戴志勇，齐蓉，谢世杰
(西北ll_业大学，陕两西安7l0129)
摘要：研究一种基于FPGA实现无刷直流电动机闭环调速的控制策略和系统设计方法．建立增量PID算法和spwM调制FPGAIP核。通过分时复用技术，对sPwM调制模块进行优化，可在满足系统动态性能的前提下，大大节省系统资源。实验结果也证明了这种基于FPGA实现电机调速控制的策略和系统结构的有效与可行，其突出优点在于简化了控制系统外围电路，显著提高系统的可靠性。
关键词：现场可编程门阵列；无刷直流电动机；sPwM；PID
0引 言
当今的无刷直流电动机凭借其高效、大起动力矩、调速性能优越而成为高效电力驱动的新宠，广泛地应用在航天、航空、汽车、精密电子等行业领域：现场可编程门阵列(field Programmabk cate Array，简称FPcA)半导体器件的出现，将改变目前无刷直流电动机控制系统大多由D，sP或单片机实现的格局[1]。FPGA具有静态可重复编程和动态系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改，FPGA芯片成为小批量系统提高系统集成度和可靠性的选择。
与传统的DSP相比，FPGA比DsP拥有更快的速度，更低的功耗，可以完成复杂的高速逻辑运算；其灵活的可配置特性，使得FPGA构成的系统易于修改，易于测试及硬件升级[]2-3]。另外FPGA的采用简化r系统外围电路，使系统可靠性高，实时控制速度快，整个系统稳定性强。
基于FPGA无刷直流电动机控制系统设计的关键技术在于FPGA IP核设计。
1系统构成与工作原理
调速控制系统总体结构如图l所示。系统由FPGA与外围电路两部分组成。其中，外围电路包括****位置光电编码器和功率驱动模块。
FPGA为整个电路的控制中枢，当其接收到开机命令后，产生无刷直流电动机驱动信号。驱动信号经sPwM调制，由电机功率驱动电路驱动无刷直流电动机工作。同时，光电编码器产生****位置信号，反馈到FPGA中，经PlD反馈调节，校正输出的电机驱动信号，使电机跟随给定速度运转。
2 FPGAIP核设计
实现无刷直流电动机的调速控制的关键技术之一是设计FPGA的IP核，其核结构如图2所示。IP核由三部分组成：PID模块、数据处理模块、sPwM 调制驱动模块。
当FPGA接收到开机命令后，由HD比较速度给定和速度反馈，输出12位占空比调节数据，通过sPwM调制驱动模块，产生上三路经sPwM调制、下三路为方波调制的六路电机驱动信号，送外围电路驱动电机。****光电编码器检测电机的位置，通过外同电路向FPGA发送一组基于Biss协议的串行数据，FPGA经过数据处理，产生速度信息和位置信息，实现电机的闭环调速控制。
表示实际值。改进后的并行PID实现如图3h所示。
由3b图可以看出，改进后的并行结构需要四个加法器、三个乘法器。在保证算法快速性的前提下，节省了系统资源，避免了使用减法器，提高r控制精度，简化了设计结构。
2. 2数据处理模块
数据处理模块将基于Biss协议的串行数据转化为并行数据，从而实现无刷直流电动机实时角位置反馈的输入。
Biss接口时序如图4a所示。整个时序分为时钟发送和数据接收两部分。当FPGA发出一个时钟刷信号时，光电编码器反馈回一个基于B，ss l办议的串行数据。具体流程为：时钟的下跳沿请求数据传输，编码器与Ⅸss时钟同步的发送1位起始位，12位的位置数据，2位状态位(错误和警告)，6位cRc校验位和l位多周期数据(MCD)。
数据处理模块通过识别各个状态的特征标志位，进入各个时刻对应的状态机。各个状态机之间通过操作一个22位的移位寄存器rx shiner将串行数据转化为并行的14位角位置数据。在IDIE状态，将22‘H3FFFF加载人移位寄存器，当进入s【art状态时，移位寄存器开始右移，并进入receive状态，移位寄存器rx shmer继续右移，直到rxshifer1：O]==2’b10，说明有效数据接收完毕，进入stop状态。在stop状态，发出数据转化完成信号，并将表示光电编码器角位置数据的rx-shmer[15：2]装载入地址寄存器addr中，从而完成整个数据转换过程。模块又进入IDLE状态。得到电机的****位置。通过电机****位置的变化快慢，测得电机转速
2.3 sPwM调制驱动模块工作原理
随着电力电子技术的发展，PwM技术被广泛应用于中小功率电机调速控制中。然而，采用PwM调制谐波分量大、使电机附加损耗高，噪声大，不利于电机平稳运行。而sPwM技术是基于基准正弦波产生脉宽调制信号的方法，相当于正弦波调制，能很好地克服PwM技术的谐波缺陷。
sPwM调制驱动模块原理结构如图5所示。在实现上三路驱动信号sPwM调制的基础上，设计分时复用正弦表和乘法器。通过时钟，将由电机****位置计算出上三路驱动信号某时刻相对应的正弦地址分时加载到查表寄存器中，得到相应离散正弦幅值。通过与[1l：0]PwM dutv相乘，实现sPwM调压功能。再根据状态机和时钟将该幅值分离成相应的三路，与三角波比较，得到相应的三路sPwM驱动信号。与无刷直流电动机的换向逻辑相与，输出六路驱动信号，控制无刷直流电动机正常工作。
2.4 FPGAIP核仿真
FPGA IP核整体仿真如图6所示。
在图6中，addr是无刷电机的角位置信号，sP—wMTl、T2、sPwM一T3、r4、sPwM一T5、T6是6路输出的驱动信号。上桥臂(下桥臂)的每路导通信号互差120。电角度，同相的上下桥臂互差180。电角度。
3 FPGA选取及外围电路设计
本系统选用的FPGA是AcTEL公司的A3p250，其频率高达350 MHz，能够提供1 kHz的nashROM。A3p250内置锁相环，整个芯片有25万门，资源能够实现电机调速控制系统的技术要求.
光电编码器选用Hengstler公司的14位****式光电编码器，硬件接口电路接收芯片选用Ⅱ公司的 sN75179B，它为全双工驱动芯片，转换频率达到10MHz。通过光电编码器接口电路，将编码器输出地双路差分信号转化成FPGA能够识别的单路TTL电平信号。FPGA输出的驱动信号，经过隔后，通过功率驱动电路驱动电机正常运转。
4实验结果
系统硬件实物如图8a所示。E三路桥臂sP—wM调制驱动信号是保障无刷直流电动机调速系统性能的关键。电机稳定运行时，上三路桥臂驱动信号实测波形如图8b所示。其中，信号低电平时MOsFET导通。每个信号之间互差120。电角度。由实验结果可知，设计符合sPwM调制要求，保障了整个电机控制系统的控制性能。
5结语
无刷直流电动机调速控制系统采用FPGA作为控制芯片，用Verilog语言设计FPGA IP核，使用改进型增量PTD控制和sPwM调制技术，仿真和实测实验结果都表明能够优化无刷直流电动机调速控制系统结构并获得优良性能。同时，由于使用FPGA代替传统的DsP作为控制芯片，使得系统外围电路少，提高了系统的可靠性。
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