基于FPGA的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)研究

中北大學(xué) 李宇超 謝 銳 張 悅

1 引言

電動(dòng)機(jī)作為最主要的動(dòng)力源，在生產(chǎn)和生活中占有重要的地位[1]。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)與計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，使直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的精度，動(dòng)態(tài)性能，可靠性有了更大的提高[2]。因此，對(duì)于電機(jī)控制的研究已成為當(dāng)今的一個(gè)熱點(diǎn)。本文簡(jiǎn)述闡述了FPGA工作原理，以FPGA作為控制核心器件與相關(guān)電路實(shí)現(xiàn)對(duì)無刷直流電機(jī)的控制。通過建模仿真，結(jié)果驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)無刷直流電機(jī)控制電路的可行性。

2 控制系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

FPGA主芯片采用Al t er a公司EP2C8Q208C8芯片的電機(jī)控制器，該芯片作為Cycl one‖系列芯片，增加了DSP模塊功能，在芯片總體性能上要優(yōu)于Cycl one系列器件[5]?？刂葡到y(tǒng)總體流程結(jié)構(gòu)，如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)流程圖

配置電路模塊：配置芯片選用Al t er a公司的串行配置芯片EPCS4S18N，剩余的存儲(chǔ)空間可用于存儲(chǔ)用戶數(shù)據(jù)。配置模式采用JTAG和AS兩種模式。

電源電路模塊：電路板的電源由黑色3.5mm的DC插座引入，能提供1A或以上的5V直流穩(wěn)壓電源。外部電源經(jīng)過LDO芯片，轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的1.2V為FPGA提供VCCINT電源、3.3V電壓為FPGA提供VCCIO電源和其他的芯片及電路的工作電源。

時(shí)鐘電路模塊：時(shí)鐘控制方面，板載50MHz有源晶振，為系統(tǒng)提供精準(zhǔn)的時(shí)鐘源；同時(shí)還留有一個(gè)晶振的焊位，為用戶加入其它頻率的時(shí)鐘源提供了便利。

存儲(chǔ)器電路：存儲(chǔ)器電路部分主要包括SDRAM、SRAM、和FLASH。本文中在采用的FLASH芯片為AMD公司的AM29LV320DB-90，容量為4MB，數(shù)據(jù)寬度為16位。

3 具體實(shí)現(xiàn)

通過軟件建立無刷直流電機(jī)模型，在Quar t usⅡ環(huán)境下對(duì)各模塊進(jìn)行了仿真分析以檢驗(yàn)其正確性，最后通過Model sim對(duì)整個(gè)無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的控制效果進(jìn)行了驗(yàn)證分析，得到電機(jī)的仿真結(jié)果。在保證電機(jī)正常工作即key1按下的情況下，key2按下時(shí)，F(xiàn)_R=1，此時(shí)電機(jī)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)，key2未按下時(shí)，F(xiàn)_R=0，此時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)。此時(shí)Is的輸入情況，顯示電機(jī)是否key=1,key2=1,Is=0,F_R=1,BRK=0,FAULT=1,使能端EN=1有效，電機(jī)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)，此時(shí)電機(jī)正常工作，無過電流，電機(jī)不剎車，不報(bào)錯(cuò)，相應(yīng)仿真圖如圖2所示。

圖2 電機(jī)實(shí)現(xiàn)正轉(zhuǎn)仿真波形

圖3 電機(jī)實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)仿真波形

key=1,key2=0,Is=0,F_R=0,BRK=0,FAULT=1,使能端EN=1有效，電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)反轉(zhuǎn)，此時(shí)電機(jī)正常工作，無過電流，電動(dòng)機(jī)不剎車，不報(bào)錯(cuò)，相應(yīng)仿真圖如圖3所示。

當(dāng)電機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，通過PWM調(diào)制改變電樞端的輸入電壓來實(shí)現(xiàn)速度的控制，選取合適頻率的晶振，此處晶振的輸出時(shí)鐘作為信號(hào)cl ock，輸入的數(shù)字量由key3按鍵來實(shí)現(xiàn)，key3的第0位完成加1功能，key3的第1位完成減1功能。輸出信號(hào)out，通過觀察波形進(jìn)行檢測(cè)，仿真波形如圖4所示。

圖4 控制電機(jī)轉(zhuǎn)速仿真波形

4 結(jié)語

本文對(duì)電機(jī)的系統(tǒng)構(gòu)成與工作原理進(jìn)行了分析，設(shè)計(jì)一種無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)，采用FPGA作為系統(tǒng)的控制芯片，實(shí)現(xiàn)無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制的控制方法。仿真結(jié)果表明通過設(shè)計(jì)能夠很好地控制無刷直流電動(dòng)機(jī)，夠滿足無刷直流電機(jī)控制性能要求。相比較傳統(tǒng)使用單片機(jī)及接口電路來控制電動(dòng)機(jī)而言，簡(jiǎn)化了外圍控制電路，節(jié)約成本，靈活性更高，應(yīng)用更加廣泛。

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