应用FPGA控制直流电机伺服系统

(内蒙古第四医院，内蒙古 呼和浩特 010010)
摘 要：文章介绍了将FPGA作为整个系统的核心处理器应 用到直流电机伺服控制系统中的方法。算法采用前馈——反馈型控制算法，反馈算法采用模 糊PID； 对位置环、速度环、电流环的三环控制，使系统的动态性能和静态品质都得到提高；利用DS P Builder完成前馈和PID算法，并在Mat lab Simulink中对系统算法进行了仿真；最后通过 QuartusII完成整个系统的分析、综合、仿真以及配置。
关键词：FPGA；DSP Builder；PID控制；前馈控制
中图分类号：TM330.12  文献标识码：A  文章编号： 1007—6921(2008)23—0101—03

随着EDA技术的发展，用基于现场可编程门阵列FPGA对电机进行控制，为实现电动机数字控 制提供了一种有效的方法。FPGA器件具有集成度高、体积小、速度快、易于修改等特点，但 是使用VHDL/Verilog HDL语言编写复杂的控制算法有一定的困难性。随着现代DSP技术的发 展，在利用FPGA进行系统的开发应用上，已有全新的设计工具和设计流程。通过DSP Builde r将Matlab 要Simulink设计仿真工具的算法开发功能与QuartusII软件的HDL综合、模拟和验 证功能结合起来给复杂控制算法的FPGA实现提供了国良好的开环境。
1 系统控制原理

伺服系统由具有位置反馈、速度反馈和电流反馈的三闭环结构组成(见图1)。

其中，电流环的作用是当电流超过额定值时及时抑制电流环内部的干扰，限制最大电流，保 护电机。否则不参与工作。速度环的作用是抑制速度波动，增强系统抗负载扰动的能力。位 置环是系统的主控制环，实现位置跟踪。三环结合工作，保证系统具有良好的静态精度和动 态特性，且系统平稳可靠工作。
2 系统硬件电路设计原理
整个系统结构框图见图2所示：

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随着系统以FPGA为核心控制器，外加各种外围电路构成以上提到的位置环、速 度环和电流环。
2.1 上位机给定信号与位置检测传感器输出信号送到数据采集电路，得到位置误差信号及 其变化率，[CM(22]即速度值。位置传感器采用精密电位器，精度为0.1%。A/D转换器采用AD1674 AD 1674，采样精度为1/4096，采样周期为10us。位置检测传感器回路构成系统的位置环和速度 环。
2.2 电流传感器采用Hall传感器，采集电机电枢电流，失调电流小于30mA，响应速度小于1 0us。采用8位A/D转换器ADC0809实现模数转换。电流检测传感器回路构成系统的电流环。
2.3 微控制器采用的可编程逻辑芯片FPGA为Altera公司的Cyclone II系列

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