基于FPGA的無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

摘要：以FPGA為控制器，使用霍爾傳感器進行電機電流及位置的檢測，用MOSFET搭接成的驅(qū)動電路進行控制電機的轉速和轉向，用VHDL語言設計了一種PWM調(diào)節(jié)電機速度的方法。通過對系統(tǒng)進行理論分析以及調(diào)試，實現(xiàn)了電機電流、位置的檢測并控制電機速度和轉向從而達到要求的速度和方向。

無刷直流電機具有結構簡單、體積小、效率高、無級調(diào)速、調(diào)速范圍廣、過載能力強等優(yōu)點，在許多領域得到了廣泛的運用，特別是在高性能的伺服驅(qū)動領域，在這些領域要求控制器體積小，還要求對多臺電機并行控制，單芯片大容量現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)能夠?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)芯片上實現(xiàn)多臺電機的復雜控制功能，大大減小了控制系統(tǒng)的體積。

本文提出了一種無刷直流電動機速度控制器的方案，利用現(xiàn)場可編程門陣列FPGA芯片對電機控制器的進行控制，設計了利用此控制器對無刷直流電機進行調(diào)速控制的PWM方法。采用VHDL硬件描述語言實現(xiàn)了轉子位置檢測電路、驅(qū)動電路和電流檢測電路，整個控制系統(tǒng)響應速度快、超調(diào)小、穩(wěn)態(tài)誤差小、可靠性高、靈活性強。

1 無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)總體設計

1.1 無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的方案論證

所謂無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)，其主要在于PWM調(diào)速方法的設計，目的是改變脈沖的占空比。其核心在于智能控制，需要選擇一個智能的控制器，而且系統(tǒng)需要的是簡單高效，對于開關控制以及信號處理的速度要求并不高，因此采用ALTERA公司的現(xiàn)場可編程門陣列CycloneIII FPGA芯片。

1.2 無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)設計思路

無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)以FPGA為中心，配有電流檢測模塊、位置檢測模塊、驅(qū)動模塊、PWM調(diào)節(jié)等模塊，利用霍爾傳感器來檢測電機電流和電機轉子位置，把采集的信號送給FPGA進行處理從而按照人為設定的電機初始速度來發(fā)出相應的加、減速和電機正、反轉命令并執(zhí)行。

從系統(tǒng)總體框架圖中可以看出，系統(tǒng)主要由驅(qū)動模塊、電流檢測模塊、位置檢測模塊以及PWM調(diào)節(jié)模塊。

無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)是這樣工作的：當打開電機驅(qū)動開關時，電機開始轉動，此時位置檢測和電流檢測電路開始工作以檢測電機速度，并將信號傳送給FPGA進行處理，如果電機速度大于所需要的電機轉速，此時控制電機減速，反之則控制電機加速。在此期間，可以通過按動按鍵來控制電機的正反轉。

2 無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的硬件電路設計

2.1 無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的電流檢測電路

采用基于霍爾效應的線性電流傳感器ACS712芯片進行電流檢測，該器件內(nèi)置有精確的低偏置的線性霍爾傳感器電路，能輸出與檢測的交流或直流電流成比例的電壓?？梢跃?/p>

確的檢測電機電流，但由于霍爾元件檢測的信號非常小，所以要將采集的信號進行放大后送給FPGA，選用芯片LM321進行信號放大，具體電路如圖2所示。

2.2 無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的位置檢測電路

位置信號檢測可以用于電機的換相，還能用來計算電機轉速，在無刷直流電機控制中起著十分重要的作用。本設計是采用三個霍爾位置傳感器來實現(xiàn)位置檢測的，每個霍爾位置傳感器輸出脈寬180°互差120°相位的霍爾位置信號，三個霍爾位置傳感器輸出三路位置信號，電機每旋轉360°電角度會出現(xiàn)六個上升沿和下降沿，正好把三路位置信號在一個周期分成6個區(qū)間，每個區(qū)間對應一個換相區(qū)間，而每個上升沿或下降沿都對應一個換相時刻，如圖4所示。

2.3 換相電路設計

根據(jù)無刷直流電機模塊中輸出的三相霍爾位置信號，以及無刷直流電機速度控制模塊輸出的PWM信號，邏輯換相模塊輸出6個電機換相及速度控制脈沖。輸入4個信號，分別是三相霍爾位置信號(HA、HB、HC)和由控制模塊輸出PWM信號。6個輸出信號VT1～VT6控制三相逆變器功率管的通斷，其中VT1、VT3、VT5用于控制上側功率管的通斷，VT2、VT4、VT6用于控制下側功率管的通斷。三相逆變橋采用上管調(diào)制的方式，邏輯關系構造邏輯換相模型如圖5。

2.4 無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的驅(qū)動電路

采用的是6個MOSFET搭建而成的三相橋式逆變器，MOSFET是開關速度快的理想電壓控制器件，其驅(qū)動電路較為簡單，特別適合于各類中小功率開關電路。同時采用IR2132專用集成驅(qū)動芯片，它是專為功率MOSFET驅(qū)動而設計的，方便于控制電路連接，其驅(qū)動信號延時為納秒級，開關頻率高，體積小，外圍走線簡單，適合中小型電機驅(qū)動電路的應用。6個MOSFET根據(jù)所接收到的信號從而改變管子的通斷來控制電機的轉動。

3 無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)的軟件設計

3.1 無刷直流電機PWM調(diào)速軟件設計

PWM調(diào)速產(chǎn)生電路是由加減計數(shù)器、5位二進制計數(shù)器、數(shù)字比較器三部分組成。加減計數(shù)器做細分計數(shù)器，確定脈沖寬度。當U_D=1時，輸入CLK1，使設定值計數(shù)器的輸出值增加，PWM的占空比增加，電機轉速加快;當U_D=0，輸入CLK1，使設定值計數(shù)器的輸出值減小，PWM的占空比減小，電機轉速變慢。5位二進制計數(shù)器在CLK0的作用下輸出周期性線性增加的鋸齒波。當計數(shù)值小于設定值時，數(shù)字比較器輸出高電平，當計數(shù)值大于設定值時，數(shù)字比較器輸出低電平，從而產(chǎn)生周期性的PWM波形。設定ZF為電機的方向按鍵，選擇PWM波形的進入方向，當其為1時，電機正轉，否則反轉。設定START進行電機的控制時，START為1電機開始工作，為0電機停止工作。通過按鍵EN1的閉合與斷開可以改變初始值，從而改變直流電機的PWM占空比，改變直流電機速度。