基于FPGA的直流电机控制设计

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　　摘要：本文的特点在于在FPGA平台完成对霍尔传感器输出的脉冲信号进行采集、处理，实现无刷直流电机的转子转速计算，同时结合使用直流电机功率驱动模块，共同完成对小型直流电动机的速度测量与控制[1]。以FPGA为开发平台，PID算法实现嵌入FPGA内部，可以保证整个测量与控制系统可定制化、开发周期短、灵活性更高。
　　关键词：FPGA;直流电机;PID
　　中图分类号：TM33 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）07-0125-02
　　1 背景意义
　　直流电机良好的启动性和灵活的调速特性，在国民经济发展过程中起着不可替代的作用。随着直流电动机应用场景的复杂化，功能单一的直流电动机测速与控制系统已不能满足实际需求，为适应各行业发展，设计一款可以迅速完成电机加/减等复杂控制功能的直流电机测速与控制系统势在必行。
　　2 系统总体设计分析
　　系统包含多个功能模块，各个功能模块间存在控制信息和数据信息的交换，设计中控制信息由各模块的端口进行交换，而数据信息的交换本设计主要采用的是异步串口通信方式[2]。
　　如图1系统设计结构无刷直流电机控制系统主要由两部分组成，包括有ARM（STM32F103RCT6）为核心的算法模块、FPGA（EP4CE6F17C8N）为核心控制模块，两个模块间采用串口通信进行信息交换。ARM核的算法模块中主要由速度环控制器、电流环控制器组成，控制器中分别编写了模糊PID、传统PID算法，实现本系统双闭环结构，闭环输入为FPGA串口发送的当前转速，输出为调节后的PWM占空比数值[3]。FPGA核的控制模块主要由前端获取三相霍尔信号，一路根据换逻辑设置驱动板中功率管导通顺序实现换相，另一路由FPGA进行速度检测与计算，计算值分别通过串口发送给ARM核以及在数码管中显示当前转速;另外A/D转换器转换当前电流值，数据经串口发送给ARM核算法模块;算法模块的输出量由串口通信上传给FPGA，FPGA根据占空比数值调节驱动板中六路PWM波，实现固定频率下不同占空比调节转速。最后整个过程中串口通信的数据信息都可上传给电脑的上位机，实现实时监控[4]。
　　3 硬件电路总体架构设计
　　系统的整体硬件框架如图2所示。为使系统可以正常运行，除要构建一个完整的FPGA的最小系统（系统电源、FPGA时钟、系统复位电路等）外，還有功率驱动电路、A/D转换电路、电流信号采样回路、电平转换电路、霍尔传感器电路。本设计采用双闭环结构，能够有效改善直流电机的动态响应时间与稳态误差。
　　4 控制算法
　　本设计采用电流PID与测速模糊PI的双闭环反馈机构， 模糊PID适用于在一些复杂的工业控制中进行准确的控制[5]。模糊PID的参数是利用自己设定的经验规则改变控制参数以此对干扰进行自适应，本质上这是一个自学习的过程。如图3 PI仿真模型所示电机额定转速3000rpm，以本课题为例电机转速偏差实际值范围为[-1000，1000]，偏差变化率范围为[-300，300]，模糊子集e、ec的论域为（-3，3），因而量化因子Ke为0.003，Kec为0.01。
　　5 调试结果
　　通过人工经验法整定电流闭环反馈的参数[6]，调整后的PID参数为Kp=10.012、Ki=4.051、Kd=1.115。以设定转速2000rpm为例，得图4所示。
　　参考文献
　　[1] BowesS.R.，LiJ..New robust adaptive control algorithm for high performance acdrives[J].IEEE Trans.Ind.Electron，Apr，2000（47）：325-336.
　　[2] LeeD.C.，LeeG.M..A novel overmodulation technique for space-vector PWMinverters[J].IEEE Trans.on Power Elect.，1998，13（6）：1144-1151.
　　[3] 刘丽娜.基于FPGA的无刷直流电机测速与控制系统的设计[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2012.
　　[4] 张章谭.直流电动机在整流电源下供电的几个主要问题[J].冶金动力，2003，97（3）：4-7.
　　[5] Joachim Holtz，LotzkatW.，Khambadkone A M..On continuous control of PWMinverters in the overmodulation range including the six-step mode[J].IEEE Trans.OnInd.Elect.，1993，8（4）：546-553.
　　[6] 丁仕燕，韩江，朱方洲.开放式数控系统软件平台的研究[J].机械与电子，2002（2）：35-38.
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