1、基于FPGA的電渦流緩速器控制系統論文導讀：這些繼電器控制器完全不能夠比較及不可能實現的功能，縱觀整個行業開展及從汽車工業長遠開展的目光來看，基于FPGA的電渦流緩速器控制系統肯定要取代繼電器的控制方式以及目前的模擬電子無觸電控制系統，成為電渦流緩速器的控制系統的主流。關鍵詞：電渦流緩速器控制，FPGA芯片模糊控制系統，FPGA芯片在電渦流緩速器中的應用0.引言隨著汽車工業技術的開展，汽車發動機功率逐年增加，車速大幅度提高，意味著在同樣的制動條件、同樣的時間內，制動器要產生更多的熱量，過量的熱量會使制動器發生熱衰退，以致制動效能降低甚至失效。然而現在的車輛制動器雖經多方面改良，如鼓式制動改為盤

2、式制動、加寬制動鼓和摩擦片的尺寸，改變摩擦片材料配方等，都未能從根本上解決問題。因為受空間尺寸的限制，現有車輪制動器的散熱能力始終是有限的。免費論文。近年來，國內商用汽車重型化、高檔化趨勢明顯，越來越多的尖端科技將應用于現代公路交通，而緩速器作為一種輔助制動裝置的先進技術應用于道路運輸汽車，并且可與的ABS兼容，其諸多優點使其成為長途客車、公交客車和重型卡車上的根本配置。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平安性、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

3、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。1. 汽車輔助制動裝置的分類常用于車輛的輔助制動裝置主要有以下5種形式。1.1 發動機緩速器對行駛中的汽車的發動機停止供應燃料，并將變速器掛入某一前進擋，使汽車得以通過驅動輪和傳動系帶動發動機曲軸繼續旋轉。這樣，本來是汽車動力源的發動機就變成消耗汽車動能從而對汽車起緩速作用的空氣壓縮機。在這種情況下，汽車對發動機輸人的動能大局部耗損在機內的進氣、壓縮、排氣過程中，小局部消耗于對水泵、油泵、

4、空壓機、發電機等附件的驅動上。1.2發動機排氣輔助制動裝置汽車在掛擋前進時，對發動機停止供油，汽車前進的慣性力通過驅動輪和傳動系反帶發動機曲軸繼續旋轉。這樣，發動機就像空氣壓縮機那樣，對汽車起到了緩速的作用。為了加強發動機這種緩速作用，可設法增加進氣、排氣、壓縮等方面的阻力，如阻塞進氣或排氣通道或改變進、排氣門啟閉時刻等。其中，比較常用的方法是在發動機排氣管處設置排氣閥。在需要緩速時，關閉排氣閥，阻塞排氣通道。該方法又稱為排氣緩速。1.3電渦流緩速器電渦流緩速器是由轉動的圓盤和固定的磁極、線圈組成。線圈在通電后產生磁場，由于圓盤在磁場中轉動，因此有電渦流流過，電渦流和磁場間因相互作用而產生方向

5、相反的制動力。免費論文。其中隨電渦流而產生的熱量由裝設在圓盤上的散熱風道散發到大氣中。電渦流緩速器的開展趨勢是:輕量化、集成化、電子控制、自帶發電機。1.4永磁鐵電渦流緩速器永磁鐵電渦流式緩速器與使用電磁線圈的電渦流緩速器工作原理相同，使用永久磁鐵替換了勵磁模塊，較電渦流緩速器有以下優點:但是永磁式力矩不可調節，安裝控制較為麻煩。1.5液力緩速器液力緩速器的主要零件是固定葉輪和旋轉葉輪，一般安裝在變速器處。當汽車需要緩速時，汽車通過驅動橋和變速器等反帶液力緩速器的旋轉葉輪轉動，固定葉輪通過流動的液體對旋轉葉輪產生阻力矩，使汽車緩速。2.電渦流緩速器結構及工作原理電渦流緩速器上午緩速器定子上有8

6、個由高導磁材料的磁極作為磁扼，呈圓周分布形式均勻安裝在優質鋁板上，8個勵磁線圈套于磁極上，圓周上相對的2個磁極的勵磁線圈為串聯連接而形成的一對磁極，相鄰磁極均為北、南相間，這樣就形成了相對相互獨立的4對磁極。轉子由內轉子與外轉子組成，內外轉子均為圓環狀，用導磁性能良好的鐵磁材料制成，轉子通過法蘭盤裝置在傳動軸凸緣上，可隨傳動軸自由轉動，內外轉子盤和定子磁扼間保持有極小的、均勻的間隙。車輛緩速或制動時，定子勵磁線圈通入直流電流而勵磁，產生的磁力線穿過轉子圓盤。根據電磁感應理論，當穿過閉合導線回路所包圍的面積的磁通發生變化時，在導線回路中將產生感應電流。緩速器的轉子從外表上看不是一個閉合導線，但從

7、微觀角度，可以把它看成是一個由數個閉合導線構成的集合體，這樣，當轉子轉動時，其內部無數閉合導線所包圍的面積內的磁通量就發生變化，從而在轉子內部產無數段感應電流，這種電流稱為渦電流。渦電流的作用有兩個方面:一是這些渦流在具有一定的電阻的轉子內部流動時會產生熱效應而散失，也就是車輛的動能就通過感應電流轉化為熱能，并通過轉子風葉產生的強勁風力將熱量快速散發出去;二是渦流會產生的磁場，根據它自己所產生合導線回路中所產生的感應電流總是向引起電磁感應的變化，也就是說轉子內部渦流所產生的新的磁場與定子線圈產生方向相反的、對抗轉子的轉動，這樣就產生了制動力矩。電渦流緩速器的傳統控制方式采用繼電器控制。傳統的手

8、控開關一般分4個檔次。開關處于0擋位時，線圈全部斷電;處于第1擋位時，繼電器盒內1號繼電器吸合，那么第一組勵磁線圈通電，這時緩速器產生的制動力矩約為最大力矩的25%;處于第2擋位時，繼電器盒內1號與2號繼電器吸合，那么第一組和第二組勵磁線圈同時通電，這時電渦流緩速器產生制動力矩約為最大力矩的50%;第3、第4檔位依此類推。電渦流緩速器還有一個腳控開關，當駕駛員踩下制動踏板時，電渦流緩速器自動起作用，并根據制動踏板的行程，腳控開關上4個壓力傳感器依次接通，其作用與手控開關一樣。繼電器盒內有4個大電流繼電器，分別為每組勵磁線圈提供勵磁電流。3.我國電渦流緩速器現狀電渦流緩速器做為汽車的二級剎車系統

9、，相關技術源自于歐美等興旺國家。在90年代末期我國等一些民營企業逐漸引進相關技術，歷經開展近20年但是目前中國所有企業生產的緩速器系統，其整車配套的兩年故障率都高達20%以上，造成此問題的核心是中國企業幾乎沒有夠檔次的開發機構和夠用的開發資金。所有企業都期望跳過開發階段直接進入成品生產階段。然而這卻是不可能的。現在大多數企業的做法是以仿制開始，以盡可能少的投入、盡可能快的時間進入投產階段。但是這樣做無可防止的帶來很多的麻煩。產品的不完善必然在今后暴露出問題來。所以就有了今天這樣的局面。現在是個市場決定產品的時代，而緩速器系統的和性部件跟靈魂就是緩速器控制器目前市場上緩速器控制器根本是兩種控制方

10、式：繼電器控制和電子開關式控制。兩種控制方式應該說目前各有利弊。繼電器式控制機構簡單、本錢低、維修方便。但是控制方式單一，功率分配不夠合理。電子開關式控制器功能強、控制方式合理，但是缺點是可靠性及環境應力較差。而基于FPGA的電渦流緩速器的控制系統那么并未進行批量化應用，FPGA的智能型控制器，可以有非常強的自診斷功能，可以有效的防止負載、電源變化帶來的危害。另外這種緩速控制器一般都有恒速功能，以及其他尚待開發的升級功能等。這些繼電器控制器完全不能夠比較及不可能實現的功能，縱觀整個行業開展及從汽車工業長遠開展的目光來看，基于FPGA的電渦流緩速器控制系統肯定要取代繼電器的控制方式以及目前的模擬

11、電子無觸電控制系統，成為電渦流緩速器的控制系統的主流。4.節能型電渦流緩速器目前大局部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，將一局部電能用于制動，剩下的電能儲存到蓄電池;當車速較慢時，自發電

12、機在一定電壓下的輸出電流小于I，那么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5.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

13、，計算出用于控制PWM占空比的參數，實現勵磁電流的調節。5.1 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。免費論文。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假設EOC為高電平

14、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 st1 :begin ale st2 :begin ale st3 :begin ale statest4 :begin ale statest5 :begin ale st6 :begin ale default : begin ale endcase end5.2模糊控制器模塊電渦流緩速器是一個非線性系統、強耦合、模型較復雜的對象由于常規PID控制不具備在線調整參數的功能，所

15、以不適于勵磁電流與車速呈非線性關系的系統控制而模糊理論具有很強的非線性建模能力，能完成復雜系統的非線性映射功能，將模糊推理機制引入到測控系統中，實現對電渦流緩速器的最正確控制，以滿足實際的行車情況，控制器原理圖如圖2所示圖2 模糊控制器原理圖從原理圖可以看出，本模糊控制器采用了二維模糊調節的方式，以改善系統的動態性能，即模糊控制器的輸入為給定值與測量值偏差e和偏差變化率芿=ek-ek-1所對應的兩個模糊控制集，經量化因子量化后，得到對應的量化等級，其量化等級分別表示為-7、-6、-5、-4、 -3、-2、-1、0、1、2、3、4、5、6、7。控制決策表是經離線模糊控制推理運算，并結合系統的實際

16、運行進行調整、修改得到的，但它僅反映常規模糊控制的控制規那么，不能保證系統的動、靜態特性在大范圍內最優因此，為改善模糊控制器的性能，根據系統的誤差和誤差變化等信息，對控制器實行在線調整，實際輸出的控制量為決策表值與比例因子的乘積比例因子的選取規那么如下：當e和芿較大時，系統主要是減少誤差，加快動態過程，應取較大值;當e和芿較小時，系統接近穩定值，應取較小值。最后，按此原那么并結合實際經驗得到比例因子表。根據上面的分析，利用Verilog HDL語言設計出aul運算模塊和rom存儲模塊，另外由Quartus II軟件的LPM設計乘法器lpm_mult0模塊，如圖3所示。aul模塊首先根據輸入值i

17、n_a和in_b進行求差、除法等運算得到e和芿的值，并乘上各自的量化因子得到量化等級E和艵，然后根據E和艵與控制策略表和比例因子表的對應關系得到查表地址;rom模塊存儲了控制策略表U和比例因子表GU，根據aul模塊傳遞過來的地址查找U和GU表，然后將結果輸出到乘法器模塊，并計算出PWM的調節增量，從而改變PWM的占空比，實現對勵磁電流的調節。圖3 模糊控制器頂層模塊電路原理圖5.3基于Nios的主控程序Nios處理器是整個系統的中樞，是各控制模塊通訊的橋梁Nios處理器通過Avalon總線將采集進來的各種參數，如車速、ABS、電壓等，按需要傳遞到各控制模塊，控制模塊再把相關的運算結果返回給主控

18、程序，以實現相關的控制策略，如圖4所示。圖4 主控程序流程圖6.結論本課題選用CycloneII系列中的EP2C5Q208C8芯片，它具有4608個邏輯單元，內部RAM達119808位，內部乘法器可達26單元，最大用戶I/O達 143個，這些豐富的資源能夠滿足電渦流緩速器控制器各模塊的設計需求，邏輯單元的使用率為65%，RAM使用率為45%本設計方法提高了系統的集成度和可靠性并且降低了功耗，FPGA的可重構性大大方便了系統將來的升級，而不需要改變原來的電路布線【參考文獻】【1】李寧,劉啟新,張麗華. 交流伺服電動機轉子初始位置的精確測定電力電子技術, 2003,(02) .【2】TELMA電渦流緩速器城市車輛, 2002,(02).【3】盧國釗. 電渦流緩速