基于FPGA的直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計

劉仲曄

（海裝駐湘潭地區(qū)代表室，湖南湘潭 411100）

1 基于FPGA的直流電機(jī)控制系統(tǒng)整體架構(gòu)

作為控制系統(tǒng)的核心部分，F(xiàn)PGA 要盡可能地減少系統(tǒng)體積，保障系統(tǒng)運(yùn)行靈活性，以實現(xiàn)不同場景的修改與人性化設(shè)計。FPGA 自身有著較小的能耗，因此在移動電源場合彌足珍貴。本研究采用FPGA 芯片進(jìn)行電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計。通常FPGA 控制器啟動后，能夠?qū)﹄姍C(jī)轉(zhuǎn)子位置相關(guān)信號進(jìn)行采集，對應(yīng)的會形成6位換相信號，其與PWM 波信號結(jié)合，能夠?qū)δ孀兤?個功率開關(guān)管進(jìn)行控制，實現(xiàn)導(dǎo)通或截止，使得電機(jī)處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)[1]。

電源、時鐘、復(fù)位等相關(guān)的配置電路是保障FPGA 芯片工作的必要前提。除此之外，還需要借助按鍵對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制。首先需要進(jìn)行按鍵設(shè)置，即在開發(fā)板選擇SW1、SW2作為脈沖信號輸出路徑，F(xiàn)PGA 產(chǎn)生PWM 信號后，按鍵能夠?qū)φ伎毡冗M(jìn)行控制。另外，一般情況下，F(xiàn)PGA 在脈寬調(diào)制波輸出期間電壓會低于正常電壓，各個端口輸出的電壓均在5V 以下，難以直接將電機(jī)驅(qū)動。因此需要引入功率驅(qū)動模塊，將其安裝于FPGA 控制器與電機(jī)之間，提供高電壓保障電源供電?；蛘逨PGA 輸出PWM 波時，經(jīng)過控制作用，使得電機(jī)具有合適驅(qū)動電壓的支持。驅(qū)動電壓穩(wěn)定性受多種因素影響，電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度往往難以掌握，基于此需要引入反饋形成閉環(huán)。采用采樣電阻實時對功率驅(qū)動電路電流予以采樣處理，采集信號向控制器反饋，可修正控制信號[2]?；谏鲜鲂枨螅姍C(jī)控制整體系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計如圖1所示。

圖1 電機(jī)控制整體系統(tǒng)架構(gòu)

2 基于FPGA的直流電機(jī)控制電路設(shè)計

2.1 芯片選型與供電

FPGA 的合理化選擇是保障系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的重要環(huán)節(jié)，研究應(yīng)用Smartfusion 進(jìn)行系統(tǒng)模擬，并在此基礎(chǔ)上融合Cortex-M3ARM 內(nèi)核，其與FPGA 芯片能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行并行處理，促進(jìn)了控制器性能的提升。與FPGA 相比，ARM 靈活性強(qiáng)，二者結(jié)合有利于問題的解決。Smartfusion 的內(nèi)部集成了100 MHz RC 振蕩器，精度均為1%，外部能夠與1.5～20 MHz 的時鐘以及低功耗時鐘連接，配備了兩個鎖相環(huán)，通過功率的輸入與輸出能夠動態(tài)配置，使得不同類型時鐘信號順利在芯片輸入。Smartfusion 具有可編程模擬模塊，有利于反饋環(huán)節(jié)的設(shè)計，能夠?qū)崿F(xiàn)電壓、電流及溫度監(jiān)控。ADC 能夠達(dá)到3路12位，當(dāng)處于8位模式，速度能夠達(dá)到600 ksps，內(nèi)部參考電壓為2.56 V。不僅如此，Smartfusion 對多項資源進(jìn)行集成，可進(jìn)行利用。常見為Cortex-M3系統(tǒng)，配備Cortex-M3處理器，運(yùn)行速度可達(dá)到100MHz，存儲器件優(yōu)越，可編寫，即便掉電，也不會使數(shù)據(jù)丟失。Smartfusion 利用128位AES 加密技術(shù)，高效、可靠；FPGA 部分I/O 靈活性強(qiáng)，同時支持LVDS、PCI、LVCOMS 等多種電平。

芯片正常工作需要穩(wěn)定的供電。Smartfusion 開發(fā)板對應(yīng)部分電源電壓不盡相同，如圖2所示。電平值為1.5 V，直流MSSI/O 緩沖區(qū)需要3.3 V 電壓。引腳電壓不同，為實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)5 V 電壓的轉(zhuǎn)變，可以采用線性穩(wěn)定芯片LT1963、LT3080將其轉(zhuǎn)換為5 V、1.5 V電壓。在電平輸入與輸出端分別配置0.01 μF、10 μF電容，能夠?qū)⒃肼曄揖哂袨V波功能，提升運(yùn)行穩(wěn)定性。

圖2 控制器供電情況示意圖

2.2 時鐘電路

芯片在保障額定電源供電的同時，應(yīng)提供穩(wěn)定的時鐘信號，保障內(nèi)部模塊順利開展工作。本研究在系統(tǒng)設(shè)計中配置了兩個振蕩器，低功率振蕩器32.764 kHz，高頻振蕩器為20 MHz。時鐘電路設(shè)計如圖3 所示。諧振器功率為20 MHz，在Smartfusion芯片MAINXIN 與MAINXOUT 管腳之間，受負(fù)載電容的影響，諧振器實際功率在20 MHz 以下，為解決這一問題可以引入兩個18 pF 電容進(jìn)行串聯(lián)，使得諧振器功率穩(wěn)定為20 MHz，能夠滿足以太網(wǎng)時鐘高精度需求。32.764 kHz 諧振器放置位置為LPXIN 與LPXOUT 管腳之間，采用30 μF 電容進(jìn)行連接，能夠減少誤差，促進(jìn)實時計數(shù)的實現(xiàn)。

2.3 復(fù)位電路

電機(jī)控制系統(tǒng)運(yùn)行可靠性很大程度上取決于復(fù)位電路，復(fù)位電路功能相當(dāng)于計算機(jī)的重啟按鍵，當(dāng)發(fā)生故障時，按下復(fù)位鍵，能夠使程序重新啟動。不僅如此，復(fù)位電路不會一上電便進(jìn)入工作狀態(tài)，能夠避免CPU 發(fā)出錯誤指令，出現(xiàn)不當(dāng)操作，電磁兼容性得到了保障。本研究在設(shè)置復(fù)位系統(tǒng)時引入施密特觸發(fā)器，復(fù)位電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。NL-DS1818復(fù)位端口初始保持高電平，未啟動復(fù)位功能，按下SW3鍵后，會形成一個完整的通路，高電平經(jīng)電阻到低電平通路，此時復(fù)位端會變?yōu)榈碗娖?，將?fù)位功能觸發(fā)。在施密特觸發(fā)器作用下，復(fù)位按鈕噪聲能夠明顯降低，該復(fù)位信號與開發(fā)板微控制器復(fù)位保持同步。

圖3 復(fù)位電路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 按鍵電路

按鍵電路負(fù)責(zé)對FPGA 芯片進(jìn)行信號的輸送，設(shè)計簡單。未按下按鈕前，SWITCH1 為高電平狀態(tài)，電壓為3.3 V，按下按鈕SW1后，高電平端經(jīng)過電阻、按鍵會達(dá)到低電平端，此時SWITCH1位置會出現(xiàn)一個瞬時的低電平，發(fā)出“0”值脈沖信號。

2.5 去耦電路

驅(qū)動源與被驅(qū)動負(fù)載共同構(gòu)成了一個完整的電路，當(dāng)處于較大的負(fù)載電容，驅(qū)動電路要想實現(xiàn)信號的跳變，首先需要充電、放電，若上升沿陡峭，會導(dǎo)致電流增大，部分電流會被分出去，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行，這一現(xiàn)象即耦合現(xiàn)象。去耦電路在分立元件、集成電路中均有著廣泛的應(yīng)用，是電路設(shè)計應(yīng)用最多的模塊。該系統(tǒng)設(shè)計的去耦電路電容值包括0.1 μF、1 μF 以及10 μF 多個不同規(guī)格。采用1 μF、10 μF 電容能夠?qū)Ω哳l噪聲有效去除，其平行共振頻率＞20 MHz，高頻濾波電容主要置入芯片引腳位置。

3 基于FPGA的直流電機(jī)的驅(qū)動電路設(shè)計

在信號輸入端配備上拉電阻，為330 Ω，主要功能是驅(qū)動上橋，完成電平轉(zhuǎn)換。PWM 波達(dá)到10 kHz會產(chǎn)生噪聲，需要進(jìn)行濾波處理，本研究采用100 pF多層陶瓷電容進(jìn)行濾波。為提升電壓需要采用3個自舉電路，電容與二極管組成完整的自舉電路，前者用于電荷儲存，后者能夠?qū)﹄娏鞯构嗥鸬筋A(yù)防作用。在頻率較高的狀態(tài)下。電路輸入電壓與電容電壓構(gòu)成了自舉電路電壓，起到升壓的作用。研究在設(shè)計中不僅引入自舉電路二極管與電解電容，而且還配置一個10 Ω 的電阻，用于限流自舉電路，仍需要去耦處理自舉電路，將自舉電路與0.22 μF 電容并聯(lián)，可發(fā)揮濾波作用，盡可能使去耦電容與芯片引腳靠近。電源接入端需要采用略大容值的電容進(jìn)行濾波處理，研究設(shè)計時電解電容為22 μF。為確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行還需要針對電路進(jìn)行故障鎖定設(shè)計，保護(hù)電流。多層陶瓷電容可起到故障鎖定與定時的作用，直流母線濾波電容宜選擇壽命長、紋波電流高的電容。所用電阻為康銅絲電阻，具有耐高溫、溫度系數(shù)小的特點。需要注意的是在連接該電阻時應(yīng)將其與引腳盡可能接近。

該驅(qū)動電路下，能夠保持穩(wěn)定的供壓，結(jié)合輸入信號對內(nèi)部功率開關(guān)器件進(jìn)行控制，實現(xiàn)導(dǎo)通，將三相電流輸出，使得電機(jī)受到驅(qū)動，進(jìn)入運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)。

3.1 電機(jī)選型

電機(jī)選擇首要考慮的是功率與轉(zhuǎn)速，除此之外還要優(yōu)先選擇體積小、重量輕的電機(jī)，保障靈活度。本研究選擇的是德國公司生產(chǎn)的QBL4208-41-04-006號電機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)距處于額定狀態(tài)下，其轉(zhuǎn)速能夠達(dá)到4 000 r/min，軸直徑5 mm，長度20 mm，外形小巧，總重量僅為300 g，靈活性強(qiáng)。該電機(jī)額定工作電流與電壓分別為1.8 A、24 V，最大峰值電流與工作電壓分別為3倍，5.4 A、48 V。該電機(jī)還配備了霍爾傳感器，能夠?qū)⒒魻栃盘杺鬏數(shù)娇刂破鳌?/p>

3.2 系統(tǒng)測試

研究構(gòu)建的基于FPGA 的直流電機(jī)控制系統(tǒng)如圖4所示，將小型的三相電機(jī)作為實驗對象，予以驅(qū)動實驗，按鍵后將速度實施16擋控制，轉(zhuǎn)速從理論角度能夠達(dá)到4 000 r/min。為確保驅(qū)動模塊能夠達(dá)到最佳的驅(qū)動性能，在驅(qū)動小車時無需將轉(zhuǎn)速設(shè)置過高，因此電源電壓采用的是15 V，轉(zhuǎn)速最高為2 500 r/min，擋位差值約為156.32 r/min。為驗證電機(jī)的靜態(tài)性能，給定了一個PWM 波，為10 kHz，假設(shè)其占空比為50%，理論上轉(zhuǎn)速為1 250 r/min，電流為1.125 A。

圖4 系統(tǒng)設(shè)計實物展示圖

在分析各路信號相位關(guān)系時采用在線邏輯分析儀，可以發(fā)現(xiàn)，輸出信號能夠滿足電機(jī)正常運(yùn)行，可實現(xiàn)轉(zhuǎn)子換相，經(jīng)占空比對電機(jī)轉(zhuǎn)速作出相應(yīng)的調(diào)整。電機(jī)完成霍爾信號輸出后，選擇其中兩相予以采樣處理，獲得其相位，結(jié)果如圖5所示。可以發(fā)現(xiàn)霍爾信號相位周期相差1/3，對其中1路信號劃分6段，發(fā)現(xiàn)各個時間段信號均處于正常，能夠滿足霍爾信號相位關(guān)系需求，提示運(yùn)轉(zhuǎn)正常。

圖5 75%占空比PWM電機(jī)輸出霍爾信號

驗證電機(jī)中電流反饋環(huán)的效果，在啟動三相電機(jī)后，對主回路電流予以采樣，對比控制前后情況，可以發(fā)現(xiàn)電流閉環(huán)PID 算法應(yīng)用后，降低了電流振蕩幅度，不足開環(huán)時的一半，從振蕩時間方面看，由初始的500 ms 縮短至200 ms，表明閉環(huán)可提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，使得電機(jī)運(yùn)行更為平穩(wěn)。綜合上述實驗結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)既定的目標(biāo)，啟動時間可達(dá)到200 ms，且能夠?qū)⑥D(zhuǎn)速誤差控制在0.5%內(nèi)。

4 結(jié)束語

直流電機(jī)使用范圍廣、工作效率高，控制系統(tǒng)具有一定的復(fù)雜性。本研究設(shè)計的基于FPGA 的直流電機(jī)控制系統(tǒng)堅持靈活方便、高精度的原則，采用Smartfusion 控制核心，驅(qū)動電路采用PS21564-P 作為主體，通過時鐘、按鍵、電平等配置電路，能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的控制與傳輸，電流保護(hù)與自舉電路具有濾波功能，在減小體積的同時，能夠降低控制器誤差。經(jīng)系統(tǒng)驗證，該系統(tǒng)具有較好的靜態(tài)特性與動態(tài)特性，能耗低，保障了系統(tǒng)穩(wěn)定性。