基于FPGA的电梯控制器的设计Word格式文档下载.docx

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随着我国城市率的增长，对电梯需求量也迅猛增长，与1992年相比,当时城市率为27.8％，新电梯量为1.6万台，2005年,城市率为43％，新电梯量已猛增长为12.5万台，而根据最新统计，2006年我国电梯产量已突破15万台，占世界年产量的三分之一。

而电梯和空调又是耗能最大的“电老虎”，据调查，全国三星级以上酒店，空调和电梯两项耗电量就占城市耗电量的三分之一，因此节能在电梯领域有着特别重要的意义。

性能指标

1、电梯入口处上下请求开关，电梯内有到达楼层请求开关，显示电梯运行模

上升或者下降和所处楼层，每层楼都显示此刻电梯位置。

2、遵守方向优先规则：

电梯处于上升模式时只响应比电梯所在位置高的上楼请

求，由上而下执行；

下行模式时与上行模式相反。

3、能检测是否超重，并设有报警信号。

4、系统根据电梯内乘客的重量调节电机的输出功率，达到节约能源的目的。

5、电梯使用电源：

三相380V/50Hz交流电源。

6、电梯上升下降时间为4s，开门时间4s，关门时间3s；

第1章绪论

1.1国内电梯现状

随着我国城乡居民生活水平的不断提高,住宅和一般公共建筑内,空调和电梯成为最大的两只“电老虎”。

据测算,在冬夏两季,建筑中空调的能耗一般占整个建筑能耗的50%,因此控制空调温度、使用节能空调,对降低建筑能耗起着至关重要的作用。

与此同时,电梯的耗能不容忽视,据了解,目前我国星级酒店每年每平方米耗电量为150度,其中将近一半用于电梯。

中国电梯行业协会认为,2005年我国所有电梯中,如果80%采用节能电梯,全年可节电122亿度。

如果2015年全部采用节能电梯,将节电800亿度,几乎相当于三峡大坝一年的发电量。

　　建设部有关负责人表示:

“在我国400亿平方米的既有建筑中,大约有三分之一需要进行节能改造,这130多亿平方米的建筑改造费用,如果每平方米是200元的话,算下来大约是26000亿元。

仅就北京而言,目前大概有1.6亿平方米的既有建筑需要进行节能改造。

按照每平方米改造费用200元计算,那么北京市就蕴藏着320亿元的节能市场。

在国内电梯领域享有盛誉,率先倡导并推进环保节能电梯的杭州西子奥的斯电梯有限公司，是国内最早敏锐察觉未来电梯发展方向,大力推进科技创新,并取得多项成就的高科技企业。

西子奥的斯电梯相关负责人表示:

“目前,我国电梯行业的节能电梯生产能力已达到相当规模,尤其主要品牌的节能电梯技术,也已经达到国际领先水平。

然而,在实际应用中,节能电梯的普及率还很低。

根据中国电梯行业协会公布的数字,目前中国电梯的载用量在77万台左右,其中节能电梯不足5%。

从长远看,发展绿色节能电梯,既是实现可持续发展的需要,也是节约社会能源、保护周边环境的需要。

1.2国外电梯的情况

当今世界，电梯的生产情况与使用数量已经成为衡量一个国家工业现代化程度的标志之一。

在一些发达的工业国家，电梯的使用相当普遍。

世界上有名的几家电梯公司，诸如:

美国奥梯斯公司、瑞士讯达公司、日本三菱和日立公司、芬兰科恩等，其电梯的产量已占世界市场的51%。

其中，奥梯斯公司和三菱公司是世界上最大的电梯生产企业。

目前，国外除了以交流电梯取代直流电梯以外，在低层楼房越来越多的使用液压电梯。

此外，家用小型电梯将成为电梯家族中新的组成部分。

电梯是集机电一体的复杂系统，不仅涉及机械传动、电气控制和土建等工程领域，还要考虑可靠性、舒适感和美学等问题。

而对现代电梯而言，应具有高度的安全性。

事实上，在电梯上己经采用了多项安全保护措施。

在设计电梯的时候，对机械零部件和电器元件都采取了很大的安全系数和保险系数。

然而，只有电梯的制造，安装调试、售后服务和维修保养都达到高质量，才能全面电子商务资料库保证电梯的最终高质量。

在国外己"

法规"

实行电梯制造、安装和维修一体化，实行由各制造企业认可的、法规认证的专业安装队和维修单位，承担安装调试、定期维修和检查试验，从而为电梯运行的可靠性和安全性提供了保证。

因此，可以说乘坐电梯更安全。

美国一家保险公司对电梯的安全性做过认真地调查和科学计算，其结论是:

乘电梯比走楼梯安全5倍。

据资料统计，在美国乘其他交通工具的人数每年约为80亿人次，而乘电梯的人数每年却有540亿人次之多。

1.3电梯驱动技术

电梯技术中，驱动系统是典型的运动控制系统，它控制电梯的起动、加速、稳速运行以及减速等运动方式，驱动系统的性能直接影响到电梯的平层精度、振动、噪声等乘坐舒适度。

目前在老式电梯的驱动系统中，几乎是交流感应电动机的一统天下，驱动方式主要是：

（1）交流双速驱动系统

其三相交流感应电动机定子采用两个不同极对数的绕组,开环控制方式,线路简单,耗能大,乘坐舒适性差。

（2）交流调压调速系统

三相交流感应电动机定子由采用晶闸管的交流调压器供电，调速性能优于前者，但它本质上是属于改变电动机转差率的调速方法，在调速过程中，大量的转差功率被消耗，导致电动机转子发热，是一种低效的调速方法。

（3）变频变压调速系统

变频调速技术的发展，使其调速性能达到直流调速水平，与前两种相比，是一种高效调速技术，且驱动控制设备体积小，重量轻。

1.4超声波测距简介

1.4.1超声波

我们知道，当物体振动时会发出声音。

人类耳朵能听到的声波频率为20～20000赫兹。

当声波的振动频率大于20000赫兹或小于20赫兹时，我们便听不见了。

因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。

通常用于医学诊断的超声波频率为1～5兆赫。

超声波具有方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远等特点。

可用于测距，测速，清洗，焊接，碎石等。

在医学,军事,工业,农业上有很多的应用。

　　理论研究表明,在振幅相同的条件下,一个物体振动的能量与振动频率成正比,超声波在介质中传播时,介质质点振动的频率很高,因而能量很大.在我国北方干燥的冬季,如果把超声波通入水罐中,剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴,再用小风扇把雾滴吹入室内,就可以增加室内空气湿度.这就是超声波加湿器的原理.咽喉炎.气管炎等疾病,药品很难血流到达患病的部位.利用加湿器的原理,把药液雾化,让病人吸入,能够提高疗效.利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结石做剧烈的受迫振动而破碎，从而减缓病痛，达到治愈的目的。

声波是物体机械振动状态（或能量）的传播形式。

所谓振动是指物质的质点在其平衡位置附近进行的往返运动。

譬如，鼓面经敲击后，它就上下振动，这种振动状态通过空气媒质向四面八方传播，这便是声波。

超声波是指振动频率大于20KHz以上的,其每秒的振动次数（频率）甚高，超出了人耳听觉的上限（20000Hz），人们将这种听不见的声波叫做超声波。

超声和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内会传播，是一种能量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性，目前腹部超声成象所用的频率范围在2∽5MHz之间，常用为3∽3.5MHz（每秒振动1次为1Hz，1MHz=10^6Hz,即每秒振动100万次，可闻波的频率在16－20，000HZ之间）。

1.4.2超声波测距的基本原理

　　超声波发生器在某一时刻发出超声波信号，遇到被测物体后反射回来，被超声波接收器接收到。

只要计算出超声波信号从发射到接收到回波信号的时间，知道在介质中的传播速度，就可以计算出距被测物体的距离：

　　d=s/2=（vt）/2

（1）

　　其中d为被测物到测距仪之间的距离，s为超声波往返通过的路程，v为超声波在介质中的传播速度，t为超声波从发射到接收所用的时间。

为了提高精度，需要考虑不同温度下超声波在空气中传播速度随温度变化的关系：

　　v=331.4+0.61T

（2）

　　式中，T为实际温度（℃），v的单位为m/s。

1.5变频器简介

我们使用的电源分为交流电源和直流电源，一般的直流电源大多是由交流电源通过变压器变压，整流滤波后得到的。

交流电源在人们使用电源中占总使用电源的95％左右。

无论是用于家庭还是用于工厂，单相交流电源和三相交流电源，其电压和频率均按各国的规定有一定的标准，如我国大陆规定，直接用户单相交流电为220V，三相交流电线电压为380V，频率为50Hz，其它国家的电源电压和频率可能于我国的电压和频率不同，如有单相100V/60Hz，三相200V/60Hz等等，标准的电压和频率的交流供电电源叫工频交流电。

　　通常，把电压和频率固定不变的工频交流电变换为电压或频率可变的交流电的装置称作“变频器”。

为了产生可变的电压和频率，该设备首先要把电源的交流电变换为直流电（DC），这个过程叫整流。

把直流电（DC）变换为交流电（AC）的装置，其科学术语为“inverter”（逆变器）。

一般逆变器是把直流电源逆变为一定的固定频率和一定电压的逆变电源。

对于逆变为频率可调、电压可调的逆变器我们称为变频器。

变频器输出的波形是模拟正弦波，主要是用在三相异步电动机调速用，又叫变频调速器。

对于主要用在仪器仪表的检测设备中的波形要求较高的可变频率逆变器，要对波形进行整理，可以输出标准的正弦波，叫变频电源。

一般变频电源是变频器价格的15－－20倍。

由于变频器设备中产生变化的电压或频率的主要装置叫“inverter”，故该产品本身就被命名为“inverter”，即：

变频器。

变频器也可用于家电产品。

使用变频器的家电产品中，不仅有电机（例如空调等），还有荧光灯等产品。

用于电机控制的变频器，既可以改变电压，又可以改变频率。

但用于荧光灯的变频器主要用于调节电源供电的频率。

汽车上使用的由电池（直流电）产生交流电的设备也以“inverter”的名称进行出售。

变频器的工作原理被广泛应用于各个领域。

例如计算机电源的供电，在该项应用中，变频器用于抑制反向电压、频率的波动及电源的瞬间断电。

电机的旋转速度为什么能够自由地改变？

n=60f/p（1-s）

n:

电机的转速f:

电源频率p:

电机磁极对数s：

电机的转差率。

　　电机的转速=60（秒）*频率（Hz）/电机的磁极对数（1-电机的转差率）；

电机旋转速度单位：

每分钟旋转次数，rpm/min也可表示为rpm。

电机的旋转速度同频率成比例同步电机的转差矩为0,同步电机的转速=60（秒）*频率（Hz）／电机的磁极对数。

异步的转速比同步电机的转速低。

　　例如：

4极三相步电机60Hz时低于1,800[r/min]4极三相异步电机50Hz时低于1,500[r/min]

由电机的工作原理决定电机的磁极对数是固定不变的。

由于电机的磁极对数1个磁极对数等于2极，电机的极数不是一个连续的数值（为2的倍数，例如极数为2，4，6），所以不适和改变该值来调整电机的速度。

另外，频率是电机供电电源的电信号，所以该值能够在电机的外面调节后再供给电机，这样电机的旋转速度就可以被自由的控制。

因此，以控制频率为目的的变频器，是做为电机调速设备的优选设备。

改变频率和电压是最优的电机控制方法，如果仅改变频率，电机将被烧坏。

特别是当频率降低时，该问题就非常突出。

为了防止电机烧毁事故的发生，变频器在改变频率的同时必须要同时改变电压。

1.6变频器的优势

1、控制电机的启动电流

　　当电机通过工频直接启动时它将会产生7到8倍的电机额定电流这个电流值将大大增加电机绕组的电应力并产生热量从而降低电机的寿命而变频调速则可以在零速零电压启动（当然可以适当加转矩提升）一旦频率和电压的关系建立变频器就可以按照V/F或矢量控制方式带动负载进行工作使用变频调速能充分降低启动电流提高绕组承受力用户最直接的好处就是电机的维护成本将进一步降低电机的寿命则相应增加。

2、降低电力线路电压波动

　　在电机工频启动时电流剧增的同时电压也会大幅度波动电压下降的幅度将取决于启动电机的功率大小和配电网的容量电压下降将会导致同一供电网络中的电压敏感设备故障跳闸或工作异常如PC机传感器接近开关和接触器等均会动作出错而采用变频调速后由于能在零频零压时逐步启动则能最大程度上消除电压下降。

3、启动时需要的功率更低

　　电机功率与电流和电压的乘积成正比,那么通过工频直接启动的电机消耗的功率将大大高于变频启动所需要的功率在一些工况下其配电系统已经达到了最高极限其直接工频启动电机所产生的电涌就会对同网上的其他用户产生严重的影响,从而将受到电网运行商的警告,甚至罚款如果采用变频器进行电机起停,就不会产生类似的问题。

4、可控的加速功能

　　变频调速能在零速启动并按照用户的需要进行光滑地加速而且其加速曲线也可以选择（直线加速S形加速或者自动加速）而通过工频启动时对电机或相连的机械部分轴或齿轮都会产生剧烈的振动这种振动将进一步加剧机械磨损和损耗降低机械部件和电机的寿命另外变频启动还能应用在类似灌装线上以防止瓶子倒翻或损坏。

5、可调的运行速度

运用变频调速能优化工艺过程并能根据工艺过程迅速改变还能通过远控PLC或其他控制器来实现速度变化。

6、可调的转矩极限

通过变频调速后能够设置相应的转矩极限来保护机械不致损坏从而保证工艺过程的连续性和产品的可*性目前的变频技术使得不仅转矩极限可调甚至转矩的控制精度都能达到35左右在工频状态下电机只能通过检测电流值或热保护来进行控制而无法像在变频控制一样设置精确的转矩值来动作。

7、受控的停止方式

如同可控的加速一样,在变频调速中,停止方式可以受控并且有不同的停止方式可以选择（减速停车自由停车减速停车直流制动）同样它能减少对机械部件和电机的冲击从而使整个系统更加可*寿命也会相应增加。

8、节能

　　离心风机或水泵采用变频器后都能大幅度地降低能耗这在十几年的工程经验中已经得到体现由于最终的能耗是与电机的转速成立方比所以采用变频后投资回报就更快厂家也乐意接受。

9、可逆运行控制

　　在变频器控制中要实现可逆运行控制无须额外的可逆控制装置只需要改变输出电压的相序即可这样就能降低维护成本和节省安装空间。

10、减少机械传动部件

　　由于目前矢量控制变频器加上同步电机就能实现高效的转矩输出,从而节省齿轮箱等机械传动部件,最终构成直接变频传动系统从而就能降低成本和空间,提高稳定性。

1.7FPGA简介

FPGA是英文Field－ProgrammableGateArray的缩写，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。

它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

1.7.1FPGA工作原理

　　FPGA采用了逻辑单元阵列LCA（LogicCellArray）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（ConfigurableLogicBlock）、输出输入模块IOB（InputOutputBlock）和内部连线（Interconnect）三个部分。

FPGA的基本特点主要有：

　　1、用FPGA设计ASIC电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。

　　2、FPGA可做其它全定制或半定制ASIC电路的中试样片。

　　3、FPGA内部有丰富的触发器和I／O引脚。

　　4、FPGA是ASIC电路中设计周期最短、开发费用最低、风险最小的器件之一。

　　5、FPGA采用高速CHMOS工艺，功耗低，可以与CMOS、TTL电平兼容。

　　可以说，FPGA芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。

　　FPGA是由存放在片内RAM中的程序来设置其工作状态的，因此，工作时需要对片内的RAM进行编程。

用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。

　　加电时，FPGA芯片将EPROM中数据读入片内编程RAM中，配置完成后，FPGA进入工作状态。

掉电后，FPGA恢复成白片，内部逻辑关系消失，因此，FPGA能够反复使用。

FPGA的编程无须专用的FPGA编程器，只须用通用的EPROM、PROM编程器即可。

当需要修改FPGA功能时，只需换一片EPROM即可。

这样，同一片FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。

因此，FPGA的使用非常灵活。

1.7.2FPGA配置模式

　　FPGA有多种配置模式：

并行主模式为一片FPGA加一片EPROM的方式；

主从模式可以支持一片PROM编程多片FPGA；

串行模式可以采用串行PROM编程FPGA；

外设模式可以将FPGA作为微处理器的外设，由微处理器对其编程。

　　如何实现快速的时序收敛、降低功耗和成本、优化时钟管理并降低FPGA与PCB并行设计的复杂性等问题，一直是采用FPGA的系统设计工程师需要考虑的关键问题。

如今，随着FPGA向更高密度、更大容量、更低功耗和集成更多IP的方向发展，系统设计工程师在从这些优异性能获益的同时，不得不面对由于FPGA前所未有的性能和能力水平而带来的新的设计挑战。

　　例如，领先FPGA厂商Xilinx最近推出的Virtex-5系列采用65nm工艺，可提供高达33万个逻辑单元、1,200个I/O和大量硬IP块。

超大容量和密度使复杂的布线变得更加不可预测，由此带来更严重的时序收敛问题。

此外，针对不同应用而集成的更多数量的逻辑功能、DSP、嵌入式处理和接口模块，也让时钟管理和电压分配问题变得更加困难。

　　幸运地是，FPGA厂商、EDA工具供应商正在通力合作解决65nmFPGA独特的设计挑战。

不久以前，Synplicity与Xilinx宣布成立超大容量时序收敛联合工作小组，旨在最大程度帮助地系统设计工程师以更快、更高效的方式应用65nmFPGA器件。

设计软件供应商Magma推出的综合工具BlastFPGA能帮助建立优化的布局，加快时序的收敛。

1.7.3FPGA设计的注意事项

1.使用一个电子数据表列出所有计划的信号分配，以及它们的重要属性，例如I/O标准、电压、需要的端接方法和相关的时钟。

2.检查制造商的块/区域兼容性准则。

3.考虑使用第二个电子数据表制订FPGA的布局，以确定哪些管脚是通用的、哪些是专用的、哪些支持差分信号对和全局及局部时钟、哪些需要参考电压。

4.利用以上两个电子数据表的信息和区域兼容性准则，先分配受限制程度最大的信号到引脚上，最后分配受限制最小的。

例如，你可能需要先分配串行总线和时钟信号，因为它们通常只分配到一些特定引脚。

5.按照受限制程度重新分配信号总线。

在这个阶段，可能需要仔细权衡同时开关输出（SSO）和不兼容I/O标准等设计问题，尤其是当你具有很多个高速输出或使用了好几个不同的I/O标准时。

如果你的设计需要局部/区域时钟，你将可能需要使用高速总线附近的管脚，最好提前记住这个要求，以免最后无法为其安排最合适的引脚。

如果某个特定块所选择的I/O标准需要参考电压信号，记住先不要分配这些引脚。

差分信号的分配始终要先于单端信号。

如果某个FPGA提供了片内端接，那么它也可能适用于其他兼容性规则。

6.在合适的地方分配剩余的信号。

在这个阶段，考虑写一个只包含端口分配的HDL文件。

然后通过使用供应商提供的工具或使用一个文本编辑器手动创建一个限制文件，为I/O标准和SSO等增加必要的支持信息。

准备好这些基本文件后，你可以运行布局布线工具来确认是否忽视了一些准则或者做了一个错误的分配。

1.8VHDL语言

1.8.1VHDL简介

VHDL（VeryHighSpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage）是IEEE（InstituteofElectricalandElectronicsEngineers）标准的硬件描述语言，是现代电子系统设计的首选硬件设计计算机语言。

本篇介绍VHDL的语法基础、用VHDL进行系统设计的基本方法、以及VHDL的设计实例等。

从宏观的角度看，VHDL的语法构成了程序的各组成部分；

微观上看VHDL的语法是各种语句的运用细节。

本章在VHDL的特性之后，从这两个角度简要介绍VHDL的语法基础。

硬件描述语言HDL（HardwareDescriptionLanguage）诞生于1962年。

HDL是用形式化的方法描述数字电路和设计数字逻辑系统的语言。

主要用于描述离散电子系统的结构和行为。

与SDL（SoftwareDescriptionLanguage）相似，经历了从机器码（晶体管和焊接）、汇编（网表）、到高级语言（HDL）的过程。

20世纪80年代美国国防部开发VeryHighSpeedIntegratedCircuit—VHSIC，用于描述集成电路的结构和功能。

此后，硬件描述语言向标准化方向发展，1987年成为IEEEStandard1076，称为VHDL语言。

它也是美国国防部标准（MIL-STD-454L）。

1993年该标准增修为IEEE1164标准。

1996年，再次加入电路合成的标准程序和规格，成为IEEE1076.3标准。

1995年VerilogHDL也成为IEEE标准。

VHDL与VerilogHDL一起成为业界主选的硬件描述语言。

1.8.2VHDL的特点

（一）功能强大

VHDL具有功能强大的语言结构。

它可以用明确的代码描述复杂的控制逻辑设计。

并且具有多层次的设计描述功能，支持设计库和可重复使用的元件生成。

VHDL是一种设计、仿真和综合的标准硬件描述语言。

（二）可移植性

VHDL语言是一个标准语言，其设计描述可以为不同的EDA工具支持。

它可以从一个仿真工具移植到另一个仿真工具，从一个综合工具移植到另一个综合工具，从一个工作平台移植到另一个工作平台。

此外，通过更换库再重新综合很容易移植为ASIC设计。

（三）独立性

VHDL的硬件描述与具体的工艺技术和硬件结构无关。

设计者可以不懂硬件的结构，也不必管最终设计实现的目标器件是什么，而