基于FPGA的直流电机控制器的硬件设计

设计与分析◆ShejiyuFenxi

基于ＦＰＧＡ的直流电机控制器的硬件设计

郗君玲

（蒂森克虏伯电梯有限公司上海松江分公司，上海２０１６０２）

摘要：利用ＦＰＧＡ的可编程并行处理模块特性实现对直流电机控制器的设计。首先介绍了系统的总体结构，接着详细说明了各功

成本低、现场可编程的优点，提高了电机转速的控制精度。能模块的设计思想与具体实现方案。该方案具有设计灵活、

关键词：ＦＰＧＡ；直流电机；测速反馈；显示模块；通讯模块

0引言

直流电机广泛应用于各种领域。近年来，ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ

５０％时，电机两端正反向电压所加时间相同，电机在此位置处于微颤状态，即处于“动力润滑”状态；当占空比大于５０％时，信电机正转，反之则反转。因此，必须号电压ＯＵＴＡ大于ＯＵＴＢ，

理顺各环节的输出极性，才能形成负反馈，完成闭环控制。在依靠改变ＰＷＭ占空比控制电机转速的同时也可以改变电机转由于电机是电圈式的，在电机出向，控制方法简单可靠。此外，现急停和突然换向时会形成反向电动势，为保证Ｌ２９８Ｎ驱动芯ＯＵＴＢ与直流电机之间加入片的正常工作，在输出端ＯＵＴＡ、

两对续流二极管，将电流分流到电源正极或地端，以免反向电动势对Ｌ２９８Ｎ产生损害。控制系统主要硬件设计如图２所示。

１５６

１５５１５４１５２１５０１４９１４８１４７１４６１４４１４３１４１１４０１３９１３８１３７１３５１３３１３２

Ｕ２Ａ

Ｕ３

Ｕ４Ａ１

ＤＭ７４０６Ｍ

２

５７１０１２６１１８

Ｓ１２

１

ＳＷ－ＳＰＤＴＳ２

１３１１３０１２８１２６１２５１２４１２３１２２１２０１１９１１７１１６１１５１１４１１３１１１１０９１０８１０７１０６

２

１

ＳＷ－ＳＰＤＴＳ３２

１

ＳＷ－ＳＰＤＴ

３３３

Ｒ５Ｒｅｓ２１ｋΩ

ＶＣＣ

ＶＣＣ

＋１２Ｖ

Ｌｅｄ＿１

Ｒｅｓ２１ｋΩＲｅｓ２１ｋΩＲｅｓ２１ｋΩＲ１３Ｒｅｓ２１ｋΩＲ１４Ｒｅｓ２１ｋΩ

Ｒ７

ＤＳ４

Ｒ８

ＤＳ５

Ｒ１１

ＶＣＣ

ＩＮ１ＩＮ２ＩＮ３ＩＮ４ＥＮＡＥＮＢ

ＶＳＳＶＳＯＵＴ１ＯＵＴ２ＯＵＴ３ＯＵＴ４ＩＳＥＮＡＩＳＥＮＢ

ＶＣＣ９４２３１３１４１１５

Ｄ３

Ｄ４

－Ｂ１

ＤｉｏｄｅＩＮ４００１

ＭｏｔｏｒＳｅｒｖｏ

＋２４Ｖ

Ｃ７

Ｄ１

Ｄ２

＋Ｃ５

）调速已成为直流电机调速的新方式。现场可ＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ

编程门阵列ＦＰＧＡ（ＦｉｅｌｄＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅＧａｔｅＡｒｒａｙ）是美国Ｘｉｌｉｎｘ公司于１９８４年首先开发的一种通用型用户可编程器件。ＦＰＧＡ既具有门阵列器件的高集成度和通用性，又有可编程逻辑器件用户可编程的灵活性。其速度快、功耗低、通用性强，特别适用于复杂系统的设计。我公司通过ＦＰＧＡ技术及微机技术两者的结合，来全面提升控制器系统的性能，使整机的工作效率、控制精度和电气系统可靠性得到了提高。

1系统总体结构

设计方案主要包括６个主要模块：ＦＰＧＡ控制模块、Ｌ２９８Ｎ

电机驱动模块、运行方式设置模块、测速模块、显示模块、通信模块。系统总体框图如图１所示。

直流电机

转速测量开关控制速度设置串口通信

ＥＰＧＡ

ＸＣ３Ｓ４００

驱动电路

Ｒ４

＋

Ｃ８

Ａ

ＧＮＤＬ２９８Ｎ

Ｒ６Ｒｅｓ２１ｋΩ

ＵＧＮ１

Ｒ９Ｒｅｓ２１ｋΩＲ１２Ｒｅｓ２１ｋΩ

ＶＣＣ

Ｃ６＋１ｕＦ

ＶＣＣ

１２３

Ｒ１０

Ｌｅｄ＿２Ｌｅｄ＿３

１ｋΩＶｓｐｅｅｄｉｎｇ

转速显示

图1总控制系统组成框图

Ｌｅｄ＿５ＤＳ６

ＸＣ３Ｓ４００作为主控部件，利用可编程Ｉ／Ｏ资源产生ＰＷＭ信号，由开关Ｋ１、Ｋ２分别标识直流电机的正反转和加减速，数码显示出电机的实时转速。当前电机系统不断向着自动化控制的方向迈进，利用上位机串口通信模块进行控制访问，可以很方便地对电机运行方式进行远程控制。

该系统以ＦＰＧＡ为控制核心，Ｌ２９８Ｎ为电机驱动芯片，利用ＦＰＧＡ丰富的Ｉ／Ｏ口产生ＰＷＭ控制信号。该控制信号经过速度设置后，利用占空比控制场效应管的导通时间来开通Ｌ２９８Ｎ，从而控制电机两端电压的占空比，达到调节直流电机转速的目的。通过霍尔元件ＵＧＮ３０２０实现对电机转速的采集，构成闭环反馈控制，对电机的转速进行进一步调整。另外，将电机的当前速度在显示块上显示出来，设置转速模块由６个旋转开关组成，开关Ｋ１、Ｋ２、Ｋ３可以控制电机各种动作的转换。串口模块通过串口控制命令，与上位机相结合，远程控制电机。

Ｌｅｄ＿５ＤＳ７

Ｓ４

ＳＷ－６ＷＡＹ

图2控制系统主要硬件设计

2.2直流电机驱动模块设计

Ｌ２９８Ｎ是由达林顿管组成的双Ｈ桥高电压集成ＰＷＭ电路。ＰＷＭ电路由４个大功率晶体管组成的Ｈ桥电路构成，４个晶体管分为２组，交替导通和截止，根据调整输入脉冲的占空比，精确调整电动机转速。

Ｌ２９８Ｎ可以驱动２台直流电机，因该调速系统为单轴结构，为充分利用该功放电路的带负载能力，使系统以最大加速度启动，并以最大加速度制动，将输入端ＩＮ１、ＩＮ３并联，ＩＮ２、ＩＮ４并联，输出端ＯＵＴ１、ＯＵＴ３并联，ＯＵＴ２、ＯＵＴ４并联分别接至电机两端，使能端由单片机高速输出口ＨＳＯ１控制。2.3

测速模块UGN3020设计

2

2.1

控制系统硬件设计

XC3S400的控制器硬件设计

主控制器ＸＣ３Ｓ４００根据速度设置和测速运算结果给出

单稳态开关集成霍尔元件ＵＧＮ３０２０由稳压源、霍尔电势发生器、差分放大器、施密特触发器以及输出级组成。霍尔元件ＵＧＮ３０２０和磁钢组成测量电路，将具有１０个齿的圆盘固定于直流电机的旋转主轴上。当圆盘齿经过测量磁路的间隙时，霍

ＰＷＭ信号，ＰＷＭ信号一路直接输出至ＩＮ１（ＩＮ３）端，另一路经）。当ＰＷＭ模拟信号占空比为过７４０６取反输出至ＩＮ２（ＩＮ４１４２

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