基于FPGA的开关磁阻电机调速系统设计说明Word文档下载推荐.docx
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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5所示:
图5多功能功率桥
1.5、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。
此外M57962L还具
有过压保护功能。
如图6所示:
图6IGBT驱动电路
1.6、光电隔离原理图
光耦合器一般由三部分组成：
光的发射、光的接收及信号放大。
输入的电信号驱动发光
二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。
这就完成了电一光一电的转换，从而起到输入和输出的隔离的作用。
由于光耦合
器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干
扰能力。
也是实现弱电对强电的控制的重要部件，所以采用光电隔离输出PWM波可以避免
外界信号干扰FPGA，避免了电磁对FPGA程序的干扰，导致的程序跑飞现象，提高了系统的可靠性。
从而使FPGA具有良好的工作环境，正常输出PWM波等。
如图7所示，光
电隔离电路主要是由6N137芯片完成光和电的隔离。
由6N137芯片将FPGA输出的高电平是3.3V的PWM波，通过隔离得到5V的高电平输出PWM波，从而驱动IGBT的驱动芯片。
图7PWM光电隔离电路
（二）系统软件设计
2.1、NIOS处理器结构
基于SOPC的嵌入式系统结构如图8所示，主要包括嵌入式微处理器（CPU核）、定时
器（Timer）、嵌入式锁相环（PLL）、嵌入式数字信号处理器（DSP）及其他IP模块等部分。
和传统的单片机相比，基于FPGA的NIOS软核系统具有CPU外围功能模块可定制剪裁的优势，用户只需根据项目的需要，添加自己所需要的外设，即可完成产品的设计，并且集成在一片
芯片里边。
这样就可以大大缩减产品的开发周期，提高产品性能的稳定性。
图8基于SOPC的嵌入式系统结构
2.2、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
NIOSii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调节的信号的输入等。
本系统的
定制原理图如图9所示：
图9开关磁阻电机NIOS系统
2.3、锁相环倍频、分频电路
锁相环电路系统构成主要是由Altera公司的FPGA内部所包含的免费的IP核，通过ALT_PLL锁相环IP核可以很容易地实现分频和倍频的功能，只需要通过设置PII内的相关
参数即可。
此电路模块主要完成功能：
（1）NIOS软核工作所需要的100MHz的频率c0。
通过引脚PIN_G2接外部输入20MHz的晶振，经过5倍频之后得到100MHz的频率c0接入NIOS的时钟输入端，保证系统能够正常工作。
（2）PWM电路模块的工作时钟频率c1。
根据PWM模块电路工作原理，时钟的输入
做为三角波发生器的时钟，计数器计数得到三角波，再通过比较器比较得到PWM波，c1
主要是保证计数器正常计数的需要。
通过外部接入的20MHz的频率，经过20分频之后得
到1MHz的频率。
图10锁相环电路
2.4、PWM模块的设计
2.4.1、PWM波形实现原理
目前，采用FPGA产生PWM波形的方法很多，如上下计数法、存储查表法等，本文采用技术比较的方法来实现PWM波形的产生，原理如所示。
其原理是：
三角波发生器的值小于比较值时，输出低电平，高于比较值时输出高电平，如图所示。
其中，三角波作为载波,
三角波的实现是通过10位计数器IP核设置为增减计数模式，增减计数控制使能端为1时增计数，为0时是减计数。
当计数值到达计数器最大值1024时，输出一个上升沿脉冲
信号，输入D触发器，使其输出状态取反一次，从而有效地使计数器工作在增减计数模式下，实现了三角波生成的功能。
调节PWM波的占空比是电机调速的重要手段，若比较寄存器的值逐渐增大，输出脉冲的开启时间变大，PWM占空比逐渐变大，功率器件输出给电机电枢的能量增加，电机加速；
若比较寄存器的值减小，输出脉冲的开启时间变小，PWM占空比逐渐变小，功率器件输出
2.4.2、PID控制原理
图13PID控制原理图
PID控制器是一种线性器，它根据给定值r（t）与实际输出构成控制偏差：
e（t）r（t）c（t）（5-1）
将此偏差的比例（P）、积分（I）和微分（D）通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。
其控制规律为：
ttde（t）
U（t）Kp[e（t）1/T|0e（t）dt-]（5-2）
0dt
其传递函数：
G（S）U（S）/E（S）KP（11/TISTDS）（5-3）
式中，Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数。
2.4.3、本设计系统PID模块的实现
本设计所采用的是增量式PID算法，所谓增量式PID是指数字控制器的输出只是控制
量的增量。
当执行机构需要的控制量是增量，而不是位置量的绝对数值时，可以使用增量式
PID控制算法进行控制。
增量式PID控制算法可以通过式（5-9）推导出。
由式（5-9）可
以得到控制器的第k—1个采样时刻的输出值为：
将式（5—8）与式（5-10）相减并整理，就可以得到增量式PID控制算法公式为:
VUkUk
Uk1
kp[e（k）
e（k1）Te（k）Tde（k）2e（k1）e（k2）]
TiT
kp[e（k）e（k1）]^e（k）kd[e（k）2e（k1）e（k2）]（5-11）
增量式PID控制算法与位置式PID算法式（5-8）相比，计算量小的多，因此在实际中得到广泛的应用。
PID算法最终可以化简为UkqOekqleklq2ek2,其可以很
容易利用FPGA内部的IP核实现。
本系统利用一个减法器，实现误差值的求取，采用三个
乘法器实现公式当中的乘法，再利用一个加法器相加，最终得到计算结果，在通过一个比较
器，当计算结果大于0时输出高电平，计算结果小于0时，输出一个低电平，在NIOS当
中读取该电平的状态，根据该状态值增加或者减小PWM脉冲宽度的值，达到脉宽调制的效
果。
其中的ek、ek1及ek2的移位操作是通过乘法器的流水线时钟选择实现
的。
图14增量式PID算法电路
2.4.2、测速电路模块
两路位置信号输入，每一次跳变上升沿或下降沿都要产生一次计算过程，读取计数器的
数值即可计算出各路信号相邻两个跳变之间的标准脉冲个数N，脉冲个数的计算是在固定频
率的脉冲信号fclk下计算的。
图15位置信号示意图
根据T测速法，可得如下转速计算公式:
256~2047r/min
过的时间差，单位min;
fdk是计数器的时钟频率；
由于测速范围为
当n=2048r/min时，计数值N=256，贝U肛为0.2MHz，即当计数器的时钟频率选在
=1/24,fC|k=0.2MHz，则可以
0.2MHz时，系统能正常运行。
当n=256r/min
的分子可选19位全1的数据。
本系统实际设计，主要由异或门、计数器、常数值及除法器三部分构成，如下图所示。
捕获信号通过IN1,IN2引脚接入，经过XOR门之后，得到15°
占空比为50%的倍频信
号。
倍频信号高电平期间使能计数器，对固定频率的时钟进行计数，低电平期间进行速度值
图16电机转速计算模块
2.5基于NIOSII软核应用软件编程
2.5.1、主程序的设计
主函数程序，主要完成系统函数的初始化，根据软件所设计的标志位控制相关模块的
运行与停止，是整个软件编写最主要的部分。
本设计系统主函数主要完成功能：
主函数流程图见下图所示：
实际系统设计主函数截图如下：
23/*****************************************
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液晶梶盘函数caozuogongrtengxxianzejiemianhanshu{};
//操作功能选择界面常数
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//电机启动函数|
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给罡速度透择函敷zh&
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50
50return0;
52}
图17系统主函数
2.5.2、开关磁阻电机位置检测捕获中断函数
本设计捕获功能的实现是同过NIOS的10口外设，将其设置为2输入的输入端口，此
时10口具有捕获功能，可以检测开关磁阻电机的两个位置传感器的位置信号，在NIOS软
件编程中读取捕获到状态值，来确定开关磁阻的电机A、B、C、D四相，哪一相导管，哪
一相关闭，从而给电机绕组通电，使电机转动起来。
在定制NIOS软核系统中，将CAP_PIO端口设置为同步边沿捕获，并且上升沿和下降
都捕获，这样在捕获中断函数当中读取捕获值，同时完成电机换向。
由电机结构决定，电机
每转动一圈，进24次中断。
本设计中NIOS定制中的捕获端口实际设计如下图所示:
图18捕获IO口设置为双沿同步捕获
首先进入捕获中断函数后，完成读取捕获值、换相函数、清除中断标志。
捕获功能的NIOS软件编程流程图：
本设计系统实际编程截图如下:
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图19捕获中断函数
2.5.3、读速度中断函数
进中断
读15个速度值
速度值排序
—t
去最大最小值
©
求平均值
（结束'
流程图
在其中断函数当中，主要完成速度值的读取、存储、赋值给显示变量及其算法处理。
为
了提高速度的精度，我们取15组数据，存放在数组当中，用于求取速度的平均值。
在调试
函数过程中，出现的误差相对较大并且不稳定，为此，在对读取的15组数据当中，首先进
行一个排序处理，按照读取速度值的大小，从小到大依次排序。
然后，在处理数据的时候，去掉最小的4个数据和最大的5个数据，剩下中间的6个数据，求取平均值。
这样有效地避免了转速计算过程中可能会出现的坏值，解决了转速值不稳定的现象，大大提高了控制精
度。
2.5.4、正反转相序转换函数
正转相序和反转相序是根据电机结构而定的，电动机在出厂的时候就已经确定了的。
此
函数是电机运转的重要函数。
电机正转时：
00->
10->
11->
01->
00；
状态转换图如下图所示。
图22电机运转状态图
电机运转的原理是根据检测位置传感器的状态来确定，给电机的某相励磁绕组通电,驱使电机转动起来。
NIOS软件编程如下:
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图23正反转相序转换函数
2.5.5、制动相序转换函数
电动机的制动方式主要有机械制动和电气制动。
机械制动是通过机械装置来卡住电机主轴使其减速，如电磁抱闸、电磁离合器等电磁铁制动。
而在实际应用中多采用电气制动，常用的电气制动方式有：
（1）短接制动：
制动时将电机的绕组短接，利用绕组自身的电阻消耗能量。
由于绕组的电阻较小，耗能很快，有一定的危险性，可能烧毁电机。
（2）反接制动：
直流电机制动，将电机的电源正负极反接，改变电枢电流的方向，这样转矩的方向也改变，使得转速与转矩的方向相反。
交流电机制动采用改变相序的方法产生
反向转矩，原理类似。
反接制动制动力强，制动迅速，控制电路简单，设备投资少，但制动
准确性差，制动过程中冲击力强烈，易损坏传动部件。
（3）能耗制动：
制动时在电机的绕组中串接电阻，电动机相当于发电机，将拥有的能
量转换成电能消耗在所串接电阻上。
这种方法在各种电机制动中广泛应用，变频控制也用到
了。
（4）能量回馈制动：
当采用有源逆变技术控制电机时，将制动时再生电能逆变为与电网同频率同相位的交流电回送电网，并将电能消耗在电网上从而实现制动。
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图24制动转换函数
2.5.6、PID调节PWM脉冲宽度的实现
由于本系统在设计过程中，PID的计算过程是一个单独搭建的电路模块，计算得到最终
结果值有正负之分，通过一个比较器和0进行比较，根据比较计算结果，如果计算值大于0输出高电平，若小于0则输出低电平。
而在NIOS软件编写当中，只需要根据读到的电平状态，增加或减小PWM的数值，从而实现脉冲宽度的调制，达到对电机转速自动控制的目
在NIOS实际软件编程当中，在程序编写过程中读取PID计算的结果，改变PWM的值。
如图所示:
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图25PWM调节函数
（三）实物设计图
IGBT功率桥
电机转速动态显示
IGBT驱动电路FPGA主控制板
升级会员 