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1、河北经贸大学经济管理学院毕业论文摘 要电动机作为最主要的机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域和人们的日常生活。无论是在工农业生产，交通运输，国防，航空航天，医疗卫生，商务和办公设备中，还是在日常生活的家用电器和消费电子产品（如电冰箱，空调，DVD等）中，都大量使用着各种各样的电动机。据资料显示，在所有动力资源中，百分之九十以上来自电动机。同样，我国生产的电能中有百分之六十是用于电动机的。电动机与人的生活息息相关，密不可分。电气时代，电动机的调速控制一般采用模拟法，对电动机的简单控制应用比较多。简单控制是指对电动机进行启动，制动，正反转控制和顺序控制。这类控制可通过继电器，可编程
2、控制器和开关元件来实现。还有一类控制叫复杂控制，是指对电动机的转速，转角，转矩，电压，电流，功率等物理量进行控制。当今，自动化控制系统已经在各行各业得到了广泛的应用和发展，而直流驱动控制作为电气转动的主流在现代化生产中起着主要作用。长期以来，直流电动机因其转速调节比较灵活，方法简单，易于大范围平滑调速，控制性能好等特点，一直在转动领域占有统治地位。它广泛应用于数控机床、工业机器人等工厂自动化设备中。随着现代化生产规模的不断扩大，各个行业对直流电机的需求愈益增大，并对其性能提出了更高的要求。为此，研究并制造高性能、高可靠性的直流电机控制系统有着十分重要的现实意义。本文主要探讨的是直流伺服电机的设
3、计原理及特点，并对伺服电动机的工艺进行了分析和设计。在本文中结合相关资料对伺服电机及伺服系统的发展做了一些阐述，并列举了当前国内外一些公司先进伺服伺服系统的成型技术及产品不对这些比较先进产品的性能做了一些描述。关键词 FPGA；直流伺服电动机；模拟法；AbstractMotor as the main mechanical and electrical energy conversion devices, its application scope has been in every field of the national economy and Peoples Daily life. W
4、hether in industrial and agricultural production, transportation, defense, aerospace, medical and health, business and office equipment, or in daily life of household appliances and consumer electronic products (such as the refrigerator, air conditioner, DVD, etc), the use of a variety of motor. Acc
5、ording to data showed that in all power resources, from more than ninety percent of motor. Also, the production of electric power in China there is sixty percent for the motor. Motor and peoples life, inseparable. The age of electricity, motor speed control of general use of the simulation method, t
6、he simple to motor control application more. Simple control is to point to to motor to start, and brake, and reversing control and sequence control. This kind of control through the relay, the programmable controller and switch components to achieve. And those control that complex control, it is to
7、point to to motor speed, corner, torque, voltage, current, power of physical quantity control.Today, automation control system has been in all walks of life a wide range of applications and development, and dc drive control as the mainstream in the modern electrical turn plays a main role in product
8、ion. Long-term since, for its speed adjustment for dc more flexible, simple, easy to big range smooth speed adjustment, the control performance is good wait for a characteristic, has been in the field hold a dominant position. It is widely used in the numerical control machine tool, industrial robot
9、 factory automation equipment. With the expansion of the modern production scale, each industry to dc motor of the transportation demand increases, and its performance put forward higher request. Therefore, the research and manufacturing of high performance, high reliability of the dc motor control
10、system has very important practical significance.This paper mainly explores the dc servo motor design principle and features, and servo motor process analysis and design. In this article, in combination with relevant data servo motor servo system and the development of some paper, and lists the curr
11、ent domestic and international companies advanced servo servo system molding technology and product wrong these more advanced product performance made some description.Keywords FPGA; Dc servo motor; Simulation method;40目录引言11 绪论21.1 本课题研究的主要问题21.2 本课题国内、外的研究动态、水平、存在问题21.3 本课题国内外现状和发展趋势31.4 本课题研究在理论和
12、应用方面的意义42 FPGA的简介62.1 FPGA的概念62.2 FPGA的工作原理72.3 FPGA的特点72.4 FPGA的应用82.5 FPGA的发展前景103 直流伺服电机控制电路及工作原理123.1 直流伺服电动机123.1.1 直流伺服电动机的概念123.1.2 直流伺服电动机的分类133.2 直流伺服电动机的工作原理143.3 直流伺服电动机的控制电路144 直流伺服电机的硬件设计与软件设计164.1 硬件设计164.1.1 硬件电路设计164.1.2 硬件电路结构框图164.1.3 数据采集电路174.1.4 FPGA控制电路194.1.5 隔离电路214.1.6 驱动电路2
13、14.2 软件设计设计224.2.1 VHDL介绍224.2.2 MAX+plusII介绍234.2.3 AD1674控制模块254.2.4 ADC0809控制模块284.2.5 数控分频器模块315 直流伺服电机的调试与分析355.1 硬件调试355.2 分析375.2.1 技术分析375.2.2 经济分析376 结束语39致谢40参考文献41基于FPGA 的直流伺服电动机的设计引言随着微控制进入控制领域,以及新型的电力电子功率器件的不断出现,使得采用全控型的开关功率元件进行PWM控制方式为主流.这种控制方式很容易在微控制器中实现,从而为直流电动机控制数字化提供了契机.传统的模糊控制器控制动
14、作欠细腻,稳态精度欠佳.电动机是一种旋转式机器， 它将电能转变为机械能，它主要包括一个用以产生磁场的电磁铁绕组或分布的定子绕组和一个旋转电枢或转子，其导线中有电流通过并受磁场的作用而使转动，这些机器中有些类型可作电动机用，也可作发电机用。它是将电能转变为机械能的一种机器。通常电动机的作功部分作旋转运动，这种电动机称为转子电动机；也有作直线运动的，称为直线电动机。电动机能提供的功率范围很大，从毫瓦级到万千瓦级。电动机的使用和控制非常方便，具有自起动 、加速、制动、反转、掣住等能力，能满足各种运行要求；电动机的工作效率较高，又没有烟尘、气味，不污染环境，噪声也较小。由于它的一系列优点，所以在工农业
15、生产、交通运输、国防、商业及家用电器、医疗电器设备等各方面广泛应用。1 绪论1.1 本课题研究的主要问题随着电子技术的发展，特别是专用集成电路（ASIC）设计技术的日趋完善，数字化的电子自动化设计（EDA）工具给电子设计带来了巨大变革，尤其是硬件描述语言的出现，解决了传统电路原理图设计系统工程的诸多不便。针对以上情况，本课题提出一种基于现场可编程门阵列（FPGA）的电路设计。利用FPGA作为硬件电路，采用VHDL等硬件描述语言对硬件的功能进行编程，可以加快系统的研发进程，采用数字化的控制方式，可以大幅度提高逻辑控制的精确度，使实时控制效果显著改善。 实践证明FPGA芯片可以代替传统的复杂的电路
16、，而且可以大比例地缩小电路的硬件规模，提高了集成度，降低开发成本，提高系统的可靠性，为控制电路的设计开辟新的天地。1.2 本课题国内、外的研究动态、水平、存在问题传统电路往往存在电路设计复杂、体积大、抗干扰能力差以及设计困难、设计周期长等缺点，现在国内外市面上已经有专用芯片，但是这些产品性价比比较差，功能不够丰富，使用起来也不灵活方便，很难适合广大客户的需求。 为了加快开发进度，更为重要的是提高设计的灵活性和精确度，我国引入现代EDA(电子设计自动化)技术，采用VHDL硬件描述语言进行控制逻辑编程，配置于大规模可编程器件FPGA 芯片上，对主电路的工作状态进行控制，以获得符合要求的电源电压及波
17、形。FPGA可以在办公室或实验室里方便地设计出所需的专用集成电路，且具有静态可重复编程和动态在系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改，极大地提高了电子系统设计的灵活性和通用性。PWM控制电路已向体积小、重量轻、功耗低、可靠性高的模块化、集成化方向发展。因此，具有广泛的应用前景。1.3 本课题国内外现状和发展趋势在现在伺服系统中无论是交流伺服还是直流伺服都获得了广泛的应用，在电力拖动系统中也大有传统的液压、直流、步进和AC变频被基于稀土永磁交流永磁伺服系统所取代的趋势。采用了新技术和新材料而制造出来的新的型号也层出不穷，在交流伺服方面有：YASKAWA 交流伺服系统，其主要技
18、术特点有：高速、高精度的运转；安装简易；配线数减少为原来的1/2；参数设定内藏；扩展性、灵活性更充实；耐振性提高；平均无故障时间达400000小时以上；具有高速高精度的运转特性；采用速度observer控制；最高回转速度5000r/min；马达速度波动更小；定位时间缩短了1/3；安装十分简单；可自动判别伺服马达的容量及形式，并设定马达参数；配线数减少为原来的1/2从驱动器本身可直接设定参数转矩控制、速度控制、位置控制三机一体；主回路/控制回路的电源完全分离；Win软件再现监测方便检查；设置外加回生电阻的接线端子；马达规格多，对应CE、UL规格；提高了保护构造、耐震性；内置DC电抗器接线端子。全
19、数字交流伺服系统采用全新设计,通过改进电机结构和采用先进的材料,为更加快速、准确、稳定地控制机械设备创造了良好条件。在全数字控制方式下,实现了伺服控制的软件化，通过采用智能控制算法使系统响应速度、稳定性、准确性和可操作性都达到了很高的水平.适用于高动态响应、精密定位、精密调速的场合。电机采用正弦波磁路设计，运行平稳，低噪声。采用高能密度设计和高性能永磁材料，体积小，转矩大，效率高。采用高热容技术设计，电机温升低。启动转矩大、过载能力强。1.4 本课题研究在理论和应用方面的意义直流电动机具有良好的起动性能和调速性能，因此，广泛地用于驱动轧钢机、金属切削机床、起重设备和电气机车中，它尤其适用于高精
20、度、高性能地电力拖动系统。近年来，世界各国的机械制造业都处在数量化、数控化、自动化和半自动化的潮流中。微电子技术的应用，尤其是微型计算机的普及，给数控化生产才来了很大的发展空间。作为高精度伺服元件的伺服电机被广泛地应用在数控机床、机器人、雷达跟踪、冶金机械、纺织机械等各个领域。据统计，美国市场对直流电机的需求以每年21的速度递增，导致这一现象的根本原因是自动化设备的高速发展和电子计算机外围设备的不断扩大，其次是军事设备电子化的发展趋势和电子玩具的应用。 在我国，70年代才开始这方面的研究。现已基本上形成了系列产品电机可同轴装配的高灵敏度直流发电机和脉冲编码器，广泛应用于各种自动化控制系统。为我
21、国数控机床及机床行业产品的更新、旧机床的改进提供了可靠的执行元件，它对提高加工质量和精度，大幅度降低废品率和成本起很大的作用。我国现在有大量的机床需改进、更新，因此有很大的市场。2 FPGA的简介2.1 FPGA的概念FPGA（FieldProgrammable Gate Array），即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点.FPGA是Ross Freema于1985年发明的，当时第一个FPGA采用2m工艺，包含64个
22、逻辑模块和85000个晶体管，门数量不超过1000个，当时他所创造的 FPGA被认为是一项不切实际的技术，他的同事Bill Carter曾说：“这种理念需要很多晶体管，但那时晶体管是非常珍贵的东西。”所以人们认为Ross的想法过于脱离现实。但是Ross预计：根据摩尔定律（每18个月晶体管密度翻一翻），晶体管肯定会越来越便宜，因此它必将成为未来不可或缺的技术。在短短的几年时间内，正如Ross所预言的，出现了数十亿美元的现场可编程门阵列（FPGA）市场。但可惜的是，他已经无法享受这一派欣欣向荣的景象，Ross Freeman在1989年已经与世长辞了，但是它的发明却持续不断地促进电子行业的进步与发
23、展。2.2 FPGA的工作原理FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（Logic Cell Array）这样一个概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（Configurable Logic Block）、输出输入模块IOB（Input Output Block）和内部连线（Interconnect）三个部分。 现场可编程门阵列（FPGA）是可编程器件。与传统逻辑电路和门阵列（如PAL，GAL及CPLD器件）相比，FPGA具有不同的结构，FPGA利用小型查找表（161RAM）来实现组合逻辑，每个查找表连接到一个D触发器的输入端，触发器再来驱动其他逻辑电路或驱动I/O，由此构成了既可实现组合逻辑功能又可实现
24、时序逻辑功能的基本逻辑单元模块，这些模块间利用金属连线互相连接或连接到I/O模块。FPGA的逻辑是通过向内部静态存储单元加载编程数据来实现的，存储在存储器单元中的值决定了逻辑单元的逻辑功能以及各模块之间或模块与I/O间的联接方式，并最终决定了FPGA所能实现的功能，FPGA允许无限次的编程。2.3 FPGA的特点采用FPGA设计ASIC电路(专用集成电路)，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。 FPGA内部有丰富的触发器和I/O引脚。 FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 FPGA采用高速CMOS工
25、艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。 可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。 FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。 加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程
26、数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。2.4 FPGA的应用FPGA的应用可分为三个层面：电路设计，产品设计，系统设计1电路设计中FPGA的应用连接逻辑，控制逻辑是FPGA早期发挥作用比较大的领域也是FPGA应用的基石事实上在电路设计中应用FPGA的难度还是比较大的这要求开发者要具备相应的硬件知识（电路知识）和软件应用能力（开发工具）这方面的人才总是紧缺的，往往都从事新技术，新产品的开发成功的产品将变成市场主流基础产品供产品设计者应用在不远的将来，通用和专用IP的设计将成为一个热门行业！搞电路设计的前提是必须要具备一定的硬件知识2产品设计把相对成熟的技术应用到某些特定领域
27、如通讯，视频，信息处理等等开发出满足行业需要并能被行业客户接受的产品这方面主要是FPGA技术和专业技术的结合问题，另外还有就是与专业客户的界面问题产品设计还包括专业工具类产品及民用产品，前者重点在性能，后者对价格敏感产品设计以实现产品功能为主要目的，FPGA技术是一个实现手段在这个领域，FPGA因为具备接口，控制，功能IP，内嵌CPU等特点有条件实现一个构造简单，固化程度高，功能全面的系统产品设计将是FPGA技术应用最广大的市场，具有极大的爆发性的需求空间产品设计对技术人员的要求比较高，路途也比较漫长不过现在整个行业正处在组建“首发团队”的状态，只要加入，前途光明产品设计是一种职业发展方向定位
28、，不是简单的爱好就能做到的！产品设计领域会造就大量的企业和企业家，是一个近期的发展热点和机遇3系统级应用系统级的应用是FPGA与传统的计算机技术结合，实现一种FPGA版的计算机系统如用XilinxV-4, V-5系列的FPGA，实现内嵌POWERPCCPU, 然后再配合各种外围功能，实现一个基本环境，在这个平台上跑LINIX等系统这个系统也就支持各种标准外设和功能接口（如图象接口）了这对于快速构成FPGA大型系统来讲是很有帮助的。这种“山寨”味很浓的系统早期优势不一定很明显，类似ARM系统的境况但若能慢慢发挥出FPGA的优势，逐渐实现一些特色系统也是一种发展方向。若在系统级应用中，开发人员不具
29、备系统的扩充开发能力，只是搞搞编程是没什么意义的，当然设备驱动程序的开发是另一种情况，搞系统级应用看似起点高，但不具备深层开发能力，很可能会变成爱好者。2.5 FPGA的发展前景自1985年Xilinx公司推出第一片现场可编程逻辑器件至今，FPGA已经历了十几年的历史。在这十几年的发展过程中，以FPGA为代表的数字系统现场集成取得了惊人的发展：现场可编程逻辑器件从最初的1200个可利用门，发展到90年代的25万个可利用门，乃至当新世纪来临之即，国际上现场可编程逻辑器件的著名厂商Altera公司、Xilinx公司又陆续推出了数百万门的单片FPGA芯片，将现场可编程器件的集成度提高到一个新的水平。
30、纵观现场可编程逻辑器件的发展历史，其之所以具有巨大的市场吸引力，根本在于：FPGA不仅可以解决电子系统小型化、低功耗、高可靠性等问题，而且其开发周期短、开发软件投入少、芯片价格不断降低，促使FPGA越来越多地取代了ASIC的市场，特别是对小批量、多品种的产品需求，使FPGA成为首选。 目前，FPGA的主要发展动向是：随着大规模现场可编程逻辑器件的发展，系统设计进入“片上可编程系统”（SOPC）的新纪元；芯片朝着高密度、低压、低功耗方向挺进；国际各大公司都在积极扩充其IP库，以优化的资源更好的满足用户的需求，扩大市场；特别是引人注目的所谓FPGA动态可重构技术的开拓，将推动数字系统设计观念的巨大
31、转变。3 直流伺服电机控制电路及工作原理3.1 直流伺服电动机3.1.1 直流伺服电动机的概念伺服电机是在伺服系统中控制机械元件运转的发动机，是一种补助马达间接变速装置。伺服电机是可以连续旋转的电机械转换器。作为液压阀控制器的伺服电机，属于功率很小的微特电机，以永磁式直流伺服电机和并激式直流伺服电机最为常用。直流伺服电机的输出转速与输入电压成正比，并能实现正反向速度控制。具有起动转矩大，调速范围宽，机械特性和调节特性的线性度好，控制方便等优点，但换向电刷的磨损和易产生火花会影响其使用寿命。近年来出现的无刷直流伺服电机避免了电刷摩擦和换向干扰，因此灵敏度高，死区小，噪声低，寿命长，对周围电子设备
32、干扰小。 直流伺服电机的输出转速/输入电压的传递函数可近似视为一阶迟后环节，其机电时间常数一般大约在十几毫秒到几十毫秒之间。而某些低惯量直流伺服电机（如空心杯转子型、印刷绕组型、无槽型）的时间常数仅为几毫秒到二十毫秒。 小功率规格的直流伺服电机的额定转速在3000r/min以上，甚至大于10000r/min。因此作为液压阀的控制器需配用高速比的减速器。而直流力矩伺服电机（即低速直流伺服电机）可在几十转/分的低速下，甚至在长期堵转的条件下工作，故可直接驱动被控件而不需减速。3.1.2 直流伺服电动机的分类伺服电动机按其使用的电源性质不同一，可分为直流伺服电动机和交流伺服电动机两大类，其中直流伺服
33、电机分为传统型和低惯量型两种类型。传统型直流伺服电动机就是微型的他励直流电动机，也是用定转子两部分组成，按定子的种类可以分为两种：永磁式和电磁式。低惯量型直流伺服电动机的明显特点是转子轻，转动惯量小，快速响应好。按照电枢形式的不同分为：盘形电枢直流伺服电动机、空心杯永磁式直流伺服电动机和无槽电枢直流伺服电动机。直流伺服电机分为有刷和无刷电机。 有刷电机成本低，结构简单，启动转矩大，调速范围宽，控制容易，需要维护，但维护方便（换碳刷），产生电磁干扰，对环境有要求。因此它可以用于对成本敏感的普通工业和民用场合。 无刷电机体积小，重量轻，出力大，响应快，速度高，惯量小，转动平滑，力矩稳定。控制复杂，
34、容易实现智能化，其电子换相方式灵活，可以方波换相或正弦波换相。电机免维护，效率很高，运行温度低，电磁辐射很小，长寿命，可用于各种环境。3.2 直流伺服电动机的工作原理直流伺服电动机是指使用直流电源的伺服电动机，实质上是一台他励式直电动机，又称为执行电动机，是将输入的信号（控制信号）转换为轴的角位移或角速度输出。直流伺服电机按励磁方式不同可分为：电磁式和永磁式两大类，其基本结构与普通小型直流电动机基本相同。直流伺服电动机的控制方式分为：电枢控制和磁极控制两种。电枢控制时，控制信号施加于电枢绕组回路，励磁绕组接于恒定电压的直流电源上。磁极控制时，控制信号施加于励磁绕组回路，而电枢绕组接于恒定电压的
35、直流电源上。3.3 直流伺服电动机的控制电路当电动机负载转矩TL不变，励磁磁通不变时，升高电枢电压Ua，电机的转速就升高，反之，降低电枢电压U，转速就下降。在Ua=0时，电机则不转。当电枢电压的极性改变时，电机就反转。因此，可以把电枢电压作为控制信号，实现电动机的转速控制。电枢电压Ua控制电动机转速变化的物理过程如下：开始时，电动机所加的电枢电压为Ua1，电动机的转速为n1,产生的反电动势为Ea1，电枢中的电流为Ia1，根据电压平衡方程式，则Ua1= Ea1+ Ia1Ra=Cen1+ Ia1Ra这时，电动机产生的电磁转据T=CT Ia1。由于电动机处于稳态，电磁转矩T和电动机轴上的总转矩Ts相
36、平衡， 即T=Ts。如果保持电动机的负载转矩TL不变也即阻转矩不变，而把电枢电压升高到Ua2，起初，由于电动机有惯性，转速不能马上跟上而仍为n1,因而反电动势仍为Ea1。由于Ua1升高Ua2到而E不变，为了保持电压的平衡关系，Ia1应增加到Ia，因此电枢转矩也应由T增加到T，此时电动机的电磁转矩大于总电阻转矩Ts，使电动机得到加速。随着电动机的转速的上升，反电势Ea增加。为了保持电压平衡关系，电枢电流和电磁转矩都要下降，直到电枢电流恢复到原来的数值，使电枢转矩和总阻转矩重新平衡时，才达到稳态。但这是一个更高转速n2时的新的平衡状态。这时电动机转速n随电枢电压Ua升高而升高的物理过程。为清晰起见
37、，把这个过程用下列符号表示： (由于n来不及变，Ea暂不变)Ua Ia T （由于Ts不变） 当T=Ts时达到稳 n Ea T n2 用相同的方法可以分析电枢电压Ua降低时，转速n的下降过程。4 直流伺服电机的硬件设计与软件设计4.1 硬件设计4.1.1 硬件电路设计电机伺服器硬件电路主要由FPGA控制器、数据采集电路、过流保护电路、隔离电路、驱动电路等组成。各个模块在中央控制器FPGA的控制下协调工作。4.1.2 硬件电路结构框图整个系统结构框图如下:指令信号数据采集电路位置检测传感器电流检测传感器AD1674AD1674ADC0809FPGAEPF10K10LC84-4隔离电路驱动电路执行
38、机构控制对象图4-1 系统硬件电路框图4.1.3 数据采集电路1) 上位机给定信号与位置检测传感器输出信号送到数据采集电路，得到位置误差信号及其变化率，即速度值。2）位置传感器位置检测传感器采用精密电位器，精度为0.1%，此回路构成系统的位置环。采用电位器的型号为WHD3-13精密多圈电位器。3) 电流传感器采用CHB-25NP型电流传感器，额定输入电流25A,输出电流25mA，失调电流小于0.3A，响应时间小于l。传感器采集电机电枢电流，此回路构成系统的电流环。4) 数据采集系统主要由三个A/D转换器组成，其中指令值及位置反馈值采用AD1674进行模数转换，电流值由ADC0809采样得到。利
39、用FPGA控制它的三条通道同步采样，分别采集指令信号、反馈信号和电流信号。ADC0809包括一个8位的逼近型的ADC部分，并提供一个8通道的模拟多路开关和联合寻址逻辑。用它可直接输入8个单端的模拟信号，分时进行A/D转换。ADC0809的主要技术指标为:(1) 分辨率:8位(2) 单电源:+5V(3) 总的不可调误差:1LSB(4) 转换时间:取决于时钟频率(5) 模拟输入范围:单极性0-5(6) 时钟频率范围: 10KHZ-1280KHZ。AD1674是一款完全的单片12位模数转换器，内部包含了片上采样保持放大器(SHA)，高精度10v参考电压源，时钟振荡器和三态输出缓冲等，器件工作不需外部
40、时钟信号。工业级的芯片的温度范围为-40到+85,高达1Os的采样速率，单极性和双极性电压输入，如5V,10V,0-10V,0-20V。采用霍尔传感器取得直流电机的电枢电流，再通过采样电阻转换为相应的电压，与基准电压值相比较。当电机发生堵转时，电枢电流变大，电流对应的电压值大于基准电压时，通过比较器产生控制信号，从而屏蔽掉PWM波形，使两组MOS管同时截止，从而起到过保护的作用。电流传感器的输出为输入信号，FPGA控制信号为输出信号。因为指令信号与反馈信号的范围为（10V，10V），而且AD1674的输入电压范围可调整为（10，10），所以指令信号和反馈信号可以直接输入到AD1674的输端，经
41、A/D转换后成为FPGA的输入控制信号。对于电流反馈信号，经过采样电阻取得相应电压,通过运放电路将电压信号调整为（5V，5V），输入到ADC0809中进行A/D转换，在输入到FPGA中进行电流控制。4.1.4 FPGA控制电路现场可编程门阵列(FPGA ,Field Programmable Gate Array)器件集成度高、体积小,具有通过用户编程实现专门应用的功能。使用FPGA器件可以大大缩短系统的研制周期，减小资金投入。更吸引人的是,采用FPGA器件可以将原来的电路板级产品集成为芯片级产品，从而降低了功耗，提高了可靠性，同时还可以很方便地对设计进行修改。在FPGA中，采用硬件描述语言V
42、HDL(Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language) 进行编程。VHDL是一种自上而下的设计方法，具有优秀的可移植性、EDA平台的通用性以及与具体硬件结构的无关性等特点。本设计采用的可编程芯片为 ALTERA 公司的FLEX10K系列的EPF10K10LC84-4芯片，它具有高密度、低成本、低功耗、灵活的内部连接和强大的I/O引脚功能等特点。FLEXIOK是工业界第一个嵌入式的可编程逻辑器件，采用可重构的CMOSSRAM工艺，把连续的快速通道互连与独特嵌入式整列相结合，同时也结合了众多可编程器件的优点来完成普
43、通门阵列的宏功能。器件内部集成10万门电路，实现复杂逻辑运算和数据运算。FLEX10K系列器件主要由嵌入式阵列块、逻辑阵列块、快速通道(FastTrack)互连和I/O单元四部分构成。嵌入式阵列由一系列嵌入式阵列块(EAB)构成。当用来实现存储功能时，每个EAB提供2048位用来构造RAM,ROM,FIFO或双向RAM等功能。当用来实现乘法器、微控制器、状态机以及DSP等复杂逻辑时，每个EAB贡献100至600个门。逻辑阵列由一系列逻辑阵列块(LAB)构成。每个LAB包含8个LE和一些局部互连，每个LE含有一个四输入查找表(LUT)、一个可编程触发器、进位链和级连链。内部互连包括:快速、可预测
44、连线延时的快速通道连续式布线结构:实现快速加法器、计数器和比较器的专用进位链;实现高速、多输入逻辑函数的专用级联链;实现内部三态总线的三态模拟。器件的引脚由一些UO单元驱动，每个引脚都有一个独立的三态输出使能控制及漏极开路配置选项:可编程输出电压的摆率控制，可以减小开关噪声。采用ISP技术，通过JTAG接口电路直接向EEPROM芯片“烧写”程序，简单方便。由于FLEXIOK10LC84-4芯片基于SRAM结构，掉电后芯片上程序消失。所以采用外部存储器EEPROM芯片EPCLC20。首先将程序存入EEPROM中，上电后，程序自动由EEPROM烧入FPGA芯片中。4.1.5 隔离电路由于直流电机驱
45、动部分电路对控制部分电路存在干扰，需采用隔离电路进行隔离，以提高系统的稳定性。本系统采用高速光耦6N137实现隔离作，速度可达500KHz，下图中的A,B,C,D四路信号即为FPGA生成的PWM信号经过电平变换后的输入信号。4.1.6 驱动电路驱动电路采用单极可逆驱动电路，PWM波驱动两组NMOS和PMOS组成的H桥电路，分别控制电机正转和反转。其中PMOS管采用IRF9150,NMOS采用IRF150，两管为对管。管子耐压为200V，电流为40A，两管并联电流值为80A。电机功率为500W，额定电压56V，电流12A，可见功率管以留有足够余量。电路中外加续流二极管，以构成续流回路，续流二极管
46、采用MUR470(电流可达6A，续流时间(50纳秒)，满足电路续流要求。考虑到栅源间电压不能超过18V，故增加稳压二极管(12V)，对MOS管起到保护作用。采用单极受限PWM波控制两组NMOS和PMOS互补电路驱动直流电机，分别驱动电机正转和反转。当一组工作时，另一组截止，而且只有在电机发生换向时才考虑两组MOS管同时导通的问题，即PWM波的死区问题。通过设定适当死区，从而避免管子同时导通而导致电流过流发生的情况。驱动电路如下图所示:4.2 软件设计设计4.2.1 VHDL介绍VHDI的英文全称是诞生于1982年。Very-High-Speed Integrated Circuit Hardw
47、are DescriptionLanguage,1987年，VHDL被IEEE确认为标准硬件描述语言。VHDL主要用于描述数字系统的结构、行为、功能和接口。除了含有许多具有硬件特征的语句外，VHDL的语言形式和描述风格与句法十分类似于一般的计算机高级语言。VHDL的程序结构特点是将一项工程设计，或称(可以是一个元件、一个电路模块或一个系统)分为外部(或称可视部分，即端口)和内部(或称不可视部分)，既设计实体的内部功能和算法完成部分。在对一个设计实体定义了外部界面后，一旦其内部开发完成后，其他的设计就可以直接调用这个实体。这种将设计实体分为内外部分的概念是VHDL系统设计的基本点。它有如下特点:1)V