摘 要:采用純硬件方式設(shè)計了無刷直流電機(jī)驅(qū)動控制器，詳細(xì)介紹控制器各模塊的設(shè)計，包括速度PI和電流PI調(diào)節(jié)器、電流檢測模塊、位置與速度檢測模塊、PWM發(fā)生器和換相控制模塊，使系統(tǒng)控制電路都集成在一片F(xiàn)PGA上，提高了系統(tǒng)的集成度、穩(wěn)定性和可靠性，也使得系統(tǒng)容易修改升級。軟件仿真和實驗結(jié)果均表明，該控制器的設(shè)計合理，運行穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞:現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA); 無刷直流電機(jī); PI; PWM; Verilog HDL

中圖分類號:TP23 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1004-373X(2010)11-0117-04

SOPC Technology of Brushless DC Motor Drive Controller

QI Hui， LEI Yang-jie

(Beijing University of Technology， Beijing 100124，China)

Abstract: A brushless DC motor drive controller was designed by pure hardware approach.The design of each module of the controller is introduced，including the speed PI and current PI regulator，current detection module，position and speed detection module，PWM generator and commutation control module.The system control circuit is integrated on only one FPGA，the integration，stability and reliability of the system are improved，and the system is easy to be modified and upgraded.The simulation and experimental results indicate that the design of the system is reasonable， and the operation is stable.

Keywords: filed programmable gate array(FPGA); brushless DC motor; PI; PWM; Verilog HDL

無刷直流電機(jī)具有無電刷和換相火花，體積小，低噪聲等諸多優(yōu)點[1]，廣泛應(yīng)用在當(dāng)今的控制系統(tǒng)中。目前對無刷直流電機(jī)的控制主要由單片機(jī)和DSP實現(xiàn)[2]。但是其外圍電路復(fù)雜，對系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性有較大的影響。近年來，基于可編程門陣列(FPGA)的硬件設(shè)計技術(shù)已經(jīng)成為一種全新的設(shè)計思想。與專用集成電路(ASIC)不同的是，F(xiàn)PGA本身只是標(biāo)準(zhǔn)的單元陣列，沒有一般集成電路所具有的功能，但用戶可以根據(jù)需要，通過專門的布局布線工具對其內(nèi)部進(jìn)行重新編程，在最短的時間內(nèi)設(shè)計出自己專用的集成電路，從而提高產(chǎn)品的競爭力。由于它以純硬件的方式進(jìn)行并行處理，而且不占用CPU的資源，所以可以使系統(tǒng)達(dá)到很高的性能。本文用純硬件的方式設(shè)計實現(xiàn)了無刷直流電機(jī)驅(qū)動控制器，包括PI調(diào)節(jié)算法，外圍電路簡單，實時控制速度快，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

1 無刷直流電機(jī)的工作原理

無刷直流電機(jī)主要由電動機(jī)本體、位置傳感器和電子開關(guān)線路三部分組成。其基本工作原理就是借助反映轉(zhuǎn)子位置的位置信號，通過驅(qū)動電路，驅(qū)動逆變電路的功率開關(guān)元件，使電樞繞組依一定順序通電，從而在氣隙中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，拖動永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。

三相四極星型連結(jié)的無刷直流電機(jī)采用兩兩導(dǎo)通方式，位置傳感器在無刷直流電機(jī)中起著測定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息[3]。無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號由3只在相位上差120°的霍爾傳感器(Sa，Sb，Sc)檢測，霍爾傳感器一個周期內(nèi)的開關(guān)信號有6個狀態(tài)，如圖1所示。無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)工作原理如圖2所示，其中VF為逆變器，根據(jù)霍爾信號，F(xiàn)PGA控制器產(chǎn)生PWM信號，經(jīng)過驅(qū)動電路放大送至逆變器各功率開關(guān)管(Th1~Th6)，從而控制電機(jī)各相繞組按照一定順序工作，實現(xiàn)無刷直流電機(jī)正常運轉(zhuǎn)。

2 控制器的整體設(shè)計

隨著現(xiàn)代技術(shù)的進(jìn)步，電機(jī)驅(qū)動對控制器在快速性、實時性和準(zhǔn)確性方面提出了更高的要求，使得高性能的FPGA在控制器開發(fā)領(lǐng)域有了廣闊的應(yīng)用前景。系統(tǒng)使用FPGA XC3S1500完成無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制策略調(diào)節(jié)速度[4-5]。圖3為無刷直流電機(jī)驅(qū)動控制器硬件邏輯設(shè)計結(jié)構(gòu)圖，其中各模塊均采用硬件邏輯設(shè)計完成，模塊之間使用串行連接，霍爾信號Sa，Sb，Sc經(jīng)過換相控制模塊輸出6路開關(guān)管信號，同時經(jīng)過位置與速度檢測模塊計算得到速度反饋轉(zhuǎn)速n并與速度給定Speed_Ref一起經(jīng)過速度調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)得到電流環(huán)給定USpeed_Ref，控制A/D轉(zhuǎn)換輸出A相和B相電流經(jīng)過電流檢測模塊輸出母線電流Idc并與速度調(diào)節(jié)器輸出值USpeed_Ref一起經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器輸出占空比信號Comp用以調(diào)節(jié)PWM波的寬度，達(dá)到調(diào)速的目的。以數(shù)字電路的方式實現(xiàn)無刷直流電機(jī)的控制，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了很大的提高。

圖1 霍爾信號對應(yīng)電機(jī)控制邏輯圖

圖2 無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)工作原理圖

圖3 無刷直流電機(jī)驅(qū)動控制器硬件邏輯設(shè)計結(jié)構(gòu)圖

3 控制器模塊設(shè)計

3.1 高精度PWM發(fā)生器

采用自然采樣法產(chǎn)生PWM波形，其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示，因為自然采樣法最能真實反映PWM的控制思想，效果最好[6]。該發(fā)生器采用現(xiàn)場可編程門陣列實現(xiàn)，具有接口簡單、響應(yīng)速度快、可現(xiàn)場編程等優(yōu)點，能夠應(yīng)用于全數(shù)字化控制[7-8]。載波發(fā)生器采用了鋸齒波作為PWM載波，從電路的角度來講設(shè)計鋸齒波發(fā)生器會比設(shè)計三角波發(fā)生器使用更少的組合邏輯資源，有利于時序約束到較高的頻率;比較模塊不同于普通的純組合邏輯比較器，通過例化FPGA的底層子元件，在該比較器內(nèi)部插入了一級D觸發(fā)器，大大減少了由于數(shù)據(jù)位寬增加而增加組合邏輯延遲;PWM波周期設(shè)定模塊和分頻模塊能夠根據(jù)需要共同改變PWM的頻率，且分頻模塊能夠解決高位寬下過長的進(jìn)位鏈帶來的延遲問題。

圖4 PWM發(fā)生器硬件邏輯結(jié)構(gòu)圖

3.2 換相控制模塊

換相控制模塊根據(jù)三相霍爾信號的狀態(tài)(見圖1)，以組合邏輯的形式輸出六路開關(guān)信號Th1~Th6(設(shè)計中開關(guān)管為低導(dǎo)通)，開關(guān)管Th1，Th3，Th5接收來自PWM波發(fā)生器輸出的PWM波，即系統(tǒng)采用半橋調(diào)制方式，其時序仿真波形如圖5所示，圖中1~6表示了一個霍爾信號周期內(nèi)開關(guān)管的6個狀態(tài)(與圖1對應(yīng))。

圖5 換相模塊時序仿真波形

3.3 速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器

速度環(huán)和電流環(huán)均采用增量式PI調(diào)節(jié)算法，用FPGA實現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器，即用數(shù)字電路來實現(xiàn)PI控制算法，應(yīng)用此硬件算法提高了控制器的可靠性和實時性，同時基本消除計算機(jī)給控制系統(tǒng)帶來的影響。PI算法的硬件邏輯結(jié)構(gòu)如圖6所示。

PI算法公式如下:

Δu(k)=KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)

u(k)=u(k-1)+Δu(k)

e(k)=r(k)-c(k)

式中:k為采樣序號，k=0，1，2，…;

u(k)為第k次采樣時刻的輸出值;

u(k-1)為第(k-1)次采樣時刻的輸出值;

e(k)為第k次采樣時刻輸入的偏差值;

r(k)為系統(tǒng)給定;

c(k)為系統(tǒng)反饋輸入;

KP為比列系數(shù);

KI為積分系數(shù)。

圖6 PI算法的硬件邏輯結(jié)構(gòu)圖

設(shè)計中的Clk為時鐘信號，Ref為給定信號，F(xiàn)db為反饋信號，PI_Result為PI調(diào)節(jié)器輸出，為了與AD反饋結(jié)果匹配，均采用13位有符號數(shù)表示，KP和KI為PI參數(shù)，模塊中的整體運算均采用先對數(shù)據(jù)符號進(jìn)行判斷，然后再進(jìn)行普通的計算，運算結(jié)果的符號由以前得出的數(shù)據(jù)符號確定。時序控制子模塊用來控制調(diào)節(jié)器中其他模塊的運算順序;求偏差模塊負(fù)責(zé)給定信號與反饋信號求差，將結(jié)果輸出給比例模塊和積分模塊;比例模塊實現(xiàn)比例系數(shù)與本次偏差和上次偏差之間差的乘積，積分模塊實現(xiàn)積分系數(shù)與本次偏差的乘積;求和模塊在上述模塊輸出有效時計算出輸出的偏差量，此偏差量和上次的輸出值求和得到本次調(diào)節(jié)的結(jié)果并輸出。PI調(diào)節(jié)算法被例化于速度調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器中。輸出結(jié)果限值也在模塊中設(shè)置，若輸出值大于等于系統(tǒng)的限幅值，則調(diào)節(jié)器以限幅值作為本次的輸出值。

3.4 電流檢測模塊

電流反饋檢測模塊包括電流采樣、濾波模塊和多路選擇器，硬件邏輯結(jié)構(gòu)圖如圖7所示。電流采樣采用ADI公司的AD7862AR-2，AD7862是高速的12位并行AD芯片，最高采樣頻率為250 KSPS，內(nèi)部參考電壓為+2.5 V，工作電壓為+5 V，有A和B兩個通道，每個通道又有兩個輸入端(VA1，VA2與VB1，VB2)，兩個輸入端可以同時進(jìn)行轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)使用A通道的兩個輸入端分別對A相和B相電流進(jìn)行采樣。AD控制器輸出信號Ia_Fin和Ib_Fin分別為A相和B相電流，經(jīng)過濾波電路輸出給多路選擇器，多路選擇器根據(jù)開關(guān)管狀態(tài)判斷此刻的母線電流是A相電流還是B相電流以及電流的正負(fù)關(guān)系，從而能夠準(zhǔn)確采樣瞬時電流，提高控制精度。

圖7 電流檢測模塊硬件邏輯結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)AD7862采樣時序圖，AD控制器控制AD芯片工作，可以通過AD控制器調(diào)節(jié)AD的采樣頻率，最大到250 KSPS，本模塊采樣頻率設(shè)置100 KSPS進(jìn)行驗證。其仿真波形符合AD7862的采樣時序圖，并通過了測試。圖8為AD控制器的時序仿真波形。

圖8 AD控制器的時序仿真波形

3.5 位置和速度檢測模塊

位置信號通過三個霍爾傳感器得到，每一個霍爾傳感器都會產(chǎn)生180°脈寬的輸出信號，如圖9所示。Sa，Sb，Sc分別表示三相霍爾信號，Clk為高頻時鐘脈沖。電機(jī)測速分為M法、T法和M/T法，T法測速適用于低速段，本設(shè)計采用T法測速[8]。通過對霍爾信號Sa的每個周期用一個計數(shù)器對主時鐘脈沖進(jìn)行計數(shù)，通過除法器計算轉(zhuǎn)速，計算公式如下:

Speed_out=60×f0/Z×Count_reg

式中:f0為系統(tǒng)時鐘;Count_reg為霍爾信號一個周期內(nèi)的脈沖計數(shù)值;Z為電機(jī)轉(zhuǎn)一圈輸出的霍爾信號個數(shù)，因為是五對極電機(jī)，所以Z=5。

圖9 三相霍爾信號輸出波形

圖10為位置與速度檢測硬件邏輯結(jié)構(gòu)圖，三相霍爾信號通過數(shù)字濾波模塊后，以霍爾信號Sa為條件的計數(shù)器啟動計數(shù)，作為16位除法器的分母輸入，經(jīng)過除法運算，在下一個霍爾信號Sa周期內(nèi)輸出速度計算結(jié)果Speed_out及模塊輸出有效信號OutValid_Speed。運算時間與除法器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。

4 實驗結(jié)果

采用額定功率PN=300 W，額定電壓UN=220 V，額定轉(zhuǎn)速nN=3 000 r/min，額定電流IN=1.6 A，額定轉(zhuǎn)矩TN=0.96 Nm的無刷直流電機(jī)進(jìn)行實驗，整個實驗系統(tǒng)還包括以FPGA為主的控制單元、功率電路和測功機(jī)負(fù)載實驗平臺，實驗中采用轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)方式。電機(jī)給定轉(zhuǎn)速1 000 r/min時，空載啟動響應(yīng)波形如圖11所示，調(diào)節(jié)時間為300 ms，穩(wěn)態(tài)性能良好;利用測功機(jī)對系統(tǒng)進(jìn)行加載測試，負(fù)載0.3 Nm時A相和B相電流波形如圖12所示，充分證明了該控制器的正確性，也說明電機(jī)運行穩(wěn)定。

圖10 位置與速度檢測硬件邏輯結(jié)構(gòu)圖

圖11 啟動轉(zhuǎn)速響應(yīng)波形

圖12 A相和B相電流波形

5 結(jié) 語

采用FPGA硬件可編程邏輯器件，以純硬件的方式實現(xiàn)無刷直流電機(jī)的控制，對無刷直流電機(jī)控制的結(jié)果表明，該電路能有效地對無刷直流電機(jī)進(jìn)行雙閉環(huán)控制。設(shè)計特點是控制電機(jī)的所有外圍電路包括PI調(diào)節(jié)算法均采用FPGA實現(xiàn)，真正實現(xiàn)電機(jī)的SOPC控制，系統(tǒng)實時性高、可靠性強(qiáng)。

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