【正文】 數(shù)讀解 ......................................................................................... 40 單速工作程序 .................................................................................. 40 分級定速工作程序 .......................................................................... 40 實時調(diào)節(jié)工作程序 .......................................................................... 41 閉環(huán)控制程序 .................................................................................. 42 系統(tǒng)異常處理程序 .......................................................................... 43 本章小結(jié) ................................................................................................. 43 結(jié)論 .................................................................................................................... 44 致謝 .................................................................................................................... 45 參考文獻 ............................................................................................................ 46 附錄 A ................................................................................................................ 47 附錄 B ................................................................................................................ 55 附錄 C ................................................................................................................ 63 附錄 D ................................................................................................................ 65 附錄 E ................................................................................................................ 67 附錄 F................................................................................................................. 68 附錄 G ................................................................................................................ 69 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 第 1章 緒論 課題背景 隨著電力電子技術(shù)、微處理器技術(shù)的發(fā)展以及永磁材料技術(shù)的進步，直流電動機調(diào)速及伺服系統(tǒng)正在向一體化電動機以及控制數(shù)字化的方向發(fā)展。而脈寬調(diào)制（ PWM）技術(shù)以及相應(yīng)的功率開關(guān)電路技術(shù)則是控制數(shù)字化的基礎(chǔ)。 單片機及 DSP 的性能不斷提高 ，使得 PWM 控制技術(shù)及電動機控制技術(shù)也日趨成熟。 電氣傳動與 PWM 技術(shù)概述 電氣傳動的發(fā)展與趨勢 隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，電氣傳動系統(tǒng)正在向系統(tǒng)高性能、控制數(shù)字化、一體化機電的方向發(fā)展?，F(xiàn)代的直流傳動系統(tǒng)的發(fā)展方向是電動機主極永磁化及換向無刷化，而無刷直流電機正是在這樣的趨勢下所發(fā)展起來的機電一體化電動機系統(tǒng)。 近年來，雖然永磁直流電動 機也隨著永磁材料技術(shù)的發(fā)展而得到了性能的提高，依然在直流傳動系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用，但直流傳動系統(tǒng)已經(jīng)處于無刷直流電動機大規(guī)模普及與應(yīng)用的階段。永磁同步電動機，實際上為帶有位置傳感器的、由逆變器驅(qū)動的永磁同步電動機系統(tǒng)。關(guān)于永磁同步電動的研究主要集中于電動 機 的新型結(jié)構(gòu)形式、氣隙磁場的設(shè)計、計算和繞組電流的控制。此后的研究雖然在控制手段上不斷改進，但控制方法 沒有本質(zhì)的突破。 高性能直流傳動系統(tǒng)在 向 方波無刷直流電動機為主的方向發(fā)展，而方波無刷直流電動機在向電流正弦化的方向發(fā)展，而永磁同步電動機系統(tǒng)也在向無位置檢測或位置檢測簡易化方向發(fā)展。 如今，無刷直流電動機或永磁同步電動機系統(tǒng)集特種電動機、變流機構(gòu)、檢測元件、控制軟件和硬件于一體，形成新一代的一體化電動機系統(tǒng)，體現(xiàn)著當(dāng)今應(yīng)用科學(xué)的最新成果，是機電一 體化的高科技產(chǎn)物。在 PWM 技術(shù)中，功率器件工作在開關(guān)飽和導(dǎo)通狀態(tài)，通過改變功率器件的驅(qū)動脈沖信號的開通與關(guān)斷的時間，來改變加在負載兩端的平均電壓的大小。一種方式是將脈沖信號的開關(guān)頻率及周期 T 固定，通過改變導(dǎo)通脈沖的寬度來改變負載的平均電壓，這就是脈沖寬度調(diào)制（ PWM）。 由于 PFM 控制 是 通過改變脈沖頻率來實現(xiàn)平均電壓的調(diào)節(jié)的，頻率變化范圍較大。最嚴(yán)重的情況是，在某些特殊頻率下系統(tǒng)有可能產(chǎn)生機械諧振，就會導(dǎo)致系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩和出現(xiàn)音頻嘯叫聲。因此在電氣傳動領(lǐng)域內(nèi) PWM 控制技術(shù)成為應(yīng)用的主流 技術(shù) 。前者代表了物理層在廣度和深度上硬件電路實現(xiàn)的發(fā)展，后者則反映了現(xiàn)代先進的電子理論、電子技術(shù)、仿真技術(shù)、設(shè)計工藝和設(shè)計技術(shù)與最新的計算機軟件技術(shù)有機的融合和升華。 EDA（ Electronic Design Automation） 技術(shù)在硬件實現(xiàn)方面融合了大規(guī)模集成電路 制造技術(shù)、 IC 版圖設(shè)計技術(shù)、 ASIC 測試技術(shù)和封裝技術(shù)、 FPGA/CPLD編程下載技術(shù)、自動測試技術(shù)等；在計算機輔助工程方面融合了計算機輔助設(shè)計（ CAD）、計算機輔助制造（ CAM）、計算機輔助測試（ CAT）、計算機輔助工程（ CAE）技術(shù)以及多種計算機語言的設(shè)計概念；而在現(xiàn)代 電子 學(xué)方面則容納了更多的內(nèi)容， 如電子線路設(shè)計理論、數(shù)字信號處理技術(shù)、數(shù)字系統(tǒng)建模 xx 大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 等。 EDA 技術(shù)通過超大規(guī)?？删幊踢壿嬈骷攵ㄖ苹蛉ㄖ?ASIC 及混合ASIC 三種途徑來實現(xiàn)完成 專用集成電路的設(shè)計和實現(xiàn)這一最終目標(biāo)。 FPGA 簡介 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。 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。 可做其它全定制或半定制 ASIC 電路的中試樣片。 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 。 可以說， FPGA 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。 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。 加電時， FPGA 芯片將 EPROM 中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程 RAM 中，配置完成后， FPGA 進入工作狀態(tài)。 FPGA 的編程無須專用的 FPGA 編程器，只須用通用的 EPROM、 PROM 編程器即可。這樣，同一片 FPGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。 FPGA 有 并行主模式、主從模式、串行模式及外設(shè)模式等 多種配置模式。 ALTERA 公司的 PLD具有高性能、高集成度和 高性價比的優(yōu)點。 Cyclone II 器件的制造基于 300mm 晶圓，采用 TSMC 90nm、低K 值電介質(zhì)工藝。 的用于嵌入式處理器的通用存儲單元。 DDR DDR 和 SDR SDRAM 以及QDRII SRAM 存儲器件 。 I/O 標(biāo)準(zhǔn)用于 64 為、 66MHZ PCI 和 64 為、 100MHZ PCIX（模式 1） 協(xié)議。 CRC 檢測。 。 首先確定系統(tǒng)功能，并對關(guān)鍵部分予以仿真。由上述過程可以確定系統(tǒng)設(shè)計需要消耗的 門 數(shù)、存儲器的大小。根據(jù)系統(tǒng)外部接口的要求，確定接口時序和芯片引腳資源消耗情況。型號確定之后，需要確定配置方式，因為不同型號的器件，其配置方式是有很大的差異的。所謂軟件設(shè)計是用 HDL 語言 (Hardware Description Language)利用 FPGA 內(nèi)部資源實現(xiàn)設(shè)計的過程，一般包括設(shè)計輸入、綜合、功能仿真 (前仿真 )、設(shè)計實現(xiàn)、時序仿真 (后仿真 )、配置下載五個過程 [3]。硬件描述語言可以對系統(tǒng)進行行為級和寄存器傳輸級描述。也就是說，被綜合的文件是 HDL文件 (或相應(yīng)文件等 )，綜合的依據(jù)是邏輯設(shè)計的描述和各種約束條件，綜合的結(jié)果則是一個硬件電路的實現(xiàn)方案，該方案必須同時滿足預(yù)期的功能和約束條件。仿真是指使用設(shè)計軟件包對已實現(xiàn)的設(shè)計進行完整測試，模擬實際物理環(huán)境下的工作情 況。 ： 實現(xiàn)可理解為利用實現(xiàn)工具把邏輯映射到目標(biāo)器件結(jié)構(gòu)的資源中，決定邏輯的最佳布局，選擇邏輯與輸入輸出功能連接的布線通道進行連線，并產(chǎn)生相應(yīng)文件 (如配置文件與相關(guān)報告 )其主要過程包括，設(shè)計文件轉(zhuǎn)換、映射和布局布線。 ：產(chǎn)生 FPGA配置時需要的位流文件。 SOPC 概述 SOPC 簡介 SOPC（ System On Programmable Chip） ,是 Altera 公司提出來的一種靈活、高效的 SOC 解決方案 ，是一種新的軟硬件協(xié)同設(shè)計的系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)。 SOPC 是 PLD 和 ASIC 技術(shù)融合的結(jié)果，可以把它看成半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)未來的發(fā)展方向的代表。 RAM資源。 。 、低功耗。 Nios II 軟核簡介 Nios II 系列 32 位 RISC 嵌入式處理器具有超過 200DMIP 的性能，在低成本 FPGA 中實現(xiàn)成本只有 35 美分。采用 Nios II處理器進行設(shè)計，可以幫助 用戶 將產(chǎn)品迅速推向市場，延長產(chǎn)品生命周期，防止出現(xiàn)處理器逐漸過時的情況 [5]。此外，用戶還可以輕松集成自己專有的功能，創(chuàng)建一款“完美”的處理器。 本文研究內(nèi)容 鑒于上述電氣傳動和 PWM 技術(shù)的發(fā)展和趨勢，本文以兩相直流電機為控制對象， 使用 基于 SOPC 系統(tǒng)的 Nios II 軟核 ，并 利用 PWM 技術(shù)設(shè)計實現(xiàn)一個直流電機控制系統(tǒng)，主要研究內(nèi)容包括以下幾點： PWM 技術(shù)的原理進行分析研究，選取適合 PWM 技術(shù)控制的直流電機驅(qū)動系統(tǒng) 。 SOPC 系統(tǒng)的軟件開發(fā)流程和控制程序結(jié)構(gòu)。說明了本文設(shè)計的 直流電機控制 系統(tǒng)所使用的閉環(huán)控制的基本思想和實現(xiàn)方法。 直流電機驅(qū)動器的組成 直流 PWM 控制的基本原理 脈沖寬度調(diào)制（ PWM）是英文“ Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制。 PWM 是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。 PWM 信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供電要么完全有(ON)，要么完全無 (OFF)。通 的時候即是直流供電被加到負載上的時候，斷的時候即是供電被斷開的時候。 [6]多數(shù)負載 (無論是電感性負載還是電容性負載 )需要的調(diào)制頻率高于10Hz，通常調(diào)制頻率為 1kHz 到 200kHz 之間。執(zhí)行 PWM 操作之前，這種微處理器要求在軟件中完成以下工作： /計數(shù)器的周期 。 PWM 輸出的方向，這個輸出是一個通用 I/O 管腳 。 PWM 控制器。當(dāng)負載為直流電動機時，也就實現(xiàn)了電動機的調(diào)壓調(diào)速控制，這也就是 PWM 控制的基本原理。當(dāng) S1 接通時，供電電源 U 通過開關(guān) S1 施加到直流電動機兩端，電動機在電源作用下旋轉(zhuǎn)，同時電動機電樞電感儲存能量；當(dāng)開關(guān) S1 斷開時，供電電源停止向電動機提供能量，但此時電樞電感所儲存的能量 將通