基于FPGA的三相直流無刷電動機變頻控制的遠洋捕撈裝置電路設(shè)計
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項目及可行性分析
項目主要內(nèi)容：遠洋捕撈裝置在實際的運行過程中要具有根據(jù)魷魚重量的大小而自動調(diào)節(jié)為加速或減速狀態(tài)的功能，并且要具有計量釣繩長度的能力以實現(xiàn)當釣繩被全部卷起時釣機自動停止的功能。
本項目采用FPGA控制三相直流電機，利用其中的EAB可以構(gòu)成存放電機各相電流所需的控制波形數(shù)據(jù)表和利用FPGA設(shè)計的數(shù)字比較器可以同步產(chǎn)生多路PWM電流波形，對三相直流電機進行靈活控制，從而滿足遠洋捕撈裝置在實際運行過程中的所需。
創(chuàng)新性：使用XLINX公司的FPGA、功率器件智能模塊IPM PS21865 和霍爾傳感位置偵測，實現(xiàn)直流無刷電動機驅(qū)動和調(diào)速，直流無刷電動機BLDC采用電子換向器替代了傳統(tǒng)直流電動機的機械換向裝置，克服了電刷和換向器所引起的噪聲、火花、電磁干擾、壽命短等弊病。直流無刷電動機既具備交流電動機的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護方便等。而這些用傳統(tǒng)的單片機和DSP的控制都難以達到同樣的控制效果。
實用性：使用FPGA實現(xiàn)多路PWM控制，無須外接D/A轉(zhuǎn)換器，使外圍控制電路大大簡化，控制方式簡潔，控制精度高、控制效果好；控制器采用通用的微控制器AT89S51，技術(shù)成熟，成本低廉。
可實現(xiàn)性：
FPGA模塊設(shè)計是通過查詢ROM的方式，獲取所存儲的PWM波形數(shù)據(jù)，再經(jīng)由數(shù)字比較器產(chǎn)生相應(yīng)的PWM波形輸出。FPGA模塊在接收到控制器AT89S51模塊發(fā)送過來的命令后，通過對地址計數(shù)器進行控制而獲取不同PWM波形數(shù)據(jù)，可以輸出三相直流電機的旋轉(zhuǎn)方向、轉(zhuǎn)動速度、工作/停止狀態(tài)的控制信號。
IPM模塊對FPGA模塊輸出的控制信號進行功率放大，從而實現(xiàn)對三相直流電機速度的控制。同時，IPM模塊也會返回三相直流電機的過載保護和出錯保護信號到控制器AT89S51模塊，控制器模塊在接收到過載保護和出錯保護信號之后會向FPGA模塊發(fā)出中止命令，F(xiàn)PGA模塊根據(jù)命令中止三相直流電機的運轉(zhuǎn)，從而起到保護電機的作用。
項目實施方案
方案基本結(jié)構(gòu)圖
圖3-1
方案描述
目前大多數(shù)遠洋漁船配備的遠洋捕撈裝置電源控制，仍是采用以往的穩(wěn)恒輸出方式，即電源控制電動機的信號穩(wěn)定，以實現(xiàn)勻速控制釣線裝置。在實際應(yīng)用過程當中暴露出很多問題，傳統(tǒng)的控制方式不能自動應(yīng)對一些特殊情況，比如捕撈魚類數(shù)量突然增多造成釣機過載，或者由于脫落造成捕撈裝置空載，以及釣線裝置已經(jīng)回收結(jié)束，電動機不能自動停止，這時候無法及時變頻控制電動機的電源輸出，極容易發(fā)生事故。所以電動機變頻及控制的問題需要得到及時解決。我們小組成員計劃利用FPGA技術(shù)，設(shè)計一個三相直流無刷電動機變頻控制的遠洋捕撈裝置電路。以達到靈活智能控制釣線裝置，應(yīng)對特殊情況。
直流電機無刷控制原理
電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，與三相異步電動機十分相似。電動機的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機轉(zhuǎn)子的極性，在電動機內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，功能是：接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動；接受位置傳感器信號和正反轉(zhuǎn)信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護和顯示等。直流無刷電動機的控制原理簡圖如圖3-2 。
圖3-2 直流無刷電動機的控制原理簡圖
主電路是一個典型的電壓型交-直-交電路，逆變器提供等幅等頻5－24KHz調(diào)制波的對稱交變矩形波。永磁體N-S交替交換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差120°的H3、H2、H1方波，從而產(chǎn)生有效的六狀態(tài)編碼信號：010、011、001、101、100、110，通過邏輯組件處理產(chǎn)生V6－V1導(dǎo)通、V5－V6導(dǎo)通、V4－V5導(dǎo)通、V3－V4導(dǎo)通、V2－V3導(dǎo)通、V1－V2導(dǎo)通，也就是說將直流母線電壓依次加在U－>V、W－>V、W－>U、V－>U、V－>W、U－>W上，這樣轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對N-S極，V1、V2、V3、V4、V5、V6各功率管即按固定組合成六種狀態(tài)的依次導(dǎo)通。每種狀態(tài)下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態(tài)，定子繞組產(chǎn)生的磁場軸線在空間轉(zhuǎn)動60°電角度，轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場轉(zhuǎn)動相當于60°電角度空間位置，轉(zhuǎn)子在新位置上，使位置傳感器U、V、W按約定產(chǎn)生一組新編碼，新的編碼又改變了功率管的導(dǎo)通組合，使定子繞組產(chǎn)生的磁場軸再前進60°電角度，如此循環(huán)，直流無刷電動機將產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，拖動負載作連續(xù)旋轉(zhuǎn)。
本方案采用120度方波的算法驅(qū)動IPM的內(nèi)置IGBT從而來驅(qū)動直流無刷電動機。對IGBT信號的分配必然和電動機的位置有著緊密的聯(lián)系，從BLDC的霍爾傳感器反饋回來的位置信號經(jīng)過編碼后是：010、011、001、101、100和110六種狀態(tài)，所以可以根據(jù)這六種位置狀態(tài)信息來分配IGBT的驅(qū)動信號。在這里我們優(yōu)先選用了IGBT的上橋臂用分配PWM信號，下橋臂分配高低電平的驅(qū)動方式，所以可以通過改變上橋臂PWM的占空比來改變加在直流無刷電動機上的端電壓。信號分配和位置關(guān)系如圖3-3所示。
圖3-3 轉(zhuǎn)子位置驅(qū)動信號關(guān)系
其中：V1、V2、V3、V4、V5和V6表示IGBT組成的三相全控橋電路，上橋的V1、V3和V5三個功率管，下橋的V2、V4和V6三個功率管，分別控制這U、V和W三相直流電的流向，如圖1－1所示連接方式。H1、H2和H3是霍爾傳感器的三個信號出線。
如果正轉(zhuǎn)的位置信號和驅(qū)動信號的關(guān)系如圖2所示：010（H3 H2 H1）V6－V1、011（H3 H2 H1）V5－V6、001（H3 H2 H1）V4－V5、101（H3 H2 H1）V3－V4、100（H3 H2 H1）V2－V3、110（H3 H2 H1）V1－V2的順序來換流的話，那幺我們可以同樣根據(jù)位置信號給出反轉(zhuǎn)時驅(qū)動信號的換流關(guān)系。即：001（H3 H2 H1）V1－V2、011（H3 H2 H1）V2－V3、010（H3 H2 H1）V3－V4、110（H3 H2 H1）V4－V5、100（H3 H2 H1）V5－V6、101（H3 H2 H1）V6－V1。具體電機的相序一定要搞清楚，如果換流不對或不當?shù)脑捴绷鳠o刷電動機就會左右振動根本旋轉(zhuǎn)不起來，或者電流很大且電流波形是不對的。
通過上述控制信號來控制各個功率管的on/off，使得電流依序流入U、V、W三相線圈，而在直流無刷電動機的內(nèi)部產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，如圖3-4所示，指出了在控制信號的作用下各相的電壓、電流方向的關(guān)系。
圖3-4 電流時序
在控制功率組件的信號中加入PWM，調(diào)整PWM的占空比，即輸出PWM的Duty，使得調(diào)整輸入電動機的端電壓的大小，進而控制直流無刷電動機的轉(zhuǎn)速，其中控制信號PWM的加入有四種方式：上相PWM、下相PWM、前半PWM和后半PWM。如圖3-5所示。
（a）上相PWM
（b）下相PWM
（c）前半PWM
（d）后半PWM
圖3-5 PWM加入方式
FPGA調(diào)制PWM波形原理
擬采用FPGA控制三相直流電機，利用其中的EAB可以構(gòu)成存放電機各相電流所需的控制波形數(shù)據(jù)表和利用FPGA設(shè)計的數(shù)字比較器可以同步產(chǎn)生多路PWM電流波形，對三相直流電機進行靈活控制。使用FPGA實現(xiàn)多路PWM控制，無須外接D/A轉(zhuǎn)換器，使外圍控制電路大大簡化，控制方式簡潔，控制精度高、控制效果好。用單片機和DSP的控制都難以達到同樣的控制效果。
FPGA模塊設(shè)計是由PWM計數(shù)器、波形ROM地址計數(shù)器、PWM波形ROM存儲器、比較器等模塊組成。其中，PWM計數(shù)器在脈寬時鐘作用下遞增計數(shù)，產(chǎn)生階梯形上升的周期性鋸齒波，同時加載到各數(shù)字比較器的一端；PWM波形ROM輸出的數(shù)據(jù)分別加載到各數(shù)字比較器的另一端。當PWM計數(shù)器的計數(shù)值小于波形ROM輸出數(shù)值時，比較器輸出低電平；當PWM計數(shù)器的計數(shù)值大于波形ROM輸出數(shù)值時，比較器輸出高電平。由此可輸出周期性的PWM波形。根據(jù)三相直流電機對電流波形的要求，將各個時刻細分電流波形所對應(yīng)的數(shù)值存放于波形ROM中，波形ROM的地址由地址計數(shù)器產(chǎn)生。通過對地址計數(shù)器進行控制，可以改變?nèi)嘀绷麟姍C的旋轉(zhuǎn)方向、轉(zhuǎn)動速度、工作/停止狀態(tài)。
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