佛山華芯微特科技有限公司 陳炳成

基于FPGA的直流無刷電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

佛山華芯微特科技有限公司 陳炳成

傳統(tǒng)的直流無刷電機(jī)速度控制是通過MCU軟件編程實(shí)現(xiàn)，其響應(yīng)速度不快，占用資源較多，且難以快速實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法控制。本文提出一個(gè)基于FPGA的六步直流無刷電機(jī)速度控制的硬件實(shí)現(xiàn)方案，該方案利用硬件對(duì)直流無刷電機(jī)進(jìn)行控制，能夠快速靈活地實(shí)現(xiàn)直流無刷電機(jī)的啟停、加速、減速、正反轉(zhuǎn)、剎車、轉(zhuǎn)速檢測等動(dòng)作，同時(shí)編寫的直流無刷電機(jī)控制器IP核能夠進(jìn)行移植和復(fù)用，作為SOC芯片的功能模塊。直流無刷電機(jī)控制器采用Verilog HDL語言進(jìn)行編寫，IP核在Modelsim 6．5g上通過功能仿真，并且在XUPV5-LX110T FPGA開發(fā)板上通過硬件測試，實(shí)現(xiàn)結(jié)果表明方案的可行性。

FPGA；直流無刷電機(jī)控制；六步；Verilog

1 引言

隨著當(dāng)前能源的日益短缺，節(jié)能減排已成為我國的一個(gè)基本國策，降低生活和工業(yè)能耗也成為所有人共同努力的目標(biāo)。直流無刷電機(jī)因其扭矩轉(zhuǎn)速特性好、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、高效能等優(yōu)點(diǎn)，逐漸被社會(huì)大眾所接受，并廣泛應(yīng)用于日常生活用具、白色家電、汽車工業(yè)、航空、消費(fèi)電子、醫(yī)學(xué)電子、工業(yè)自動(dòng)化裝置和儀表等領(lǐng)域。

2 六步BLDCM控制器設(shè)計(jì)

2.1 BLDCM控制器概述

設(shè)計(jì)的有霍爾六步BLDCM控制器包括三部分：光電編碼器信號(hào)處理模塊AB4F、PWM脈寬調(diào)制模塊PWM_CTRL以及直流無刷電機(jī)換相控制模塊BLDCM_CTRL。工作原理為：電機(jī)光電編碼器的輸出信號(hào)A、B和Z經(jīng)過光電編碼器信號(hào)處理模塊的處理，得到電機(jī)的轉(zhuǎn)向信號(hào)DIR、AB的四倍頻脈沖以及電機(jī)的轉(zhuǎn)速；電機(jī)霍爾傳感器的輸出信號(hào)U、V、W以及得到的電機(jī)轉(zhuǎn)向值DIR輸入到電機(jī)換相控制模塊，得到電機(jī)的換相序列；電機(jī)的換相序列和PWM脈寬調(diào)制模塊輸出的與速度相關(guān)的脈沖信號(hào)進(jìn)行結(jié)合處理，最終輸出控制3相功率開關(guān)的6個(gè)PWM控制信號(hào)。

2.2 光電編碼器信號(hào)處理模塊原理

模塊對(duì)光電編碼器兩相輸出A、B信號(hào)進(jìn)行4倍頻及電機(jī)轉(zhuǎn)向提取，并計(jì)算倍頻脈沖值及電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速值。編碼器輸出為三相脈沖信號(hào)A、B和Z，其中A、B為相位相差90°的信號(hào)，A超前B表示電機(jī)正轉(zhuǎn)，A滯后B表示電機(jī)反轉(zhuǎn)，根據(jù)A、B間的相位關(guān)系可以判斷電機(jī)轉(zhuǎn)向。為了保證光電編碼器的測速精度，一般要求對(duì)AB信號(hào)進(jìn)行4倍頻處理。AB信號(hào)4倍頻的最簡單方法是對(duì)AB信號(hào)進(jìn)行取沿運(yùn)算，即在一個(gè)A、B信號(hào)周期內(nèi)捕捉4個(gè)沿（兩個(gè)上升沿兩個(gè)下降沿），如圖1所示，從而在一個(gè)AB信號(hào)周期內(nèi)產(chǎn)生4個(gè)脈沖，實(shí)現(xiàn)AB信號(hào)的4倍頻。

圖1 AB信號(hào)及取沿運(yùn)算

2.3 PWM脈寬調(diào)制模塊原理

直流無刷電機(jī)的調(diào)速需要脈寬調(diào)制電路來實(shí)現(xiàn)。由換相控制邏輯電路輸出的換相信號(hào)的頻率與電機(jī)的轉(zhuǎn)速有關(guān)，還與電機(jī)的磙鋼極對(duì)數(shù)有關(guān)，無論何種情況下，換相控制信號(hào)的頻率都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于PWM信號(hào)的頻率。因此，可以把PWM信號(hào)和換相控制信號(hào)通過邏輯“與”的辦法合成在一起，通過調(diào)節(jié)PWM信號(hào)的占空比，來調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的定子電樞電壓，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。圖2為PWM調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生原理圖，其中T為PWM周期，H為三角波的最大值。通過設(shè)置H1值，即可輸出與H1相關(guān)的脈沖OUT1。

圖2 PWM調(diào)制示意圖

2.4 BLDCM換相控制模塊原理

換相控制模塊是控制器的核心模塊。直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)是根據(jù)霍爾位置傳感器采集輸出的U、V和W三相轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，導(dǎo)通三相全橋逆變電路相應(yīng)功率晶體管，使電流依次流經(jīng)電機(jī)線圈繞組產(chǎn)生順時(shí)針（逆時(shí)針）旋轉(zhuǎn)磁場，并與轉(zhuǎn)子磁鐵發(fā)生電磁效應(yīng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)/反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)，導(dǎo)通信號(hào)是由換相控制模塊處理輸出。圖3為霍爾位置傳感器輸出的三相位置信號(hào)U、U和W。U、V和W編碼可產(chǎn)生8種輸出狀態(tài)組合，加上正反向各一組，一共有16種輸出狀態(tài)組合。由于霍爾位置傳感器一個(gè)周期（360°）輸出6個(gè)代碼組合（分別為101、100、110、010、011、001），因此有4組代碼（包括1000，0000，1111，0111）為無效代碼，輸出均為111000，上下臂功率晶體管沒有串聯(lián)導(dǎo)通。其余情況均有一組管串聯(lián)導(dǎo)通。

圖3 霍爾位置傳感器輸出的三相位置信號(hào)U、V、W

3 六步BLDCM控制器實(shí)現(xiàn)

3.1 光電編碼器信號(hào)處理模塊實(shí)現(xiàn)

光電編碼器信號(hào)處理模塊具體實(shí)現(xiàn)：在時(shí)鐘的上升沿對(duì)AB信號(hào)狀態(tài)進(jìn)行檢測，實(shí)現(xiàn)AB信號(hào)4倍頻及轉(zhuǎn)向信號(hào)提取。假設(shè)AB信號(hào)在當(dāng)前時(shí)鐘上升沿到來前狀態(tài)為prestate，當(dāng)前狀態(tài)為state，則由AB信號(hào)組成的8種狀態(tài)轉(zhuǎn)換（prestate-＞state），包括00-＞10、10-＞11、11-＞01、01-＞00、00-＞01、01-＞11、11-＞10及10-＞00，可以判斷當(dāng)前電機(jī)的轉(zhuǎn)向，并在每個(gè)狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)刻（即A、B信號(hào)的每個(gè)沿）產(chǎn)生cp四倍頻脈沖。

圖4 光電編碼器信號(hào)處理模塊仿真波形

圖5 BLDCM換相驅(qū)動(dòng)輸出功能仿真波形

3.2 PWM脈寬調(diào)制模塊實(shí)現(xiàn)

PWM調(diào)制采用加減計(jì)數(shù)比較法實(shí)現(xiàn)。加減循環(huán)計(jì)數(shù)器從零開始加1計(jì)數(shù)直到最大值H，然后再減1計(jì)數(shù)直到零，循環(huán)產(chǎn)生周期為T的三角波。設(shè)定一個(gè)數(shù)值H1，與循環(huán)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值比較。當(dāng)循環(huán)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值大于H1時(shí)輸出低電平，計(jì)數(shù)值小于H1時(shí)輸出高電平，反復(fù)循環(huán)，模塊輸出與H1相關(guān)的PWM調(diào)制信號(hào)。

3.3 BLDCM換相控制模塊實(shí)現(xiàn)

三相轉(zhuǎn)子位置信號(hào)U、V和W編碼可產(chǎn)生8種輸出狀態(tài)組合，加上正反向各一組，一共有16種輸出狀態(tài)組合，組合可通過設(shè)計(jì)組合譯碼器實(shí)現(xiàn)。

4 六步BLDCM控制器驗(yàn)證

六步BLDCM控制器IP核在Modelsim 6.5g上通過功能仿真，以下為功能仿真波形圖。

4.1 光電編碼器信號(hào)處理模塊功能仿真

圖4為光電編碼器信號(hào)處理模塊仿真波形。

4.2 BLDCM換相控制模塊功能仿真

圖5為BLDCM換相驅(qū)動(dòng)輸出功能仿真波形。

5 結(jié)語

目前六步BLDCM控制器IP核已經(jīng)在XUPV5-LX110T FPGA開發(fā)板上通過硬件測試，并且將作為功能模塊應(yīng)用于SOC芯片設(shè)計(jì)。實(shí)踐證明，基于FPGA的BLDCM控制器能夠克服MCU軟件編程響應(yīng)速度不快，占用資源較多，且難以快速實(shí)現(xiàn)復(fù)雜算法控制的缺點(diǎn)，可應(yīng)用性強(qiáng)。

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陳炳成（1983—），碩士，現(xiàn)供職于佛山華芯微特科技有限公司，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)新技術(shù)及SOC芯片設(shè)計(jì)技術(shù)。