中船重工第七一五研究所 王 穎

這些年以來，隨著電機技術的快速發(fā)展，無刷直流電機通過電子換向器的組合開始慢慢取代機械換向器以及機械電刷，這種電機的特點在于既具有直流電機在調速性能、起動轉矩方面的優(yōu)秀特點，又可以避免傳統(tǒng)電動機機械換向的過程中造成電刷易出現(xiàn)損壞的問題。另外，在控制的過程中，可以使用FPGA為主要的控制核心，通過硬件邏輯的辦法來控制無刷直流電機，能夠讓控制系統(tǒng)的控制周期大幅度的減小，讓系統(tǒng)的抗干擾能力大大提高。

1 基于FPGA的直流電機應用概述

無刷直流電機主要是在發(fā)現(xiàn)永磁材料之后，在電力電子技術快速發(fā)展的情況下應運而生的具有較高效率的電動機。無刷直流電機的結構在于設置永久磁鋼在轉子當中；另外在定子上安裝發(fā)熱電樞繞組，這樣能夠讓散熱更加方便，不單單可以具有一些老式電機所具有的調速功能，另外，在實際使用的過程中，具有交流電機在維護方面更為方便的特性，另外不會出現(xiàn)較大的換相火花還有勵磁損耗。這些優(yōu)點在使用的過程中具有較大的優(yōu)勢，無刷直流電動機主要廣泛應用于一些家用的電器產(chǎn)品、汽車設備、電子醫(yī)療儀器等。

在進行實際使用的過程中，電機慢慢改變原來進行簡單起停操作、并且提供動力為特點，可以開始精確控制電動機的轉動速度、轉動位置、轉動的轉矩等進。電機控制器也逐步由原有的模擬控制器逐步轉化為通過一些單片機、DSP等數(shù)字控制器進行編程控制的階段，在控制的過程中數(shù)字控制器的特點在于具有較高的可靠性、另外具有可編程性、能夠很好的通過錄入?yún)?shù)的方式進行調整、在控制的過程中精度非常高等優(yōu)點，在此過程中基于現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）的數(shù)字電子方案具有很強的使用價值。

圖1 系統(tǒng)的硬件設計方案

2 伺服系統(tǒng)的硬件設計

在設計的過程中，直流電機伺服控制系統(tǒng)的硬件方案如圖1所示，在此過程中，主要通過niosⅡ內核來實現(xiàn)電機位置環(huán)和速度環(huán)，利用并行電路來進行電流環(huán)PI控制器的設置，PWM（脈寬調制波）主要是通過比較器發(fā)出，采集電機電流數(shù)據(jù)以及Biss編碼器數(shù)據(jù)的過程，主要是利用有限狀態(tài)機來控制。在FPGA中通過有限狀態(tài)機能夠更好的依照模擬數(shù)字轉換芯片AD7656的手冊來編輯時序，以便更好的控制AD芯片采集相關的數(shù)據(jù)。通過倍頻/分頻模塊來生成各個模塊需要的時鐘。在進行硬件設計的過程中，主要的設計難點在于如何控制電流PI控制器、如何讓有限狀態(tài)機更好的進行采樣，所以，下面對這幾個部分進行重點分析和設計。

2.1 電流pi控制器模塊

電流控制器通過增量式pi控制器來進行設計，使用的是如下表達式：

為了在實際使用的過程中提高浮點算法的精度，在本次設計當中通過Q12算法來完成數(shù)據(jù)的處理工作。Q算法的特點是可以將FPGA數(shù)字電路當中沒有辦法進行浮點運算的情況解決，Q12主要指的是通過12位二進制定點數(shù)來對浮點數(shù)進行表示，通常條件下，浮點數(shù)范圍控制在-8-7.9997559之間。電流環(huán)主要通過并行硬件電路來進行控制，也就是需要控制電機的力矩控制回路，這種方法在使用發(fā)過程中具有很多優(yōu)點：首先，在運算的過程中，并行硬件電路計算的速度比較快，能夠更好的調節(jié)電機力矩的波動；其次，可以讓niosⅡ的內核運算量減少。如圖2所示。

圖2 電流控制器的硬件實現(xiàn)

2.2 電流采集模塊

在本次設計當中主要利用AD7656來進行電流的采集，F(xiàn)PGA在控制AD7656的過程中，主要是利用有限狀態(tài)機發(fā)送一定時序的信號來實現(xiàn)的。具體流程如圖3所示。

圖3 電機電流采集的有限狀態(tài)機

完成FPGA的上電復位后，發(fā)出15kHZ的波形，另外在上升沿的條件下將采樣觸發(fā)工作完成，觸發(fā)工作結束后；AD7656采樣芯片會保持電流的采樣工作，芯片當中Busy端發(fā)出下降沿信號，則表示信號有效，如果FPGA在掃描的過程中，發(fā)現(xiàn)AD7656傳輸了完成采集的信號；則FPGA開始對AD7656數(shù)據(jù)寄存器中的數(shù)據(jù)進行讀取，可以讀取16位電流數(shù)據(jù)，具有較高的采集精度。接著有限狀態(tài)機給電流環(huán)發(fā)送完成采樣的信號，電流環(huán)控制器來對獲得的數(shù)據(jù)進行相應的換算和計算。

2.3 BiSS接口說明

實際電路中，編碼器通過相關接口將信號傳給差分信號收發(fā)器。編碼器使用BiSS-CUnidirection版本協(xié)議，發(fā)送時鐘和位置數(shù)據(jù)兩組差分信號。信號經(jīng)差分線路收發(fā)器處理之后傳給FPGA，F(xiàn)PGA進行解碼校驗。

3 位置和速度控制器設計

伺服控制系統(tǒng)主要使用的是圖4演示的控制結構。在此結構當中，控制模型主要有系統(tǒng)的結構模態(tài)以及電流環(huán)兩個部分組成。為了讓系統(tǒng)的帶寬進一步增加，并且確保響應的速度，在設計的過程中需要使用三個部分，首先是位置控制器，該模塊通過超前滯后補償?shù)姆绞竭M行位置控制，其次是速度控制器，主要是一個PI控制器。最后是結構濾波器，在設計的過程中主要是對諧振頻率處的驅動力矩成分進行控制，能夠讓整個控制系統(tǒng)的增益得到優(yōu)化，這樣可以加大系統(tǒng)的帶寬，另外確保動態(tài)控制的性能。

圖4 直流電機伺服控制系統(tǒng)結構

在實際使用的過程中結構濾波器的表達式如下所示：

位置超前滯后補償控制器如下所示：

PI控制器的輸出iq如下所示：

如果在實際使用的過程中出現(xiàn)速度階躍信號比較大的時候，PI控制器的輸出端會出現(xiàn)飽和的情況，依照反饋計算的積分輸出值就好趨于0，這樣能夠很好的反應真實情況，在控制的過程中，控制器處于純比例控制的狀態(tài)。

積分輸出q的具體計算方法如下：

在實際使用的過程中，電流環(huán)一定要對電流指令信號進行快速有效的跟蹤，由于在此次設計中電流控制器主要使用PI控制器，以便能夠保證系統(tǒng)處于快速響應的狀態(tài)，進一步讓靜態(tài)誤差得到控制。使用速度環(huán)的目的在于為了進一步讓系統(tǒng)具有較強的抗負載擾動的效果，讓速度波動的情況得到控制，讓整個系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)無靜差的狀態(tài)。使用位置環(huán)是為了能夠讓電機角位置的定位更為準確，為了確保整個系統(tǒng)處于穩(wěn)定的狀態(tài)，在使用位置控制器的時候，使用的是超前-滯后補償控制器系統(tǒng)。

4 結束語

本文主要是設計了一款在FPGA控制下的直流電機伺服控制系統(tǒng)，能夠對電機控制系統(tǒng)的外圍硬件進行一定程度的簡化，在niosⅡ內核當中建立了一個位置超前滯后控制系統(tǒng)；讓系統(tǒng)在速度超調量方面和時間調節(jié)方面得到了進一步優(yōu)化。另外，在進行實踐的過程中發(fā)現(xiàn)這個設計具有很好的伺服控制性能,其對電機控制可以實現(xiàn)準確的定位以及較好的時序控制，具有非常好的實用價值，能夠用于工業(yè)控制使用。