1 無刷直流電機的工作原理
無刷直流電機主要由電動機本體、位置傳感器和電子開關線路三部分組成。其基本工作原理就是借助反映轉子位置的位置信號，通過驅動電路，驅動逆變電路的功率開關元件，使電樞繞組依一定順序通電，從而在氣隙中產(chǎn)生旋轉磁場，拖動永磁轉子旋轉。
三相四極星型連結的無刷直流電機采用兩兩導通方式，位置傳感器在無刷直流電機中起著測定轉子磁極位置的作用，為邏輯開關電路提供正確的換相信息。無刷直流電機轉子位置信號由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)的開關信號有6個狀態(tài)，如圖1所示。無刷直流電機控制系統(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)過驅動電路放大送至逆變器各功率開關管(Th1～Th6)，從而控制電機各相繞組按照一定順序工作，實現(xiàn)無刷直流電機正常運轉。
2 控制器的整體設計
隨著現(xiàn)代技術的進步，電機驅動對控制器在快速性、實時性和準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)領域有了廣闊的應用前景。系統(tǒng)使用FPGA XC3S1500完成無刷直流電機控制系統(tǒng)，采用轉速、電流雙閉環(huán)控制策略調(diào)節(jié)速度。圖3為無刷直流電機驅動控制器硬件邏輯設計結構圖，其中各模塊均采用硬件邏輯設計完成，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，達到調(diào)速的目韻。以數(shù)字電路的方式實現(xiàn)無刷直流電機的控制，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，其結構圖如圖4所示，因為自然采樣法最能真實反映PWM的控制思想，效果最好。該發(fā)生器采用現(xiàn)場可編程門陣列實現(xiàn)，具有接口簡單、響應速度快、可現(xiàn)場編程等優(yōu)點，能夠應用于全數(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計鋸齒波發(fā)生器會比設計三角波發(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信號Th1～Th6(設計中開關管為低導通)，開關管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)開關管的6個狀態(tài)(與圖1對應)。
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實現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器，即用數(shù)字電路來實現(xiàn)PI控制算法，應用此硬件算法提高了控制器的可靠性和實時性，同時基本消除計算機給控制系統(tǒng)帶來的影響。PI算法的硬件邏輯結構如圖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)，模塊中的整體運算均采用先對數(shù)據(jù)符號進行判斷，然后再進行普通的計算，運算結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)器中其他模塊的運算順序；求偏差模塊負責給定信號與反饋信號求差，將結果輸出給比例模塊和積分模塊；比例模塊實現(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。輸出結果限值也在模塊中設置，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，硬件邏輯結構圖如圖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行轉換，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關系，從而能夠準確采樣瞬時電流，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，本模塊采樣頻率設置100 KSPS進行驗證。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。電機測速分為M法、T法和M／T法，T法測速適用于低速段，本設計采用T法測速。通過對霍爾信號Sa的每個周期用一個計數(shù)器對主時鐘脈沖進行計數(shù)，通過除法器計算轉速，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為電機轉一圈輸出的霍爾信號個數(shù)，因為是五對極電機，所以Z=5。
圖10為位置與速度檢測硬件邏輯結構圖，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)過除法運算，在下一個霍爾信號Sa周期內(nèi)輸出速度計算結果Speed_out及模塊輸出有效信號OutValid_Speed。運算時間與除法器的內(nèi)部結構有關。
4 實驗結果
采用額定功率PN=300 W，額定電壓UN=220 V，額定轉速nN=3000 r／min，額定電流IN=1．6 A，額定轉矩TN=O．96 Nm的無刷直流電機進行實驗，整個實驗系統(tǒng)還包括以FPGA為主的控制單元、功率電路和測功機負載實驗平臺，實驗中采用轉速、電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)方式。電機給定轉速1000 r／min時，空載啟動響應波形如圖11所示，調(diào)節(jié)時間為300 ms，穩(wěn)態(tài)性能良好；利用測功機對系統(tǒng)進行加載測試，負載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，也說明電機運行穩(wěn)定。
5 結語
采用FPGA硬件可編程邏輯器件，以純硬件的方式實現(xiàn)無刷直流電機的控制，對無刷直流電機控制的結果表明，該電路能有效地對無刷直流電機進行雙閉環(huán)控制。設計特點是控制電機的所有外圍電路包括PI調(diào)節(jié)算法均采用FPGA實現(xiàn)，真正實現(xiàn)電機的SOPC控制，系統(tǒng)實時性高、可靠性強。
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