中船重工第七一五研究所 王 穎

這些年以來，隨著電機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，無刷直流電機(jī)通過電子換向器的組合開始慢慢取代機(jī)械換向器以及機(jī)械電刷，這種電機(jī)的特點(diǎn)在于既具有直流電機(jī)在調(diào)速性能、起動轉(zhuǎn)矩方面的優(yōu)秀特點(diǎn)，又可以避免傳統(tǒng)電動機(jī)機(jī)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(jī)，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(jī)應(yīng)用概述

無刷直流電機(jī)主要是在發(fā)現(xiàn)永磁材料之后，在電力電子技術(shù)快速發(fā)展的情況下應(yīng)運(yùn)而生的具有較高效率的電動機(jī)。無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)在于設(shè)置永久磁鋼在轉(zhuǎn)子當(dāng)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(jī)所具有的調(diào)速功能，另外，在實(shí)際使用的過程中，具有交流電機(jī)在維護(hù)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(diǎn)在使用的過程中具有較大的優(yōu)勢，無刷直流電動機(jī)主要廣泛應(yīng)用于一些家用的電器產(chǎn)品、汽車設(shè)備、電子醫(yī)療儀器等。

在進(jìn)行實(shí)際使用的過程中，電機(jī)慢慢改變原來進(jìn)行簡單起停操作、并且提供動力為特點(diǎn)，可以開始精確控制電動機(jī)的轉(zhuǎn)動速度、轉(zhuǎn)動位置、轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)矩等進(jìn)。電機(jī)控制器也逐步由原有的模擬控制器逐步轉(zhuǎn)化為通過一些單片機(jī)、DSP等數(shù)字控制器進(jìn)行編程控制的階段，在控制的過程中數(shù)字控制器的特點(diǎn)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(jìn)行調(diào)整、在控制的過程中精度非常高等優(yōu)點(diǎn)，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(qiáng)的使用價值。

圖1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)方案

2 伺服系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)的過程中，直流電機(jī)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(nèi)核來實(shí)現(xiàn)電機(jī)位置環(huán)和速度環(huán)，利用并行電路來進(jìn)行電流環(huán)PI控制器的設(shè)置，PWM（脈寬調(diào)制波）主要是通過比較器發(fā)出，采集電機(jī)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(jī)來控制。在FPGA中通過有限狀態(tài)機(jī)能夠更好的依照模擬數(shù)字轉(zhuǎn)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(guān)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(jìn)行硬件設(shè)計(jì)的過程中，主要的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于如何控制電流PI控制器、如何讓有限狀態(tài)機(jī)更好的進(jìn)行采樣，所以，下面對這幾個部分進(jìn)行重點(diǎn)分析和設(shè)計(jì)。

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(jìn)行設(shè)計(jì)，使用的是如下表達(dá)式：

為了在實(shí)際使用的過程中提高浮點(diǎn)算法的精度，在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中通過Q12算法來完成數(shù)據(jù)的處理工作。Q算法的特點(diǎn)是可以將FPGA數(shù)字電路當(dāng)中沒有辦法進(jìn)行浮點(diǎn)運(yùn)算的情況解決，Q12主要指的是通過12位二進(jìn)制定點(diǎn)數(shù)來對浮點(diǎn)數(shù)進(jìn)行表示，通常條件下，浮點(diǎn)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(jìn)行控制，也就是需要控制電機(jī)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(diǎn)：首先，在運(yùn)算的過程中，并行硬件電路計(jì)算的速度比較快，能夠更好的調(diào)節(jié)電機(jī)力矩的波動；其次，可以讓niosⅡ的內(nèi)核運(yùn)算量減少。如圖2所示。

圖2 電流控制器的硬件實(shí)現(xiàn)

2.2 電流采集模塊

在本次設(shè)計(jì)當(dāng)中主要利用AD7656來進(jìn)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(jī)發(fā)送一定時序的信號來實(shí)現(xiàn)的。具體流程如圖3所示。

圖3 電機(jī)電流采集的有限狀態(tài)機(jī)

完成FPGA的上電復(fù)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(jié)束后；AD7656采樣芯片會保持電流的采樣工作，芯片當(dāng)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(jìn)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(jī)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(jìn)行相應(yīng)的換算和計(jì)算。

2.3 BiSS接口說明

實(shí)際電路中，編碼器通過相關(guān)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(jìn)行解碼校驗(yàn)。

3 位置和速度控制器設(shè)計(jì)

伺服控制系統(tǒng)主要使用的是圖4演示的控制結(jié)構(gòu)。在此結(jié)構(gòu)當(dāng)中，控制模型主要有系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(jìn)一步增加，并且確保響應(yīng)的速度，在設(shè)計(jì)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(bǔ)償?shù)姆绞竭M(jìn)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(jié)構(gòu)濾波器，在設(shè)計(jì)的過程中主要是對諧振頻率處的驅(qū)動力矩成分進(jìn)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(jī)伺服控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

在實(shí)際使用的過程中結(jié)構(gòu)濾波器的表達(dá)式如下所示：

位置超前滯后補(bǔ)償控制器如下所示：

PI控制器的輸出iq如下所示：

如果在實(shí)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(jì)算的積分輸出值就好趨于0，這樣能夠很好的反應(yīng)真實(shí)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(jì)算方法如下：

在實(shí)際使用的過程中，電流環(huán)一定要對電流指令信號進(jìn)行快速有效的跟蹤，由于在此次設(shè)計(jì)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(yīng)的狀態(tài)，進(jìn)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(jìn)一步讓系統(tǒng)具有較強(qiáng)的抗負(fù)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(jī)角位置的定位更為準(zhǔn)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(bǔ)償控制器系統(tǒng)。

4 結(jié)束語

本文主要是設(shè)計(jì)了一款在FPGA控制下的直流電機(jī)伺服控制系統(tǒng)，能夠?qū)﹄姍C(jī)控制系統(tǒng)的外圍硬件進(jìn)行一定程度的簡化，在niosⅡ內(nèi)核當(dāng)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(diào)量方面和時間調(diào)節(jié)方面得到了進(jìn)一步優(yōu)化。另外，在進(jìn)行實(shí)踐的過程中發(fā)現(xiàn)這個設(shè)計(jì)具有很好的伺服控制性能,其對電機(jī)控制可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定位以及較好的時序控制，具有非常好的實(shí)用價值，能夠用于工業(yè)控制使用。