基于FPGA的無刷直流電機控制器設計

林聰+徐今強

摘 要： 針對現有直流無刷電機控制器設計方案的不足，提出一種基于FPGA平臺的無刷直流電機控制器設計方案，采用FPGA設計電機轉速、電流雙閉環控制系統，系統硬件包括以FPGA為核心的控制電路和以電機為對象的驅動電路，系統軟件采用Verilog HDL生成速度和電流采樣模塊、電機驅動換相模塊、PWM生成模塊等，同時在VGA上顯示控制系統的運行狀態。控制器測試實驗結果表明，設計的控制器能使電機在啟動后1 s內達到轉速給定值，1 s后保持在穩態值的±2%內，表明該控制系統具有較高的控制精度和較好的穩定性。

關鍵詞： FPGA； 無刷直流電機 ；雙閉環控制系統； VGA

中圖分類號： TN876?34； TP33 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）19?0150?03

Design of brushless DC motor controller based on FPGA

LIN Cong， XU Jinqiang

（College of Information， Guangdong Ocean University， Zhanjiang 524088， China）

Abstract： An FPGA platform based design scheme of brushless DC motor controller is introduced to solve the drawbacks of the available design schemes. The FPGA is used to design the double closed?loop control system of motor′s speed and current. The hardware of the system includes the control circuit taking FPGA as its core and drive circuit taking motor as its object. The Verilog HDL is adopted in system software to generate the speed and current sampling modules， motor drive commutation module， PWM generation module and so on. The running state of the control system is displayed on VGA. The experimental result of the controller shows that the controller can make the rotate speed reach the set value within 1 second after motor starting and maintain within ±2% of the steady?state value， which means that the control system has high control precision and good stability.

Keywords： FPGA； brushless DC motor； double closed?loop control system； VGA

無刷直流電機具有效率高、調速性能好和結構簡單的優點，被廣泛應用于電力驅動領域。但由于采用電子換向儀器代替傳統機械電刷，給控制器的設計帶來很多困難，換向過程的電流波動容易干擾控制芯片，導致系統不穩定，隨著控制策略的復雜程度提高，系統閉環控制周期變長也會導致控制系統的實時性降低[1?4]。為了有效解決上述問題，提高無刷直流電機控制系統的控制精度和魯棒性，以及為研究電機控制算法提供良好的測試平臺，避免程序跑飛的可能性，本文采用FPGA平臺設計了無刷直流電機控制器，控制系統以FPGA為核心，采用硬件描述語言的方式控制無刷電機，硬件電路上則采用電氣隔離以提高控制系統的穩定性和抗干擾能力。

1 控制器硬件電路設計

無刷直流電機控制器的硬件電路如圖1所示，主要由控制電路和電機驅動電路組成。控制電路處理轉速給定信號、各傳感器輸出信號，再由相應的控制方法來實現無刷直流電機的轉速控制，如電機的正反轉、轉速的增減以及啟動/停止等。電機驅動電路對控制電路的輸出信號進行放大并隔離，實現由弱電控制強電[5]。

2 系統軟件設計

2.1 系統軟件設計流程圖

對于設計的無刷直流電機轉速?電流雙閉環控制系統，控制電路要完成如下功能：

（1） 采集電機運行狀態，如當前電機轉速、電流及霍爾信號等，實現換相控制、PWM調制；

（2） 人機交互，實現電機啟動、停止、反轉以及給定速度、PI等參數設置，方便用戶控制和了解控制系統的運行狀態。

軟件設計采用模塊化的編程思想，將控制器系統總任務分為速度采樣、電流采樣、電機驅動換相控制、PWM調制、人機交互及數字PI調節器等幾個功能模塊，各個模塊都通過硬件描述語言Verilog HDL實現。系統主程序流程如圖2所示，系統初始化主要包括時鐘初始化、LCD和VGA初始化設置、A/D初始化、PI和轉速參數設置等[6?7]。

2.2 參數設置模塊

參數設置模塊中的所有端口接收來自按鍵防抖模塊的電平信號，根據電平信號的上升沿以及相應的組合修改電流、轉速PI參數的值，并將普通按鍵輸入的加減方向和暫停信號變成自鎖開關輸入。

2.3 堵轉保護和過電流保護模塊

在電機啟動瞬間，以40 ns為采樣間隔檢測由hall端口輸入的霍爾信號，若兩次采樣得到的霍爾信號不同，則內部的計數器加1，通過設定計數器溢出值設定觸發報警的時間，本設計設定的時間為3 s。而電機母線電流經過A/D實時轉換后與設定的電流最大值進行判斷，若當前時刻電機母線電流大于設定的限幅值，則在延遲時間2 ms內報警，從而達到過電流保護的目的[8]。

2.4 速度檢測、PI運算模塊

速度檢測、PI運算模塊的輸入信號為光電編碼器的脈沖信號，光電編碼器轉一圈產生1 024個脈沖，若想精確度達到每分鐘一圈，則設采樣時間為[601 024=]0.058 593 75 s，在此時間內接收到的光電編碼器的脈沖即為相應每分鐘的轉速[9]。采樣時間由一個定時器控制，并在時序上設計對[ki]（轉速環積分參數）、[kp]（轉速環比例參數）、[cp]（電流環比例參數）、[ci]（電流環積分參數）和ad_in（電流采樣A/D轉換值）、rond（實時轉速）以及speedin（設定轉速）這幾個參與PI運算的數值的讀取設定在PI運算之前。經過運算之后，從action端口輸出調節PWM占空比寄存器的增/減量值。轉速環輸出上限值即為電流環的最大輸入值，由此可保證電流超過轉速環的輸出上限值時，可進行自動調節并維持在一定區間內。

2.5 PWM生成及合成斬波模塊

占空比加減模塊如圖3所示，從erond端口輸入帶符號位的14位數值，通過其第一位符號位判斷對模塊內占空比寄存器和其后13位進行加法或者減法運算，并設置最大和最小差來限制占空比的最大值（96.3%）和最小值（23%）。為了便于電機的啟動，占空比寄存器的初始值為1 000，即33%的占空比。

PWM生成模塊如圖4所示，由占空比模塊得到的值從cont端口輸入，與其內部隨著系統時鐘增加的計數器比較，若計數器值大于cont端口的輸入值，則輸出低電平；若小于cont端口的輸入值，則輸出高電平。其結構框圖如圖5所示。

2.6 VGA液晶顯示模塊

VGA液晶顯示模塊如圖6所示。系統上電后，在VGA液晶顯示器上顯示坐標軸，橫軸代表時間，單位為s，以0.1 s為最小刻度，顯示范圍為0～7 s；縱軸代表轉速，單位為r/min，以100 r/min為最小刻度，顯示范圍為0～5 000 r/min，紅色線條顯示由setrond端口輸入轉速的設定值，并以藍線顯示設定轉速的±2%和±5%位置。當stop端口輸入高電平時，液晶顯示器上將會顯示電機轉速隨時間變化的散點圖，時間間隔為0.1 s，同時chuan1和chuan2端口將會輸出相應的脈沖，控制串口模塊每隔0.1 s輸出電機當前的轉速值。若pause端口輸入高電平，則VGA液晶顯示器上顯示的散點圖會保持當前顯示界面并不再刷新，同時串口也不再輸出電機轉速[10]。

3 實驗測試與分析

實驗采用48 V/500 W無刷直流電機進行調試，電機的額定負載電流為15 A，額定空載電流為1 A，額定轉速為4 500，調速范圍在0～5 900 r/min，通過人機交互實時進行電機的啟/停、正/反轉和加減速等控制。經測試，當速度調節器參數[P=1.56，I=0.43，]電流調節器參數[P=1.37，][I=]0.87時，控制系統具有較好的魯棒性。圖7為電機空載工作時，不同調速階段下控制器的運行狀態。

由圖7（a）可以看出，電機從啟動到轉速上升至2 000 r/min階段，控制系統能在0.9 s內達到穩態，然后保持在穩態值的±2%范圍內，系統的超調量為7.3%，穩態誤差約為35。由圖7（b）可以看出，電機從2 000 r/min上升至5 000 r/min階段，控制系統能在0.8 s內達到穩態，并且系統無超調量，穩態誤差約為30；由圖7（c）可以得出，電機在1 s內轉速從5 000 r/min快速下降至2 000 r/min，在1.5 s后保持在穩態值的±2%范圍。由此可知，系統運行穩定，能夠快速達到穩態，并能精確控制電機的轉速。

4 結 語

本文采用FPGA實現無刷直流電機雙閉環PI調速控制，采用硬件描述語言Verilog HDL實現PWM、速度采樣、電機換相等模塊以及采用VGA顯示系統的運行狀態，實現了無刷直流電機控制器軟件和硬件的設計與制作，實驗結果表明控制器具有較高的控制精度和較好的穩定性。

參考文獻

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