CN104716872B - 基于fpga的bldc电机电流控制中事件驱动方法及电动机控制器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于FPGA的BLDC电机电流控制中事件驱动方法，通过图形用户界面（GUI）升级后的机电一体化系统的事件驱动控制系统。该系统的主要优点是安全性及稳健性，实效性和用户友好性。机电一体化系统可以满足不同的控制要求，包括对电机的速度和位置的控制，附加的外部信号则根据不同的控制要求而被选择使用。三相无刷直流（BLDC）电机主要用于那些要求高效率，良好的动力，低维修率，以及很宽转速和转矩范围的驱动器。三相逆变器的输出电压幅值和相位设置为与电机三相电压参数相同,本发明还公开一种实现该方法的电动机控制器。

Description

基于FPGA的BLDC电机电流控制中事件驱动方法及电动机控 制器

技术领域

本发明涉及无刷直流电机设计与应用技术，尤其涉及一种基于FPGA的BLDC电机电流控制中事件驱动方法，更涉及一种实现该方法的电动机控制器。

背景技术

由于系统的高动力学和复杂性，在过去的几年中现场可编程门阵列（FPGA）在机电系统领域内被越来越多地使用。 FPGA因其周期短和并行运行的工艺给机电一体化系统的控制和保护带来了一种新的方法。

发明内容

本发明的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种基于FPGA的BLDC电机电流控制中事件驱动方法及实现该方法的电动机控制器，有效解决上述技术问题。

为有效解决上述问题，本发明采取的技术方案如下：

基于FPGA的BLDC电机电流控制中事件驱动方法，该方法包括以下步骤：

（1）任务调度和行动规划：设置控制监视器，FSM定义状态转换之间所有可能的方向实现导向，并同时通过控制监视器与用户进行通信；

（2）运动控制：设置电力驱动装置执行机电系统的目标动作；

（3）BLDC电机控制：设置三相逆变器匹配控制使用连续和不连续信号组合的BLDC电机；

（4）接口：基于三相逆变器设置接口，在每条支路设置两个由电压矢量的分量控制的交替使能开关；

（5）数据加密算法：设定逻辑门的滞环电流控制器，将算法用于确定电压扇区，然后电压扇区则被用来定义合适的输出矢量。

特别的，所述步骤（1）还包括以下步骤：

（1-1）电流幅值、电机转速、直流母线电压和限位开关由控制监视器来监视，控制监视器在任何一个测量值处于临界时，有效处理参数值和参考值；如果系统过载，控制监视器立即启动保护程序来保护系统，保护算法从参数值和参考值的修改开始，如果修改参数值和参考值后未能解决问题，那么控制监视器将立即初始化逆变器；

（1-2）导向功能决定机电一体化系统的运行模式，其中三个模式包括准备，运行及错误，该三个模式是监视功能的离散状态，其中，

开始：初始化模式被激活，系统初始化完成之后，主开关接通，状态改变为准备；

运行：允许所有变化的参数值与参考值进行改变，在准备，运行，停止这三种状态中不间断的监测相电流，逆变器电压，限位开关和转子速度；

错误：若上述相电流，逆变器电压，限位开关和转子速度值中任一值超出允许范围，进入警告模式，进入重置状态、准备状态或错误状态。

特别的，所述步骤（2）还包括以下步骤：

设置电力驱动装置执行机电系统的目标动作，根据最大速度、力及其外部条件来确定是否被选择使用，所述驱动装置由附加增量式编码器的BLDC电机和传动装置组成，且该驱动装置三个部位的开关分别为：基准开关和两个限位开关。

特别的，所述步骤（3）还包括以下步骤：

设置三相逆变器匹配控制使用连续和不连续信号组合的BLDC电机，电流、电压、转速、位置和温度的测量信号是连续的，而停止开关，限位开关和三相逆变器中的开关测量信号是不连续的；通过检测三相电机电流来估算轴转矩，将电机看做是三相逆变器的组合，则无刷直流电机（BLDC）的电流方程为：

其中表示三相电流中的相电流，是相电压，是电动势，是电阻，为电机绕组的电感；BLDC电机的电流控制跟踪三相电流基准信号，电流控制误差定义为；然后上述方程便可以根据误差动力学改写为下式：

电流信号，转速，和电动势是连续的,相电压() 是不连续的，其是电压型逆变器（VSI）的开关状态组合的结果。

特别的，所述步骤（4）还包括以下步骤：

通过考虑定子电压的空间矢量表示法，该电压是一个围绕其原点旋转的矢量，三相逆变器的六个活动电压矢量表示有源输出电压矢量。

特别的，所述步骤（5）还包括以下步骤：

确定电压扇区，然后电压扇区则被用来定义合适的输出矢量，电压扇区根据定子电压的值得出，在电压源变换器中，对应于输出电压矢量的值，活动的矢量经过二阶锁相环滤波器PLL滤波后，便被用来选择电压扇区，所述电压扇区作为条件，电流误差信号作为事件，然后用状态转换表来定义一个新的输出矢量。

一种实现上述方法的电动机控制器，包括交互连接的驱动模块、电流控制器、速度控制器及控制监视器，其中，所述驱动模块由模数转换及数模转换的管理模块连接速度位置测量模块和串行模块组成，所述电流控制器包含一个附加FSM的经典滞环电流控制器及一个二阶锁相滤波器。

特别的，包括一控制系统，该控制系统包括多个单一模块，其在VHDL中由数据通路和控制单元编码组成，数据通路由加法器、乘法器、多路复用器和寄存器组成，所述控制监视器之间的数据传输通过由时钟信号同步的控制单元进行管理。

本发明的有益效果：

1.机电一体化系统的事件驱动控制已经在现场可编程门阵列（FPGA）平台上实现。监视器提供了强大的，安全的，透明的控制，其中有限状态机（FSM）定义了用于所有可能方向的状态实现。为了使监视器更加透明，FSM被分为三个主要部分，监视器通过图形用户界面（GUI）性能得到提升，其可以直接显示FSM的状态。为使系统变得功能强大，其接口额外增加了逻辑I / O信号接口。

2.监视器基于FPGA平台，为了基本的电机控制而并行运行。本文介绍了一种基于比例 - 积分速度控制器升级后的稳定无刷直流电机（BLDC）电流控制器。通过图形用户界面（GUI）升级后的机电一体化系统的事件驱动控制系统。

3.该系统的主要优点是其安全性及稳健性，实效性和用户友好性。机电一体化系统可以满足不同的控制要求，包括对电机的速度和位置的控制，附加的外部信号则根据不同的控制要求而被选择使用。三相无刷直流（BLDC）电机主要用于那些要求高效率，良好的动力，低维修率，以及很宽的转速和转矩范围的驱动器。

4.三相逆变器的输出电压幅值和相位设置为与电机三相电压参数相同。 系统的三个部分（电机，逆变器和控制器）组合后应用于控制机电系统。设计人员通过采用有限状态机（FSM）为在FPGA平台上的算法实现提供了一个简单的解决方法，FSM已经定义了涵盖所有可能方向的状态实现。三个主要颜色（绿色，黄色和红色）的信号灯使得该系统变得透明直观。

系统和用户之间的通信是通过GUI给用户显示FSM的实际状态来实现的。由于控制器和快速响应的管理器，系统的响应时间非常快，数字信号处理器（DSP）或可编程逻辑控制器通常用于这些类型的实现。用于控制器的FPGA和监视器的使用解决了控制器响应速度慢而导致的各种问题。相对于指令是顺序执行的DSP，FPGA是一种指令并行运行的逻辑元件，并且它的使用要求传函的算法描述要被逻辑和顺序等描述语言替代，这种工艺对于控制器的实现便要求了一种新的方法。由此，FPGA的使用将算法执行时间从微妙级缩短到了纳秒级。

下面结合附图对本发明进行详细说明。

附图说明

图1是本发明公开的基于FPGA的BLDC电机电流控制中事件驱动方法的系统架构图；

图2是本发明公开的基于FPGA的BLDC电机电流控制中事件驱动方法中控制监视器控制原理图；

图3是本发明公开的基于FPGA的BLDC电机电流控制中事件驱动方法中电机控制原理示意图；

图4是本发明公开的基于FPGA的BLDC电机电流控制中事件驱动方法中接口实现的控制原理图；

图5是本发明公开的基于FPGA的BLDC电机电流控制中事件驱动方法中接口实现的又一控制原理图；

图6是本发明公开的基于FPGA的BLDC电机电流控制中事件驱动方法中电动机控制器结构示意图。

具体实施方式

实施例1：

在本实施例中，VHDL的编写是在Xilinx集成软件环境（ISE）中完成的。 ISE是一种以FPGA或CPLD（复杂可编程逻辑器件）为对象，用于创建、仿真和实现数字设计的工具。该软件体系为了透明度被分为多个单一模块，其在VHDL中由数据通路和控制单元编码组成。数据通路由加法器、乘法器、多路复用器和寄存器组成。控制监视器之间的数据传输是通过由时钟信号同步的控制单元进行管理的。

该系统在Xilinx 的XC3S1200E系列上正常运行所占用的资源为：8672切片占用3553（40％），28块RAM占用3块，8个数字时钟管理器占用3个，28个18位乘法器占用18个。

实验是在围绕具有120万逻辑门的Xilinx Spartan 3E 系列FPGA创建的的Nexys2平台上进行的。考虑到具体的电机控制应用，额外增加了一个具有ADC（AD7266）和DAC（2×LTC1446）的用户界面，一个编码器（DS34C86）和一个带有电流传感器（HX-03-P）的三相桥。

控制对象是一个额定电压24V、机械时间常数6.62ms、额定功率80W的BLDC。因为这种电机使用无铁芯转子，所以其电气时间常数非常低，只有163。一个具有可开断端接电阻器的直流电动机被用于机械负荷。控制器连接到了一个拥有FPGA开发环境以及同时拥有参数设置、数据收集、显示功能的在线GUI的PC机上。

如图1-5所示，本实施例提供的基于FPGA的BLDC电机电流控制中事件驱动方法包括以下步骤：

（1）任务调度和行动规划：设置控制监视器，FSM定义状态转换之间所有可能的方向实现导向，并同时通过控制监视器与用户进行通信；电流幅值、电机转速、直流母线电压和限位开关由控制监视器来监视，控制监视器在任何一个测量值处于临界时，有效处理参数值和参考值；如果系统过载，控制监视器立即启动保护程序来保护系统，保护算法从参数值和参考值的修改开始，如果修改参数值和参考值后未能解决问题，那么控制监视器将立即初始化逆变器；导向功能决定机电一体化系统的运行模式，其中三个模式包括准备，运行及错误，该三个模式是监测功能的离散状态，其中，

开始：初始化模式被激活，系统初始化完成之后，主开关接通，状态改变为准备；

运行：允许所有可变化的参数值与参考值改变，在准备，运行，停止这三种状态中不间断的监测相电流，逆变器电压，限位开关和转子速度；

错误：若上述相电流，逆变器电压，限位开关和转子速度值中任一值超出允许范围，进入警告模式，进入重置状态、准备状态或错误状态。

（2）运动控制：设置电力驱动装置执行机电系统的目标动作，根据最大速度、力及外部条件来确定是否被选择使用，所述驱动装置由附加增量式编码器的BLDC电机和传动装置组成，且该驱动装置三个部位的开关分别为：基准开关和两个限位开关。

（3）BLDC电机控制：设置三相逆变器匹配控制使用连续和不连续信号组合的BLDC电机，电流、电压、转速、位置和温度的测量信号是连续的，而停止开关，限位开关和三相逆变器中的开关测量信号是不连续的；通过检测三相电机电流来估算轴转矩，将电机看做是三相逆变器的组合，则无刷交流电机（BLDC）的电流方程为：

其中表示三相电流中的相电流，是相电压，是电动势，是电阻，为电机绕组的电感；BLDC电机的电流控制跟踪三相电流基准信号，电流控制误差定义为；然后上述方程便可以根据误差动力学改写为下式：

电流信号，转速，和电动势是连续的,相电压() 是不连续的，其是电压型逆变器（VSI）的开关状态组合的结果。

（4）接口：基于三相逆变器设置接口，在每条支路设置两个由电压矢量的分量控制的交替使能开关；通过考虑定子电压的空间矢量表示法，该电压是一个围绕其原点旋转的矢量，三相逆变器的六个活动电压矢量表示有源输出电压矢量。每条支路都有两个由电压矢量的分量控制的交替使能开关。当信号为“1”，上面的开关被使能，并且相电压。下面的开关被使能时信号电平为“0”，此时相电压为。

三条支路各有两个输出，因此可完成种不同的组合。通过考虑定子电压的空间矢量表示法，可发现该电压是一个围绕其原点旋转的矢量。三相逆变器的六个活动电压矢量表示有源输出电压矢量，表示为，，...，，矢量和是两个零电压矢量。

（5）数据加密算法：设定逻辑门的滞环电流控制器，将算法用于确定电压扇区，然后电压扇区则被用来定义合适的输出矢量。确定电压扇区，然后电压扇区则被用来定义合适的输出矢量，电压扇区根据定子电压的值得出，在电压源变换器中，对应于输出电压矢量的值，变化的矢量经过二阶锁相环滤波器PLL滤波后，便被用来选择电压扇区，所述电压扇区作为条件，电流误差信号作为事件，然后用状态转换表来定义一个新的输出矢量。

申请人声明，所属技术领域的技术人员在上述实施例的基础上，将上述实施例某步骤，与发明内容部分的技术方案相组合，从而产生的新的方法或结构，也是本发明的记载范围之一，本申请为使说明书简明，不再罗列这些步骤的其它实施方式。

如图6所示，一种实现上述方法的电动机控制器，包括交互连接的驱动模块、电流控制器、速度控制器及控制监视器，其中，所述驱动模块由模数转换及数模转换的管理模块连接速度位置测量模块和串行模块组成，所述电流控制器包含一个附加FSM的经典滞环电流控制器及一个二阶锁相滤波器。

包括一控制系统，该控制系统包括多个单一模块，其在VHDL中由数据通路和控制单元编码组成，数据通路由加法器、乘法器、多路复用器和寄存器组成，所述控制监视器之间的数据传输通过由时钟信号同步的控制单元进行管理。

该实施例的主要技术应用：

控制监视器在FSM中实现，该FSM定义了所有可能方向的运行，并实现了一定的转换。特别值得关注的是一个可以很好显示FSM控制监视器状态的透明GUI，其各个部分和三种颜色的指示灯给用户展示了系统当前的运行状态。绿色、黄色和红色的使用使得GUI变得如信号量一样更加透明、易懂。用户通过颜色便立即可知系统当前的状态。

机电一体化系统的控制和控制监视器都是在FPGA平台上实现的。此系统基于FPGA并行运行。逻辑门对事件的反应可达到几乎没有任何的时间延迟，因此大部分的控制和控制监视器功能都是使用可实现离散时间控制的逻辑运算来实施完成。保护功能和控制器是并行运行的，因此控制算法并不会造成保护功能的时间延迟。系统的三层配置由连续时间信号和离散事件信号组合完成。

BLDC电机的电流控制由一个DES控制器表示。这种控制确保了滞环控制器的优势（鲁棒性和快速响应），同时避免了其劣势（不受控制的切换模式）。相反的，传统的控制器（如PI）和大多数智能控制器（如模糊和神经）都要求拥有误差或者高阶导数的相关知识，以便产生合适的控制信号，而DES方法只需要误差信号的符号而不需幅值。该方法的实现是电流闭环控制系统中滑模运动的专门引入为基础的。

逆变器的开关频率由于使用状态转换表和一个二阶锁相环滤波器而显著降低。实验模型是基于FPGA平台实现，在Xilinx ISE中使用 VHDL语言开发。

使用电流闭环控制的驱动器具有更小的转矩纹波。在其他的方面，尤其是人类生活坏境，这意味着更少的噪声和一个安静的操作空间。效率是一个十分重要的指标，不仅关乎能量的损耗，而且还影响散热器和驱动器的尺寸。

申请人又一申明，本发明通过上述实施例来说明本发明的实现方法及装置结构，但本发明并不局限于上述实施方式，即不意味着本发明必须依赖上述方法及结构才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用实现方法等效替换及及步骤的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

本发明并不限于上述实施方式，凡采用和本发明相似结构及其方法来实现本发明目的的所有方式，均在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.基于FPGA的电动机控制器，该电动机控制器基于FPGA的BLDC电机电流控制中事件驱动方法，该方法包括以下步骤：（1）任务调度和行动规划：设置控制监视器，FSM定义状态转换之间所有可能的方向实现导向，并同时通过控制监视器与用户进行通信；（2）运动控制：设置电力驱动装置执行机电系统的目标动作；（3）BLDC电机控制：设置三相逆变器匹配控制使用连续和不连续信号组合的BLDC电机；（4）接口：基于三相逆变器设置接口，在每条支路设置两个由电压矢量的分量控制的交替使能开关；（5）数据加密算法：设定逻辑门的滞环电流控制器，将算法用于确定电压扇区，然后电压扇区则被用来定义合适的输出矢量； 其特征在于该电动机控制器包括交互连接的驱动模块、电流控制器、速度控制器及控制监视器，其中，所述驱动模块由模数转换及数模转换的管理模块连接速度位置测量模块和串行模块组成，所述电流控制器包含一个附加FSM的经典滞环电流控制器及一个二阶锁相滤波器。

2.根据权利要求1所述基于FPGA的电动机控制器，其特征在于，包括一控制系统，该控制系统包括多个单一模块，其在VHDL中由数据通路和控制单元编码组成，数据通路由加法器、乘法器、多路复用器和寄存器组成，所述控制监视器之间的数据传输通过由时钟信号同步的控制单元进行管理。