基于FPGA的直流电机伺服控制系统设计与实现

２０１７年 １１月郑州大学学报（工学版）

Ｎｏｖ． ２０１７第３８卷 第６期ＪｏｕｒｎａｌｏｆＺｈｅｎｇｚｈｏｕＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅ）Ｖｏｌ.３８ Ｎｏ.６

收稿日期：２０１６－０５－１０；修订日期：２０１６－０６－２８ 基金项目：国家自然科学基金资助项目（６１５０１５３０）

作者简介：常怡萍（１９７９—），女，河南周口人，中原工学院讲师，主要从事扩频通信、宽带无线通信研究，Ｅ-ｍａｉｌ：ｃｈａｎ-

ｇｙｉｐｉｎｇ＠１２６．ｃｏｍ．

文章编号：１６７１－６８３３（２０１７）０６－００５４－０５

基于ＦＰＧＡ的直流电机伺服控制系统设计与实现

常怡萍，刘 琴，杨 蕾

（中原工学院电子信息学院河南郑州４５０００７）

摘 要：为了满足直流电机伺服控制系统实时控制的要求，提高电机跟踪控制的精度，设计了基于单片ＦＰＧＡ的直流电机伺服控制系统．该控制系统采用ＮｉｏｓＩＩ内核实现位置环和速度环控制策略，系统的电流环通过并行硬件电路实现．为了减小电机的力矩波动，设计了基于Ａｎｔｉ-Ｗｉｎｄｕｐ策略的ＰＩ速度控制器；为了减小系统的超调量和调节时间，位置环采用了超前滞后校正器．仿真和实验结果表明，设计的伺

服控制系统具有较好的稳态精度和动态性能，满足系统的设计要求．关键词：ＦＰＧＡ；Ａｎｔｉ-Ｗｉｎｄｕｐ；Ｂｉｓｓ；伺服控制

中图分类号：ＴＰ２７３ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－６８３３．２０１７．０３．００６0 引言

直流电机以其优异的性能在航空航天、数

控机床、汽车电子等领域得到了广泛的应用．传统的直流电机伺服控制系统通常采用基于ＤＳＰ和ＦＰＧＡ架构的控制器，此类控制器电路结构复杂、灵活性较差，不利于系统的升级和维护．为了简化外围硬件电路设计，近年来基于单片ＦＰ-ＧＡ的伺服控制器成为研究的热点，并且在工业

控制领域得到了成功的应用［１－３］

．文献［４］采用ＦＰＧＡ完成了基于Ａｎｔｉ-Ｗｉｎｄｕｐ策略的永磁同步

电机速度控制，实现了永磁同步力矩电机转速的快速无超调控制；文献［５］在ＦＰＧＡ中实现了感应电机的神经网络控制，实现了感应电机的集成伺服控制；文献［６］通过硬件语言在ＦＰＧＡ中完

成了永磁同步直线电机的自适应模糊控制［６］

．上述控制算法的实现均采用并行硬件电路实现，调试周期较长，对编程能力要求较强．由于ＦＰＧＡ支持基于Ｃ语言的ＮｉｏｓＩＩ内核，该内核具有快速的运算性能和灵活的外围接口设计，因此，ＮｉｏｓＩＩ内

核在伺服控制系统中得到了较多的应用［７］

．

传统的ＰＩ控制器受控制器输出限幅的影响，电机的力矩和转速输出容易出现超调和振荡，文献［８］采用基于Ａｎｔｉ-Ｗｉｎｄｕｐ策略的ＰＩ控

制器，实现了望远镜伺服控制系统的快速、无超调控制．文献［９］通过新型的Ａｎｔｉ-Ｗｉｎｄｕｐ策略

完成控制器从Ｐ到ＰＩ的平稳切换，实现了大阶

跃信号的无超调控制．

为了提高直流电机伺服控制系统的集成度和系统的实时性，笔者将采用Ａｌｔｅｒａ公司的ＦＰ-ＧＡ-ＥＰ４Ｃ２２Ｅ２２对直流电机伺服控制系统进行设计，在ＦＰＧＡ中实现了速度环和位置环控制策略、电流环策略、电机电流采集、脉宽调制（ＰＷＭ）、Ｂｉｓｓ编码器数据采集．相比于传统基于ＤＳＰ的伺服控制系统，提出的方案在精简硬件电路设计的同时，具有更好的灵活性．针对速度环阶跃响应超调的问题，采用了具有Ａｎｔｉ-Ｗｉｎｄ-ｕｐ策略的ＰＩ控制器，最后通过仿真和实验对上述设计进行了验证．

1 伺服系统的硬件设计方案

直流电机伺服控制系统的总体硬件设计方案如图１所示，其中电机的位置环和速度环在ＮｉｏｓⅡ内核中实现，电流环ＰＩ控制器采用并行电路实现，ＰＷＭ由比较器产生，电机电流数据和Ｂｉｓｓ编码器数据的采集通过有限状态机实现．在ＦＰＧＡ中采用有限状态机可以更有效地按照芯片ＡＤ７６５６数据手册要求的时序进行ＡＤ数据的采样和读取．上述模块的时钟统一由倍频／分频模块产生．硬件设计的难点是电流ＰＩ控制器、电流ＡＤ采集的有限状态机实现和Ｂｉｓｓ编码器数据采集，因此，下面重点介绍这两部分的设计．

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