基于FPGA的水磁無刷直流電機控制電路

主要介紹基于現場可編程門陣列(Field Programmable Gate Array，FP-GA)及EDA方法學的永磁無刷直流電機控制系統的電子電路設計。FPGA是一種高密度可編程邏輯器件，其邏輯功能的實現是通過把設計生成的數據文件配置進芯片內部的靜態配置數據存儲器(SRAM)來完成的，具有可重復編程性，可以靈活實現各種邏輯功能。

與ASIC不同的是，PCA本身只是標準的單元陣列，沒有一般IC所具有的功能，但用戶可以根據需要，通過專門的布局布線工具對其內部進行重新編程，在最短的時間內設計出自己專用的集成電路，從而大大提高了產品的競爭力。由于它以純硬件的方式進行并行處理，而且不占用CPU資源，所以可以使系統達到很高的性能。這種新的設計方法可以把A/D接口、驅動器接口、通信接口集成在一塊芯片上，同時在算法上完成位置、速度甚至電流算法，從而實現真正的片上可編程系統(SoPC)。這將成為下一代高性能伺服控制器集成化設計的一個趨勢。

下面針對永磁無刷直流電機模塊化設計的思想，介紹基于FPGA的控制系統的電子電路設計方法，其控制系統結構如圖1所示。

圖1 控制系統結構圖

電路由電源模塊，電壓轉化模塊，FPCA模塊，驅動電路模塊，斬波電流、電壓檢測模塊，繞組電流檢測模塊，A/D模塊，通信模塊，外擴存儲器模塊等部分組成。

首先，由FPGA產生5路PWM波，其中3路用于永磁無刷直流電機換相，1路用于斬波，另1路用于再生能耗調節制動電流。三相換相PWM經驅動電路控制電機的換相，這3路PWM只用于換相不進行調制，由斬波環節進行調制。

電機繞組電流經求偏、放大、濾波通過A/D(ADS7864)轉換進人FPGA(XC3S200)，經PID調節器控制電流環;同樣，斬波電壓電流經濾波通過A/D轉換也進人FPGA。圖2所示為FPCA的最小系統電路，XCF02S為FPGA XC3S200的配置芯片，TPS767D325是電源芯片，將+5V電源電壓轉換為+2.5V和+3.3V供給FPGA，電源芯片LM317將+5V電源電壓轉換為+1.2V供給FPGA;FPGA的時鐘選為50MHz，晶體振蕩器為50MHz有源晶振，輸出的時鐘信號電壓

的高電平為+3.3V。

圖2 斬波器電感電流檢測電路

永磁無刷直流電機電樞電流檢測信號調理電路和DC/DC BUCk變換器輸出電壓檢測信號調理電路參見圖3-16c和d，其功率電路如圖3所示。

由FPGA實現的各個模塊VHDL語言編寫的功能程序代碼參見附錄部分。