基于FPGA的电涡流缓速器控制系统的设计

摘要

良好的制动性能是汽车重要指标之一，它能有效降低驾驶员的劳动强度，提高行驶安全性，提高运输效率促进经济发展。为了减少汽车主制动器的负荷、提高汽车制动效能和稳定性，载重或大客车都必须安装缓速器，以承担大部分的制动负荷。随着电涡流缓速器应用的日益普及，国内生产商纷纷开展研发自主知识产权的电涡流缓速器。本文结合FPGA嵌入式技术，对电涡流缓速器控制系统的设计展开研究。 本文首先对车辆制动力学进行了分析，阐述了电涡流缓速器辅助制动的必要性，介绍了汽车辅助制动的分类和电涡流缓速器的结构、工作原理、使用效果等等。然后从FPGA的角度，论述了电涡流缓速器控制系统的实现方法。 电涡流缓速器控制系统是一个闭环控制系统，其中速度是环节中的一个关键的反馈变量，其精确度对系统性能影响很大。本文分析了常规测速方法存在的问题，提出了数字锁相环测速的方法，并实现对速度实时、精确的测量，直接用于BP神经网络PID对速度的控制。 由于被控对象除了和励磁电流有关外，还和车的总质量、斜坡的倾斜度等等有关，故被控对象和励磁电流并不存在简单的线性的关系，难以建立精确度数学模型，因此，本文提出BP神经网络PID的控制方法，仿真结果表明，该方法能有效地适应缓速器的特性，实现各种控制策略。 本课题设计了基于NioslI处理器嵌入式技术的软件和硬件，详细地论述了控制器硬件的体系结构和各个功能部分的设计。然后对某些功能模块进行硬件加速，结果表明，此方法提高了系统响应的实时性，体现了FPGA在嵌入式系统开发上的优越性。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1课题研究背景及意义

1.1.1课题研究的背景分析

1.1.2国内外现状

1.1.3研究意义

1.2本课题的来源及研究的主要内容

1.2.1课题来源

1.2.2课题研究的主要内容

第二章汽车缓速器的工作原理

2.1汽车制动

2.1.1汽车制动原理

2.1.2汽车辅助制动装置的分类

2.2电涡流缓速器结构及工作原理

2.2.1电涡流缓速器的机械结构

2.2.2电涡流缓速器的工作原理

2.2.3电涡流缓速器制动力矩

2.2.4电涡流缓速器的传统电控方法

2.3本章小结

第三章BP神经网络PID控制器的设计

3.1缓速器的BP神经网络PID控制

3.2 BP神经网络PID控制原理

3.2.1 BP神经网络PID控制器的构成

3.2.2 BP神经网络模型

3.2.3 BP神经网络PID控制算法

3.3 BP神经网络PID控制器的实现

3.3.1 BP神经网络PID控制器的设计步骤及流程图

3.3.2 BP神经网络PID控制器的Matlab仿真

3.3.3 BP神经网络PID控制器的硬件加速

3.6本章小结

第四章缓速器控制系统的硬件设计

4.1 FPGA技术的应用

4.1.1 FPGA简介

4.1.2控制核心的选型

4.2系统硬件设计

4.2.1系统硬件框图

4.2.2 FPGA配置电路

5.2.3 FPGA电源电路

4.2.4 PWM驱动电路

4.2.5 LCD接口电路

4.3数字锁相环测速方法

4.3.1常用测速方法概述

4.3.2数字锁相环测速原理

4.3.3系统仿真

4.3.4测速实验

4.4系统抗干扰设计

4.5本章小结

第五章嵌入式软核的定制

5.1 Nios Ⅱ体系结构

5.1.1 NIOS Ⅱ处理器结构

5.1.2 NIOS Ⅱ处理器运行模式

5.1.3 NIOS Ⅱ处理器的异常处理

5.2定制NIOS Ⅱ软核

5.2.1定制PIO

5.2.2定制SDRAM控制器

5.2.3定制定时器

5.2.4定制DMA控制器

5.3自定制基于Avalon总线的部件

5.3.1 Avalon总线简介

5.3.2 Avalon总线信号

5.3.3定制AD控制器

5.4 NIOS Ⅱ配置及引脚锁定

5.4.1配置Nios Ⅱ基地址与中断优先级

5.4.2目标器件设置与引脚锁定

5.5本章小结

第六章系统软件的设计

6.1系统软件开发环境

6.1.1 Nios Ⅱ IDE简介

6.1.2 μC/OS实时操作系统

6.2系统软件设计

6.2.1主体程序的设计

6.2.2液晶显示驱动

6.2.3能量调度

6.2.4 C语言的硬件加速

6.3本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文及科研获奖

致谢

附录