论文研究-基于FPGA电机控制器设计 .pdf

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基于FPGA电机控制器设计,张跃,唐轶,本文应用先进的FPGA技术,设计了一种全数字的电机控制系统,通过仿真在实验中得到了预期的电机控制SPWM波形。文中分析了电机的控制�
国武技论文在线 控制模块的设计 它主要由载波发生模块、调制波发生模块、调制波与载波的比较模块和死区模块等四部 分组成。其中,载波发生器模块能不凘地产生等腰三角波,调制波模块产生正弦波,三角波 与正弦波一起送入比较模块,根据自然采样规则,系统就得到相应的 脉宽调制信号 此外,为了防止桥式驱动电路中的川关元件(管)由于关断需要时间造成的两桥 臂同时导通的情况,还在设计中加入了一个死区模块,使得开关元件在每次导通都有一定的 时间延时,以保证相应的期间完全关断。其模块框图如图 正弦调制波 调制波 载波 死区模块 输出 载波发生 比较模块 器模块 图3SPwM模块框图 载波发生器模块 载波发生器即三角波发生器。采用位计数器实现,根据加减标识来判断计数器进行 加法或减法计算,时进行加法运算,时,进行减法运算。工程上为防止溢出,当计 数器进行加法运算时,计数值不断与计数器最大值减(木设计为 )进行比较,计 数器加到 时,给计数器赋值 ,同时,给加减标识置,然后进行减法 运算;当计数器进行减法运算时,计数值不断与计数器最小值加(本设计为 )进 行比较,计数器减到 时,给计数器赋值 ,给置,随后进行加法运算。 载泼发生器模块封装图如图。 E sanao ck q70 Tese 图4三角波模块封装图 载波发生器模块功能仿真波形 图5三角波仿真波形 国武技论文在线 通过观察仿真波形,产生了预期的三角波,该模块功能可以实现。 调制波模块 调制波发生器即正弦波发牛器。 语言可以通过多种方法产生正弦波,正弦波信号 是最常用的一种信号形式,应非常广泛,本设计采用 宏模块制定的方法来产生。 正弦信号发生器的结构由三部分组成:数据计数器或地址发生器、数据和当接 受来自的地址信号后,将从数据线输出相应的波形数据,地址变化得越快,则输出数 据的速度越快,从而使输出的模拟信号的变化速度越快。性能良好的止弦波发生器的 设计要求此三部分具有较高速度,且数据在扃速条件下占用的逻辑资源,设计流程最 便捷,波形数据获得最方便。顶层文件 在中实现,包括两部分: 的地址信号发生器由位计数器构成,正弦数据存储器 由 模块构成。该 结构可以达到优化设计。在此,对每周期的正弦波形采样个点。 SINGT CLK DOUT[O ■■1■I■■■L■L■I■■ ■■■■■■L■l■■■■■■L■l■ 图6正弦波模块封装图 正弦波发生器模块功能仿真 工江短 图了正弦波发生器模块功能仿真波形 正弦波模块仿貞结果如图。通过观察波形,随着每个吋钟上升沿的到来,输出端∏ 将止弦波数据输出。这些止弦波数据与所定制的相同,可以看山,设计是止确的 比较模块 数字比较器是产生 波形的核心组成部件以下给出了用 语言描述的数字 比较器。比较器的实体名为 ,设计中调用了 标准库函数 ,为了比较两个信号的大小,调用了 厍函数。比较器的两路数字信号输入分别为和, 为用矢量形式表示的位二进制数。输出信号 在 进程中,用语句 米措述输入信号与输出信号 之间的关系。在实际应用中,增加此时比较器的位 数可以提高电机控制的精度 作为位输入信号, 为输出波形, 时,输出低电平,反之输出 高电平a将三角波与正弦波作为输入信号进行比较,从而得到无死区延时的 国武技论文在线 波,此波形不能直接作为电机的驱动信号,还需进行死区设置。比较模块封装图如图。 a: COMP M[O OUTT N[70 CLK 图8比较模块封装图 比较模块功能仿真 F1 _X0X5 19|mT 图9比较模块功能仿真波形 图是数字比较器的仿真波形。从图仿真波形图可以看出当时 输出低 电平;当 时 输出高电平。根据两路输入信号之间的大小关系确定相应的输出 信号 延时模块 有对开关管的桥式电路在理性条件下的工作情是开关管的开通于关断不需要时间。在 桥式电路中,上下桥臂的驱动信号幅值相同,相位相差 从而避免了两桥臂同时导通 的情况。 但是,由于实际元件开通和闭合的过程都需要时间,因此, 泼在翻转的过程 有可能岀现一个桥臂没有关断而另一个桥臂已终开通,从而导致短路现象的情况。为了避 免这种情况,必须在两个桥臂驱动信号当中插入一段死区延时时间,即当波翻转时必 须有一段时间两个开关管均处于截止状态。两个开关管共同截止的时间称为死区时间。 图为延时模块的封装图,图中 为 波 为设定的死区时间 输出 信号为上桥臂控制信号,输岀信号为输岀的下桥臂控制信号。实现死区 时间设定的方法是在 和 从低电平变为高电平,延迟一个死区时问和。 国武技论文在线 ad ※|ck 0 da deadtime[7.0 图10延时模块封装图 延时模块功能仿真 二1 10 9》213 图11延时模块功能仿真波形 如图所示的仿真结果, 为随意给出的输入波形, 的输出波形 中加入了延时时间,输岀结果功能正确。 实验结果及分析 用 设计的电机控制器 控制电路主要由三部分组成 脉宽调制信 号产生电路、数字比较电路和死区延时电路。 通过使用 软件对各个模块的功能进行了仿真,各模块的功能能够实现,然后, 将各模块迕接起来,得到产生具有延时的 控制波形的顶层结构,如图。由顶层结 构可清楚的看岀,在的作用下,锯齿波计数器输岀周期性线性増加、减少的锯齿波, 通过位数据线进行输出,为其输岀端口。同时,在的作用下,正弦波发生器产生 按定制波形数据变化的正弦波, 为输出端口,也是为的数据线。位比较器将正弦 波与锯齿波进行比较,当锯齿波数值小于正弦波薮值时,数字比较器输岀晑电平;当锯齿波 数值大于或等于正弦波数值时,数字比较器输出低电平, 为比较器输出的 比较器直接比较得到的 波形不可直接用于控制电机,因为电机控制中具有采 用由管组成的桥式电路,管的开通、关断需要时间,完全相反的 波形将 会使桥式电路的两桥臂在 波形翻转时冋时导遥,导致短路的情况发牛。通过死区延 时时间的设定,保证在 波形翻转时,有一段时间使上下两臂的管均处于截止 状态,保证电机的正常运行。将输出的信号作为延时模块输入数据线 的输入 波形, 是位数据输入线,可根据电机的只体应用要求,设定死区延时时间,数字 控制的电机控制器延时时冋使」更改,设计中设采用延时时间为 为最 国武技论文在线 终输出的电机控制信号。由此产生具有区延吋的周期性的 电机控制波形。 采用 语言编程设计 正弦脉宽调制控制方案,计算机仿真电机控制仨号的 结果表明,该电路能有效地产生有延时的 控制信号控制电机,控制精度由 的数字比较器决定。电机实验中采用的比较器为位,实际应用中,比较器位数增加可以 提高比较器的精度,从而增加电机控制器的精度。用的口产生控制信号 必要时一片 可以同时输出多路 信号。电路中省去了转换器,使电路变 得更加简洁,同时也降低控制器的成本,也保证了控制系统具有高的可靠性。由于电机控制 器是用数字控制,在对模块功能进行调整和更改时可以方便的实现,其运算速度、控制精度 高。采用 软件仿真时,通过观察只体的时序仿真波形,便于分析波形的正确性。 写 图12控訇器顶层结构 通过使用 对控鬧器的顶层结构进行编译、仿真,得到了预期的 电机驱 动信号,如图,从仿真波形看出产生了按正弦规律变化的 脉宽调制信号。 国武技论文在线 儿LL 图13一个周期的Sw形 d PiIn r1 BI CHTFRF-=HH 图14放大的SPWM波形 图为一个完整的的 波形,探制电机的两路信号反向输出,由图可清楚看 出,死区时间也被正确地加入,产生了两路带死区时间延时的 波形,避免电机控 制中的两桥臂的管同时导通的情况。 由于变换器具有功率因素高,可同时实现变频、变压及扣制谐波的特点,因此 在交流传动及其他能量变换系统中得到广泛应用。最常的技术,即止弦 这种 的脉冲宽度按正弦规律变化,因此可以有效地抑制低次谐波,使电机工作在近似 正弦的交变电压下,转矩脉动小,大大扩展了交流电机的调速范围 结束语 木文给出了给出了基于电札控制器设计系统,通过仿真在实验中得到了预期的电 机控制 波形。内部具有丰富的可编程资源,采用设计数字 控制 器对直流电机进行控制控制精度可以做得很高 设计的 控制器电路结构简洁, 控制效果好、控制系统更可靠 参考文献 周润景,图雅,张丽敏基于 Ⅱ的 数字系统设计实例北京:电子工业出版社, 李洪伟,袁斯华基于 Ⅱ的 设计北京:电子工业出版社, 张红润,张亚凡 应用设计例下册.北京:北京航空航天大学出版社, 范绿蓉,刘守印,彭新生,胡君红基于 的直流电动机调速系统的设计和实现电气自动化,, 陈伯时电力拖动自动控制系统北京:机械工业出版社, 李建林,王立乔,李彩霞,韩冰,≮仲超基于觋场可编程门阵列的多路波形发生器中国电机 工程学报,

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