高速SR电机专用集成电路研究及其试验平台研制

论文摘要

开关磁阻电机(SRM)因具有结构简单坚固、容错性好、成本低以及高速适用性等特点,已经被广泛应用于航空、航天以及高速离心机等高速、高可靠性的场合。由于开关磁阻电机工作在同步状态,转子位置信号是各相开关器件进行正确逻辑切换的依据,无论采用何种控制方式都要对转子位置信号处理和角度的实时计算;而开关磁阻电机高速运行时,转子位置信号频率高,位置信号处理和角度解算占用了DSP或者单片机大部分的内部资源,导致DSP或者单片机中的复杂控制算法难以实时实现,从而影响开关磁阻电机正常、平稳和高效的运行。针对这一问题,本文研制了基于FPGA的开关磁阻电机实验平台,并对用之取代FPGA功能的开关磁阻电机专用集成芯片进行了研究。本文完成的主要工作如下:(1)设计了基于FPGA的开关磁阻电机控制平台的所有的硬件电路,制作了电路板,在此基础上,焊接调试了实验平台的电路板。(2)深入学习了Verilog HDL硬件描述语言,掌握了其调试软件的使用方法。(3)采用Verilog HDL硬件描述语言编写和调试了FPGA中的位置信号处理和角度解算、SPI通讯以及信号综合的程序,并运用此程序代码进行了开关磁阻电机专用集成芯片的设计以及版图的制作。(4)给出了Verilog HDL算法的逻辑功能验证的实验波形和6/2电机采用新的控制器在高速运行时的实验波形。实验结果表明Verilog HDL算法所实现的逻辑功能以及计算速度完全达到预期的要求,从而为开关磁阻电机集成芯片成功设计提供了保障。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 开关磁阻电机的研究现状
• 1.3 本文研究的依据及方法
• 1.4 本文研究的意义
• 1.5 本文研究的主要内容
• 第二章 开关磁阻电机调速系统的基本工作原理
• 2.1 开关磁阻电机调速系统的组成
• 2.1.1 开关磁阻电机
• 2.1.2 功率变换器
• 2.1.3 控制器
• 2.1.4 位置检测器
• 2.1.5 电流检测器
• 2.2 开关磁阻电机的工作原理简述
• 2.3 开关磁阻电机调速系统的优点
• 2.4 小结
• 第三章 基于 FPGA 的开关磁阻电机控制平台的硬件设计
• 3.1 控制平台的总体框图及其主要部分的功能
• 3.1.1 控制平台的总体框图
• 3.1.2 控制平台主要部分的组成及其功能
• 3.2 功率板块的硬件设计
• 3.2.1 功率器件的选取及其驱动电路的设计
• 3.2.2 辅助电源的设计
• 3.3 控制板块的硬件设计
• 3.3.1 串行通讯电路的设计
• 3.3.2 斩波限的产生以及斩波电路的设计
• 3.3.3 电流采样及预处理
• 3.3.4 过流保护电路
• 3.4 FPGA 板块的硬件设计
• 3.4.1 FPGA 选型
• 3.4.2 FPGA 的配置芯片
• 3.4.3 电压转换芯片
• 3.5 小结
• 第四章 基于 FPGA 的开关磁阻电机控制平台的软件设计
• 4.1 控制平台的软件组成
• 4.2 单片机MSP430F147 的软件设计
• 4.2.1 上位机界面编程
• 4.2.2 MSP430F147 的串行通讯（同步和异步）编程
• 4.3 FPGA 的软件设计
• 4.3.1 位置信号的处理和角度解算模块
• 4.3.2 SPI 通讯模块
• 4.3.3 信号综合模块
• 4.4 小结
• 第五章 开关磁阻电机专用集成芯片的研究
• 5.1 集成电路的设计简介
• 5.1.1 集成电路的定义
• 5.1.2 集成电路的分类
• 5.1.3 集成电路设计路线
• 5.1.4 集成电路自顶向下的设计步骤
• 5.1.5 集成电路设计方法
• 5.1.6 集成电路设计软件
• 5.2 开关磁阻电机专用集成芯片的设计要求及设计思路
• 5.2.1 开关磁阻电机专用集成芯片的设计要求
• 5.2.2 开关磁阻电机专用集成芯片的设计思路
• 5.2.3 开关磁阻电机专用集成芯片的HDL 代码设计
• 5.3 VERILOG HDL 代码 FPGA 中的逻辑综合与仿真验证
• 5.3.1 Verilog HDL 代码在Quartus 软件综合后仿真结果
• 5.3.2 Verilog HDL 代码在FPGA 平台上实验
• 5.4 VERILOG HDL 代码基于标准单元库 ASIC 的逻辑综合与仿真
• 5.4.1 基于SE 的ASIC 芯片的设计流程
• 5.4.2 Synopsys Design Compiler 综合工具综合
• 5.4.3 综合后的门级电路仿真
• 5.5 开关磁阻电机专用集成芯片版图设计
• 5.5.1 版图定义概述
• 5.5.2 版图自动布局布线设计流程
• 5.5.3 电路版图的后仿真
• 5.5.4 电路版图的DRC、ERC&LVS 检查
• 5.5.5 SR 电机专用集成芯片版图文件
• 5.6 小结
• 第六章 实验结果与分析
• 6.1 系统原理样机及实验平台
• 6.2 FPGA 中模块逻辑功能验证实验
• 6.2.1 转速计算模块以及SPI 通讯模块验证实验
• 6.2.2 直接位置信号输出实验
• 6.2.3 角度计算输出实验
• 6.2.4 手动输出控制实验
• 6.2.5 两步换向延时实验
• 6.2.6 电流斩波实验
• 6.3 6/2 电机FPGA 平台高速实验
• 6.4 FPGA 平台实现SR 电机最高转速实验
• 6.5 小结
• 总结与展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表论文