基于fgpa的无刷电机控制器的设计与实现

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1、TECHNICALEXPLORATION技术探讨基于FGPA的无刷电机控制器的设计与实现DesignandImplementofDCMotorControllerwithFPGA周杨徐科军合肥工业大学自动化研究所（合肥230009）摘要：研制一种以FPGA为核心、适用于多种直流电机的控制器。由单片FPGA完成电机驱动波形发生、闭环控制运算和上位机通信功能。该控制器既可以独立进行电机调速，也可以配合上位机进行控制，在实时性和抗干扰性能方面优于MCU/DSP控制器。该控制器的软核可以在不同硬件平台间移植，更换不同档次的器件即可工作于辐射、高温和严寒等特殊环境中。关键词：直流电机控制器FP

2、GAAbstract:AFPGA-basedcontrollerisdevelopedforvariousDCmotors.ThesingleFPGAchipimplementsthePWMwavegeneration,closedvelocityloop,andcommunicationwithupper-controller.Thecontrollercanworkindependen-tlyorcooperatewithupper-controllerfordrivingDCmotors.Theperformancesofthecontrollerarebetterthanth

3、oseofconventionalcontrollersbasedonMCU/DSPinrealtimecontrollingandanti-jamming.ItssoftIPcoreiseasytotransplantbetweendifferenthardwareplatforms.Ifweselectappropriateleveldevices,thiscontrollercanbeappliedtosomespecialfields,suchasradioactivity,veryhighorlowtemperature.Keywords:DCmotorController

4、FPGA目前大多采用MCU（单片机）或者DSP（数字模块由光电耦合器和功率管驱动芯片及功率场效应管信号处理器）来研制电机控制器，因为一些MCU和组成。无刷电机的转子位置反馈由霍尔元件完成，一DSP中预置了用于电机控制的指令、接口和外设，个相对光电码盘用于提供速度反馈。应用较为方便。但是，在一些特殊的应用领域，例如，在高温、低温和强电磁干扰或者有放射性粒子辐射的太空环境中，MCU和DSP无法正常工作。FPGA有从商用级到航天级不同级别的芯片，环境适用范围广泛。1总体方案整个系统分为控制部分和驱动部分，如图1所示。控制部分由FPGA和ADC组成，由单片FPGA完成电机驱动波形发生、闭环控

5、制运算、上位机通信功能，ADC用于电枢电流反馈。功率图1系统硬件结构中国仪器仪表2007年第7期www.cnim.cn35技术探讨TECHNICALEXPLORATION2系统研制2.1硬件设计选用24V/16W的永磁直流无刷电机，配有200线/圈的光电码盘。FPGA芯片选用Xilinx公司的Spar-tanⅡS150，采用主动串行配置模式。功率管的驱动采用基于浮栅驱图2通信模块结构动技术的IR2130，它能与电机高压电源共地运行，从而实现功率模块的单电源设计。数。MCU的指令地址由主PC（程序计数器）给出，2.2FPGA逻辑单元设计一个同步计数的从PC和主PC的数值一起送入PC校F

6、PGA作为控制器的核心，主要包括以下3个模验逻辑进行比较，校验错误信号将使MCU在下一个块。驱动模块：根据给定的状态量产生驱动信号。控时钟周期复位，并清空当前流水线中的指令。双PC制模块：用于完成闭环速度控制，由速度给定值和反设计缩短了复位时间，使MCU不会因干扰而执行错馈值运算输出PWM脉宽给定值。通信模块：用于完误的指令，极大提高了系统可靠性。成驱动模块和控制模块内的寄存器的加电初始化和上UART波特率的加电默认值为9600bd。其发送、位机通信功能，实现控制器的在线编程和上位机对电接收数据格式为：1位启动位（低电平），8位数据位，机的远程控制功能。1位停止位（高电平）。通过RS

7、232电平转换后与PC驱动模块主要包括PWM波产生单元，电机转子机串口进行通讯。位置译码真值表、可编程死区发生器等电机驱动所需3工作流程的功能，可用于直流无刷电机的三相全桥、半桥驱动和直流有刷电机的H桥驱动。FPGA配置完成后MCU状态字中的初始化标志控制模块采用PI控制算法，可表述为：位为“0”，取指令单元即从程序存储器中取指令以完成寄存器的加电初始化。程序存储器由FPGA内部=+=0DistributedRAM和外部并口ROM组成，内部RAM式中：中存