度調(diào)節(jié)。目前調(diào)速系統(tǒng)速度和位置反饋控制中應(yīng)用最多的是光電編碼器，即碼盤。它不僅可以檢測電機(jī)轉(zhuǎn)速，而且還可以測定電機(jī)的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)予相對于定子的位置。轉(zhuǎn)速輸出信號可以是數(shù)字量或模擬量，可滿足各種調(diào)速系統(tǒng)的需要。一種常見的增量光電編碼器有三組輸出信號，相應(yīng)的有三組光電轉(zhuǎn)換元件。當(dāng)轉(zhuǎn)動盤上的槽（光柵）與固定盤上的槽相重合時，位于固定盤后面的光敏元件可接收到

24、來自轉(zhuǎn)動盤側(cè)相應(yīng)發(fā)光元件的光，然后轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘枴．?dāng)轉(zhuǎn)動盤隨電機(jī)軸轉(zhuǎn)動時，該編碼器可輸出三組電壓信號，經(jīng)過整形后三相輸出波形如圖2-5所示。z相信號是用來定位的，因為z相在轉(zhuǎn)動盤上只有一個對應(yīng)的槽，故每轉(zhuǎn)一周僅有一個相脈沖，對應(yīng)于轉(zhuǎn)子的一個固定位置。根據(jù)不同瞬時相或相輸出信號相對于相定位脈沖的相互關(guān)系，便可確定該瞬時轉(zhuǎn)子相對于定子的位置。圖2-5 增量光電編碼器的輸出波形a相和b相輸出信號可用于測定電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。由于a相和b相輸出信號的頻率與轉(zhuǎn)速成正比，故可通過在給定時間內(nèi)對輸出脈沖計數(shù)而求得轉(zhuǎn)速，通過對a相脈沖上升沿和下降沿的檢測電路可得對應(yīng)于上升沿和下降沿的脈沖信號a和a一，使其分別于b相

25、信號相“與”，可分別獲得反應(yīng)正轉(zhuǎn)的信號b+a和反轉(zhuǎn)信號b+a，如圖2-6所示。圖2-6 電機(jī)轉(zhuǎn)向信號的產(chǎn)生2.3逆變器和功率器件2.3.1功率器件的發(fā)展隨著電子生產(chǎn)技術(shù)的不斷發(fā)展，功率器件的發(fā)展也越來越快。20世紀(jì)50年代末出現(xiàn)了屬于半控形器件的晶閘管，它可以控制導(dǎo)通，但不能有由門極控制關(guān)斷。70年代以后，功率晶體管（gtr）、門極關(guān)斷晶閘管（gto晶閘管）、功率mos場效應(yīng)晶體管（power mosfet）、絕緣柵雙極晶體管（igbt）、mos控制晶閘管（mct）等已先后問世，這些器件都是即能控制導(dǎo)通又能控制關(guān)斷的自關(guān)斷器件，又稱全控形器件。igbt由于兼有mosfet和gtr的優(yōu)點(diǎn)，是目前

26、用于中小功率最為流行的器件8。2.3.2 igbt的構(gòu)成絕緣柵雙極晶體管（isolate gate bipolar transistor-igbt），也稱絕緣門極晶體管。由于igbt內(nèi)置有寄生晶閘管，所以也可稱作絕緣門極晶閘管。它將mosfet和gtr的優(yōu)點(diǎn)集于一身，既具有輸入阻抗高、速度快、熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動電路簡單的優(yōu)點(diǎn)，又有通態(tài)電壓低、耐壓高的優(yōu)點(diǎn)。igbt相當(dāng)于一個由mosfet驅(qū)動的厚基區(qū)gtr，其簡化等效電路如圖2-7所示。圖中rdr是厚基區(qū)gtr的擴(kuò)展電阻。igbt是以gtr為主導(dǎo)體、mosfet為驅(qū)動件的復(fù)合結(jié)構(gòu)。圖2-7 igbt的簡化等效電路2.3.3 igbt的工作原理ig

27、bt的開通和關(guān)斷是由柵極電壓來控制的。當(dāng)柵極加正電壓時,mosfet內(nèi)形成溝道，并為pnp晶體管提供基極電流，從而使igbt導(dǎo)通，在柵極上加負(fù)電壓時，mosfet內(nèi)的溝道消失,pnp晶體管的基極電流被切斷，igbt關(guān)斷。2.4驅(qū)動電路及直流電源2.4.1驅(qū)動電路的特征驅(qū)動電路的作用是將控制電路輸出的脈沖放大到足以驅(qū)動功率器件，所以單從原理上講，驅(qū)動電路主要起開關(guān)功率放大作用，即脈沖放大器。但其重要性在于功率器件的開關(guān)特性與驅(qū)動電路的性能密切相關(guān)。同樣的功率開關(guān)，采用不同的驅(qū)動電路將得到不同的開關(guān)特性。設(shè)計優(yōu)良的驅(qū)動電路能改善功率器件的開關(guān)特性，從而減小開關(guān)損耗，提高整機(jī)的效率及功率器件工作的可

28、靠性。因此，驅(qū)動電路的優(yōu)劣直接影響變換器的性能。隨著開關(guān)工作頻率的提高，驅(qū)動電路的優(yōu)化設(shè)計顯得越來越重要。2.4.2 igbt的集成驅(qū)動器m57962al當(dāng)前已經(jīng)出現(xiàn)眾多igbt的集成驅(qū)動器，各個電子元器件制造商都相繼開發(fā)設(shè)計了依據(jù)不同要求的專門系列驅(qū)動器元件。針對不同的性能要求的igbt，其主要驅(qū)動器件存多種。例如ir系列、exb、uaa系列、m57系列、以及hl系列等等。是驅(qū)動n溝道igbt帶有保護(hù)及定時復(fù)位功能的厚膜混合集成驅(qū)動器，內(nèi)置可在輸入與輸出之間實現(xiàn)良好電氣隔離的光電耦合器，具有高達(dá)2500vac/min的絕緣強(qiáng)度，且與ttl電平兼容。內(nèi)藏定時的邏輯短路保護(hù)電路，并具有保護(hù)延時特

29、性?？梢詥坞娫垂╇?，又可以正負(fù)雙電源供電，雙電源供電避免了一般單電源供電時負(fù)電壓不穩(wěn)定的缺點(diǎn)。m57962al可用來直接驅(qū)動vces=600v及vces=1200v系列的電流容量在400a以內(nèi)的功率igbt模塊。m57962al的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作原理框圖如圖2-8所示。由圖可知，在這種驅(qū)動器內(nèi)部具有鎖存定時復(fù)位電路、門極封鎖單元及檢測環(huán)節(jié)幾部分。圖2-8 m57962al 內(nèi)部結(jié)構(gòu)及原理圖m57962al的工作原理如下：輸入信號經(jīng)高速光耦隔離，由接口電路傳送到功放級,產(chǎn)生正負(fù)柵壓，驅(qū)動igbt。當(dāng)發(fā)生直接短路時，集電極電壓顯著增大，1端檢出igbt的集一射極電壓較高時，就判斷為短路，定時器就啟動

30、，通過柵極關(guān)閉和降壓電路將短路電流鉗制在較低值，同時發(fā)出故障信號：如1端回到低電平，保護(hù)復(fù)位，電路恢復(fù)常態(tài)。2.4.3 驅(qū)動電路的供電電源m57962進(jìn)行雙電源工作時，直流供電電源為正15v和負(fù)10v，這里采用開關(guān)式直流電源。由于該電源的輸入也是直流，所以稱之為dc-dc電源。直流電源電路（簡稱電源）按其調(diào)整管工作方式分類，可分為線性電源和開源。在線性電源中，調(diào)整管工作在線性放大區(qū)。由于線性電源具有制作技術(shù)成熟、輸出波紋小、帶載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此它是一種應(yīng)用廣泛的電源。現(xiàn)在應(yīng)用較多的是三端穩(wěn)壓器，它有三個引出端，即不穩(wěn)定電壓的輸入端、穩(wěn)定電壓的輸出端和公共端。三端穩(wěn)壓器使用十分方便，只需要根據(jù)

31、手冊進(jìn)行接線，并配適當(dāng)?shù)纳崞骷纯?。盡管線性電源具有上述優(yōu)點(diǎn)，但設(shè)計這種電源時，通常需要體積大而又笨重的工頻變壓器進(jìn)行降壓和隔離：由于線性電源的調(diào)整管工作在線性區(qū)，功耗大，需要較大體積的散熱器。開關(guān)穩(wěn)壓電源有很多種工作原理，這里采用反激式丌關(guān)電源，如圖2-9所示。反激式是指開關(guān)管bg被加在b-e極問的pwm脈沖激勵導(dǎo)通時，輸入電壓ui加在高頻變壓器b的原邊上，由于圖中b副邊整流二極管d2反偏，副邊上沒有電流通過，所以能量存儲在變壓器原邊的電感l(wèi)1上，而輸出電壓靠電容co放電維持。當(dāng)bg關(guān)斷時,b副邊上的電壓極性顛倒，使bg導(dǎo)通期間存儲在中的能量通過d2向負(fù)載輸出，此時電容co釋放?？梢钥闯?，反

32、激式工作方式有兩種導(dǎo)電模式：不連續(xù)導(dǎo)電模式和連續(xù)導(dǎo)電模式。bg截止期間，初級的存能全部釋放給負(fù)載，電路工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式；bg導(dǎo)通期間，依靠輸出端的電容維持電壓，并且在原邊存儲能量，電路工作在連續(xù)導(dǎo)電模式。圖2-9 反激式開關(guān)電源的工作原理2.5 控制機(jī)理及實施2.5.1 脈寬調(diào)制波形的產(chǎn)生為了保持逆變器的輸出電壓穩(wěn)定，通常采用占空比控制技術(shù)。改變占空比的調(diào)節(jié)方式，由脈頻調(diào)制（pfm）和脈寬調(diào)制（pwm）兩種方式。脈頻調(diào)制是采用恒定導(dǎo)通時間、可變截止時間或恒定截止時間、可變導(dǎo)通時間來實現(xiàn)占空比的改變；脈寬調(diào)制是指工作頻率不變，通過改變功率器件導(dǎo)通時間或截止時間來改變占空比，應(yīng)用較為普遍。脈寬

33、調(diào)制是用脈沖寬度不等的一系列矩形脈沖去逼近一個所需的電壓或電流信號。圖2-10表示三角波調(diào)制法原理。它是利用三角波電壓與參考電壓相比較，以確定各分段矩形脈沖的寬度。 （a）（b）圖2-10 三角波調(diào)制法原理（a）電路原理圖（b）pwm脈沖的形成三角波調(diào)制法原理如圖2-10a所示。在電壓比較器a的兩輸入端分別輸入正弦波參考電壓ur和三角波電壓u，在a的輸出端使得到pwm調(diào)制電壓脈沖。pwm脈沖寬度的確定可由圖2-10b看出，由于u和ur分別接至電壓比較器a的“-”和“”輸入端。顯然當(dāng)uur對，的輸出為高電平，反之，當(dāng)uur時，a的輸出為低電平。圖2-10b中的u與ur的交叉點(diǎn)之間的距離隨參考電壓

34、ur的大小而變化，而交叉點(diǎn)之間的距離決定了電壓比較器輸出電壓脈沖寬度，因而可得到幅值相等而脈沖寬度不等的pwm電壓信號up。2.5.2 反饋信號的測量各種pwm波的調(diào)速系統(tǒng)，離不開被控電機(jī)的電壓、電流或轉(zhuǎn)速等反饋信息。反饋信號的測取對調(diào)速系統(tǒng)的性能有著重要的影響。反饋信號通常分為兩類：一類是電壓和電流的反饋信號：另一類是轉(zhuǎn)速和位置的反饋信號。1. 檢測轉(zhuǎn)速和位置器件簡介及檢測原理如2.2節(jié)所述。2.電壓和電流反饋信號的測取電壓和電流的檢測一般有三種方法：電阻法、互感器法和霍爾傳感器。對于直流及非正弦的交流電壓和電流信號的隔離傳送，最好的方法是用霍爾電壓和電流傳感器?；魻杺鞲衅鞑粌H可實現(xiàn)被測點(diǎn)路

35、與反饋電路的可靠隔離，而且具有以下有點(diǎn)：1）可以測量任意波形的電壓和電流信號。頻帶寬，可測量從直流到100khz的各種信號。2）線性度好，測量區(qū)問寬，測量精度高。3）響應(yīng)速度快，延遲和相應(yīng)時間均小于0.1us。4）過載能力強(qiáng)，使用安全。當(dāng)被測量值大大超過額定值時，內(nèi)部電路及磁路均有飽和限幅作用，不會損壞傳感器。2.5.3 控制電路的功能控制電路是直流電動機(jī)正常運(yùn)行并實現(xiàn)各種調(diào)速功能的指揮中心，它主要完成以下功能：1）對轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號、pwm調(diào)制信號、正反轉(zhuǎn)和停車信號進(jìn)行邏輯綜合，以給驅(qū)動電路提供各開關(guān)管的斬波信號和選通信號，實現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及停車控制。2) 產(chǎn)生pwm調(diào)制信號，使電機(jī)

36、的電壓隨給定速度信號而自動變化，實現(xiàn)電機(jī)開環(huán)調(diào)速。3) 對電動機(jī)進(jìn)行速度閉環(huán)調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有良好的動態(tài)和靜態(tài)性能。4）實現(xiàn)短路、過流和欠壓等故障保護(hù)功能。專用集成控制電路克服了分立元件帶來的弊端，使控制電路體積小，可靠性高，對于特定環(huán)境下完成特定功能、并具有規(guī)模化生產(chǎn)的直流電動機(jī)，是首選方案。第3章 fpga及其所組成的控制器3.1 fpga芯片及配置電路3.1.1fpga芯片的特點(diǎn)現(xiàn)在隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，設(shè)計與制造集成電路已不完全由半導(dǎo)體廠商束獨(dú)立承當(dāng)。系統(tǒng)設(shè)計師更愿意自己設(shè)計專用集成電路（asic）芯片，并希望周期盡可能短，因而出現(xiàn)了現(xiàn)場可編程門陣列fpga。fpga是可編程邏

37、輯器件，它們是在pal（programmable array logic，可編程陣列邏輯）、gal（generic array logic，通用陣列邏輯）等邏輯器件的基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的。同以往的pal、gal等相比較，fpga的規(guī)模比較大，適合于時序、組合等邏輯電路應(yīng)用場合，它可以替代幾十甚至上百塊通用ic芯片，這樣的fpga實際上就是一個子系統(tǒng)部件。fpga芯片是ic廠家事先生產(chǎn)的半成品芯片，其內(nèi)部成行成列等間距地排列著以門為基本單元的陣列，只剩下一層或兩層鋁連線的掩膜霈要根據(jù)用戶不同的電路而制。fpga芯片大體上由三部分組成：1.一個二維的邏輯塊陣列，構(gòu)成了fpga器件的邏輯組成核心。2.

38、輸入/輸出塊。3.連接邏輯塊的互連資源，連接資源由各種長度的連線線段組成，其中也有一些可編程的連接開關(guān)，它們用于邏輯塊之間、邏輯塊與輸入/輸出塊之間的連接。fpga芯片有以下特點(diǎn)：1)隨著超大規(guī)模集成電路工藝的不斷提高，fpga芯片的規(guī)模越來越大，其單片邏輯門數(shù)可以達(dá)到數(shù)百萬甚至上千萬門，它所能實現(xiàn)的功能也越來越強(qiáng)，同時也可以實現(xiàn)系統(tǒng)集成。這樣大幅度地減少了印刷電路扳的面積和接插件的數(shù)量，降低了裝配和調(diào)試費(fèi)用。2)提高了產(chǎn)品的可靠性。大量分立式元器件在向印刷電路板上裝配時，往往會發(fā)生由于虛焊或接觸不良而造成故障，并且這種故障常常難以發(fā)現(xiàn)，給調(diào)試和維修造成極大的困難。fpga芯片使這種現(xiàn)象減少，

39、而且fpga芯片在出廠之前都做過百分之百的測試，不需要設(shè)計人員承擔(dān)投片風(fēng)險，設(shè)計人員只需要在自己的實驗室里就可以通過相關(guān)的軟硬件環(huán)境來完成芯片的最終功能指定。3)大大減小了電子產(chǎn)品的體積和重量，降低了電子產(chǎn)品的功耗，提高了產(chǎn)品的工作速度。fpga內(nèi)部電路尺寸很小、互連線短、分布電容小，驅(qū)動電路所需的功耗就大大降低。fpga芯片內(nèi)部很短的連線能大大縮短延遲時間，并且不易受外部干擾，這對提高速度非常有利。而且fpga規(guī)模越來越大，有時可以將整個（子）系統(tǒng)集成到一塊芯片上，這比分立元件構(gòu)成的電子系統(tǒng)的速度要快。4）提高了產(chǎn)品的競爭能力。fpga芯片和eprom配合使用時，用戶可以反復(fù)地編程、擦除、使

40、用或者在外圍電路不動的情況下用不同的eprom就可實現(xiàn)不同的功能，所以，用fpga試制樣片，能以最快的速度占領(lǐng)市場。再者，fpga芯片的電路設(shè)計周期較短，設(shè)計人員在較短時間內(nèi)可完成電路的輸入、編譯、優(yōu)化、仿真，直至雖后的芯片制作。當(dāng)電路有少量改動時，更能顯示出fpga的優(yōu)勢。它大大加快了新產(chǎn)品的試制速度，減少了庫存風(fēng)險與設(shè)計錯誤所帶來的危險，從而提高了企業(yè)在市場上的競爭能力和應(yīng)變能力。經(jīng)過十幾年的發(fā)展，許多公司都開發(fā)出了多種類型的可編程邏輯器件，比較典型的就是xilinx公司的fpga器件系列和altera公司的fpga器件系列，筆者采用altera公司的flex 10k系列，軟件工具為alt

41、era公司的max+plus ii。flex 10k系列是工業(yè)界第一個嵌入式的pld，具有高密度、低成本、低功率等特點(diǎn)，它的邏輯功能和互連關(guān)系是出cmos sram單元配置的。系統(tǒng)加電時，通過存儲在一個altera公司生產(chǎn)的串行配置eprom器件中的數(shù)據(jù)或由計算機(jī)提供的數(shù)據(jù)對flex 10k器件進(jìn)行配置，這就是flex 10k系列的配置。3.1.2 fpgaflex 10k系列器件的配置當(dāng)電路設(shè)計者利用軟件工具將電路輸入，并且經(jīng)過編譯、優(yōu)化、仿真，從波形上看已經(jīng)完全達(dá)到最初的要求以后，就要進(jìn)行fpga器件的配置。配置電路分為兩部分：一是器件的配置管腳至印制板的外接口，二是外接口至pc機(jī)的并口。

42、1.器件的配置管腳至印制板的外接口flex 10k器件由四種常用配置方式，分別是：主動串行方式（as），主要應(yīng)用于epci(eprom)配置，電路圖如圖3-1；被動串行方式（ps），主要應(yīng)用于串行同步cpu接口，電路圖如圖3-2；被動并行同步方式（pps），主要應(yīng)用于并行同步cpu接口；被動并行異步方式（ppa），主要應(yīng)用于并行異步cpu接口。在這些配置方式中，第一種配置由fpga器件引導(dǎo)配置操作過程，它控制著外部存貯器和初始化過程，而后三種配置由計算機(jī)或控制器控制配置過程。圖3-1 flex 10k 器件的主動串行方式圖3-2 flex 10k 器件的被動串行方式2并口下載電纜aytebla

43、sterflex 10k器件正常工作時，它的配置數(shù)據(jù)存在sram之中。由于sram的易失性，所以每次加電期間，配置數(shù)據(jù)必須重新構(gòu)造。這樣，flex器件可以通過在線配置的手段來調(diào)整電路結(jié)構(gòu)、延時信息等，這給電路設(shè)計人員調(diào)試電路帶來極大的方便。并口下載電纜ayteblaster正是將pc機(jī)中的配囂信息傳送到印制板flex器件中。ayteblaster有兩種配置方式：被動串行模式（ps）和邊界掃描模式（jtag）。ayteblaster下載電纜由三部分組成：1. ayteblaster與pc機(jī)并口相連的25針插座頭，在ps和jtag兩種模式下管腳有不同的名稱。2. ayteblaster與印制版插座

44、相連的10針插頭，在ps和jtga兩種模式下管腳有不同的名稱。3.25針到10針的變換電路，由一個74ls244和n個電阻組成。一個完整的fpga的配置電路，應(yīng)含有epci（eprom）配置，它的作用是將調(diào)試完畢程序固化到epci中，并且fpga可以從epci中讀程序進(jìn)行配置；還應(yīng)含有下載電路，從pc機(jī)下載程序，主要是在調(diào)試程序的過程中使用，可采用ps或jtag方式。配置電路分別如圖3-3和圖3-4。圖3-3 flex 10k10 ps 方式配置電路圖 3-4 flex 10k10 jtag 方式配置電路3.2控制電路組成本文主要論述以flex 10k10為核心的控制電路的作用是運(yùn)行相應(yīng)的控制

45、策略，并通過相應(yīng)的插口將pwm斬波信號和對驅(qū)動的開關(guān)信號送至驅(qū)動板上，實現(xiàn)對電機(jī)的調(diào)速控制。整個控制電路組成及接口如圖3-5所示，由以下部分組成：圖3-5 控制板電路示意圖1.fpgaflex 10k10的配置電路，如上節(jié)所述。2.5v電源。市電經(jīng)工頻變壓器降壓得到的低壓交流電經(jīng)整流橋整流、電容濾波和7805三端穩(wěn)壓器穩(wěn)壓得到5v直流電，給控制電路各個芯片供電。這是一個直流線性電源，工頻變壓器放在控制板外。3.96針總線，主要有電源、地址線、數(shù)據(jù)線、時鐘信號等。由于fpga除了個別配置管腳其余都是可編程的i/o管腳，所以總線定義對fpga來說是比較容易的。4.晶振采用4腳晶振，其輸出經(jīng)非門反向

46、整形后送到一個單排腳插座的1腳，插座的2、3腳接fpga的兩個時鐘輸入腳的其中一個，插座的4腳接96針總線的時鐘管腳。當(dāng)1、2腳短接時,fpga使用板內(nèi)晶振的時鐘；當(dāng)3、4腳短接時，fpga使用總線送過來的時鐘信號。5.pic8位單片機(jī)。在控制電路中，除了fpga外，還有一個可編程器件一一microchip公司的8位pic單片機(jī)（pic16c74），主要對控制電路中的一些輔助功能進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制。pic16c74是精簡指令集計算機(jī)，其存儲結(jié)構(gòu)為哈佛總線結(jié)構(gòu)，并且有兩級流水線結(jié)構(gòu)。它還有32個可復(fù)用的i/o口，分為a、b、c、d、e五組。在本控制電路中，a組主要作為a/d的輸入；b組主要輸出片選信

47、號；c組主要有spi總線標(biāo)準(zhǔn)與eeprom芯片和d/a芯片通信；d組有三個作用：與fpga通信、檢測鍵盤、為液晶顯示提供數(shù)據(jù)和控制信號；e組提供和fpga通信時的讀寫信號。pic單片機(jī)的時鐘信號由fpga提供，fpga將其本身的時鐘信號分頻后送至pic單片機(jī)的時鐘輸入管腳。fpga還有一個管腳接pic單片機(jī)的復(fù)位管腳，當(dāng)fpga從與pic單片機(jī)通信的信號發(fā)現(xiàn)pic單片機(jī)工作異常時，發(fā)出一個復(fù)位信號使pic單片機(jī)復(fù)位，這樣fpga可以作為看門狗對p單片機(jī)進(jìn)行監(jiān)控。6.eeprom芯片和d/a芯片。eeprom芯片采用spi串行總線標(biāo)準(zhǔn)與pic單片機(jī)進(jìn)行通信，儲存必要的程序和數(shù)據(jù)；采用的d/a芯片

48、有四路d/a轉(zhuǎn)換，將通過spi串行總線從pic單片機(jī)得到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為模擬量?？紤]到d/a芯片的輸出能力有限，在d/a芯片的輸出管腳加簡單的放大電路，如圖3-6。圖3-6 da輸出放大電路7.鍵盤控制電路?？刂齐娐吠獠坎捎靡粋€三觸點(diǎn)4x4鍵盤，這種鍵盤的特點(diǎn)是每個鍵有三個點(diǎn)相連，一個接行線，一個接列線，一個是公共點(diǎn)，壓下鍵后3個點(diǎn)兩兩導(dǎo)通，松開就都不導(dǎo)通了。鍵盤控制電路如圖3-7。確定按鍵采用線翻轉(zhuǎn)法，其工作原理為：沒有鍵按下時，鍵盤的公共端為低，三極管截止，rb7處于商電平；有鍵按下時，鍵盤的公共端為高，三級管導(dǎo)通，rb7處于低電平。rb7的電平變化給pic單片機(jī)一個中斷，使pic單片機(jī)進(jìn)入檢

49、測按鍵的子程序。設(shè)有第m行n列按鍵按下，首先，pic單片機(jī)給74254一個使能信號，74254選通。pic單片機(jī)先向d口寫數(shù)據(jù)，rd0-rd3全為低電平，方向端為高，數(shù)據(jù)從a端到b端，所以k5-k8均為低電平，同時rd4-rd7接收k1-k4的信號，由于第m行有鍵按下，該行的信號線與第n列的信號線相連被置低，其余三行均被上拉電阻拉高，這樣確定按鍵的行數(shù)；然后，改變74254的方向端為低，數(shù)據(jù)從b端到a端，pic單片機(jī)向d口寫數(shù)據(jù)，rd4-rd7全為低電平，k1-k4均為低電平，同時rd0-rd3接受k5-k8的信號，第三列均被上拉電阻拉高，這樣確定按鍵的列數(shù)，從而確定按鍵，轉(zhuǎn)入相應(yīng)的子程序運(yùn)行

50、。圖 3-7 鍵盤控制電路8.控制接口?？刂平涌谟糜诎l(fā)送控制信號和接收反饋信號，接fpga的16根i/o管腳。3.3硬件描述語言vhdl3.3.1 vhdl語言簡介伴隨著設(shè)計規(guī)模的增大，傳統(tǒng)的自至上的、采用通用邏輯元器件的硬件描述方法變得過于復(fù)雜，不易于使用。隨著大規(guī)模專用集成電路（asic）的開發(fā)和研制，為了提高開發(fā)的效率，增加已有開發(fā)成果的繼承性以及縮短開發(fā)時間，各asic研制和生產(chǎn)廠家相繼開發(fā)了用于各自目的硬件描述語言（hdl），可以描述硬件電路的功能，信號連接關(guān)系及定時關(guān)系的語言。其中最有代表性的是美國國防部開發(fā)的vhdl。語言（vhsic hardware description l

51、anguage超高速集成電路硬件描述語言）。vhdl語言具有以下特點(diǎn)：1.vhdl語言可以支持自上至下（top down）和基于庫（library-based）的設(shè)計方法，而且還支持同步電路、異步電路及其它隨機(jī)電路的設(shè)計。2.vhdl語言具有多層次描述系統(tǒng)硬件功能的能力，可以從系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型直到門級電路；支持大規(guī)模設(shè)計的分解和設(shè)計重用；支持傳輸延遲和慣性延遲，可以更準(zhǔn)確的建立復(fù)雜的電路硬件模型。3.在用vhdl語言設(shè)計系統(tǒng)硬件時，沒有嵌入與工藝有關(guān)的信息，這樣在工藝更新時，就無需修改原設(shè)計程序，只要改變相應(yīng)的映射工具即可4.vhdl語言己作為一種ieee的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計成果便于復(fù)用和交流，這樣

52、又進(jìn)一步推動vhdl語言的推廣和完善；另外，vhdl語言的語法比較嚴(yán)格，給閱讀和使用都帶來了極大的好處。5.vhdl語言具有并發(fā)性，體現(xiàn)在兩個方面：首先使用vhdl語言進(jìn)行數(shù)字電路設(shè)計時存在并發(fā)性，即vhdl語言支持設(shè)計分解，可使被分解的各子部分的設(shè)計并行完成，這些子部分的設(shè)計由三部分組成：定義實體確定模型與環(huán)境的接口；定義結(jié)構(gòu)體完成模型的功能描述：定義測試部分為模型生成測試向量，并捕獲模型輸出信號狀態(tài)以供分析。其次，vhdl語言在執(zhí)行上具有并發(fā)性，很適合描述電路的并發(fā)性特點(diǎn)。3.3.2 vhdl語言的三種描述方式vhdl語言的所謂自上至下的設(shè)計方法，就是從系統(tǒng)總體要求出發(fā)，自上至下地逐步將設(shè)

53、計內(nèi)容細(xì)化，最后完成系統(tǒng)硬件的整體設(shè)計。在利用vhdl語言的硬件設(shè)計方法中，設(shè)計者自上至下分為三個層次對系統(tǒng)硬件進(jìn)行設(shè)計：第一層次是行為描述。行為描述實質(zhì)上是對整個系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型的描述。一般來說，對系統(tǒng)進(jìn)行行為描述的目的是試圖在系統(tǒng)設(shè)計的初始階段，通過對系統(tǒng)行為描述的仿真來發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題。第二層次是rtl方式描述，這一層次稱為寄存器傳輸描述（又稱數(shù)據(jù)流描述 ）。用行為描述的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的程序，其抽象程度高，難于直接映射到具體的邏輯元件結(jié)構(gòu)。要想得到硬件的具體實現(xiàn)，必須將行為描述的vhdl語言程序改寫成rtl方式。也就是說，系統(tǒng)采用rtl方式，能導(dǎo)出系統(tǒng)的邏輯表達(dá)式，進(jìn)行邏輯綜合。在rtl方式

54、中，要使用到大量的觸發(fā)器、門電路等基本的數(shù)字元件，這些均可以在元器件庫中直接調(diào)用。rtl方式更趨于實際電路的描述。第三層次是邏輯綜合。邏輯綜合這一階段是利用邏輯綜合工具，將rtl方式描述的程序轉(zhuǎn)換成用基本邏輯單元表示的文件。3.4 用fpga實現(xiàn)對電機(jī)的速度控制3.4.1 系統(tǒng)工作框圖與原理系統(tǒng)工作框圖如圖3-8。fpga作為控制器的核心元件，所起的功能如虛線內(nèi)部所示。這個系統(tǒng)采用pwm方式完成三相直流電機(jī)的調(diào)速功能，采用霍爾元件檢測轉(zhuǎn)子位置，用igbt構(gòu)成三相全橋功率變換器，具體的工作原理如下：圖3-8 系統(tǒng)工作原理框圖速度位置檢測傳感器將檢測到的位置信號送至fpga，fpga先將傳來的信號

55、進(jìn)行數(shù)字濾波，再通過查表計算得到電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速，與外部給定的轉(zhuǎn)速進(jìn)行比較。如果給定速度大于電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速，則速度調(diào)節(jié)器發(fā)出加速信號，pwm波的占空比增大，功率器件的開通時間變長，電機(jī)速度增高；反之，速度調(diào)節(jié)器發(fā)出減速信號，pwm波的占空比減小，過功率器件的開通時間變短，電機(jī)速度降低。另外，還有一個轉(zhuǎn)向命令決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向9。3.4.2 計數(shù)器應(yīng)用在電機(jī)調(diào)速控制中，存在著一些復(fù)雜的時序邏輯和組合邏輯。對于組合邏輯，可以用基本的邏輯與、或、非以及狀態(tài)機(jī)來實現(xiàn)；對于時序邏輯，則需要硬件提供時間基準(zhǔn)，一般是時鐘信號。對于電機(jī)控制來說，涉及到時間的有脈寬調(diào)制信號（pwm）、功率器件的開通關(guān)斷時間、死區(qū)

56、時間等，必須采用計數(shù)器。計數(shù)器不僅能對時鐘脈沖計數(shù)，還可以用于定時、分頻、產(chǎn)生節(jié)拍脈沖等。由于fpga的工作頻率非常高，如32m晶振的時鐘周期達(dá)到31ns，許多時間不需要這樣搞精度，而且，這些時間相對于晶振的時鐘周期來講是非常大的。對于這些精度要求不高的時間計數(shù)器應(yīng)將時鐘信號適當(dāng)分頻作為計數(shù)時鐘，便于采用較小的計數(shù)器位數(shù)，計數(shù)器的最大計數(shù)值與計數(shù)時鐘的乘積為計數(shù)器的最大計時值，只要最大計時值大于預(yù)設(shè)定的時間即可。對于分頻電路，可以采用vhdl語言的文本輸入或者原理圖輸入。用vhdl語言描述一個分頻器，根據(jù)時鐘輸入端口的值，可以做出倍分頻器；每經(jīng)過一個輸入時鐘周期，信號cnt的值就增加1，所以cnt的最低位每經(jīng)過兩個輸入時鐘周期發(fā)生一次周期變化，次低位每經(jīng)過4個輸入時鐘周期發(fā)生一次周期變化等，其真值表如表3-1。將cnt的不同位的值輸出，就能產(chǎn)生不同的倍分頻器。用vhdl語言描述的十六分頻的程序如下（其中reset為復(fù)位信號，clks為時鐘輸入，clk_out為分頻后的時鐘輸出）：表3-1 分頻電路真值表if(reset=1)then cnt=”0000”；elsif(clksevent and clks=1)then cnt=cnt+1；end if； clk_out=cnt（3）；用原理圖輸入的16分頻