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1、摘 要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 ABSTRACTThis article narrated the tachometric survey principle and
2、 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 systems principle of work and the sp
3、eed 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,
4、 in QuartusDevelops 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目 录第一章 绪论11
5、. 1转速测量系统的发展11. 2转速测量在国民经济中的应用11. 3课题研究目的和意义2第二章 FPGA技术介绍42.1 FPGA概述及特点42.2 FPGA设计语言介绍52.3 Quartus II介绍7第三章 基于FPGA的转速测量原理93.1 转速测量原理93.2 转速测量方法93. 3 测量系统的构成113.3.1 转速信号采集123.3.2 整形电路123.3.3 FPGA133.3.4 显示电路13第四章 等精度测速原理144.1 等精度测频原理及误差分析144.2 基本性能指标17第五章 硬件电路设计185.1 FPGA电路设计185.1.1 光电传感器185.1.2 整形电路
6、185.1.3 EPlC6Q240C8N芯片介绍195.2 FPGA测频主系统195.3 专用模块测试控制信号说明205.4 液晶显示介绍21第六章 软件设计226.1 FPGA功能模块226.1.1 测频/测周期的实现226.1.2 计数模块设计236.1.3 控制模块设计236.1.4 脉宽宽度测量和占空比测量模块设计246.2 FPGA整体仿真25结论26参考文献27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
7、。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
8、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
9、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10004000Hz，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，
10、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
11、，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
12、：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
13、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。2.1 FPGA概述及特点FPGA是英文Fie
14、ld 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A
15、SIC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IO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，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA的使用非常灵活。FPGA有多种配置模式：并行主模式为一片FPGA加一片EPROM的方式；主从模式可以支持一片PROM编程多片FPGA；串行模式可以采用串行PROM编程FPGA；外设模
