基于FPGA的無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：以FPGA為控制器，使用霍爾傳感器進(jìn)行電機(jī)電流及位置的檢測(cè)，用MOSFET搭接成的驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，用VHDL語(yǔ)言設(shè)計(jì)了一種PWM調(diào)節(jié)電機(jī)速度的方法。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行理論分析以及調(diào)試，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)電流、位置的檢測(cè)并控制電機(jī)速度和轉(zhuǎn)向從而達(dá)到要求的速度和方向。

無(wú)刷直流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、效率高、無(wú)級(jí)調(diào)速、調(diào)速范圍廣、過(guò)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用，特別是在高性能的伺服驅(qū)動(dòng)領(lǐng)域，在這些領(lǐng)域要求控制器體積小，還要求對(duì)多臺(tái)電機(jī)并行控制，單芯片大容量現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)能夠?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)芯片上實(shí)現(xiàn)多臺(tái)電機(jī)的復(fù)雜控制功能，大大減小了控制系統(tǒng)的體積。

本文提出了一種無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)速度控制器的方案，利用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA芯片對(duì)電機(jī)控制器的進(jìn)行控制，設(shè)計(jì)了利用此控制器對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制的PWM方法。采用VHDL硬件描述語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路和電流檢測(cè)電路，整個(gè)控制系統(tǒng)響應(yīng)速度快、超調(diào)小、穩(wěn)態(tài)誤差小、可靠性高、靈活性強(qiáng)。

1 無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的方案論證

所謂無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)，其主要在于PWM調(diào)速方法的設(shè)計(jì)，目的是改變脈沖的占空比。其核心在于智能控制，需要選擇一個(gè)智能的控制器，而且系統(tǒng)需要的是簡(jiǎn)單高效，對(duì)于開(kāi)關(guān)控制以及信號(hào)處理的速度要求并不高，因此采用ALTERA公司的現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列CycloneIII FPGA芯片。

1.2 無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路

無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)以FPGA為中心，配有電流檢測(cè)模塊、位置檢測(cè)模塊、驅(qū)動(dòng)模塊、PWM調(diào)節(jié)等模塊，利用霍爾傳感器來(lái)檢測(cè)電機(jī)電流和電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，把采集的信號(hào)送給FPGA進(jìn)行處理從而按照人為設(shè)定的電機(jī)初始速度來(lái)發(fā)出相應(yīng)的加、減速和電機(jī)正、反轉(zhuǎn)命令并執(zhí)行。

從系統(tǒng)總體框架圖中可以看出，系統(tǒng)主要由驅(qū)動(dòng)模塊、電流檢測(cè)模塊、位置檢測(cè)模塊以及PWM調(diào)節(jié)模塊。

無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)是這樣工作的：當(dāng)打開(kāi)電機(jī)驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)時(shí)，電機(jī)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)位置檢測(cè)和電流檢測(cè)電路開(kāi)始工作以檢測(cè)電機(jī)速度，并將信號(hào)傳送給FPGA進(jìn)行處理，如果電機(jī)速度大于所需要的電機(jī)轉(zhuǎn)速，此時(shí)控制電機(jī)減速，反之則控制電機(jī)加速。在此期間，可以通過(guò)按動(dòng)按鍵來(lái)控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。

2 無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的電流檢測(cè)電路

采用基于霍爾效應(yīng)的線(xiàn)性電流傳感器ACS712芯片進(jìn)行電流檢測(cè)，該器件內(nèi)置有精確的低偏置的線(xiàn)性霍爾傳感器電路，能輸出與檢測(cè)的交流或直流電流成比例的電壓。可以精

確的檢測(cè)電機(jī)電流，但由于霍爾元件檢測(cè)的信號(hào)非常小，所以要將采集的信號(hào)進(jìn)行放大后送給FPGA，選用芯片LM321進(jìn)行信號(hào)放大，具體電路如圖2所示。

2.2 無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的位置檢測(cè)電路

位置信號(hào)檢測(cè)可以用于電機(jī)的換相，還能用來(lái)計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速，在無(wú)刷直流電機(jī)控制中起著十分重要的作用。本設(shè)計(jì)是采用三個(gè)霍爾位置傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)位置檢測(cè)的，每個(gè)霍爾位置傳感器輸出脈寬180°互差120°相位的霍爾位置信號(hào)，三個(gè)霍爾位置傳感器輸出三路位置信號(hào)，電機(jī)每旋轉(zhuǎn)360°電角度會(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，而每個(gè)上升沿或下降沿都對(duì)應(yīng)一個(gè)換相時(shí)刻，如圖4所示。

2.3 換相電路設(shè)計(jì)

根據(jù)無(wú)刷直流電機(jī)模塊中輸出的三相霍爾位置信號(hào)，以及無(wú)刷直流電機(jī)速度控制模塊輸出的PWM信號(hào)，邏輯換相模塊輸出6個(gè)電機(jī)換相及速度控制脈沖。輸入4個(gè)信號(hào)，分別是三相霍爾位置信號(hào)(HA、HB、HC)和由控制模塊輸出PWM信號(hào)。6個(gè)輸出信號(hào)VT1～VT6控制三相逆變器功率管的通斷，其中VT1、VT3、VT5用于控制上側(cè)功率管的通斷，VT2、VT4、VT6用于控制下側(cè)功率管的通斷。三相逆變橋采用上管調(diào)制的方式，邏輯關(guān)系構(gòu)造邏輯換相模型如圖5。

2.4 無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電路

采用的是6個(gè)MOSFET搭建而成的三相橋式逆變器，MOSFET是開(kāi)關(guān)速度快的理想電壓控制器件，其驅(qū)動(dòng)電路較為簡(jiǎn)單，特別適合于各類(lèi)中小功率開(kāi)關(guān)電路。同時(shí)采用IR2132專(zhuān)用集成驅(qū)動(dòng)芯片，它是專(zhuān)為功率MOSFET驅(qū)動(dòng)而設(shè)計(jì)的，方便于控制電路連接，其驅(qū)動(dòng)信號(hào)延時(shí)為納秒級(jí)，開(kāi)關(guān)頻率高，體積小，外圍走線(xiàn)簡(jiǎn)單，適合中小型電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的應(yīng)用。6個(gè)MOSFET根據(jù)所接收到的信號(hào)從而改變管子的通斷來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 無(wú)刷直流電機(jī)PWM調(diào)速軟件設(shè)計(jì)

PWM調(diào)速產(chǎn)生電路是由加減計(jì)數(shù)器、5位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器、數(shù)字比較器三部分組成。加減計(jì)數(shù)器做細(xì)分計(jì)數(shù)器，確定脈沖寬度。當(dāng)U_D=1時(shí)，輸入CLK1，使設(shè)定值計(jì)數(shù)器的輸出值增加，PWM的占空比增加，電機(jī)轉(zhuǎn)速加快;當(dāng)U_D=0，輸入CLK1，使設(shè)定值計(jì)數(shù)器的輸出值減小，PWM的占空比減小，電機(jī)轉(zhuǎn)速變慢。5位二進(jìn)制計(jì)數(shù)器在CLK0的作用下輸出周期性線(xiàn)性增加的鋸齒波。當(dāng)計(jì)數(shù)值小于設(shè)定值時(shí)，數(shù)字比較器輸出高電平，當(dāng)計(jì)數(shù)值大于設(shè)定值時(shí)，數(shù)字比較器輸出低電平，從而產(chǎn)生周期性的PWM波形。設(shè)定ZF為電機(jī)的方向按鍵，選擇PWM波形的進(jìn)入方向，當(dāng)其為1時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，否則反轉(zhuǎn)。設(shè)定START進(jìn)行電機(jī)的控制時(shí)，START為1電機(jī)開(kāi)始工作，為0電機(jī)停止工作。通過(guò)按鍵EN1的閉合與斷開(kāi)可以改變初始值，從而改變直流電機(jī)的PWM占空比，改變直流電機(jī)速度。