基于Actel Fusion FPGA的無刷電機(jī)控制器

　　1 引言

　　無刷直流電機(jī)(BLDC)具有體積小，無機(jī)械觸點(diǎn)，壽命長，安裝方便的優(yōu)點(diǎn)，一直都是電機(jī)應(yīng)用的研究熱點(diǎn)。目前無刷電機(jī)控制基本上都是采用霍爾傳感器作為轉(zhuǎn)子位置反饋元件，但位置傳感器的存在不僅增加了電機(jī)的體積和成本，很大程度上還成為電機(jī)的故障源之一，使系統(tǒng)可靠性降低。所以無位置傳感器的無刷電機(jī)控制方案業(yè)已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

　　近年來，采用數(shù)字控制的無位置傳感器控制技術(shù)，已逐漸成為今后無刷電機(jī)控制的發(fā)展趨勢。在此采用Actel公司的Fusion系列混合信號(hào)FPGA為控制器核心，設(shè)計(jì)了一款無位置傳感器無刷電機(jī)控制器。采用Fusion內(nèi)部特有的12位多路高速A／D轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)反電動(dòng)勢檢測，使用內(nèi)嵌的51軟核實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制算法，成功實(shí)現(xiàn)無刷電機(jī)無位置傳感器控制方案，具有系統(tǒng)硬件方案簡單，集成度高，可靠性好，調(diào)速精度高等優(yōu)點(diǎn)。

　　2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　2．1 Fusion FPGA簡介翻

　　Actel Fusion系列器件是業(yè)界首款也是唯一具有模擬功能的Flash架構(gòu)的FPGA，融合了FPGA數(shù)字內(nèi)核、A/D轉(zhuǎn)換器、Flash存儲(chǔ)器、模擬的I/0、RTC等數(shù)字和模擬器件。Fusion器件內(nèi)部具有2～8 Mbit不等的用戶可用Flash存儲(chǔ)器和30通道、最高12位精度、最高600 Ks／s采樣率的A／D轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)100 MHz的RC振蕩器與PLL(鎖相環(huán))一起共同為FPGA提供時(shí)鐘，以節(jié)省外部時(shí)鐘的開銷。這些特點(diǎn)極大地提高了該系列FPGA器件的功能，簡化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，大幅度減少了電路板面積和系統(tǒng)總成本。當(dāng)Fusion系列FPGA器件結(jié)合8051，CortexMl，ARM7等軟件MCU核時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)真正的SoC系統(tǒng)。Actel Fusion系列FPGA器件是迄今為止最全面的單芯片模擬與數(shù)字可編程邏輯系統(tǒng)的解決方案。

　　2．2 控制器方案設(shè)計(jì)

　　根據(jù)無刷電機(jī)反電動(dòng)勢檢測法原理，結(jié)合Actel FusionFPGA的內(nèi)部功能特性，設(shè)計(jì)了圖1所示的無刷電機(jī)控制方案。

　　在該設(shè)計(jì)方案中，F(xiàn)usion AFS600作為控制器核心，用內(nèi)嵌的軟核8051 MCU實(shí)現(xiàn)控制算法，高速12位A/D轉(zhuǎn)換器分別檢測三相繞組的反電動(dòng)勢和外部電位器設(shè)定電壓。電位器設(shè)定電壓用于確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速。通過FPGA邏輯實(shí)現(xiàn)LCD液晶屏接口，用于顯示設(shè)定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速。此外一個(gè)重要的模塊是三相PWM波形發(fā)生模塊，通過可編程計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)。PLL模塊用于向單片機(jī)、A／D轉(zhuǎn)換器和PWM模塊提供基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)。

　　

　　外圍電路主要包括：LCDl602字符型液晶顯示器、設(shè)定轉(zhuǎn)速的電位器和無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用A3935三相全橋器件配合6個(gè)大功率NMOS管IRF2807S實(shí)現(xiàn)完整的無刷電機(jī)控制方案。每項(xiàng)繞組的反電動(dòng)勢通過串聯(lián)電阻分壓并濾波再送入Fusion AFS600內(nèi)部的A／D轉(zhuǎn)換器。A3935是一款汽車級(jí)三相功率MOSFET驅(qū)動(dòng)器，特別適用于無刷電機(jī)控制，具有過壓、欠壓、過流、過熱、短路和開路監(jiān)控功能，功能強(qiáng)，可靠性高等功能。

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