基于FPGA的三相直流無(wú)刷電動(dòng)機變頻控制的遠洋捕撈裝置電路設計
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項目及可行性分析
項目主要內容：遠洋捕撈裝置在實(shí)際的運行過(guò)程中要具有根據魷魚(yú)重量的大小而自動(dòng)調節為加速或減速狀態(tài)的功能，并且要具有計量釣繩長(cháng)度的能力以實(shí)現當釣繩被全部卷起時(shí)釣機自動(dòng)停止的功能。
本項目采用FPGA控制三相直流電機，利用其中的EAB可以構成存放電機各相電流所需的控制波形數據表和利用FPGA設計的數字比較器可以同步產(chǎn)生多路PWM電流波形，對三相直流電機進(jìn)行靈活控制，從而滿(mǎn)足遠洋捕撈裝置在實(shí)際運行過(guò)程中的所需。
創(chuàng )新性：使用XLINX公司的FPGA、功率器件智能模塊IPM PS21865 和霍爾傳感位置偵測，實(shí)現直流無(wú)刷電動(dòng)機驅動(dòng)和調速，直流無(wú)刷電動(dòng)機BLDC采用電子換向器替代了傳統直流電動(dòng)機的機械換向裝置，克服了電刷和換向器所引起的噪聲、火花、電磁干擾、壽命短等弊病。直流無(wú)刷電動(dòng)機既具備交流電動(dòng)機的結構簡(jiǎn)單、運行可靠、維護方便等。而這些用傳統的單片機和DSP的控制都難以達到同樣的控制效果。
實(shí)用性：使用FPGA實(shí)現多路PWM控制，無(wú)須外接D/A轉換器，使外圍控制電路大大簡(jiǎn)化，控制方式簡(jiǎn)潔，控制精度高、控制效果好；控制器采用通用的微控制器AT89S51，技術(shù)成熟，成本低廉。
可實(shí)現性：
FPGA模塊設計是通過(guò)查詢(xún)ROM的方式，獲取所存儲的PWM波形數據，再經(jīng)由數字比較器產(chǎn)生相應的PWM波形輸出。FPGA模塊在接收到控制器AT89S51模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的命令后，通過(guò)對地址計數器進(jìn)行控制而獲取不同PWM波形數據，可以輸出三相直流電機的旋轉方向、轉動(dòng)速度、工作/停止狀態(tài)的控制信號。
IPM模塊對FPGA模塊輸出的控制信號進(jìn)行功率放大，從而實(shí)現對三相直流電機速度的控制。同時(shí)，IPM模塊也會(huì )返回三相直流電機的過(guò)載保護和出錯保護信號到控制器AT89S51模塊，控制器模塊在接收到過(guò)載保護和出錯保護信號之后會(huì )向FPGA模塊發(fā)出中止命令，FPGA模塊根據命令中止三相直流電機的運轉，從而起到保護電機的作用。
項目實(shí)施方案
方案基本結構圖
圖3-1
方案描述
目前大多數遠洋漁船配備的遠洋捕撈裝置電源控制，仍是采用以往的穩恒輸出方式，即電源控制電動(dòng)機的信號穩定，以實(shí)現勻速控制釣線(xiàn)裝置。在實(shí)際應用過(guò)程當中暴露出很多問(wèn)題，傳統的控制方式不能自動(dòng)應對一些特殊情況，比如捕撈魚(yú)類(lèi)數量突然增多造成釣機過(guò)載，或者由于脫落造成捕撈裝置空載，以及釣線(xiàn)裝置已經(jīng)回收結束，電動(dòng)機不能自動(dòng)停止，這時(shí)候無(wú)法及時(shí)變頻控制電動(dòng)機的電源輸出，極容易發(fā)生事故。所以電動(dòng)機變頻及控制的問(wèn)題需要得到及時(shí)解決。我們小組成員計劃利用FPGA技術(shù)，設計一個(gè)三相直流無(wú)刷電動(dòng)機變頻控制的遠洋捕撈裝置電路。以達到靈活智能控制釣線(xiàn)裝置，應對特殊情況。
直流電機無(wú)刷控制原理
電動(dòng)機的定子繞組多做成三相對稱(chēng)星形接法，與三相異步電動(dòng)機十分相似。電動(dòng)機的轉子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動(dòng)機轉子的極性，在電動(dòng)機內裝有位置傳感器。驅動(dòng)器由功率電子器件和集成電路等構成，功能是：接受電動(dòng)機的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號，以控制電動(dòng)機的啟動(dòng)、停止和制動(dòng)；接受位置傳感器信號和正反轉信號，用來(lái)控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續轉矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來(lái)控制和調整轉速；提供保護和顯示等。直流無(wú)刷電動(dòng)機的控制原理簡(jiǎn)圖如圖3-2 。
圖3-2 直流無(wú)刷電動(dòng)機的控制原理簡(jiǎn)圖
主電路是一個(gè)典型的電壓型交-直-交電路，逆變器提供等幅等頻5－24KHz調制波的對稱(chēng)交變矩形波。永磁體N-S交替交換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差120°的H3、H2、H1方波，從而產(chǎn)生有效的六狀態(tài)編碼信號：010、011、001、101、100、110，通過(guò)邏輯組件處理產(chǎn)生V6－V1導通、V5－V6導通、V4－V5導通、V3－V4導通、V2－V3導通、V1－V2導通，也就是說(shuō)將直流母線(xiàn)電壓依次加在U－>V、W－>V、W－>U、V－>U、V－>W、U－>W上，這樣轉子每轉過(guò)一對N-S極，V1、V2、V3、V4、V5、V6各功率管即按固定組合成六種狀態(tài)的依次導通。每種狀態(tài)下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態(tài)，定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)軸線(xiàn)在空間轉動(dòng)60°電角度，轉子跟隨定子磁場(chǎng)轉動(dòng)相當于60°電角度空間位置，轉子在新位置上，使位置傳感器U、V、W按約定產(chǎn)生一組新編碼，新的編碼又改變了功率管的導通組合，使定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)軸再前進(jìn)60°電角度，如此循環(huán)，直流無(wú)刷電動(dòng)機將產(chǎn)生連續轉矩，拖動(dòng)負載作連續旋轉。
本方案采用120度方波的算法驅動(dòng)IPM的內置IGBT從而來(lái)驅動(dòng)直流無(wú)刷電動(dòng)機。對IGBT信號的分配必然和電動(dòng)機的位置有著(zhù)緊密的聯(lián)系，從BLDC的霍爾傳感器反饋回來(lái)的位置信號經(jīng)過(guò)編碼后是：010、011、001、101、100和110六種狀態(tài)，所以可以根據這六種位置狀態(tài)信息來(lái)分配IGBT的驅動(dòng)信號。在這里我們優(yōu)先選用了IGBT的上橋臂用分配PWM信號，下橋臂分配高低電平的驅動(dòng)方式，所以可以通過(guò)改變上橋臂PWM的占空比來(lái)改變加在直流無(wú)刷電動(dòng)機上的端電壓。信號分配和位置關(guān)系如圖3-3所示。
圖3-3 轉子位置驅動(dòng)信號關(guān)系
其中：V1、V2、V3、V4、V5和V6表示IGBT組成的三相全控橋電路，上橋的V1、V3和V5三個(gè)功率管，下橋的V2、V4和V6三個(gè)功率管，分別控制這U、V和W三相直流電的流向，如圖1－1所示連接方式。H1、H2和H3是霍爾傳感器的三個(gè)信號出線(xiàn)。
如果正轉的位置信號和驅動(dòng)信號的關(guān)系如圖2所示：010（H3 H2 H1）V6－V1、011（H3 H2 H1）V5－V6、001（H3 H2 H1）V4－V5、101（H3 H2 H1）V3－V4、100（H3 H2 H1）V2－V3、110（H3 H2 H1）V1－V2的順序來(lái)?yè)Q流的話(huà)，那幺我們可以同樣根據位置信號給出反轉時(shí)驅動(dòng)信號的換流關(guān)系。即：001（H3 H2 H1）V1－V2、011（H3 H2 H1）V2－V3、010（H3 H2 H1）V3－V4、110（H3 H2 H1）V4－V5、100（H3 H2 H1）V5－V6、101（H3 H2 H1）V6－V1。具體電機的相序一定要搞清楚，如果換流不對或不當的話(huà)直流無(wú)刷電動(dòng)機就會(huì )左右振動(dòng)根本旋轉不起來(lái)，或者電流很大且電流波形是不對的。
通過(guò)上述控制信號來(lái)控制各個(gè)功率管的on/off，使得電流依序流入U、V、W三相線(xiàn)圈，而在直流無(wú)刷電動(dòng)機的內部產(chǎn)生旋轉磁場(chǎng)，如圖3-4所示，指出了在控制信號的作用下各相的電壓、電流方向的關(guān)系。
圖3-4 電流時(shí)序
在控制功率組件的信號中加入PWM，調整PWM的占空比，即輸出PWM的Duty，使得調整輸入電動(dòng)機的端電壓的大小，進(jìn)而控制直流無(wú)刷電動(dòng)機的轉速，其中控制信號PWM的加入有四種方式：上相PWM、下相PWM、前半PWM和后半PWM。如圖3-5所示。
（a）上相PWM
（b）下相PWM
（c）前半PWM
（d）后半PWM
圖3-5 PWM加入方式
FPGA調制PWM波形原理
擬采用FPGA控制三相直流電機，利用其中的EAB可以構成存放電機各相電流所需的控制波形數據表和利用FPGA設計的數字比較器可以同步產(chǎn)生多路PWM電流波形，對三相直流電機進(jìn)行靈活控制。使用FPGA實(shí)現多路PWM控制，無(wú)須外接D/A轉換器，使外圍控制電路大大簡(jiǎn)化，控制方式簡(jiǎn)潔，控制精度高、控制效果好。用單片機和DSP的控制都難以達到同樣的控制效果。
FPGA模塊設計是由PWM計數器、波形ROM地址計數器、PWM波形ROM存儲器、比較器等模塊組成。其中，PWM計數器在脈寬時(shí)鐘作用下遞增計數，產(chǎn)生階梯形上升的周期性鋸齒波，同時(shí)加載到各數字比較器的一端；PWM波形ROM輸出的數據分別加載到各數字比較器的另一端。當PWM計數器的計數值小于波形ROM輸出數值時(shí)，比較器輸出低電平；當PWM計數器的計數值大于波形ROM輸出數值時(shí)，比較器輸出高電平。由此可輸出周期性的PWM波形。根據三相直流電機對電流波形的要求，將各個(gè)時(shí)刻細分電流波形所對應的數值存放于波形ROM中，波形ROM的地址由地址計數器產(chǎn)生。通過(guò)對地址計數器進(jìn)行控制，可以改變三相直流電機的旋轉方向、轉動(dòng)速度、工作/停止狀態(tài)。
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