基于FPGA的直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)設(shè)計

張建祥++陸輝山

【摘 要】為了提高直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)的靜態(tài)調(diào)節(jié)精度和動態(tài)范圍，以FPGA為核心開發(fā)了電機(jī)控制系統(tǒng)，設(shè)計了數(shù)據(jù)采集電路和隔離驅(qū)動電路，控制策略采用速度、位置、電流三環(huán)控制，并用Verlog HDL語言實現(xiàn)了控制算法。此方案增強(qiáng)了電機(jī)負(fù)載能力和響應(yīng)特性，在電機(jī)控制領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】直流電機(jī)；FPGA；Verlog HDL

Control System of DC Motor Design based on FPGA

ZHANG Jian-xiang1 LU Hui-shan1，2

（1.School of Mechanical and Power Engineering， North University of China， Taiyuan Shanxi 030051， China；

2.Key Laboratory of Advanced Manufacturing Technology in Shanxi Province， North University of China， Taiyuan Shanxi 030051， China）

【Abstract】Regulate the accuracy and dynamic state scope for the sake of the static state of the exaltation direct current electrical engineering servocontrol system， Taking FPGA as the core developped the electrical engineering control system， Designed a data to collect the electric circuit and insulation to drive electric circuit， Control strategy adoption speed，position，electric current three wreath controls， Counteract the language of Verlog HDL carried out the control calculate way， This project strengthenned the electrical engineering load ability with respond to characteristic， control in the electrical engineering the realm have vast of applied foreground.

【Key words】BLDCM； FPGA；Verlog HDL

0 引言

無刷直流電機(jī)（Brushless Direct Current Motor，BLDCM）是伴隨永磁材料、微控制器、電力電子等技術(shù)迅速發(fā)展起來的一種新型電動機(jī)[1]。無刷直流電機(jī)將永久磁鋼安裝在轉(zhuǎn)子上，無勵磁損耗；同時將發(fā)熱的電樞繞組安裝在定子上，散熱容易，它不但保持了傳統(tǒng)直流電機(jī)優(yōu)良的調(diào)速性能，還具有交流電機(jī)運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點，同時無換相火花和勵磁損耗。正是具有這些優(yōu)點，無刷直流電動機(jī)在家用電器、音像設(shè)備、汽車、醫(yī)療設(shè)備、電動車以及機(jī)器人等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

在實際應(yīng)用中，電機(jī)已由過去簡單的起停控制、提供動力為目的，上升到對速度、位置、轉(zhuǎn)矩等進(jìn)行精確的控制。電機(jī)控制器也經(jīng)歷了從模擬控制器到數(shù)字控制器的發(fā)展過程，數(shù)字控制器具有可靠性高、參數(shù)調(diào)整方便、控制精度高等優(yōu)點，其中基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的數(shù)字電子系統(tǒng)對電機(jī)進(jìn)行控制，為實現(xiàn)電機(jī)數(shù)字控制提供了一種新的解決方案[2]。

1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計

直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)主要由FPGA及其外圍電路、隔離電路、過流保護(hù)電路、數(shù)據(jù)采集電路等組成。其硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)硬件框圖

本設(shè)計所采用的可編程邏輯芯片為Altera公司Cyclone II系列的EP3CLS200芯片[3]，該器件具有200K邏輯單元、8Mb嵌入式存儲器和891個嵌入式乘法器，廣泛應(yīng)用于汽車、無線、消費(fèi)等領(lǐng)域，是高性能處理、低功耗的理想選擇。為了使FPGA芯片能夠穩(wěn)定運(yùn)行，在其核心電路中，加入了電源電路、復(fù)位電路、配置電路和存儲電路。

1.1 數(shù)據(jù)采集電路

數(shù)據(jù)采集電路主要由3個A/D轉(zhuǎn)換器組成，利用FPGA控制這3路同時采樣，分別采集指令信號、反饋信號和電流信號。具體如下：

（1）采集指令信號。AD1選用芯片型號為AD1674，這是一款12位A/D轉(zhuǎn)換器[4]，高達(dá)10us的采樣率，內(nèi)部包含了采樣保持放大器、高精度10V參考電壓源、時鐘振蕩器和三態(tài)輸出緩沖等。上位機(jī)給定信號送到數(shù)據(jù)采集電路，與位置檢測傳感器輸出信號比較得到位置誤差信號及其變化率，構(gòu)成電機(jī)伺服控制的速度環(huán)。

（2）采集位置反饋信號。AD2與AD1采用相同型號的芯片，位置檢測傳感器采用精密電阻器，精度為0.1%，構(gòu)成電機(jī)伺服控制的位置環(huán)。

（3）采集電流信號。AD3選用ADC0809芯片[5]，支持單+5V供電，分辨率為8Bit，電流傳感器采用CHB-25NP，響應(yīng)時間小于1us，額定輸入電流25A，輸出電流25mA，采集電機(jī)電樞電流，構(gòu)成系統(tǒng)的電流環(huán)。

1.2 隔離及驅(qū)動電路

設(shè)置隔離電路可以避免后端電機(jī)對前端控制電路的干擾，本系統(tǒng)采用高速光耦6N137進(jìn)行隔離，解決PWM波上升沿失真的問題。

采用雙級可逆受限PWM波控制兩組NMOS電路驅(qū)動直流電機(jī)，分別驅(qū)動直流電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，同時通過設(shè)置適當(dāng)死區(qū)，避免MOS管同時導(dǎo)通而導(dǎo)致過電流的發(fā)生。

2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 軟件整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)軟件設(shè)計主要由A/D控制模塊、反饋控制模塊、PWM波控制模塊等組成，主要流程如圖2所示。本設(shè)計采用Verlog HDL語言描述整個模塊功能，該語言允許設(shè)計者進(jìn)行各級別的邏輯設(shè)計，進(jìn)行數(shù)字邏輯系統(tǒng)的仿真驗證、時序分析、邏輯綜合。

控制系統(tǒng)主程序由FPGA控制3個A/D芯片實現(xiàn)同步采樣，位置環(huán)作為系統(tǒng)的主控制環(huán)，實現(xiàn)位置跟蹤；速度環(huán)抑制速度波動，增強(qiáng)系統(tǒng)抗負(fù)載擾動的能力；電流環(huán)限制大電流，保護(hù)電機(jī)。三環(huán)聯(lián)合工作，保證了系統(tǒng)擁有良好的靜態(tài)精度和動態(tài)特性。

2.2 反饋控制模塊軟件設(shè)計

反饋控制模塊所完成的功能為對AD輸出的信號進(jìn)行處理，若反饋量大于指令量，運(yùn)行比例運(yùn)算；否則電機(jī)全素運(yùn)轉(zhuǎn)，核心代碼如下：

if（input>qinout） //如果反饋量大于指令值

begin

reg_1 <= input-qinput； //反饋值減指令值

cerror <= 8`b01111111-reg_1[7：0]；

end

else //反饋值小于指令，指令值減反饋值

begin

reg_2<=qinput-input；

cerror <= 8`b01111111+reg_2[7：0]；

end

2.3 PWM波生成模塊軟件設(shè)計

本設(shè)計由FPGA產(chǎn)生一路PWM波作為控制信號，通過硬件電路產(chǎn)生兩組PWM波信號，可以提高電路的可靠性，其Verlog HDL主要代碼如下：

if（cnt == `b11111111）

begin cnt<=`b00000000；end

else if（cnt<=ctrl） //計數(shù)值小于控制量，輸出高電平

begin PWM<=1；cnt<=cnt+1；end

else //否則輸出低電平

begin PWM<=0；cnt<=cnt+1；end

由此代碼生成的一路PWM波頻率為20kHz，占空比為0%～100%，后續(xù)的硬件電路根據(jù)這路PWM生成4路帶死區(qū)的PWM波。

3 結(jié)論

經(jīng)過實驗測試，基于FPGA的直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)，響應(yīng)時間短，算法執(zhí)行速度快，充分發(fā)揮了FPGA并行處理、運(yùn)算速度快的特長。長期實驗表明，此控制系統(tǒng)沒有發(fā)生死機(jī)、復(fù)位等情況，并且有很強(qiáng)的抗干擾能力，電機(jī)速度調(diào)節(jié)精度高，動態(tài)范圍廣，在電機(jī)控制領(lǐng)域有著很好的發(fā)展前景。

【參考文獻(xiàn)】

[1]夏長亮.無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)[M].北京：科學(xué)出版社，2009：4-8.

[2]張紅霞.國內(nèi)外工業(yè)機(jī)器人發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢研究[J].電子世界，2013，12：5-5.

[3]Cyclone III Device Handbook[M].http：www.altera.com，2012：15-16.

[4]黃偉，嚴(yán)利人，周衛(wèi).高性能及新穎性A/D轉(zhuǎn)換器技術(shù)綜述[J].微電子學(xué)，2008，38（6）：805-810.

[5]基于Quartus II的數(shù)字系統(tǒng)Verlog HDL設(shè)計實例詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2014：494-495.

[責(zé)任編輯：王楠]