- 11 -浙江大学硕士学位论文 第2章 电机的基本知识
物料输送机械、纺织机械和交通车辆中有着大量应用。
在这类调速应用领域最初用的最多的是直流电动机调速系统，而在70年代后随电力电子技术和控制技术的发展，异步电动机的变频调速迅速渗透到原来的直流调速系统的应用领域。这是因为一方面异步电动机变频调速系统的性能价格完全可与直流调速系统相媲美，另一方面异步电动机与直流电动机相比有着容量大、可靠性高、干扰小、寿命长等优点。所以异步电动机变频调速在许多场合迅速取代了直流调速系统。
交流永磁同步电动机由于体积小、重量轻、高效节能等一系列优点，越来越引起人们重视，其控制技术日趋成熟，控制器也已经产品化。中小功率的异步电动机变频调速正逐步为永磁同步电动机调速系统所取代。电梯驱动就是一个典型的例子。电梯的驱动系统对电机的加速、稳速、制动、定位都有一定的要求。早期人们采用直流电动机调速系统，其缺点是不言而喻的。在70年代变频技术发展成熟，异步电动机的变频调速驱动迅速取代了电梯行业中的直流调速系统。而这几年电梯行业中最新的驱动技术就是永磁同步电动机调速系统，其体积小、节能、控制性能好、又容易做成低速直接驱动，消除齿轮减速装臵；其低噪声、平层精度和舒适性都优于以前的驱动系统，所以适合在无机房电梯中使用。永磁同步电动机驱动系统很快得到各大电梯公司青睐，与其配套的专用变频器系列产品已有多种牌号上市。可以预见，在调速驱动的场合，将会是永磁同步电动机的天下。日本富士公司已推出系列的永磁同步电动机产品相配的变频控制器，功率从0.4kW～300kW,体积比同容量异步电动机小1～2个机座号，力能指标明显高于异步电动机，可用于泵、运输机械、搅拌机、卷扬机、升降机、起重机等多咱场合。
3．精密控制驱动--高精度的伺服控制系统，伺服电动机在工业自动化领域的运行控制中扮演着十分重要的角色，应用场合的不同对伺服电动机的控制性能要求也不尽相同。在实际应用中，伺服电动机有各种不同的控制方式，例如转矩控制/电流控制、速度控制、位臵控制等。伺服电动机系统也经历了直流伺服系统、交流伺服系统、步进电机驱动系统，直至近年来最为引人注目的永磁电动机交流伺服系统。最近几年进口的各类自动化设备、自动加工装臵和机器人等绝大多数都采用永磁同步电动机的交流伺服系统。
4．信息技术中的永磁同步电动机--当今信息技术高度发展，各种计算机外设和办公自动化设备也随之高速发展，与其配套的关键部件微电机需求量大，精度和性能要求也越来越高。对这类微电机的要求是小型化、薄形化、高速、长寿命、
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高可靠、低噪声和低振动，精度要求更是特别高。例如，硬盘驱动器用主轴驱动电机是永磁无刷直流电动机，它以近10000rpm的高速带动盘片旋转，盘片上执行数据读写功能的磁头在离盘片表面只有0.1～0.3微米处作悬浮运动，其精度要求之高可想而知了。信息技术中各种设备如打印机、软硬盘驱动器、光盘驱动、传真机、复印机等中所使用的驱动电机绝大多数是永磁无刷直流电动机。受技术水平限制，这类微电机目前国内还不能自己制造，有部分产品是在国内组装的。
2.3.2 直流电机的基本方程式
研究直流电动机的方程式是了解和分析直流电动机性能的主要方法和重要手段，直流电动机的基本方程式包括电压方程式、转矩方程式、功率方程式等。
直流并励电动机的工作原理，以它为例来分析电压、转矩和功率之间的关系。并励电动机的励磁绕组与电枢绕组并联，由同一直流电源供电。接通直流电源后，励磁绕组中流过励磁电流If，建立主磁场；电枢绕组中流过电枢电流Ia，电枢电流与主磁场作用产生电磁转矩T，使得电枢朝转矩T的方向以转速n旋转，将电能转换为机械能，从而带动生产机械工作。
1.电压方程式 直流并励电动机中有两个电流的回路：励磁回路和电枢回路。
下面主要分析电枢回路的电压、电流以及电动势之间的关系。
直流并励电动机通电旋转后，电枢导体切割主磁场，产生电枢电动势Ea，在电动机中，此电动势的方向与电枢电流Ia的方向相反，称为反电动势。电源电压U除了提供电枢内阻压降IaRa外，主要用来与电枢电动势Ea相平衡。列出电压方程式如下:：
U=Ea+IaRa
上式表明直流电动机在电动状态下运行时，电枢电动势Ea总是小于端电压U。
2.转矩方程式 直流电动机正常工作时，作用在轴上的转矩有三个：一个是电磁转矩T，方向与转速n的方向相同，为驱动性质转矩；一个是电动机空载损耗形成的转矩T0，是电动机空载运行时的制动转矩，方向总与转速n的方向相反；还有一个是轴上所带生产机械的负载转矩TL，一般为制动性质转矩。TL在大小上也等于电动机的输出转矩T2。稳态运行时，直流电动机中驱动性质的转矩总是等于制动性质的转矩，据此可得直流电动机的转矩方程式：
T=T0+Tl
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3.功率方程式 ： 其电源输入的电功率为：
P1=UI [1]~[3]。
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- 14 -浙江大学硕士学位论文 第3章 FPGA与硬件描述语言
第3章 FPGA与硬件描述语言
在本章中首先介绍FPGA的基本知识，以及所要涉及的芯片；在此基础上介绍设计中需要应用的硬件语言，以便使下面的设计更加完整，并方便阅读。
3.1 数字系统集成的基本概念
数字系统单片化的具体表现是专用集成电路。在过去，我们常用定制电路和半定制电路来分类。其中半定制电路又可以分为门阵列、标准单元和现场可编程IC。随着现场可编程IC技术的不断成熟，现场可编程lC的设计和应用成本不断降低，器件规模和品种不断增加，在越来越多的领域和产品中，特别是生产批量小，转型更新更快的数字化传统产品中，直接采用以FPGA、CPLD为代表的现场可编程IC来实现硬件单片集成已成为时尚。现代集成电路设计与实现主要可分为工艺集成技术和现场集成技术。
3.1.1 工艺集成技术
数字系统的工艺集成技术就是指采用半导体掩膜工艺的方法来实现数字系统的单片物理结构。这其中，主要的加工工艺技术为CMOS(互补金属-氧化物半导体)工艺。而主要电路的设计方式，则可以分为门阵列设计、标准单元设计和全定制电路设计等。不同的设计方式和不同的加工工艺流程互为规范和制约。为了实现不同的电路性能成本指标，需要不同的电路设计规范和工艺设计规范，并要制定合理的加工工艺流程。
3.1.2 现场采集技术
现场集成技术，是指一个数字系统的单片化设计和实现可以在实验室现场进行，是指采用FPGA、CPLD为代表的可编程逻辑器件作为数字系统实现的目标载体来进行的数字系统单片的现场设计、现场仿真、现场实现的技术，对于利用现场集成技术来实现数字系统的单片化，其基本要素是：
(1)现场集成的目标载体--现场可编程器件； (2)现场集成的设计工具以及库资源； (3)针对具体目标器件的不同编程方式。
3.1.2.1 现场集成的目标载体-------现场可编程逻辑器件
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- 15 -浙江大学硕士学位论文 第3章 FPGA与硬件描述语言
在现场可编程逻辑器件领域，目前主要的产品主要分为3大类。 (1)基于SRAM编程的FPGA
所谓基于SRAM编程的FPGA，从结构上而言，主要是由3个部分组成：可编程逻辑块(CLB)、可编程输入/输出模块IOB和可编程内部连线Pl组成。
(2)基于PROM或EEPROM编程的CPLD
基于EPROM或EEPROM编程的CPLD，主要由可编程I/O模块、可编程逻辑单元模块(LB)、可编程布线池(PIA)组成。其特点是：芯片功能的定义是由阵列分布EPROM或EEPROM型的下拉MOS开关来控制。
(3)基于一次性编程的反熔丝FPGA
反熔丝FPGA的主要特点是功耗低，布线通路丰富，逻辑元胞粒度小。另一方面，众所周知，采用反熔丝技术的FPGA尽管具有许多优点，但是却有一个致命的弱点，也就是只能进行一次性编程，这就为大规模FPGA产品的开发带来了许多不便。为了弥补这一不足，近年来，一种新型的集高密度、低功耗、非易失性和可重新编程于一身的非易失性、可重新编程的门阵列已经推向市场。
(4)．FPGA未来发展方向
以FPGA、CPLD为代表的现场可编程逻辑电路的主要发展方向是： ①为了迎接系统级芯片时代，向着密度更高、速度更快、频带更宽的数百万门超大规模的方向发展。
②为了方便用户设计和特殊功能的应用，向着嵌入通用或者标准功能模块方向发展。
③为了适应全球环保潮流，向着低压、低功耗的绿色元件方向发展。 同时，模拟可编程阵列、数/模混合可编程阵列，动态可重构阵列器件等新概念的设计也正在涌现。归纳起来有以下几点：
IP库的发展及应用。为了更好地满足设计人员的需求，也为了扩大市场，各大现场可编程逻辑器件厂商都在不断地扩充其知识产权(IP)库内核，这些内核库都有预先定义的、经过测试和验证的、优化的和可保证正确的功能。设计人员可以利用这些现成的IP库资源，高效率准确地完成复杂的片上系统的设计。典型的IP内核库有Altera公司提供的Logic CORE和Alliance CORE[4]。 3.1.2.2 现场集成的设计工具及IP库资源
用于数字系统现场集成的EDA工具，主要包括设计输入(Design Entry)，设计
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