基于FPGA的转速测量系统方案设计书

本文叙述了转速测量的原理及转速测量的几种常用方法，分析了各种方法在测量上 的原理和特性，设计出一种基于 FPGA 的等精度测速系统。详细阐述了等精度测速系统 的工作原理和速度采集方法，并进行了方案论证和误差分析。硬件系统主要由脉冲信号 产生、脉冲信号处理和显示模块组成。软件部分采用 VHDL 语言实现各功能模块设计， 在Quartus n开发平台上进行仿真、测试。 结果证实该方法具有电路简单、速度快、精度高、稳定性好等优点。具有一定的应 用价值。 关键词：转速测量 等精度 FPGA ABSTRACT This article narrated the tachometric survey principle and tachometric survey several commonly used methods, has analyzed each method in the survey principle and the characteristic, designs one kind based on FPGA and so on precisions to measure the fast system. Elaborated in detail and so on precisions measured the fast system's principle of work and the speed gathering method, and has carried on the project concept demonstration and the error analysis. The hardware system mainly has, signal impulse processing and the display module by the signal impulse is composed. The software part uses the VHDL language to realize various functional module design, in Quartusn Develops in the platform to carry on the simulation. The result confirmed that this method has the electric circuit to be simple, the speed is quick, the precision is high, stability good and so on merits. Has certain application value. Key words: Speed Measurement Precision FPGA 第一章 绪论 0 1. 1 转速测量系统的发展 0 1. 2 转速测量在国民经济中的应用 0 1. 3 课题研究目的和意义 1 第二章 FPGA 技术介绍 1 2.1 FPGA 概述及特点 1 2.2 FPGA 设计语言介绍 3 2.3 Quartus II 介绍 4 第三章 基于 FPGA 的转速测量原理 6 3.1 转速测量原理 6 3.2 转速测量方法 6 3. 3 测量系统的构成 8 6.1.1 转速信号采集 9 6.1.2 整形电路 9 6.1.3 FPGA 9 6.1.4 显示电路 10 第四章 等精度测速原理 10 (4) 等精度测频原理及误差分析 11 (4) 基本性能指标 13 第五章 硬件电路设计 14 [7] FPGA 电路设计 14 (3) 光电传感器 14 (4) 整形电路 15 (5) EPlC6Q240C8N 芯片介绍 15 5.2 FPGA 测频主系统 16 专用模块测试控制信号说明 17 液晶显示介绍 17 第六章 软件设计 19 FPGA 功能模块 19 测频 /测周期的实现 20 计数模块设计 20 控制模块设计 20 脉宽宽度测量和占空比测量模块设计 21 FPGA 整体仿真 22 结论 22 参考文献 23 第一章 绪论 1. 1 转速测量系统的发展 目前国内外测量电机转速的方法很多，按照不同的理论方法，先后产生过模拟测速 法（如离心式转速表、用电机转矩或者电机电枢电动势计算所得）、同步测速法（如机 械式或闪光式频闪测速仪）以及计数测速法。计数测速法又可分为机械式定时计数法和 电子式定时计数法。传统的电机转速检测多采用测速发电机或光电数字脉冲编码器，也 有采用电磁式（利用电磁感应原理或可变磁阻的霍尔元件等）、电容式（对高频振荡进 行幅值调制或频率调制）等，还有一些特殊的测速器是利用置于旋转体内的放射性材料 来发生脉冲信号。其中应用最广的是光电式，光电式测速系统具有低惯性、低噪声、高 分辨率和高精度的优点。加之激光光源、光栅、光学码盘、 CCD 器件、光导纤维等的相 继出现和成功应用，使得光电传感器在检测和控制领域等到了广泛的应用。而采用光电 传感器的电机转速测量系统具有测量准确高、采样速度快、测量范围宽和测量精度与被 测转速无关等优点，具有广阔的应用的前景 [1] 。 1. 2 转速测量在国民经济中的应用 转速测量的应用系统在工业生产、科技教育、民用电器等各领域的应用极为广泛，往往 成为某一产品或控制系统的核心部分，其各种参数在不同的应用中有其侧重，但转速测量 系统作为普遍的应用在国民经济发展中，有重要的意义。下面列举二例加以说明。 （1） 转速测量在调速系统中的应用 直流电机具有良好的起、制动性能，易于在宽广范围内平滑调速，所以长期以来在要 求调速指标较高的场合获得了广泛应用。随着电力电子技术和控制技术的发展，交流调速 系统日趋完善，其性能可与直流调速系统相媲美，其变频调速的应用范围日益扩大，但它 的控制技术相对复杂，整个控制系统造价较高，在某些领域短时间内还难以取代直流调速 系统，调速系统便应运而生了。调速系统主电路线路简单，所用的功率元件少；开关频率 高，可达到1000〜4000Hz，电流易连续，谐波少，脉动小，电机损耗和发热都较小；低速 性能好，稳态精度高，因而调速范围宽；调速系统频带宽，快速响应性能好，动态抗扰能 力强；主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率高；直流电源采用三相整流 时，电网功率因数高，可广泛用于交通、工矿企业等电力传动系统中。 （2） 变 M/T 法在风力发电机并网控制中的应用 发电机叶轮吸收的功率，一部分用来克服叶轮旋转的阻力矩，其余部分转变为电能。 叶轮通过硬质齿面增速齿轮箱带动 4极 200kW 异步发电机。主叶轮转速达到 40rpm 时，发 电机转速达到同步转速，应并入电网发电，发电机转速低于同步转速时应脱离电网。对合 闸时具有大电流冲击特性的异步发电机来说，除采用软切入并网技术外，还应满足在同步 转速点切入的严格要求。自然界的风速风向变化是难以预测的随机变量，加上叶轮转动时 的巨大惯量和强电磁干扰。因此，风力发电机的安全并脱电网是风机控制的关键技术。自 动并脱电网的主要根据是发电机的实时转速，采用准确、快速的转速测量方法尤为重要。 用变M/T法测速，以4个转速计数脉冲（m1=4）为一个测算周期。在风力发电机并入电网控 制中，变 M/T法能够较好地满足并网对发电机转速的精度要求。同时，随着电机转速不断 的提高，4个转速脉冲之间的时间总和相应减少，测算周期也相也就是应缩短，这也正好 满足发电机并网时对转速测量快速性的要求。有效地防止了在高风速起动时，风机因超过 并网而飞车造成的并网失败 [2]。 1.3课题研究目的和意义 转速是工程中应用非常广泛的一个参数，其测量方法较多，而模拟量的采集和模拟 处理一直是转速测量的主要方法，这种测量方法已不能适应现代科技发展的要求，在测 量范围和测量精度上，已不能满足大多数系统的使用。随着大规模及超大规模集成电路 技术的发展，数字系统测量得到普遍应用，特别是 FPGA对脉冲数字信号的强大处理能 力，使得全数字测量系统越来越普及，其转速测量系统也可以用全数字化处理。在测量 范围和测量精度方面都有极大的提高。因此，本课题的目的是：对各种测量转速的基本 方法予以分析，针对不同的应用环境，利用 FPGA设计一种等精度测速系统，从提高测 量精度的角度出发，分析讨论其产生误差的可能原因，为今后的实际使用提供借鉴。并 从实际硬件电路出发，分析电路工作原理和软件流程，根据仿真情况提出修改方案和解 决办法。 课题以FPGA为中心，设计的等精度测量转速系统，在工业控制和民用电器中都有 较高使用价值。其可以应用于工业控制中的某一部分，如数控车床的电机转速检测和控 制、水泵流量控制以及需要利用转速检测来进行控制的许多场合。如车辆的里程表、车 速表等。其次该转速测量系统由于采用全数字化结构，因而可以很方便的和工业控制计 算机进行连接，实行远程管理和控制，进一步提高现代化水平。并且，几乎不需做很大 改变直接就能作为单独的使用产品。总之，转速测量系统的研究是一件非常有意义的课 题。 本文基于FPGA设计的转速测量系统，主要分为 6章。第1章绪论介绍了转速测量 系统的发展及应用、本文的研究目的和意义；第 2章主要讲述了 FPGA技术与VHDL语 言设计应用的相关介绍；第 3章为转速测量原理及方法；第 4章为等精度测量原理介 绍；第5章为硬件结构；第 6章为主体模块设计及波形仿真，最后是结论。 第二章FPGA技术介绍 FPGA技术采用 VHDL硬件描述语言作为设计输入，内部有强大的库支持，在电子 设计的各个阶段、各个层次通过模拟仿真验证。 FPGA概述及特点 FPGA是英文Field Programmable Gate Array的缩写，即现场可编程门阵列，它是在 PAL 、GAL 、EPLD 等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路 （ASIC ）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有 可编程器件门电路数有限的缺点。 FPGA 采用了逻辑单元阵列 LCA （Logic Cell Array ）这样一个新概念，内部包括可配 置逻辑模块 CLB （ Configurable Logic Block ）、输出输入模块 IOB （Input Output Block ）和 内部连线（ Interconnect ）三个部分。 FPGA 的基本特点主要有： （ 1）采用 FPGA 设计 ASIC 电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 （ 2）FPGA 可做其它全定制或半定制 ASIC 电路的中试样片。 （3）FPGA 内部有丰富的触发器和 I／O 引脚。 （ 4）FPGA 是 ASIC 电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。 （5）FPGA 采用高速 CHMOS 工艺，功耗低，可以与 CMOS 、TTL 电平兼容。可以说， FPGA 芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。目前 FPGA 的品种很 多，有 XILINX 的 XC 系列、 TI 公司的 TPC 系列、 ALTERA 公司的 FLEX 系列等。 FPGA 是由存放在片内 RAM 中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内 的 RAM 进行编程。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时， FPGA 芯片将 EPROM 中数据读入片内编程 RAM 中，配置完成后， FPGA 进入工作状态。掉电 后， FPGA 恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此， FPGA 能够反复使用。 FPGA 的编程无 须专用的 FPGA 编程器，只须用通