基于FPGA的直流电机伺服系统设计

0基于 FPGA 的直流电机伺服系统设计摘要：随着电子技术的发展，直流电机控制的方式正在发生着很大的变化。当计算机进入控制领域后，PWM 脉宽调制方式已经成为电机控制的主流。随着可编程逻辑器件的出现，又给直流电机的伺服提供了新的方法和手段。文中系统利用 FPGA 作为主控制芯片，利用 Verilog 语言在片内实现分频模块、A/D 控制模块、反馈控制模块等，最后完成对 PWM 波形的脉宽调制，从而达到对电机的转速、正转或者反转等参数的控制。在 QuartusII 软件上仿真后说明采用位置反馈、速度反馈和电流反馈对直流电机进行控制更精确、更可靠。关键词：直流电动机； FPGA； Verilog HDL1Direct current motor servo system based on FPGAAbstract：With the development of electronic technology, there is a very big change in the direct motor control. When the computer is used in the side of control, the wide PWM modulation has become the mainstream of the motor control. As programmable logic devices came out, and that gave the service of direct motor new ways and means. The systems use FPGA as the main chips of control, and realize the module of division of frequency, the module of AD control and the module of feedback control in order to control the speed of circular, the positive circular and the revise circular. After the simulation in the software QuartusII, it has been proved that position feedback, speed feedback, and current feedback make the control of direct motor more accurate and more reliable. Keywords：Direct current motor; FPGA; Verilog HDL目 录1 引言.1 1.1 课题的研究及意义.1 1.2 伺服系统.11.2.1 伺服系统的概念.11.2.2 伺服系统的发展.12 系统控制原理.3 2.1 电气调速控制原理.32.1.1 调速系统及其性能指标.32.1.2 直流电机调速控制原理.32.2 PWM 控制原理.52.3 控制原理.6 2.4 防脉冲干扰滤波器.73 算法的设计.8 3.1 前馈算法设计.83.2 反馈算法设计.83.2.1 PI 算法.83.2.2 模糊算法.94 系统硬件的设计原理.124.1 硬件电路结构.124.2 数据采集电路.12 4.3 FPGA 控制电路.174.4 电磁兼容性分析.175 系统软件设计原理.19 5.1 Verilog HDL 语言的简介.19 5.2 软件框图组成.205.3 主要控制模块分析.215.3.1 ADC0809 控制模块.21I5.3.2 AD1674 控制模块.216 结论及展望.22参考文献.23附录 1.25附录 2.270第一章 引言1.1 课题的研究及意义近年来，由于微电子技术和计算机技术的发展以及单片机的普遍应用，使得调速装置向集成化、小型化和智能化方向发展。随着当代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，电机的应用在实践中也得到进一步的发展。同时，它由以往简单的起停控制、提供动力为目的的使用，对速度、位置、转矩等进行精准的控制方面得到了提升。这类新型控制技术是“运动控制”而不是传统的“电机控制”和“电气传动” 。可编程门阵列器件 FPGA 的出现为直流调速控制提供了新的技术措施和方法，完成了直流电动机控制数字化的目标。由于使用了 FPGA，简化了体系结构，提高了系统工作的稳定性和可靠性。系统中采用模糊 PI 算法的反馈系统，整体使用前馈 -反馈复合算法，利用该算法可以提高系统的响应速度，增大了系统的控制带宽。运用 Verilog HDL 语言编程使程序以ISP 方式直接配置到 FPGA 中。为了使系统的动态性能和静态品质不断提高，需要控制系统实现位置环、速度环、电流环。利用 FPGA 能很容易的地设计出具有静态和动态可重复编程的专用集成电路，其硬件功能就能够利用程序来修改类似于软件程序，以使该电子系统设计的灵活性和通用性大大提高。PWM 控制电路已经向体积小、重量轻、功耗低、可靠性高的模块化、集成化方向迈进 。1电气传动发展的重要趋势是电机调速系统使用 FPGA 对其实现数字化控制。采用 FPGA控制能够使全部调速系统实现快速加速、减速或正/反转和准确停止、在线调速等功能；也有利于操作和维护,动静态各个指标均能较好地满足工业生产的高性能电驱动。由于有外部连线较少,电路较为简单,便于控制,具有较佳的性价比这些优点,使 FPGA 在工业过程中以及设备控制中得到日趋广泛的使用。1.2 伺服系统1.2.1 伺服系统的概念随动系统是用来精确地跟随或复现某个过程的反馈控制系统。在大多数情况下，系统的输出反馈控制系统是机械位移或位移速度、加速度的控制系统被称为伺服系统。其功能是使输出的机械位移（或转角）准确地跟踪输入的位移（或转角） ，它的结构构成和其他形式的反馈控制系统原则上没有什么区别 。21.2.2 伺服系统的发展伺服系统应用在许多领域中，采用伺服系统主要是为了达到以下几个目的：以小功率1指令信号去控制大功率负载。在没有机械连接的情境下，利用输入轴控制位于远处的输出轴来完成远距同步传动。使输出机械位移精确地跟踪电信号 。3频带宽度和精度是衡量伺服系统性能的主要指标。频带宽度简称带宽，由系统频率响应特性规定，能够快速响应跟踪伺服系统。带宽越大，快速性越好。伺服系统的带宽主要受控制对象和执行机构的惯性的限制。惯性越大，带宽越窄。伺服系统的带宽通常小于 15 赫兹，大带宽则在 12 赫兹以下。由于在 20 世纪 70 年代以来一个转矩电机和高灵敏度测速仪的发展，伺服系统实现直接驱动，达到了 50 赫兹的带宽。伺服系统的精度主要取决于所用的测量元件的精度，所以在伺服系统中务必采用高精度的测量元件。伺服系统按所用驱动元件的类型可分为机电伺服系统、液压伺服系统及气动伺服系统 。42第二章 系统控制原理2.1 电气调速控制原理2.1.1 调速系统及其性能指标调速就是速度调节，是指为了满足机械工作的不同转速要求，在电力系统中人为的改变电动机的转速。性能指标：（1）：调速范围（D）nmiax（2）：调速的平滑性（）1-ii（3）：静差度（S ）n0c0cS2.1.2 直流电机调速控制原理根据直流电动机的机械特性：MRUC2mn由此可见，有三种方式可以对电动机进行调速：(1) 调节电枢供电电压 U；(2) 改变电枢回路电阻 R；(3) 减弱励磁磁通 。1）调压调速采用调压调速时，保持激励 ,电阻 。因为机械特性硬度不变而且调速范围大，NFaR很容易做到连续调解，便于完成无级调速，而且调速的平滑性较好。调速的时候电枢回路中不需要串接电阻，调速损耗较小，电动机的运行效率高 。53图 2-1 调压调速调节过程：改变 U 的电压，速度下降，机械特性曲线平行下跌，如图 2-1 所示。2）电枢回路串电阻调速保持励磁 ，电压 。通过改变 R 可以改变转速 n。电枢串接电阻调速的经NFN济性不好，调速范围不大，指标不高而且调速是有级的，平滑性不高。图 2-2 电枢回路串电阻调速调节过程： 增加电阻 R， 转速下降，机械特性曲线变软，如图 2-2 所示。3）调磁调速保持电压 ，电阻 。此种调速方法调速范围过小，通常与其他两种方法一NUa起使用。4图 2-3 调磁调速调节过程： 减小励磁，转速上升，机械特性曲线变软，如图 2-3 所示。4）结论基于上述分析，调节电枢电压方式是在一定范围内实现无极平滑的调速系统的最佳途径。改变电阻只可有级调速，改变磁通能够平滑调速但是调速范围不大，通常只是配合调压方案。该系统也采用了调压调速方法 。62.2 PWM 控制原理PWM（Pulse Width Modulation）简称为脉宽调制，是一种采用微处理器数字输出对模拟电路控制的一种十分有效的技术。对半导体功率器件的使用分为两种形式:线性放大驱动方式和开关驱动方式。第一种是