吉林大學(xué) 李欣序 劉 豫 袁 培 紀(jì)永成

基于FPGA的無人機(jī)電調(diào)模塊的設(shè)計(jì)

吉林大學(xué) 李欣序 劉 豫 袁 培 紀(jì)永成

本設(shè)計(jì)分析了無刷直流電機(jī)的工作原理，依據(jù)工作原理，提出了一種全數(shù)字化的無人機(jī)無刷直流電機(jī)速度控制并驅(qū)動(dòng)的方案，并且利用京微雅閣公司的FPGA開發(fā)板完成了電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)、制作和調(diào)試。該方案綜合運(yùn)用了FPGA豐富的邏輯資源，針對(duì)電動(dòng)機(jī)信號(hào)檢測(cè)和控制的特點(diǎn)，采用verilog語言實(shí)現(xiàn)了PID控制器、PWM產(chǎn)生、速度檢測(cè)、換相控制的設(shè)計(jì)，整個(gè)系統(tǒng)響應(yīng)速度快、可靠性高、靈活性強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字控制。

FPGA；無刷直流電機(jī)；PID控制器；PWM模塊

1. 引言

無人機(jī)的電機(jī)是由電調(diào)驅(qū)動(dòng)的，也是無人機(jī)的重要部分。傳統(tǒng)的無人機(jī)電調(diào)主要是由單片機(jī)、ARM等實(shí)現(xiàn)的。采用基于FPGA設(shè)計(jì)無人機(jī)電調(diào)，充分利用了FPGA并行數(shù)據(jù)處理能力和同步設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，將大部分功能模塊都集成在FPGA芯片內(nèi)部，外圍電路僅僅包含了電平轉(zhuǎn)換和驅(qū)動(dòng)電路等簡單電路，避免了MCU等單指令周期芯片的時(shí)序特點(diǎn)，系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單，擴(kuò)展性更強(qiáng)。能夠滿足各種類型無人機(jī)的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程控制要求。

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖如圖1所示，是一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)，控制量是從FPGA開發(fā)板的鍵盤上輸入的，與無刷直流電機(jī)反饋回的速度值經(jīng)過PID算法的修正，輸入到PWM波產(chǎn)生模塊中，產(chǎn)生有特定占空比的PWM信號(hào)，與霍爾傳感器反饋回的三路霍爾信號(hào)共同輸入到換相控制模塊中，產(chǎn)生實(shí)時(shí)的電機(jī)換相信號(hào)，輸出給硬件驅(qū)動(dòng)電路，從而驅(qū)動(dòng)無刷直流電機(jī)。

圖1 無人機(jī)電調(diào)模塊原理圖

圖2 三相功率橋電路以及位置檢測(cè)電路

2. 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)選用的是自帶數(shù)字型霍爾傳感器的無刷直流電機(jī)，電極對(duì)數(shù)為1，可反饋三路Ha、Hb、Hc霍爾信號(hào)。額定轉(zhuǎn)速為3000r/ min，額定電壓為24V。硬件電路部分包括功率橋電路，位置檢測(cè)電路和驅(qū)動(dòng)電路。本設(shè)計(jì)所使用的是三相功率逆變橋電路，如圖2左所示，三相逆變功率橋電路采用6個(gè)MOSFET搭建而成的三相橋式逆變器，由于其開關(guān)速度快，適合中小功率開關(guān)電路。這種結(jié)構(gòu)可以將直流驅(qū)動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換為三路交流信號(hào)，用來控制無刷直流電機(jī)的三極。位置檢測(cè)電路圖2右所示，用電容電阻進(jìn)行濾波，經(jīng)過三極管使5V霍爾信號(hào)反饋值變成3.3V反饋回給FPGA。驅(qū)動(dòng)電路采用的是IR2132芯片，此芯片是利用電容充放電技術(shù)來驅(qū)動(dòng)功率MOSFET設(shè)計(jì)的，由于其內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器的導(dǎo)通阻抗小，因此在MOSFET的柵極以及源極加入了電阻以保證更好的工作[1]。

3. 系統(tǒng)功能模塊的FPGA實(shí)現(xiàn)

無人機(jī)的電調(diào)模塊的控制器都集成在FPGA內(nèi)部，采用verilog語言編程，并在京微雅閣公司的Primance以及Modelsim軟件環(huán)境下進(jìn)行編譯和仿真。FPGA模塊主要包括：PID控制器模塊、PWM產(chǎn)生模塊、換相控制模塊、速度檢測(cè)模塊。

3.1 PID控制器

PID控制器是由比例單元P、積分單元I、微分單元D組成的，通過Kp、Ki、Kd三個(gè)參數(shù)的設(shè)定，對(duì)設(shè)定值與反饋值之差進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出控制量。PID控制是最早發(fā)展起來的控制算法之一，也是無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)最常采用的控制算法，數(shù)字PID控制算法是將模擬PID離散化得到，調(diào)整方便。本設(shè)計(jì)的PID控制器采用的是增量式控制器，根據(jù)PID算法公式（3.1）可以推出（3.2）。圖3為PID控制器的原理圖[2]。

圖3 PID控制器原理圖

3.2 PWM產(chǎn)生模塊

PWM產(chǎn)生模塊是基于計(jì)數(shù)比較法產(chǎn)生的，如4圖所示，系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)為50MHz，進(jìn)行時(shí)鐘分頻后得到10KHz的時(shí)鐘，計(jì)數(shù)器cnt對(duì)10KHz時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，當(dāng)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值為0時(shí)，比較器1即圖中ab1輸出高電平，當(dāng)計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值達(dá)到占空比給定值d時(shí)，比較器2即圖中ab2輸出高電平，經(jīng)過SR鎖存器，輸出PWM波[3]。圖5為PWM模塊仿真結(jié)果。

圖4 PWM產(chǎn)生以及換相控制模塊

圖5 PWM模塊仿真波形圖

3.3 換相控制模塊

換相控制模塊是根據(jù)電機(jī)原理以及換相控制表得出的如圖6，三個(gè)霍爾傳感器互差120°對(duì)稱放置，輸出脈寬180°的三路霍爾位置信號(hào)，電機(jī)每旋轉(zhuǎn)360°會(huì)出現(xiàn)六個(gè)上升沿和下降沿，正好把三路位置信號(hào)在一個(gè)周期分成6個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間對(duì)應(yīng)一個(gè)換相區(qū)間，每個(gè)上升沿和下降沿都對(duì)應(yīng)一個(gè)換相時(shí)刻[4]。換相控制模塊輸入的是PWM波以及位置三相霍爾信號(hào)（Ha、Hb、Hc），輸出6個(gè)電機(jī)換相以及速度控制脈沖。其中VT1～6分別控制六路MOSFET的開關(guān)，來決定電機(jī)的A+B+、A+C+、B+C+導(dǎo)通。圖7為換相控制模塊仿真結(jié)果圖[5]。

圖6 電機(jī)內(nèi)部原理圖

圖7 換相控制模塊仿真結(jié)果圖

3.4 速度檢測(cè)模塊

速度檢測(cè)模塊原理是在霍爾信號(hào)的一個(gè)周期內(nèi)對(duì)一個(gè)高頻時(shí)鐘進(jìn)行計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)值為cnt，時(shí)鐘周期為Ts，p為電極對(duì)數(shù)[6,7]。根據(jù)公式speed=60/(cnt*Ts*p)得出速度測(cè)量值，反饋給PID模塊。圖8、9分別為速度檢測(cè)模塊原理以及仿真結(jié)果[8]。

圖8 速度測(cè)量模塊原理

圖9 速度測(cè)量模塊仿真結(jié)果圖

4. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及總結(jié)

本設(shè)計(jì)首先通過在理論對(duì)無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)、分析、編寫代碼，并且對(duì)軟件和硬件進(jìn)行調(diào)試后，實(shí)現(xiàn)了以FPGA為核心控制器的無人機(jī)電機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)檢測(cè)電機(jī)的電流和轉(zhuǎn)子位置和自動(dòng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)速，該系統(tǒng)的運(yùn)行時(shí)鐘頻率50MHz，可以在極短時(shí)間內(nèi)電機(jī)速度達(dá)到設(shè)定值。

圖10 無人機(jī)電調(diào)實(shí)物圖

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紀(jì)永成【通訊作者】（1981-），男，吉林人，吉林大學(xué)碩士研究生，工程師。

李欣序（1991-），女，黑龍江人，吉林大學(xué)碩士研究生。

劉 豫（1991-），男，遼寧人，吉林大學(xué)碩士研究生。

袁 培（1991-），女，河南人，吉林大學(xué)碩士研究生。