戴志勇，齊蓉，謝世杰
(西北ll_業大學，陜兩西安7l0129)
摘要：研究一種基于FPGA實現無刷直流電動機閉環調速的控制策略和系統設計方法．建立增量PID算法和spwM調制FPGAIP核。通過分時復用技術，對sPwM調制模塊進行優化，可在滿足系統動態性能的前提下，大大節省系統資源。實驗結果也證明了這種基于FPGA實現電機調速控制的策略和系統結構的有效與可行，其突出優點在于簡化了控制系統外圍電路，顯著提高系統的可靠性。
關鍵詞：現場可編程門陣列；無刷直流電動機；sPwM；PID
0引 言
當今的無刷直流電動機憑借其高效、大起動力矩、調速性能優越而成為高效電力驅動的新寵，廣泛地應用在航天、航空、汽車、精密電子等行業領域：現場可編程門陣列(field Programmabk cate Array，簡稱FPcA)半導體器件的出現，將改變目前無刷直流電動機控制系統大多由D，sP或單片機實現的格局[1]。FPGA具有靜態可重復編程和動態系統重構的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來修改，FPGA芯片成為小批量系統提高系統集成度和可靠性的選擇。
與傳統的DSP相比，FPGA比DsP擁有更快的速度，更低的功耗，可以完成復雜的高速邏輯運算；其靈活的可配置特性，使得FPGA構成的系統易于修改，易于測試及硬件升級[]2-3]。另外FPGA的采用簡化r系統外圍電路，使系統可靠性高，實時控制速度快，整個系統穩定性強。
基于FPGA無刷直流電動機控制系統設計的關鍵技術在于FPGA IP核設計。
1系統構成與工作原理
調速控制系統總體結構如圖l所示。系統由FPGA與外圍電路兩部分組成。其中，外圍電路包括****位置光電編碼器和功率驅動模塊。
FPGA為整個電路的控制中樞，當其接收到開機命令后，產生無刷直流電動機驅動信號。驅動信號經sPwM調制，由電機功率驅動電路驅動無刷直流電動機工作。同時，光電編碼器產生****位置信號，反饋到FPGA中，經PlD反饋調節，校正輸出的電機驅動信號，使電機跟隨給定速度運轉。
2 FPGAIP核設計
實現無刷直流電動機的調速控制的關鍵技術之一是設計FPGA的IP核，其核結構如圖2所示。IP核由三部分組成：PID模塊、數據處理模塊、sPwM 調制驅動模塊。
當FPGA接收到開機命令后，由HD比較速度給定和速度反饋，輸出12位占空比調節數據，通過sPwM調制驅動模塊，產生上三路經sPwM調制、下三路為方波調制的六路電機驅動信號，送外圍電路驅動電機。****光電編碼器檢測電機的位置，通過外同電路向FPGA發送一組基于Biss協議的串行數據，FPGA經過數據處理，產生速度信息和位置信息，實現電機的閉環調速控制。
表示實際值。改進后的并行PID實現如圖3h所示。
由3b圖可以看出，改進后的并行結構需要四個加法器、三個乘法器。在保證算法快速性的前提下，節省了系統資源，避免了使用減法器，提高r控制精度，簡化了設計結構。
2. 2數據處理模塊
數據處理模塊將基于Biss協議的串行數據轉化為并行數據，從而實現無刷直流電動機實時角位置反饋的輸入。
Biss接口時序如圖4a所示。整個時序分為時鐘發送和數據接收兩部分。當FPGA發出一個時鐘刷信號時，光電編碼器反饋回一個基于B，ss l辦議的串行數據。具體流程為：時鐘的下跳沿請求數據傳輸，編碼器與Ⅸss時鐘同步的發送1位起始位，12位的位置數據，2位狀態位(錯誤和警告)，6位cRc校驗位和l位多周期數據(MCD)。
數據處理模塊通過識別各個狀態的特征標志位，進入各個時刻對應的狀態機。各個狀態機之間通過操作一個22位的移位寄存器rx shiner將串行數據轉化為并行的14位角位置數據。在IDIE狀態，將22‘H3FFFF加載人移位寄存器，當進入s【art狀態時，移位寄存器開始右移，并進入receive狀態，移位寄存器rx shmer繼續右移，直到rxshifer1：O]==2’b10，說明有效數據接收完畢，進入stop狀態。在stop狀態，發出數據轉化完成信號，并將表示光電編碼器角位置數據的rx-shmer[15：2]裝載入地址寄存器addr中，從而完成整個數據轉換過程。模塊又進入IDLE狀態。得到電機的****位置。通過電機****位置的變化快慢，測得電機轉速
2.3 sPwM調制驅動模塊工作原理
隨著電力電子技術的發展，PwM技術被廣泛應用于中小功率電機調速控制中。然而，采用PwM調制諧波分量大、使電機附加損耗高，噪聲大，不利于電機平穩運行。而sPwM技術是基于基準正弦波產生脈寬調制信號的方法，相當于正弦波調制，能很好地克服PwM技術的諧波缺陷。
sPwM調制驅動模塊原理結構如圖5所示。在實現上三路驅動信號sPwM調制的基礎上，設計分時復用正弦表和乘法器。通過時鐘，將由電機****位置計算出上三路驅動信號某時刻相對應的正弦地址分時加載到查表寄存器中，得到相應離散正弦幅值。通過與[1l：0]PwM dutv相乘，實現sPwM調壓功能。再根據狀態機和時鐘將該幅值分離成相應的三路，與三角波比較，得到相應的三路sPwM驅動信號。與無刷直流電動機的換向邏輯相與，輸出六路驅動信號，控制無刷直流電動機正常工作。
2.4 FPGAIP核仿真
FPGA IP核整體仿真如圖6所示。
在圖6中，addr是無刷電機的角位置信號，sP—wMTl、T2、sPwM一T3、r4、sPwM一T5、T6是6路輸出的驅動信號。上橋臂(下橋臂)的每路導通信號互差120。電角度，同相的上下橋臂互差180。電角度。
3 FPGA選取及外圍電路設計
本系統選用的FPGA是AcTEL公司的A3p250，其頻率高達350 MHz，能夠提供1 kHz的nashROM。A3p250內置鎖相環，整個芯片有25萬門，資源能夠實現電機調速控制系統的技術要求.
光電編碼器選用Hengstler公司的14位****式光電編碼器，硬件接口電路接收芯片選用Ⅱ公司的 sN75179B，它為全雙工驅動芯片，轉換頻率達到10MHz。通過光電編碼器接口電路，將編碼器輸出地雙路差分信號轉化成FPGA能夠識別的單路TTL電平信號。FPGA輸出的驅動信號，經過隔后，通過功率驅動電路驅動電機正常運轉。
4實驗結果
系統硬件實物如圖8a所示。E三路橋臂sP—wM調制驅動信號是保障無刷直流電動機調速系統性能的關鍵。電機穩定運行時，上三路橋臂驅動信號實測波形如圖8b所示。其中，信號低電平時MOsFET導通。每個信號之間互差120。電角度。由實驗結果可知，設計符合sPwM調制要求，保障了整個電機控制系統的控制性能。
5結語
無刷直流電動機調速控制系統采用FPGA作為控制芯片，用Verilog語言設計FPGA IP核，使用改進型增量PTD控制和sPwM調制技術，仿真和實測實驗結果都表明能夠優化無刷直流電動機調速控制系統結構并獲得優良性能。同時，由于使用FPGA代替傳統的DsP作為控制芯片，使得系統外圍電路少，提高了系統的可靠性。
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