CN117713594A - 基于fpga的直流无刷电机控制方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电机技术领域，公开一种基于FPGA的直流无刷电机控制方法及设备，以满足在高速、高同步场景中的应用。方法包括：对任一霍尔位置传感器，FPGA执行下述步骤：并行接收该霍尔位置传感器分别对应W/V/U三相的霍尔位置信号；对所接收的霍尔位置信号同步进行滤波；再将滤波后的霍尔信号按照W/V/U三相预置的组合顺序确定当前的位置编码；根据该位置编码确定转子电极对当前所在的分区；根据当前的电机任务查表确定与该霍尔位置传感器配对的三相全桥拓扑电路中相对应桥臂的开关命令，然后并行对各桥臂执行相应的开关处理。
Description
技术领域
本发明涉及电机技术领域，尤其涉及一种基于FPGA的直流无刷电机控制方法及设备。
背景技术
直流无刷电机(Brushless Direct Current Motor，BLDC)有着体积小、功率密度高、机电能量转换效率高的优点，在工业、制造业以及国防等领域有着越来越多的应用。传统方式通过DSP28XX或者其他系列芯片作为主控芯片，同时获取BLDC转子位置信息，并利用内设产生PWM控制电机工作，由于DSP28XX或者其他系列芯片采用C语言编程运行，程序运行具有先后顺序，不能满足高速或者同步要求高的应用场景中。
发明内容
本发明目的在于公开一种基于FPGA的直流无刷电机控制方法及设备，以满足在高速、高同步场景中的应用。
为达上述目的，本发明公开一种基于FPGA的直流无刷电机控制方法，对任一霍尔位置传感器，FPGA执行下述步骤：
并行接收该霍尔位置传感器分别对应W/V/U三相的霍尔位置信号；
对所接收的霍尔位置信号同步进行滤波；
再将滤波后的霍尔信号按照W/V/U三相预置的组合顺序确定当前的位置编码；
根据该位置编码确定转子电极对当前所在的分区；
根据当前的电机任务查表确定与该霍尔位置传感器配对的三相全桥拓扑电路中相对应桥臂的开关命令，然后并行对各桥臂执行相应的开关处理。
优选地，本实施例方法还包括：
所述FPGA设置转子的组成模式，所述组成模式包括单对极和多对极；如果是多对极，分别设置各对极与相对应霍尔位置传感器及三相全桥拓扑电路之间的一一配对关系；相对应的，所述FPGA还用于对电机任务进行拆解并对各对极进行并行的同步处理。
为达上述目的，本发明还公开一种基于FPGA的直流无刷电机控制设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器具体为FPGA，以在执行所述计算机程序时实现上述的方法。
本发明具有以下有益效果：
以FPGA进行并行的同步处理，相比于传统DSP按顺序执行的方式，极大提升了控制的精准度、实时性和扩展性，从而满足在高速、高同步场景中的应用。
下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明实施例公开的带霍尔位置传感器的三相单极直流无刷电机模型示意图。
图2是本发明实施例公开的霍尔位置信号对应的电角度分区。
图3是本发明实施例公开的三相全桥拓扑电路。
图4是本发明实施例公开的逆时针转动时开关变化图。
图5是本发明实施例公开的顺时针转动时开关变化图。
图6是本发明实施例公开的电机转动控制流程图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
实施例1
本实施例公开一种基于FPGA的直流无刷电机控制方法。
如图1所示，电机霍尔位置传感器可分别采集U、V、W三相的霍尔位置信号，且U、V、W三相分别与三相电机定子A、B、C三相正交。
如图所示，在本实施例中，霍尔位置传感器将电角度平均分为6等分(如虚线所示)，定义转子N极与霍尔位置传感器同向时为“1”，反相为“0”。
在本实施例方法中，核心在于由FPGA执行下述步骤：
步骤S1、并行接收该霍尔位置传感器分别对应W/V/U三相的霍尔位置信号。与之相对比的，传统的DSP基于C语言的模式，仅能对W/V/U三相的霍尔位置信号按时间先后顺序分别进行采集。
步骤S2、对所接收的霍尔位置信号同步进行滤波。
该步骤即：数据采集后经过打拍，对接收到的霍尔位置信号进行滤波，防止信号干扰。在具体的执行过程中，可对连续出现1或0的字数进行统计，当连续字数通常等于或等过3次，即可视为有效信号。
步骤S3、再将滤波后的霍尔信号按照W/V/U三相预置的组合顺序确定当前的位置编码。其中，不同用户可灵活设置W/V/U三相的组合顺序。
步骤S4、根据该位置编码确定转子电极对当前所在的分区。
参照图2所示的编码与分区的对应关系，其中的罗马数字即为该分区的位置编码。
步骤S5、根据当前的电机任务查表确定与该霍尔位置传感器配对的三相全桥拓扑电路中相对应桥臂的开关命令，然后并行对各桥臂执行相应的开关处理。
在该步骤中，可以PWM波执行桥臂的开关处理；其中，PWM波频率可依据应用场景进行相应调整，提高了本实施例应用的灵活性和可扩展性。
优选地，使用图3中示例的三相全桥拓扑电路对直流无刷电机进行控制。根据右手定理，分别同时导通一相上桥臂和另一相下桥臂，第三相桥臂开关管，产生的合成磁场如图4所示，其中“+”表示对应相上桥臂导通，“-”表示对应相下桥臂采用PWM导通。
结合图2对一周电角度进行的分区和图4产生的磁场，假设FPGA解析霍尔位置信息，转子当前处于I区，当如图1所示的电机需要逆时针转动时只需要使用FPGA检测到转子转动到不同分区后依次控制(B+,C-)→(A-,B+)→(A-,C+)→(B-,C+)→(A+,B-)→(A+,C-)→(B+,C-)进行导通(ABC三相中未提及的相位上下桥臂均关闭)。
相反，仍假设FPGA解析霍尔位置信息，转子当前处于I区，，当如图1所示的电机需要顺时针转动时，只需要使用FPGA检测到转子转动到不同分区后依次控制(B-,C+)→(A-,C+)→(A-,B+)→(B+,C-)→(A+,C-)→(A+,B-)→(B-,C+)进行导通，如图5所示。
结合以上，定义电机逆时针转动为正向，逆时针转动为反向整理表格如下：
表1基于FPGA的直流无刷电机控制方法开关表
如上开关表桥臂导通采用的PWM波控制信号由FPGA产生，可以根据控制的直流无刷电机转动速度设计不同的频率，并设计相应的死区时间，保证电机驱动电路运行安全可靠。
电机零位置检测的流程图6所示。值得说明的是，上述步骤对同一组数据序列的处理存在逻辑的先后顺序，但基于FPGA的并行资源，则可以使得部分资源在计算上一批数据的后期处理的同时，其他的资源则可执行对下一批数据的前期处理；从而相比于传统的DSP基于先后顺序的处理方式而言，极大地提升了数据处理和控制的实时性和精准度。
实施例2
本实施例在上述实施例基础上，可扩展应用至多对极(一个N极和一个S极组合成一对)电机中，为此，上述FPGA可进一步设置转子的组成模式，该组成模式包括单对极和多对极；如果是多对极，分别设置各对极与相对应霍尔位置传感器及三相全桥拓扑电路之间的一一配对关系；相对应的，该FPGA还用于对电机任务进行拆解并对各对极进行并行的同步处理。
实施例3
本实施例公开一种基于FPGA的直流无刷电机控制设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器具体为FPGA，以在执行所述计算机程序时实现上述实施例1和2所分别公开的方法。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种基于FPGA的直流无刷电机控制方法，其特征在于，对任一霍尔位置传感器，FPGA执行下述步骤：
并行接收该霍尔位置传感器分别对应W/V/U三相的霍尔位置信号；
对所接收的霍尔位置信号同步进行滤波；
再将滤波后的霍尔信号按照W/V/U三相预置的组合顺序确定当前的位置编码；
根据该位置编码确定转子电极对当前所在的分区；
根据当前的电机任务查表确定与该霍尔位置传感器配对的三相全桥拓扑电路中相对应桥臂的开关命令，然后并行对各桥臂执行相应的开关处理。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，还包括：
所述FPGA设置转子的组成模式，所述组成模式包括单对极和多对极；如果是多对极，分别设置各对极与相对应霍尔位置传感器及三相全桥拓扑电路之间的一一配对关系；相对应的，所述FPGA还用于对电机任务进行拆解并对各对极进行并行的同步处理。
3.一种基于FPGA的直流无刷电机控制设备，包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器具体为FPGA，以在执行所述计算机程序时实现上述权利要求1至2任一所述方法。
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2023
- 2023-11-15 CN CN202311523304.1A patent/CN117713594A/zh active Pending
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