基于FPGA的無刷直流電機(jī)控制器設(shè)計

林聰+徐今強(qiáng)

摘 要： 針對現(xiàn)有直流無刷電機(jī)控制器設(shè)計方案的不足，提出一種基于FPGA平臺的無刷直流電機(jī)控制器設(shè)計方案，采用FPGA設(shè)計電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)硬件包括以FPGA為核心的控制電路和以電機(jī)為對象的驅(qū)動電路，系統(tǒng)軟件采用Verilog HDL生成速度和電流采樣模塊、電機(jī)驅(qū)動換相模塊、PWM生成模塊等，同時在VGA上顯示控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)?？刂破鳒y試實驗結(jié)果表明，設(shè)計的控制器能使電機(jī)在啟動后1 s內(nèi)達(dá)到轉(zhuǎn)速給定值，1 s后保持在穩(wěn)態(tài)值的±2%內(nèi)，表明該控制系統(tǒng)具有較高的控制精度和較好的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞： FPGA； 無刷直流電機(jī) ；雙閉環(huán)控制系統(tǒng)； VGA

中圖分類號： TN876?34； TP33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）19?0150?03

Design of brushless DC motor controller based on FPGA

LIN Cong， XU Jinqiang

（College of Information， Guangdong Ocean University， Zhanjiang 524088， China）

Abstract： An FPGA platform based design scheme of brushless DC motor controller is introduced to solve the drawbacks of the available design schemes. The FPGA is used to design the double closed?loop control system of motor′s speed and current. The hardware of the system includes the control circuit taking FPGA as its core and drive circuit taking motor as its object. The Verilog HDL is adopted in system software to generate the speed and current sampling modules， motor drive commutation module， PWM generation module and so on. The running state of the control system is displayed on VGA. The experimental result of the controller shows that the controller can make the rotate speed reach the set value within 1 second after motor starting and maintain within ±2% of the steady?state value， which means that the control system has high control precision and good stability.

Keywords： FPGA； brushless DC motor； double closed?loop control system； VGA

無刷直流電機(jī)具有效率高、調(diào)速性能好和結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于電力驅(qū)動領(lǐng)域。但由于采用電子換向儀器代替?zhèn)鹘y(tǒng)機(jī)械電刷，給控制器的設(shè)計帶來很多困難，換向過程的電流波動容易干擾控制芯片，導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定，隨著控制策略的復(fù)雜程度提高，系統(tǒng)閉環(huán)控制周期變長也會導(dǎo)致控制系統(tǒng)的實時性降低[1?4]。為了有效解決上述問題，提高無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的控制精度和魯棒性，以及為研究電機(jī)控制算法提供良好的測試平臺，避免程序跑飛的可能性，本文采用FPGA平臺設(shè)計了無刷直流電機(jī)控制器，控制系統(tǒng)以FPGA為核心，采用硬件描述語言的方式控制無刷電機(jī)，硬件電路上則采用電氣隔離以提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。

1 控制器硬件電路設(shè)計

無刷直流電機(jī)控制器的硬件電路如圖1所示，主要由控制電路和電機(jī)驅(qū)動電路組成?？刂齐娐诽幚磙D(zhuǎn)速給定信號、各傳感器輸出信號，再由相應(yīng)的控制方法來實現(xiàn)無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，如電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速的增減以及啟動/停止等。電機(jī)驅(qū)動電路對控制電路的輸出信號進(jìn)行放大并隔離，實現(xiàn)由弱電控制強(qiáng)電[5]。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程圖

對于設(shè)計的無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速?電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制電路要完成如下功能：

（1） 采集電機(jī)運行狀態(tài)，如當(dāng)前電機(jī)轉(zhuǎn)速、電流及霍爾信號等，實現(xiàn)換相控制、PWM調(diào)制；

（2） 人機(jī)交互，實現(xiàn)電機(jī)啟動、停止、反轉(zhuǎn)以及給定速度、PI等參數(shù)設(shè)置，方便用戶控制和了解控制系統(tǒng)的運行狀態(tài)。

軟件設(shè)計采用模塊化的編程思想，將控制器系統(tǒng)總?cè)蝿?wù)分為速度采樣、電流采樣、電機(jī)驅(qū)動換相控制、PWM調(diào)制、人機(jī)交互及數(shù)字PI調(diào)節(jié)器等幾個功能模塊，各個模塊都通過硬件描述語言Verilog HDL實現(xiàn)。系統(tǒng)主程序流程如圖2所示，系統(tǒng)初始化主要包括時鐘初始化、LCD和VGA初始化設(shè)置、A/D初始化、PI和轉(zhuǎn)速參數(shù)設(shè)置等[6?7]。

2.2 參數(shù)設(shè)置模塊

參數(shù)設(shè)置模塊中的所有端口接收來自按鍵防抖模塊的電平信號，根據(jù)電平信號的上升沿以及相應(yīng)的組合修改電流、轉(zhuǎn)速PI參數(shù)的值，并將普通按鍵輸入的加減方向和暫停信號變成自鎖開關(guān)輸入。

2.3 堵轉(zhuǎn)保護(hù)和過電流保護(hù)模塊

在電機(jī)啟動瞬間，以40 ns為采樣間隔檢測由hall端口輸入的霍爾信號，若兩次采樣得到的霍爾信號不同，則內(nèi)部的計數(shù)器加1，通過設(shè)定計數(shù)器溢出值設(shè)定觸發(fā)報警的時間，本設(shè)計設(shè)定的時間為3 s。而電機(jī)母線電流經(jīng)過A/D實時轉(zhuǎn)換后與設(shè)定的電流最大值進(jìn)行判斷，若當(dāng)前時刻電機(jī)母線電流大于設(shè)定的限幅值，則在延遲時間2 ms內(nèi)報警，從而達(dá)到過電流保護(hù)的目的[8]。

2.4 速度檢測、PI運算模塊

速度檢測、PI運算模塊的輸入信號為光電編碼器的脈沖信號，光電編碼器轉(zhuǎn)一圈產(chǎn)生1 024個脈沖，若想精確度達(dá)到每分鐘一圈，則設(shè)采樣時間為[601 024=]0.058 593 75 s，在此時間內(nèi)接收到的光電編碼器的脈沖即為相應(yīng)每分鐘的轉(zhuǎn)速[9]。采樣時間由一個定時器控制，并在時序上設(shè)計對[ki]（轉(zhuǎn)速環(huán)積分參數(shù)）、[kp]（轉(zhuǎn)速環(huán)比例參數(shù)）、[cp]（電流環(huán)比例參數(shù)）、[ci]（電流環(huán)積分參數(shù)）和ad_in（電流采樣A/D轉(zhuǎn)換值）、rond（實時轉(zhuǎn)速）以及speedin（設(shè)定轉(zhuǎn)速）這幾個參與PI運算的數(shù)值的讀取設(shè)定在PI運算之前。經(jīng)過運算之后，從action端口輸出調(diào)節(jié)PWM占空比寄存器的增/減量值。轉(zhuǎn)速環(huán)輸出上限值即為電流環(huán)的最大輸入值，由此可保證電流超過轉(zhuǎn)速環(huán)的輸出上限值時，可進(jìn)行自動調(diào)節(jié)并維持在一定區(qū)間內(nèi)。

2.5 PWM生成及合成斬波模塊

占空比加減模塊如圖3所示，從erond端口輸入帶符號位的14位數(shù)值，通過其第一位符號位判斷對模塊內(nèi)占空比寄存器和其后13位進(jìn)行加法或者減法運算，并設(shè)置最大和最小差來限制占空比的最大值（96.3%）和最小值（23%）。為了便于電機(jī)的啟動，占空比寄存器的初始值為1 000，即33%的占空比。

PWM生成模塊如圖4所示，由占空比模塊得到的值從cont端口輸入，與其內(nèi)部隨著系統(tǒng)時鐘增加的計數(shù)器比較，若計數(shù)器值大于cont端口的輸入值，則輸出低電平；若小于cont端口的輸入值，則輸出高電平。其結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。

2.6 VGA液晶顯示模塊

VGA液晶顯示模塊如圖6所示。系統(tǒng)上電后，在VGA液晶顯示器上顯示坐標(biāo)軸，橫軸代表時間，單位為s，以0.1 s為最小刻度，顯示范圍為0～7 s；縱軸代表轉(zhuǎn)速，單位為r/min，以100 r/min為最小刻度，顯示范圍為0～5 000 r/min，紅色線條顯示由setrond端口輸入轉(zhuǎn)速的設(shè)定值，并以藍(lán)線顯示設(shè)定轉(zhuǎn)速的±2%和±5%位置。當(dāng)stop端口輸入高電平時，液晶顯示器上將會顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速隨時間變化的散點圖，時間間隔為0.1 s，同時chuan1和chuan2端口將會輸出相應(yīng)的脈沖，控制串口模塊每隔0.1 s輸出電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速值。若pause端口輸入高電平，則VGA液晶顯示器上顯示的散點圖會保持當(dāng)前顯示界面并不再刷新，同時串口也不再輸出電機(jī)轉(zhuǎn)速[10]。

3 實驗測試與分析

實驗采用48 V/500 W無刷直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)試，電機(jī)的額定負(fù)載電流為15 A，額定空載電流為1 A，額定轉(zhuǎn)速為4 500，調(diào)速范圍在0～5 900 r/min，通過人機(jī)交互實時進(jìn)行電機(jī)的啟/停、正/反轉(zhuǎn)和加減速等控制。經(jīng)測試，當(dāng)速度調(diào)節(jié)器參數(shù)[P=1.56，I=0.43，]電流調(diào)節(jié)器參數(shù)[P=1.37，][I=]0.87時，控制系統(tǒng)具有較好的魯棒性。圖7為電機(jī)空載工作時，不同調(diào)速階段下控制器的運行狀態(tài)。

由圖7（a）可以看出，電機(jī)從啟動到轉(zhuǎn)速上升至2 000 r/min階段，控制系統(tǒng)能在0.9 s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，然后保持在穩(wěn)態(tài)值的±2%范圍內(nèi)，系統(tǒng)的超調(diào)量為7.3%，穩(wěn)態(tài)誤差約為35。由圖7（b）可以看出，電機(jī)從2 000 r/min上升至5 000 r/min階段，控制系統(tǒng)能在0.8 s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，并且系統(tǒng)無超調(diào)量，穩(wěn)態(tài)誤差約為30；由圖7（c）可以得出，電機(jī)在1 s內(nèi)轉(zhuǎn)速從5 000 r/min快速下降至2 000 r/min，在1.5 s后保持在穩(wěn)態(tài)值的±2%范圍。由此可知，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠快速達(dá)到穩(wěn)態(tài)，并能精確控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。

4 結(jié) 語

本文采用FPGA實現(xiàn)無刷直流電機(jī)雙閉環(huán)PI調(diào)速控制，采用硬件描述語言Verilog HDL實現(xiàn)PWM、速度采樣、電機(jī)換相等模塊以及采用VGA顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)，實現(xiàn)了無刷直流電機(jī)控制器軟件和硬件的設(shè)計與制作，實驗結(jié)果表明控制器具有較高的控制精度和較好的穩(wěn)定性。

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