文档介绍：基于FPGA的开关磁阻电机调速系统的设计
作者王堂旺
学号 0940304224
专业电气工程及其自动化
指导教师杜昭平
第一部分内容简介
开关磁阻电动机调速系统(Switched Reluctance Drive,简称SRD)是继异步电动机变频调速系统和直流电动机调速系统之后,又一极具发展潜力的新型调速系统。它集开关磁阻电动机(Switched Reluctance Motor,简称SRM)、现代电力电子技术与控制技术为一体,它不仅保持了交流异步电动机的结构简单、坚固可靠和直流电动机可控性好的优点,而且还具有价格低、效率高、适应力强等优点,显示出广阔的应用前景。
(8/6极)开关磁阻电动机控制系统的设计和研制为主要研究内容。硬件部分采用Altera公司的FPGA芯片EP3C40F484C8作为主控制器,针对SR电机的控制特点,充分利用了FPGA的逻辑资源,设计了相应的外围硬件控制接口电路,使控制系统结构紧凑、可靠性高,并根据电机反馈回的位置信号实现闭环控制。速度控制采用PID调节,通过改变PWM脉宽控制电机转速。
软件的设计是以FPGA内部嵌入的NIOS软核处理器为核心构建SOPC(System On a Programmable Chip),使得设计的时候能够根据自己的标准和系统大小定制处理器的外设、存储器和接口,在一片芯片上实现符合自己嵌入式系统。从而大规模地减少了控制系统的体积,提高了系统的稳定性。
本设计所能实现的功能:(1)电机控制:控制电机正转、反转、停机、制动;(2)转速测量:测量电机转速并显示;(3)速度调节:自动调节电机转速至给定速度;(4)测速范围:256r/min----2000r/min。有效地达到了系统设计的性能指标,这对实际的产品开发具有一定的指导意义。
第二部分实验的方法
实验的主要部分是硬件设计以及在硬件的基础上进行的软件设计,采用软硬件协同设计的方法,实现对开关磁阻电机的控制。
开关磁阻电机调速系统主要由开关磁阻电机、功率变换器、控制器以及位置检测器和电压电流检测器组成,硬件系统框图如1所示:
图1 硬件系统框图
功率变换器主要承担着电能变换输入的任务。可编程微处理芯片是电机调速运行的中枢,它综合处理由光电传感器输出的位置、速度等采样信号,且根据输入的相关指令如启动、停止、速度设置及电流传感器和电压传感器提供的各种信号输出相通断信号,驱动主开关管的开通与关断,驱使电动机转子转动并提供系统保护。
(一)实际硬件设计部分
(1)电源电路
电源电路是保证整个FPGA硬件系统正常工作的核心部件。没有电源电路系统是无法工作的,本系统将交流电源经过整流滤波之后到到直流电压,使用三端稳压管,得到5V的直流电压,供给FPGA硬件系统,保证开发板的正常工作。
图2 电源电路
(2)JTAG电路
JTAG是一种国际标准测试协议,主要用于芯片的内部测试,现在许多的高级器件都支持该协议,如单片机,DSP,FPGA等器件。标准的JTAG接口是4线:TMS、TCK、TDI、TDO,分别是模式选择、时钟、数据输入、数据输出线。JTAG电路是下载程序所必须的电路,在PC机上编写好的程序,经过编译处理之后,生成相应的可执行文件,通过JTAG电路将文件下载到芯片内部。如图3所示:
图3 JTAG电路接口
(3)功率变换电路
此模块是由六个IGBT组成的多用桥,可以通过跳线连接成所需要的H桥,三相全桥,四相不对称半桥等多种功能。在本设计中所需要是四相不对称半桥,所以只需要连接TX21,TX11和TX41,TX31就能组成四相不对称半桥。此模块在本设计中有着至关重要的作用,通过PWM脉冲功率桥的驱动模块来控制IGBT的导通与关断从而能达到让电机运转目的。如图4所示:
图4 功率变换电路
(4)IGBT驱动电路图
本模块是多用桥的驱动模块主要由M57962L芯片构成,如果M57962L的第十三管脚PWM输入引脚为低电平时B1和E1产生15V的电压驱使IGBT的导通,而当PWM输入为高电平时B1和E1产生-9V的电压驱使IGBT的关断。从而能够根据PWM的占空比来调整IGBT导通或关断的时间,进而能够改变输出的电流大小。如图5所示:
图5 IGBT驱动电路
(二)系统软件设计
(1)FPGA的NIOS处理器的定制
本设计系统主要应用到Altera公司的FPGA芯片EP3C40F484C8内部所嵌入的NIOS ii软核CPU、定时器2个、锁相环(PLL)、PIO口、RAM和ROM几个模块,其中NIOS与FPGA内部电路进行数据交换的主要是PIO口,通过PIO口可以控制PWM模块的使能及输出,读取速度计算电路模块的计算结果,PID调节的信