無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器的S0PC技術(shù)研究
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隨著現(xiàn)代技術(shù)的進(jìn)步，電機(jī)驅(qū)動(dòng)對(duì)控制器在快速性、實(shí)時(shí)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(kāi)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(wú)刷直流電機(jī)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(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器硬件邏輯設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)圖，其中各模塊均采用硬件邏輯設(shè)計(jì)完成，模塊之間使用串行連接，霍爾信號(hào)Sa，Sb，Sc經(jīng)過(guò)換相控制模塊輸出6路開(kāi)關(guān)管信號(hào)，同時(shí)經(jīng)過(guò)位置與速度檢測(cè)模塊計(jì)算得到速度反饋轉(zhuǎn)速n并與速度給定Speed_Ref一起經(jīng)過(guò)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(guò)電流檢測(cè)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(guò)電流調(diào)節(jié)器輸出占空比信號(hào)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(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)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(jì)
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?yàn)樽匀徊蓸臃ㄗ钅苷鎸?shí)反映PWM的控制思想，效果最好。該發(fā)生器采用現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列實(shí)現(xiàn)，具有接口簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、可現(xiàn)場(chǎng)編程等優(yōu)點(diǎn)，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(lái)講設(shè)計(jì)鋸齒波發(fā)生器會(huì)比設(shè)計(jì)三角波發(fā)生器使用更少的組合邏輯資源，有利于時(shí)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(guò)例化：FPGA的底層子元件，在該比較器內(nèi)部插入了一級(jí)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(guò)長(zhǎng)的進(jìn)位鏈帶來(lái)的延遲問(wèn)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(hào)的狀態(tài)(見(jiàn)圖1)，以組合邏輯的形式輸出六路開(kāi)關(guān)信號(hào)Th1～Th6(設(shè)計(jì)中開(kāi)關(guān)管為低導(dǎo)通)，開(kāi)關(guān)管Th1，Th3，Th5接收來(lái)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(shí)序仿真波形如圖5所示，圖中1～6表示了一個(gè)霍爾信號(hào)周期內(nèi)開(kāi)關(guān)管的6個(gè)狀態(tài)(與圖1對(duì)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(shí)現(xiàn)PI調(diào)節(jié)器，即用數(shù)字電路來(lái)實(shí)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(shí)時(shí)性，同時(shí)基本消除計(jì)算機(jī)給控制系統(tǒng)帶來(lái)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(hào)，k=O，1，2，…；u(k)為第k次采樣時(shí)刻的輸出值；u(k-1)為第(k-1)次采樣時(shí)刻的輸出值；e(k)為第k次采樣時(shí)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(jì)中的Clk為時(shí)鐘信號(hào)，Ref為給定信號(hào)，F(xiàn)db為反饋信號(hào)，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(hào)數(shù)表示，KP和KI為PI參數(shù)，模塊中的整體運(yùn)算均采用先對(duì)數(shù)據(jù)符號(hào)進(jìn)行判斷，然后再進(jìn)行普通的計(jì)算，運(yùn)算結(jié)果的符號(hào)由以前得出的數(shù)據(jù)符號(hào)確定。時(shí)序控制子模塊用來(lái)控制調(diào)節(jié)器中其他模塊的運(yùn)算順序；求偏差模塊負(fù)責(zé)給定信號(hào)與反饋信號(hào)求差，將結(jié)果輸出給比例模塊和積分模塊；比例模塊實(shí)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(shí)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(shí)計(jì)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(cè)模塊
電流反饋檢測(cè)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(gè)通道，每個(gè)通道又有兩個(gè)輸入端(VA1，VA2與VB1，VB2)，兩個(gè)輸入端可以同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)使用A通道的兩個(gè)輸入端分別對(duì)A相和B相電流進(jìn)行采樣。AD控制器輸出信號(hào)Ia_Fin和Ib_Fin分別為A相和B相電流，經(jīng)過(guò)濾波電路輸出給多路選擇器，多路選擇器根據(jù)開(kāi)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(shí)電流，提高控制精度。
根據(jù)AD7862采樣時(shí)序圖，AD控制器控制AD芯片工作，可以通過(guò)AD控制器調(diào)節(jié)AD的采樣頻率，最大到250KSPS，本模塊采樣頻率設(shè)置100 KSPS進(jìn)行驗(yàn)證。其仿真波形符合AD7862的采樣時(shí)序圖，并通過(guò)了測(cè)試。圖8為AD控制器的時(shí)序仿真波形。
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評(píng)論