無刷直流電機(jī)" title="無刷直流電機(jī)">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(diǎn),，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(shí)現(xiàn),。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(shí)現(xiàn)了無刷直流電機(jī)驅(qū)動控制器" title="控制器">控制器，包括PI調(diào)節(jié)算法,，外圍電路簡單,，實(shí)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。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(Sa,，Sb,，Sc)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(Th1～Th6),，從而控制電機(jī)各相繞組按照一定順序工作,，實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)正常運(yùn)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(shí)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,。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Sa,，Sb,，Sc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-Ret,，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)速的目韻。以數(shù)字電路的方式實(shí)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,。

　　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?yàn)樽匀徊蓸臃ㄗ钅苷鎸?shí)反映PWM的控制思想,，效果最好。該發(fā)生器采用現(xiàn)場可編程門陣列實(shí)現(xiàn),，具有接口簡單、響應(yīng)速度快,、可現(xiàn)場編程等優(yōu)點(diǎn),，能夠應(yīng)用于全數(shù)字化控制。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。

　　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Th1～Th6(設(shè)計中開關(guān)管為低導(dǎo)通),，開關(guān)管Th1，Th3,，Th5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)),。

　　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(shí)現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器,，即用數(shù)字電路來實(shí)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(shí)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：

　　式中：k為采樣序號,，k=O，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,；KP為比列系數(shù)；KI為積分系數(shù),。

　　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,，KP和KI為PI參數(shù),，模塊中的整體運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(shí)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(shí)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(VA1,，VA2與VB1,，VB2)，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,。

　　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250KSPS,，本模塊采樣頻率設(shè)置100 KSPS進(jìn)行驗(yàn)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,。

　　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,。Sa,，Sb，Sc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。通過對霍爾信號Sa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×f0／Z×Count_reg

　　式中：f0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?yàn)槭俏鍖O電機(jī),，所以Z=5。

　　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Sa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(yùn)算,，在下一個霍爾信號Sa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(yùn)算時間與除法器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān),。

　　4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

　　采用額定功率PN=300 W,，額定電壓UN=220 V，額定轉(zhuǎn)速nN=3000 r／min,，額定電流IN=1．6 A,，額定轉(zhuǎn)矩TN=O．96 Nm的無刷直流電機(jī)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，整個實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)平臺,，實(shí)驗(yàn)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1000 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(yùn)行穩(wěn)定。

　　5 結(jié)語

　　采用FPGA硬件可編程邏輯器件,，以純硬件的方式實(shí)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(diǎn)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(shí)現(xiàn),，真正實(shí)現(xiàn)電機(jī)的SOPC" title="SOPC">SOPC控制，系統(tǒng)實(shí)時性高,、可靠性強(qiáng),。