[实用新型]一种基于FPGA的直流电机伺服系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及电机控制技术领域，具体为一种基于FPGA的直流电机伺服 系统。

背景技术

电动机是电能转化为机械能的必要装置，广泛应用于各种工业民用设备中， 小到电动剃须刀，大到汽车、航天飞机，可以说没有性能优良的电机的存在，它 们都将毫无用处。近些年来，随着电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展， 电机的应用得到进一步发展，功率半导体器件的发展对电机控制的发展也影响巨 大。电机的控制器经历了从模拟控制器到数字控制器的发展，数字控制器比模拟 控制器具有更可靠的性能、参数调节更为方便、控制精度更高、控制策略灵活并 且对环境因素不敏感。传统的8位单片机由于内部体系结构和计算功能等条件限 制，在实现各种先进电机控制理论和高效的控制算法时遇到了困难，使用高性能 的DSP来满足不断增加的计算量和速度需求是目前最为普遍的做法，但是随着 EDA技术的发展，对系统集成度、响应速度以及可靠性提出了更高的要求。

实用新型内容

本实用新型目的是提供一种基于FPGA的直流电机伺服系统，以解决目前大 多数电机控制器对于实现更加复杂和高效的控制算法、更高的响应速度、将板级 产品集成为芯片级产品、更低的功耗方面的困难，本装置以Altera公司的 EP4CE6F17C8N现场可编程门阵列FPGA芯片作为控制内核，以AD9280、AD9708 模数转换芯片作为数据采集电路的主要处理芯片，采用位置传感器、电流传感器 对电机转子位置和电枢电流进行采集，产生双极可逆受限PWM控制两组NMOS 电路驱动直流电机，对电机运转进行高精度调控。

为达到上述目的，本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基 于FPGA的直流电机伺服系统，包括：主控模块、数据采集电路模块、传感器检 测模块、指令模块、输出执行模块、直流电机模块；主控模块包括EP4CE6F17C8N FPGA芯片；数据采集电路模块包括AD9280、AD9708；传感器检测模块包括位 置传感器、电流传感器；指令模块为上位机；输出执行模块包括隔离电路、驱动 电路；直流电机模块为被控对象。传感器检测模块与数据采集电路模块是电气连 接；数据采集电路模块与FPGA是电气连接；指令模块与FPGA是电气连接；直流 电机与驱动电路是电气连接；位置传感器和电流传感器均安装于直流电机上，与 直流电机之间通过磁场进行物理连接。

所述EP4CE6F17C8NFPGA芯片负责接收处理数据采集电路模块模数转换 后得到的数字信号和指令模块的指令，完成相关的直流电机控制算法，做出决策 和判断，输出双极可逆受限PWM信号。

所述AD9280负责将位置传感器采集到的电机模拟的位置信号转化成数字 量，然后输送给FPGA进行处理运算，AD9280是单芯片、单电源、8bit、32MSPS 模数转换器，内部集成了采样保持放大器和电源基准源，工作电压范围为 +2.7～+5.5V；AD9280使用多级差分流水线架构保证了32MSPS数据转换速率下全 温度范围内无失码。AD9708负责将电流传感器采集到的电机的模拟电枢电流信 号转化成数字量，然后输送给FPGA进行处理运算，AD9708是高性能、低功耗8 位分辨率的CMOS数模转换器，内置一个1.2V片内基准电压源和基准电压控制放 大器，满量程电流范围为2mA到20mA，可以以低功耗水平进行工作，或在20dB 范围内进行调节。

所述位置传感器对电机转子位置进行检测和判断，输出量的模拟量输送给 AD9280进行处理，位置传感器采用精密电位器，精度为0.1％，此回路构成系统 的位置环和速度环；电流传感器负责对电枢电流进行采集，它的输出同样是模拟 信号，输送给AD9708进行处理，电流传感器采用CHB-25NP型电流传感器，额定 输入电流25A，失调电流小于0.3A，响应时间小于1us，此回路构成系统的电流环； 传感器均安装在电机上，位置传感器靠近电机转子安装，电流传感器安装于电机 接线端的母线附近。

所述上位机用于输入控制指令，对控制参数进行输入和修改，设定直流电机 的转速大小，进行调速。

所述隔离电路用于避免后端电机对前端控制电路的干扰，采用高速光耦 6N137进行隔离设计，6N137是一款单通道，转换速率10Mbps，最大输出电压7V， 工作稳定范围-40℃～+123.8℃的高速光耦。