基于FPGA的無刷直流電機控制系統研究

中北大學 李宇超 謝 銳 張 悅

1 引言

電動機作為最主要的動力源，在生產和生活中占有重要的地位[1]。隨著大規模集成電路技術與計算機技術的飛速發展，使直流電機調速系統的精度，動態性能，可靠性有了更大的提高[2]。因此，對于電機控制的研究已成為當今的一個熱點。本文簡述闡述了FPGA工作原理，以FPGA作為控制核心器件與相關電路實現對無刷直流電機的控制。通過建模仿真，結果驗證了所設計無刷直流電機控制電路的可行性。

2 控制系統電路設計

FPGA主芯片采用Al t er a公司EP2C8Q208C8芯片的電機控制器，該芯片作為Cycl one‖系列芯片，增加了DSP模塊功能，在芯片總體性能上要優于Cycl one系列器件[5]。控制系統總體流程結構，如圖1所示：

圖1 系統總體結構流程圖

配置電路模塊：配置芯片選用Al t er a公司的串行配置芯片EPCS4S18N，剩余的存儲空間可用于存儲用戶數據。配置模式采用JTAG和AS兩種模式。

電源電路模塊：電路板的電源由黑色3.5mm的DC插座引入，能提供1A或以上的5V直流穩壓電源。外部電源經過LDO芯片，轉換成穩定的1.2V為FPGA提供VCCINT電源、3.3V電壓為FPGA提供VCCIO電源和其他的芯片及電路的工作電源。

時鐘電路模塊：時鐘控制方面，板載50MHz有源晶振，為系統提供精準的時鐘源；同時還留有一個晶振的焊位，為用戶加入其它頻率的時鐘源提供了便利。

存儲器電路：存儲器電路部分主要包括SDRAM、SRAM、和FLASH。本文中在采用的FLASH芯片為AMD公司的AM29LV320DB-90，容量為4MB，數據寬度為16位。

3 具體實現

通過軟件建立無刷直流電機模型，在Quar t usⅡ環境下對各模塊進行了仿真分析以檢驗其正確性，最后通過Model sim對整個無刷直流電機控制系統的控制效果進行了驗證分析，得到電機的仿真結果。在保證電機正常工作即key1按下的情況下，key2按下時，F_R=1，此時電機實現正轉，key2未按下時，F_R=0，此時電機反轉。此時Is的輸入情況，顯示電機是否key=1,key2=1,Is=0,F_R=1,BRK=0,FAULT=1,使能端EN=1有效，電機實現正轉，此時電機正常工作，無過電流，電機不剎車，不報錯，相應仿真圖如圖2所示。

圖2 電機實現正轉仿真波形

圖3 電機實現反轉仿真波形

key=1,key2=0,Is=0,F_R=0,BRK=0,FAULT=1,使能端EN=1有效，電動機實現反轉，此時電機正常工作，無過電流，電動機不剎車，不報錯，相應仿真圖如圖3所示。

當電機正常運行時，通過PWM調制改變電樞端的輸入電壓來實現速度的控制，選取合適頻率的晶振，此處晶振的輸出時鐘作為信號cl ock，輸入的數字量由key3按鍵來實現，key3的第0位完成加1功能，key3的第1位完成減1功能。輸出信號out，通過觀察波形進行檢測，仿真波形如圖4所示。

圖4 控制電機轉速仿真波形

4 結語

本文對電機的系統構成與工作原理進行了分析，設計一種無刷直流電動機調速控制系統，采用FPGA作為系統的控制芯片，實現無刷直流電動機的控制的控制方法。仿真結果表明通過設計能夠很好地控制無刷直流電動機，夠滿足無刷直流電機控制性能要求。相比較傳統使用單片機及接口電路來控制電動機而言，簡化了外圍控制電路，節約成本，靈活性更高，應用更加廣泛。

[1]王宗才.機電傳動與控制[M].第2版.北京:電子工業出版社,2014.24.

[2]王曉初.機電傳動控制[M].武漢:華中科技大學出版社,2014.273.

[3]朱劍波.無刷直流電機控制系統的仿真與分析[J].國外電子測量技術,2013,12:25-30.

[4]劉錦波,張承慧.電機與拖動[M].北京:清華大學出版社,2007.367.

[5]張丕狀,李兆光.基于VHDL的CPLD/FPGA開發與應用[M].北京:國防工業出版社,2009.24-49.