基于FPGA的电梯控制论文.docx
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基于FPGA的电梯控制论文
题目:
基于FPGA的电梯控制器设计
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摘要
本设计主要介绍了基于FPGA设计的五层电梯控制器,采用VHDL语言进行编译,并进行了电路综合和仿真。
由于普通电机不能准确起动和停止和控制旋转角度等缺陷,本设计电机采用三相步进电机作为动力源。
根据当前电梯内外两个控制系统收集电梯内外的人员流向并将数据汇总交由中央运算控制器运算产生下一个步骤电梯将要前往的楼层,并将相关楼层数据交由专门的步进电机控制器。
步进电机控制器控制电机到达指定楼层。
本设计采用VHDL,源程序Altera公司的QuartusII软件仿真。
运用有限状态机的设计方法,设计了两个进程相互配合,状态机进程作为主要进程,信号灯控制进程作为辅助进程。
在主进程中定义了7个状态,分别是“stopon1”“dooropen”“doorclose”“doorwait4”“up”“down”和“stop”,在电梯时钟的触发下,通过当前状态和信号灯信号判定下一状态。
信号灯控制进程中,信号灯存储按键请求情况,它的熄灭是由状态机进程中传出的信号来控制。
关键字:
FPGA、VHDL、电梯控制器、EDA实验开发系统
Basedonthefive-layerelevatorcontrollerFPGAresearch
Abstract:
ThisdesignintroducesFPGAdesignbasedonfiveelevatorcontroller,compiledwithVHDLlanguage,andmakethecircuitsynthesisandsimulation.Thecontrollerfollowsthedirectionoftheprincipleofpriority,toprovidethreefloorsofthepassengerservicemultipleusers,andindicatestheoperationofthelift.GeneralMotorscannotaccurateduetostartandstopandcontroldefectssuchasrotation,thedesignoftheelectricaluseofthree-phasesteppermotorasthemotivepowersource.ThisdesignwhichusesVHDLsimulatedbyAltera’sQuartusIIsoftware.Iusemethodnamedfinitestatemachinewhichtwoprocessescomplementeachother.Thestatemachineprocessactasthemainprocess,andthesignalcontrolprocessactasaassistant.Sevenstatesweredefinedinthemainprocess,namely“stopon1”“dooropen”“doorclose”“doorwait4”“up”“down”and“stop”.Triggeredbythelift’sclock,thenextstateisdeterminedbythecurrentstateandthesignal.Insignalcontrolprocess,registerskeepinputvalue,andlampsblackoutwhenthecontrolprocess,registerskeepinputvalue,andlampsblackoutwhenthecontrolsignalinthemainprocessishighvalue.
Keywords:
FPGA,VHDL,ElevatorController,EDAexperimentdevelopmentsyste
谢辞
大学生活已经快结束,在本专业的学习中使我掌握了不少专业知识,锻炼了自己。
毕业设计可以说是我大学学习的总结和体现,在指导老师刘苹的指导和帮助下,我完成了这篇毕业设计。
他热心的帮助和循循善诱的指导深深感动了我。
这篇设计和所有教育过我的老师也是分不开的,没有他们的传授的知识我也不可能完成这个的课题。
我无论是在课程学习阶段,还是在论文的选题,资料查询和撰写的每一个环节,无不得到指导教师的悉心指导和帮助。
同时我还要感谢所有对我的帮助与支持,在我遇到困难时总是他们在一旁鼓励我坚持下去。
我为我几个月来静心学习,并取得较好成绩而感到欣慰,欣慰之余,我要感谢母校,向关心和支持我学习的所有老师和同学们表示真挚的谢意!
感谢他们对我的关心和支持!
第一章引言
1.1设计内容简介
随着经济的发展和人们的生活水平的不断提高,高层建筑、电梯公寓层出不穷,电梯的使用逐渐的使用逐渐的普及。
电子技术与自动控制技术的发展,越来越多的FPGA器件正广泛用于各个数字信号处理过程。
其特点是硬件体积小、实时性好、工作效率高,提高系统的集成度。
本设计针对我国电梯业的现状,将FPGA应用于五层电梯进行逻辑控制,通过合理的选择和设计,不但提高了电梯可靠性、可维护性以及灵活性,同时延长了使用寿命,缩短了电梯的开发周期,并提高了电梯的控制水平,改善了电梯运行的舒适感,使电梯达到了较为理想的控制效果。
1.2选题背景
电梯作为高层大厦的主要垂直交通工具,电梯系统服务质量和效率的提高对建筑的有效利用和性能发挥将产生极为重要的影响。
信息化时代的到来,推动了电梯的发展,电梯控制器已成为当今世界性开发的热点,也是各国综合实力的表现。
电梯系统作为建筑楼宇自动化的重要组成部分,也要求向满足大厦中大量人流、物流的垂直输送需要,电梯制造商利用先进的技术,开发出各种高性能的电梯系统以满足乘客生理和心理要求,实现高效的垂直输送。
提高我国电梯控制领域水平,必将带来很大的经济效益和社会效益。
第二章设计的基础依据
2.1EDA技术介绍
在计算机技术的推动下,电子技术在20世纪末获得了飞速的发展,现代电子产品几乎渗透于社会的各个领域,有力地推动了社会生产力的发展和社会信息化程度的提高,同时又促使现代电子产品性能的进一步提高,产品更新换代的节奏也越来越快。
电子技术发展的根基是微电子技术的进步,它表现在大规模集成电路加工技术,即半导体工艺技术的发展上。
表征半导体工艺水平的线宽已经达到45nm以下,并还在不断地缩小;在硅片单位面积上集成了更多的晶体管;集成电路设计在不断地向超大规模、极低功耗和超高速的方向发展;同时,这些专用集成电路(ApplicationSpecificIntegratedCircuit,ASIC)的设计成本还在不断降低,而在功能和结构上,现代的集成电路已能实现单片电子系统(SystemonaChip,SoC)。
作为现代电子设计技术的核心,EDA(ElectronicDesignAutomation)技术依赖功能强大的计算机,在EDA工具软件平台上,对以硬件描述语言(HardwareDescriptionLanguage,HDL)为系统逻辑描述手段完成的设计文件,自动地完成逻辑化简、逻辑分割、逻辑综合、结构综合(布局布线)以及逻辑优化和仿真测试等功能,直至实现既定性能的电子线路系统。
EDA技术使得设计者的工作仅限于利用软件的方式,即利用硬件描述语言和EDA软件来完成对系统硬件功能的实现。
[1]
在现代高新电子产品的设计和生产中,微电子技术和现代电子设计技术是相互促进、相互推动又相互制约的两个技术环节。
前者代表了物理层在广度和深度上硬件电路实现的发展,后者则反映了现代先进的电子理论、电子技术、仿真技术、设计工艺和设计技术与最新的计算机软件技术有机的融合和升华。
因此严格地说,EDA技术应该是这两者的结合,是这两个技术领域共同孕育的奇葩。
图2-1为采用EDA设计的总流程
图2-1EDA设计流程图
2.2FPGA芯片介绍
FPGA是Field-ProgrammableGateArray(现场可编程门阵列)的缩写,它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。
它是专用集成电路中一种半定制电路。
具克服了传统可编程器件数有限的缺点,又具有可编程的特点。
FPGA器件是由美国XILINX公司于1985年首先推出。
一般把FPGA定义为基于查找表技术(LOOK-UPTablc,LUT)和SRAM工艺的PLD,目前的FPGA已远超出先前产品的基本功能,并且整合了许多常用功能(如RAM、时钟管理和DSP),在新型的的系统级可编程逻辑器件中还可以以IP核的形式来进行功能设计,或许只需要一块FPGA芯片就可以实现所有功能,成为片上系统。
FPGA芯片的结构如图2-1所示。
图2-2FPGA芯片结构图
近几年来FPGA有了很快的发展,按照传统观点,FPGA仅用于产品原型设计和ASIC的验证,用于大规模的数字系统开发就过于昂贵且功耗巨大。
随着FPGA的研究突破了低功率、低成本和先进工艺的瓶颈后,FPGA的应用领域日益扩张,随着功能和性能的进一步提高,FPGA应用领域已成可编程逻辑领域扩展到了高性能DSP、高性能嵌入式等领域。
[2]
2.3VHDL语言介绍
VHDL的英文全名是Very-High-SpeedIntegratedCircuitHardwareDescriptionLanguage,于1983年由美国国防部(DOD)发起创建,由IEEE(TheInstituteofElectricalandEngineers)进一步发展并在1987年作为“IEEE标准1076”发布,从此VHDL成为硬件描述语言的业界标准之一。
至IEEE公司发布了VHDL语言标准版之后,各EDA公司相继推出了自己的VHDL设计环境,或宣布自己的设计工具支持VHDl。
此后VHDL语言在电子设计领域的得到了广泛的应用,并逐步取代了原有的非标准硬件描述语言。
VHDL语言作为一个规范语言和建模语言,具有和强的电路描述和建模能力,能从多个多个层次对数字系统进行建模和描述,从而大大简化了硬件设计任务,提高了设计效率和可靠性。
VHDL具有与具体硬件无关和与设计平台无关的特性,并且具有良好的电路行为描述和系统描述能力。
用VHDL语言进行电子系统设计的最大优点是设计者专心致力于其功能的实现,而不需要对不影响功能的与工艺有关的因素花费过多的时间和精力。
其具体的流程图如图2-3所示。
图2-3VHDL语言的设计流程
2.4仿真软件介绍
本设计采用QuartusⅡ软件进行设计与仿真,QuartusII是Altera公司的综合性PLD开发软件,支持原理图、VHDL、VerilogHDL以及AHDL(AlteraHardwareDescriptionLanguage)等多种设计输入形式,内嵌自有的综合器以及仿真器,可以完成从设计输入到硬件配置的完整PLD设计流程。
QuartusII可以在XP、Linux以及Unix上使用,除了可以使用Tcl脚本完成设计流程外,提供了完善的用户图形界面设计方式。
具有运行速度快,界面统一,功能集中,易学易用等特点。
QuartusII支持Altera的IP核,包含了LPM/MegaFunction宏功能模块库,使用户可以充分利用成熟的模块,简化了设计的复杂性、加快了设计速度。
对第三方EDA工具的良好支持也使用户可以在设计流程的各个阶段使用熟悉的第三方EDA工具。
此外,QuartusII通过和DSPBuilder工具与Matlab/Simulink相结合,可以方便地实现各种DSP应用系统;支持Altera的片上可编程系统(SOPC)开发,集系统级设计、嵌入式软件开发、可编程逻辑设计于一体,是一种综合性的开发平台。
AlteraQuartusII作为一种可编程逻辑的设计环境,由于其强大的设计能力和直观易用的接口,越来越受到数字系统设计者的欢迎。
QuartusII软件的设计流程为:
设计输入、综合和编译、适配器、仿真、下载(如图2-4所示)。
图2-4QuartusⅡ软件设计流程
2.5电梯的基本结构
电梯是机与电紧密结合的复杂产品,是垂直交通运输工具中使用最普遍的一种电梯,其基本组成包括机械部份和电气部份,结构包括四大空间(机房部分、井道和底坑部分、围壁部分和层站部分)和八大系统(曳引系统、导向系统、门系统、轿厢、重量平衡系统、电力拖动系统、电气控制系统、安全保护系统)组成。
电梯基本结构如图2—1所示:
1-减速箱; 2-曳引轮;
3-曳引机底座; 4-导向轮;
5-限速器; 6-机座;
7-导轨支架; 8-曳引钢丝绳;
9-开关碰铁; 10-紧急终端开关;
11-导靴; 12-轿架;
13-轿门; 14-安全钳;
15-导轨; 16-绳头组合;
17-对重, 18-补偿链;
19-补偿链导轮; 20-张紧装置;
21-缓冲器; 22-底坑;
23-层门; 24-呼梯盒;
25-层楼指示灯; 26-随行电缆;
27-轿壁; 28-轿内操纵箱;
29-开门机; 30-井道传感器;
31-电源开关; 32-控制柜;
33-曳引电机; 34-制动器
电梯的基本结构剖视图
图2-1
2.5.1机房部分
机房用来安装曳引机、电控屏、限速器等。
机房可以设置在井道顶部,也可设置在井道底部。
当机房设于井道底部时,即为曳引机下置式曳引方式。
这种方式结构复杂,建筑物承重大,对井道尺寸要求大,只有在机房无法顶置时才使用。
对于绝大多数电梯,椭均设于井道顶部。
机房必须有足够的面积,高度、承重能力及良好的通风条件。
组成:
总电源控制盒、控制柜、曳引机、导向轮、限速器。
2.5.2井道及底坑部分
井道由围壁、顶板及底坑围成一个在纳电梯轿厢和对重的有限空间。
为了出人,在每个层站开有入口。
井道的底坑深入地面,用于安装缓冲器、限速器、钢丝绳涨紧装置等。
由于深人了地面,因此要求防水,最好有排水设施。
组成:
导轨、导轨支架、对重、缓冲器、限速器张紧装置、补偿链、随行电缆、底坑、井道照明。
2.5.3围壁部分
围壁的作用是将电梯与外界分隔开,当导轨架直接安装在围壁上时,它还应承受费切力。
围壁的结构分为封闭式和空格式。
2.5.4层站部分
层站是各楼层中,电梯停靠的地点。
每一层楼,电梯最多只有一个站;但可根据需要在某些层楼不设站。
组成:
层门(厅门)、呼梯装置(召唤盒)、门锁装置、层站开关门装置、层楼显示装置。
2.5.5曳引系统
电梯曳引系统的作用是输出动力并且传递动力,从而使电梯完成向上或向下的运
动。
电梯的曳引系统如图2—2所示:
图2-2电梯的曳引系统
曳引系统由曳引机、曳引钢丝绳、导向轮及反绳轮等组成。
曳引机是电梯的主要拖动机械,它驱动电梯的轿厢和对重装置作上、下运动,是电梯的动力源,。
曳引机由电动机、联轴器、制动器、减速箱、机座、曳引轮等组成,根据需要,有的曳引机还装有冷却风机、速度反馈装置(光码盘)、惯性轮等。
根据电动机与曳引轮之间是否有减速箱,可分为有齿曳引机和无齿曳引机。
对于有齿轮曳引机,需在曳引电动机转轴和曳引轮转轴之间安装减速器(箱),目的是将电动机轴输出的较大转速降低到曳引轮所需的较低转速,同时得到较大的曳引转矩,以适应电梯运行的要求。
制动器是电梯的一个重要安全装置,对主动转轴起制动作用。
除了安全钳以外,只有它能使工作中的电梯轿厢停止运行,另外它还对轿厢与厅门地坎平层时的准确度起着重要作用。
电梯曳引钢丝绳的两端分别与轿厢和对重装置联接,绳承受着电梯全部悬挂重量,且反复弯曲,承受很高的比压,还要频繁承受电梯起动和制动的冲击。
因此,对电梯曳引钢丝绳的强度、耐磨性和挠性均有很高的要求。
当钢丝绳的绕绳比大于1时,在轿厢顶和对重架上应增设反绳轮。
反绳轮的个数可以是1个、2个甚至3个,这与曳引比有关。
导向轮的作用是分开轿厢和对重的间距,将曳引钢丝绳引向对重或轿厢的钢丝绳轮,采用复绕型时还可增加曳引能力。
导向轮安装在曳引机架上或承重梁上。
2.5.6导向系统
导向系统由导轨、导靴和导轨架等组成。
它的作用是限制轿厢和对重的活动自由度,使轿厢和对重只能沿着导轨作升降运动。
导轨固定在导轨架上,导轨架是承重导轨的组件,与井道壁联接。
导靴装在轿厢和对重架上,与导轨配合,强制轿厢和对重的运动服从于导轨的直立方向。
2.5.7门系统
门系统由轿厢门、层门、开门机、联动机构、门锁等组成。
轿厢门设在轿厢入口,由门扇、门导轨架、门靴和门刀等组成。
层门设在层站入口,由门扇、门导轨架、门靴、门锁装置及应急开锁装置组成。
开门机设在轿厢上,是轿厢门和层门启闭的动力源。
2.5.8轿厢
轿厢用以运送乘客或货物的电梯组件。
它是由轿厢架和轿厢体组成。
轿厢架是轿厢体的承重构架,由横梁、立柱、底梁和斜拉杆等组成。
轿厢体由轿厢底、轿厢壁、轿厢顶及照明、通风装置、轿厢装饰件和轿内操纵按钮板等组成。
轿厢体空间的大小由额定载重量或额定载客人数决定。
组成:
轿厢、轿厢门、安全钳装置、平层装置、安全窗、导靴、开门机、轿内操纵箱、指层灯、通讯报警装置。
2.5.9重量平衡系统
重量平衡系统由对重和重量补偿装置组成。
对重由对重架和对重块组成。
对重将平衡轿厢自重和部分的额定载重。
重量补偿装置是补偿高层电梯中轿厢与对重侧曳引钢丝绳长度变化对电梯平衡设计影响的装置。
2.5.10电力拖动系统
电力拖动系统由曳引电机、供电系统、速度反馈装置、调速装置等组成,对电梯实行速度控制。
曳引电机是电梯的动力源,根据电梯配置可采用交流电机或直流电机。
供电系统是为电机提供电源的装置。
速度反馈装置是为调速系统提供电梯运行速度信号。
一般采用测速发电机或速度脉冲发生器,与电机相联。
调速装置对曳引电机实行调速控制。
2.5.11电气控制系统
电气控制系统由操纵装置、控制屏、位置显示装置、平层装置、选层器等组成,它的作用是对电梯的运行实行操纵和控制。
操纵装置包括轿厢内的按钮操作箱或手柄开关箱、层站召唤按钮、轿顶和机房中的检修或应急操纵箱。
控制屏安装在机房中,由各类电气控制元件组成,是电梯实行电气控制的集中组件。
位置显示装置是指轿内和层站的指层灯。
层站上一般能显示电梯运行方向或轿厢所在的层站。
选层器能起到指示和反馈轿厢位置、决定运行方向、发出加减速信号等作用。
2.5.12安全保护系统
安全保护系统包括机械和电气的各类保护系统,可保护电梯安全使用。
机械方面的有:
限速器和安全钳起超速保护作用;缓冲器起冲顶和撞底保护作用;还有切断总电源的极限保护等。
电气方面的安全保护在电梯的各个运行环节都有。
(1)安全性
电梯是运送乘客的,即使载货电梯通常也有人伴随,因此对电梯的第一要求便是安全。
电梯中设置有必要的安全措施,它们主要有:
①超速保护装置
②轿厢超越上、下极限工作位置时,切断控制电路的装置,交流电梯(除
杂物电梯)还应有切断主电路电源的装置,直流电梯在井道上、下端站前,应有强迫减速装置。
③撞底缓冲装置
④对三相交流电源应设断相保护的装置和相序保护装置
⑤应设置厅门、轿门电气联锁装置
⑥电梯因中途停电或电气系统有故障不能运行时,应有轿厢慢速移动措施
(2)可靠性
电梯的可靠性也很重要,如果一部电梯工作起来经常出故障,就会影响人们正常的生产、生活,给人们造成很大的不便。
不可靠也是事故的隐患,是不安全的起因。
要想提高电梯的可靠性,首先应提高构成电梯的各个零、部件的可靠性,只有每个零、部件都是可靠的,整部电梯才可能是可靠的。
(3)乘坐舒适感
根据人们生活中的经验证明,在运动速度不变的情况下,速度值的大小对人们的器官基本上没有什么影响,这只是指人们沿地面或空中的沿与地面平行的任意方向运动的情况而言的。
高速的升降运动就和上述运动有所不同。
这是由于在升降运动中,人体周围气压的迅速变化,对人们的器官产生影响。
例如耳膜会感到压力而嗡嗡响等等。
只要采取一定措施,这些影响是可以消除的。
所以目前电梯的运行速度虽已高达10m/s。
仍能使乘客无大的不适感。
(4)快速性
电梯作为一种交通工具,对于快速性的要求是必不可少的。
快速可以节省时间,这对于在快节奏的现代社会中的乘客是很重要的。
快速性主要通过以下方法得到:
①提高电梯额定速度
②集中布置多台电梯,通过电梯台数的增加来节省乘客候梯时间
③见面可能减少电梯起、停过程中加、减速所用的时间
(5)停站准确性
(6)电梯理想运行曲线
根据大量的研究和实验表明,人可接受的最大加速度为am≤1.5m/s2,加速度变化率ρm≤3m/s3,电梯的理想运行曲线按加速度可划分为三角形、梯形和正弦波形,由于正弦波形加速度曲线实现较为困难,而三角形曲线最大加速度和在启动及制动段的转折点处的加速度变化率均大于梯形曲线,即ρm跳变到-ρm或由-ρm跳变到ρm的加速度变化率,故很少采用,因梯形曲线容易实现并且有良好加速度变化率频繁指标,故被广泛采用。
变频器构成的电梯系统,当变频器接收到控制器发出的呼梯方向信号,变频器依据设定的速度及加速度值,启动电动机,达到最大速度后,匀速运行,在到达目的层的减速点时,控制器发出切断高速度信号,变频器以设定的减速度将最大速度减至爬行速度,在减速运行过程中,变频器能够自动计算出减速点到平层点之间的距离,并计算出优化曲线,从而能够按优化曲线运行,使低速爬行时间缩短至0.3s,在电梯的平层过程中变频器通过调整平层速度或制动斜坡来调整平层精度。
即当电梯停得太早时,变频器增大低速度值或减少制动斜坡值,反之则减少低速度值或增大制动斜坡值,在电梯到距平层位置4—10cm时,有平层开关自动断开低速信号,系统按优化曲线实现高精度的平层,从而达到平层的准确可靠。
(其速度曲线如图4—1所示)
图4-1抛物线——直线综合速度曲线
抛物线——直线综合速度曲线的加速时间的起始阶段(ta/n)和最末段(ta/n)均为抛物线形速度曲线,而中间段(n-2)ta/n为直线形的速度曲线;n为起动时间系数。
2.5.13电梯的类型
1、按使用性质分
(1)客梯:
主要用于人们在建筑物中的垂直联系。
(2)货梯:
主要用于运送货物及设备。
(3)消防电梯:
用于发生火灾、爆炸等紧急情况下作安全疏散人员和消防人员紧急救援使用。
2、按电梯行驶速度分
(1)高速电梯:
速度大于2m/s,梯速随层数增加而提高,消防电梯常用高速。
(2)中速电梯:
速度在2m/s之内,一般货梯,按中速考虑。
(3)低速电梯:
运送食物电梯常用低速,速度在1.5m/s以内。
3、其它分类
有按单台、双台分;按交流电梯、直流电梯分;按轿厢容量分;按电梯门开启方向分等。
4、观光电梯
观光电梯是把竖向交通工具和登高流动观景相结合的电梯。
透明的轿厢使电梯内外景观相互沟通。
第四章电梯控制器的设计及仿真
4.1电梯控制器的任务和要求
(1)每层电梯处设有上下请求开关,
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