無刷直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)開題報(bào)告

1、本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開題報(bào)告論文題目： 無刷直流電機(jī)控制器硬件電路的設(shè)計(jì) 學(xué) 院： 電氣工程學(xué)院 專業(yè)班級(jí)： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)： 導(dǎo)師姓名： 開題時(shí)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(jī)利用電子換向代替機(jī)械換向，解決了傳統(tǒng)直流電機(jī)因?yàn)殡娝⒛Σ炼a(chǎn)生的眾多問題并因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維修方便等優(yōu)點(diǎn),使得它的應(yīng)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(yīng)用成為研究的熱點(diǎn),因而對(duì)電機(jī)運(yùn)行性能的要求也越來越高,因此圍繞改善電機(jī)性能方面的研究也是多方向的。早期的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)多采用專用硬件控制設(shè)備，需設(shè)計(jì)專用的控制芯片及其它硬件電路以滿足不同控制對(duì)象的需要

2、，這種封閉式結(jié)構(gòu)使電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(kuò)展性和易用性都很差，并且升級(jí)困難。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(yīng)用需求，迅速、經(jīng)濟(jì)地構(gòu)建面向客戶的控制系統(tǒng)，又希望大幅度降低系統(tǒng)維護(hù)費(fèi)用改變以往封閉式設(shè)計(jì)模式，使底層生產(chǎn)控制系統(tǒng)的集成更為簡(jiǎn)便和有效。現(xiàn)代電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)正朝著開放性、實(shí)時(shí)性和可靠性方向發(fā)展。無刷直流電機(jī)大多采用 MCU（單片機(jī)）或者 DSP（數(shù)字信號(hào)處理器）來研制電機(jī)控制器，因?yàn)橐恍?MCU 和DSP 中預(yù)置了用于電機(jī)控制的指令、接口和外設(shè)，應(yīng)用較為方便。但是，在一些特殊的應(yīng)用領(lǐng)域，例如，在高溫、

3、低溫和強(qiáng)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(chǎng)可編程門陣列，它是在PAL、GAL、CPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。它是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)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(diǎn)。由于FPGA運(yùn)用了硬件電路軟件化設(shè)計(jì)的理念，使得FPGA設(shè)計(jì)具有良好的可重復(fù)性和修改性。模塊的硬件描述語言 (HDL)不拘泥于某一型號(hào)FPGA或某一廠商的FPGA，只需要經(jīng)過簡(jiǎn)單的設(shè)置就可重復(fù)利用已有的電路模塊，又因

4、為FPGA具有優(yōu)異的可重復(fù)編程的能力，可以很簡(jiǎn)單的對(duì)算法進(jìn)行修改和升級(jí)。從而極大地縮短了控制器的設(shè)計(jì)時(shí)間，節(jié)約了產(chǎn)品升級(jí)換代的成本。FPGA 有從商用到航天等不同級(jí)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(shì)無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制過程中，不但要完成高速的數(shù)據(jù)采集計(jì)算，還要完成多個(gè)控制環(huán)的復(fù)雜計(jì)算以及PWM調(diào)制、換相控制，需要完成的計(jì)算量較大，并且對(duì)實(shí)時(shí)性和精度要求較高。而單片機(jī)由于其內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)和計(jì)算功能等條件限制，在需要處理數(shù)據(jù)量大和實(shí)時(shí)性要求高時(shí)，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(jī)專用控制芯片中所實(shí)現(xiàn)的算法一般比較簡(jiǎn)單，也難以應(yīng)用在高性能、高精度的應(yīng)用場(chǎng)

5、合3。因此一般采用DSP進(jìn)行實(shí)現(xiàn)，但這種方法開發(fā)周期長，在運(yùn)算上僅限于對(duì)串行數(shù)據(jù)的處理，對(duì)于大容量的數(shù)據(jù)則要分時(shí)串行處理，影響了系統(tǒng)效率和精度，而且用DSP控制電機(jī)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(jià)位方向不斷邁進(jìn)45，借助芯片強(qiáng)大的計(jì)算能力和邏輯能力使許多控制算法得以實(shí)現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)電機(jī)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(gè)芯片上實(shí)現(xiàn)原來整個(gè)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的功能，使系統(tǒng)具有體積小、成本低和開放性等特點(diǎn)，完全符合現(xiàn)代電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展趨勢(shì)6。FPGA端口資源豐富，且大多由用

6、戶自己定義，使得系統(tǒng)設(shè)計(jì)靈活，同時(shí)便于擴(kuò)展和升級(jí)。目前國外在數(shù)字化的無刷直流電機(jī)控制技術(shù)方面做的相當(dāng)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(shù)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(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)具有重要的現(xiàn)實(shí)意義和廣闊的發(fā)展前景 7。2 畢業(yè)設(shè)計(jì)研究內(nèi)容及任務(wù)2.1研究內(nèi)容通過對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)展及現(xiàn)狀的分析，以無刷直流電機(jī)為控制對(duì)象，提出一種以FPGA為控制核心的無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案。（1）

7、 分析電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展及現(xiàn)狀，提出本文所要設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)總體方案；（2） 設(shè)計(jì)控制器中的硬件電路,包括控制板及與驅(qū)動(dòng)板之間的接口,過流保護(hù)電路等。并根據(jù)設(shè)計(jì)要求,采用再生制動(dòng)實(shí)現(xiàn)了電機(jī)制動(dòng)控制8； （3） 設(shè)計(jì)基于FPGA的PID控制器,對(duì)于算法中涉及到的各種時(shí)序運(yùn)算采用狀態(tài)機(jī)控制實(shí)現(xiàn)過程；（4） 論述無刷直流電機(jī)的基本組成、工作原理及數(shù)學(xué)模型，研究無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)，建立其仿真模型，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析，為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)2.2設(shè)計(jì)思想及設(shè)計(jì)方案無刷直流電機(jī)在當(dāng)今控制系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用但是目前對(duì)無刷直流電機(jī)的控制主要由單片機(jī)和DSP 實(shí)現(xiàn)，雖然單片機(jī)實(shí)現(xiàn)在價(jià)格上

8、有優(yōu)勢(shì)，但是外圍電路復(fù)雜，對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性有較大的影響，而且在算法實(shí)現(xiàn)上速度較慢，無法滿足高速實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)要求9。DSP 雖然在算法實(shí)現(xiàn)上速度快，但是外圍電路也較復(fù)雜，而且價(jià)格較貴。因此，實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)可以通過FPGA 實(shí)現(xiàn)外圍數(shù)字電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的PWM 控制，外圍電路簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)控制速度快，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，而且價(jià)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(gòu)，進(jìn)行主要器件的選型11，并設(shè)計(jì)單片機(jī)芯片必要的外圍擴(kuò)展電路、霍爾信號(hào)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、通信接口電路、人機(jī)交互電路以

9、及報(bào)警電路等12。2.3 畢業(yè)設(shè)計(jì)擬采用方法和手段無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器硬件邏輯設(shè)計(jì)中，F(xiàn)PGA片上模塊均采用硬件邏輯設(shè)計(jì)完成，模塊之間使用串行連接，霍爾信號(hào)經(jīng)過換相控制模塊輸出6路開關(guān)管信號(hào)，同時(shí)經(jīng)過位置與速度檢測(cè)模塊計(jì)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(cè)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(hào)，用以調(diào)節(jié)PWM波的寬度，達(dá)到調(diào)速的目的15。3畢業(yè)設(shè)計(jì)工作計(jì)劃及進(jìn)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11周第12周第13周第1

10、4周第15周第16周第17周4.參考文獻(xiàn)1 張琛.直流無刷電動(dòng)機(jī)原理及應(yīng)用M.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.2 胡文靜.永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展與展望J.微電機(jī)，2002，35(4):37-38.3 華建軍.基于FPGA永磁同步電機(jī)控制器的研究D:碩士論文.江蘇:江南大學(xué)，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 Electronics, 1997

11、, 12( 6 ).5 貢俊，陸國林.無刷直流電機(jī)在工業(yè)中的應(yīng)用前景和發(fā)展J.微特電機(jī)，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(shè)計(jì)M.北京：電子工業(yè)出版社，2008.8 林壽英,基于FPGA的直流電機(jī)控制器的研究與實(shí)現(xiàn)J.福建農(nóng)機(jī)，2009(4):31-34.9 徐

12、光輝,程?hào)|旭,黃如.基于FPGA 的嵌入式開發(fā)與應(yīng)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(shè)計(jì)流程J.微計(jì)算機(jī)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(jī)的控制器設(shè)計(jì)J,研究與設(shè)計(jì)，2011,27(8):1-4.13 吳磊.基于雙DSP和FPGA的無刷直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)D：碩士論文.電子科技大學(xué)，2010.14 Chakravarthy, N. Jizhong Xiao. FPGA-based Control System for Miniature Robots C . Intelligent Robots and System