基于FPGA的電渦流緩速器控制系統設計

引言

　　電渦流緩速器的工作原理基于電磁感應理論。作為一種輔助制動裝置，其減少了主制動裝置的機械摩擦，既提高了壽命，又提高了車輛行駛的安全性、經濟性和舒適性，越來越受到汽車制造廠家的青睞。但是，由于汽車領域對實時性要求較高，且模糊控制算法涉及到頻繁的多字節數據的乘除運算，而FPGA在實現算法方面具有巨大的優勢，因此本文將基于FPGA進行設計。另外，本文結合基于FPGA的32位精簡指令軟核Nios編程，能很好地解決實時性與控制靈活性之間的矛盾。

　　節能型電渦流緩速器

　　目前大部分電渦流緩速器利用蓄電池或自帶發電機來產生勵磁電流，這兩種方法在緩速時都不能最優化地將車輛所具有的動能轉化為剎車能量。

　　本系統根據電渦流緩速器制動力矩的大小對自發電機和蓄電池進行調度，電渦流緩速器制動力矩公式如下：

　　這里，lg為氣隙間距; d為鐵心直徑;R1為勵磁線圈中心點的半徑;Np為磁極對數; N為勵磁線圈繞組匝數;I為勵磁線圈繞組電流;r為轉子盤電阻率;mr為轉子盤相對磁導率;w為轉子角速度。

　　當車速較大時，自發電機在一定電壓下的輸出電流大于I，將一部分電能用于制動，剩下的電能儲存到蓄電池;當車速較慢時，自發電機在一定電壓下的輸出電流小于I，則從蓄電池輸出電流到繞組線圈產生勵磁電流，從而最大限度地利用能源。

　　基于FPGA的電渦流緩速器控制系統

　　為了提升系統可靠性和靈活性，本控制器根據功能需求進行模塊化設計，主要包括ADC0809控制、NIOS處理器、模糊控制器、電源控制、PWM、LCD顯示等模塊，系統結構如圖1所示。

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圖1 電渦流緩速器控制系統結構

　　系統首先由ADC0809控制模塊控制ADC進行各種信號，如溫度、電壓等信號的采集，然后通過Avalon總線把數據傳輸到模糊控制器、電源控制等模塊。電源控制模塊根據車速會對蓄電池和自發電機進行能量調度，實現最大限度的節能;模糊控制器模塊根據恒速、恒流等控制策略，計算出用于控制 PWM占空比的參數，實現勵磁電流的調節。

　　ADC0809控制模塊

　　信號采集是系統實現閉環控制的重要環節，它的好壞關系到整個系統的性能。采用FPGA控制ADC的方式能有效降低外界干擾對采樣造成的影響，提高可靠性。另外，利用FPGA狀態機產生的時序控制ADC時，控制周期短、速度快，能提高整個系統的實時性。

　　使用狀態機控制ADC0809芯片采樣，包括時序控制和數據的讀取。首先，狀態機輸出兩路信號先后控制引腳ale和start，一旦start 有效，狀態信號EOC即變為低電平，表示進入轉換狀態，狀態機通過不斷檢測ADC0809引腳EOC的電平來判斷轉換是否結束。若EOC為高電平表示轉換結束，狀態機輸出信號使引腳OE由低電平變為高電平，最后讀取轉換好的數據，主要Verilog代碼如下。

　　always @ ( EOC ,state )

　　begin case ( state )

　　st0 :begin ale <= #1 1'b0; start <= #1 1'b0; OE <= #1 1'b0; state <=#1 st1; end

　　st1 :begin ale <= #1 1'b1; start <= #1 1'b0; OE <= #1 1'b0; state <=#1 st2; end

　　st2 :begin ale <= #1 1'b0; start <= #1 1'b1; OE <= #1 1'b0; state <=#1 st3; end

　　st3 :begin ale <= #1 1'b0; start <= #1 1'b0; OE <= #1 1'b0;

　　state<=(EOC==1'b1)? #1 st3:st4; end

　　st4 :begin ale <= #1 1'b0; start <= #1 1'b0; OE <= #1 1'b0;

　　state<=(EOC==1'b0)? #1 st4:st5; end

　　st5 :begin ale <= #1 1'b0; start <= #1 1'b0; OE <= #1 1'b1; state <=#1 st6; end

　　st6 :begin ale <= #1 1'b0; start <= #1 1'b0; OE <= #1 1'b1; state <=#1 st0; end

　　default : begin ale <= #1 1'b0; start <= #1 1'b0; OE <= #1 1'b0; state <=#1 st0; end

　　endcase end