摘 要： 采用Altera公司推出的Cyclone系列FPGA,，根據(jù)反電勢(shì)過零檢測(cè)算法，利用硬件模塊化的設(shè)計(jì)方式,，實(shí)現(xiàn)了面向電動(dòng)車的新型無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì),。試驗(yàn)表明，系統(tǒng)調(diào)速范圍寬,，可平穩(wěn)啟動(dòng),，對(duì)由干擾造成的檢測(cè)誤差信號(hào)具有較強(qiáng)的容錯(cuò)性，適用于電動(dòng)車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),。
關(guān)鍵詞： 無刷直流電機(jī),；反電勢(shì)過零檢測(cè)；FPGA
隨著環(huán)境污染和能源危機(jī)的雙重壓力加大,，人們對(duì)電動(dòng)車的需求逐步提高,。電動(dòng)車通常包含四大部分：控制系統(tǒng),、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng),、電池和車體。其中,，電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)直接決定了電動(dòng)車的整體特性,。相比其他電機(jī)，無刷直流電機(jī)憑借在能量密度,、效率等方面的明顯優(yōu)勢(shì),，逐漸成為電動(dòng)車領(lǐng)域的主要選擇。而無位置傳感器的無刷直流電機(jī),，更是避免了位置傳感器的安裝,，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，節(jié)約了成本,，提高了電機(jī)的可靠性,。所以，無位置傳感器技術(shù)逐漸成為電動(dòng)車電機(jī)驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域中的研究熱點(diǎn),。
反電動(dòng)勢(shì)過零檢測(cè)法是當(dāng)前最成熟,、應(yīng)用最廣泛的一種轉(zhuǎn)子位置信號(hào)檢測(cè)方法。但其有一些不可避免的缺點(diǎn)，如低速換相不準(zhǔn)確,、無法自啟動(dòng)等,。為了克服這些缺點(diǎn)，本文提出了一種新型的無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng),。它利用FPGA作為主控芯片,，對(duì)反電勢(shì)過零檢測(cè)算法進(jìn)行改進(jìn)，完成在全速范圍內(nèi)對(duì)逆變器換相時(shí)刻的準(zhǔn)確計(jì)算,；同時(shí)還集成了電壓,、電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)器和PWM調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制對(duì)象轉(zhuǎn)速的精密調(diào)節(jié),?？傊到y(tǒng)具有集成度高,、調(diào)速精度好的特點(diǎn),，不存在程序跑飛和死機(jī)的問題，滿足了電動(dòng)車對(duì)電機(jī)控制器穩(wěn)定運(yùn)行的要求,。
1 系統(tǒng)工作原理
系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。其中，反電勢(shì)過零檢測(cè)電路能夠借助反電勢(shì)計(jì)算模型,，估測(cè)出轉(zhuǎn)子位置信號(hào),，從而控制逆變器換相，使得供電頻率與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速同步,。轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器和電流調(diào)節(jié)器組成了轉(zhuǎn)速,、電流雙環(huán)控制器，調(diào)整逆變器輸出電壓的占空比,，從而改變加在無刷直流電機(jī)定子上的電壓,，使得電機(jī)以最優(yōu)的軌跡無靜差地跟隨轉(zhuǎn)速給定。
1.1 反電勢(shì)過零檢測(cè)算法
直流無刷電機(jī)啟動(dòng)后,，轉(zhuǎn)子磁極產(chǎn)生的磁通切割定子繞組產(chǎn)生反電勢(shì)E,，其大小正比于電機(jī)的轉(zhuǎn)速及氣隙磁場(chǎng)B。而當(dāng)轉(zhuǎn)子極性改變時(shí),，反電勢(shì)波形的正負(fù)也相應(yīng)改變,。所以只要測(cè)出反電勢(shì)波形的過零點(diǎn)，就可以確定轉(zhuǎn)子的精確位置,，并以此控制電機(jī)的換相,。電機(jī)反電勢(shì)與開關(guān)管工作順序圖如圖2所示。
反電勢(shì)本身不能直接測(cè)出,，但反電勢(shì)與電壓有關(guān),，通過檢測(cè)電壓可計(jì)算出反電勢(shì),。例如，對(duì)直流無刷電機(jī)采用三相六狀態(tài)120°導(dǎo)通方式,，在任一時(shí)刻,，導(dǎo)通的兩相繞組中電流大小相等、方向相反,，非導(dǎo)通相電流為0,，這時(shí)可以證明有：
其中，Ex和Ux為非導(dǎo)通相的反電勢(shì)和繞組端點(diǎn)對(duì)地電壓,，Ua,、Ub、Uc分別為A,、B,、C三相繞組端點(diǎn)對(duì)地的電壓。求出Ex后就可以方便地判斷出其過零點(diǎn),，延遲30°相位角,，就可得到最佳換相時(shí)刻。
反電勢(shì)過零檢測(cè)算法的一個(gè)不足之處在于,，當(dāng)電機(jī)靜止或轉(zhuǎn)速較低時(shí),，系統(tǒng)無法檢測(cè)到反電勢(shì)。因此,，電機(jī)的啟動(dòng)必須引入一個(gè)開環(huán)的升壓升頻模塊來產(chǎn)生平緩的換相頻率和加速電壓,。但是，對(duì)于不同的系統(tǒng)和負(fù)載,，這種工作模式無論如何都存在壓頻特性過發(fā)生或欠發(fā)生的可能,，使系統(tǒng)偏離最佳換相邏輯。所以,，還要在轉(zhuǎn)速達(dá)到一定值后,，引入壓頻特性補(bǔ)償環(huán)節(jié),，使得反饋回來的換相頻率與輸出的換相頻率能夠保持同步,，從而以最佳的換相邏輯向閉環(huán)工作模式切換。
1.2 改進(jìn)的FIPS移相算法
傳統(tǒng)的數(shù)字移相器都是采用查表法來實(shí)現(xiàn)的,，但這種方法存在資源浪費(fèi),、制表復(fù)雜等不足，不適用于通用的移相器設(shè)計(jì),。為了簡(jiǎn)化系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu),，本設(shè)計(jì)對(duì)由臺(tái)灣的Ying-Yu Tzou教授提出的FIPS(頻率無關(guān)移相)算法加以改進(jìn)，得到了一個(gè)可滯后任意相位角的數(shù)字移相器,。
改進(jìn)的FIPS移相算法結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示,。當(dāng)輸入信號(hào)X(t)為1時(shí),，計(jì)數(shù)器1開始計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)器2保持不變,；反之,，當(dāng)輸入信號(hào)X(t)為0時(shí)，計(jì)數(shù)器1保持不變,，計(jì)數(shù)器2開始計(jì)數(shù),。兩個(gè)計(jì)數(shù)器經(jīng)過限幅后的輸出結(jié)果分別用P(t)和N(t)表示。把計(jì)數(shù)結(jié)果送入2個(gè)比較器中,。當(dāng)計(jì)數(shù)器2的結(jié)果N(t)與計(jì)數(shù)器1的結(jié)果P(t)能夠滿足式N(t)=γP(t)的關(guān)系時(shí),，輸出信號(hào)Y翻轉(zhuǎn)一次，N(t)復(fù)位,；同理,，當(dāng)P(t)=γN(t)時(shí)，輸出信號(hào)Y也同樣翻轉(zhuǎn)一次,，P(t)復(fù)位,。
方案的具體工作波形如圖4所示。從圖中可以發(fā)現(xiàn),，輸出信號(hào)Y(t)相比于輸入信號(hào)X(t)滯后了T/2γ的時(shí)間,。因此，通過改變常數(shù)γ就可以任意設(shè)定移相角度,。
2 具體實(shí)現(xiàn)
圖5顯示了本設(shè)計(jì)所構(gòu)造的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的整體硬件結(jié)構(gòu)框圖,。系統(tǒng)由FPGA主控芯片、三相橋逆變器,、電壓及電流檢測(cè)電路和串行接口電路等組成,。其中，直流主電源經(jīng)過兩個(gè)大電容的濾波后,，再經(jīng)過三相橋逆變器得到頻率,、幅值可調(diào)的交流電壓，給直流無刷電機(jī)供電,。電壓及電流檢測(cè)電路提取電機(jī)的三相端電壓和母線電流,，并對(duì)其進(jìn)行分壓、隔離,、濾波等綜合處理,，再送入A/D轉(zhuǎn)換器，輸入給FPGA主控芯片作為控制算法的依據(jù),。串行接口模塊接受上位機(jī)的指令,，完成設(shè)定系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)和變量的功能。
系統(tǒng)的控制規(guī)律依靠FPGA中的邏輯電路實(shí)現(xiàn),，所有的外圍硬件設(shè)備也必須由FPGA主控芯片實(shí)施管理,。FPGA主控芯片的邏輯電路主要包括A/D轉(zhuǎn)換器接口模塊,、反電勢(shì)過零檢測(cè)模塊、轉(zhuǎn)速和電流控制模塊,、PWM換相模塊以及串行接口模塊等,。
2.1 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換接口模塊
由于系統(tǒng)的控制策略全部通過數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，因此,，需要有一個(gè)A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換電路將反饋的模擬電壓,、電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。為了降低系統(tǒng)的閉環(huán)滯后時(shí)間并減少所需的IO端口,，系統(tǒng)選用高速,、四通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片AD7934完成循環(huán)采樣電機(jī)三相端電壓和母線電流的任務(wù)。A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換四路頻率為20 kHz的模擬信號(hào),，與功率器件的開關(guān)頻率同步,。
2.2 反電勢(shì)過零檢測(cè)模塊
反電勢(shì)過零檢測(cè)模塊的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖6所示。其中,，電機(jī)的非導(dǎo)通相端電壓Ux由MUX電路根據(jù)當(dāng)前的換相控制信號(hào)Capt[2..0]選出,，與中點(diǎn)電壓估算電路計(jì)算出虛擬中點(diǎn)電壓Un相減，得到非導(dǎo)通相反電勢(shì),。利用過零檢測(cè)模塊計(jì)算出非導(dǎo)通相反電勢(shì)過零信號(hào),，經(jīng)過FIPS移相邏輯獲得滯后過零信號(hào)相位角的換相信號(hào)，最終生成換相控制信號(hào)Capt[2..0],。為了避免換相過程中由端電壓劇烈變化所造成的過零信號(hào)誤檢測(cè),，模塊還設(shè)計(jì)了一個(gè)延遲電路，使得在換相后的一段時(shí)間里停止估算反電勢(shì),。此外,，當(dāng)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，開環(huán)啟動(dòng)電路將控制換相邏輯輸出換相信號(hào),。它能夠使得電機(jī)按照預(yù)先存儲(chǔ)在ROM中的升壓升頻特性曲線開環(huán)升壓升速,，并且當(dāng)實(shí)測(cè)的換相信號(hào)與開環(huán)給定的換相信號(hào)誤差低于設(shè)定值時(shí)，控制系統(tǒng)向反電勢(shì)過零檢測(cè)方式切換,。
2.3 轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)模塊
轉(zhuǎn)速和電流調(diào)節(jié)器都是基于PI控制算法實(shí)現(xiàn)的,，PI控制器的結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。誤差信號(hào)由減法器根據(jù)鎖存器鎖存的輸入數(shù)據(jù)計(jì)算出,，經(jīng)過偏差寄存邏輯得到當(dāng)前偏差值和累計(jì)偏差值,，分別與Kp乘法器和Ki乘法器進(jìn)行乘法運(yùn)算，將運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行累加處理,，從而得到比例積分控制的結(jié)果。其中,，Kp乘法器和Ki乘法器都是基于IP核的硬件乘法器,。此外,，為了能夠合理利用芯片的內(nèi)部資源，模塊還采用了有限狀態(tài)轉(zhuǎn)換機(jī)（FSM）來實(shí)現(xiàn)時(shí)序控制策略,，使得模塊中的各個(gè)單元有機(jī)地結(jié)合起來,。
2.4 PWM換相模塊
PWM換相模塊的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖8所示。它主要由鋸齒載波發(fā)生電路,、比較電路和換相控制電路三部分組成,。其中，鋸齒載波發(fā)生電路由一個(gè)計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn),，計(jì)數(shù)結(jié)果與給定的占空比信號(hào)一起送入比較電路中,，當(dāng)它們相等時(shí)，PWM信號(hào)由高到低翻轉(zhuǎn),，并在載波周期結(jié)束時(shí)復(fù)位成高電平,。換相查找邏輯控制六路輸出信號(hào)按照120°導(dǎo)通方式變化，即在任意時(shí)刻,，僅有2個(gè)開關(guān)管導(dǎo)通,。此外，為了減少開關(guān)損耗,，模塊只對(duì)上橋臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)進(jìn)行PWM調(diào)制,。
2.5 串行接口
為了提高驅(qū)動(dòng)器的開放性和通用性，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中還加入了一個(gè)串行接口模塊來完成與其他的外部器件的通信,。這種方案使得系統(tǒng)能夠在線調(diào)整PI參數(shù),、設(shè)定轉(zhuǎn)速等，而且通過混合一個(gè)常用的低成本微處理器就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)高性能的伺服系統(tǒng),。
3 系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果
本系統(tǒng)采用一個(gè)額定電壓48 V,、額定轉(zhuǎn)速3500 r/min的六極對(duì)數(shù)無刷直流電機(jī)作為測(cè)試電機(jī)，進(jìn)行空載實(shí)驗(yàn),。
圖9為換相信號(hào)與濾波后的端電壓關(guān)系圖,。從圖中可以看出，生成的方波換相信號(hào)頻率是端電壓頻率的3倍,，即當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周時(shí),，換相信號(hào)變化6次，并且每次都滿足最佳換相的要求,。另外,，通過利用前面提出的FIPS移相技術(shù)，系統(tǒng)避免了由于端電壓尖峰干擾造成的影響,，使得換相控制的可靠性得到大幅提高,。圖10為逆變器實(shí)際輸出的三相端電壓波形圖。改變控制信號(hào)的占空比即可改變逆變器輸出端電壓的有效值,，進(jìn)而可以調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和換相信號(hào)的頻率,。
通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試,，本調(diào)速系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的控制指標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)無位置傳感器無刷直流電機(jī)的可靠運(yùn)行,，調(diào)速范圍達(dá)到了150 r/min～3500 r/min,，且能夠平穩(wěn)啟動(dòng)，非常適于電動(dòng)車中的電機(jī)控制系統(tǒng),。
本文根據(jù)反電勢(shì)過零檢測(cè)算法,，開發(fā)出了基于FPGA硬件資源的面向電動(dòng)車的無位置傳感器無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)。它通過利用憑借硬件實(shí)現(xiàn)的反電勢(shì)過零檢測(cè)器和FIPS移相器,，大幅提高了在低速范圍內(nèi)的換相準(zhǔn)確性,，并克服了系統(tǒng)中可能的尖峰干擾的影響，從而保證了換相信號(hào)的可靠性和穩(wěn)定性,。此外,，本系統(tǒng)還具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開發(fā)周期短,、結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn),，能夠針對(duì)電動(dòng)車應(yīng)用中的問題提供良好的解決方案。
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