基于FPGA的直流電機速度控制器設計-圖文

第32卷第2期2006年2月電字工疊強眥CTRoNICENCINEERV0l32No.2Feb.2006基于FPGA的直流電機速度控制器設計陳桂1,萬其2(1.南京工程學院,江蘇省南京市210013;2.南京電子技術研究所,江蘇省南京市210013【摘要】介紹了一種基于ALTERA的FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列設計的直流電機速度控制器的設計方案及設計實現(xiàn)方法。在FPGA中實現(xiàn)電流和速度反饋數(shù)據(jù)的自動采集,同時設計了電流回路校正和速度回路校正模塊,給出了控制器數(shù)據(jù)采集、算法實現(xiàn)廈時序控制的實現(xiàn)方法。最后介紹了速度控制器的仿真及試驗結果。該設計具有實時性強、響應速度快、集成度高、保護及時等特.點。關鍵詞:直流電機,FPGA,速度控制中圖分類號:TN990引言隨著電力電子器件和控制技術的發(fā)展,直流電機控制大多數(shù)采用PWM(脈寬調(diào)制的方法對電機進行控制。在這種控制方式的基礎上,有兩種模式:一種是采用模擬電路控制,另一種是采用高速單片機實現(xiàn)對電機的控制。模擬控制的模式由于其調(diào)試繁復等固有原因,正逐漸被淘汰。高速單片機控制全數(shù)字速度控制器正被廣泛應用。本文介紹的全數(shù)字控制的速度控制器不同于采用高速單片機控制的速度控制器,是利用FFGA(現(xiàn)場可編程門陣列實現(xiàn)對直流電機控制。由Flea完成所有的控制,具有控制保護響應快、接口設計靈活方便、特別是不會出現(xiàn)死機現(xiàn)象、控制更加可靠等特點。1控制器的組成控制器控制結構與普通直流電機速度控制器相似…?；贔PGA的速度控制器組成如圖1所示。圍1基于FPGA的速度控制組成框圈電機的速度反饋和電流反饋經(jīng)信號調(diào)理后輸入到A/D轉(zhuǎn)換器,由FPGA控制其轉(zhuǎn)換;上位機的控制輸人輸出直接送人FPGA;控制單元是控制器的核心部分,負責校正運算、故障檢測、保護輸出等功能;脈沖產(chǎn)生單元是產(chǎn)生PWM脈沖,經(jīng)驅(qū)動電路控制功率開關器件。速度控制的設計實際上包含兩個回路設計,即電收稿日期:2005-08-20;修回日期:2005-10-20。?70?流回路和速度回路設計,電流反饋和速度反饋經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換器送到FPGA的運算單元,運算單元進行校正運算,將結果送到脈沖產(chǎn)生單元,控制電機的轉(zhuǎn)動。2關鍵技術及其在FPGA中實現(xiàn)2.1數(shù)據(jù)采集全數(shù)字速度控制器設計的關鍵之一是電流回路設計,它是速度控制具有良好控制性能的前提。功率放大器件采用智能控制模塊IPM,設計的開關頻率為16kHz,因此,電流回路控制采樣頻率應為16kHz。采用PWM控制的實際電機電流是波動的,速度控制器必須進行數(shù)字濾波,系統(tǒng)實際采樣頻率需要更高。選取.11公司的A/D轉(zhuǎn)換芯片ADS7864,它是快速6通道全差分輸入的12位A/D芯片,最快采樣頻率為500kHz,具備不同的通道,可以有不同的采樣頻率,適合進行速度和電流反饋的轉(zhuǎn)換。在每個電流回路控制周期,進行I/O采樣濾波,因而,電流反饋的實際采樣頻率是160kHz,ADS7864能夠滿足要求。在數(shù)據(jù)采集模塊,FPGA控制ADS7864進行A/D轉(zhuǎn)換的步驟為:選取需要轉(zhuǎn)換的通道、產(chǎn)生啟動轉(zhuǎn)換的脈沖序列、查詢轉(zhuǎn)換結束的信號、進行數(shù)據(jù)錄取等控制,同時為A/D芯片提供時鐘信號。2.2控制算法設計雖然現(xiàn)在控制算法很多,但在工業(yè)控制實踐中采用最多的依然是PI校正,因此系統(tǒng)控制的電流回路和速度回路采用PI校正的算法。數(shù)字控制需要將PI校正的運算式離散化。PI校正的差分方程式為:K=Ao置一A-置一,+L一.(1式中:^。,A。為與PI校正增益和積分時間常數(shù)相關的常數(shù);墨,五一。分別為本次偏差和上次偏差;L,K一。分別為本次校正輸出和上次校正輸出。萬方數(shù)據(jù)第32卷第2期陳桂,等:基于FPGA的直流電機速度控制器設計?計算機與自動化技術電流和速度控制均采用PI校正器,只是反饋的采樣頻率不同而已。由式(1可以看出,在FPGA中需要進行2次乘法和2次加法(在FPGA中實際上是將減法轉(zhuǎn)換為加法。在可編程器件中設計加法器和乘法器尤其是乘法器需要耗費大量的硬件資源,因此必須考慮運算器的字長,依據(jù)實際經(jīng)驗,將乘法器設計為16位,考慮到積分精度,將加法器設計成32位,在FPGA中的運算和計算機中一樣,采用補碼算法。在FPGA中實現(xiàn)的加法表達式為:Q。=毛oY.oc。(2式中:Q。為結果位;c。為進位位。采用VHDL編程如下:adder:PROCESS(X,YvariableC:std_logic;BEGINC:=吣’;foriin0to31loopQ(i<=x(ixorY(ixorC;C:=((x(iandY(ior(X(iandCor(Y(iandC;endloop;endprocess;乘法器的設計采用Booth算法,實際J=:-是將乘法轉(zhuǎn)化為加法,由于VHDL程序較長,未附在本文中。2.3時序控制在FPGA中設計的速度控制器,時序設計是實現(xiàn)正確控制的關鍵。時鐘源輸人最好從可編程器件的全局時鐘引腳輸入,以減小線路延時,和干擾毛刺。系統(tǒng)循環(huán)控制采用一個總的計數(shù)定時器,如采用16kHz的開關頻率,循環(huán)周期為62.5Its,類似于單片機的定時中斷控制。在圖2中,g]oble—clock是8MHz時鐘源,globle_cnt是總的循環(huán)控制,保證了控制周期為62.5I墻(16kHz。在總時鐘周期globle—cntgloble—cnt中,控制主要分為3個階段:globle—cnt為0時,啟動A/D轉(zhuǎn)換和濾波時鐘ad_cnt,由它去控制A/D轉(zhuǎn)換濾波等時序;globle_cnt為l和2時,啟動校正運算時鐘process—cnt控制,由于這部分工作量大,分配兩個子時鐘周期;globle_cnt為3時,更新PWM輸出。圈2‘FPGA控制時序圉3仿真和試驗結果對系統(tǒng)設計進行了仿真。仿真結果見圖3~圖6。從圖中可以看出,基于FPGA設計的速度控制器的電流響應為0.8HIS,速度響應為25Ins,沒有超調(diào),達到了仿真的結果,能夠?qū)崿F(xiàn)較高要求的速度控制。圈3電流回路仿真結果圈4速度回路仿真結果圈6速度響應曲線4結束語本文敘述了基于F1PcA設計的直流電機速度控制器的設計,給出了試驗結果,能夠較好地實現(xiàn)對電機速度以及速度回路和電流回路的控制,性能良好,具有設計靈活、集成度高、功耗低等優(yōu)點。(下轉(zhuǎn)第75頁-71萬方數(shù)據(jù)竺蘭童竺!塑竺苧:竺!蘭三蘭竺竺堡型塑!!!墮苧至竺:竺蘭竺皇塞塑些苧!:步驟如下:先把轉(zhuǎn)角為乩(t。時刻和0.(t,時刻時的ADO口輸入信號幅值差的絕對值乘以脈沖與旋轉(zhuǎn)角度比值,再去除以轉(zhuǎn)角為如或0。時的ADI口輸入信號幅值和傳動比。這樣先乘后除可以減少運算誤差;由于單片機只能進行整數(shù)運算,如果先除后乘,把它除時所帶的余數(shù)丟失,再用商去乘,那么所丟失的數(shù)是余數(shù)乘以乘數(shù),會帶來較大的誤差;不把余數(shù)丟失,而是把它進行處理,將使運算變得更加復雜,而運算精度和先乘后除相同。5結束語用此方案實現(xiàn)的控制系統(tǒng)經(jīng)過幾個月的運行考核,證明具有很好的隨動性,且精度比較高,是一種可行的電氣控制方案。參考文獻[1]壬曉明電動機的單片機控制.北京:北京航空航天大學出版社,2002[2]王鴻鈺,步進電機控制技術入門.上海:同濟大學出版社,1999[3]劉小山單片機在步進電機控制系統(tǒng)中的應甩機電工程技術,2004,33(1:69~70[4]黃先祥,張志利,劉春桐.基于步進電機高精度細分的自動定位系統(tǒng).測控技術,1998,18(3:39~40ACCDServoSystemBasedonSCMControlingZhangQi,ZhuZhaoxuan,WuShilin(NationalUniversityofDefenseTechnology,Changsha410073,China【Abstract】ThepaperintroducesaSCMcontroledCCDSClTOsystemofadesignproject,includingin。troductionofhardwareanddesignofcontrolprogram.Afterreceivingthesignaloftherotatinganglefromthesteeringwheel,thesystemdrivestheplatformwithCCDtorotate.ThesystemadoptsADconversiontcehnolo-gYandmakesUSeofthecharacteristicoftheSCMfastspeedtotreatsignalSOastogetthebetterrealtimecharaeteristic.Keywords:steppingmotor。eireumretating咖8f抽mer,P87I/'C767,CCD藍耄罐堂緩哇薹簍豪睡《是蛾蛙蠱0㈦藍毒落基舞藍毪齲藍毫盤強盆盤軸蹬籃電。幽籃魯啦鞫菇蠡韜譽啦軸籃監(jiān)靶甾重生齲盛靶鹺藍船d醢毫矗i黜搿繼毒蛙撼(上接第69頁參考文獻[1]余承業(yè),等.特種加工新技術.北京:國防工業(yè)出版社,1995[2]霍孟友,張建華,艾興.電火花放電加工間隙狀態(tài)檢測方法綜述.電加工與模具,2003,(3:17~20[3]劉晉春.趙家齊,趙萬生.特種加工.第3版.北京:機械工業(yè)出版,2003[4]范逸之,江文賢,陳立元.c++Builder與RS-232串行通信控制.北京:清華大學出版社,2002譬蠹搿蛾啦㈦生雜《藍避矗盤蠹落蠡翻甕盤鞫舞茁軸蹬=礎毒東i躞蠹摧藍鞫麓簍i型矗矗盎瓣藍蠹醴藍幽齲啦連當:毽葚囂毒燃蒜藍耄攔藍軸鹺支靼蓋:出矗=矗(上接第7l頁參考文獻[1]陳伯時,電力拖動自動控制系統(tǒng).第2版,北京:機械工業(yè)出版社。2000[2]甘歷.VHDL應用與開發(fā)實踐.北京:科學出版社,2003[3]王宏,陳懷春.PWM控制系統(tǒng)電磁兼容設計電子工程師,2004,30(11:7~9?75?萬方數(shù)據(jù)基于FPGA的直流電機速度控制器設計作者:陳桂,萬其作者單位:陳桂(南京工程學院