【进程帖】基于FPGA的直流无刷电机控制进程贴

FPGA

基于FPGA的直流无数电机驱动硬件篇

开篇先说声抱歉，由于日常的工作进度比较紧，本次参加设计大赛是出于兴趣，都是利用业余时间去做， DIY贴不能及时更新，目前的进度是PCB部分已完成，板子也已经投出去了。正在做labview上位机部分和FPGA程序部分。相关文档我也会抽空整理，逐个上传。

由于本人是学通信出身，所以在DIY过程中参考了ADI,ti,AVNET大量相关文档，手册，方案设计，如有雷同的地方我会注明。文档在整理过程中如有错误和不严格的地方请大家及时指出，共同学习进步。

言归正传，软件与硬件相辅相成，互相影响。没有硬件，就没有软件，更不用去谈优化，所以作为本设计的第一篇DIY贴就从硬件谈起。

首先整理下思路和整体方案。作为一个控制系统，先理清楚控制对象，控制方式，控制算法。

控制对象是电机。

电机的类型24V额定电流5A带霍尔传感的直流无刷电机。相比有刷电机，用电子开关替代原先的内部电刷。所以要让电机动起来就要按照电子开关也就是这里的霍尔信号来进行正确换向。霍尔集成电路的输出5线，3个信号线，1个5V电源，1个数字地，由于FPGA选用的IO电压为3.3V,所以霍尔信号的硬件处理就是电平转换和信号的上拉。电路图如下：

这个利用霍尔信号进行换向的环路可以称为整个控制系统中的最内环。

控制方式

利用PWM和MOFET开关管来将数字电路输出的控制电压信号转化为电机运行所需要的电流。H 桥电路是现在广泛并得到很多实践验证过的电压电流逆变电路。分为分立式和集成式。这里选用TI的DRV8312。电路图如下

外围电路简单，通过外部电阻可限流保护，并且带用过流，过温指示。

控制口参考电压3.3V，兼容FPGA的IO电平。

指示电路如下图

double530 · 2012-6-23 11:38:04

本帖最后由 double530 于 2012-6-23 11:41 编辑

控制算法

为了更好的控制电机运行的力矩和速度，需要针对速度环和电流环的PI控制。PI控制就需要相应环路的反馈。速度反馈可以依靠霍尔信号在FPGA内部做测速处理。具体的处理以后会在软件部分详细说明。电流环路需要对当前电机母线电流进行检测处理，数字化送入FPGA里。由于任意时刻3相中总有2相通有电流，并且在数字上是相反的，也就是说总电流为0。电流环路的处理考虑到FPGA的优势和高端的更精确的应用，参考了AVNET的电机驱动模块的相关电路和选型。AD8210电流计，集成的4差分运放THS4524与ADS1204,报着对驱动电路以后更深入学习，本人的硬件电路上3相母线和总线上都做了电流检测电路。电路图如下：

简要说明，为了测量的精准度，电流计，差分运放的参考电压利用了ADS1204的输出参考电压。分压到1V送入AD8210 输出电压范围VPP 2V。1V和2.5V参考送入THS4542，把VPP 1V的单端信号调理为VPP 2.5V的差分信号满足ADS1204的输入要求。

下图为电流检测信号调理电路的Multisim12.0仿真图：

ADS1204的参考输出还外接了运放，以达到参考的低阻抗输出。

硬件上还应注意这部分调理电路的电阻精度推荐1%,和差分对的阻抗匹配以及布线。

FPGA的最小系统电路和串口电平电路这里就不详细解说了。本来想用spartan6LX9，结果供货周期可能来不及，所以选用spartan3E。

整个板卡的电源部分有大电压，大电流，信号部分有小信号，控制信号。外部稳压进来的电源提供给模拟部分要经过电感或者磁珠处理，模拟地和数字地分开处理等等。

本人对于电机控制这块是新手，还望各位坛友，老师多多指点，改进，共同学习，谢谢。