基于FPGA水磁無刷直流電機控制電路

　　主要介紹基于現(xiàn)場可編程門陣列及EDA方法學(xué)的永磁無刷直流電機控制系統(tǒng)的電子電路設(shè)計。FPGA是一種高密度可編程邏輯器件，其邏輯功能的實現(xiàn)是通過把設(shè)計生成的數(shù)據(jù)文件配置進(jìn)芯片內(nèi)部的靜態(tài)配置數(shù)據(jù)存儲器來完成的，具有可重復(fù)編程性，可以靈活實現(xiàn)各種邏輯功能。

　　與ASIC不同的是，PCA本身只是標(biāo)準(zhǔn)的單元陣列，沒有一般IC所具有的功能，但用戶可以根據(jù)需要，通過專門的布局布線工具對其內(nèi)部進(jìn)行重新編程，在最短的時間內(nèi)設(shè)計出自己專用的集成電路，從而大大提高了產(chǎn)品的競爭力。由于它以純硬件的方式進(jìn)行并行處理，而且不占用CPU資源，所以可以使系統(tǒng)達(dá)到很高的性能。這種新的設(shè)計方法可以把A／D接口、驅(qū)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(xiàn)真正的片上可編程系統(tǒng)（SoPC）。這將成為下一代高性能伺服控制器集成化設(shè)計的一個趨勢。

　　下面針對永磁無刷直流電機模塊化設(shè)計的思想，介紹基于FPGA的控制系統(tǒng)的電子電路設(shè)計方法，其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　圖1 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

　　電路由電源模塊，電壓轉(zhuǎn)化模塊，F(xiàn)PCA模塊，驅(qū)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。

　　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(diào)理電路和DC／DC BUCk變換器輸出電壓檢測信號調(diào)理電路參見圖3－16c和d，其功率電路如圖3所示。

　　首先，由FPGA產(chǎn)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(diào)節(jié)制動電流。三相換相PWM經(jīng)驅(qū)動電路控制電機的換相，這3路PWM只用于換相不進(jìn)行調(diào)制，由斬波環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)制。電機繞組電流經(jīng)求偏、放大、濾波通過A／D（ADS7864）轉(zhuǎn)換進(jìn)人FPGA（XC3S200），經(jīng)PID調(diào)節(jié)器控制電流環(huán)；同樣，斬波電壓電流經(jīng)濾波通過A／D轉(zhuǎn)換也進(jìn)人FPGA。圖2所示為FPCA的最小系統(tǒng)電路，XCF02S為FPGA XC3S200的配置芯片，TPS767D325是電源芯片，將＋5V電源電壓轉(zhuǎn)換為＋2.5V和＋3.3V供給FPGA，電源芯片LM317將＋5V電源電壓轉(zhuǎn)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。