基于FPGA的直流电动机伺服系统方案

1、 PAGE19 / NUMPAGES19基于FPGA的直流电动机伺服系统设计摘 要:提出的直流电动机伺服系统设计方案综合了EDA技术,单片机和模糊控制技术,采用模糊比例算法,即大围采用模糊控制,以提高系统的动态响应速度,在小围采用比例控制,以提高系统的稳态控制精度.试验证明:该系统细分精度高,可维护性强,响应速度快,控制效果理想.关键词:FPGA;伺服系统;模糊比例控制;PWM波1 引言随着微控制进入控制领域,以与新型的电力电子功率器件的不断出现,使得采用全控型的开关功率元件进行PWM控制方式为主流.这种控制方式很容易在微控制器中实现,从而为直流电动机控制数字化提供了契机.传统的模糊控制器控制

2、动作欠细腻,稳态精度欠佳.电动机是一种旋转式机器， HYPERLINK :/baike.baidu /image/d4239b3523df4a5190ef39e0它将电能转变为HYPERLINK :/baike.baidu /view/28598.htm机械能，它主要包括一个用以产生HYPERLINK :/baike.baidu /view/351.htm磁场的电磁铁绕组或分布的HYPERLINK :/baike.baidu /view/1974573.htm定子绕组和一个旋转HYPERLINK :/baike.baidu /view/303142.htm电枢或转子，其导线中有HYPERLIN

3、K :/baike.baidu /view/10897.htm电流通过并受磁场的作用而使转动，这些机器中有些类型可作电动机用，也可作HYPERLINK :/baike.baidu /view/54769.htm发电机用。它是将电能转变为机械能的一种HYPERLINK :/baike.baidu /view/126147.htm机器。通常电动机的作功部分作旋转运动，这种电动机称为转子电动机；也有作直线运动的，称为直线电动机。电动机能提供的HYPERLINK :/baike.baidu /view/44147.htm功率围很大，从毫瓦级到万千瓦级。电动机的使用和控制非常方便，具有自起动 、HYPE

4、RLINK :/baike.baidu /view/72037.htm加速、制动、反转、掣住等能力，能满足各种运行要求；电动机的HYPERLINK :/baike.baidu /view/3456760.htm工作效率较高，又没有烟尘、气味，不污染环境，噪声也较小。由于它的一系列优点，所以在工农业生产、交通运输、HYPERLINK :/baike.baidu /view/88679.htm国防、商业与家用电器、医疗电器设备等各方面广泛应用。而模糊比例控制(利用HYPERLINK :/baike.baidu /view/24364.htm模糊数学的基本思想和理论的控制方法。在传统的控制领域里，控

5、制系统动态模式的精确与否是影响控制优劣的最主要关键，系统动态的信息越详细，则越能达到精确控制的目的。然而，对于复杂的系统，由于变量太多，往往难以正确的描述系统的动态，于是工程师便利用各种方法来简化系统动态，以达成控制的目的，但却不尽理想。换言之，传统的控制理论对于明确系统有强而有力的控制能力，但对于过于复杂或难以精确描述的系统，则显得无能为力了。因此便尝试着以模糊数学来处理这些控制问题。)将模糊控制和比例控制有效的结合,使控制器兼有两者的优点.2 算法设计2.1 电机模型的建立直流电动机空载转速为4100r/min,减速比为1/160,额定电压为56V,额定电流不大于12A,功率为500W.忽

6、略电枢电感与黏性阻尼系数,以电枢电压)(tua为输入变量,电机转速)(t为输出变量的直流伺服电动机的传递函数可简化为11)(+=sTKsHme式中,电动机反电动势系数36041005660160=eK,机电时间常数msTm10=.以上推出的传递函数为电压与角度的关系,所以应在此传递函数基础上再加一积分环节,从而实现电枢电压与角度的传递关系.22.2 模糊比例算法当误差小于1.2V时,采用模糊控制.模糊控制采用单输入,单输出结构,即以误差信号为输入信号,控制信号为输出信号.当误差大于1.2V时,电机全速转动.比例算法的控制函数为:)()(terrorKtup=式中pK比例系数.比例算法控制器的作

7、用是成比例的反映控制系统的偏差信号)(terror,偏差一旦产生,控制器立即产生控制作用,以减少偏差.采用微处理器,需引入数字比例控制,即以一系列采样时刻点kT代表时间t,其中,T为采样周期,k为采样序号.代入上式后变为:)()(1kTerrorKkTup=将T归一化为1后,可将)(1kTu简记为)(1kU.这样得到离散比例表达式:)()(1kerrorKkup=3 系统模型的建立在Simulink中建立的系统理论模型如图1所示.对于模糊算法,由于只在大围采用,而系统的细调则采用比例算法,因此为提高系统的响应速度,未对模糊控制围进行分类,而是利用其控制思想,当指令与反馈误差大于一定值时,电机全

8、速运行.实际控制中,也体现了这种做法的优点.引入前馈算法,是为提高相应速度,增加系统带宽,实际控制也证明了这一点.34 系统的硬件设计伺服器硬件电路主要由FPGA控制器,数据采集电路,过流保护电路,隔离电路,驱动电路等组成.各个模块在中央控制器FPGA的控制下协调工作.使用FPGA器件可以将原来的电路板级产品集成为芯片级产品,从而降低了功耗,提高了可靠性,同时还可以很方便的对设计进行修改.本设计采用的可编程逻辑芯片为Altera公司的FLEX10K系列的EPF10K10LC84-4芯片,它具有高密度,低成本,低功耗,灵活的部连接和强大的I/O引脚功能等特点.其硬件结构如图2所示:数据采集系统主

9、要由3个A/D传感器组成,其中指令值和位置反馈值用AD1674进行模/数转换,电流值由ADC0809采样得到.利用FPGA控制它的三条通道同时采样,分别采集指令信号,反馈信号和电流信号.系统采用双极可逆受限PWM波控制两组NMOS电路驱动直流电机.根据两组PWM波的占空比大小,控制电机的正反转.同时,两组PWM波通过设定适当死区,避免管子同时导通而导致电流过流发生的情况.电源系统需提供3组不共地电源,控制MOS管的导通和截至.本系统以3个DC/DC变换器作为隔离器件,产生3组幅值均为10V但不共地的电压源.由FPGA产生的一路PWM波作为控制信号,FPGA的另一路信号EN作为使能信号,控制PW

10、M波的输出.其硬件电路图如图3所示.输出A路和C路PWM波控制一路MOS管的导通截至.输出B路和D路PWM波控制另一路MOS管的导通与截至.同时,两路PWM波的死区时间控制也由此电路实现.通过电路产生2组PWM波信号,因此提高了电路的可靠性.而且,通过调整电阻和电容的值可以实现死区时间的改变.采用集成运放组成电压比较电路.4PWMEN3A6B8C11DIC5AIC5BIC5CIC5DIC6AIC6BIC6CIC6Dvcc10k10k10k10k10k1k1k10k10k10k10k1k1k0.01uF0.01uF图 35 系统的软件设计伺服驱动器系统软件能够完成电机的正转,反转,加减速等控制功

11、能.在本系统中采用混合编辑法设计各个模块,采用VHDL语音描述各模块功能.所提出的伺服系统方案,已经在康芯GW-48EDA试验箱中做了部分试验.并对系统进行了仿真.PWM波产生模块的VHDL代码如下:library ieee;use ieee.std_logic_1164.all;use ieee.std_logic_unsigned.all;entity bio_polor1 isport(ctr1:in std_logic_vector(7 downto 0);clk:in std_logic;pwm:out std_logic);end entity;architecture one o

12、f bio_polor1 isbeginprocess(clk)variablet:std_logic_vector(7 downto 0);beginif clkevent and clk=1 thenift=11111111thencnt:=00000000;elsift=ctr1 thenpwm=1;cnt:=cnt+1;else pwm=0;cnt:=cnt+1;end if;5end if;end process;end one;对其进行仿真,得到的工作仿真波形如图4和图5所示:以上的仿真研究试验表明,在256个时钟,控制输入不变的话,输出稳定可靠,达到理想的效果.6 AD1674控

13、制模块程序如下；伪定义ADCHEQU32H；采样值高字节ADCLEQU31H；采样值低字节ADCNUMEQU30H；采样次数ADCSBITP1.5；AD7814片选ADSCLKBITP1.1；AD7814时钟ADDOUTBITP1.7；AD7814数据输出ADSCLBITP1.1；AD7416时钟ADSDABITP1.7；AD7416数据I/O；程序初始化；AD7814的采样参考程序SAMPLE78:MOVADCNUM, #8 ;采样8次SE078:CLRADCS ;选中AD7814MOVR7, #16 ;产生16个取数脉冲MOVADCH, #0 ;A/D值高字节MOVADCL, #0 ;A/

14、D值低字节SE178:CLRADSCLKNOPNOPADDOUT, SE178SE378:CLRADSCLKNOPNOPMOVC, ADDOUTMOVA, ADCLRLCAMOVADCL, AMOVA, ADCHRLCAMOVADCH, ASETBADSCLKNOPNOPDJNZR7, SE378SETBADCS；进行数据处理DJNZADCNUM, SE078RET；AD7416的采样参考程序；AD7414、AD7415与AD7416相似，但地址不同。SAMPLE74:MOVADCNUM, #8 ；连续采样8次SE074：MOVR6, #9EH ；片选AD7416的地址写操作MOVR5, #1

15、 ；选中配置寄存器MOVR4, #18H ；给配置寄存器赋值LCALLWRCOM ；三字节的写操作MOVR6，#10011110BMOVR5，#3 ；选中温度上限寄存器MOVR4，#40H ；上限温度=64LCALLWRCOMMOVR6，#10011110BMOVR5，#2 ；选中温度下限寄存器MOVR4，#20H ；上限温度=32LCALLWRCOMMOVR6，#10011110BMOVR5，#0 ；选中温度寄存器MOVWREXE ；两字节的写操作MOVDATA1，#10011111B ；片选AD7416，读操作LCALLRDCOM ；数据处理DJNZADCNUM，SE074 ；采样未完，返

16、回WRCOM：LCALLBEGIN ；三字节的写操作MOVDATA1，R6LCALLOUTBYTE ；输出字节MOVDATA1，R5LCALLOUTBYTEMOVDATA1，R4LCALLOUTBYTELCALLSTOPRETWREXE：LCALLBEGIN ；两字节的写操作MOVDATA1，R6LCALLOUTBYTEMOVDATA1，R5LCALLOUTBYTELCALLSTOPRETRDCOM：LCALLBEGIN ；读操作LCALLOUTBYTELCALLINBYTE ；输入字节MOVADCH，DATA1LCALLNACK ；MCU使ADSDA数据线变为低电平LCALLINBYTEMO

17、VADCL，DATA1LCALLACK ；MCU使ADSDA数据线变为高电平LCALLSTOPRETOUTBYTE:MOVR7,#8 ;输出字节OE1：MOVA，DATA1RLCAMOVADSDA，CMOVDATA1，ALCALLCLOCKDJNZR7，OE1LCALLACK ；AD7416产生应答RETINBYTE：SETBADSDA ；输入字节MOVR7，#8INE1：LCALLCLOCKMOVA，DATA1RLCAMOVDATA1，ADJNZR7，INE1RETNACK：CLRADSDA ；AD7416无应答LCALLCLOCK ；ADSDA数据线为0，一个时钟脉冲之后，ADSDA为1R

18、ETACK：SETBADSDA ；AD7416有应答LCALLCLOCK ；ADSDA为1，一个时钟脉冲之后，ADSDA为0RETSTOP：CLRADSDA ；产生停止信号SETBADSCLNOPNOPNOPNOPSETBADSDARETBEGIN：SETBADSDA ；产生开始信号SETBADSCLNOPNOPNOPNOPNOPCLRADSDANOPNOPNOPNOPCLRADSCLRETCLOCK：NOP ；产生时钟脉冲SETBADSCLNOPNOPNOPNOPMOVC，ADSDACLRADSCLRET7 ADC0809控制模块程序如下：COM EQU 50H ; 指令寄存器DAT EQU

19、 51H ; 数据寄存器RS EQU P2.1 ; LCD寄存器选择信号RW EQU P2.2 ; LCD读/写选择信号E EQU P2.3 ; LCD使能信号ORG 0000HLJMP MAIN ;主程序入口ORG 000BHLJMP BT0;T0中断入口ORG 0030H ;主程序,初始化MAIN: MOV SP,#60HLCALL INTMOV 30H,#30HMOV 31H,#0A5HMOV 32H,#30HMOV 33H,#30HMOV 34H,#30HMOV R7,#30HLCALL N1 ;显示 200808588 ZPPVoltage = 0.000MOV TMOD,#00H;

20、定时器T0设为方式0MOV TH0,#00h;装入定时常数MOV TL0,#00hSETB TR0;启动T0MOV 24h, #03h ;装入T0中断次数MOV IE,#82H ;开中断LP: MOV R7,#30H ;显示缓冲区首地址LCALL DISPLYSJMP LP ;循环显示DISPLY: mov ,#0CAH ;设置数据起始地址（第而行第10位） lcall pr1 mov r1,#05h mov r0,#30hl: MOV DAT,r0 LCALL PR2 INC R0 djnz r1,l ret;1. 逐字依次输入方式演示程序段N1:MOV COM,#01H ;清屏 LCALL

21、 PR1 MOV COM,#06H ;设置输入方式 LCALL PR1 MOV COM,#081H ;设置数据起始地址（第一行地二位） LCALL PR1 MOV DPTR,#TAB1 MOV R2,#0EH MOV R3,#00HWRIN1: MOV A,R3 MOVC A,A+DPTR MOV DAT,A LCALL PR2 INC R3 DJNZ R2,WRIN1 MOV COM,#0C1H ;设置数据起始地址（第二行地二位） LCALL PR1 MOV DPTR,#TAB2 MOV R2,#9 MOV R3,#00HWRIN2: MOV A,R3 MOVC A,A+DPTR MOV D

22、AT,A LCALL PR2 INC R3 DJNZ R2,WRIN2 RETTAB1: DB 200808588 ZPP TAB2: DB VOLTAGE= ; LCD间接控制方式下的初始化子程序INT:LCALL DELAY ; 调延时子程序MOV COM,#38H ; 设置工作方式（2行，8位数据）LCALL PR1MOV COM,#01H ; 清屏LCALL PR1MOV COM,#06H ; 设置输入方式LCALL PR1MOV COM,#0CH ; 设置显示方式LCALL PR1RETDELAY:MOV R6,#0FH ; 延时子程序MOV R7,#00HDELAY1: NOPDJ

23、NZ R7,DELAY1DJNZ R6,DELAY1RET;LCD间接控制方式的驱动子程序如下;1 读BF和AC值PR0: PUSH ACC MOV P0,#0FFH ; P0置位, 准备读 CLR RS ; RS=0 SETB RW; R/W=1 SETB E ; E=1 LCALL DELAY MOV COM,P0 ; 读BF和AC6-4值 CLR E ; E=0 POP ACC RET;2 写指令代码子程序PR1: PUSH ACC CLR RS; RS=0 SETB RW ; R/W=1PR11:MOV P0,#0FFH; P0置位, 准备读 SETB E ; E=1 LCALL DE

24、LAY NOP MOV A,P0 CLR E ACC.7,PR11;BF=1? CLR RW; R/W=0 MOV P0,COM SETB E ; E=1 CLR E ; E=0; E=0 POP ACC RET;3 写显示数据子程序PR2:PUSH ACCCLR RS ; RS=0SETB RW; R/W=1PR21:MOV P0,#0FFHSETB E ; E=1LCALL DELAYMOV A,P0 ; 读BF和AC6-4值CLR E ; E=0 ACC.7,PR21SETB RSCLR RWMOV P0,DAT; 写入数据SETB ECLR EPOP ACCRET;4 读显示数据子程序

25、PR3:PUSH ACCCLR RS ; RS=0SETB RW; R/W=1PR31:MOV P0,#0FFH ; P0置位, 准备读SETB E ; E=1LCALL DELAYMOV A,P0 ; 读BF和AC6-4值CLR E ; E=0 ACC.7,PR31SETB RSSETB RW; R/W=1MOV P0,#0FFH ; 读数据SETB E ; E=1MOV DAT,P0CLR E ; E=0POP ACCRET; 定时器T0中断服务程序，读取ADC0809第0通道的A/D转换结果并化为显示值BT0:PUSH ACC ;保护现场PUSH PSWMOV PSW,#08HCLR TR0;停止T0MOV TH0,#00h ;重装定时常数MOV TL0,#00huuMOV DPTR,#0F6FFH ;0809端口地址/MOV A,#0 ;0通道MOVX DPTR,A ;启动0809MOVX A,DPTR ;读0809转换结果MOV B,#03H ;将转换的值除以3再累加，存入40H中DIV AB;ADD A,40H;/MOV 40H,AMOV A,B ;将除以3后的余数累加放入41H中ADD A,41H MOV 41H,Adec 24h ;3次