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(duì)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(duì)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(jì)技術(shù)已經(jīng)成為一種全新的設(shè)計(jì)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(duì)其內(nèi)部進(jìn)行重新編程，在最短的時(shí)間內(nèi)設(shè)計(jì)出自己專用的集成電路，從而提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)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(jì)實(shí)現(xiàn)了無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器，包括PI調(diào)節(jié)算法，外圍電路簡(jiǎn)單，實(shí)時(shí)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(dòng)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(hào)，通過驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)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(chǎng)，拖動(dòng)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(cè)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(hào)由3只在相位上差120°的霍爾傳感器(Sa，Sb，Sc)檢測(cè)，霍爾傳感器一個(gè)周期內(nèi)的開關(guān)信號(hào)有6個(gè)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(hào)，F(xiàn)PGA控制器產(chǎn)生PWM信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)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(jì)

隨著現(xiàn)代技術(shù)的進(jìn)步，電機(jī)驅(qū)動(dòng)對(duì)控制器在快速性、實(shí)時(shí)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(dòng)控制器硬件邏輯設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖，其中各模塊均采用硬件邏輯設(shè)計(jì)完成，模塊之間使用串行連接，霍爾信號(hào)Sa，Sb，Sc經(jīng)過換相控制模塊輸出6路開關(guān)管信號(hào)，同時(shí)經(jīng)過位置與速度檢測(cè)模塊計(jì)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(cè)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(hào)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(jì)

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(chǎng)可編程門陣列實(shí)現(xiàn)，具有接口簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、可現(xiàn)場(chǎng)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(jì)鋸齒波發(fā)生器會(huì)比設(shè)計(jì)三角波發(fā)生器使用更少的組合邏輯資源，有利于時(shí)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(jí)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(zhǎng)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(hào)的狀態(tài)(見圖1)，以組合邏輯的形式輸出六路開關(guān)信號(hào)Th1～Th6(設(shè)計(jì)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(shí)序仿真波形如圖5所示，圖中1～6表示了一個(gè)霍爾信號(hào)周期內(nèi)開關(guān)管的6個(gè)狀態(tài)(與圖1對(duì)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(shí)性，同時(shí)基本消除計(jì)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(hào)，k=O，1，2，…；u(k)為第k次采樣時(shí)刻的輸出值；u(k-1)為第(k-1)次采樣時(shí)刻的輸出值；e(k)為第k次采樣時(shí)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(jì)中的Clk為時(shí)鐘信號(hào)，Ref為給定信號(hào)，F(xiàn)db為反饋信號(hào)，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(hào)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(duì)數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行判斷，然后再進(jìn)行普通的計(jì)算，運(yùn)算結(jié)果的符號(hào)由以前得出的數(shù)據(jù)符號(hào)確定。時(shí)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(hào)與反饋信號(hào)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(shí)計(jì)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(cè)模塊

電流反饋檢測(cè)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(gè)通道，每個(gè)通道又有兩個(gè)輸入端(VA1，VA2與VB1，VB2)，兩個(gè)輸入端可以同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)使用A通道的兩個(gè)輸入端分別對(duì)A相和B相電流進(jìn)行采樣。AD控制器輸出信號(hào)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(shí)電流，提高控制精度。

根據(jù)AD7862采樣時(shí)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(shí)序圖，并通過了測(cè)試。圖8為AD控制器的時(shí)序仿真波形。

3．5 位置和速度檢測(cè)模塊

位置信號(hào)通過三個(gè)霍爾傳感器得到，每一個(gè)霍爾傳感器都會(huì)產(chǎn)生180°脈寬的輸出信號(hào)，如圖9所示。Sa，Sb，Sc分別表示三相霍爾信號(hào)，Clk為高頻時(shí)鐘脈沖。電機(jī)測(cè)速分為M法、T法和M／T法，T法測(cè)速適用于低速段，本設(shè)計(jì)采用T法測(cè)速。通過對(duì)霍爾信號(hào)Sa的每個(gè)周期用一個(gè)計(jì)數(shù)器對(duì)主時(shí)鐘脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)，通過除法器計(jì)算轉(zhuǎn)速，計(jì)算公式如下：

Speed_out=60×f0／Z×Count_reg

式中：f0為系統(tǒng)時(shí)鐘；Count_reg為霍爾信號(hào)一個(gè)周期內(nèi)的脈沖計(jì)數(shù)值；Z為電機(jī)轉(zhuǎn)一圈輸出的霍爾信號(hào)個(gè)數(shù)，因?yàn)槭俏鍖?duì)極電機(jī)，所以Z=5。

圖10為位置與速度檢測(cè)硬件邏輯結(jié)構(gòu)圖，三相霍爾信號(hào)通過數(shù)字濾波模塊后，以霍爾信號(hào)Sa為條件的計(jì)數(shù)器啟動(dòng)計(jì)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(gè)霍爾信號(hào)Sa周期內(nèi)輸出速度計(jì)算結(jié)果Speed_out及模塊輸出有效信號(hào)OutValid_Speed。運(yùn)算時(shí)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(gè)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(cè)功機(jī)負(fù)載實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，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(shí)，空載啟動(dòng)響應(yīng)波形如圖11所示，調(diào)節(jié)時(shí)間為300 ms，穩(wěn)態(tài)性能良好；利用測(cè)功機(jī)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行加載測(cè)試，負(fù)載0．3 Nm時(shí)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(yǔ)

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(duì)無刷直流電機(jī)控制的結(jié)果表明，該電路能有效地對(duì)無刷直流電機(jī)進(jìn)行雙閉環(huán)控制。設(shè)計(jì)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控制，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性高、可靠性強(qiáng)。