基于FPGA的直流電機伺服控制系統設計

張建祥++陸輝山

【摘 要】為了提高直流電機伺服控制系統的靜態調節精度和動態范圍，以FPGA為核心開發了電機控制系統，設計了數據采集電路和隔離驅動電路，控制策略采用速度、位置、電流三環控制，并用Verlog HDL語言實現了控制算法。此方案增強了電機負載能力和響應特性，在電機控制領域有著廣闊的應用前景。

【關鍵詞】直流電機；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（Brushless Direct Current Motor，BLDCM）是伴隨永磁材料、微控制器、電力電子等技術迅速發展起來的一種新型電動機[1]。無刷直流電機將永久磁鋼安裝在轉子上，無勵磁損耗；同時將發熱的電樞繞組安裝在定子上，散熱容易，它不但保持了傳統直流電機優良的調速性能，還具有交流電機運行可靠、維護方便等一系列優點，同時無換相火花和勵磁損耗。正是具有這些優點，無刷直流電動機在家用電器、音像設備、汽車、醫療設備、電動車以及機器人等領域有著廣泛的應用。

在實際應用中，電機已由過去簡單的起?？刂?、提供動力為目的，上升到對速度、位置、轉矩等進行精確的控制。電機控制器也經歷了從模擬控制器到數字控制器的發展過程，數字控制器具有可靠性高、參數調整方便、控制精度高等優點，其中基于現場可編程門陣列（FPGA）的數字電子系統對電機進行控制，為實現電機數字控制提供了一種新的解決方案[2]。

1 控制系統硬件設計

直流電機伺服控制系統主要由FPGA及其外圍電路、隔離電路、過流保護電路、數據采集電路等組成。其硬件結構框圖如圖1所示。

圖1 控制系統硬件框圖

本設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，廣泛應用于汽車、無線、消費等領域，是高性能處理、低功耗的理想選擇。為了使FPGA芯片能夠穩定運行，在其核心電路中，加入了電源電路、復位電路、配置電路和存儲電路。

1.1 數據采集電路

數據采集電路主要由3個A/D轉換器組成，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轉換器[4]，高達10us的采樣率，內部包含了采樣保持放大器、高精度10V參考電壓源、時鐘振蕩器和三態輸出緩沖等。上位機給定信號送到數據采集電路，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，構成電機伺服控制的速度環。

（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%，構成電機伺服控制的位置環。

（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，響應時間小于1us，額定輸入電流25A，輸出電流25mA，采集電機電樞電流，構成系統的電流環。

1.2 隔離及驅動電路

設置隔離電路可以避免后端電機對前端控制電路的干擾，本系統采用高速光耦6N137進行隔離，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電路驅動直流電機，分別驅動直流電機正轉和反轉，同時通過設置適當死區，避免MOS管同時導通而導致過電流的發生。

2 控制系統軟件設計

2.1 軟件整體結構設計

直流電機伺服控制系統軟件設計主要由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。本設計采用Verlog HDL語言描述整個模塊功能，該語言允許設計者進行各級別的邏輯設計，進行數字邏輯系統的仿真驗證、時序分析、邏輯綜合。

控制系統主程序由FPGA控制3個A/D芯片實現同步采樣，位置環作為系統的主控制環，實現位置跟蹤；速度環抑制速度波動，增強系統抗負載擾動的能力；電流環限制大電流，保護電機。三環聯合工作，保證了系統擁有良好的靜態精度和動態特性。

2.2 反饋控制模塊軟件設計

反饋控制模塊所完成的功能為對AD輸出的信號進行處理，若反饋量大于指令量，運行比例運算；否則電機全素運轉，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波生成模塊軟件設計

本設計由FPGA產生一路PWM波作為控制信號，通過硬件電路產生兩組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%，后續的硬件電路根據這路PWM生成4路帶死區的PWM波。

3 結論

經過實驗測試，基于FPGA的直流電機伺服控制系統，響應時間短，算法執行速度快，充分發揮了FPGA并行處理、運算速度快的特長。長期實驗表明，此控制系統沒有發生死機、復位等情況，并且有很強的抗干擾能力，電機速度調節精度高，動態范圍廣，在電機控制領域有著很好的發展前景。

【參考文獻】

[1]夏長亮.無刷直流電機控制系統[M].北京：科學出版社，2009：4-8.

[2]張紅霞.國內外工業機器人發展現狀與趨勢研究[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，嚴利人，周衛.高性能及新穎性A/D轉換器技術綜述[J].微電子學，2008，38（6）：805-810.

[5]基于Quartus II的數字系統Verlog HDL設計實例詳解[M].北京：電子工業出版社，2014：494-495.

[責任編輯：王楠]