基于FPGA的直流電機(jī)控制設(shè)計(jì)

周柳娜

摘要：本文的特點(diǎn)在于在FPGA平臺(tái)完成對(duì)霍爾傳感器輸出的脈沖信號(hào)進(jìn)行采集、處理，實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速計(jì)算，同時(shí)結(jié)合使用直流電機(jī)功率驅(qū)動(dòng)模塊，共同完成對(duì)小型直流電動(dòng)機(jī)的速度測(cè)量與控制[1]。以FPGA為開發(fā)平臺(tái)，PID算法實(shí)現(xiàn)嵌入FPGA內(nèi)部，可以保證整個(gè)測(cè)量與控制系統(tǒng)可定制化、開發(fā)周期短、靈活性更高。

關(guān)鍵詞：FPGA;直流電機(jī);PID

中圖分類號(hào)：TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2020）07-0125-02

1 背景意義

直流電機(jī)良好的啟動(dòng)性和靈活的調(diào)速特性，在國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中起著不可替代的作用。隨著直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用場(chǎng)景的復(fù)雜化，功能單一的直流電動(dòng)機(jī)測(cè)速與控制系統(tǒng)已不能滿足實(shí)際需求，為適應(yīng)各行業(yè)發(fā)展，設(shè)計(jì)一款可以迅速完成電機(jī)加/減等復(fù)雜控制功能的直流電機(jī)測(cè)速與控制系統(tǒng)勢(shì)在必行。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)分析

系統(tǒng)包含多個(gè)功能模塊，各個(gè)功能模塊間存在控制信息和數(shù)據(jù)信息的交換，設(shè)計(jì)中控制信息由各模塊的端口進(jìn)行交換，而數(shù)據(jù)信息的交換本設(shè)計(jì)主要采用的是異步串口通信方式[2]。

如圖1系統(tǒng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)主要由兩部分組成，包括有ARM（STM32F103RCT6）為核心的算法模塊、FPGA（EP4CE6F17C8N）為核心控制模塊，兩個(gè)模塊間采用串口通信進(jìn)行信息交換。ARM核的算法模塊中主要由速度環(huán)控制器、電流環(huán)控制器組成，控制器中分別編寫了模糊PID、傳統(tǒng)PID算法，實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，閉環(huán)輸入為FPGA串口發(fā)送的當(dāng)前轉(zhuǎn)速，輸出為調(diào)節(jié)后的PWM占空比數(shù)值[3]。FPGA核的控制模塊主要由前端獲取三相霍爾信號(hào)，一路根據(jù)換邏輯設(shè)置驅(qū)動(dòng)板中功率管導(dǎo)通順序?qū)崿F(xiàn)換相，另一路由FPGA進(jìn)行速度檢測(cè)與計(jì)算，計(jì)算值分別通過串口發(fā)送給ARM核以及在數(shù)碼管中顯示當(dāng)前轉(zhuǎn)速;另外A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換當(dāng)前電流值，數(shù)據(jù)經(jīng)串口發(fā)送給ARM核算法模塊;算法模塊的輸出量由串口通信上傳給FPGA，F(xiàn)PGA根據(jù)占空比數(shù)值調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)板中六路PWM波，實(shí)現(xiàn)固定頻率下不同占空比調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。最后整個(gè)過程中串口通信的數(shù)據(jù)信息都可上傳給電腦的上位機(jī)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控[4]。

3 硬件電路總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的整體硬件框架如圖2所示。為使系統(tǒng)可以正常運(yùn)行，除要構(gòu)建一個(gè)完整的FPGA的最小系統(tǒng)（系統(tǒng)電源、FPGA時(shí)鐘、系統(tǒng)復(fù)位電路等）外，還有功率驅(qū)動(dòng)電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、電流信號(hào)采樣回路、電平轉(zhuǎn)換電路、霍爾傳感器電路。本設(shè)計(jì)采用雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，能夠有效改善直流電機(jī)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間與穩(wěn)態(tài)誤差。

4 控制算法

本設(shè)計(jì)采用電流PID與測(cè)速模糊PI的雙閉環(huán)反饋機(jī)構(gòu)， 模糊PID適用于在一些復(fù)雜的工業(yè)控制中進(jìn)行準(zhǔn)確的控制[5]。模糊PID的參數(shù)是利用自己設(shè)定的經(jīng)驗(yàn)規(guī)則改變控制參數(shù)以此對(duì)干擾進(jìn)行自適應(yīng)，本質(zhì)上這是一個(gè)自學(xué)習(xí)的過程。如圖3 PI仿真模型所示電機(jī)額定轉(zhuǎn)速3000rpm，以本課題為例電機(jī)轉(zhuǎn)速偏差實(shí)際值范圍為[-1000，1000]，偏差變化率范圍為[-300，300]，模糊子集e、ec的論域?yàn)椋?3，3），因而量化因子Ke為0.003，Kec為0.01。

5 調(diào)試結(jié)果

通過人工經(jīng)驗(yàn)法整定電流閉環(huán)反饋的參數(shù)[6]，調(diào)整后的PID參數(shù)為Kp=10.012、Ki=4.051、Kd=1.115。以設(shè)定轉(zhuǎn)速2000rpm為例，得圖4所示。

參考文獻(xiàn)

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[3] 劉麗娜.基于FPGA的無(wú)刷直流電機(jī)測(cè)速與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].哈爾濱：哈爾濱工程大學(xué)，2012.

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[6] 丁仕燕，韓江，朱方洲.開放式數(shù)控系統(tǒng)軟件平臺(tái)的研究[J].機(jī)械與電子，2002（2）：35-38.