基于fpga的直流電機伺服系統(tǒng)設(shè)計-畢業(yè)設(shè)計論文

摘要 直流電機制造技術(shù)比較成熟,具有響應迅速、精度和效率高、控制性能優(yōu)良、成本低、負載能力大等特點。隨著電力電子技術(shù)和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)對電動機進行控制，為實現(xiàn)電動機的數(shù)字化控制提供了一種新型的有效方法。 在本系統(tǒng)中，中央控制器件采用FPGA，它負責信號處理，可靠性高，速度快；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)核心部件采用增量式編碼器；大功率MOSFET管組成的H橋單極可逆電路組成驅(qū)動電路。系統(tǒng)采用前饋-反饋復合算法。使用VHDL語言編程，程序以ISP形式直接配置到FPGA中。 系統(tǒng)利用MAX+plusⅡ軟件進行建模、仿真，并以此進行控制策略的制定和控制系統(tǒng)的設(shè)計，確定各項參數(shù)。關(guān)鍵詞：伺服系統(tǒng)VHDLFPGA前饋控制PI算法ABSTRACTDirectcurrentmotortechniqueofmanufactureisquitemature,ithasthecharactersofrapidresponse,highprecision,greatefficiency,excellentcontrollingperformance,lowcostandheavyloadability.WiththedevelopmentofelectricpowerelectronictechnologyandEDAtechnology,digitalcontrolsystembasedonfieldprogrammablegatearrayFPGApresentsanovelandeffectivestrategyforrealizingfull-digitalcontrolofmotor.Inthissystem,thecentralcontroldeviceuseFPGA,itisresponsibleforthesignalprocessing,thereliabilityishigh,thespeedisquick;incrementalencoderisusedasnucleusdeviceofdataacquisitionsystem;unipolarlimitedHbridgesconsistedofpowerMOStransistorcompositiondrivingcircuit;Arithmeticemploysfeed-forwardcontrolandfeedbackcontrolinthesystem.WeuseVHDLlanguagetoprogramandprogramisconfiguredintoFPGAwithISPmode.WecreatethemodelofsystemandmakesimulationwithMAX+plusⅡsoftware,andthen,establishmentthesubsequentcontrolstrategyanddesignthecontrolsystem,definiteeachparameter.KeyWords:ServosystemFPGAVHDLFeed-forwardcontrolPIcontrol目錄第1章緒論 -1-1.1課題研究的目的和意義 -1-1.2FPGA技術(shù)和電機控制發(fā)展現(xiàn)狀 -1-1.2.1FPGA技術(shù)發(fā)展形勢 -1-1.2.2電機控制發(fā)展狀況 -2-1.2.3功率半導體器件的發(fā)展 -2-1.2.4電機控制器的發(fā)展 -3-1.3課題解決的主要問題 -3-第2章系統(tǒng)控制原理和算法設(shè)計 -4-2.1電機調(diào)速控制原理 -4-2.2PWM控制原理 -4-2.3系統(tǒng)控制原理和電機模型 -5-2.4前饋算法設(shè)計 -6-2.5反饋算法設(shè)計 -6-第3章系統(tǒng)軟件設(shè)計 -8-3.1VHDL介紹 -8-3.2MAX+plusⅡ介紹 -9-3.3軟件框圖組成 -10-3.4主要控制模塊 -11-3.4.1編碼器控制模塊 -11-3.4.2前饋控制模塊 -12-3.4.3反饋控制模塊 -12-3.4.4數(shù)控分頻器模塊 -13-3.4.5PWM波生成模塊 -14-第4章系統(tǒng)硬件設(shè)計 -16-4.1FPGA技術(shù) -16-4.1.1技術(shù)簡介 -16-4.1.2FLEX10K器件 -16-4.2硬件電路設(shè)計 -17-4.2.1結(jié)構(gòu)框圖 -17-4.2.2數(shù)據(jù)采集電路 -18-4.2.3信號調(diào)理電路 -20-4.2.4隔離電路 -20-4.2.5驅(qū)動電路 -21-4.2.6FPGA控制電路 -22-第5章結(jié)論 -24-致謝 -25-參考文獻 -26-附錄 -27-附1數(shù)字分頻器程序 -27-附2PI控制程序 -28-附3前饋控制程序 -29-附4PWM波生成程序 -29-第1章緒論1.1課題研究的目的和意義直流電機由于具有良好的啟、制動性能，并且很容易在較大范圍內(nèi)實現(xiàn)平滑調(diào)速，因而在很多領(lǐng)域都得到了廣泛應用。一個電機系統(tǒng)一般由執(zhí)行電機，控制器，驅(qū)動電路和檢測裝置4部分組成。在控制系統(tǒng)中，在實時性允許的條件下，用軟件資源代替硬件電路功能，可以方便的修改控制策略，修正控制參數(shù)，這對于降低系統(tǒng)成本，簡化系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，提高系統(tǒng)的性能價格比都具有積極的意義。近年來，專用集成電路（ASIC）發(fā)展非常迅猛。復雜可編程邏輯器件CPLD最早由Altera公司推出（即MAX系列），多為Flash、E2PROM架構(gòu)或乘積項（ProductTerm）架構(gòu)的PLD，F(xiàn)PGA最早由Xilinx公司推出，多為SRAM架構(gòu)或查表（LookUpTable）架構(gòu)，需外接配置用的EPROM下載，由于Altera的FLEX/ACEX/APEX系列也是SRAM架構(gòu)，所以通常把Altera的FLEX/ACEX/APEX系列芯片也叫做FPGA?？删幊踢壿嬈骷﨔PGA具有速度快、集成度高、設(shè)計靈活的優(yōu)點。基于FPGA設(shè)計的直流電機伺服系統(tǒng)，既可以作為一個獨立的模塊與嵌入式系統(tǒng)連接，也可以根據(jù)需要，隨時更改控制策略和方法，無需變更硬件，即可實現(xiàn)電路的重構(gòu)，使設(shè)計大大減少了外圍器件，降低了成本，提高了系統(tǒng)的靈活性，滿足了系統(tǒng)的功能需求。本文采取的技術(shù)路線是在EDA技術(shù)平臺上，利用硬件描述語言VHDL進行數(shù)字邏輯設(shè)計，進行系統(tǒng)的邏輯功能和時延仿真，并用FPGA實現(xiàn)其所要求的邏輯功能定義。以VHDL和FPGA為特征的數(shù)字系統(tǒng)現(xiàn)場集成技術(shù)是將來ASIC設(shè)計的主要發(fā)展趨勢之一。通過本課題研究，學習和掌握數(shù)字邏輯的VHDL設(shè)計方法和系統(tǒng)功能的FPGA實現(xiàn)方法，推動了數(shù)字系統(tǒng)現(xiàn)場集成技術(shù)的應用。1.2FPGA技術(shù)和電機控制發(fā)展現(xiàn)狀1.2.1FPGA技術(shù)發(fā)展形勢進入20世紀90年代，F(xiàn)PGA的發(fā)展極為迅速，不僅具有電擦除特性，而且出現(xiàn)了邊緣掃描及在線編程等高級特性。另外，外圍I/O規(guī)模擴大了在系統(tǒng)中的應用范圍和擴展性。1999年產(chǎn)品集成度達到40萬門，2000年就出現(xiàn)了容量為200萬門的產(chǎn)品。ASIC和FPGA都是集成電路(IC)。專用集成電路(ASIC)如其名稱所示，是專門滿足某種電子產(chǎn)品或系列產(chǎn)品的特定應用需求的硬接線硅芯片，用于各種消費電子產(chǎn)品和工業(yè)產(chǎn)品中?，F(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)是新興的IC技術(shù)，包括成千上萬個邏輯單元，通過可編程開關(guān)連接起來，通過單元的邏輯互聯(lián)來滿足不同的設(shè)計要求。除了邏輯塊之外，F(xiàn)PGA的其他可編程元件為I/O塊（作為內(nèi)部單線路和芯片外部引腳的接口）以及互聯(lián)接口（將其他元件的I/O信號路由至適當?shù)木W(wǎng)絡）?？芍貜途幊痰墓δ苁谴祟惼骷淖畲髢?yōu)勢。在國內(nèi)，F(xiàn)PGA技術(shù)起步比較晚，但是發(fā)展速度卻比較快，由于IT產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展使得電子、通訊和器件等各方面的技術(shù)都接近了國際水平。但是對于FPGA技術(shù)的最根本的方面，國內(nèi)還只局限于應用，而發(fā)展的是相關(guān)技術(shù)的方面?；贔PGA技術(shù)應用的隨意性和個性化，我國目前的發(fā)展方向就應該針對應用方面。目前，F(xiàn)PGA器件正朝著更高速、更高集成度、更強功能和更靈活的方向發(fā)展，它不僅已成為標準器件的一個強有力的競爭對手，也成為掩膜式專用集成電路的競爭者，同時正在不斷取代ASIC（專用集成電路）。1.2.2電機控制發(fā)展狀況電機作為機電能量轉(zhuǎn)換裝置，在這一個多世紀以來，已經(jīng)應用在國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域中。進入現(xiàn)代社會，隨著電力電子技術(shù)、計算機技術(shù)、控制技術(shù)的飛速發(fā)展，電機的應用也得到了進一步的發(fā)展。傳統(tǒng)的“電機控制”、“電氣傳動”、已經(jīng)為“運動控制”這種新型的控制技術(shù)所代替。電機應用已由過去簡單的起?？刂?、提供動力為目的的應用，上升到對速度、位置、轉(zhuǎn)矩等進行精確的控制?，F(xiàn)代電機控制技術(shù)離不開功率器件和電機控制器的發(fā)展。1.2.3功率半導體器件的發(fā)展自上世紀50年代硅晶閘管問世以來，功率半導體器件的研究取得了飛速發(fā)展。60年代后期，可關(guān)斷晶閘管GTO實現(xiàn)了門級可關(guān)斷功能，并使斬波工作頻率擴展到1KHZ。70年代中期，高功率晶體管和功率MOSFET問世，功率器件實現(xiàn)了全控功能，使得高頻應用成為可能。80年代，絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)問世，它綜合了MOSFET和雙極性功率晶體管兩者的功能。數(shù)字控制技術(shù)對于功率器件控制有如下優(yōu)點：1.可嚴格控制最小開通時間，最小關(guān)斷時間。2.可嚴格控制死區(qū)時間。1.2.4電機控制器的發(fā)展電機的控制器經(jīng)歷了從傳統(tǒng)控制器到數(shù)字控制器的發(fā)展。由于模擬器件的參數(shù)受外界影響較大，而且精度也比較差。相比較而言，數(shù)字控制器的可靠性更高，而且還具有參數(shù)調(diào)整方便、控制精度高、對環(huán)境因素不敏感、更改控制策略靈活等優(yōu)點。隨著工業(yè)電氣化自動控制和家電產(chǎn)品領(lǐng)域?qū)﹄姍C控制產(chǎn)品的需求增加，對電機控制技術(shù)的要求也不斷提高。傳統(tǒng)的8位單片機由于其內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)和計算功能等條件限制，在實現(xiàn)各種先進的電機控制理論和高效算法時遇到了困難。使用高性能的數(shù)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。將一系列外圍設(shè)備如模數(shù)轉(zhuǎn)換器、數(shù)字信號處理器和脈寬調(diào)制發(fā)生器集成在一起組成復雜的電機控制系統(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)對電機進行控制，為實現(xiàn)電動機數(shù)字控制提供了一種新型的有效方法。1.3課題解決的主要問題在傳統(tǒng)電機控制領(lǐng)域中，模擬控制器的控制精度比較差，而且受環(huán)境和外部條件影響很大，在控制策略的制定和更改方面不夠靈活?？刂齐姍C自身和被控對象本身也具有非線性嚴重、耦合性強等特點，所以系統(tǒng)難以建立精確的數(shù)學模型。應用FPGA作為中央控制單元，既解決了傳統(tǒng)控制方式的諸多問題，又能靈活的對電機伺服系統(tǒng)進行控制與維護。應用DSP作為中央控制器會產(chǎn)生復位、死機等系統(tǒng)問題，而基于FPGA的直流電機伺服系統(tǒng)擁有非常強大的抗干擾性，在效率和靈活性方面都大大得到了提高。由于在設(shè)計初期階段就考慮了電磁兼容性問題，通過采用光耦隔離、無感元件等有效措施成功的提高了儀器和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。第2章系統(tǒng)控制原理和算法設(shè)計2.1電機調(diào)速控制原理他勵直流電機相比較異步電動機，雖然結(jié)構(gòu)復雜，價格高，但是在調(diào)速性能方面有其獨特的優(yōu)點：第一，調(diào)速均勻平滑，可以實現(xiàn)無級調(diào)速；第二是調(diào)速范圍大，調(diào)速比可以達到200以上。它所具有的機械特性為：(2-1)由此可見，機械轉(zhuǎn)速的改變可以通過改變電動機的參數(shù)來實現(xiàn),比如對電動機的外加電壓，電樞回路中的外串電阻和磁通進行調(diào)整就可以調(diào)整電動機的轉(zhuǎn)速。通過改變電機電樞外加電壓的方法來調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速是當前應用最廣泛的一種方法。由于機械特性硬度不變，調(diào)速范圍大，便于實現(xiàn)無級調(diào)速，而且調(diào)速的平滑性較好。另外，調(diào)速不需要在電樞回路中串接電阻，調(diào)速損耗小，電動機的運行效率高。相比較電樞回路串電阻調(diào)速和調(diào)磁調(diào)速，調(diào)壓調(diào)速方法優(yōu)勢明顯。2.2PWM控制原理采用全控型的開關(guān)功率元件進行脈寬調(diào)制PWM控制方式在當前成為一種主流控制方式，它很容易在微控制器中實現(xiàn)，從而為直流電動機控制的數(shù)字化提供了很好的基礎(chǔ)。在對直流電動機電樞電壓控制和驅(qū)動中，對半導體功率器件的使用上可分為兩種方式：線性放大驅(qū)動方式和開關(guān)驅(qū)動方式。本系統(tǒng)采用后者，它是使半導體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制PWM來控制電樞電壓，實現(xiàn)調(diào)速?？刂圃韴D和輸入輸出電壓波形如下圖所示：圖2-1PWM控制原理圖圖2-2PWM控制輸入輸出電壓圖如圖2-1所示，當開關(guān)管MOSFET的柵極輸入電壓為高電平時，開關(guān)管導通，直流電動機電樞繞組兩端有電壓Us。t1秒后，柵極輸入電壓變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管截止，電動機電樞兩端電壓為0。t2秒后，柵極輸入電壓重新變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)管重復前面的過程。這樣，對應著輸入電壓的高低，直流電動機電樞繞組兩端的電壓波形如圖2-2所示。故，電動機的電樞繞組兩端的平均電壓Uo為：（2-2）式中為占空比。由此可見，當電源電壓不變的時候，電樞的端電壓的平均值Uo取決于占空比的大小，改變的值就可以改變端電壓的平均值，從而達到調(diào)速的目的，這就是PWM調(diào)速原理。PWM調(diào)速的調(diào)整有三種方法：定寬調(diào)頻法、調(diào)寬調(diào)頻法和定頻調(diào)寬法。其中，前兩種方法需要改變脈沖頻率，可能引起系統(tǒng)振蕩。目前在直流電機的控制中，主要應用定頻調(diào)寬法，即保持頻率不變，而同時改變和。2.3系統(tǒng)控制原理和電機模型圖2-3系統(tǒng)控制原理圖如圖2-3所示，測控系統(tǒng)由位置反饋、速度反饋和電流反饋的三閉環(huán)結(jié)構(gòu)組成。電流環(huán)的作用是限流，防止過流損傷電機；速度環(huán)的作用是抑制速度波動，增強系統(tǒng)抗負載擾動的能力，提高穩(wěn)定性;位置環(huán)的作用是實現(xiàn)位置跟蹤，它是系統(tǒng)的主控制環(huán)。三環(huán)結(jié)合工作，保證了系統(tǒng)具有良好的靜態(tài)精度和動態(tài)特性，工作平穩(wěn)可靠。本系統(tǒng)中的直流電機參數(shù)如下：額定電壓為56V，額定電流≤12A,空載轉(zhuǎn)速為4100rad/m，減速比為1/160，功率為500W。如果忽略電樞電感以及粘性阻尼系數(shù)，則以電樞電壓為輸入變量，電動機轉(zhuǎn)速ω(t)為輸出變量的直流伺服電動機的傳遞函數(shù)可以簡化為：（2-3）式中，電動機的反電動勢系數(shù)，機電時間常數(shù)=10ms。反饋比例系數(shù)=15v/131.4°，這個反饋系數(shù)相當于實際控制系統(tǒng)中的角度傳感器，以上推出的傳遞函數(shù)為電壓與角度的關(guān)系，所以應該在此傳遞函數(shù)基礎(chǔ)上再加上一個積分環(huán)節(jié)，從而實現(xiàn)電樞電壓與角度的傳遞關(guān)系。2.4前饋算法設(shè)計電動機轉(zhuǎn)速ω（t）為輸出變量的直流伺服電動機的傳遞函數(shù)為：（2-4）引入的前饋控制能有效提高系統(tǒng)對輸入信號的相應速度，部分消除被控對象的積分滯后影響，從而使系統(tǒng)迅速消除偏差，并可以提高系統(tǒng)帶寬。根據(jù)不變性原理，可以得到：（2-5）將其離散化得到差分方程:（2-6）式中: （2-7）（2-8）其中:;;2.5反饋算法設(shè)計本系統(tǒng)中的反饋控制采用的是PI算法，用PI控制來提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制精度。通過對各項參數(shù)進行合理調(diào)整，使系統(tǒng)達到響應速度快、控制精度高的最優(yōu)化。PI的控制規(guī)律為：（2-9）其中：是比例系數(shù)，是積分時間常數(shù)。PI控制器中各環(huán)節(jié)的作用有以下兩點：比例環(huán)節(jié)：成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號error（t），一旦偏差產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制，以減少偏差。積分環(huán)節(jié)：主要用來提高系統(tǒng)的誤差度，消除靜差。采用微處理器，需引入數(shù)字PI控制，即以一系列采樣時刻點kT代表連續(xù)時間t，以矩形法數(shù)值積分近似代替積分，可得離散PID表達式：（2-10）（2-11）式中T為采樣周期，k為采樣序號。為了避免出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象，我們采用積分分離PI算法。即當誤差大于0.5V時，不對誤差進行積分運算：而當誤差小于0.5V時，進行積分運算，用以消除誤差。第3章系統(tǒng)軟件設(shè)計3.1VHDL介紹VHDL－VeryHighSpeedIntegratedCircuit(VHSIC)HardwareDescriptionLanguage，是在70－80年代，由美國國防部資助的VHSIC項目開發(fā)的產(chǎn)品。這種語言首次開發(fā)出來時，其目標僅是作為一個電路文本化的一種標準，為了使人們用文本方式描述設(shè)計能夠被其它人所理解。同時，也被用來作為模型語言，方便于采用軟件來進行模擬。VHDL于1987年由IEEE1076標準所確認。1988年，Milstd454規(guī)定所有為國防部設(shè)計的ASIC產(chǎn)品必須采用VHDL來描述。1993年，IEEE1076標準被升級、更新，新的VHDL標準為IEEE1164。1996年，IEEE1076.3成為VHDL綜合標準。20世紀90年代，引起數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計方式發(fā)生突破性技術(shù)變革的技術(shù)正是VHDL技術(shù)。VHDL作為IEEE－1076標準所規(guī)范的硬件描述語言，隨著各種EDA工具和集成電路的普遍認同和推廣，目前正在全球范圍內(nèi)先進工業(yè)國家的電子系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域獲得廣泛應用。今天，VHDL已成為數(shù)字電路和系統(tǒng)的描述、建模、綜合的工業(yè)標準。在電子產(chǎn)業(yè)界，無論ASIC設(shè)計人員，還是系統(tǒng)級設(shè)計人員，都需要學習VHDL來提高他們的工作效率。由于VHDL所具有的通用性，它也成為可支持不同層次的設(shè)計者需求的標準語言。VHDL允許設(shè)計在不同的EDA工具環(huán)境之間移植，其模塊可以封裝成獨立單元，重復使用。它支持階層結(jié)構(gòu)的復雜設(shè)計和從門級到系統(tǒng)級的設(shè)計，而且可以用于邏輯電路的描述、綜合，并可以支持多層次的設(shè)計描述。VHDL和Verilog兩種語言能夠滿足數(shù)字邏輯設(shè)計的這些需要。無論是從文本的組合利用，還是綜合，以及對器件和系統(tǒng)的模擬方面，VHDL都是一個較好的選擇。VHDL非常適用于可編程邏輯器件的應用設(shè)計，并正在得以普及。在500－100000門的大容量CPLD和FPGA的應用設(shè)計中，工程師若采用以往的布爾方程或門級的描述方式，難以快速和有效地完成設(shè)計。而VHDL卻能夠提供高級語言結(jié)構(gòu)使工程師很方便地描述大型電路，促進產(chǎn)品的快速上市。它能夠提供支持設(shè)計單元庫的創(chuàng)建，以存儲在附屬子設(shè)計中重復使用的元件。因為VHDL是一種標準語言，在綜合和模擬工具之間，VHDL代碼具有可移植能力，即設(shè)計可用不同的器件來實現(xiàn)。同樣，采用VHDL實現(xiàn)一個設(shè)計從可編程器件向ASIC的轉(zhuǎn)換也是便利的。使用VHDL，你可以快速描述和綜合5000、10000或更多門的電路，而同類型的設(shè)計，如果采用寄存器/傳輸門的圖形輸入或布爾方程來描述，往往需要1個人花幾個月的工作量。VHDL主要用于描述數(shù)字系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、行為、功能和接口。除了含有許多具有硬件特性的語句以外，VHDL的語言形式和描述風格與句法十分類似于一般的計算機高級語言。VHDL的程序結(jié)構(gòu)特點是將一項工程設(shè)計分為外部和內(nèi)部，即設(shè)計實體的內(nèi)部功能和算法完成部分。在對一個設(shè)計實體定義了外部界面后，一旦其內(nèi)部開發(fā)完成后，其他的設(shè)計就可以直接調(diào)用這個實體。這種設(shè)計實體分為內(nèi)外部分的概念是VHDL系統(tǒng)設(shè)計的基本點。它的特點如下：VHDL語言具有更強的行為描述能力，從而決定了它稱為系統(tǒng)設(shè)計領(lǐng)域最佳的硬件描述語言。VHDL既是一種硬件電路描述和設(shè)計語言，也是一種標準的網(wǎng)表格式，還是一種仿真語言，隨時可對設(shè)計進行仿真模擬。VHDL的行為描述能力和程序結(jié)構(gòu)決定了它具有大規(guī)模設(shè)計的分解和已有設(shè)計的再利用功能，符合市場所需求的，大規(guī)模高效、高速的完成必須由多人甚至多個開發(fā)組共同并行工作才能實現(xiàn)的特點。對于用VHDL完成的一個確定的設(shè)計，可以利用EDA工具進行邏輯綜合和優(yōu)化，并自覺地把VHDL描述設(shè)計轉(zhuǎn)變成門級網(wǎng)表。VHDL對設(shè)計的描述具有相對獨立性，設(shè)計者可以不懂硬件的結(jié)構(gòu)和最終實現(xiàn)的目標器件是什么，而進行獨立的設(shè)計。由于VHDL具有類屬描述語句和子程序調(diào)用等功能，對于已完成的設(shè)計，在不改變源程序的條件下，只需要改變端口類屬參量或函數(shù)，就能輕易地改變設(shè)計的規(guī)模和結(jié)構(gòu)。3.2MAX+plusⅡ介紹MAX+plusⅡ(MultipleArrayMatrixandProgrammableLogicUserSystem)是ALTERA公司推出的具有完全集成化、可視化的設(shè)計環(huán)境，具有工業(yè)標準EDA工具接口，可運行多種操作系統(tǒng)。MAX+plusⅡ提供了一種與結(jié)構(gòu)無關(guān)的設(shè)計環(huán)境，設(shè)計人員無須精通器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，只需運用自己熟悉的輸入工具進行設(shè)計，就可以通過MAX+plusⅡ把這些設(shè)計轉(zhuǎn)換為最終結(jié)構(gòu)需要的格式。MAX+plusⅡ提供豐富的邏輯功能供設(shè)計人員調(diào)用，其中包括74系列全部器件的等效宏功能庫和多種特殊的宏功能（MacroFunction）模塊以及參數(shù)化的宏功能（Magefunction）模塊。MAX+plusⅡ還具有開放核的特點，允許設(shè)計人員添加自己的宏功能模塊。充分利用這些邏輯功能模塊，還可以大大減輕設(shè)計的工作量，成倍縮短開發(fā)周期。概括起來，MAX+plusⅡ開發(fā)系統(tǒng)具有如下幾個特點：機構(gòu)無關(guān)。MAX+plusⅡ支持ALTERA公司數(shù)個系列可編程邏輯器件門數(shù)為600～250000門，提供了業(yè)界真正與結(jié)構(gòu)無關(guān)的可編程邏輯設(shè)計環(huán)境。MAX+plusⅡ的編譯器還提供了強大的邏輯綜合與優(yōu)化功能以減輕用戶的設(shè)計負擔。集成化的界面。MAX+plusⅡ提供了設(shè)計輸入、設(shè)計處理和仿真校驗等全集成化的開發(fā)工具，可以加快動態(tài)調(diào)試，縮短開發(fā)周期。模塊組合式設(shè)計工具。設(shè)計者可從各種設(shè)計輸入、設(shè)計處理和設(shè)計校驗選項中進行選擇，從而使設(shè)計環(huán)境用戶化。需要時，還可以保留初始的工具，并增添新的性能。支持多種HDL語言。MAX+plusⅡ支持多種流行的HDL描述語言，包括VHDL，VerilogHDL和AHDL。良好的開放性和數(shù)據(jù)互換性。MAX+plusⅡ由設(shè)計輸入、項目處理、項目校驗和器件編程四個部分。使用MAX+plusⅡ的設(shè)計過程包括一下幾步，若任一步走錯或未達到設(shè)計要求則應該修改設(shè)計，然后重復各步如圖3-2所示：圖3-1MAX+plusⅡ的設(shè)計流程3.3軟件框圖組成系統(tǒng)軟件算法如圖3-2所示；圖3-2系統(tǒng)軟件流程圖3.4主要控制模塊在FPGA中，所采用的編程語言是硬件描述語言VHDL。它采用從上而下的設(shè)計方法，利用其EDA平臺的通用性、具體硬件結(jié)構(gòu)的無關(guān)性以及優(yōu)秀的可移植性等特點來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的軟件功能。3.4.1編碼器控制模塊在ALTERA的開發(fā)工具MAX+plusⅡ中，輸入電路原理圖，得到如下圖所示的仿真圖形，當A相超前B相時，AOUT輸出4倍脈沖，DA【7..0】為編碼器正轉(zhuǎn)時4倍脈沖個數(shù)；反之，BOUT輸出脈沖，DB【7..0】為反轉(zhuǎn)時4倍脈沖個數(shù)。利用DA【7..0】和DB【7..0】就能夠方便的實現(xiàn)編碼器的可逆計數(shù)。3-3增量編碼器仿真圖3.4.2前饋控制模塊圖3-4前饋控制仿真圖實現(xiàn)速度前饋和加速度前饋算法，改善系統(tǒng)跟蹤效果。3.4.3反饋控制模塊圖3-5反饋控制仿真圖 PI控制模塊：采用積分分離PI算法，避免積分飽和現(xiàn)象，且參數(shù)根據(jù)實際控制結(jié)果可調(diào)。3.4.4數(shù)控分頻器模塊FPGA系統(tǒng)采用單時鐘作為全局時鐘，根據(jù)各模塊要求，分別產(chǎn)生所需頻率。圖3-6分頻流程圖圖3-7數(shù)控分頻器仿真圖3.4.5PWM波生成模塊圖3-8PWM波生成流程圖圖3-9PWM生成仿真圖根據(jù)控制量產(chǎn)生的控制信號分別控制電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。第4章系統(tǒng)硬件設(shè)計4.1FPGA技術(shù)FPGA的電路結(jié)構(gòu)主要是基于SRAM工藝的查找表結(jié)構(gòu)。4.1.1技術(shù)簡介FPGA（FieldProgrammableGateArray，現(xiàn)場可編程門陣列）技術(shù)是近幾年來計算機與電子技術(shù)領(lǐng)域的又一次革命，廣泛應用于航天、通信、醫(yī)療、工業(yè)等各個領(lǐng)域，受到了電子工程設(shè)計人員的廣泛關(guān)注和普遍歡迎。計算機、電子通信領(lǐng)域的工程師掌握FPGA技術(shù)已勢在必行。FPGA具有體系結(jié)構(gòu)完整和邏輯單元靈活、集成度高以及適用范圍廣等特點。因此FPGA已經(jīng)滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€方面。手機、電視、數(shù)碼相機、洗衣機、電冰箱、空調(diào)，甚至電飯鍋、手表領(lǐng)域里，都能看到它們的身影。工業(yè)自動化控制、通信、儀器儀表、汽車、船舶、航空航天、軍事設(shè)備、消費類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域更是它們的天下。具體講，F(xiàn)PGA在硬件系統(tǒng)設(shè)計中具有以下優(yōu)點：可以縮小體積、減輕重量、降低功耗，且具有高集成度和高可靠性；易于獲得高性能，能將系統(tǒng)設(shè)計、電路設(shè)計和工藝設(shè)計三者緊密結(jié)合起來，這種一體化的設(shè)計有利于獲得前所未有的高性能系統(tǒng)；軟件模擬仿真下載到FPGA并制成專用IC后，設(shè)計者可以很直觀地測試到其邏輯功能及性能指標。由于FPGA的這些優(yōu)點，用戶只要選擇合適的FPGA芯片，就能輕而易舉地設(shè)計自己的“計算機”和“數(shù)字系統(tǒng)”。4.1.2FLEX10K器件根據(jù)設(shè)計要求，綜合整個電路所需要的管腳和宏單元的個數(shù)估算，本系統(tǒng)采用的FPGA是EPF10K10LC84-4，它是屬于ALTERA公司的FLEX10K系列的一款FPGA器件。FLEX10K是工業(yè)界第一個嵌入式的可編程邏輯器件，采用可重構(gòu)的CMOSARAM工業(yè)，把連續(xù)的快速通道互聯(lián)與獨特嵌入式整列相結(jié)合，同時也結(jié)合了眾多可編程了器件的優(yōu)點來完成普通門陣列的宏功能。器件內(nèi)部集成10萬門電路，實現(xiàn)復雜邏輯運算和數(shù)據(jù)運算。它的具體的配置方式有被動型和主動型兩種，其中被動型配置是在上電后由計算機把編譯后產(chǎn)生的后綴為SOF文件由專門的下載電纜配置芯片，而主動型配置是在上電后由專門的可編程配置芯片進行配置，會在上電時自動給EPF10K10LC84-4芯片進行配置。FLEX10K系列器件主要由嵌入式陣列塊、邏輯陣列塊、快速通道（FastTrack）互聯(lián)和I/O單元四部分組成。嵌入式陣列由一系列嵌入式陣列塊(EAB)構(gòu)成。當用來實現(xiàn)存儲功能時，每個EAB提供2048位用來構(gòu)造RAM、ROM、FIFO或者雙向RAM等功能。當用來實現(xiàn)乘法器、微控制器、狀態(tài)機以及DSP等復雜邏輯時，每個EAB貢獻100至600個門。邏輯陣列由一系列邏輯陣列塊（LAB）構(gòu)成。每個LAB包含8個LE和一些局部互連，每個LE含有一個四輸入查找表（LUT）、一個可編程觸發(fā)器、進位鏈和級連鏈。內(nèi)部互連包括：快速、可預測連線延時的快速通道連續(xù)式布線結(jié)構(gòu)；實現(xiàn)快速加法器、計數(shù)器和比較器的專用進位鏈；實現(xiàn)高速、多輸入邏輯函數(shù)的專用級聯(lián)鏈；實現(xiàn)內(nèi)部三態(tài)總線的三態(tài)模擬。器件的引腳由一些I/O單元驅(qū)動，每個引腳都有一個獨立的三態(tài)輸出使能控制及漏極開路配置選項；可編程輸出電壓的擺率控制，可以減小開關(guān)噪聲。4.2硬件電路設(shè)計4.2.1結(jié)構(gòu)框圖整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖圖4-1系統(tǒng)硬件電路框圖電機伺服器硬件電路主要由FPGA控制器、數(shù)據(jù)采集電路、信號調(diào)理電路、隔離電路和驅(qū)動電路等組成，各個模塊在中央控制器FPGA的控制下協(xié)調(diào)工作。使用FPGA器件可以將原來的電路板級產(chǎn)品即成為芯片級產(chǎn)品，從而降低功耗，方便對設(shè)計進行修改。本設(shè)計采用的可編程邏輯器件為ALTERA公司的FLEX10K系列的EPF10K10LC84-4芯片，它具有高密度，低成本，低功耗，靈活的內(nèi)部連接和強大的I/O引腳功能等特點。數(shù)據(jù)采集電路由增量式編碼器構(gòu)成，進行4分頻計數(shù)。4.2.2數(shù)據(jù)采集電路上位機給定信號與位置檢測傳感器輸出信號送到數(shù)據(jù)采集電路，得到位置誤差信號及其變化率，即速度值。位置檢測傳感器采用精密電位器，精度為0.1%，此回路構(gòu)成系統(tǒng)的位置環(huán)和速度環(huán)。電流傳感器采用的是CHB-25NP型，額定輸入電流25A，輸出電流25mA，失調(diào)電流小于0.3A，相應時間小于1uS。傳感器采集電機電樞電流，此回路構(gòu)成系統(tǒng)的電流環(huán)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由增量式編碼器構(gòu)成，利用FPGA控制它的三條通道同步采樣，分別采集指令信號、反饋信號和電流信號。編碼器是一種高精度的角位置測量傳感器，它具有分辨率高、相應速度快、體積小、輸出穩(wěn)定等特點，被廣泛應用與電機伺服控制系統(tǒng)中，通常情況下，編碼器分為絕對式和增量式兩種，在本文中采用的是4倍分頻的增量式編碼器。增量式編碼器實際上是一種旋轉(zhuǎn)式角位移檢測裝置，它根據(jù)軸所轉(zhuǎn)過的角度，輸出一系列脈沖，能將機械角度變成電脈沖，其輸出信號如圖4-2所示。A、B兩路信號是相位相差90°的正交方波脈沖串，每個脈沖代表被測對象旋轉(zhuǎn)了一定的角度，A、B之間的相位關(guān)系則反映了被測對象的旋轉(zhuǎn)方向，即當A相超前B相，轉(zhuǎn)動方向為正轉(zhuǎn)；當B相超前A相時，轉(zhuǎn)動方向為反轉(zhuǎn)。Z信號是一個代表零位的脈沖信號，可用于調(diào)零、對位。(a)編碼器正轉(zhuǎn)輸出(b)編碼器反轉(zhuǎn)輸出圖4-2編碼器輸出信號對于每個確定的編碼器，每轉(zhuǎn)過固定角位移θ，就對應一個脈沖信號，故其量化誤差為θ/2.若將A或B信號四倍頻，則在此θ角位移內(nèi)，就會產(chǎn)生4個脈沖信號其量化誤差下降為θ/8，從而使編碼器的角位移測量精度提高4倍。如圖4-3所示，采用4個D觸發(fā)器鎖存輸入信號A、B的當前狀態(tài)及原狀態(tài)，CLK為周期至少小于編碼器脈沖最小周期1/4的同步時鐘，經(jīng)過三個異或門和兩個與門之后輸出的正反向四倍頻計數(shù)脈沖AOUT和BOUT。最后將經(jīng)過分頻、鑒相后的脈沖信號作為計數(shù)器的時鐘信號，就可以實現(xiàn)對脈沖信號的計數(shù)。 圖4-3數(shù)據(jù)采集電路原理圖4.2.3信號調(diào)理電路加到驅(qū)動電路上的PWM波需要經(jīng)過調(diào)理電路的調(diào)整才能適合后端驅(qū)動電路的要求。光耦隔離后的信號經(jīng)過以下調(diào)理電路，作為驅(qū)動電路MOS管的柵極驅(qū)動電壓。本系統(tǒng)的調(diào)理電路由三極管和電阻網(wǎng)絡組成。如圖4-4所示：4-4調(diào)理電路電路圖4.2.4隔離電路為了提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，抵抗直流電機驅(qū)動部分電路對控制部分電路的干擾，我們采用隔離電路進行隔離。本系統(tǒng)中采用的是高速光耦6N137實現(xiàn)隔離操作，速度可以達到500KHZ，基本解決了PWM波上升沿失真的問題。下圖中的A、B、C、D四路信號即為FPGA生成的PWM信號進過電平變換夠的輸入信號。光耦隔離電路如圖4-5所示：4-5隔離電路圖4.2.5驅(qū)動電路驅(qū)動電路采用單極可逆驅(qū)動電路，PWM波驅(qū)動兩組NMOS和PMOS組成的H橋電路，分別控制電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。其中PMOS管采用IRF9150，NMOS管采用IRF150，兩管為對管。管子耐壓為200V，電流為40A，兩管并聯(lián)電流值為80A。電機功率為500W，額定電壓56V，電流12A。電路中外加續(xù)流二極管，已構(gòu)成續(xù)流回路，續(xù)流二極管采用MUR470（電流可達6A，續(xù)流時間＜50nS），滿足電路續(xù)流要求。由于柵源間電壓不能超過18V，為了保護MOS管，增加穩(wěn)壓二極管（12V）。采用單極受限PWM波控制兩組NMOS和PMOS互補電路驅(qū)動直流電機，分別驅(qū)動電機正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。當一組工作時，另一組截止，而且只有在電機發(fā)生換向時才考慮兩組MOS管同時導通的問題，即PWM波死區(qū)的問題。通過設(shè)定適當死區(qū)，從而避免管子同時導通而導致電流過流發(fā)生的情況。電路如圖4-6所示：圖4-6驅(qū)動電路圖4.2.6FPGA控制電路采用ISP技術(shù)，通過JTAG接口電路直接向EEPROM芯片燒寫程序，簡單而又方便。JTAG接口電路如下圖4-7所示。ISP（In-SystemProgrammability）即在線系統(tǒng)可編程技術(shù)。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(tǒng)（稱為目標系統(tǒng)）中或印制板上對芯片進行編程數(shù)據(jù)下載。ISP技術(shù)為系統(tǒng)設(shè)計和制造帶來了很大的靈活性。傳統(tǒng)的PLD芯片需用專門的編程器來實現(xiàn)器件的功能定義。ISP技術(shù)則不用專門編程器，直接在用戶的目標系統(tǒng)或印制板上對PLD芯片進行數(shù)據(jù)下載，故稱為在線系統(tǒng)可編程。具有ISP性能的CPLD器件上基于E2CMOS工藝制造，其編程信息存儲于E2PROM內(nèi)，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(jīng)安裝在目標系統(tǒng)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(guān)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CPLD芯片在設(shè)計時，已采取了專門措施，使之編程時，器件的引腳處于高阻狀態(tài)。圖4-7JTAG接口電路圖由于EPF10K10LC84-4芯片基于SRAM結(jié)構(gòu)，掉電后芯片上程序消失。所以采用外部存儲器EEPROM芯片EPCLC20。首先將程序存入EEPROM中，上電后，程序自動由EEPROM燒入FPGA芯片中。圖4-8外部存儲器電路圖第5章結(jié)論本次設(shè)計完成了直流電機伺服系統(tǒng)數(shù)字化控制的硬件設(shè)計并進行了軟件仿真，對設(shè)計原理和實現(xiàn)過程都進行了周密的理論分析和實驗論證。在實驗測試中，以FPGA作為中央控制器在數(shù)控領(lǐng)域顯示了其獨特的優(yōu)勢。首先，系統(tǒng)的相應時間主要取決于采樣電路和電機的運行時間，這樣程序算法的執(zhí)行時間非常小，速度很快。其次，在工作過程中，沒有發(fā)生以單片機作為控制器所經(jīng)常發(fā)生的復位、死機等情況，F(xiàn)PGA的抗干擾性得到了充分的驗證。再次，在實施設(shè)計的過程當中，F(xiàn)PGA還有程序修改方便、方針可靠、集成度高、布局布線容易等許多優(yōu)點。最后，設(shè)計中采用VHDL和FPGA相結(jié)合，設(shè)計的靈活性和效率都大大提高，系統(tǒng)的各項性能都得到充分滿足?？傊?，F(xiàn)PGA高集成度芯片的采用，保證了整個電路系統(tǒng)所用外圍器件較少，既減少了電路出現(xiàn)問題的排錯時間，也降低了系統(tǒng)的安裝難度。伺服系統(tǒng)設(shè)計經(jīng)過不斷調(diào)試，硬件電路工作穩(wěn)定、可靠。系統(tǒng)軟件內(nèi)部設(shè)置各種措施，控制芯片自身抗干擾性強。由此可見，數(shù)字集成設(shè)計和控制技術(shù)具有旺盛的生命力和市場前景，F(xiàn)PGA在各種干擾比較強，實時性要求高的控制領(lǐng)域內(nèi)都將得到廣泛的應用。通過本次論文的撰寫，我的綜合運用所學知識的能力得到了鍛煉，既提高了自己解決實際工程問題的能力，同時也提升高了我查閱所需文獻、設(shè)計流程、軟件制圖的水平，大幅度提升了自己對論文整體的把握和細節(jié)的斟酌的水平。致謝值此畢業(yè)論文完成之際，衷心感謝我的導師白雪梅老師！幾個月的時間里，白老師以其淵博的學識，豐富的經(jīng)驗在本課題的開題、研究過程、及論文撰寫各個階段給予了我悉心的指導和幫助。不懈的研究精神和崇高的敬業(yè)精神是她所給予我的寶貴的精神財富。為了使我能夠更好的完成論文，白老師為我提供了良好的學習環(huán)境與條件。她兢兢業(yè)業(yè)的工作精神、踏實真誠的處事態(tài)度也讓我感受到了她偉大的人格魅力。謹此在論文結(jié)束之際，向白老師致以最真誠的敬意和感激！感謝與我共同成長過的同學、好友：楊鑫、吳俊、盧力勛等。4年的大學時光里我們一同分享歡笑與淚水。特別要感謝我的父母，感謝他們無私的關(guān)懷和奉獻，使我能在人生道路上不斷成長。由于本人水平有限，文中有不妥之處難免，敬請各位老師和同學指正。在此向所有曾經(jīng)關(guān)心我?guī)椭业娜藗儽硎旧钌罡兄x！參考文獻[1]秦繼榮，沈安俊.現(xiàn)代直流伺服控制技術(shù)及其系統(tǒng)設(shè)計.北京：機械工業(yè)出版社，1999[2]王毓銀.數(shù)字電路邏輯設(shè)計.北京：高等教育出版社，1999[3]黃令龍，郭陽寬，蔣配軍等.高精密伺服轉(zhuǎn)臺控制系統(tǒng)的設(shè)計.清華大學學報，2004，44（8）：1054-1056[4]王田苗，丑武勝.機電控制基礎(chǔ)理論及應用.北京：清華大學出版社，2002[5]RovatiL，BonaiutiM，PavanP.Designofahigh-performanceopticalsystemforangularpositionmeasurementopticalandelectronicstrategiesforuncertaintyreduction.InstrumentationandMeasurement，2005，54(5)：2075-2081[6]褚振勇，翁同木.FPGA設(shè)計與應用.西安：西安電子科技大學出版社，2002[7]潘松，黃繼業(yè).EDA技術(shù)實用教程.北京：科學出版社，2002[8]程抒一，施光林.基于SOC單片機C8051F022的直流電機伺服系統(tǒng).傳感技術(shù)學報，2005，18（1）[9]FLEX10EmbeddedProgrammableLogicDeviceFamily.ALTERA,2001[10]謝運祥，洪盛剛.可編程邏輯器件的發(fā)展及其應用前景.微電機，2002，35（1）：32~36[11]朱明程、孫普譯.可編程邏輯系統(tǒng)的VHDL設(shè)計技術(shù).東南大學出版社，1998[12]SemiconductorComponentsIndustries.BrushlessDCMotorController[13]葉東，周志煒，張飚彭，國茂.基于FPGA的多路光電編碼器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng).傳感器與微系統(tǒng)，2006，25(5)附錄附1數(shù)字分頻器程序libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_unsigned.all;entityfenpinisport(clk:instd_logic;fout:outstd_logic);end;architectureoneoffenpinissignalfull:std_logic;beginjishu:process(clk)variablecnt8:std_logic_vector(7downto0);beginifclk'eventandclk='1'thenifcnt8="11111111"thencnt8:="11100000";full<='1';elsecnt8:=cnt8+1;full<='0';endif;endif;endprocessjishu;tiaobian:process(full)variabletrigule:std_logic;beginiffull'eventandfull='1'thentrigule:=nottrigule;iftrigule='1'thenfout<='1';elsefout<='0';endif;endif;endprocesstiaobian;end;附2PI控制程序libraryieee;useieee.std_logic_1164.all;useieee.std_logic_unsigned.all;entityjifenxisport(input:instd_logic_vector(11downto0);clk:instd_logic;--demon:outstd_logic_vector(4downto0);output:bufferstd_logic_vecto