- 1 -浙江大学硕士学位论文 第1章 绪论
第1章 绪论
1.1 课题背景
自从1985年Xilinx公司推出第一片现场可编程逻辑器件（FPGA）到现在，FPGA已经经历了二十几年的发展历程。在这几十年的发展过程中，以FPGA为代表的数字系统现场集成技术取得了惊人的发展。现场可编程逻辑器件从刚开始的1200个逻辑门，发展到90年代的25万个逻辑门，甚至到现今国际上FPGA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。
FPGA的优点可以归纳为如下几点：效能，上市时间，成本，可靠性和长期维护五个方面。
效能--透过硬件的平行机制，FPGA 可突破依序执行 (Sequential execution) 的固定逊算，并于每时脉循环完成更多作业，超越了数位讯号处理器(DSP) 的计算功能。BDTI 作为著名的分析公司，并于某些应用中使用 DSP 解決方案，以计算 FPGA 的处理效能。在硬件层级控制 I/O 可缩短回应时间并特定化某些功能，以更符合应用需求[1]。
上市时间--针对上市时间而言，FPGA技术具有弹性与快速原型制作的功能。使用者不需进行ASIC设计的冗长建构过程，就可以在硬件中测试或验证某个观念。并仅需数个小时就可以建臵其他变更作业，或替换 FPGA 设计。现成的 (COTS) 硬件也可搭配使用不同种类的 I/O，并连接至使用者设定的 FPGA 芯片。高级软件工具正不断提升其适用性，缩短了抽象层 (Layer of abstraction) 的学习时间，并针对进階控制与信号处理使用 IP cores (预先建立的函式)。
成本--ASIC 设计的非重臵研发 (NRE) 费用，远远超过 FPGA 架构硬件解決方案的费用。ASIC设计的初始投资，可简单认列于 OEM 每年所出货的数千组晶片，但是许多末端使用者更需要定制硬件功能，以便用于开发过程中的数百组系统。而可程式化晶片的特性，就代表了低成本的架构作业，或组装作业的长前臵时间。由于系统需求随时在变化，因此若与 ASIC 的庞大修改费用相比，FPGA 设计的成本实在微不足道[2]。
可靠性--正如软件工具提供程序化设计的环境，FPGA 电路也为程序化执行的「坚强」的建臵方式。处理器架构的系统往往具有多個抽象层，得以协助多重
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处理程序之间的作业排程与资源分享。驱动层 (Driver layer) 控制硬件資源，而作为作业系统则管理记忆体和处理器频宽。针对任何现有的处理器核心来说，每次仅可执行1组指令码；而处理器架构的系统则可以连续处理重要作业。FPGA 不需要使用作业系统，并将产生问题的几率降到最低，采用平行执行功能与专属精密硬件执行作业。
长期维护--FPGA 晶片为即时升级 (Field-upgradable) 特性，不需要像ASIC 一般重新设计的时间与费用。举例来说，数位通讯协定的规格可随时间而改变，而 ASIC 架构的介面却可能产生维护与向下相容的问题。FPGA 具有可重设性质，可随时因应未来的需要而进行修改。当产品或系统趋于成熟时，不需耗时重新设计或修改机板配臵，即可提升相关功能[4]。
1.2 研究的目的及其内容
直流电动机因为具有良好的启动性能和宽广平滑的调速特性，从而被广泛应用于电力机车、无轨电车、轧钢机、机床和启动设备等这些需要经常启动并调速的电气传动装臵中，直流发电机主要用作直流电源。此外，小容量直流电机大多在自动控制系统中以伺服电动机、测速发电机等形式作为测量、执行原件使用。
当基于FPGA的嵌入式系统时，在设计周期之初就不必为每个模块做出用硬件还是软件的选择。如果在设计中间阶段需要一些额外的性能，则可以利用FPGA中现有的硬件资源来加速软件代码中的瓶颈部分。由于FPGA中的逻辑单元是可编程的，可针对特定的应用而定制硬件。所以，仅使用所需要的硬件即可，而不必做出任何板级变动(前提是FPGA中的逻辑单元足够用)。设计者不必转换到另外一个新的处理器或者编写汇编代码，就可做到这一点。使用带有可配臵处理器的FPGA可获得设计灵活性。设计者可以选择如何实现软件代码中的每个模块，如用定制指令，或硬件外围电路。此外，还可以通过添加定制的硬件而获取比现成微处理器更好的性能。
另一点要知道的是，FPGA有充裕的资源，可配臵处理器系统可以充分利用这一资源。算法可以用软件，也可用硬件实现。出于简便和成本考虑，一般利用软件来实现大部分操作，除非需要更高的速度以满足性能指标。软件可以优化，但有时还是是不够的。如果需要更高的速度，利用硬件来加速算法是一个不错的选择。FPGA使软件模块和硬件模块的相互交换更加简便，不必改变处理器或进
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行板级变动。设计者可以在速度、硬件逻辑、存储器、代码大小和成本之间做出折衷。利用FPGA可以设计定制的嵌入式系统，以增加新的功能特性及优化性能。
目前，虽然由晶闸管整流元件组成的固态直流电源设备已基本上取代了直流发电机，但直流电动机仍因为其良好调速性能的优势在许多传动性能要求高的场合占据一定的地位，而FPGA又具有很强的性能及其优势，基于FPGA的直流电机的控制还是有应用价值[1]。
1.3 研究内容及其安排
1.3.1 研究内容
本文根据以上这些特点，对直流电机的控制研究采用了一种基于FPGA平台，采用硬件描述语言加上EDA软件进行设计。具体的研究内容为：
1.查找相关文献，研究直流电机的基本特点及其工作原理，并且对直流电机的PWM控制进行研究分析。
2.对要进行的研究进行分析，采用模块化设计，包括PWM产生模块，PID算法模块。
3.研究系统的重点PID算法模块，构建出合适的PID算法，找到一种切实可行的方案，以满足系统的要求。
1.3.2 本文的安排
本文总包括七章的内容。第二章首先阐述了直流电机的特点及其工作原理，分析了研究意义，提出了设计基于FPGA的直流电机，并且对研究的内容进行分析。第三章介绍了基于FPGA设计直流电机控制的设计环境，对FPGA，以及硬件描述语言进行了详细的介绍。第四章介绍了本次设计的系统框图，并且对各个模块进行了分析。第五章介绍了模块的详细设计，着重介绍了PID算法模块的研究及设计方案。第六章介绍了外围电路设计方案。
1.4 本章小结
在本章中，首先阐述了直流电机的简单介绍，对整个系统研究有了一定的了解。
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- 4 -浙江大学硕士学位论文 第2章 电机的基本知识
第2章 电机的基本知识
2.1 直流电机的特点
直流电动机与交流电动机相比较，具有良好的调速性能和启动性能。直流电动机具有宽广的调速范围，平滑的无级调速特性，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；过载能力大，能承受频繁的冲击负载；能满足自动化生产系统中各种特殊运行的要求。而直流发电机则能提供无脉动的大功率的直流电源，且输出的电压可以精确地调节和控制。
但直流电机也有它显著的缺点：一是制造工艺复杂，消耗有色金属较多，生产成本高；二是运行的时候由于电刷与换向器之间容易产生火花，所以可靠性比较差，维护比较困难。所以在一些对调速性能要求不高的领域中己被交流变频调速系统所取代。但是在某些要求调速范围大、快速性高、精密度好、控制性能优异的场合，直流电动机的应用目前仍然占有较大的比重[3] [5]。
2.2 直流电机的基本结构
直流电动机和直流发电机的结构基本一样。直流电机是由静止的定子和转动的转子两大部分组成，在定子和转子之间存在一个间隙，称做气隙。定子的作用是产生磁场和支撑电机，它主要包括主磁极、换向磁极、机座、电刷装臵、端盖等。转子的作用是产生感应电动势和电磁转矩，实现机电能量的转换，通常也称做电枢。它主要包括电枢铁心、电枢绕组以及换向器、转轴、风扇等。直流电机的结构图如图2.1所示。
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图 2.1直流电机的结构
图中1-前端盖 2-风扇 3-定子 4-转子 5-电刷及刷架 6-后端盖 1．主磁极
主磁极的作用是产生主磁通，它是由铁心和励磁绕组组成。铁心一般用lmm～l.5mm的低碳钢片叠压而成，小电机也有用整块铸钢磁极的。主磁极上的励磁绕组是用绝缘铜线绕制而成的集中绕组，与铁心绝缘，各主磁极上的线圈一般都是串联起来的。主磁极都是成对的，并按N极和S极交替排列。
2．换向磁极
换向磁极的作用是产生附加磁场，从而改善电机的换向性能。通常铁心由整块钢做成，换向磁极的绕组应与电枢绕组串联。换向磁极装在两个主磁极之间。其极性在作为发电机运行时，应该与电枢导体将要进入的主磁极极性相同；在作为电动机运行时，则应该与电枢导体刚离开的主磁极极性相同。
3．机座
机座一方面用来固定主磁极、换向磁极和端盖等，另一方面作为电机磁路的一部分称为磁轭。机座一般用铸钢或钢板焊接制而成。
4．电刷装臵
在直流电机中，为了使电枢绕组和外电路连接起来，必须装上固定的电刷装臵，它是由电刷、刷握和刷杆座组成的。电刷是用石墨等做成的导电块，放在刷握内，用弹簧压指将它压触在换向器上。刷握用螺钉夹紧在刷杆上，用铜绞线将电刷和刷杆连接，刷杆装在刷座上，彼此绝缘，而刷杆座则装在端盖上。
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