基于FPGA的无刷直流电机控制系统探析

基于FPGA的无刷直流电机控制系统探析

宋金玲1郭亚男2王淑娟3

（1.2山东工业技师学院山东省261000；

3.山东黄金矿业（莱州）有限公司三山岛金矿山东省261000）

摘要：本文简述阐述了FPGA工作原理，以FPGA作为控制核心器件与相关电路实现对无刷直流电机的控制。通过建模仿真，结果验证了所设计无刷直流电机控制电路的可行性。

关键词：FPGA；无刷直流；电机；控制系统

电动机作为最主要的动力源，在生产和生活中占有重要的地位。随着大规模集成电路技术与计算机技术的飞速发展，使直流电机调速系统的精度，动态性能，可靠性有了更大的提高。因此，对于电机控制的研究已成为当今的一个热点。

1无刷直流电机及其控制分析

1.1无刷直流电机的组成结构

无刷直流电机由定子和转子组成，定子中还包括电枢绕组，转子中带有永磁极，无刷直流电机的线圈中会包围在转子外，分别形成三个相同的结构，三个绕组通过中心连接的作用，共同对无刷直流电机进行控制。

1.2无刷直流电机的工作原理

分析无刷直流电机的工作原理首先要明确转子的受力特点，在运行的线路回路中，两头的线圈通上电流之后，会产生方向指向右的外加磁感应强度，这时无刷直流电机会发生运动现象，通过电流强度的不断增加无刷直流电机的运行幅度越大。这时，电流处于转子产生的磁场内且无刷直流电机每一个运行行为都会受到电磁力的影响，当到达转子磁极的边缘位置时，无刷直流电机会自动产生反方向的作用力，换向之后，换成另外两个绕组相连，持续此过程，无刷直流电机就会维持在运行状态下。为了确保无刷直流电机正常的运行，需要对供电电源进行详细的检查，本文研究的无刷直流电机利用三相供电的方式提供运行电源，在任何时刻，三相电源根据转子位置使其中两相导通，大大简化了电源控制的过程。

1.3无刷直流电机的控制分析

无刷直流电机控制系统就是利用设备自身的控制能力，在转矩脉动抑制中，发挥出更大的控制功能，转矩脉动限制了无刷直流电机的高精度要求，而在无刷直流电机运行的过程中，产生转矩脉动问题的原因有很多。主要包括：电磁因素、电流换向、齿槽效应、电枢反应、机械加工等，所以无刷直流电机的控制就要从转矩脉动抑制控制出发，综合电磁因素、电流换向、齿槽效应等问题出现的情况，在电流波形和感应电动势波中，对供电电源进行控制。

2控制系统电路设计

FPGA主芯片采用Altera公司EP2C8Q208C8芯片的电机控制器，该芯片作为Cyclone‖系列芯片，增加了DSP模块功能，在芯片总体性能上要优于Cyclone系列器件。控制系统总体流程结构，如图1所示。

配置电路模块：配置芯片选用Altera公司的串行配置芯片EPCS4S18N，剩余的存储空间可用于存储用户数据。配置模式采用JTAG和AS两种模式。

电源电路模块：电路板的电源由黑色3.5mm的DC插座引入，能提供1A或以上的5V直流稳压电源。外部电源经过LDO芯片，转换成稳定的1.2V为FPGA提供VCCINT电源、3.3V电压为FPGA提供VCCIO电源和其他的芯片及电路的工作电源。

时钟电路模块：时钟控制方面，板载50MHz有源晶振，为系统提供精准的时钟源；同时还留有一个晶振的焊位，为用户加入其它频率的时钟源提供了便利。存储器电路：存储器电路部分主要包括SDRAM、SRAM、和FLASH。本文中在采用的FLASH芯片为AMD公司的AM29LV320DB-90，容量为4MB，数据宽度为16位。

3基于FPGA的无刷直流电机控制系统实现

通过软件建立无刷直流电机模型，在QuartusⅡ环境下对各模块进行了仿真分析以检验其正确性，最后通过Modelsim对整个无刷直流电机控制系统的控制效果进行了验证分析，得到电机的仿真结果。在保证电机正常工作即key1按下的情况下，key2按下时，F_R=1，此时电机实现正转，key2未按下时，F_R=0，此时电机反转。此时Is的输入情况，显示电机是否key=1，key2=1，Is=0，F_R=1，BRK=0，FAULT=1，使能端EN=1有效，电机实现正转，此时电机正常工作，无过电流，电机不刹车，不报错，相应仿真图如图2所示。

key=1，key2=0，Is=0，F_R=0，BRK=0，FAULT=1，使能端EN=1有效，电动机实现反转，此时电机正常工作，无过电流，电动机不刹车，不报错，相应仿真图如图3所示。当电机正常运行时，通过PWM调制改变电枢端的输入电压来实现速度的控制，选取合适频率的晶振，此处晶振的输出时钟作为信号clock，输入的数字量由key3按键来实现，key3的第0位完成加1功能，key3的第1位完成减1功能。

结语

本文对电机的系统构成与工作原理进行了分析，设计一种无刷直流电动机调速控制系统，采用FPGA作为系统的控制芯片，实现无刷直流电动机的控制的控制方法。仿真结果表明通过设计能够很好地控制无刷直流电动机，够满足无刷直流电机控制性能要求。相比较传统使用单片机及接口电路来控制电动机而言，简化了外围控制电路，节约成本，灵活性更高，应用更加广泛。

参考文献：

[1]王宗才.机电传动与控制[M].第2版.北京：电子工业出版社，2014.24.

[2]王晓初.机电传动控制[M].武汉：华中科技大学出版社，2014.273.

[3]朱剑波.无刷直流电机控制系统的仿真与分析[J].国外电子测量技术，2013.