基于FPGA的無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李國旭，毛紅艷，孟祥斌，趙海波

（1.沈陽工程學(xué)院 遼寧 沈陽 110136；2.遼陽供電公司 遼寧 遼陽 111000）

無刷直流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、效率高、無級調(diào)速、調(diào)速范圍廣、過載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用，特別是在高性能的伺服驅(qū)動領(lǐng)域，在這些領(lǐng)域要求控制器體積小，還要求對多臺電機(jī)并行控制，單芯片大容量現(xiàn)場可編程門陣列（FPGA）能夠?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)芯片上實(shí)現(xiàn)多臺電機(jī)的復(fù)雜控制功能，大大減小了控制系統(tǒng)的體積[1]。

本文提出了一種無刷直流電動機(jī)速度控制器的方案，利用現(xiàn)場可編程門陣列FPGA芯片對電機(jī)控制器的進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)了利用此控制器對無刷直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制的PWM方法。采用VHDL硬件描述語言實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子位置檢測電路、驅(qū)動電路和電流檢測電路，整個(gè)控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快、超調(diào)小、穩(wěn)態(tài)誤差小、可靠性高、靈活性強(qiáng)。

1 無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的方案論證

所謂無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，其主要在于PWM調(diào)速方法的設(shè)計(jì)，目的是改變脈沖的占空比。其核心在于智能控制，需要選擇一個(gè)智能的控制器，而且系統(tǒng)需要的是簡單高效，對于開關(guān)控制以及信號處理的速度要求并不高，因此采用ALTERA公司的現(xiàn)場可編程門陣列CycloneIIIFPGA芯片。

1.2 無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以FPGA為中心，配有電流檢測模塊、位置檢測模塊、驅(qū)動模塊、PWM調(diào)節(jié)等模塊，利用霍爾傳感器來檢測電機(jī)電流和電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，把采集的信號送給FPGA進(jìn)行處理從而按照人為設(shè)定的電機(jī)初始速度來發(fā)出相應(yīng)的加、減速和電機(jī)正、反轉(zhuǎn)命令并執(zhí)行。

圖1 無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)總體框架Fig.1 Brushless DCmotor speed control system framework

從系統(tǒng)總體框架圖中可以看出，系統(tǒng)主要由驅(qū)動模塊、電流檢測模塊、位置檢測模塊以及PWM調(diào)節(jié)模塊。

無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是這樣工作的：當(dāng)打開電機(jī)驅(qū)動開關(guān)時(shí)，電機(jī)開始轉(zhuǎn)動，此時(shí)位置檢測和電流檢測電路開始工作以檢測電機(jī)速度，并將信號傳送給FPGA進(jìn)行處理，如果電機(jī)速度大于所需要的電機(jī)轉(zhuǎn)速，此時(shí)控制電機(jī)減速，反之則控制電機(jī)加速。在此期間，可以通過按動按鍵來控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

2 無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的電流檢測電路

采用基于霍爾效應(yīng)的線性電流傳感器ACS712芯片進(jìn)行電流檢測，該器件內(nèi)置有精確的低偏置的線性霍爾傳感器電路，能輸出與檢測的交流或直流電流成比例的電壓。可以精確的檢測電機(jī)電流，但由于霍爾元件檢測的信號非常小，所以要將采集的信號進(jìn)行放大后送給FPGA，選用芯片LM321進(jìn)行信號放大，具體電路如圖2所示。

圖2 直流無刷驅(qū)動器Fig.2 Brushless DC drive

圖3 電流檢測放大原理電路Fig.3 Current detection and amplification circuit principle

2.2 無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的位置檢測電路

位置信號檢測可以用于電機(jī)的換相，還能用來計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速，在無刷直流電機(jī)控制中起著十分重要的作用[4]。本設(shè)計(jì)是采用三個(gè)霍爾位置傳感器來實(shí)現(xiàn)位置檢測的，每個(gè)霍爾位置傳感器輸出脈寬180°互差120°相位的霍爾位置信號，三個(gè)霍爾位置傳感器輸出三路位置信號，電機(jī)每旋轉(zhuǎn)360°電角度會出現(xiàn)六個(gè)上升沿和下降沿，正好把三路位置信號在一個(gè)周期分成6個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間對應(yīng)一個(gè)換相區(qū)間，而每個(gè)上升沿或下降沿都對應(yīng)一個(gè)換相時(shí)刻，如圖4所示。

圖4 霍爾元件120°安裝方式圖Fig.4 Holzer element 120 degrees and mounted

2.3 換相電路設(shè)計(jì)

圖5 霍爾元件式位置傳感器輸出信號Fig.5 Holzer element type position sensor output signal

根據(jù)無刷直流電機(jī)模塊中輸出的三相霍爾位置信號，以及無刷直流電機(jī)速度控制模塊輸出的PWM信號，邏輯換相模塊輸出6個(gè)電機(jī)換相及速度控制脈沖。輸入4個(gè)信號，分別是三相霍爾位置信號 （HA、HB、HC）和由控制模塊輸出PWM信號。6個(gè)輸出信號VT1～VT6控制三相逆變器功率管的通斷，其中VT1、VT3、VT5用于控制上側(cè)功率管的通斷，VT2、VT4、VT6用于控制下側(cè)功率管的通斷。三相逆變橋采用上管調(diào)制的方式，邏輯關(guān)系構(gòu)造邏輯換相模型如圖5。

圖6 換相電路Fig.6 Commutation circuit

表1 正轉(zhuǎn)邏輯表Tab.1 Forward logic

表2 反轉(zhuǎn)邏輯表Tab.2 Reverse logic table

2.4 無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的驅(qū)動電路

采用的是6個(gè)MOSFET搭建而成的三相橋式逆變器，MOSFET是開關(guān)速度快的理想電壓控制器件，其驅(qū)動電路較為簡單，特別適合于各類中小功率開關(guān)電路。同時(shí)采用IR2132專用集成驅(qū)動芯片，它是專為功率MOSFET驅(qū)動而設(shè)計(jì)的，方便于控制電路連接，其驅(qū)動信號延時(shí)為納秒級，開關(guān)頻率高，體積小，外圍走線簡單，適合中小型電機(jī)驅(qū)動電路的應(yīng)用。6個(gè)MOSFET根據(jù)所接收到的信號從而改變管子的通斷來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動。

圖7 驅(qū)動電路Fig.7 Drive circuit

3 無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 無刷直流電機(jī)PWM調(diào)速軟件設(shè)計(jì)

PWM調(diào)速產(chǎn)生電路是由加減計(jì)數(shù)器、5位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、數(shù)字比較器三部分組成。加減計(jì)數(shù)器做細(xì)分計(jì)數(shù)器，確定脈沖寬度。當(dāng)U_D=1時(shí)，輸入CLK1，使設(shè)定值計(jì)數(shù)器的輸出值增加，PWM的占空比增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速加快；當(dāng)U_D=0，輸入CLK1，使設(shè)定值計(jì)數(shù)器的輸出值減小，PWM的占空比減小，電機(jī)轉(zhuǎn)速變慢。5位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器在CLK0的作用下輸出周期性線性增加的鋸齒波。當(dāng)計(jì)數(shù)值小于設(shè)定值時(shí)，數(shù)字比較器輸出高電平，當(dāng)計(jì)數(shù)值大于設(shè)定值時(shí)，數(shù)字比較器輸出低電平，從而產(chǎn)生周期性的PWM波形。設(shè)定Z_F為電機(jī)的方向按鍵，選擇PWM波形的進(jìn)入方向，當(dāng)其為1時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，否則反轉(zhuǎn)。設(shè)定START進(jìn)行電機(jī)的控制時(shí)，START為1電機(jī)開始工作，為0電機(jī)停止工作。通過按鍵EN1的閉合與斷開可以改變初始值，從而改變直流電機(jī)的PWM占空比，改變直流電機(jī)速度。

3.2 PWM調(diào)速仿真

如波形仿真圖7可知，當(dāng)電機(jī)的速度小于設(shè)定值時(shí)，計(jì)數(shù)器數(shù)字比較器輸出高電平，從而使計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)增加，PWM輸出為高電平，改變占空比，使電機(jī)加速；當(dāng)電機(jī)的速度大于設(shè)定值時(shí)，計(jì)數(shù)器數(shù)字比較器輸出低電平，從而使計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)減小，PWM輸出為低電平，改變占空比，使電機(jī)減速；Z_F是電機(jī)的方向按鍵，Z_F為1時(shí)電機(jī)正轉(zhuǎn)，Z輸出為1；Z_F為0時(shí)電機(jī)反轉(zhuǎn)，F(xiàn)輸出為1；START為電機(jī)控制端，START為1電機(jī)工作，為0電機(jī)停止，Z、F均為0。

圖8 PWM波形仿真Fig.8 The PWM waveform simulation

在時(shí)鐘脈沖的作用下，計(jì)數(shù)器CNTA和CNTB都能按照事設(shè)定數(shù)值進(jìn)行計(jì)數(shù)。CNTA是可控的加減計(jì)數(shù)器，U_D控制其計(jì)數(shù)的方向，EN1用于設(shè)定其初值，當(dāng)EN1由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，就完成了設(shè)定值。CNTB是5位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器，在時(shí)鐘脈沖CLK0的作用下一直加數(shù)，當(dāng)它加到32時(shí)就自動返回到0再重新加數(shù)。兩路計(jì)數(shù)器同時(shí)加到數(shù)字比較器COMPARE上，當(dāng)CNTB的值小于設(shè)定值時(shí)，數(shù)字比較器輸出高電平，當(dāng)CNTB的值大于設(shè)定值時(shí)，數(shù)字比較器輸出低電平。改變設(shè)定值的大小就可以改變PWM波形的大小，也就是完成了電機(jī)的調(diào)速。Z_F是電機(jī)的方向控制按鍵，選擇PWM波形的進(jìn)入方向，當(dāng)其為1時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，為0電機(jī)反轉(zhuǎn)。至于電機(jī)的控制，是在它的輸入端加上兩個(gè)與門來控制電機(jī)的啟動與停止。當(dāng)按下鍵Z_F鍵，電機(jī)正轉(zhuǎn)，松開鍵時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng)按下鍵START時(shí)，電機(jī)開始工作，松開時(shí)，電機(jī)停止工作。通過按鍵EN1的閉合與斷開可以改變H[4.0]的值，從而改變直流電機(jī)的PWM占空比，這樣就可以改變直流電機(jī)速度。

圖9 PWM的RTL圖Fig.9 PWM RTL graph

4 結(jié) 論

通過在理論上對無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)、分析，以及軟件的編程，并對軟件和硬件進(jìn)行調(diào)試后，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)以FPGA為核心控制器的無刷直流電機(jī)的調(diào)速，這個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)檢測電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)子位置和自動調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速且可以實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。該系統(tǒng)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)鐘頻率可達(dá)到100 MHz以上，控制器可以使控制周期達(dá)縮短到40μs，并且具有良好的動態(tài)和靜態(tài)性能，整個(gè)系統(tǒng)具有控制簡單，操作方便的特點(diǎn)。

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