無刷直流電機控制器設計開題報告(共6頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上本科生畢業(yè)設計（論文）開題報告論文題目： 無刷直流電機控制器硬件電路的設計 學 院： 電氣工程學院 專業(yè)班級： 學生姓名： 學 號： 導師姓名： 開題時間： 1課題背景及意義1.1課題研究背景、目的及意義無刷直流電機利用電子換向代替機械換向，解決了傳統(tǒng)直流電機因為電刷摩擦而產(chǎn)生的眾多問題并因其結構簡單、運行可靠、維修方便等優(yōu)點,使得它的應用越來越廣泛1,如在儀器儀表、家用電氣和醫(yī)療器械等方面的應用成為研究的熱點,因而對電機運行性能的要求也越來越高,因此圍繞改善電機性能方面的研究也是多方向的。早期的電機驅(qū)動控制系統(tǒng)多采用專用硬件控制設備，需設計專用的控制芯片及其它硬件電

2、路以滿足不同控制對象的需要，這種封閉式結構使電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的體積大、開發(fā)成本高、開發(fā)周期長，可靠性、可擴展性和易用性都很差，并且升級困難。隨著技術的不斷進步，人們對電機驅(qū)動控制系統(tǒng)提出了更高的要求，既希望能夠根據(jù)不同的應用需求，迅速、經(jīng)濟地構建面向客戶的控制系統(tǒng)，又希望大幅度降低系統(tǒng)維護費用改變以往封閉式設計模式，使底層生產(chǎn)控制系統(tǒng)的集成更為簡便和有效?，F(xiàn)代電機驅(qū)動控制系統(tǒng)正朝著開放性、實時性和可靠性方向發(fā)展。無刷直流電機大多采用 MCU（單片機）或者 DSP（數(shù)字信號處理器）來研制電機控制器，因為一些 MCU 和DSP 中預置了用于電機控制的指令、接口和外設，應用較為方便。但是，在一些特殊

3、的應用領域，例如，在高溫、低溫和強電磁干擾或者有放射性粒子輻射的太空環(huán)境中，MCU 和 DSP 無法正常工作2。所以引入了FPGA（FieldProgrammable Gate Array），即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。由于FPGA運用了硬件電路軟件化設計的理念，使得FPGA設計具有良好的可重復性和修改性。模塊的硬件描述語言 (HDL)不拘泥于某一型號FPGA或某一廠商的FPGA，只需要經(jīng)過簡單的設置就可重

4、復利用已有的電路模塊，又因為FPGA具有優(yōu)異的可重復編程的能力，可以很簡單的對算法進行修改和升級。從而極大地縮短了控制器的設計時間，節(jié)約了產(chǎn)品升級換代的成本。FPGA 有從商用到航天等不同級別的芯片，環(huán)境適用范圍廣泛。1.2 課題國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及趨勢無刷直流電機驅(qū)動控制過程中，不但要完成高速的數(shù)據(jù)采集計算，還要完成多個控制環(huán)的復雜計算以及PWM調(diào)制、換相控制，需要完成的計算量較大，并且對實時性和精度要求較高。而單片機由于其內(nèi)部體系結構和計算功能等條件限制，在需要處理數(shù)據(jù)量大和實時性要求高時，往往不能滿足要求；另外，受芯片制造工藝限制，在現(xiàn)有的電機專用控制芯片中所實現(xiàn)的算法一般比較簡單，也難以應

5、用在高性能、高精度的應用場合3。因此一般采用DSP進行實現(xiàn)，但這種方法開發(fā)周期長，在運算上僅限于對串行數(shù)據(jù)的處理，對于大容量的數(shù)據(jù)則要分時串行處理，影響了系統(tǒng)效率和精度，而且用DSP控制電機所需的外圍元件較多，影響了控制系統(tǒng)的可靠性。自從跨入九十年代以來，F(xiàn)PGA等可編程邏輯器件得到了飛速發(fā)展，向高集成度、高速度和低價位方向不斷邁進45，借助芯片強大的計算能力和邏輯能力使許多控制算法得以實現(xiàn)，為實現(xiàn)電機數(shù)字控制提供了一種新的有效方法。采用FPGA作為控制芯片，使得在單個芯片上實現(xiàn)原來整個控制系統(tǒng)實現(xiàn)的功能，使系統(tǒng)具有體積小、成本低和開放性等特點，完全符合現(xiàn)代電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢6。FPG

6、A端口資源豐富，且大多由用戶自己定義，使得系統(tǒng)設計靈活，同時便于擴展和升級。目前國外在數(shù)字化的無刷直流電機控制技術方面做的相當成熟，我國在這方面的研制工作起步較晚，并且主要集中在一些研究所和高等院校，經(jīng)過這些年的努力，基于FPGA的無刷直流電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的研究已經(jīng)取得了很多成果，但這方面的技術還不成熟，沒有形成系列產(chǎn)品，主要還是采用國外成熟的系統(tǒng)。因此，建立以FPGA為控制核心的無刷流電機驅(qū)動控制系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實意義和廣闊的發(fā)展前景 7。2 畢業(yè)設計研究內(nèi)容及任務2.1研究內(nèi)容通過對電機驅(qū)動控制系統(tǒng)發(fā)展及現(xiàn)狀的分析，以無刷直流電機為控制對象，提出一種以FPGA為控制核心的無刷直流電機驅(qū)動控

7、制系統(tǒng)總體設計方案。（1） 分析電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀，提出本文所要設計的控制系統(tǒng)總體方案；（2） 設計控制器中的硬件電路,包括控制板及與驅(qū)動板之間的接口,過流保護電路等。并根據(jù)設計要求,采用再生制動實現(xiàn)了電機制動控制8； （3） 設計基于FPGA的PID控制器,對于算法中涉及到的各種時序運算采用狀態(tài)機控制實現(xiàn)過程；（4） 論述無刷直流電機的基本組成、工作原理及數(shù)學模型，研究無刷直流電機驅(qū)動控制系統(tǒng)的基本結構，建立其仿真模型，并對系統(tǒng)進行仿真分析，為控制系統(tǒng)的設計提供理論依據(jù)2.2設計思想及設計方案無刷直流電機在當今控制系統(tǒng)中被廣泛應用但是目前對無刷直流電機的控制主要由單片機和DSP 實

8、現(xiàn)，雖然單片機實現(xiàn)在價格上有優(yōu)勢，但是外圍電路復雜，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性有較大的影響，而且在算法實現(xiàn)上速度較慢，無法滿足高速實時控制系統(tǒng)要求9。DSP 雖然在算法實現(xiàn)上速度快，但是外圍電路也較復雜，而且價格較貴。因此，實現(xiàn)無刷直流電機控制系統(tǒng)可以通過FPGA 實現(xiàn)外圍數(shù)字電路的設計實現(xiàn)對電機的PWM 控制，外圍電路簡單，實時控制速度快，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，而且價格合理410。 以FPGA芯片作為控制電路核心、以智能功率模塊（IPM）作為逆變電路核心的系統(tǒng)硬件電路總體架構，進行主要器件的選型11，并設計單片機芯片必要的外圍擴展電路、霍爾信號接口電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、電流采樣調(diào)理電路、電平轉(zhuǎn)換電路、通

9、信接口電路、人機交互電路以及報警電路等12。2.3 畢業(yè)設計擬采用方法和手段無刷直流電機驅(qū)動控制器硬件邏輯設計中，F(xiàn)PGA片上模塊均采用硬件邏輯設計完成，模塊之間使用串行連接，霍爾信號經(jīng)過換相控制模塊輸出6路開關管信號，同時經(jīng)過位置與速度檢測模塊計算得到速度反饋轉(zhuǎn)速n并與速度給定參考速度一起經(jīng)過速度調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)得到電流環(huán)給定參考速度下的電壓1314，控制A/D轉(zhuǎn)換輸出A相和B相電流經(jīng)過電流檢測模塊輸出母線電流并與速度調(diào)節(jié)器輸出值一起經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器輸出占空比信號，用以調(diào)節(jié)PWM波的寬度，達到調(diào)速的目的15。3畢業(yè)設計工作計劃及進度安排第1周第2周第3周第4周第5周第6周第7周第8周第9周第10周第

10、11周第12周第13周第14周第15周第16周第17周4.參考文獻1 張琛.直流無刷電動機原理及應用M.北京:機械工業(yè)出版社，2008.2 胡文靜.永磁無刷直流電動機的發(fā)展與展望J.微電機，2002，35(4):37-38.3 華建軍.基于FPGA永磁同步電機控制器的研究D:碩士論文.江蘇:江南大學，2008.4 Ying-Yu Tzhou, Hau-Jean Hsu. FPGA Realization of Space Vector PWM Control IC for Three-phase PWM Inverters J . IEEE Transact ion on Power Elec

11、tronics, 1997, 12( 6 ).5 貢俊，陸國林.無刷直流電機在工業(yè)中的應用前景和發(fā)展J.微特電機，2000(5):14-17.6 Wong C G, Martin A J, and Thomas P, An architecture for asynchronous FPGAs, IEEE International Conference on Proceedings 2003, Tokyo, 2003: 170-177. 7 田耘,徐文波,張延偉.無線通信FPGA設計M.北京：電子工業(yè)出版社，2008.8 林壽英,基于FPGA的直流電機控制器的研究與實現(xiàn)J.福建農(nóng)機，2009

12、(4):31-34.9 徐光輝,程東旭,黃如.基于FPGA 的嵌入式開發(fā)與應用.電子工業(yè)出版社.10 Luca Mostardini,Luca Bacciarelli,Lorenzo Bertini.FPGA-based Low-cost System for Automatic Tests on Digital CircuitsC.IEEE International Conference on Electronic, Circuit sand Systems,2007(14):911-914.11 蔣昊,李哲英.基于多種EDA工具的FPGA設計流程J.微計算機信息，2007,23(32):201-203.12 薛鵬飛,張衛(wèi)東.基于Fusion FPGA 無刷直流電機的控制器設計J,研究與設計，2011,27(8):1-4.13 吳磊.基于雙DSP和FPGA的無刷直流電機伺服控制系統(tǒng)的設計D：碩士論文.電子科技大學，2010.14 Chakravarthy, N. Jizhong Xiao. FPGA-based Control System for Miniature Robots C . Intelligent Robots and System s, 200