基于FPGA的直流电机控制系统的设计

刘仲晔

（海装驻湘潭地区代表室，湖南湘潭 411100）

1 基于FPGA的直流电机控制系统整体架构

作为控制系统的核心部分，FPGA 要尽可能地减少系统体积，保障系统运行灵活性，以实现不同场景的修改与人性化设计。FPGA 自身有着较小的能耗，因此在移动电源场合弥足珍贵。本研究采用FPGA 芯片进行电机控制系统设计。通常FPGA 控制器启动后，能够对电机转子位置相关信号进行采集，对应的会形成6位换相信号，其与PWM 波信号结合，能够对逆变器6个功率开关管进行控制，实现导通或截止，使得电机处于正常运转状态[1]。

电源、时钟、复位等相关的配置电路是保障FPGA 芯片工作的必要前提。除此之外，还需要借助按键对电机的转速进行控制。首先需要进行按键设置，即在开发板选择SW1、SW2作为脉冲信号输出路径，FPGA 产生PWM 信号后，按键能够对占空比进行控制。另外，一般情况下，FPGA 在脉宽调制波输出期间电压会低于正常电压，各个端口输出的电压均在5V 以下，难以直接将电机驱动。因此需要引入功率驱动模块，将其安装于FPGA 控制器与电机之间，提供高电压保障电源供电。或者FPGA 输出PWM 波时，经过控制作用，使得电机具有合适驱动电压的支持。驱动电压稳定性受多种因素影响，电机的运转速度往往难以掌握，基于此需要引入反馈形成闭环。采用采样电阻实时对功率驱动电路电流予以采样处理，采集信号向控制器反馈，可修正控制信号[2]。基于上述需求，电机控制整体系统架构设计如图1所示。

图1 电机控制整体系统架构

2 基于FPGA的直流电机控制电路设计

2.1 芯片选型与供电

FPGA 的合理化选择是保障系统优化设计的重要环节，研究应用Smartfusion 进行系统模拟，并在此基础上融合Cortex-M3ARM 内核，其与FPGA 芯片能够对数据进行并行处理，促进了控制器性能的提升。与FPGA 相比，ARM 灵活性强，二者结合有利于问题的解决。Smartfusion 的内部集成了100 MHz RC 振荡器，精度均为1%，外部能够与1.5～20 MHz 的时钟以及低功耗时钟连接，配备了两个锁相环，通过功率的输入与输出能够动态配置，使得不同类型时钟信号顺利在芯片输入。Smartfusion 具有可编程模拟模块，有利于反馈环节的设计，能够实现电压、电流及温度监控。ADC 能够达到3路12位，当处于8位模式，速度能够达到600 ksps，内部参考电压为2.56 V。不仅如此，Smartfusion 对多项资源进行集成，可进行利用。常见为Cortex-M3系统，配备Cortex-M3处理器，运行速度可达到100MHz，存储器件优越，可编写，即便掉电，也不会使数据丢失。Smartfusion 利用128位AES 加密技术，高效、可靠；FPGA 部分I/O 灵活性强，同时支持LVDS、PCI、LVCOMS 等多种电平。

芯片正常工作需要稳定的供电。Smartfusion 开发板对应部分电源电压不尽相同，如图2所示。电平值为1.5 V，直流MSSI/O 缓冲区需要3.3 V 电压。引脚电压不同，为实现标准5 V 电压的转变，可以采用线性稳定芯片LT1963、LT3080将其转换为5 V、1.5 V电压。在电平输入与输出端分别配置0.01 μF、10 μF电容，能够将噪声消除，且具有滤波功能，提升运行稳定性。

图2 控制器供电情况示意图

2.2 时钟电路

芯片在保障额定电源供电的同时，应提供稳定的时钟信号，保障内部模块顺利开展工作。本研究在系统设计中配置了两个振荡器，低功率振荡器32.764 kHz，高频振荡器为20 MHz。时钟电路设计如图3 所示。谐振器功率为20 MHz，在Smartfusion芯片MAINXIN 与MAINXOUT 管脚之间，受负载电容的影响，谐振器实际功率在20 MHz 以下，为解决这一问题可以引入两个18 pF 电容进行串联，使得谐振器功率稳定为20 MHz，能够满足以太网时钟高精度需求。32.764 kHz 谐振器放置位置为LPXIN 与LPXOUT 管脚之间，采用30 μF 电容进行连接，能够减少误差，促进实时计数的实现。

2.3 复位电路

电机控制系统运行可靠性很大程度上取决于复位电路，复位电路功能相当于计算机的重启按键，当发生故障时，按下复位键，能够使程序重新启动。不仅如此，复位电路不会一上电便进入工作状态，能够避免CPU 发出错误指令，出现不当操作，电磁兼容性得到了保障。本研究在设置复位系统时引入施密特触发器，复位电路系统结构如图3所示。NL-DS1818复位端口初始保持高电平，未启动复位功能，按下SW3键后，会形成一个完整的通路，高电平经电阻到低电平通路，此时复位端会变为低电平，将复位功能触发。在施密特触发器作用下，复位按钮噪声能够明显降低，该复位信号与开发板微控制器复位保持同步。

图3 复位电路系统结构示意图

2.4 按键电路

按键电路负责对FPGA 芯片进行信号的输送，设计简单。未按下按钮前，SWITCH1 为高电平状态，电压为3.3 V，按下按钮SW1后，高电平端经过电阻、按键会达到低电平端，此时SWITCH1位置会出现一个瞬时的低电平，发出“0”值脉冲信号。

2.5 去耦电路

驱动源与被驱动负载共同构成了一个完整的电路，当处于较大的负载电容，驱动电路要想实现信号的跳变，首先需要充电、放电，若上升沿陡峭，会导致电流增大，部分电流会被分出去，影响系统的正常运行，这一现象即耦合现象。去耦电路在分立元件、集成电路中均有着广泛的应用，是电路设计应用最多的模块。该系统设计的去耦电路电容值包括0.1 μF、1 μF 以及10 μF 多个不同规格。采用1 μF、10 μF 电容能够对高频噪声有效去除，其平行共振频率＞20 MHz，高频滤波电容主要置入芯片引脚位置。

3 基于FPGA的直流电机的驱动电路设计

在信号输入端配备上拉电阻，为330 Ω，主要功能是驱动上桥，完成电平转换。PWM 波达到10 kHz会产生噪声，需要进行滤波处理，本研究采用100 pF多层陶瓷电容进行滤波。为提升电压需要采用3个自举电路，电容与二极管组成完整的自举电路，前者用于电荷储存，后者能够对电流倒灌起到预防作用。在频率较高的状态下。电路输入电压与电容电压构成了自举电路电压，起到升压的作用。研究在设计中不仅引入自举电路二极管与电解电容，而且还配置一个10 Ω 的电阻，用于限流自举电路，仍需要去耦处理自举电路，将自举电路与0.22 μF 电容并联，可发挥滤波作用，尽可能使去耦电容与芯片引脚靠近。电源接入端需要采用略大容值的电容进行滤波处理，研究设计时电解电容为22 μF。为确保系统的正常运行还需要针对电路进行故障锁定设计，保护电流。多层陶瓷电容可起到故障锁定与定时的作用，直流母线滤波电容宜选择寿命长、纹波电流高的电容。所用电阻为康铜丝电阻，具有耐高温、温度系数小的特点。需要注意的是在连接该电阻时应将其与引脚尽可能接近。

该驱动电路下，能够保持稳定的供压，结合输入信号对内部功率开关器件进行控制，实现导通，将三相电流输出，使得电机受到驱动，进入运转状态。

3.1 电机选型

电机选择首要考虑的是功率与转速，除此之外还要优先选择体积小、重量轻的电机，保障灵活度。本研究选择的是德国公司生产的QBL4208-41-04-006号电机，当转距处于额定状态下，其转速能够达到4 000 r/min，轴直径5 mm，长度20 mm，外形小巧，总重量仅为300 g，灵活性强。该电机额定工作电流与电压分别为1.8 A、24 V，最大峰值电流与工作电压分别为3倍，5.4 A、48 V。该电机还配备了霍尔传感器，能够将霍尔信号传输到控制器。

3.2 系统测试

研究构建的基于FPGA 的直流电机控制系统如图4所示，将小型的三相电机作为实验对象，予以驱动实验，按键后将速度实施16挡控制，转速从理论角度能够达到4 000 r/min。为确保驱动模块能够达到最佳的驱动性能，在驱动小车时无需将转速设置过高，因此电源电压采用的是15 V，转速最高为2 500 r/min，挡位差值约为156.32 r/min。为验证电机的静态性能，给定了一个PWM 波，为10 kHz，假设其占空比为50%，理论上转速为1 250 r/min，电流为1.125 A。

图4 系统设计实物展示图

在分析各路信号相位关系时采用在线逻辑分析仪，可以发现，输出信号能够满足电机正常运行，可实现转子换相，经占空比对电机转速作出相应的调整。电机完成霍尔信号输出后，选择其中两相予以采样处理，获得其相位，结果如图5所示。可以发现霍尔信号相位周期相差1/3，对其中1路信号划分6段，发现各个时间段信号均处于正常，能够满足霍尔信号相位关系需求，提示运转正常。

图5 75%占空比PWM电机输出霍尔信号

验证电机中电流反馈环的效果，在启动三相电机后，对主回路电流予以采样，对比控制前后情况，可以发现电流闭环PID 算法应用后，降低了电流振荡幅度，不足开环时的一半，从振荡时间方面看，由初始的500 ms 缩短至200 ms，表明闭环可提升系统稳定性，使得电机运行更为平稳。综合上述实验结果，可以发现该系统能够实现既定的目标，启动时间可达到200 ms，且能够将转速误差控制在0.5%内。

4 结束语

直流电机使用范围广、工作效率高，控制系统具有一定的复杂性。本研究设计的基于FPGA 的直流电机控制系统坚持灵活方便、高精度的原则，采用Smartfusion 控制核心，驱动电路采用PS21564-P 作为主体，通过时钟、按键、电平等配置电路，能够实现数据的控制与传输，电流保护与自举电路具有滤波功能，在减小体积的同时，能够降低控制器误差。经系统验证，该系统具有较好的静态特性与动态特性，能耗低，保障了系统稳定性。