現代電氣傳動技術的發展得益於電力電子技術、自動控制技術和微電子技術的發展, 現代全控開關型電力電子器件製造技術的進步和pwm 技術的產生使處於調速系統中的電機電流諧波減小、轉矩脈動降低、電機執行效率和調速效能提高; 而現代控制理論的發展為進一步改善電機調速效能提供了有利條件, 出現了標誌現代交流調速理論的向量控制和直接轉矩控制, 使感應電機的調速效能可以和直流電機媲美; 然而, 10 多年的研究經驗告訴我們, 優越的調速效能是需要強有力的微電子技術( 以往主要是高速cpu ) 發展來保障的, 先進的控制演算法加上高速的計算處理能力才能使交流調速系統效能得到滿足。近年來發展起來的超大規模可程式設計邏輯晶元, 由於其靈活的可程式設計能力、快速的並行訊號處理方式、足夠多的內部資源、無復位問題和程式跑飛的困擾等, 使其在電氣傳動領域中獲得了廣泛應用。
可程式設計邏輯器件的發展已經經歷了幾十年, 以往由於其內部擁有的資源太小, 並未引起轟動, 然而近幾年隨著晶元製造技術的發展, 可程式設計邏輯晶元已從原來的十幾門邏輯發展到萬門、幾十萬門、甚至百萬門, 其應用面變得越來越廣泛, 目前已廣泛應用於通訊、電了、電力、軍事、儀器儀表、影視等各個高科技研發領域和產品中。目前, 超大規模可程式設計邏輯器件主要分為兩大類: 複雜可程式設計邏輯器件( ***plexprog ramming log ic device, cpld) 和現場可程式設計門陣列( fpga) 。
cpld 內部結構與以往簡單的pld 器件( 如pal 或gal) 類似, 只是容量比pld 高, 一般採用eprom、eeprom 或flash 結構, 其內部邏輯塊大, 特別適合控制邏輯、解碼邏輯、時序邏輯的應用。
fpga 的內部結構與cpld 截然不同, 它是由許多微小的邏輯塊陣列組成, 各個邏輯塊陣列四周被i/ o 塊包圍, 通過程式設計方式將這些微小的邏輯塊連線起來, 從而實現各種複雜的邏輯運算, 因此fpga具有邏輯單元小、密度高、資料通道資源豐富、暫存器多等特點, 特別適合於複雜的邏輯運算, 通常fpga 的容量也比cpld 大。
現代電氣傳動控制是建立在電力電子變流技術的基礎上, 而電力電子變流技術都是通過對功率器件的開關控制來實現的, 可以說, 控制策略是變流技術的核心和靈魂。20 世紀80 年代以來, 隨著電力電子開關器件的發展和現代控制理論的進步, 交流電氣傳動獲得了很大發展, 特別是pwm 控制技術的應用、基於靜止旋轉座標變換的向量控制策略的應用、直接轉矩控制策略的發展, 使感應電機的變頻調速效能獲得了很大程度的提高, 爾後, 各種先進的現代控制技術( 如變結構控制、滑模控制、模糊控制、自適應控制等) 在電氣傳動控制中被採用, 進一步改善控制系統的調速效能 。然而, 在現代高效能的調速系統中, 幾乎沒有不依靠複雜的控制演算法來實現的, 比如:
向量控制技術要求依靠座標變換演算法、通過電機模型觀測磁場定向的演算法等, 這種演算法是十分複雜的; 直接轉矩控制策略同樣依賴於固定在定子座標系的電機模型的求解來實現對電機氣隙磁通和輸出轉矩估算, 並進行實時調節; 而在電機調速控制中引入滑模變結構控制、自適應控制等現代控制理論, 控制演算法就變得更加複雜。這種複雜的控制演算法要依靠cpu 控制晶元來完成, 同時還應保證演算法就變得更加複雜。這種複雜的控制演算法要依靠cpu 控制晶元來完成, 同時還應保證演算法的實時性, 因此對cpu 的負擔是極重的, 有時不得不延長控制週期才能滿足實時要求, 而控制週期的延長將影響調整效能的提高。
如果在控制系統中採用fpga來實現控制演算法, 情況就完全不同了, 因為控制演算法用vhdl 語言描述好, 並通過邏輯綜合工具裝載到fpga 晶元以後, 其控制演算法不再象cpu 程式那樣一條一條地執行, 而是通過硬體連線的並行演算法實現的, 完成整個控制運算所需的時間是極短的, 而且由於是硬體連線, 不存在cpu 那種宕機、程式跑飛等現象。因此在電氣傳動中利用fpga 實現複雜控制演算法的應用也越來越廣泛[ 6, 7] , 其高整合度、高速和高可靠性的特點不僅可以解決cpu 的抗干擾、復位、程式跑飛、程式執行速度等, 而且可以將複雜的控制演算法裝載於乙個晶元中, 實現所謂片上系統, 從而大大縮小了體積, 易於管理和遮蔽, 其標準化的設計語言也使得已開發成功的控制演算法或系統很容易利用和移植。
可程式設計邏輯器件以其高整合度、高速、高可靠性、靈活的程式設計能力、全新的開發設計思想等特點, 成為當今微電子技術發展的乙個重要突破, 並視為電子技術領域繼微控制器以來的又一次技術革命。它的發展給電氣傳動的理論研究和實踐帶來了新的發展機遇, 以往在微控制器甚至dsp 上難以實現的複雜控制策略和控制演算法, 可以在大規模fpga 晶元上實現, 因而進一步拓展了電氣傳動的理論研究和實際應用的發展空間。可以預言, 隨著以fpga 為代表的微電子技術的發展、現代控制理論的廣泛應用、電力電子器件和應用技術的不斷進步, 電氣傳動的研究和應用將更加深入和廣泛。
1．實驗目的
根據下面所述硬佈線控制器的組成和工作原理，用verilog語言採用兩段式狀態機方式描述該控制器，並在modelsim環境下進行**驗證。
2．實驗原理
硬佈線控制器是早期設計計算機的一種方法，隨著vlsi技術的發展，這種方式又重新得到重視。硬佈線控制器本質上是一種由閘電路和觸發器構成的複雜樹形網路，它將輸入邏輯訊號轉換成一組輸出邏輯訊號，即控制訊號。控制器的輸入訊號有指令暫存器的輸出、時序訊號和運算結果標誌狀態訊號等，輸出是所有各部件需要的各種微操作訊號，用於控制各部件在規定的時間完成相應的操作。
硬佈線控制器的設計思想是：在硬佈線控制器中，操作控制器發出的各種控制訊號是時間特徵和空間特徵的函式。各個操作定時的控制構成了操作控制訊號的時間特徵，而各種不同部件的操作所需要的不同操作訊號則構成了操作控制訊號的空間特徵。
硬佈線控制器就是把時間訊號和操作訊號組合，產生具有定時特點的控制訊號。
本實驗安排了5條機器指令，分別為add(0000 0000)、in(0010 0000)、out(0011 0000) hlt (0101 0000)、jmp addr(1110 0000)，括號內為各指令的二進位制**，指令格式如下所示，其中高4位為操作碼。
助記符機器指令碼說明
in 0010 0000 in-> r0
add 0000 0000 r0+r0-> r0
out 0011 0000 r0->out
jmp addr 1110 0000addr->pc
hlt 0101 0000 停機
根據指令要求，得出用時鐘進行驅動的狀態機描述，即得出其有限狀態機，如圖1所示。
下面分析每個狀態中的基本操作：
s0：空操作，系統復位後的狀態
s1：pc->ar,pc+1
s2：mem->bus,bus->ir
s3：r0->bus,bus->a
s4：r0->bus,bus->b
s5：a加b->bus,bus->r0
s6：in->bus,bus->r0
s7：r0->bus,bus->out
s8：空操作
s9：pc->ar,pc+1
s10：mem->bus,bus->pc
圖1狀態機描述
3．實驗內容
(1) 分析每個狀態所需的控制訊號，並彙總成表，如表1所示。
表1控制訊號表
用verilog hdl語言來設計本實驗的狀態機。
提示：本實驗輸入訊號：clk（時鐘訊號）, rst（復位訊號）， ins (八位二進位制指令) ；輸出訊號為：ctrl（17位二進位制控制訊號）
4. 實驗步驟:
開啟quarters軟體，建立以「state_machine」命名的工程，晶元為ep1c6q240c8，新建verilog hdl file ,編寫源程式，以「state_machine」命名儲存、編譯。
源**截圖：
編譯成功截圖：
測試**截圖：
波形截圖：
波形分析:
輸入指令為：in(00100000)
輸出的狀態控制訊號依次為：s2、s6、s1、s2、s6、s1
輸入指令為：add(00000000)
輸出的狀態控制訊號依次為: s2、s3、s4、s5、s1、s2
輸入指令為：hlt(0101 0000)
輸出的狀態控制訊號依次為: s2、s8、s8、s8、s8、s8
輸入指令為：out(0011 0000)
輸出的狀態控制訊號依次為: s2、s7、s1、s2、s7、s1、
輸入指令為：jmp(1110 0000)
輸出的狀態控制訊號依次為: s2、s9、s10、s1、s2、s9
訊號定義與說明：
clk：為同步時鐘；
en：使能訊號，為1的話，則控制器開始工作；
lampa：控制a方向四盞燈的亮滅；其中，lampa0~lampa3，分別控制a方向的左拐燈、綠燈、黃燈和紅燈；
lampb：控制b方向四盞燈的亮滅；其中，lampb0 ~ lampb3，分別控制b方向的左拐燈、綠燈、黃燈和紅燈；
acount：用於a方向燈的時間顯示，8位，可驅動兩個數碼管；
bcount：用於b方向燈的時間顯示，8位，可驅動兩個數碼管。
開啟quarters軟體，建立以「traf_lamp」命名的工程，晶元為ep1c6q240c8，新建verilog hdl file ,編寫源程式，以「traf_lamp」命名儲存、編譯。
源**：
編譯成功截圖：
測試**：
波形截圖：
[ 1] 劉志軍. 積極穩妥的啟動eda 現代化教學[ j] . 北京. 電子科技導報. 1998, ( 2) .
[ 2] 周祖成. eda( 電子設計自動化) 的進展[ j] . 電子技術及應用, 1997, 6- 11.
[ 3] 潘松, 王國棟. 基於eda 技術的cpld/ fpga 應用前景[ j] . 電子與自動化, 1999, ( 3) .
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