【正文】 長春理工大學(xué)畢業(yè)論文摘 要本文敘述了轉(zhuǎn)速測量的原理及轉(zhuǎn)速測量的幾種常用方法，分析了各種方法在測量上的原理和特性，設(shè)計出一種基于FPGA的等精度測速系統(tǒng)。詳細闡述了等精度測速系統(tǒng)的工作原理和速度采集方法，并進行了方案論證和誤差分析。硬件系統(tǒng)主要由脈沖信號產(chǎn)生、脈沖信號處理和顯示模塊組成。軟件部分采用VHDL語言實現(xiàn)各功能模塊設(shè)計，在QuartusⅡ開發(fā)平臺上進行仿真、測試。結(jié)果證實該方法具有電路簡單、速度快、精度高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。具有一定的應(yīng)用價值。關(guān)鍵詞：轉(zhuǎn)速測量 等精度 FPGA ABSTRACTThis article narrated the tachometric survey principle and tachometric survey several monly used methods, has analyzed each method in the survey principle and the characteristic, designs one kind based on FPGA and so on precisions to measure the fast system. Elaborated in detail and so on precisions measured the fast system39。s principle of work and the speed gathering method, and has carried on the project concept demonstration and the error analysis. The hardware system mainly has, signal impulse processing and the display module by the signal impulse is posed. The software part uses the VHDL language to realize various functional module design, in QuartusⅡDevelops in the platform to carry on the simulation.The result confirmed that this method has the electric circuit to be simple, the speed is quick, the precision is high, stability good and so on merits. Has certain application value.Key words: Speed Measurement Precision FPGA目 錄第一章 緒論 11. 1轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的發(fā)展 11. 2轉(zhuǎn)速測量在國民經(jīng)濟中的應(yīng)用 11. 3課題研究目的和意義 2第二章 FPGA技術(shù)介紹 4 FPGA概述及特點 4 FPGA設(shè)計語言介紹 5 Quartus II介紹 7第三章 基于FPGA的轉(zhuǎn)速測量原理 9 轉(zhuǎn)速測量原理 9 轉(zhuǎn)速測量方法 93. 3 測量系統(tǒng)的構(gòu)成 11 轉(zhuǎn)速信號采集 12 整形電路 12 FPGA 13 顯示電路 13第四章 等精度測速原理 14 等精度測頻原理及誤差分析 14 基本性能指標 17第五章 硬件電路設(shè)計 18 FPGA電路設(shè)計 18 光電傳感器 18 整形電路 18 EPlC6Q240C8N芯片介紹 19 FPGA測頻主系統(tǒng) 19 專用模塊測試控制信號說明 20 液晶顯示介紹 21第六章 軟件設(shè)計 22 FPGA功能模塊 22 測頻/測周期的實現(xiàn) 22 計數(shù)模塊設(shè)計 23 控制模塊設(shè)計 23 脈寬寬度測量和占空比測量模塊設(shè)計 24 FPGA整體仿真 25結(jié)論 26參考文獻 27 31 第一章 緒論1. 1轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的發(fā)展目前國內(nèi)外測量電機轉(zhuǎn)速的方法很多，按照不同的理論方法，先后產(chǎn)生過模擬測速法（如離心式轉(zhuǎn)速表、用電機轉(zhuǎn)矩或者電機電樞電動勢計算所得）、同步測速法（如機械式或閃光式頻閃測速儀）以及計數(shù)測速法。計數(shù)測速法又可分為機械式定時計數(shù)法和電子式定時計數(shù)法。傳統(tǒng)的電機轉(zhuǎn)速檢測多采用測速發(fā)電機或光電數(shù)字脈沖編碼器，也有采用電磁式（利用電磁感應(yīng)原理或可變磁阻的霍爾元件等）、電容式（對高頻振蕩進行幅值調(diào)制或頻率調(diào)制）等，還有一些特殊的測速器是利用置于旋轉(zhuǎn)體內(nèi)的放射性材料來發(fā)生脈沖信號。其中應(yīng)用最廣的是光電式，光電式測速系統(tǒng)具有低慣性、低噪聲、高分辨率和高精度的優(yōu)點。加之激光光源、光柵、光學(xué)碼盤、CCD器件、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器在檢測和控制領(lǐng)域等到了廣泛的應(yīng)用。而采用光電傳感器的電機轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)具有測量準確高、采樣速度快、測量范圍寬和測量精度與被測轉(zhuǎn)速無關(guān)等優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用的前景[1]。1. 2轉(zhuǎn)速測量在國民經(jīng)濟中的應(yīng)用轉(zhuǎn)速測量的應(yīng)用系統(tǒng)在工業(yè)生產(chǎn)、科技教育、民用電器等各領(lǐng)域的應(yīng)用極為廣泛，往往成為某一產(chǎn)品或控制系統(tǒng)的核心部分，其各種參數(shù)在不同的應(yīng)用中有其側(cè)重，但轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)作為普遍的應(yīng)用在國民經(jīng)濟發(fā)展中，有重要的意義。下面列舉二例加以說明。（1） 轉(zhuǎn)速測量在調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用直流電機具有良好的起、制動性能，易于在寬廣范圍內(nèi)平滑調(diào)速，所以長期以來在要求調(diào)速指標較高的場合獲得了廣泛應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)和控制技術(shù)的發(fā)展，交流調(diào)速系統(tǒng)日趨完善，其性能可與直流調(diào)速系統(tǒng)相媲美，其變頻調(diào)速的應(yīng)用范圍日益擴大，但它的控制技術(shù)相對復(fù)雜，整個控制系統(tǒng)造價較高，在某些領(lǐng)域短時間內(nèi)還難以取代直流調(diào)速系統(tǒng)，調(diào)速系統(tǒng)便應(yīng)運而生了。調(diào)速系統(tǒng)主電路線路簡單，所用的功率元件少；開關(guān)頻率高，可達到1000～4000Hz，電流易連續(xù)，諧波少，脈動小，電機損耗和發(fā)熱都較??；低速性能好，穩(wěn)態(tài)精度高，因而調(diào)速范圍寬；調(diào)速系統(tǒng)頻帶寬，快速響應(yīng)性能好，動態(tài)抗擾能力強；主電路元件工作在開關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，裝置效率高；直流電源采用三相整流時，電網(wǎng)功率因數(shù)高，可廣泛用于交通、工礦企業(yè)等電力傳動系統(tǒng)中。（2） 變M/T法在風(fēng)力發(fā)電機并網(wǎng)控制中的應(yīng)用發(fā)電機葉輪吸收的功率，一部分用來克服葉輪旋轉(zhuǎn)的阻力矩，其余部分轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。葉輪通過硬質(zhì)齒面增速齒輪箱帶動4極200kW異步發(fā)電機。主葉輪轉(zhuǎn)速達到40rpm時，發(fā)電機轉(zhuǎn)速達到同步轉(zhuǎn)速，應(yīng)并入電網(wǎng)發(fā)電，發(fā)電機轉(zhuǎn)速低于同步轉(zhuǎn)速時應(yīng)脫離電網(wǎng)。對合閘時具有大電流沖擊特性的異步發(fā)電機來說，除采用軟切入并網(wǎng)技術(shù)外，還應(yīng)滿足在同步轉(zhuǎn)速點切入的嚴格要求。自然界的風(fēng)速風(fēng)向變化是難以預(yù)測的隨機變量，加上葉輪轉(zhuǎn)動時的巨大慣量和強電磁干擾。因此，風(fēng)力發(fā)電機的安全并脫電網(wǎng)是風(fēng)機控制的關(guān)鍵技術(shù)。自動并脫電網(wǎng)的主要根據(jù)是發(fā)電機的實時轉(zhuǎn)速，采用準確、快速的轉(zhuǎn)速測量方法尤為重要。用變M/T法測速，以4個轉(zhuǎn)速計數(shù)脈沖(m1=4)為一個測算周期。在風(fēng)力發(fā)電機并入電網(wǎng)控制中，變M/T法能夠較好地滿足并網(wǎng)對發(fā)電機轉(zhuǎn)速的精度要求。同時，隨著電機轉(zhuǎn)速不斷的提高，4個轉(zhuǎn)速脈沖之間的時間總和相應(yīng)減少，測算周期也相也就是應(yīng)縮短，這也正好滿足發(fā)電機并網(wǎng)時對轉(zhuǎn)速測量快速性的要求。有效地防止了在高風(fēng)速起動時，風(fēng)機因超過并網(wǎng)而飛車造成的并網(wǎng)失敗[2]。1. 3課題研究目的和意義轉(zhuǎn)速是工程中應(yīng)用非常廣泛的一個參數(shù)，其測量方法較多，而模擬量的采集和模擬處理一直是轉(zhuǎn)速測量的主要方法，這種測量方法已不能適應(yīng)現(xiàn)代科技發(fā)展的要求，在測量范圍和測量精度上，已不能滿足大多數(shù)系統(tǒng)的使用。隨著大規(guī)模及超大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，數(shù)字系統(tǒng)測量得到普遍應(yīng)用，特別是FPGA對脈沖數(shù)字信號的強大處理能力，使得全數(shù)字測量系統(tǒng)越來越普及，其轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)也可以用全數(shù)字化處理。在測量范圍和測量精度方面都有極大的提高。因此，本課題的目的是：對各種測量轉(zhuǎn)速的基本方法予以分析，針對不同的應(yīng)用環(huán)境，利用FPGA設(shè)計一種等精度測速系統(tǒng)，從提高測量精度的角度出發(fā)，分析討論其產(chǎn)生誤差的可能原因，為今后的實際使用提供借鑒。并從實際硬件電路出發(fā)，分析電路工作原理和軟件流程，根據(jù)仿真情況提出修改方案和解決辦法。課題以FPGA為中心，設(shè)計的等精度測量轉(zhuǎn)速系統(tǒng)，在工業(yè)控制和民用電器中都有較高使用價值。其可以應(yīng)用于工業(yè)控制中的某一部分，如數(shù)控車床的電機轉(zhuǎn)速檢測和控制、水泵流量控制以及需要利用轉(zhuǎn)速檢測來進行控制的許多場合。如車輛的里程表、車速表等。其次該轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)由于采用全數(shù)字化結(jié)構(gòu)，因而可以很方便的和工業(yè)控制計算機進行連接，實行遠程管理和控制，進一步提高現(xiàn)代化水平。并且，幾乎不需做很大改變直接就能作為單獨的使用產(chǎn)品?？傊D(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的研究是一件非常有意義的課題。本文基于FPGA設(shè)計的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)，主要分為6章。第1章緒論介紹了轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用、本文的研究目的和意義；第2章主要講述了FPGA技術(shù)與VHDL語言設(shè)計應(yīng)用的相關(guān)介紹；第3章為轉(zhuǎn)速測量原理及方法；第4章為等精度測量原理介紹；第5章為硬件結(jié)構(gòu)；第6章為主體模塊設(shè)計及波形仿真，最后是結(jié)論。第二章 FPGA技術(shù)介紹FPGA技術(shù)采用VHDL硬件描述語言作為設(shè)計輸入，內(nèi)部有強大的庫支持，在電子設(shè)計的各個階段、各個層次通過模擬仿真驗證。 FPGA概述及特點FPGA是英文Field Programmable Gate Array的縮寫，即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、EPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進一步發(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。FPGA采用了邏輯單元陣列LCA（Logic Cell Array）這樣一個新概念，內(nèi)部包括可配置邏輯模塊CLB（Configurable Logic Block）、輸出輸入模塊IOB（Input Output Block）和內(nèi)部連線（Interconnect）三個部分。FPGA的基本特點主要有：（1）采用FPGA設(shè)計ASIC電路，用戶不需要投片生產(chǎn)，就能得到合用的芯片。（2）FPGA可做其它全定制或半定制ASIC電路的中試樣片。（3）FPGA內(nèi)部有豐富的觸發(fā)器和I／O引腳。（4）FPGA是ASIC電路中設(shè)計周期最短、開發(fā)費用最低、風(fēng)險最小的器件之一。（5）FPGA采用高速CHMOS工藝，功耗低，可以與CMOS、TTL電平兼容?？梢哉f，F(xiàn)PGA芯片是小批量系統(tǒng)提高系統(tǒng)集成度、可靠性的最佳選擇之一。目前FPGA的品種很多，有XILINX的XC系列、TI公司的TPC系列、ALTERA公司的FLEX系列等。FPGA是由存放在片內(nèi)RAM中的程序來設(shè)置其工作狀態(tài)的，因此，工作時需要對片內(nèi)的RAM進行編程。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。加電時，F(xiàn)PGA芯片將EPROM中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM中，配置完成后，F(xiàn)PGA進入工作狀態(tài)。掉電后，F(xiàn)PGA恢復(fù)成白片，內(nèi)部邏輯關(guān)系消失，因此，F(xiàn)PGA能夠反復(fù)使用。FPGA的編程無須專用的F