[发明专利]一种基于FPGA的微小飞轮高集成度高精度控制系统

摘要

一种基于FPGA的微小飞轮高集成度高精度控制系统主要由直流电源、数字控制器、三相桥集成驱动芯片、永磁无刷直流电动机、电流检测装置、位置检测装置组成。本发明以高可靠性、并行运行的FPGA芯片作为控制器，通过VHDL语言在FPGA上实现数字计算单元、PID控制、换相逻辑、PWM、RS232串口通信、转速测量以及电流的A/D采样触发等时序逻辑功能，与其他专用集成数字处理器相比具有编程灵活，程序可靠性高，实时性好的优点。本发明硬件电路高度集成化，将三相全桥逆变器及其驱动电路都集成到一片三相桥集成驱动芯片，实现了微小飞轮用无刷直流电机的高集成度高精度稳速控制。

主权项

基于FPGA的微小飞轮高集成度高精度控制系统，其特征在于包括：三相桥集成驱动芯片(1)、直流电源(2)、永磁无刷直流电动机(3)、位置检测装置(4)、电流检测装置(5)、数字控制器(6)；稳恒直流电源(2)提供给三相桥集成驱动芯片(1)一个恒定电压，保证三相桥集成驱动芯片(1)的供电正常；三相桥集成驱动芯片(1)接永磁无刷直流电动机(3)，用于永磁无刷直流电动机正常工作；位置检测装置(4)用于检测永磁无刷直流电动机(3)转子位置信号，将其送入数字控制器(6)；检测电阻R接在三相桥集成驱动芯片(3)与地之间，用于检测永磁无刷直流电动机(3)的绕组电流，测得的电流通过电流检测装置(5)得到电流的数字信号送到数字控制器(6)，用于作为电流环的PID运算的反馈量；数字控制器(6)包括转速测量，电流环运算，A/D采样控制，力矩补偿器，异步串口，换相逻辑六个并行的程序模块，数字控制器(6)采用速率补偿的力矩模式控制方法，转速测量模块利用位置检测装置(4)送来的转子位置信号计算得到速率值，可得速率的反馈值，异步串口模块负责上位机的力矩指令，力矩指令经过一个积分环节，再乘以1/J后则为速率的指令值，其中J为飞轮转子的惯性矩，力矩补偿器将速率指令值与位置检测装置(4)的速率反馈值比较并运算，得到所需的补偿力矩Tf1，Tf1与指令力矩相加，再乘以转换系数k则等效为电流环的电流给定值，电流环运算模块将电流给定值与电流检测装置(5)采得的电流反馈值比较，得到一个电流调节量，并与所设载波进行比较，当载波低于电流调节量时输出低电平，高于电流调节量时输出高电平，最终生成脉宽调制信号PWMT，换相逻辑模块根据换相表产生换相信号IN1、IN2、IN3、IN4、IN5、IN6，其中IN4、IN5、IN6与PWMT相与后得到EN1、EN2、EN3，将信号IN1、IN2、IN3、EN1、EN2、EN3用于控制三相桥集成驱动芯片(1)中的三相全桥换相，其中EN1、EN2、EN3还起到脉宽调制的作用，控制电机中绕组的电流的大小，实现对飞轮输出力矩的控制。