Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện: Ứng dụng thuật toán bộ lọc Kalman mở rộng trong điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu không sử dụng cảm biến bằng công nghệ FPGA

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:88

Thêm vào BST

Báo xấu

14
lượt xem 4
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài "Ứng dụng thuật toán bộ lọc Kalman mở rộng trong điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu không sử dụng cảm biến bằng công nghệ FPGA" nhằm tập trung nghiên cứu thành công giải thuật điều khiển động cơ không sử dụng cảm biến. Nghiên cứu và viết toàn bộ các mã điều khiển bằng ngôn ngữ mô tả phần cứng (VHDL). Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Kỹ thuật điện: Ứng dụng thuật toán bộ lọc Kalman mở rộng trong điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu không sử dụng cảm biến bằng công nghệ FPGA

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÀNG THỊ NGA ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG TRONG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU KHÔNG SỬ DỤNG CẢM BIẾN BẰNG CÔNG NGHỆ FPGA NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN – 60520202 S K C0 0 4 6 8 4 Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH LUẬN VĂN THẠC SĨ HOÀNG THỊ NGA ỨNG DỤNG THUẬT TOÁN BỘ LỌC KALMAN MỞ RỘNG TRONG ĐIỀU KHIỂN TỐC ĐỘ ĐỘNG CƠ ĐỒNG BỘ NAM CHÂM VĨNH CỬU KHÔNG SỬ DỤNG CẢM BIẾN BẰNG CÔNG NGHỆ FPGA NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN - 60520202 Hướng dẫn khoa học: TS. NGUYỄN VŨ QUỲNH Tp. Hồ Chí Minh, tháng 10/2015
LÝ LỊCH KHOA HỌC I. LÝ LỊCH SƠ LƢỢC: Họ & tên: Hoàng Thị Nga Giới tính: Nữ Ngày, tháng, năm sinh: 29/01/1987 Nơi sinh: Hải Dương Quê quán: Thanh Miện – Hải Dương Dân tộc: Kinh Địa chỉ liên lạc: Số 10 Huỳnh Văn Nghệ - Bửu Long – Biên Hòa – Đồng Nai Điện thoại cơ quan: 0613.951.937 Điện thoại DĐ: 0946.483.187 E-mail: hoangthinga87@gmail.com II. QUÁ TRÌNH ĐÀO TẠO: 1. Đại học: Hệ đào tạo: Chính quy Thời gian đào tạo từ 10/2005 đến 10 /2009 Nơi học (trường, thành phố): Đại học Lạc Hồng Ngành học: Điện công nghiệp Tên đồ án, luận án hoặc môn thi tốt nghiệp: Nghiên cứu thiết kế máy phát điện dùng năng lượng sóng biển. Ngày & nơi bảo vệ đồ án, luận án hoặc thi tốt nghiệp: Đại học Lạc Hồng Người hướng dẫn: ThS. Nguyễn Vũ Quỳnh III. QUÁ TRÌNH CÔNG TÁC CHUYÊN MÔN KỂ TỪ KHI TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC: Thời gian Nơi công tác Công việc đảm nhiệm 12/2009- nay Đại học Lạc Hồng Giáo vụ i
LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác Tp. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 201… (Ký tên và ghi rõ họ tên) ii
LỜI CẢM TẠ Chân thành cảm ơn thầy TS. Nguyễn Vũ Quỳnh đã dành thời gian hướng dẫn, chỉnh sửa và tạo điều kiện thuận lợi để em có thể hoàn thành luận văn tốt nghiệp. Em xin chân thành cảm ơn ban Giám hiệu, quý thầy cô trường Đại học sư phạm kỹ thuật thành phố Hồ Chí Minh đã trang bị cho em những kiến thức hữu ích khi học tập tại trường. Xin cảm ơn đồng nghiệp, bạn bè đã đồng hành cùng em trong quá trình nghiên cứu. iii
TÓM TẮT Luận văn trình bày phương pháp điều khiển thông minh động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu không sử dụng cảm biến bằng công nghệ FPGA. Để làm rõ tính hiệu quả của mô hình ta thực hiện mô phỏng hệ thống. Phương pháp điều khiển thông minh này được áp dụng cho việc kiểm soát tốc độ rotor; vị trí từ thông rotor của động cơ được ước lượng bằng cách sử dụng bộ lọc Kalman mở rộng. Đầu tiên ta xây dựng mô hình toán học của động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu. Thứ hai, điều khiển và thiết kế vector không gian. Thứ ba, để giảm nhiễu và mất ổn định hệ thống thì giải pháp điều khiển thông minh được thiết kế để kiểm soát tốc độ của động cơ. Thứ tư, phương pháp điều khiển không cảm biến được ứng dụng. Thứ năm, ngôn ngữ mô phỏng phần cứng cho mạch tích hợp tốc độ rất cao (VHDL) được sử dụng để điều khiển tất cả các thành phần nói trên. Thứ sáu, thực hiện mô phỏng hệ thống bằng Matlab / Simulink và Modelsim. Cuối cùng, kết quả nổi bật của luận văn đó là ứng dụng điều khiển thông minh để điều khiển tốc độ động cơ không sử dụng cảm biến. iv
ABSTRACT This dissertation presents FPGA-realization of the intelligent controller for sensorlessPermanentMagnetSynchronousMotor(PMSM)drives. To confirm theeffectivenessoftheproposedarchitectureofsystem,theco- simulationandexperimentworksare demonstrated.Theintelligentcontrol methods are applied for controlling the rotor velocity; the rotor flux positionofPMSM isestimatedby usingextendedkalmanfilter(EKF). Inthisdissertation, amathematicalmodelof PMSMdriveisfirstlydefined.Secondly,thevectorcontrolandSVPWM aredesigned.Thirdly,tocopewithnoiseanddynamicuncertainty affectto system,the intelligentcontrolsare designedfor speedcontrol of PMSM. Fourthly, the sensorlesscontrolmethodsareapplied.Fifthly, the VeryHigh SpeedICHardware DescriptionLanguage(VHDL)by usingFiniteState Machine(FSM)method is presentedtorealize all theaforementioned controllers. Sixthly, the simulation works are performed by Matlab/SimulinkandModelsim inco-simulationmode,providedby ElectronicDesignAutomation(EDA)SimulatorLink.Finally, theoutstanding of thisresearch istoapply theintelligentcontroller insensorlessPMSM drives. v
MỤC LỤC Trang tựa TRANG Quyết định giao đề tài Lý lịch khoa học ........................................................................................................... i Lời cam đoan ...............................................................................................................ii Lời cảm tạ .................................................................................................................. iii Tóm tắt ....................................................................................................................... iv Abstract ....................................................................................................................... v Mục lục ....................................................................................................................... vi Danh sách các chữ viết tắt ....................................................................................... viii Danh mục hình ảnh .................................................................................................... ix Chƣơng 1: TỔNG QUAN ......................................................................................... 1 1.1Đặt vấn đề: ..................................................................................................... 1 1.2 Tổng quan về tình hình trong và ngoài nước: ............................................... 2 1.3 Mục tiêu nghiên cứu: .................................................................................... 2 1.4 Đối tượng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu:............................................. 3 1.5 Phương pháp nghiên cứu: ............................................................................. 3 1.6 Kết quả mà đề tài mang lại sau khi hoàn thiện ............................................. 3 Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ............................................................................. 4 2.1 Ngôn ngữ lập trình VHDL .......................................................................... 4 2.1.1 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình VHDL .................................................. 4 2.1.2 Ưu Điểm Của Ngôn Ngữ Lập Trình VHDL ....................................... 5 2.1.3Cấu trúc một mô hình hệ thống mô tả bằng VHDL: ............................ 7 2.1.4Board phát triển ứng dụng DE2 của hãng Terasic: .............................. 8 2.1.5Phần mềm lập trình Quartus II: ................................................................. 11 vi
2.2 Phương pháp điều khiển PI[1, 9] ................................................................ 12 2.3 Nghịch lưu IGBT và phương pháp điều chế vector không gian ................. 20 2.3.1 Ngịch lưu IGBT [4, 5, 11, 14] ........................................................... 20 2.3.1.1 Giới thiệu về bộ nghịch lưu ............................................. 20 2.3.1.2 Cấu trúc và nguyên lý hoạt động của bộ nghịch lưu IGBT21 2.3.2 Điều chế vector không gian [4, 5, 11, 14] ......................................... 24 2.4 Giới thiệu động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ........................................ 31 2.4.1 Giới thiệu chung: .............................................................................. 31 2.4.2 Nguyên lý cấu tạo động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu ................ 32 2.4.2.1 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi .............................. 32 2.4.2.2 Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn ............................... 34 2.4.4 Mô tả toán học ĐCĐBNCVC .......................................................... 35 2.5 Bộ lọc Kalman............................................................................................. 37 Chƣơng 3: THIẾT KẾ BỘ ĐIỀU KHIỂN ............................................................ 40 3.1 Thiết kế phần điều khiển dòng điện: [1, 4, 10] ........................................... 40 3.2 Thiết kế bộ lọc Kalman ............................................................................... 43 3.3 Thiết kế khối điều chế độ rộng xung không gian (SVPWM): [4, 5, 11, 14]50 3.4 Thiết kế bộ điều khiển PI: ........................................................................... 56 Chƣơng4: KẾT QUẢ MÔ PHỎNG....................................................................... 58 4.1 Mô phỏng: [2, 11, 13, 14]............................................................................ 58 Chƣơng 5: KẾT LUẬN ........................................................................................... 70 5.1 Kết Luận ...................................................................................................... 70 5.2 Hướng phát triển của đề tài ......................................................................... 70 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................... 71 vii
DANH SÁCH CÁC CHỮ VIẾT TẮT DSP Digital Signal Processor ĐCĐBNCVC Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu FPGA Field Programmable Gate Array IGBT Insulated Gate Bipolar Transitor SVPWM Space Vector Pulse Width Modulation VHDL Very High Speed Intergrated Circuit Hardware Description Language viii
DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 2.1: Board DE2 của hãng Terasic ......................................................................9 Hình 2.2: Board FPGA có thể kết nối tới các thiết bị ngoại vi như loa, đầu đĩa, màn hình … hỗ trợ cho người lập trình xử lý ảnh .........................................10 Hình 2.3: Board FPGA có thể lập trình bằng phần mềm Quartus II kết nối qua JTAG .. 10 Hình 2.4: Các bước thực hiện một chương trình đơn giản trong phần mềm Quartus II . 11 Hình 2.5: Đồ thị PV theo thời gian, ba giá trị Kp (Ki và Kd là hằng số)...................12 Hình 2.6: Đồ thị PV theo thời gian, tương ứng với 3 giá trị Ki (Kp và Kd không đổi) .... 14 Hình 2.7: Đồ thị PV theo thời gian, với 3 giá trị Kd (Kp and Ki không đổi) ............16 Hình 2.8: Đồ thị đặc tính của khâu PI ......................................................................18 Hình 2.9: Các quá trình quá độ điều chỉnh của quy luật PI......................................19 Hình 2.10: Kí hiệu điện tử của IGBT .......................................................................22 Hình 2.11: Cấu tạo của IGBT ...................................................................................22 Hình 2.12: Hình ảnh thực tế của khối nghịch lưu (IPM) sử dụng công nghệ IGBT của hãng Mitsubishi ...............................................................................23 Hình 2.13: Sơ đồ cấu tạo bên trong của IPM gồm 6 IGBT ......................................23 Hình 2.14: Dẫn giải hệ thức tính 𝜏1 , 𝜏2 , 𝜏0 ........................................................26 Hình 2.15: Phạm vi điều khiển tuyến tính của SVPWM .........................................28 Hình 2.16: Modul vector không gian .......................................................................30 Hình 2.17: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực lồi .......................................33 Hình 2.18: Mô hình đơn giản của động cơ đồng bộ ba pha rotor cực lồi ................33 Hình 2.19: Động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu cực ẩn ........................................34 Hình 2.20: Mô hình đơn giản của động cơ đồng bộ ba pha rotor cực ẩn .................34 ix
Hình 2.21: Tổng hợp phép toán của bộ lọc Kalman .................................................39 Hình 3.1: Sơ đồ khối của khối điều khiển dòng điện ...............................................40 Hình 3.2: Dòng điện được biến đổi thông qua phép biến đổi Clark ........................41 Hình 3.3: Dòng điện được biến đổi thông qua phép biến đổi Park ..........................41 Hình 3.4: Dòng điện được biến đổi thông qua phép biến đổi inverse park..............42 Hình 3.5: Dòng điện được biến đổi thông qua phép biến đổi Inverse clark ............42 Hình 3.6: Thiết kế bộ điều khiển dòng điện .............................................................42 Hình 3.7: Tính toán thiết kế của giảm bậc bộ lọc Kalman mở rộng ........................47 Hình 3.8: Dự đoán ma trận hiệp phương sai trong giảm bậc bộ lọc Kalman mở rộng ...48 Hình 3.9: Tính toán hệ số K và cập nhật ma trận P trong giảm bậc bộ lọc Kalman mở rộng..................................................................................................49 Hình 3.10: Ngõ ra của SVPWM được nối tới các chân a, b, c và a’, b’ c’ của khối nghịch lưu ..............................................................................................50 Hình 3.11: Trạng thái đóng cắt của các khóa điện tử công suất tạo ra tám vector điện áp để điều khiển động cơ PMSM ..................................................51 Hình 3.12: Các vector điện áp tạo ra tại các đỉnh của hình lục giác ........................53 Hình 3.13: Tính điện áp ngõ ra tại các vị trí .............................................................53 Hình 3.14: Các giá trị so sánh và dạng sóng của PWM ở ngõ ra trong mỗi góc một phần sáu của hình lục giác .....................................................................54 Hình 3.15: Giá trị điện áp cung cấp cho bộ SVPWM ..............................................54 Hình 3.16: Sơ đồ khối của bộ điều chế độ rộng xung vector không gian ................55 Hình 3.17: Cấu trúc bộ điều khiển PI .......................................................................56 Hình 3.18: Thực thi bộ điều khiển PI .......................................................................57 Hình 4.1: Sơ đồ khối để kiểm tra độ chính xác của SVPWM .................................58 x
Hình 4.2: Khối kiểm tra SVPWM được thiết kế trên Simulink/Matlab ...................59 Hình 4.3: Dạng sóng ngõ ra của khối điều chế độ rộng xung vector không gian sau khi qua bộ lọc thông thấp – mạch RC (lấy ra từ Scope PWM1) ...........59 Hình 4.4: Dạng sóng ngõ ra của khối điều chế độ rộng xung vector không gian sau khi qua hàm truyền (lấy ra từ Scope PWM2) ........................................59 Hình 4.6: Sơ đồ khối kiểm tra độ chính xác của SVPWM có hồi tiếp góc quay của động cơ ..................................................................................................60 Hình 4.7: Mô hình kiểm tra SVPWM khi đối tượng điều khiển là động cơ trên Simulink/Matlab ....................................................................................61 Hình 4.8: Tốc độ động cơ (lấy từ rotor speed) .........................................................61 Hình 4.9: Lực moment trên trục của động cơ (lấy từ rotor torque) .........................61 Hình 4.10: Dòng điện ba pha của động cơ (lấy từ three phase stator current) .........62 Hình 4.11: Sơ đồ khối kiểm tra độ chính xác của hệ thống có một vòng hồi tiếp ...62 Hình 4.12: Mô hình kiểm tra trên Simulink/Matlab với một vòng hồi tiếp tốc độ động cơ ..................................................................................................63 Hình 4.13: Tốc độ động cơ (lấy từ rotor speed) .......................................................63 Hình 4.14: Lực moment trên trục của động cơ (lấy từ torque) ................................63 Hình 4.15: Dòng điện ba pha của động cơ (lấy từ stator current) ............................64 Hình 4.16: Tín hiệu điều khiển ở ngõ ra của bộ điều khiển tốc độ (lấy từ speed out) ..... 64 Hình 4.17: Sơ đồ khối của bộ điều khiển hoàn chỉnh ..............................................65 Hình 4.18: Mô hình mô phỏng bộ điều khiển có hai vòng hồi tiếp .........................65 Hình 4.19: Tốc độ động cơ (lấy từ rotor speed) .......................................................66 Hình 4.20: Lực moment trên trục của động cơ (lấy từ torque) ................................66 Hình 4.21: Góc quay của động cơ (lấy từ address) ..................................................66 xi
Hình 4.22: Dòng điện ba pha của động cơ (lấy từ stator current) ............................66 Hình 4.23: Tín hiệu điều khiển ở ngõ ra của bộ điều khiển tốc độ (lấy từ speed out) ..... 67 Hình 4.24: Mô hình Simulink / ModelSim mô phỏng của hệ thống điều khiển không cảm biến......................................................................................68 Hình 4.25: Điều khiển tốc độ rotor thực tế và ước tính tốc độ rotor cho động cơ không cảm biến bằng cách giảm bậc bộ lọc Kalman mở rộng..............68 Hình 4.26: Đáp ứng rotor tại tốc độ 500rpm và 1500rpm khi sử dụng giảm bậc bộ lọc Kalman mở rộng ..............................................................................69 xii
Luận văn thạc sỹ GVHD: TS Nguyễn Vũ Quỳnh Chƣơng 1: TỔNG QUAN 1.1 Đặt vấn đề: Động cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu được ứng dụng rất nhiều trong lĩnh vực công nghiệp chế tạo như máy cắt gọt kim loại, máy đóng gói, máy gia công chính xác, robot; vì vậy bộ điều khiển của động cơ đóng một vai trò rất quan trọng. Hiện nay với khả năng thiết kế các bộ điều khiển hiện đại, nhờ cải tiến, ứng dụng không ngừng các bộ biến đổi bán dẫn công suất lớn, động cơ xoay chiều đã trở thành một đối tượng điều khiển có nhiều ưu thế và vì vậy, rất nhiều các hệ điều khiển đã sử dụng động cơ xoay chiều không đồng bộ, đồng bộ như một đối tượng điều khiển có nhiều ưu điểm vượt trội. Chất lượng các hệ điều khiển truyền động điện phụ thuộc rất nhiều vào các bộ điều khiển, ở đó hệ thống phải tạo ra được khả năng thay đổi tốc độ với phạm vi điều chỉnh rộng, độ chính xác của đại lượng điều chỉnh ở chế độ tĩnh cao để tạo nên vùng làm việc với sai số nhỏ, hệ làm việc với bất cứ quá trình quá độ nào cũng đạt được độ ổn định cao và hệ có khả năng đáp ứng nhanh với yêu cầu điều chỉnh. Tất cả những điều này thực sự đã đặt ra những yêu cầu càng ngày càng khắt khe hơn cho các hệ thống điều khiển tự động. Để giải quyết những vấn đề trên người ta đã nghiên cứu và áp dụng nhiều lý thuyết điều khiển, mỗi một phương pháp điều có những mặt mạnh, mặt yếu nhưng nhìn chung ở mỗi hệ thống khi đã lựa chọn phương án điều khiển nào thì người thiết kế đều đạt được những kết quả nhất định cho mục đích của mình. Hiện nay, để điều khiển các hệ truyền động điện người ta đã áp dụng một số các lý thuyết tiêu biểu như: Phương pháp điều chỉnh thích nghi, điều khiển trượt, mạng nơron nhân tạo, hệ mờ (Fuzzy)…và một số hệ điều khiển lai. 1
Luận văn thạc sỹ GVHD: TS Nguyễn Vũ Quỳnh Việc sử dụng động cơ đồng bộ kích từ bằng nam châm vĩnh cửu trong công nghiệp ngày càng gia tăng mạnh vì những ưu điểm như tốc độ nhanh, độ chính xác cao… và hiện tại các hệ thống đa phần sử dụng cảm biến, encoder quang để đo tốc độ và hồi tiếp về bộ điều khiển, điều này góp phần làm cho giá thành của hệ thống tăng cao. Chính vì những ưu điểm đó, tác giả đã quyết định chọn đề tài “Ứng dụng thuật toán bộ lọc Kalman mở rộng trong điều khiển tốc độ động cơ đồng bộ nam châm vĩnh cửu không sử dụng cảm biến bằng công nghệ FPGA”. Đề tài thực hiện thành công sẽ mở ra một hướng điều khiển chính xác tốc độ động cơ nhưng không sử dụng cảm biến làm giúp giảm giá thành sản phẩm, giảm kích thước, giảm nhiễu xâm nhập vào hệ thống giúp cho hệ thống đạt được tối ưu hơn. 1.2 Tổng quan về tình hình trong và ngoài nƣớc: Đã có một số đơn vị ngoài nước tiến hành nghiên cứu nhưng hệ thống được thiết kế dựa trên bộ xử lý tín hiệu số chuyên dụng (DSP), đảm bảo độ chính xác cao nhưng giá thành tốn kém. Thông qua các tạp chí, các hội nghị nghiên cứu trong nước và tìm kiếm thông tin trên mạng internet, tác giả vẫn chưa thấy phương pháp điều khiển động cơ không sử dụng cảm biến dựa trên công nghệ FPGA được nghiên cứu và công bố tại Việt Nam. 1.3 Mục tiêu nghiên cứu: Tập trung nghiên cứu thành công giải thuật điều khiển động cơ không sử dụng cảm biến. Nghiên cứu và viết toàn bộ các mã điều khiển bằng ngôn ngữ mô tả phần cứng (VHDL) 2
Luận văn thạc sỹ GVHD: TS Nguyễn Vũ Quỳnh 1.4 Đối tƣợng nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu: Tác giả tập trung chính vào phương pháp điều khiển động cơ PI, thuật toán điều khiển không sử dụng cảm biến. Sử dụng ngôn ngữ mô phỏng phần cứng để lập trình, mô phỏng kiểm tra tất cả các thông số của hệ thống. 1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu: Tìm hiểu toàn bộ các nguyên lý hoạt động của động cơ, của bộ điều khiển FPGA để thiết kế bộ điều khiển tốc độ, bộ điều khiển dòng điện. Mô phỏng toàn bộ các quy trình thiết kế nhằm tìm ra các lỗi để khắc phục 1.6 Kết quả mà đề tài mang lại sau khi hoàn thiện Trong thời buổi kinh tế thị trường hiện nay, nhu cầu cần các loại máy có khả năng tạo ra các sản phẩm có độ chính xác cao nhưng chi phí giá thành rẻ là rất cần thiết. Sau khi hoàn thiện đề tài có thể áp dụng ngay vào trong lĩnh vực điều khiển các cánh tay robot, máy móc đòi hỏi độ chính xác cao… Bên cạnh đó nguồn nhân lực về thiết kế IC chuyên dụng cũng đang là yêu cầu cấp bách của xã hội, tác giả đề ra được các bước thực hiện và sẽ mô tả chi tiết trong toàn văn giải pháp, tài liệu này có thể sử dụng để huấn luyện cho sinh viên, những người yêu thích lập trình thiết kế chip một tài liệu tham khảo hữu ích trong quá trình học tập. 3
Luận văn thạc sỹ GVHD: TS Nguyễn Vũ Quỳnh Chƣơng 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Ngôn ngữ lập trình VHDL 2.1.1 Giới thiệu ngôn ngữ lập trình VHDL VHDL là viết tắt của cụm từ Very High Speed Intergrated Circuit Hardware Description Languagengôn ngữ mô phỏng phần cứng cho các mạch tích hợp tốc độ rất cao. VHDL là ngôn ngữ mô phỏng phần cứng được phát triển dùng cho chương trình VHSIC (Very High Speed Intergrated Circuit) của bộ quốc phòng Mỹ. Mục tiêu của việc phát triển VHDL là có được một ngôn ngữ mô phỏng phần cứng tiêu chuẩn và thống nhất cho phép phát triển thử nghiệm các hệ thống số nhanh hơn cũng như cho phép dễ dàng đưa các hệ thống đó vào ứng dụng trong thực tế. Ngôn ngữ VHDL được ba công ty Intermetics, IBM và Texas Instruments bắt đầu nghiên cứu phát triển vào 7/1983. Phiên bản đầu tiên được công bố vào 8/1985. Sau đó VHDL được đề xuất để tổ chức IEEE xem xét thành một tiêu chuẩn. Năm 1987, đã đưa ra tiêu chuẩn về VHDL – tiêu chuẩn IEEE-1076-1987. VHDL được phát triển để giải quyết các khó khăn trong việc phát triển, thay đổi và lập tài liệu cho các hệ thống số. Như ta đã biết, một hệ thống số có rất nhiều tài liệu mô tả. Ðể có thể vận hành bảo trì sửa chữa một hệ thống ta cần tìm hiểu tài liệu đó kỹ lưỡng. Với một ngôn ngữ mô phỏng phần cứng tốt việc xem xét các tài liệu mô tả trở nên dễ dàng hơn vì bộ tài liệu đó có thể được thực thi để mô phỏng hoạt động của hệ thống. Như thế ta có thể xem xét toàn bộ các phần tử của hệ thống hoạt động trong một mô hình thống nhất. Trước khi VHDL ra đời, có nhiều ngôn ngữ mô phỏng phần cứng được sử dụng nhưng không có một tiêu chuẩn thống nhất. Các ngôn ngữ mô phỏng phần cứng đó 4
Luận văn thạc sỹ GVHD: TS Nguyễn Vũ Quỳnh được phát triển để phục vụ các bộ mô phỏng chạy chúng. Vì các ngôn ngữ mô phỏng phần cứng đó được các nhà cung cấp thiết bị phát triển, nên mang các đặc trưng gắn với các thiết bị của nhà cung cấp đó và thuộc sở hữu của nhà cung cấp. Trong khi đó, VHDL được phát triển như một ngôn ngữ độc lập không gắn với bất kỳ một phương pháp thiết kế, bộ mô phỏng hay công nghệ phần cứng nào. Người thiết kế có thể tự do lựa chọn công nghệ, phương pháp thiết kế trong khi vẫn sử dụng một ngôn ngữ duy nhất.[1] 2.1.2Ƣu Điểm Của Ngôn Ngữ Lập Trình VHDL Tính công cộng: VHDL được phát triển dưới sự bảo trợ của chính phủ Mỹ và hiện nay là một tiêu chuẩn của IEEE, VHDL không thuộc sở hữu của bất kỳ cá nhân hay tổ chức nào. Do đó VHDL được hỗ trợ của nhiều nhà sản xuất thiết bị cũng như nhiều nhà cung cấp công cụ thiết kế mô phỏng hệ thống. Ðây là một ưu điểm nổi bật của VHDL, giúp VHDL trở nên ngày càng phổ biến. Khả năng hỗ trợ nhiều công nghệ và phương pháp thiết kế: VHDL cho phép thiết kế bằng nhiều phương pháp như phương pháp thiết kế từ trên xuống, hay từ dưới lên dựa vào các thư viện có sẵn. VHDL cũng hỗ trợ cho nhiều loại công nghệ xây dựng mạch như sử dụng công nghệ đồng bộ hay không đồng bộ, sử dụng ma trận lập trình được hay sử dụng mảng logic ngẫu nhiên. Như vậy VHDL có thể phục vụ tốt cho nhiều mục đích thiết kế khác nhau, từ việc thiết kế các phần tử phổ biến đến việc thiết kế các IC ứng dụng đặc biệt (Application Specified IC). Ðộc lập với công nghệ: VHDL hoàn toàn độc lập với công nghệ chế tạo phần cứng. Một mô tả hệ thống 5
Luận văn thạc sỹ GVHD: TS Nguyễn Vũ Quỳnh dùng VHDL thiết kế ở mức cổng có thể được chuyển thành các bản tổng hợp mạch khác nhau tuỳ thuộc vào công nghệ chế tạo phần cứng nào được sử dụng (dùng CMOS, nMOS, hay GaAs). Ðây cũng là một ưu điểm quan trọng của VHDL nó cho phép người thiết kế không cần quan tâm đến công nghệ phần cứng khi thiết kế hệ thống, như thế khi có một công nghệ chế tạo phần cứng mới ra đời nó có thể được áp dụng ngay cho các hệ thống đã thiết kế. Khả năng mô tả mở rộng: VHDL cho phép mô tả hoạt động của phần cứng từ mức hệ thống số (hộp đen) cho đến mức cổng. VHDL có khả năng mô tả hoạt động của hệ thống trên nhiều mức nhưng chỉ sử dụng một cú pháp chặt chẽ thống nhất cho mọi mức. Như thế ta có thể mô phỏng một bản thiết kế bao gồm cả các hệ con được mô tả ở mức cao và các hệ con được mô tả chi tiết. Khả năng trao đổi kết quả: Vì VHDL là một tiêu chuẩn được chấp nhận, nên một mô hình VHDL có thể chạy trên mọi bộ mô phỏng đáp ứng được tiêu chuẩn VHDL-các kết quả mô tả hệ thống có thể được trao đổi giữa các nhà thiết kế sử dụng công cụ thiết kế khác nhau nhưng cùng tuân theo chuẩn VHDL. Cũng như, một nhóm thiết kế có thể trao đổi mô tả mức cao của các hệ thống con trong một hệ thống; trong khi các hệ con đó được thiết kế độc lập. Khả năng hỗ trợ thiết kế mức lớn và khả năng sử dụng lại các thiết kế: VHDL được phát triển như một ngôn ngữ lập trình bậc cao, vì vậy nó có thể sử dụng để thiết kế một hệ thống lớn với sự tham gia của một nhóm nhiều người. Bên trong ngôn ngữ VHDL có nhiều tính năng hỗ trợ việc quản lý, thử nghiệm và chia sẻ thiết kế. VHDL cũng cho phép dùng lại các phần đã có sẵn. 6