基于FPGA的電機(jī)伺服器設(shè)計(jì)

肜瑤，張真,呂路靜

（黃河科技學(xué)院 河南 鄭州 450063）

基于FPGA的電機(jī)伺服器設(shè)計(jì)

肜瑤，張真,呂路靜

（黃河科技學(xué)院 河南 鄭州 450063）

文中針對(duì)傳統(tǒng)的8位單片機(jī)由于計(jì)算功能等條件限制和系統(tǒng)內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)各種高效的控制算法和先進(jìn)的電機(jī)控制理論時(shí)面臨的著成本高，系統(tǒng)復(fù)雜程度高等問(wèn)題。該設(shè)計(jì)采用模糊比例算法，即在大范圍內(nèi)采用模糊控制，以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，建立系統(tǒng)模型。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA的數(shù)字電子系統(tǒng)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，以硬件電路算法實(shí)現(xiàn)算法程序，將原來(lái)的電路板級(jí)產(chǎn)品集成為芯片級(jí)產(chǎn)品，為電動(dòng)機(jī)數(shù)字控制提供了一種新的有效方法。該設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)：低功耗，可靠性高，低成本。

電機(jī)；FPGA;功耗;模糊比例算法

隨著工業(yè)電氣化、自動(dòng)控制和家電產(chǎn)品領(lǐng)域?qū)﹄姍C(jī)控制產(chǎn)品的增加，對(duì)電機(jī)控制技術(shù)的要求也不斷提高。傳統(tǒng)的8位單片機(jī)由于計(jì)算功能等條件限制和系統(tǒng)內(nèi)部體系結(jié)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)各種高效的控制算法和先進(jìn)的電機(jī)控制理論時(shí)遇到了挑戰(zhàn)。使用高性能的數(shù)字信號(hào)處理器（DSP）來(lái)解決電機(jī)控制器不斷增加的速度需求和計(jì)算量是目前最為普遍的做法。將一系列外圍設(shè)備如脈沖調(diào)制發(fā)生器、數(shù)字信號(hào)處理器和A/D轉(zhuǎn)換器集成在一起組成復(fù)雜的電機(jī)控制系統(tǒng)。這種方法有著成本高，系統(tǒng)復(fù)雜程度高等缺點(diǎn)。

所以電機(jī)控制器經(jīng)歷了從模擬控制器到數(shù)字控制器的發(fā)展。由于模擬器件的參數(shù)受外界影響較大，比如溫度，濕度，因此精度比較差。然而數(shù)字控制器具有可靠性高、更改控制靈活、控制精度高、參數(shù)調(diào)整方便、對(duì)環(huán)境因素不敏感等優(yōu)點(diǎn)。

隨著EDA技術(shù)的發(fā)展，用基于現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA的數(shù)字電子系統(tǒng)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，這是實(shí)現(xiàn)電機(jī)數(shù)字控制器的一種有效方法。

1 系統(tǒng)的控制原理

1.1 電機(jī)調(diào)速控制原理

根據(jù)他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性：

由公式可知電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)的參數(shù)有關(guān)，可以通過(guò)改變電機(jī)的外加電壓（U）、外串電阻（R）、和磁通（Φ）來(lái)改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

1)通過(guò)改變電阻R改變轉(zhuǎn)速n的方法，這種方法過(guò)于麻煩，而且經(jīng)濟(jì)性不好，調(diào)速范圍太小。

2)通過(guò)改變磁通來(lái)改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種調(diào)速方法調(diào)速范圍過(guò)小，不適用于該系統(tǒng)。

3)通過(guò)改變電動(dòng)機(jī)電樞外加電壓的方法來(lái)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。該方法可操作性強(qiáng)，調(diào)速范圍大便于實(shí)現(xiàn)。綜上所述，系統(tǒng)采用調(diào)壓調(diào)速的方法。

1.2 PWM控制原理

隨著微控制進(jìn)入控制領(lǐng)域，以及新型的電力電子器件的不斷出現(xiàn)，使的采用全控制的開(kāi)關(guān)功率元器件進(jìn)行脈沖調(diào)制PWM控制方式成為主流。這種控制方式很容易在微控制器中實(shí)現(xiàn)，從而為直流電動(dòng)機(jī)控制數(shù)字化提供了契機(jī)[1]。

圖1和圖2分別為PWM控制原理圖和輸入/輸出電壓波形。

圖1 PWM控制原理圖Fig.1 PWM control principle diagram

圖2 PWM控制電壓波形圖Fig.2 Voltage PWM control waveform figure

由圖可知，當(dāng)MOSFET的柵極輸入電壓為高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，直流電動(dòng)機(jī)兩端有電壓Us。t1秒后，柵極輸入電壓變?yōu)榈碗娖剑_(kāi)關(guān)管截止，電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓為0，t2秒后，柵極輸入電壓重新變?yōu)楦唠娖?，開(kāi)關(guān)管的動(dòng)作重復(fù)前面的過(guò)程，電動(dòng)機(jī)的電樞繞組兩端的平均電壓Uo為

式中，——α占空比。

由式可知，當(dāng)電源電壓一定時(shí)，電樞的端電壓的平均值Uo由占空比決定，可以通過(guò)改變的大小，達(dá)到調(diào)速的目的。PWM調(diào)速的調(diào)整有3種方法：定寬調(diào)頻法、調(diào)寬調(diào)頻法和定頻調(diào)寬法。其中，前兩種方法需要改變脈沖頻率，可能引起系統(tǒng)振蕩。目前，在直流電機(jī)的控制中，主要是用定頻調(diào)寬法，即保持頻率不變，而同時(shí)改變t1和t2[2]。

2 算法設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用模糊比例算法，即在大范圍內(nèi)采用模糊控制，以提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度；在小范圍內(nèi)采用比例控制，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)控制精度。通過(guò)調(diào)整各項(xiàng)系數(shù)，使系統(tǒng)達(dá)到最優(yōu)，即響應(yīng)速度快、控制精度高。

同時(shí)引入前饋控制，前饋控制能有效提高系統(tǒng)對(duì)輸入信號(hào)的響應(yīng)速度，部分消除被控對(duì)象的積分滯后影響，從而使系統(tǒng)迅速消除偏差，并提高系統(tǒng)帶寬。

2.1 電機(jī)模型建立

直流電機(jī)中空載轉(zhuǎn)速為4 100 r/min，減速比為1/160，額定電壓為56 V，額定電流不大于12 A，功率為500 W。忽略電樞電感及黏性阻尼系數(shù)，以電樞電壓為輸入變量，電機(jī)轉(zhuǎn)速為輸出變量的直流伺服電動(dòng)機(jī)的傳遞函數(shù)可化簡(jiǎn)為：

2.2 模糊算法

當(dāng)誤差大于1.2 V時(shí)，采用模糊控制。模糊控制采用單輸入，單輸出結(jié)構(gòu)，即以誤差信號(hào)為輸入信號(hào)，控制信號(hào)為輸出信號(hào)。當(dāng)誤差大于1.2 V時(shí)，電機(jī)全速轉(zhuǎn)動(dòng)。

2.3 比例算法

比例算法的控制函數(shù)為:

式中，Kp—比例系數(shù)。

比例算法控制器的作用是成比例的反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)error（t），偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減小偏差。

采用微處理器，需引入數(shù)字比例控制，即以一系列采樣時(shí)刻點(diǎn)kT代表連續(xù)時(shí)間t，其中，T為采樣周期，k為采樣序號(hào)。代入上式后變?yōu)椋?/p>

將T歸一化為1后，可將u1(kT)簡(jiǎn)記為u1(k)。這樣得到離散比例表達(dá)式：

2.4 系統(tǒng)模型的建立

根據(jù)系統(tǒng)模型，驗(yàn)證系統(tǒng)算法，在MATLAB的Simulink中建立系統(tǒng)算法理論模型。

實(shí)際算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)不加人積分項(xiàng)，系統(tǒng)靜差也為零，故最后實(shí)現(xiàn)方案時(shí)未采用PI算法，只采用了比例算法。

對(duì)于模糊算法，由于只在大范圍內(nèi)采用，而系統(tǒng)的細(xì)調(diào)則采用比例算法，因此為提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，未對(duì)模糊控制范圍進(jìn)行分類(lèi)，而是利用其控制思想，當(dāng)指令與反饋誤差大于一定值時(shí)，電機(jī)全速運(yùn)行。實(shí)際控制中，也體現(xiàn)了這種算法的優(yōu)點(diǎn)。引入前饋算法，是為提高響應(yīng)速度，增加系統(tǒng)帶寬，實(shí)際控制也證明了這一點(diǎn)。

最后需要說(shuō)明的是，此仿真只能為實(shí)際控制參數(shù)的選取提供定性的指導(dǎo)，而不能提供定量的數(shù)據(jù)，所有最后確定的數(shù)據(jù)都是通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到的。但仿真仍為算法的實(shí)現(xiàn)提供了很大的幫助，仿真中對(duì)參數(shù)的定性分析，最后都在實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證。

3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

直流電機(jī)伺服器硬件電路主要由FPGA控制器、數(shù)據(jù)采集電路、過(guò)流保護(hù)電路、隔離電路、驅(qū)動(dòng)電路等組成。各個(gè)模塊在中央控制器FPGA的控制下協(xié)調(diào)工作。

3.1 硬件電路機(jī)構(gòu)圖

直流電機(jī)伺服器硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 電動(dòng)機(jī)伺服器結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Motor server structure

3.2 FPGA控制器

現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 （Field Programmable Gate Array，F(xiàn)PGA）器件集成度高、體積小、具有通過(guò)用戶編程實(shí)現(xiàn)專門(mén)應(yīng)用的功能。使用FPGA器件可以大大縮短系統(tǒng)的研制周期，減小資金投入。更吸引人的是，采用FPGA器件可以將原來(lái)的電路板級(jí)產(chǎn)品集成為芯片級(jí)產(chǎn)品，從而降低了功耗，提高了可靠性，同時(shí)還可以很方便地對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行在線修改[3-9]。

本設(shè)計(jì)采用的可編程邏輯芯片為Altera公司的FLEX10K系列的EPF10K10LC84-4芯片，它具有高密度、低成本、低功耗、靈活的內(nèi)部連接和強(qiáng)大的I/O引腳功能等特點(diǎn)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)原理

伺服驅(qū)動(dòng)器系統(tǒng)軟件能完成電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停轉(zhuǎn)、加減速等控制功能。

圖4 系統(tǒng)圖案件流程圖Fig.4 System diagram case flow chart

在本系統(tǒng)中采用混合編輯法設(shè)計(jì)各個(gè)模塊，采用VHDL語(yǔ)言描述各模塊功能，系統(tǒng)軟件流程圖如圖4所示。整個(gè)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的電路圖由AD1674控制模塊、ADC0809控制模塊、反饋控制模塊、前饋控制模塊和PWM波生成模塊等組成。

5 結(jié)論

整個(gè)系統(tǒng)由數(shù)字電路、模擬電路構(gòu)成，包含有強(qiáng)電、弱電電路元件，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在設(shè)計(jì)過(guò)程中采取了不少保護(hù)措施，例如增加保護(hù)電路等，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。所以，可以說(shuō)目前硬件電路工作穩(wěn)定、可靠，系統(tǒng)軟件內(nèi)部設(shè)置各種保護(hù)措施，控制芯片自身抗干擾能力強(qiáng)，系統(tǒng)在可靠性方面完全達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

采用高集成度芯片，保證了整個(gè)電路所采用外圍器件較少，同時(shí)系統(tǒng)體積也較小，這樣既減少了電路出現(xiàn)問(wèn)題的排錯(cuò)時(shí)間，也降低了系統(tǒng)的維護(hù)難度，便于維護(hù)。

本系統(tǒng)的元器件完全符合國(guó)標(biāo)及相關(guān)文件所規(guī)定的安全性要求，采用了高穩(wěn)定、高可靠性的主芯片EPF10K10LC84-4FPGA芯片，安全性能良好。

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Design of the servo motor based on the FPGA

TONG Yao,ZHANG Zhen,LV Lu-jing
（Huanghe S&T College,Zhengzhou 450063,China）

This article in view of the traditional 8-bit MCU due to constraints such as computing functions and system architecture,in the implementation of effective control algorithm and the advanced motor control theory in the period of high cost, high system complexity.This design this design adopts the fuzzy proportional algorithm,the fuzzy control in large scale,in order to improve the system dynamic response speed of the system model is established.Through the field programmable gate array FPGA digital electronic system to control the motor,with hardware circuit implementation algorithm program,the original integration for chip-level circuit board level products,digital control for motor provides a new effective method.The design of advantages:low power consumption,high reliability,low cost.

electric machinery;FPGA;power waste;fuzzy proportional algorithm

TN919

A

1674－6236（2015）10-0072-03

2014-08-29 稿件編號(hào)：201408182

鄭州市無(wú)線與移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（121PCXTD511）

肜 瑤(1980—)，女，河南南陽(yáng)人，碩士，講師。研究方向：電子信息工程、儀器儀表科學(xué)與技術(shù)。