無刷直流電機驅(qū)動控制器的S0PC技術(shù)研究

作者：時間：2010-08-06 來源：網(wǎng)絡(luò)

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2 控制器的整體設(shè)計
隨著現(xiàn)代技術(shù)的進步，電機 驅(qū)動對控制器在快速性、實時性和準(zhǔn)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(lǐng)域有了廣闊的應(yīng)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(zhuǎn)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(qū)動控制器硬件邏輯設(shè)計結(jié)構(gòu)圖，其中各模塊均采用硬件邏輯設(shè)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(guān)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(dá)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(shè)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(jié)構(gòu)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(yīng)速度快、可現(xiàn)場編程等優(yōu)點，能夠應(yīng)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(shè)計鋸齒波發(fā)生器會比設(shè)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(shè)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。

本文引用地址：http://butianyuan.cn/article/162957.htm

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(guān)信號Th1～Th6(設(shè)計中開關(guān)管為低導(dǎo)通)，開關(guān)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(guān)管的6個狀態(tài)(與圖1對應(yīng))。

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(yīng)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(jié)構(gòu)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(shè)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(jié)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(jié)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(fù)責(zé)給定信號與反饋信號求差，將結(jié)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(jié)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(jié)果限值也在模塊中設(shè)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(jié)構(gòu)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(zhuǎn)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(guān)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(fù)關(guān)系，從而能夠準(zhǔn)確采樣瞬時電流，提高控制精度。