本文主要介绍基于现场可编程门阵列（FPGA）及 EDA 方法学的永磁无刷直流电机控制系统的电子电路设计。FPGA 是一种高密度可编程逻辑器件，其逻辑功能的实现是通过把设计生成的数据文件配置进芯片内部的静态配置数据存储器来完成的，具有可重复编程性，可以灵活实现各种逻辑功能。

与 ASIC 不同的是，FPGA 本身只是标准的单元阵列，没有一般 IC 所具有的功能，但用户可以根据需要，通过专门的布局布线工具对其内部进行重新编程，在最短的时间内设计出自己专用的集成电路，从而大大提高了产品的竞争力。由于它以纯硬件的方式进行并行处理，而且不占用 CPU 资源，所以可以使系统达到很高的性能。这种新的设计方法可以把 A/D 接口、驱动器接口、通信接口集成在一块芯片上，同时在算法上完成位置、速度甚至电流算法，从而实现真正的片上可编程系统（SoPC），这将成为下一代高性能伺服控制器集成化设计的一个趋势。

下面针对永磁无刷直流电机模块化设计的思想，介绍基于 FPGA 的控制系统的电子电路设计方法，其控制系统结构如图 1 所示。

图 1　控制系统结构

电路由电源模块、电压转换模块、FPGA 模块、驱动电路模块、斩波电流／电压检测模块、绕组电流检测模块、A/D 模块、通信模块和外扩存储器模块等部分组成。

永磁无刷直流电机电枢电流检测信号调理电路和 DC/DC BUCK 变换器输出电压检测信号调理电路如图 3 所示，其中斩波器电感电流检测电路如图 2 所示。

图 2　斩波器电感电流检测电路

图 3　功率电路

首先由 FPGA 产生 5 路 PWM 波，其中 3 路用于永磁无刷直流电机换相，1 路用于斩波，另 1 路用于再生能耗调节制动电流。三相换相 PWM 经驱动电路控制电机的换相，这 3 路 PWM 只用于换相、不进行调制，由斩波环节进行调制。电机绕组电流经调理（放大、滤波）后通过 A/D（ADS7864）转换进入 FPGA（XC3S200），经 PID 调节器控制电流环；同样，斩波电压电流经滤波通过 A/D 转换也进入 FPGA。

FPGA 的最小系统以 XCF02S 为 FPGA XC3S200 的配置芯片，TPS767D325 是电源芯片，将 +5 V 电源电压转换为 +2.5 V 和 +3.3 V 供给 FPGA，电源芯片 LM317 将 +5 V 电源电压转换为 +1.2 V 供给 FPGA；FPGA 的时钟选为 50 MHz，晶体振荡器为 50 MHz 有源晶振，输出的时钟信号电压高电平为 +3.3 V。