基于FPGA 的有限转角电机控制器研究与设计*

朱文龙，周 骅，张荣芬，罗文龙

（贵州大学大数据与信息工程学院，贵阳 550025）

1 引 言

随着科技不断发展，越来越多的有限转角电机应用场景被发掘出来，比如无人机姿态调整器、发动机燃油阀控制器等的应用场景中都以有限转角电机作为系统执行机构［1］。有限转角电机控制器直接控制电机运转，其性能直接影响着有限转角电机的运转状态，进而影响随动系统工作质量。改进有限转角电机控制器能够改善电机运行中的各项数据指标，近一步提高人们的生活质量。

PID（Proportion Integral Differential）算法是对期望值、实际反馈值作差，经比列、积分、微分环节计算得到系统控制输出值［2］。在经典控制领域中PID算法通常采用位置环、速度环、电流环的三闭环控制技术路线，完成对有限转角电机转子位置的实时控制［2］。目前，在有限转角电机控制器实现的硬件技术路线上，大多采用模拟电路、MCU（Micro Controller Unit）等方式。事实上，该系列技术路线在实际控制中的电机响应速度、控制精度等存在一定的不足。故此针基于模拟电路、MCU 技术路线的有限转角电机控制器控制效果不佳的问题，尝试引入FPGA（Field Programmable Gate Array, 现场可编程门阵列）硬件平台，基于Cyclone IV EP4C22F17C8 芯片，通过编程，设计一种具有位置环、速度环、电流环的三闭环控制器，并通过实验考核其在控制精度与响应速度上与MCU 端同类产品的差异。

2 有限转角电机工作原理

控制器开发是针对有限转角直流无刷力矩电机［4］进行的。该类电机能够在一定角度之内实现正向或反向转动。其主要特点为转速较低、转矩较大，在长期堵转情况下仍能正常工作；同时转速和转矩波动小，机械特性和调节线性度好，更适合用来进行小角度、高精度的控制。

在常规的直流力矩电机运行过程中，为了保持电枢的连续旋转，电机必须采用换向器使得电枢中的电流在连续变向的磁极下仍然保持流向不变［5］，进而使得电机电磁转矩方向也保持固定方向。因为电机极对数限制着电机电角度，在极对数为1 时电枢最大角度不超过180°，此时给电机通正向或反向电流就实现了在一定角度内的正向或反向转动，有限转角电机正是基于这一点制造出来的。

3 控制器整体设计方案

所设计的有限转角电机控制器系统结构如图1所示。系统的主要组成部分包括上级指令信号采集模块、电机反馈信号采集模块、PID 计算模块、PWM（Pulse Width Modulation, 脉宽调制）控制模块、有限转角电机等。系统整体的控制思路为：由上级指令信号采集模块采集上一级命令系统给出的目标角度，同时经过机反馈信号采集模块实时检测有限转角电机的转子位置、转速、母线电流信号，并将这些信号输送到PID 计算模块。此时，PID 计算模块根据有限转角电机实时角度与给定角度进行计算，不断更新PID 的输出值。PWM 控制模块将PID 输出值转换为脉宽调制控制信号［6］，并经过H 桥输送给有限转角电机，产生转角输出，实时有效地闭环控制有限转角电机的转子位置［7］，使其转子能够准确的到达或停止在目标位置。

图1 有限转角电机控制器结构图

4 硬件设计

电机驱动电路由电源输入电路和H 桥驱动电路组成。如图2 所示为电源输入处理电路图，以18～22V 直流电源经过TB1-10、TB1-11 进入电机控制装置，自恢复保险管F1、F2 和压敏电阻RV1，主要对输入电源线路上出现的浪涌电流及瞬态电压现象进行安全防护。经过共模电感L2 后的电源，一路经过大功率共阴极肖特基二极管CR1 转换为电机线圈的供电电源VCC4；依靠CR1 的单向导通性能有效防止电机运转过程中产生的尖峰电压对控制装置带来的影响。另一路采用共模电感和差模电感设计以增强电路的EMC 特性，电源的输出为VCC1，作为电源转换电路的输入。电源线路采用滤波电路来滤掉电源上的高频噪声。

图2 电源输入电路设计

H 桥驱动模块电路如图2 所示，采用了H 桥电路的专用驱动芯片HIP4080A，主要功能是将FPGA模块输出的两路PWM 波进行比较，通过转换，进一步控制H 桥四个桥臂（Q1、Q2、Q2、Q4）的栅极电压，实现Q1、Q4 和Q2、Q2 交替导通和关闭。HIP4080A的AHS、BHS 连接至H 桥电路的输出，为了增强电机控制装置的电磁兼容性，此输出经过共模电感L2及穿心磁珠E2 后再接至电机绕组。

图3 H 桥驱动电路

控制器选用AD7091R 传感器、RDC19222 旋转变压器作为解析元件将上级系统指令信号和电机转子的实时位置信号、实时角速度信号、实时母线电流信号解析为数字信号，并传输至FPGA 芯片内部。AD7091R 传感器所需驱动电源为2.2V，因为FPGA芯片管脚输出高电平为2.2V 电压，所以AD7091R可直接使用FPGA 芯片2.2V LVTTL 接口信号作为输入驱动电源。如图4 所示为旋转变压器电源驱动电路图。电路采用集成芯片来进行电压转换，电路中VCC2 为+8 V，VCC2 为-8 V，VCC1 为+22.8 V，V+为24V；实现稳定的±12V、+5V 输出电源。

图4 旋转变压器驱动电路图

5 控制算法

PID 算法原理如图5 所示。rin（k）为上级系统给出的目标位置指令；yout（t）为有限转角电机实时位置反馈值；e（t）为误差值，即目标值与实际值之差；u（t）为经过PID 计算输出的控制值［8］。当该控制器作用于有限转角电机时，能够使其转子达到目标位置或者停留当前位置；Kp、Ki、Kd分别为PID 控制中的比例系数、积分系数、微分系数。

图5 PID 算法原理图

设计需要将PID 控制算法移植到FPGA 内部，因此须对其进行离散化，如下式所示：

式中，U（k）为第k 次采样所得到的PID 计算值；e（k）、e（k-1）为第k 次、第k-1 次采样得到的误差值。

由式（1）整理得到增量式PID 控制输出表达式：

式中，U（k）为第k 次采样时PID 控制系统较第k-1次控制输出值的增量；e（k-2）为第k-2 次采样时刻的误差值。

设计采用位置环、速度环、电流环三闭环控制方式，控制原理如图6 所示。位置环控制能够提高有限转角电机运动过程中转子位置精度；速度环控制提高了电机转子角速度抗负载扰动能力；电流环控制直接作用到电极母线电流，可提高电机响应速度以及抗干扰能力［9］。

图6 三闭环PID 控制原理

6 FPGA 逻辑设计

逻辑设计采用的EDA 开发工具为Quartus II，具体包括控制器顶层状态机、RDC19222 驱动、AD7091R 驱动、PID 控制器、PWM 波、PLL 锁相环模块逻辑代码设计。顶层状态机工作流程如图7 所示。在控制器顶层状态机中，设置初始状态、等待状态、工作状态。

图7 顶层状态机工作流程

在初始状态下，先通过配置端口信号使RDC1922、AD7091R 完成上电初始化，进行正常转换工作。

处于等待状态表明传感器已经完成初始化，可以进行正常工作，此时等待PWM 波启动信号到来。

在工作状态下，顶层状态机先调用传感器模块完成各项数据采集，并将数据寄存在FPGA 内部，然后调用PID 控制器进行PID 计算，最后调用PWM波模块，将PID 计算输出值转换为相应占空比的PWM 波，并输出至有限转角电机自带的H 桥模块。至此便完成了一次从数据采集到电机实际控制的逻辑计算。

在实际控制过程中，顶层状态机会在等待状态和工作状态之间来回切换。因为有限转角电机需适应20 kHz 的PWM 波，为了防止PID 计算出现发散的情况，PID 控制器每完成一次计算后均需要进行锁存，等待下一个PWM 到来时再次被唤醒。因此在PID 控制器设计中需要添加状态机机制，其工作流程如图8 所示。设置初始化状态、误差计算、MULT、ADD、限幅、输出数据，如式（2）增量式PID 所示，在初始状态下配置PID 控制系数；误差计算状态下更新e（k）、e（k-1）、e（k-2）。MULT 状态下完成PID 控制系数与信号乘法计算；ADD 状态下更新PID 控制输出增u（k）；最后为了保护电机，需要对PID 控制输出信号进行限幅。

图8 PID 状态机工作流程

7 系统测试及结果分析

通过JTAG 接口将Quartus 中的程序下载到FPGA 芯片中，以阶跃信号做目标指令，启动有限转角电机，并通过串口发动电子转子位置数据，通过MATLAB 绘制出如图9 所示电机位置响应图。为了进行对比分析，实验中还搭建起了另一套ARM cortex_M4 处理器的有限转角电机控制器，其设计同样采用位置环、速度环、电流环的三闭环控制方式。给定同等指令信号，经MATLAB 得到图10 所示电机位置响应图。

图9 FPGA 控制器响应测试结果图

图10 MCU 控制器响应测试结果图

可见，采用基于FPGA 的控制器时，电机转子到达目标角度调整时间为0.211s，超调量0.6°；采用基于MCU 的控制器时，电机转子到达目标角度调整时间为0.242s，超调量为1.2°。对比之下，在目标角度为10°时，基于FPGA 的控制器超调量减少了0.7°，调整时间缩短了0.021s。说明结合FPGA 强大的数据处理能力，能够提前计算出PID 控制输出值，同时增加的限幅模块使得PID 控制输出值得到了一定程度的限制，使得最终超调量也有一定减少。

8 结 束 语

所设计的基于FPGA 的有限转角电机控制器，仍采用位置环、速度环、电流环三闭环控制方式，能够根据给定目标位置指令和电机实时转子位置、转子角速度、母线电流控制电机的转向和转速，使其达到或者停留在目标角度上。相较基于MCU 端的控制器而言，基于FPGA 的设计超调量更小、响应速度更快，也更利于控制器的微型化、二次开发和平台移植。本设计已实际应用到发动机燃油阀控制系统中，与传统MCU 端控制器相比，其对燃油阀系统的控制效果有了较为明显的提升。