基于fpga的無刷直流電機舵機控制器設(shè)計
楊運，廖勇，李凡
(重慶大學(xué)輸變電裝備及系統(tǒng)安全與新技術(shù)國家重點實驗室，重慶400030)
摘要：針對無刷直流電機的運行特點，建立了以ⅱ，ga芯片為核心的相互獨立的四軸無刷直流電機舵機伺服控制系統(tǒng)。利用vhdl語言設(shè)計了各功能硬件模塊和mos軟核處理器，并用c語言編程在軟核中實現(xiàn)了針對無刷直流電機的帶前饋的電流、速度和位置三閉環(huán)軟件控制算法。整個控制系統(tǒng)體
積小、可靠性高、靈活性強，實現(xiàn)了全數(shù)字控制。通過實驗驗證了基于fpga芯片的無刷直流電機舵機全數(shù)字化控制器的先進性。
關(guān)鍵詞：fi，ga；無刷直流電機；伺服系統(tǒng)；前饋
中圈分類號：tm36 +1 文獻標志碼：a 文章編號：1001-6848(2010)03-0048-04
0引 言
舵機伺服系統(tǒng)的控制器目前主要采用模擬控制器和基于單片機或dsp的數(shù)字控制器。模擬控制器體積和重量大，易受干擾，難于調(diào)試，難以控制無刷直流電機，且其不易于與上位機構(gòu)成控制系統(tǒng)；基于單片機或dsp的數(shù)字控制器，其體積也比較大，由于控制程序既要進行邏輯處理又要進行控制算法處理，因此控制周期較長，使用一套控制器往往難以控制多臺電機，另外，其也存在外部硬件設(shè)計不靈活、可靠性不高等缺點。
sopc技術(shù)采用軟硬件相結(jié)合的方式，目標是將盡可能大而完整的電子系統(tǒng)在一塊fpga中實現(xiàn)，使得所設(shè)計的電路在規(guī)模、可靠性、體積、功能、性能指標、上市周期、開發(fā)成本、產(chǎn)品維護及其硬件升級等多方面實現(xiàn)****化。本文采用altera公司的芯片為控制核心，利用sopc思想，采用硬件實現(xiàn)邏輯處理，軟核處理器實現(xiàn)算法控制四臺相互獨立的無刷直流舵機，所設(shè)計的控制系統(tǒng)體積小、重量輕、可靠性高以及控制速度快，井通過實驗驗證了相關(guān)性能指標。
1無刷直流電機的控制策略
在傳統(tǒng)的電機伺服控制三環(huán)系統(tǒng)中，由電壓（或上位機通過通信方式）給出位置給定與位置反饋信號o作差經(jīng)過位置pid調(diào)節(jié)得到速度給定vg，與測得的速度反饋v作差經(jīng)過速度pid調(diào)節(jié)得到電流給定t，t與此時刻通電相的相反饋電流作差經(jīng)過電流pid調(diào)節(jié)得到電壓給定u。用此ug輸出調(diào)節(jié)占空比，從而達到電機的伺服控制[4,5]。但是此方法中的占空比調(diào)節(jié)需要三環(huán)調(diào)節(jié)完后才起作用，動態(tài)響應(yīng)速度較慢。本設(shè)計在傳統(tǒng)的方法中加上前饋，即由速度給定經(jīng)前饋調(diào)節(jié)得到反電勢e，再與u相加得到輸出，如圖1所示。前饋可顯著提高系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。
2系統(tǒng)硬件設(shè)計
為了盡量減小系統(tǒng)體積和成本，主控制芯片fpga采用altera公司的cyclone系列器件。電流反饋由采樣電阻和ir2175芯片組成。位置檢測由電位器實現(xiàn)，信號經(jīng)rc濾波再由ad7863將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，構(gòu)成位置反饋。為了減霍爾信號中的干擾，將霍爾信號經(jīng)濾波和施密特觸發(fā)器整形后輸入cpu，作為速度反饋和換相信號。整個硬件還包括數(shù)字通信電路rs232(422)，ir2101驅(qū)動，mosfet全橋電路，程序存儲器epcs4，參數(shù)存儲器eeprom等。如圖2所示。
3 fpga的系統(tǒng)設(shè)計
用fpga進行電機控制，可以采用純硬件電路搭建控制器進行控制或搭建片上處理器采用純軟件方式控制。采用純硬件電路可以實現(xiàn)并行控制，控制速度快，可靠性高，但是這樣占用系統(tǒng)資源太大，普通fpga的資源難以滿足控制多臺電機，且難以實現(xiàn)復(fù)雜算法。采用純軟件方式節(jié)約硬件資源卻難以發(fā)揮fpga的并行處理能力，控制速度慢。本系統(tǒng)采用硬件功能模塊與構(gòu)建軟核實現(xiàn)軟硬件相結(jié)舍的方式，以軟核為控制核心，硬件模塊獨立工作，當軟核需要相應(yīng)值時才去讀取或者輸出相應(yīng)值，這樣既使用了較少的邏輯門又實現(xiàn)了較快的控制速度，硬件模塊采用vhdl和verilog |
