基于FPGA的无刷直流电机舵机控制器的研究与设计

更新时间：2020-04-03 07:28:44 大小：4M 上传用户：IC老兵查看TA发布的资源 标签：fpga 电机控制器 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

随着机电一体化的不断深入和航空航天事业的蓬勃发展，人们对电动舵机的整体性能要求越来越高，促使它向着体积重量不断减小，承载能力不断增强，控制性能进一步提高的方向发展。国内电动舵机系统大多采用有刷直流电机，模拟控制器，或基于单片机、DSP的数字控制器，从而存在电机效率不高，控制器体积重量大，控制速度慢，使用一套控制器难以控制多台电机等缺点。本文针对舵机的运行特点，建立了以FPGA芯片为核心的相互独立的四轴无刷直流电机舵机伺服控制系统。

论文首先分析了永磁无刷直流电机的优越性，再分析了其基本结构和工作原理，利用其相变量建立的数学模型和基本方程推导出其运行特性，从而得出其与传统直流电机有相似的控制性能。在此基础上，详细论述了舵机的带前馈的电流、速度、位置三环控制策略以及分段PI的控制算法。

论文采用一片ALTERA公司的CycloneⅠ芯片为控制核心，利用SOPC(片上可编程系统)思想控制四台相互独立的无刷直流电机。控制器硬件部分包括：控制核心电路、位置检测电路、电流采样电路、驱动逆变电路、霍尔换向电路等。论文对硬件的每一部分包括滤波、硬件可靠性等都进行了精心设计和详细论述。

舵机控制系统采用FPGA的优势体现在利用SOPC思想，综合考虑体积、系统资源和控制速度，采用软硬件协同设计。即用硬件功能模块实现逻辑处理，软核处理器实现控制算法，既提高了控制速度，也使用了较少的FPGA的逻辑单元。论文利用HDL(硬件描述语言)设计了各功能硬件模块，包括：PWM模块、换向模块、位置AD操作模块、电流采样模块、存储器模块等；利用SOPC Builder设计了NiosⅡ软核处理器，并在软核处理器上完成了部分提高处理器性能的自定制指令；然后用C语言和HAL(硬件抽象层)的API(应用程序接口)在软核中编程实现了针对无刷直流舵机的带前馈的三闭环软件控制算法；最后利用上位机调试系统，通过现场调试确定了控制系统的各项参数，并测试了舵机控制系统的相关性能指标，验证了其先进性。采用FPGA实现的无刷直流电机舵机伺服系统控制速度快，可以实现一块芯片控制多台相互独立的无刷直流电机，控制器体积小，重量轻，设计灵活，具有可扩展性，能有效的提高系统的动态响应速度，具有良好的跟踪性能，...