基于FPGA的無(wú)刷直流電機調速系統設計與實(shí)現

摘要：以FPGA為控制器，使用霍爾傳感器進(jìn)行電機電流及位置的檢測，用MOSFET搭接成的驅動(dòng)電路進(jìn)行控制電機的轉速和轉向，用VHDL語(yǔ)言設計了一種PWM調節電機速度的方法。通過(guò)對系統進(jìn)行理論分析以及調試，實(shí)現了電機電流、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(wú)刷直流電機具有結構簡(jiǎn)單、體積小、效率高、無(wú)級調速、調速范圍廣、過(guò)載能力強等優(yōu)點(diǎn)，在許多領(lǐng)域得到了廣泛的運用，特別是在高性能的伺服驅動(dòng)領(lǐng)域，在這些領(lǐng)域要求控制器體積小，還要求對多臺電機并行控制，單芯片大容量現場(chǎng)可編程門(mén)陣列(FPGA)能夠實(shí)現在系統芯片上實(shí)現多臺電機的復雜控制功能，大大減小了控制系統的體積。

本文提出了一種無(wú)刷直流電動(dòng)機速度控制器的方案，利用現場(chǎng)可編程門(mén)陣列FPGA芯片對電機控制器的進(jìn)行控制，設計了利用此控制器對無(wú)刷直流電機進(jìn)行調速控制的PWM方法。采用VHDL硬件描述語(yǔ)言實(shí)現了轉子位置檢測電路、驅動(dòng)電路和電流檢測電路，整個(gè)控制系統響應速度快、超調小、穩態(tài)誤差小、可靠性高、靈活性強。

1 無(wú)刷直流電機調速系統總體設計

1.1 無(wú)刷直流電機調速系統的方案論證

所謂無(wú)刷直流電機調速系統，其主要在于PWM調速方法的設計，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(gè)智能的控制器，而且系統需要的是簡(jiǎn)單高效，對于開(kāi)關(guān)控制以及信號處理的速度要求并不高，因此采用ALTERA公司的現場(chǎng)可編程門(mén)陣列CycloneIII FPGA芯片。

1.2 無(wú)刷直流電機調速系統設計思路

無(wú)刷直流電機調速系統以FPGA為中心，配有電流檢測模塊、位置檢測模塊、驅動(dòng)模塊、PWM調節等模塊，利用霍爾傳感器來(lái)檢測電機電流和電機轉子位置，把采集的信號送給FPGA進(jìn)行處理從而按照人為設定的電機初始速度來(lái)發(fā)出相應的加、減速和電機正、反轉命令并執行。

從系統總體框架圖中可以看出，系統主要由驅動(dòng)模塊、電流檢測模塊、位置檢測模塊以及PWM調節模塊。

無(wú)刷直流電機調速系統是這樣工作的：當打開(kāi)電機驅動(dòng)開(kāi)關(guān)時(shí)，電機開(kāi)始轉動(dòng)，此時(shí)位置檢測和電流檢測電路開(kāi)始工作以檢測電機速度，并將信號傳送給FPGA進(jìn)行處理，如果電機速度大于所需要的電機轉速，此時(shí)控制電機減速，反之則控制電機加速。在此期間，可以通過(guò)按動(dòng)按鍵來(lái)控制電機的正反轉。

2 無(wú)刷直流電機調速系統的硬件電路設計

2.1 無(wú)刷直流電機調速系統的電流檢測電路

采用基于霍爾效應的線(xiàn)性電流傳感器ACS712芯片進(jìn)行電流檢測，該器件內置有精確的低偏置的線(xiàn)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(jìn)行放大后送給FPGA，選用芯片LM321進(jìn)行信號放大，具體電路如圖2所示。

2.2 無(wú)刷直流電機調速系統的位置檢測電路

位置信號檢測可以用于電機的換相，還能用來(lái)計算電機轉速，在無(wú)刷直流電機控制中起著(zhù)十分重要的作用。本設計是采用三個(gè)霍爾位置傳感器來(lái)實(shí)現位置檢測的，每個(gè)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(gè)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(huì )出現六個(gè)上升沿和下降沿，正好把三路位置信號在一個(gè)周期分成6個(gè)區間，每個(gè)區間對應一個(gè)換相區間，而每個(gè)上升沿或下降沿都對應一個(gè)換相時(shí)刻，如圖4所示。

2.3 換相電路設計

根據無(wú)刷直流電機模塊中輸出的三相霍爾位置信號，以及無(wú)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(gè)電機換相及速度控制脈沖。輸入4個(gè)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(gè)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制的方式，邏輯關(guān)系構造邏輯換相模型如圖5。

2.4 無(wú)刷直流電機調速系統的驅動(dòng)電路

采用的是6個(gè)MOSFET搭建而成的三相橋式逆變器，MOSFET是開(kāi)關(guān)速度快的理想電壓控制器件，其驅動(dòng)電路較為簡(jiǎn)單，特別適合于各類(lèi)中小功率開(kāi)關(guān)電路。同時(shí)采用IR2132專(zhuān)用集成驅動(dòng)芯片，它是專(zhuān)為功率MOSFET驅動(dòng)而設計的，方便于控制電路連接，其驅動(dòng)信號延時(shí)為納秒級，開(kāi)關(guān)頻率高，體積小，外圍走線(xiàn)簡(jiǎn)單，適合中小型電機驅動(dòng)電路的應用。6個(gè)MOSFET根據所接收到的信號從而改變管子的通斷來(lái)控制電機的轉動(dòng)。

3 無(wú)刷直流電機調速系統的軟件設計

3.1 無(wú)刷直流電機PWM調速軟件設計

PWM調速產(chǎn)生電路是由加減計數器、5位二進(jìn)制計數器、數字比較器三部分組成。加減計數器做細分計數器，確定脈沖寬度。當U_D=1時(shí)，輸入CLK1，使設定值計數器的輸出值增加，PWM的占空比增加，電機轉速加快;當U_D=0，輸入CLK1，使設定值計數器的輸出值減小，PWM的占空比減小，電機轉速變慢。5位二進(jìn)制計數器在CLK0的作用下輸出周期性線(xiàn)性增加的鋸齒波。當計數值小于設定值時(shí)，數字比較器輸出高電平，當計數值大于設定值時(shí)，數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(jìn)入方向，當其為1時(shí)，電機正轉，否則反轉。設定START進(jìn)行電機的控制時(shí)，START為1電機開(kāi)始工作，為0電機停止工作。通過(guò)按鍵EN1的閉合與斷開(kāi)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。