基于FPGA的全数字无刷直流电机控制系统研究

更新时间：2020-04-02 07:58:28 大小：4M 上传用户：六3无线电查看TA发布的资源 标签：fpga 电机控制系统 下载积分：3分评价赚积分（如何评价?）收藏评论(0) 举报

资料介绍

无刷直流电机利用电子换相装置取代机械换向器，既具有直流电动机的调速性能，又具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，而且体积小、效率高。因此，在许多领域得到了广泛的运用，特别是在高性能的伺服驱动领域，如航天器姿态控制、机器人等对电机控制器性能要求高的场合。在这些场合不但要求控制器体积小，还要对多台电机并行控制，采用单片机、DSP等数字处理器以软件的方式实现往往速度慢、可靠性低，控制器性能难以满足要求。而单芯片大容量现场可编程门阵列（FPGA）的出现，使得在一片系统芯片上实现多台电机的复杂控制功能成为可能，大大减小了控制系统的体积，使得这种控制系统在工业和民用甚至在伺服领域中都呈现出良好的应用前景。

在这些背景下，本论文首先分析了无刷直流电机的工作原理，并建立了无刷直流电机的数学模型，为新的控制方案提供了理论依据。在此基础上，本文详细论述了的带速度前馈的速度、电流双闭环控制策略以及带积分饱和抑制的PI控制算法。

在比较了各种控制器优缺点的基础上，本文提出了一种全数字化的无刷直流电动机速度控制器的数字硬件方案，并利用ALTERA公司的一片高端现场可编程门阵列Cyclone III FPGA芯片完成了电机控制器的设计、制作和调试，具体实现和验证了该方案，并在此基础上分析研究了利用此控制器对无刷直流电机进行调速控制的方法。该方案综合运用FPGA丰富的逻辑资源，针对电动机信号检测和控制的特点，采用HDL硬件描述语言实现了PI调节模块、滤波模块、霍尔测速模块、前馈补偿模块、PWM调制及换相模块等功能，整个控制系统响应速度快、超调小、稳态误差小、可靠性高、灵活性强，实现了全数字控制，在速度伺服或位置伺服等高性能运动控制系统中有重要的应用价值。实验结果表明，该控制器控制周期缩短到40μs，具有良好的动态和静态性能。

本论文利用硬件描述语言将调速控制所需的一些电路综合在FPGA芯片上，为电机控制器向片内系统方向发展做了一定的工作，同时也为单芯片实现多台电机高性能控制奠定了基础。