长沙理工大学毕业设计(共46页).doc

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1、精选优质文档-倾情为你奉上基于PWM调节方式的驾培车用直流电机控制器调速系统设计 摘要 本设计介绍用Altetera公司的MAX7000系列的EPM7128S实现对直流电机的高精度、宽范围的调速控制方案。本系统的控制对象是驾培车用直流电动机，运用VHDL硬件描述语言实现各个模块的功能，从而实现系统对电机的测速、调速、控制功能。系统的测速硬件是利用光电式码盘这种非接触光电传感器。系统调速控制是利用调速控制系统来完成。系统的仿真是在MAXPLUSH软件中完成， 采用VHDL硬件描述语言进行软件程序的编辑。本次设计给出了详细的电路原理图及软件设计。基于CPLD直流电动机控制系统大大简化了控制电路。关

2、键词：PWM；驾培车；无刷直流电动机；MAX+PLUSH II；M/T法；CPLDADJUSTING THE DRIVER TRAINING BASED ON PWM DC MOTOR CONTROLLER SPEED VEHICLE DESIGNABSTRACTThis design introduces the MAX7000 series with Altetera companys EPM7128S achieve high precision DC motor, a wide range of speed control program.The system of control o

3、bject is the direct current motor vehicle driver training, the use of VHDL hardware description language functions of each module, enabling the system to the motor speed, speed, control.System is the use of photoelectric speed hardware encoder such non-contact photoelectric sensor.Speed control syst

4、em is the use of Speed Control System to complete.System simulation is completed in MAXPLUSH software, using VHDL hardware description language software program for editing.This design gives a detailed circuit diagram and software design.CPLD-based DC motor control system greatly simplifies the cont

5、rol circuit.Key words： PWM; Brushless DC Motor; MAX+PLUS II; M / T method; CPLD目录专心-专注-专业第一章 绪论1.1 前言1.1.1 直流无刷电机的发展直流无刷电机是在直流有刷电机的基础上发展起来的。由于直流有刷电机的换向器和电刷在电机高速运行时容易产生火花，引起火灾、爆炸等事故，因此许多环境限制了直流有刷电机的应用。随着科学技术的发展，开关型晶体管的研制成功，为直流电机的发展带来生机。经过不断的研究和实践，人们终于找到了用位置传感器和电子换向线路来替代有刷电机的机械换向装置。六十年代初出现了用霍尔元件传感器的直流

6、无刷电机，七十年代初出现了比霍尔元件传感器灵敏度高许多倍的磁敏二极管1换流的直流无刷电机。随着人们的不断努力，又发现了不用位置传感器而依靠电机绕组在运转时产生的反电势来获得位置信号的直流无刷电机称为反电势无刷直流电机或直流无刷无位置传感器电机。 由于直流无刷电机具有没有换向火花，抗干扰性强，运行可靠，维护简便，使用寿命长等优点，使其得以广泛应用于家庭、办公、工业、军事、航空航天等领域。1.1.2 直流无刷电机的运行原理电动机内部结构分定子和转子两部分。有刷直流电机的工作原理是直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组，产生电枢电流，电枢电流与主磁场相互作用产生转矩，带动负载。然而由于电刷和换向

7、器的存在，结果产生了一系列致命的弱点2：（1）、结构复杂，可靠性差，故障多，需要维护，维护又困难，寿命短。（2）、换向火花形成电磁干扰。无刷直流电动机就是在保留有刷直流电动机的优良性能的基础上，为去除电刷和换向器而研究开发的。由于无刷直流电动机没有电刷和换向器，它的绕组里电流的通、断是通过电子换向电路及功率放大器实现的。要在电动机中产生恒定方向的电磁转矩，就应使电枢电流随磁场位置的变化而变化。为实现这一点，由位置传感器将转子磁极3的位置信号转换成电信号，然后去驱动功率器件，控制相应绕组电流的通、断。与有刷直流电动机不同，无刷直流电动机的永久磁钢磁极安放在转子上，而电枢绕组安装在定子上。位置传感

8、器也有相应的两部分，转动部分和电动机本体中转子同轴连接（转动部分通常有电机转子代替），固定部分与定子相连。图1.1 无刷直线电动机原理如图1.1所示，在电动机装配过程中，首先调整好位置传感器的三个信号元件(a、b、。)与电机定子三相绕组(AX，BY，CZ)之间的相对位置，使得转子磁场转到定子某相绕组下时，该相绕组才导通，以保证转子磁极下的绕组导体电流方向始终保持一致。图1中，当电动机转子N极位于A(a)处，则传感器a元件感应出信号，使功率晶体管V1导通，A相绕组中便有电流通过，设其方向为A(流入)、X(流出)，便产生水平向左的定子磁场，与向上的转子磁场相互作用而产生电磁转矩，驱动转子逆时针旋转

9、;当N极旋转至B(b)处，b元件输出信号使晶体管V2导通而其余关断，B相绕组通过电流，同样产生逆时针方向的电磁转矩，当磁极旋转至C(c)处，其动作过程与前两处相同。如此反复循环，电动机即可旋转起来。由于传感器元件安装位置为空间互差120电角度，因此三相绕组轮流通电时间也因为每相120。因为功率晶体管的导通和截止是通过位置传感器传感信号来控制的，所以传感器的位置和三相绕组位置之间必须有严格的对应，在电机安装时应加以注意。三相定子绕组采用Y型连结，逆变器4为两两通电方式，通电后能形成旋转磁动势，在这个磁动势的作用下，转子也会随之旋转，如果使开关管反复按上述规律导通，即可使转子持续旋转下去，且定子磁

10、动势总是超前于转子磁极轴线角度60一120度之间。其各相绕组导通示意图如图1.2所示图1.2 各组绕组导通示意图由上述的分析可见，要使直流无刷电动机正确的换相运行，必须知道图1.3所示的六个转子关键位置5，六个转子关键位置即对应着直流无刷电动机的反电动势的过零点后的360(电角度)处。如果是有位置传感器直流无刷电动机，则可以通过传感器来直接获得转子的六个转子关键位置的信息，如果是无位置传感器无刷直流电动机，则需要通过直流无刷电动机的三相定子绕组的反电势直接或间接获得转子的位置信息。1.1.3 直流无刷电机的结构图1.4是直流无刷电机内部结构的简化示意图。我们以此来介绍无刷电机内部的结构。一台直

11、流无刷电机由一个永磁转子与多极定子绕组组成。在永磁转子与定子绕组间存在由定子绕组所激发的磁场6，它对永磁转子产生磁力矩。电能就是由于这个力矩的推动转子运动而转化为机械能的。为实现顺时针的转子运动，应该在图1.4中电流过程2结束时进行电流的交换，启动电流过程3。对标号为1到6的6个可能的电流过程顺序交换，每次交换都精确地在正确的时刻进行，一周下来可以驱动转子转动360度电气角度7。图1.3 直流无刷电机内部结构简化示意图简化的电机结构图1.3中，电气角一周就是机械角度一周。在实际的应用中，直流无刷电机有多组定子绕组，相互并行，转子也是多极的。如果有两组这样电路，机械转动一周电角度转动2周，所以双

12、绕组电机中，每次电流交换经历的机械转动角度是30度。下面讨论均用电角度，应注意与机械角度区别。直流电机具有良好线性机械特性，控制相对简单。直流无刷电机调速和启动特性好，堵转转矩大，同时它也具有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等特点;由于解决了换向问题，它的转矩不再受机械换向的限制。完整的无刷电机系统有电动机、转子位置传感器和电子开关线路三部分组成。转子位置传感器可分为电磁式(电磁位置变压器)、光电式和磁敏式，电磁式体积较大，得到的是交流高频信号;光电式得到的是直流信号，稳定可靠，信号较弱;磁敏式元件体积小重量轻。磁敏式元件有霍耳元件8、磁敏二极管和磁敏电阻等。其中，霍耳元件体积小重量轻，

13、结构原理简单。由于电动自行车体积小，且转子采用稀土永磁钢，故电机内一般采用霍耳元件作为位置传感器。1.2 EDA1.2.1 什么是EDAEDA是电子设计自动化（Electronic Design Automation）的缩写，在20世纪60年代中期从计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助制造（CAM）、计算机辅助测试（CAT）和计算机辅助工程（CAE）的概念发展而来的。 20世纪90年代，国际上电子和计算机技术较先进的国家，一直在积极探索新的电子电路设计方法，并在设计方法、工具等方面进行了彻底的变革，取得了巨大成功。在电子技术设计领域，可编程逻辑器件（如、）的应用，已得到广泛的普及，这些器件为数

14、字系统的设计带来了极大的灵活性。这些器件可以通过软件编程而对其硬件结构和工作方式进行重构，从而使得硬件的设计可以如同软件设计那样方便快捷。这一切极大地改变了传统的数字系统设计方法、设计过程和设计观念，促进了EDA技术的迅速发展。 EDA技术9就是以计算机为工具，设计者在EDA软件平台上，用硬件描述语言HDL完成设计文件，然后由计算机自动地完成逻辑编译、化简、分割、综合、优化、布局、布线和仿真，直至对于特定目标芯片的适配编译、逻辑映射和编程下载等工作。EDA技术的出现，极大地提高了电路设计的效率和可操作性，减轻了设计者的劳动强度。 利用EDA工具，电子设计师可以从概念、算法、协议等开始设计电子系

15、统，大量工作可以通过计算机完成，并可以将电子产品从电路设计、性能分析到设计出IC版图或PCB版图的整个过程的计算机上自动处理完成。 现在对EDA的概念或范畴用得很宽。包括在机械、电子、通信、航空航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA的应用。目前EDA技术已在各大公司、企事业单位和科研教学部门广泛使用。例如在飞机制造过程中，从设计、性能测试及特性分析直到飞行模拟，都可能涉及到EDA技术。本文用到的EDA技术，主要针对电子电路设计、PCB设计和IC设计。EDA常用设计方法 (1) 前端设计(系统建模RTL 级描述)后端设计(FPGAASIC)系统建模 (2) IP 复用 (3)

16、前端设计 (4) 系统描述：建立系统的数学模型。 (5) 功能描述：描述系统的行为或各子模块之间的数据流图。 (6) 逻辑设计：将系统功能结构化，通常以文本、原理图、逻辑图、布尔表达式来表示设计结果。 (7) 仿真：包括功能仿真和时序仿真，主要验证系统功能的正确性及时序特性。1.2.2 EDA大致分类 EDA工具软件可大致可分为芯片设计辅助软件、可编程芯片辅助设计软件、系统设计辅助软件等三类。 目前进入我国并具有广泛影响的EDA软件是系统设计软件辅助类和可编程芯片辅助设计软件：Protel、PSPICE、multiSIM10(原EWB的最新版本)、OrCAD、PCAD、LSIIogic、Mic

17、roSim，ISE，modelsim等等。这些工具都有较强的功能，一般可用于几个方面，例如很多软件都可以进行电路设计与仿真，同进还可以进行PCB自动布局布线，可输出多种网表文件与第三方软件接口。1.2.2.1 电子电路设计与仿真工具电子电路设计与仿真工具包括SPICE/PSPICE；multiSIM7；Matlab；SystemView；MMICAD LiveWire、Edison、Tina Pro Bright Spark等。其中经常用到的主要有SPICE/PSPICE；multiSIM7；Matlab等等。（1） SPICE（Simulation Program with Integrat

18、ed Circuit Emphasis）：是由美国加州大学推出的电路分析仿真软件，是20世纪80年代世界上应用最广的电路设计软件，1998年被定为美国国家标准。1984年，美国MicroSim公司推出了基于SPICE的微机版PSPICE（Personal-SPICE）。现在用得较多的是PSPICE6.2，可以说在同类产品中，它是功能最为强大的模拟和数字电路混合仿真EDA软件，在国内普遍使用。最新推出了PSPICE9.1版本。它可以进行各种各样的电路仿真、激励建立、温度与噪声分析、模拟控制、波形输出、数据输出、并在同一窗口内同时显示模拟与数字的仿真结果。无论对哪种器件哪些电路进行仿真，都可以得到

19、精确的仿真结果，并可以自行建立元器件及元器件库。（2） multiSIM（EWB的最新版本）软件：是Interactive Image Technologies Ltd在20世纪末推出的电路仿真软件。其最新版本为multiSIM7，目前普遍使用的是multiSIM2001，相对于其它EDA软件，它具有更加形象直观的人机交互界面，特别是其仪器仪表库中的各仪器仪表与操作真实实验中的实际仪器仪表完全没有两样，但它对模数电路的混合仿真功能却毫不逊色，几乎能够100%地仿真出真实电路的结果，并且它在仪器仪表库中还提供了万用表、信号发生器、瓦特表、双踪示波器（对于multiSIM7还具有四踪示波器）、波特

20、仪（相当实际中的扫频仪）、字信号发生器、逻辑分析仪、逻辑转换仪、失真度分析仪、频谱分析仪、网络分析仪和电压表及电流表等仪器仪表。还提供了我们日常常见的各种建模精确的元器件，比如电阻、电容、电感、三极管、二极管、继电器、可控硅、数码管等等。模拟集成电路方面有各种运算放大器、其他常用集成电路。数字电路方面有74系列集成电路、4000系列集成电路、等等还支持自制元器件。MultiSIM7还具有I-V分析仪（相当于真实环境中的晶体管特性图示仪）和Agilent信号发生器、Agilent万用表、Agilent示波器和动态逻辑平笔等10。同时它还能进行VHDL仿真和Verilog HDL仿真。（3） MA

21、TLAB产品族：它们的一大特性是有众多的面向具体应用的工具箱和仿真块，包含了完整的函数集用来对图像信号处理、控制系统设计、神经网络等特殊应用进行分析和设计。它具有数据采集、报告生成和MATLAB语言编程产生独立C/C+代码等功能。MATLAB产品族具有下列功能：数据分析；数值和符号计算、工程与科学绘图；控制系统设计；数字图像信号处理；财务工程；建模、仿真、原型开发；应用开发；图形用户界面设计等。MATLAB产品族被广泛应用于信号与图像处理、控制系统设计、通讯系统仿真等诸多领域。开放式的结构使MATLAB产品族很容易针对特定的需求进行扩充，从而在不断深化对问题的认识同时，提高自身的竞争力。1.2

22、.2.2 PCB设计软件PCB（Printed-Circuit Board）设计软件种类很多，如Protel、OrCAD、Viewlogic、PowerPCB、Cadence PSD、MentorGraphices的Expedition PCB、Zuken CadStart、Winboard/Windraft/Ivex-SPICE、PCB Studio、TANGO、PCBWizard（与LiveWire配套的PCB11制作软件包）、ultiBOARD7（与multiSIM2001配套的PCB制作软件包）等等。目前在我国用得最多当属Protel，下面仅对此软件作一介绍。Protel是PROTEL

23、（现为Altium）公司在20世纪80年代末推出的CAD工具，是PCB设计者的首选软件。它较早在国内使用，普及率最高，在很多的大、中专院校的电路专业还专门开设Protel课程，几乎所在的电路公司都要用到它。早期的Protel主要作为印刷板自动布线工具使用，其最新版本为Protel DXP，现在普遍使用的是Protel99SE，它是个完整的全方位电路设计系统，包含了电原理图绘制、模拟电路与数字电路混合信号仿真、多层印刷电路板设计（包含印刷电路板自动布局布线），可编程逻辑器件设计、图表生成、电路表格生成、支持宏操作等功能，并具有Client/Server（客户/服务体系结构）， 同时还兼容一些其它

24、设计软件的文件格式，如ORCAD、PSPICE、EXCEL等。使用多层印制线路板的自动布线，可实现高密度PCB的100%布通率。Protel软件功能强大（同时具有电路仿真功能和PLD开发功能）、界面友好、使用方便，但它最具代表性的是电路设计和PCB设计。1.2.2.3 IC设计软件IC设计工具很多，其中按市场所占份额排行为Cadence、Mentor Graphics和Synopsys。这三家都是ASIC设计领域相当有名的软件供应商12。其它公司的软件相对来说使用者较少。中国华大公司也提供ASIC设计软件（熊猫2000）；另外近来出名的Avanti公司，是原来在Cadence的几个华人工程师创

25、立的，他们的设计工具可以全面和Cadence公司的工具相抗衡，非常适用于深亚微米的IC设计。下面按用途对IC设计软件作一些介绍。（1）设计输入工具这是任何一种EDA软件必须具备的基本功能。像Cadence的composer，viewlogic的viewdraw，硬件描述语言VHDL、Verilog HDL是主要设计语言，许多设计输入工具都支持HDL（比如说multiSIM等）。另外像Active-HDL和其它的设计输入方法，包括原理和状态机输入方法，设计FPGA/CPLD的工具大都可作为IC设计的输入手段，如Xilinx、Altera等公司提供的开发工具Modelsim FPGA等。（2）设计

26、仿真工作我们使用EDA工具的一个最大好处是可以验证设计是否正确，几乎每个公司的EDA产品都有仿真工具。Verilog-XL、NC-verilog用于Verilog仿真，Leapfrog用于VHDL仿真，Analog Artist用于模拟电路仿真。Viewlogic的仿真器有：viewsim门级电路仿真器，speedwaveVHDL仿真器，VCS-verilog仿真器。Mentor Graphics有其子公司Model Tech出品的VHDL和Verilog双仿真器：Model Sim。Cadence、Synopsys用的是VSS（VHDL仿真器）。现在的趋势是各大EDA公司都逐渐用HDL仿真器

27、作为电路验证的工具。（3）综合工具综合工具可以把HDL变成门级网表。这方面Synopsys工具占有较大的优势，它的Design Compile是作为一个综合的工业标准，它还有另外一个产品叫Behavior Compiler，可以提供更高级的综合。另外最近美国又出了一个软件叫Ambit，据说比Synopsys的软件更有效，可以综合50万门的电路，速度更快。今年初Ambit被Cadence公司收购，为此Cadence放弃了它原来的综合软件Synergy。随着FPGA设计的规模越来越大，各EDA公司又开发了用于FPGA设计的综合软件，比较有名的有：Synopsys的FPGA Express， Cad

28、ence的Synplity， Mentor的Leonardo，这三家的FPGA综合软件占了市场的绝大部分。（4）布局和布线在IC设计的布局布线工具中，Cadence软件是比较强的，它有很多产品，用于标准单元、门阵列已可实现交互布线。最有名的是Cadence spectra，它原来是用于PCB布线的，后来Cadence把它用来作IC的布线。其主要工具有：Cell3，Silicon Ensemble-标准单元布线器；Gate Ensemble-门阵列布线器；Design Planner-布局工具。其它各EDA软件开发公司也提供各自的布局布线工具。（5）物理验证工具物理验证工具包括版图设计工具、版图

29、验证工具、版图提取工具等等。这方面Cadence也是很强的，其Dracula、Virtuso、Vampire等物理工具有很多的使用者。（6）模拟电路仿真器前面讲的仿真器主要是针对数字电路的，对于模拟电路的仿真工具，普遍使用SPICE，这是唯一的选择。只不过是选择不同公司的SPICE，像MiceoSim的PSPICE、Meta Soft的HSPICE等等。HSPICE现在被Avanti公司收购了。在众多的SPICE中，HSPICE作为IC设计，其模型多，仿真的精度也高。1.2.2.4 PLD设计工具PLD（Programmable Logic Device）是一种由用户根据需要而自行构造逻辑功能

30、的数字集成电路。目前主要有两大类型：CPLD（Complex PLD）和FPGA(Field Programmable Gate Array)。它们的基本设计方法是借助于EDA软件，用原理图、状态机、布尔表达式、硬件描述语言等方法，生成相应的目标文件，最后用编程器或下载电缆，由目标器件实现。生产PLD的厂家很多，但最有代表性的PLD厂家为Altera、Xilinx和Lattice公司。PLD的开发工具13一般由器件生产厂家提供，但随着器件规模的不断增加，软件的复杂性也随之提高，目前由专门的软件公司与器件生产厂家使用，推出功能强大的设计软件。下面介绍主要器件生产厂家和开发工具。（1） ALTER

31、A：20世纪90年代以后发展很快。主要产品有：MAX3000/7000、FELX6K/10K、APEX20K、ACEX1K、Stratix等。其开发工具-MAX+PLUS II是较成功的PLD开发平台，最新又推出了Quartus II开发软件。Altera公司提供较多形式的设计输入手段，绑定第三方VHDL综合工具，如：综合软件FPGA Express、Leonard Spectrum，仿真软件ModelSim。（2） ILINX：FPGA的发明者。产品种类较全，主要有：XC9500/4000、Coolrunner(XPLA3)、Spartan、Vertex等系列，其最大的Vertex-II P

32、ro器件已达到800万门。开发软件为Foundation和ISE。通常来说，在欧洲用Xilinx的人多，在日本和亚太地区用ALTERA15的人多，在美国则是平分秋色。全球PLD/FPGA产品60%以上是由Altera和Xilinx提供的。可以讲Altera和Xilinx共同决定了PLD技术的发展方向。（3）Lattice-Vantis：Lattice是ISP（In-System Programmability）技术的发明者。ISP技术极大地促进了PLD产品的发展，与ALTERA和XILINX相比，其开发工具比Altera和Xilinx略逊一筹。中小规模PLD比较有特色，大规模PLD的竞争力还不

33、够强（Lattice没有基于查找表技术的大规模FPGA），1999年推出可编程模拟器件，1999年收购Vantis（原AMD子公司），成为第三大可编程逻辑器件供应商。2001年12月收购Agere公司（原Lucent微电子部）的FPGA部门。主要产品有ispLSI2000/5000/8000，MACH4/5。（4）ACTEL：反熔丝（一次性烧写）PLD的领导者。由于反熔丝PLD抗辐射、耐高低温、功耗低、速度快，所以在军品和宇航级上有较大优势。ALTERA和XILINX则一般不涉足军品和宇航级市场。（5）Quicklogic：专业PLD/FPGA公司，以一次性反熔丝工艺为主，在中国地区销售量不大

34、。（6）Lucent：主要特点是有不少用于通讯领域的专用IP核，但PLD/FPGA不是Lucent的主要业务，在中国地区使用的人很少。（7）ATMEL：中小规模PLD做得不错。ATMEL也做了一些与Altera和Xilinx兼容的片子，但在品质上与原厂家还是有一些差距，在高可靠性产品中使用较少，多用在低端产品上。（8）Clear Logic：生产与一些著名PLD/FPGA大公司兼容的芯片，这种芯片可将用户的设计一次性固化，不可编程，批量生产时的成本较低16。（9）WSI：生产PSD（单片机可编程外围芯片）产品。这是一种特殊的PLD，如最新的PSD8xx、PSD9xx集成了PLD、EPROM、F

35、lash，并支持ISP（在线编程），集成度高，主要用于配合单片机工作。PLD（可编程逻辑器件）是一种可以完全替代74系列及GAL、PLA的新型电路，只要有数字电路基础，会使用计算机，就可以进行PLD的开发。PLD的在线编程能力和强大的开发软件，使工程师可以几天，甚至几分钟内就可完成以往几周才能完成的工作，并可将数百万门的复杂设计集成在一颗芯片内。PLD技术在发达国家已成为电子工程师必备的技术17。1.2.2.5 其它EDA软件 其他常用的EDA软件（1）VHDL语言：超高速集成电路硬件描述语言（VHSIC Hardware Deseription Languagt，简称VHDL），是IEEE的

36、一项标准设计语言。它源于美国国防部提出的超高速集成电路（Very High Speed Integrated Circuit，简称VHSIC）计划，是ASIC设计和PLD设计的一种主要输入工具。（2）Veriolg HDL：是Verilog公司推出的硬件描述语言18，在ASIC设计方面与VHDL语言平分秋色。（3）其它EDA软件如专门用于微波电路设计和电力载波工具、PCB制作和工艺流程控制等领域的工具，在此就不作介绍了。1.3 EDA的应用EDA在教学、科研、产品设计与制造等各方面都发挥着巨大的作用。在教学方面，几乎所有理工科（特别是电子信息）类的高校都开设了EDA课程。主要是让学生了解EDA

37、的基本概念和基本原理、掌握用HDL语言编写规范、掌握逻辑综合的理论和算法、使用EDA工具进行电子电路课程的实验验证并从事简单系统的设计。一般学习电路仿真工具（如multiSIM、PSPICE）和PLD开发工具（如Altera/Xilinx的器件结构及开发系统），为今后工作打下基础。科研方面主要利用电路仿真工具（multiSIM或PSPICE）进行电路设计与仿真；利用虚拟仪器进行产品测试；将CPLD/FPGA器件实际应用到仪器设备中；从事PCB设计和ASIC设计等。在产品设计与制造方面，包括计算机仿真，产品开发中的EDA工具应用、系统级模拟及测试环境的仿真，生产流水线的EDA技术应用、产品测试等

38、各个环节。如PCB的制作、电子设备的研制与生产、电路板的焊接、ASIC的制作过程等。从应用领域来看，EDA技术已经渗透到各行各业，如上文所说，包括在机械、电子、通信、航空航航天、化工、矿产、生物、医学、军事等各个领域，都有EDA应用。另外，EDA软件的功能日益强大，原来功能比较单一的软件，现在增加了很多新用途。如AutoCAD软件可用于机械及建筑设计，也扩展到建筑装璜及各类效果图、汽车和飞机的模型、电影特技等领域。1.4 EDA技术的发展趋势从目前的EDA技术来看，其发展趋势是政府重视、使用普及、应用广泛、工具多样、软件功能强大。中国EDA市场已渐趋成熟，不过大部分设计工程师面向的是PCB制板

39、和小型ASIC领域19，仅有小部分（约11%）的设计人员开发复杂的片上系统器件。为了与台湾和美国的设计工程师形成更有力的竞争，中国的设计队伍有必要引进和学习一些最新的EDA技术。在信息通信领域，要优先发展高速宽带信息网、深亚微米集成电路、新型元器件、计算机及软件技术、第三代移动通信技术、信息管理、信息安全技术，积极开拓以数字技术、网络技术为基础的新一代信息产品，发展新兴产业，培育新的经济增长点。要大力推进制造业信息化，积极开展计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、计算机辅助工艺（CAPP）、计算机机辅助制造（CAM）、产品数据管理（PDM）、制造资源计划（MRPII）及企业资源管

40、理（ERP）等。有条件的企业可开展“网络制造”，便于合作设计、合作制造，参与国内和国际竞争。开展“数控化”工程和“数字化”工程。自动化仪表的技术发展趋势的测试技术、控制技术与计算机技术、通信技术进一步融合，形成测量、控制、通信与计算机（M3C）结构。在ASIC和PLD设计方面，向超高速、高密度、低功耗、低电压方面发展。外设技术与EDA工程相结合的市场前景看好，如组合超大屏幕的相关连接，多屏幕技术也有所发展。中国自1995年以来加速开发半导体产业，先后建立了几所设计中心，推动系列设计活动以应对亚太地区其它EDA市场的竞争。在EDA软件开发方面，目前主要集中在美国。但各国也正在努力开发相应的工具。

41、日本、韩国都有ASIC设计工具，但不对外开放。中国华大集成电路设计中心，也提供IC设计软件，但性能不是很强。相信在不久的将来会有更多更好的设计工具在各地开花并结果。据最新统计显示，中国和印度正在成为电子设计自动化领域发展最快的两个市场，年夏合增长率分别达到了50%和30%20。EDA技术发展迅猛，完全可以用日新月异来描述。EDA技术的应用广泛，现在已涉及到各行各业。EDA水平不断提高，设计工具趋于完美的地步。EDA市场日趋成熟，但我国的研发水平仍很有限，尚需迎头赶上。 第二章 设计原理2.1 速度测量原理要实现对电动机转速的准确控制，必须对电动机的转速进行实时检测，形成反馈控制。采用CPLD可

42、实现对电动机转速的精确测量。测量转速可通过测频来实现，常用的数字频率的测量方法有：直接测量法(M法)、周期测量法(T法）和综合测量法(M/T法，也称等精度频率测量方法）20。2.1.1 M法测速原理分析M法测速在设定的釆样周期T内记录编码器脉冲的个数M2，由此求出电机的转速。 （2-1）式中，P为光电编码器的分辨串，单位为脉冲丨转：7；为采样周期。编码器脉冲个数似2和电机 的转速成正比。当电机处于低逨运行时，在采样周期内能记录的编码器脉冲个数似2较少，此 时从法测速精度较低。因此，此法适用于测里运行于较高转速悄况下的电机的转速。似法测 速可以通过软件定时器中断的方法来实现。其测速原理如图2-1

43、所示 图2.1 M法测速原理2.1.2 T法测速原理分析T法測速是通过记录光电编码器在两个相邻输出脉冲的时间间隔内所测得的高频时钟脉冲的个数射，来测虽电机转速的。其实质是通过编码器两个相邻脉冲的时间间隔来确定转速。T法对应的电机转速计算公式为： (2-2) 式中，f为商频时钟脉冲频率：P为光电编码器分辨率。由于电机转速渊量值与萵频时钟脉冲 个数似M1成反比，电机转速越髙，M1越小，很显然，该方法适用于速度较低的场合22。当转速较高时，其准确性较差。T法测速拟理如图2.2所示。图2.2 T法测速原理图2.1.3 M/T法測速原理分析由前面可知，采用频率计数法（M法测里转速时，其测速上限几乎不受限

44、制，而且转速越高精度越高：而来用周期法（T法）测里转速时，如果不是测量周期或响应时间的限 制，其下限儿乎也不受限制，而且转速越低，精度越髙。下面介組的M/T法融合了上面两者 的优点，具有精度高，范围宽，响应快等一系列优点。它既可以在低速段进行可靠的測速， 又可在髙速段具有较商的分辨能力，足当今现代化调速过裎中转逨测里的主要手段。M/T法在测速的周期TS的采样时刻开始后，计数器并不立即对时钟脉冲计数.而是等到此后的第一个光电脉冲的上升沿到来时才开始真正的采样定时，采样脉冲下降沿后的第一个光电脉冲上升沿到来的时刻为定时结束时刻。从而实际的定时时间为：，mn和mc叫分别为定长时间Tc内的光电脉冲数和

45、时钟脉冲数。根据转速的计算公式可以推导出采用M/T法測量时转速的计算公式为： （2-3）式中，mn为測苗时间Tc内的反馈脉冲数：mc为测量时间Tc内所计商频时钟脉冲数：c为计数器来用的商频时钟脉冲：P为光电编码器分辨率：Tn、Tc尺分别为采样过程中对光电编码器输出脉冲和时钟脉冲的实际计数吋间。由式（2-5)不难看出，当处在低速时，mn对应值很小，而mc对应值很大，这一过程 实际上就是mn个光电脉冲持续时间内所记录的时钟脉冲数mc，因此本质上是对光电脉冲 周期的测量，也即采用周期法测进（T法测速：而当转速处于高逨时则相反，mn的值很 大，它和Tc的比值实际上就足单位时间里所记录的光电脉冲数.即为

46、采用频率法测量转速（M法测速）综上所述M法比较适合测量高频信号的频率，T法比较适合测量频率较低的信号，M/T法具有以上两种方法的优点，它通过测量被测信号数个周期的时间然后换算得出被测信号的频率，可兼顾低频与高频信号，可提高测量精度。根据电机控制系统的特点，本系统釆用M/T法。使用这种测速方式，需要两个计数器，计数器了T1对编码器的输出脉冲进行计数， 计数器T2对基准时钟脉冲进行计数。测速原理如图2.3所示：编码器的输出脉冲上升 沿起动计数器Tl和T2,计数器了1对编码器输出脉冲的上升沿进行计数，计数器T2对时钟脉冲上升沿进行计数，当计数器了2的计数值大于某一数值（这一数值可以根据测速的间隔来确

47、定）时，只要来一个编码器输出脉冲的上升沿，就停止计数器T1和T2。这种测速方法导致的测量误差值取决于基准时钟脉冲频率和测量间隔时间，减少误差的方法是提高时钟频率或者增加测量时间。在实际控制系统中，测量时间的增加意味着牺牲系统的动态特性，因此一般可以选择适当的基准始终频率来达到所需的测量精度23。2.2 PWM调速基本原理直流调速系统中应用最广泛的一种调速方法是调节电枢电压，即调节电阻R改变端电压，达到调速目的，但这种传统的调压调速方法效率低。PWM(脉宽调制) 是常用的一种调速方法，其基本原理是用改变电机电枢(定子)电压的接通和断开的时间比(占空比来控制马达的速度，在脉宽调速系统中，当电机通电时，速度增加；电机断电时，其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可使电机的速度达到并保持为一个稳定值。根