CN1929288A - 基于fpga的直流电机控制器 - Google Patents

Abstract

一种基于FPGA的直流电机控制器，是以FPGA为核心，整合电机驱动波形发生、闭环控制运算、上位机通信功能于一体，既可以利用ROM自编程、又可以由上位机在线编程的直流电机控制器。可靠性高、控制实时性好、编程简单灵活、应用范围广泛。

Description

基于FPGA的直流电机控制器

技术领域：

本发明涉及一种基于现场可编程门阵列FPGA的直流电机控制器，特别是一种可驱动三相直流无刷电机和直流有刷电机的、以FPGA为核心并内嵌微控制器单元和通用异步收发器UART接口逻辑的可编程直流电机控制器。

背景技术：

目前广泛应用的电机控制器大多是基于MCU/DSP设计的，因为一些MCU和DSP中配置了用于电机控制的专用指令、接口和外设，应用较为方便，但是，在实际应用中仍需要大量外围逻辑电路扩展其硬件功能。单片机程序串行执行的特点决定了软件功能的增多将会影响到运算的实时性。在一些特殊的应用领域，例如，在高温、低温，强电磁干扰或者有放射性粒子辐射的太空环境中，MCU和DSP就无法正常工作。而FPGA具有以下优点，可以满足上述应用场合的需要。(1)FPGA能最大限度地集成外围逻辑，实现单片化设计，提高系统的整体可靠性；(2)FPGA可采用独立的定制运算逻辑，运算的实时性好；(3)FPGA可以方便地采用硬件定序器和冗余逻辑设计，以提高抗干扰性能；(4)FPGA已有从商用级到航天级不同级别的芯片，环境适用范围广泛。

为此，国内外一些研究者将FPGA应用于电机控制中，研制出了可以实际应用的装置。

香港Dynacity公司采用DSP和FPGA组成的多维位置控制系统(“ModularMulti-Axis Motion Control And Driving System And Method Thereof”，US0100723，11 May2006)中，DSP完成电流、位置双闭环控制算法以及上位机通信功能，FPGA可根据DSP给定的脉宽值和电机霍尔反馈信号，产生PWM驱动信号。FPGA与DSP之间采用总线连接，采用单DSP、多FPGA结构完成多个电机的控制。由于依然由DSP实现控制算法，控制的实时性将会受到被控电机数量的影响。

日本SANYO(三洋)公司采用MCU和FPGA组成的自动机械控制器(“ROBOTCONTROL DEVICE”，JP2001322078，2001-11-20)由FPGA完成闭环控制算法，MCU用于上位机通信和FPGA的在线配置。该系统采用单MCU、多FPGA结构完成多个电机的控制，避免了上述系统控制实时性方面的问题。但是，FPGA仅仅实现控制算法，驱动信号的产生仍需其它芯片完成，系统结构复杂且依赖MCU完成上位机通信。

日本TOSHIBA(东芝)公司采用MPU(微处理器)和FPGA组成的伺服控制器(“SERVO CONTROLLER”，JP2000330641，2000-11-30)由MPU完成控制功能，由FPGA实现位置传感器的通信协议转换，利用FPGA重配置成不同的串行通信协议逻辑，使该控制器可灵活地适应多种串口通信的位置传感器。FPGA的使用减少了系统大量外围硬件并具有一定的可升级能力，但是，系统的控制实际是由MPU实现。

发明内容：

本发明避免了上述系统存在的不足，提供了一种以FPGA为核心，整合电机驱动波形发生、闭环控制运算、上位机通信功能于一体，可在线编程的基于FPGA的直流电机控制器。

本发明解决技术问题所采用的技术方案的特点是：

本发明基于现场可编程门阵列FPGA的直流电机控制器，由FPGA芯片、FPGA配置芯片、ADC模数转换芯片、电源模块和功率放大模块组成；

所述电机控制器利用FPGA芯片对输入的电机霍尔反馈信号进行解码，得到电机转子位置以驱动三相直流无刷电机；或将FPGA芯片霍尔反馈输入端设置为固定的预设电平，以驱动直流有刷电机；电机控制器由FPGA芯片捕获电机光电码盘的两路脉冲信号，比较二者相位得出电机转子的旋转方向，并对脉冲计数得到电机转速；电机控制器利用FPGA芯片控制ADC模数转换芯片对电机的电枢电流进行恒定周期采样；

在所述FPGA芯片内分别设置驱动模块、控制模块和通信模块；由控制模块对速度给定和速度反馈比较和运算，得出驱动信号脉宽给定值；驱动模块根据所述脉宽给定值和电机转子位置反馈信号产生相应的带有可编程死区时间的PWM驱动信号，由FPGA芯片输出至功率放大模块，驱动电机构成闭环速度控制系统；所述通信模块至少包括一个含有UART(通用异步收发器)接口的嵌入式MCU(微控制器单元)，由所述MCU管理FPGA芯片内的用户寄存器，并通过UART接口与上位机通信；在FPGA芯片完成配置后，由所述MCU对FPGA芯片进行内部用户寄存器的初始化，并通过所述UART接口向上位机发出握手信号；上位机(通用计算机或单片机)通过UART接口与所述MCU通信，并实时读写FPGA芯片内的用户寄存器，实现对电机的远程控制。

本发明基于FPGA的直流电机控制器的特点也在于：

FPGA芯片内嵌的MCU采用取指令-指令译码-指令执行三级流水线和8位指令总线；其中MCU寄存器写操作指令的高4位是操作码，低4位是立即数，上位机通过UART接口发送所述寄存器写操作指令对MCU寄存器进行写操作，并通过读取寄存器的数值验证指令执行的正确性；其余指令格式为高4位是操作码、低4位是校验码，有校验码且校验错误的指令被MCU取指单元用空操作指令替换。

MCU使用FPGA内部分布式存储器(Distributed RAM)和FPGA芯片外部并口ROM共同作为其程序存储器；MCU依次执行块存储器和外部ROM内的预编程指令完成FPGA工作寄存器的初始化。

MCU采用带校验逻辑的主从PC设计；主从PC同步计数，如二者数值不等，主从PC将在下一个时钟周期同时复位，MCU取指单元同步终止下一时钟周期的取指令操作。

控制模块对速度给定和速度反馈的运算是采用PI(比例、积分)算法，并在所述FPGA芯片内嵌设硬件运算模块，由所述运算模块进行实时并行运算，所述运算模块的系数寄存器由上位机在线读写。

驱动模块是以电机霍尔传感器相位差、转向给定值和霍尔反馈信号作为地址对所述FPGA内部块存储器中存储的霍尔真值表查表得到未经脉宽调制的驱动信号。

ADC模数转换芯片采用具有低功耗模式和高速采样模式的AD7819芯片，所述AD7819芯片在加电后由FPGA芯片内嵌的看门狗进行低功耗模式到高速采样模式的切换，并工作于高速采样模式下。

与已有技术相比，本发明的有益效果体现在：

1.本发明采用单片FPGA实现控制功能；FPGA内部各模块时序均由硬件定序器实现；整体可靠性优于采用通用单片机的系统和同时采用单片机和FPGA的多片系统。

2.本发明可以通过采用FPGA内部Distributed RAM和外部并口ROM共同作为其嵌入式MCU的程序存储器以完成用户寄存器初始化，用户仅需了解MCU的10条指令和各用户寄存器地址，即可对外部ROM中初始化程序编程，使其满足使用需要，其中不涉及FPGA原程序，相对于已知的可编程控制器来说，使用更为简单。

3.本发明可以通过采用双PC结构的嵌入式MCU，使复位时间仅为一个时钟周期，优于通用单片机采用的看门狗复位方式。

4.本发明的控制模块可以采用独立的并行运算逻辑实现，运算延时小且恒定，运算实时性优于采用单片机完成控制算法的系统。

附图说明：

图1是本发明系统硬件框图。

图2是本发明FPGA芯片配置原理图。

图3是本发明TTL-LVTTL电平转换电路图。

图4是本发明模数转换电路原理图。

图5是本发明TTL-RS232电平转换电路原理图。

图6是本发明光电隔离电路原理图。

图7是本发明MOSFET功率放大电路原理图。

图8是本发明电流采样前置放大电路原理图。

图9是FPGA芯片功能模块及接口说明。

图10是本发明FPGA芯片驱动模块框图。

图11是本发明FPGA芯片通信模块框图。

图12是本发明系统初始化流程图。

以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步说明。

具体实施方式：

参见图1，本实施例中控制对象选用了24V/16W的永磁直流无刷电机，其内置的霍尔传感器相位差为120度，配有200线/圈的同轴光电码盘。电机为三相八极，每周换向4次，力矩波动较小。控制器由两部分组成：控制部分以FPGA芯片为核心，由电平转换、模数转换和数码管显示、拨码开关给定等辅助电路组成；驱动部分由光电隔离、前置放大和三相MOSFET功率桥组成。

本实施例中FPGA芯片选用Xilinx公司的Spartan II S150，其内部包含约3888个逻辑单元，48Kbit的双口块存储器BlockRAM，核心电压2.5V，采用主动串行配置模式，由专用芯片XCF01实现，配置电路如图2所示。

电机的霍尔电路和光电码盘由额外的低压电源供电，信号均为+5V标准TTL电平，需要转换为与FPGA芯片一致的3.3V的LVTTL。转换电路如图3所示，三路霍尔信号Hall1、Hall2、Hall3经滤波后送入3.3V供电的74HC14，两路光电脉冲信号channel_A、channel_B和一路来自驱动板的保护反馈信号Fault_n直接接入74HC14转换为LVTTL电平。

参见图4，电机的电流反馈采用8位模数转换芯片AD7819实现，最高采样速度可达200KPS，其并行数据接口相对于串口ADC可以获得更小的采样延时。由TL431为ADC提供一个2.5V的参考电压源，

图5所示，本实施例中采用PC机，即个人计算机作为上位机，串口电平为RS232标准，与FPGA芯片之间采用ICL3232进行电平转换。当Spartan II的输入口配置为LVTTL标准时可承受5V电压，因此，ICL3223使用5V或3.3V供电皆可。

图6所示，驱动部分使用电机电源+24V供电，PWM输入信号和保护反馈信号皆经过光耦隔离。高速光耦6N137用于隔离PWM信号。

功率管的驱动采用基于浮栅驱动技术的IR2130，它能与电机高压电源共地运行，从而实现功率模块的单电源设计。该芯片可同时驱动6只N沟道MOSFET组成三相功率桥，并具有过电流保护功能，其典型应用原理图如图7所示。

参见图8，检流电阻上的压降经过滤波并由LM358进行前置放大后送至ADC模块。

FPGA芯片作为控制器核心，整合了驱动波形发生、闭环控制运算和上位机通信功能。如图9所示，绝大部分控制参数可由拨码开关和上位机共同给定，包括PWM输出使能、刹车、换向、脉宽/速度给定，输入参数经过FPGA芯片内部优先级判定后送入控制和驱动模块。通信模块则完成控制器参数的初始化和远程控制。

FPGA芯片的霍尔传感器相位选择管脚和霍尔反馈管脚决定驱动电机的种类：驱动有刷电机时，霍尔相位选择脚接高电平，U相霍尔反馈脚接高电平，V、W两相接低电平，驱动部分由U相、W相上下桥臂构成H桥驱动；接三相无刷电机时，霍尔反馈管脚用于输入电机的转子位置反馈信号，霍尔相位选择脚应与电机霍尔传感器的相位一致：当霍尔传感器相位差为60/300时，该管脚接高电平，120/240时接低电平，本实施例中选择后者。

驱动模块包括了PWM波形产生，电机转子位置译码、刹车和过流保护、死区检测、驱动时序控制、ADC控制状态机、速度反馈脉冲计数器和数码管显示驱动等电机开环驱动所需的功能，参见图10。

驱动信号的脉宽给定量为8位，由外部拨码开关和脉宽寄存器(所述脉宽寄存器在加电时初始化并可由上位机读写)中的数值比较决定，比较器会选择其中一个较小值作为有效输入量。当上位机进行调速时，外部拨码开关可以进行限速。当开/闭环控制位选择为闭环控制时，脉宽给定寄存器的值被作为速度给定量送入控制模块，经过运算得到的脉宽给定量取代原脉宽寄存器的值送入驱动模块。PWM波发生器根据脉宽产生相应的PWM载波，载波频率为20.8KHz(周期48.1uS)，占空比调节范围是15.6％～95.0％，对应脉宽约为7.5uS～45.7uS。

转子位置译码器根据霍尔相位选择位、旋转方向位和三路霍尔信号查表得出功率桥的驱动信号。三路下桥臂驱动信号作为PWM的门控信号对载波进行调制，三路上桥臂信号不做PWM调制。错误的霍尔信号会被捕获并显示在一个LED上，同时所有功率管被截止。

电机制动时，控制器输出的驱动信号使上桥臂功率管全部截止，下桥臂全部导通进行能耗制动，此时需考虑功率管的耗散功率。也可以使用功率电阻做能耗元件，由输出使能脚控制继电器切换，本实施例中选用前者。

直流无刷电机的驱动信号不会使上下桥臂同时切换，但是，刹车和换向时存在使功率模块桥臂直通的可能，因此，内置了一个可编程的死区发生器以避免上述情况的发生。死区时间从300nS～67.2uS可调，该时间定义为最小死区时间，设定值应小于正常驱动信号的死区时间。当刹车或换向导致驱动信号的死区时间小于设定时间时，死区发生逻辑会延长死区时间至设定值。

本实施例中有双重过流保护，分别由外部过流保护电路和FPGA芯片内部保护逻辑完成，当过流保护有效时，功率管被全部截止。功率管的过流保护由驱动板上IR2130完成，其动作延时约150nS，保护的同时会将过流信号反馈给FPGA。内部保护信号来自电流反馈模块，其动作延时约20uS，用于保护电机。电流反馈模块由一个带看门狗的状态机构成，用于反馈采样的AD7819拥有两种工作模式：低功耗模式和高速采样模式，加电后器件初始工作状态为低功耗模式，看门狗使其切换至高速采样模式后再由状态机驱动其连续采样，当ADC输出值为最大值时，电流反馈模块就会产生一个内部过流信号。上述两种过流信号都会导致FPGA输出功率管截止信号。当过流反馈信号无效时，过流保护逻辑可被内部PWM信号的低电平重置，下一个周期PWM信号将正常输出。

频繁的刹车和输出截止会受到驱动时序控制逻辑的限制，由刹车或截止状态转换到正常输出会有320mS的延时检测，脉宽低于此值的控制给定信号不会使驱动逻辑产生相应的动作。

电机的速度反馈是通过对一个与电机同轴安装的光电码盘的输出脉冲计数实现的。该码盘为增量式码盘，电机旋转时输出A、B两路有90度相位差的脉冲信号。一个10mS定时器控制计数器对光电码盘的反馈脉冲计数得到转速，旋转方向则通过检测A、B两路脉冲相位差的极性判定。计算出的转速经过译码后由扫描逻辑驱动数码管实时显示，同时也送至控制模块以完成闭环运算。

控制模块采用PI控制算法，可表述为：

$u\left(k\right)=K_{p}e\left(k\right)+K_i\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}e\left(j\right)$

上述表达式由FPGA内的硬件运算模块进行实时运算，比例、积分系数可由上位机在线更改。积分运算电路拥有积分限检测逻辑以防止积分饱和造成系统振荡，当输出达到最小脉宽后，积分累加器只做加法，反之则只减不加。

通信模块用于完成驱动模块和控制模块内的寄存器的加电初始化和上位机通信功能，其核心是一个带有UART口的嵌入式MCU，见图11。

UART波特率为9600Bd，即每个数据位周期约为104us。其发送、接收数据格式为：一位启动位(低电平)，8位数据位，一位停止位(高电平)，启动位检测逻辑能够识别脉宽低于52us的低电平干扰信号。

MCU采用取指令、指令译码、指令执行三级流水线结构，主频10MHz。MCU指令共8位，其中MCU寄存器写操作指令的高4位是操作码，低4位是立即数，其余指令格式为：高4位是操作码、低4位是校验码，有校验码且校验错误的指令将被MCU取指单元用空操作指令替换。

MCU内有两个8位寄存器分别用于地址寄存和数据寄存，寄存器操作指令中的4位立即数分次写入地址、数据寄存器高4位和低4位组成8位地址和数据。MCU使用上述寄存器与用户寄存器进行数据交换，最大可管理256个8位用户寄存器，这些用户寄存器也可以灵活地自由组合，例如定义为128个16位寄存器。

系统加电初始化后MCU状态字的使能位为‘0’，取指单元即从程序存储器中取指令以完成寄存器的加电初始化，见图12。指令地址由主PC(程序计数器)给出，一个同步计数的从PC和主PC的数值一起送入PC校验逻辑进行比较，校验错误信号将使PC在下一个时钟复位，并终止下一时钟周期的取指令操作(流水线操作时，主PC当前地址对应的指令将在下一个时钟周期取出)。程序存储器由FPGA内部DistributedRAM和外部并口ROM组成，内部RAM中存储了预置的默认参数和无需用户更改的信息，外部ROM由用户编程，程序的最后一条指令应将初始化使能位置为‘1’，从而使MCU进入对UART接收器的硬件查询状态。本实施例中预留了ROM接口而仅使用内部RAM作为程序存储器。

当初始化完成后，控制器进入工作状态，用户寄存器的初始值和外部拨码开关的给定经过优先级判定后作为控制器的工作参数给定量。当控制器独立工作时，用户可以通过拨码开关进行控制量给定；当采用上位机控制时，拨码开关应预置为低优先级的状态给定量，此时控制器参数完全由用户寄存器中的值决定。

当UART接口接收到上位机指令时，MCU即取指令并执行，否则插入空操作指令。通过读写用户寄存器中的数值，上位机可在线接管控制模块实现远程速度闭环控制，从而实现控制算法的升级。

Claims (7)

1、一种基于FPGA的直流电机控制器，其特征是由FPGA芯片、FPGA配置芯片、ADC模数转换芯片、电源模块和功率放大模块组成；

所述电机控制器利用FPGA芯片对输入的电机霍尔反馈信号进行解码，得到电机转子位置以驱动三相直流无刷电机；或将FPGA芯片霍尔反馈输入端设置为固定的预设电平，以驱动直流有刷电机；电机控制器由FPGA芯片捕获电机光电码盘的两路脉冲信号，比较二者相位得出电机转子的旋转方向，并对脉冲计数得到电机转速；电机控制器利用FPGA芯片控制ADC模数转换芯片对电机的电枢电流进行恒定周期采样；

在所述FPGA芯片内分别设置驱动模块、控制模块和通信模块；由控制模块对速度给定和速度反馈比较和运算，得出驱动信号脉宽给定值；驱动模块根据所述脉宽给定值和电机转子位置反馈信号产生相应的带有可编程死区时间的PWM驱动信号，由FPGA芯片输出至功率放大模块，驱动电机构成闭环速度控制系统；所述通信模块至少包括一个含有UART接口的嵌入式MCU，由所述MCU管理FPGA芯片内的用户寄存器，并通过UART接口与上位机通信；在FPGA芯片完成配置后，由所述MCU对FPGA芯片进行内部用户寄存器的初始化，并通过所述UART接口向上位机发出握手信号；上位机通过UART接口与所述MCU通信，并实时读写FPGA芯片内的用户寄存器，实现对电机的远程控制。

2、根据权利要求1所述的直流电机控制器，其特征是所述FPGA芯片内嵌的MCU采用取指令-指令译码-指令执行三级流水线和8位指令总线；其中MCU寄存器写操作指令的高4位是操作码，低4位是立即数，上位机通过UART接口发送所述寄存器写操作指令对MCU寄存器进行写操作，并通过读取寄存器的数值验证指令执行的正确性；其余指令格式为高4位是操作码、低4位是校验码，有校验码且校验错误的指令被MCU取指单元用空操作指令替换。

3、根据权利要求2所述的直流电机控制器，其特征是所述MCU使用FPGA内部分布式存储器和FPGA芯片外部并口ROM共同作为其程序存储器；MCU依次执行块存储器和外部ROM内的预编程指令完成FPGA工作寄存器的初始化。

4、根据权利要求2所述的直流电机控制器，其特征是所述MCU采用带校验逻辑的主从PC设计；主从PC同步计数，如二者数值不等，主从PC将在下一个时钟周期同时复位，MCU取指单元同步终止下一时钟周期的取指令操作。

5、根据权利要求1所述的直流电机控制器，其特征是所述控制模块对速度给定和速度反馈的运算是采用PI算法，并在所述FPGA芯片内嵌设硬件运算模块，由所述运算模块进行实时并行运算，所述运算模块的系数寄存器由上位机在线读写。

6、根据权利要求1所述的直流电机控制器，其特征是所述驱动模块是以电机霍尔传感器相位差、转向给定值和霍尔反馈信号作为地址对所述FPGA内部块存储器中存储的霍尔真值表查表得到未经脉宽调制的驱动信号。

7、根据权利要求1所述的直流电机控制器，其特征是所述的ADC模数转换芯片采用具有低功耗模式和高速采样模式的AD7819芯片，所述AD7819芯片在加电后由FPGA芯片内嵌的看门狗进行低功耗模式到高速采样模式的切换，并工作于高速采样模式下。

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