基于FPGA的无刷直流电动机驱动控制系统的研究

论文摘要

不可再生资源石油的枯竭、城市中汽车尾气的排放对环境污染的加剧,迫使人们寻找更为绿色环保的出行方式,电动自行车作为一种新型的交通工具应运而生,它具有环保节能等优点,成为人们出行的首选。无刷直流电动机具有结构简单、运行可靠、噪音低等特点,因此成为电动自行车电机的首选。本课题以电动自行车的驱动控制系统作为研究对象,以FPGA作为主控制核,对其进行了研究剖析。首先,本文简单介绍了电动自行车的整车构成,以及无刷直流电动机控制器、FPGA技术的发展趋势。其次,通过对无刷直流电动机的结构以及电动机的驱动系统进行了分析和研究,主要从无刷直流电动机的基本构成、工作原理、霍尔传感器等方面作了深入的研究,确定了全桥驱动的联接方式,最后介绍了PWM调制原理。再次,由于本文是以FPGA作为主控制核心的,因此从芯片结构、特点及应用三个方面了解FPGA技术。EP2C5T144C8是本文的核心控制器,本文给出了它相应的参数。然后从软件、硬件两方面对驱动系统进行了设计。硬件方面,外围电路主要包括电源模块、AD转换模块及大灯、喇叭模块；驱动模块包括功率开关模块、保护模块、相位检测模块等等。软件设计方面,包括FPGA设计流程,重点介绍了PWM产生模块。最后通过对软硬件的调试与仿真,验证了系统的基本功能可以实现。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景和研究意义
• 1.2 电动自行车概述
• 1.2.1 电动自行车整车概述
• 1.2.2 电动自行车的组成部分
• 1.2.3 电动自行车的四大部件及相互作用关系
• 1.2.4 电动自行车的特点及发展前景
• 1.3 无刷直流电动机及控制器的发展情况
• 1.3.1 无刷直流电动机的现状
• 1.3.2 无刷直流电动机控制器的发展
• 1.4 FPGA技术的发展
• 1.5 本课题的研究工作
• 第二章 无刷直流电动机原理及控制系统分析
• 2.1 无刷直流电动机的构造与原理
• 2.1.1 无刷直流电动机的基本结构
• 2.1.2 无刷直流电动机的工作原理
• 2.2 霍尔传感器
• 2.3 无刷直流电动机的驱动原理分析
• 2.4 PWM调速原理
• 第三章 FPGA技术
• 3.1 FPGA的基本结构
• 3.1.1 FPGA芯片基本结构
• 3.1.2 FPGA的特点及应用
• 3.2 EP2C5介绍
• 第四章 无刷直流电动机的硬件设计
• 4.1 控制电路模块组成
• 4.1.1 电源电路模块
• 4.1.2 AD转换模
• 4.1.3 喇叭和大灯模块
• 4.2 驱动电路模块组成
• 4.2.1 功率开关驱动模块
• 4.2.2 相位检测电路模块（电平转换）
• 4.2.3 保护电路模块（欠压、过流保护）
• 第五章 无刷直流电动机的软件设计
• 5.1 FPGA软件开发概述
• 5.1.1 FPGA基本设计流程
• 5.1.2 硬件描述语言Verilog HDL
• 5.1.3 硬件开发工具QuartusⅡ
• 5.2 驱动控制系统主要模块设计
• 5.2.1 驱动控制系统的主要工作原理
• 5.2.2 PWM调制信号的产生
• 第六章 系统的调试与仿真分析
• 6.1 硬件部分基本调试
• 6.1.1 系统硬件部分的调试分析
• 6.1.2 控制器常见故障
• 6.2 软件部分的调试分析
• 6.3 实验结果与分析
• 第七章 总结与展望
• 7.1 本文总结
• 7.2 工作建议
• 附录
• 附录一 驱动电路图
• 附录二 驱动控制系统调试图
• 附录三 电动自行车实物图
• 参考文献
• 致谢