CN201904749U - 一种基于fpga数字化控制的无刷电机无级变速控制器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于FPGA数字化控制的无刷电机无级变速控制器，要解决的技术问题是提供一种基于FPGA数字化控制的无刷电机无级变速控制器，能使无刷直流电机在无位置传感器控制的情况下，实现电机无抖动起停、换向和连续稳定无级变速的功能。为解决上述问题，本实用新型采用的技术方案是由FPGA、电机功率驱动电路、反电动势检测电路和外部两个电位器组成。上述方案与已有技术相比。本实用新型的主要的显著创新及效果在于：首次实现用数字芯片作为控制器，解决无刷电机在无位置传感器情况下实现无抖动启停和稳定变速控制等问题。

Description

一种基于FPGA数字化控制的无刷电机无级变速控制器

技术领域

本实用新型涉及一种电机控制器，尤其基于FPGA数字化控制的无刷电机无级变速控制器。

背景技术

无刷直流电机(BLDC-Brushless DC Motor)具有体积小，无机械触点、寿命长、安装方便等优点，属于当前电机应用的研究热点和前沿。目前无刷直流电机控制基本上都是采用霍尔式传感器作为转子位置反馈元件。但霍尔位置传感器的存在不仅增加了电机的体积和成本，在很大程度上还成为电机的故障源之一，使系统可靠性降低。因而，无位置传感器的无刷直流电机控制方案业已成为当前的研究热点和前沿之一。

目前国内外对无刷直流电机的无位置传感器控制方案已有多种，但普遍都存在电机启停时抖动、调速范围窄、低速时难以平稳调速等缺点。虽然目前已有一些专用数字控制器如DSP、ML4425等来解决以上一些问题，但大多数实现起来硬件结构复杂，软件算法复杂，因此难以满足批量运用的需求。而FPGA具有以下优点：（1）具备接口、控制、功能IP、内嵌CPU等特点，因此有条件实现一个构造简单，固化程度高，功能全面的系统产品设计。（2）FPGA能最大限度地集成外围逻辑，提高系统的整体可靠性。（3）FPGA的环境适用范围广。其中Fusion系列的FPGA器件更是融合了数字内核、A/D转换器、Flash存储器、模拟的I/O、RTC等数字和模拟器件，极大地提高了传统FPGA器件功能的同时，更大大简化了系统设计，大幅减少电路板的面积和系统总成本。

国内外一些研究学者已经把FPGA运用于直流电机的控制中，但是尚未用FPGA来实现无位置传感器的无刷直流电机控制方案。因此本实用新型采用FPGA来实现无刷直流电机在无位置传感器控制的情况下无抖动启停、换向和连续、稳定无级变速这一技术，是一项新的、可行的技术方案，并具有良好的应用和市场前景。

特别是电动自行车生产企业，一直希望能够解决无位置传感器的无刷电机控制问题的方案，并且要做到可行、高可靠性，成本低的特点。如果无位置传感器方案能够成功，将会解决一大批类似需求的课题和项目，比如汽车电动车轮、电动助力转向机(EPS)等。因而应用前景非常广泛，市场开发潜力巨大。

发明内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种基于FPGA数字化控制的无刷电机无级变速控制器，能使无刷直流电机在无位置传感器控制的情况下，实现电机无抖动起停、换向和连续稳定无级变速的功能。

为解决上述问题，本实用新型采用的技术方案是由FPGA、电机功率驱动电路、反电动势检测电路和外部两个电位器组成，所述FPGA作为控制器的核心，在其内构建MCU控制单元、三相全桥PWM发生器、高速AD检测模块和PLL时刻发生器，所述PLL时刻发生器为MCU控制单元、三相全桥PWM发生器、高速AD检测模块提供基准时钟信号，所述MCU控制单元实现电机运转时的速度PID闭环算法控制，所述电机功率驱动电路驱动电机启停，所述反电动势检测电路和FPGA内的高速AD检测模块检测电机运转时三相所产生的反电动势大小和过零点时间，并将该信号送入MCU控制单元，所述外部电位器通过改变输入的电压值在电机启停时分别控制所述FPGA内部的三相全桥PWM发生器所产生PWM的占空比和频率。

所述的基于FPGA数字化控制的无刷电机无级变速控制器，其特征在于所述FPGA外围构建LCD显示模块，所述LCD显示模块连接字符型LCD显示器。

所述的基于FPGA数字化控制的无刷电机无级变速控制器，其特征是所述电机功率驱动电路由A3935三相全桥驱动器配合6个NMOS管IRF2807S驱动电机运转。

所述的基于FPGA数字化控制的无刷电机无级变速控制器，其特征是所述高速AD检测模块是通过FPGA程序算法构建的。

所述的基于FPGA数字化控制的无刷电机无级变速控制器，其特征是所述MCU控制单元为FPGA内用程序搭建的8051软核单片机。

所述的基于FPGA数字化控制的无刷电机无级变速控制器，其特征是所述三相全桥PWM发生器通过逻辑门阵列实现。

所述的基于FPGA数字化控制的无刷电机无级变速控制器，其特征是所述无刷电机无级变速控制器内设置电流检测模块。

上述方案中的MCU控制单元以8051内核单片机为主控单元，完成输出PWM频率和占空比的调节以实现电机的无级变速功能：电机启停时，采用降（升）频升（降）压法实现电机在低速状态下的平稳启停及调速；电机运转时，根据反电动势所测得的电机实际速度与发电动势过零点时刻所推算出的理论速度进行比较，调节电机驱动PWM的频率和占空比以实现电机速度的自动补偿、闭环控制。此8051内核单片机用程序算法实现，避免外接控制器和存储器，节省了外围电路板体积的同时增强了系统的稳定性。

FPGA内可搭建多通道、高位数且具有高速度的AD检测模块，性能远优于其他AD芯片。配合电阻串连分压电路和有源二阶滤波电路，能实时地检测电机运转时三相所产生的反电动势大小。

电机驱动模块是由A3935三相全桥器件配合6个大功率NMOS管IRF2807实现。A3935是一款汽车级三相功率MOSFET驱动器，特别适用于无刷电机控制，具有过压、欠压、过流、短路和开路监控等功能。

与已有技术相比，本实用新型的显著创新及效果在于：

1、首次实现用数字芯片作为控制器，解决无刷电机在无位置传感器情况下实现无抖动启停和稳定变速控制等问题；

2、本实用新型采用FPGA作为控制中心，用内嵌的单片机实现程序算法，不用外接控制器和存储器，保证了系统的安全性和可靠性；

3、本实用新型采用FPGA自带高速AD检测模块实现反电动势检测，减少了外部电路，实现了控制器的高度集成化和智能化；

4、本实用新型可以利用FPGA系统内部的8051软核使系统复位时间仅仅为一个时钟周期，极大提高系统效率；

5、本实用新型首次利用降（升）频升（将）压法实现电机在低速状态下的平稳启停及调速。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步详细的说明。

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型FPGA电源电路图。

图3为本实用新型FPGA内部控制流程图。

图4为本实用新型所述6路PWM波形图。

图5为本实用新型反电动势检测过零点计算原理图。

图6为本实用新型A3935三相全桥MOS驱动芯片。

图7为本实用新型NMOS管IRF2807S电路。

图8为本实用新型反电动势检测电路。

图9为本实用新型驱动板电源模块。

图10为本实用新型电机实际测速电路。

图11为本实用新型8051软核MCU控制流程图。

图12为本实用新型三相桥输出端电压速度反馈控制框图。

图13为本实用新型FPGA内核控制结构图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例中选用的控制对象为一台45W的永磁无刷直流电机BLDC5，其额定电压为24V，额定电流为2A，最高转速为1600r/min。控制器包括FPGA1、电机功率驱动电路2、反电动势检测电路4、两个外部电位器6。外部电位器采用5V档，电机启动时，通过外部电位器的调节，采用降频升压法来实现电机的无抖动启动，停止过程则采用升频降压法实现。控制部分以FPGA1为主，FPGA1内构建MCU控制单元7、三相全桥PWM发生器8、高速AD检测模块9、PLL时刻发生器10 、LCD显示模块11，PLL时刻发生器10为MCU控制单元7、三相全桥PWM发生器8、高速AD检测模块9提供时钟信号。 MCU控制单元7为FPGA内部的8051软核单片机，在其内实现电机运转时的速度PID闭环算法控制，三相全桥PWM发生器8通过逻辑门阵列实现。LCD显示模块11通过字符型LCD显示器14显示当前电机的运行情况。电机功率驱动电路2由A3935三相全桥驱动器12配合6个NMOS管IRF2807S13驱动24V低速大扭矩无刷直流电机，反电动势检测电路4和FPGA1内的高速AD检测模块9检测电机运转时所产生的反电动势大小和过零点的时间，并将该信号送入MCU控制单元7进行PID算法后，调节三相全桥PWM发生器8中的PWM占空比和频率，调节电机的转速，两个外部电位器6在电机启停时通过改变输入电压值分别控制所述FPGA1内部的三相全桥PWM发生器8所产生的脉宽和频率以平稳地启停电机。

本实用新型中选用Actel公司的Fusion AFS600 FPGA，其内部包含上百万个门逻辑单元，LCD显示屏14，中英文显示；内核电压1.5V，Fusion FPGA需三组电源输入：内核电压、I/O组电压、模拟模块电压。最小系统至少需要四组独立电源：数字3.3V、模拟3.3V、数字1.5V、模拟1.5V。选用SPX1117 电源芯片，它具有800mA的输出电流。3.3V给I/O和一些外设供电，1.5V给8051内核供电。这里的VCCPLA和VCCPLB是给FPGA的模拟锁相环使用的，经过RC网络的滤波，并将模拟锁相环的电源和地与FPGA的数字电源和地隔离。FPGA电源电路如图2所示。

如图3所示，本实用新型采用的FPGA内部控制流程图，控制的第一部分是在电机启动时，采用降频升压法，由外部电位器改变输入电压值来控制FPGA内部三相全桥PWM发生器8产生的脉宽调制（PWM）和频率，使得三相全桥PWM发生器8所产生的PWM占空比调到尽量小、频率尽量高，然后通过电机功率驱动电路2，平稳地启动电机，停止过程则相反。降（升）频升（降）压实现的6路PWM波形如图4所示。Ahigh,Alow,Bhigh,Blow,Chigh,Clow六路信号分别用于控制三个半桥驱动器的高低MOSFET。

第二部分是电机在运转时，由通过FPGA程序构建的高速AD检测9模块检测反电动势的过零点，从而测试出当前电机的理论速度值和转子的位置信息。该速度值和转子位置信息送至MCU控制单元7中与反电动势测得的速度进行比较，根据PID运算后调节相应输出的PWM占空比和频率，进而实现电机速度的闭环控制。

其中，反电动势过零检测的原理如图5所示，首先检测反电动势的过零点a，延迟30度的电角度β，就可以获得换相时刻b，两相邻过零点的时间间隔即为电机转半圈的时间c，这就是反电动势检测法的要点。过零点计算原理如图5所示。本控制器中，在程序上设定换相时刻，所以仅需检测过零点时间后，然后乘2就可以得到电机此时的转速。根据换相时间间隔就可以得到电机当前的理论转速。比较此时的电压值对应的理论速度与反电动势测得的速度，经过8051内核中简单的PID运算后可实现电机速度的闭环控制。

如图6和图7所示，驱动部分的电机功率驱动电路2采用A3935三相全桥驱动器12与NMOS FET IRF2807 13组成，A3935芯片能与电机高压电源共地运行，从而实现功率模块的单电源设计，可同时驱动图7中BM1-BM6这6个NMOS管，并具有过流保护功能。

无刷电机在运转过程中，同一时间总有两相绕组处于工作状态，而第三相处于悬空状态，其端电压就等于反电动势，如图8所示，绕组上的反电动势经过有源二阶滤波器实现阻抗匹配和噪声去除后可由FPGA内的AD检测模块分别检测三相绕组在电机运转过程中所产生的反电动势SPHA、SPHB、SPHC。SVDR为设置的电路板零点电压参考。

如图9所示，为提供驱动电路和反电动势检测电路的电源电路原理图。

所图10所示，本控制器另设置电机实际转速的测定电路，由霍尔传感器和总线驱动器74HC244组成，用来检测电机运转时的真实转速，以验证控制器内部算法的准确性，并可将电机当前实际速度通过FPGA构建的LCD显示屏显示出来。人性化的显示界面显示产品某些参数以及当时电机的理论和实际转速，转速误差可控制在1‰内。

控制器以FPGA内嵌的8051内核单片机为主控单元，完成频率值的变换以实现电机转速的变换，完成实际转速的测定和计算，然后根据实测的电机速度与通过反电动势过零点时刻推算的理论速度做比较，进行PID算法后，调节PWM的频率，输出占空比不同的PWM波形，以达到电机速度的自动调节，其算法流程如图11所示。

FPGA作为控制器的核心，通过外部电位器改变输入电压值来控制内部PWM发生模块产生的脉宽调制（PWM）和频率。以平稳的启动和停止电机运转。同时，控制器能根据外部电位器设置的电压值控制电机正反转。电机在运转时，控制器通过AD检测模块检测反电动势的过零点的时间，从而测试出当前电机的速度值及转子位置。该速度值和位置信号送至8051内核控制器中与设定值比较，根据比较结果调节相应的PWM和频率，进而实现整个运行过程的闭环控制。电机可在750-1530rpm速度范围之间，连续平稳调试。

采用Fusion 的逻辑门电路实现了PWM频率和占空比可连续调节的PWM发生模块，可实现最高16bit分辨率，最高30kHz频率的PWM输出。其中,设定的频率参数和占空比可根据AD 检测模块采集的电位器电压值转换为相应的参数值, 只要调节外部电位器就能产生6 路占空比可调的PWM 信号波形，PWM的脉宽给定量为8位，电机启动时，电机根据外部电位器设置选择转动方向：当电位器电压在0V-2V内，电机正转；2V-3V时，电机正转；3V-5V时，电机反转；并且速度越来越大。即电位器调节输入电压大于3V时速度随电压值增大而增大，小于2V时速度随电压值减小而增大。

同时电机可根据不同的负载选择合适的扭矩，负载大时，（理想状态应该是根据负载自动连续调整PWM占空比值，使电机输出转矩保持稳定）主控制器输出的PWM的占空比值选择大值，小时选择合适的小值，用户可根据实际需要连续调节旋扭，来调节电机输出转矩，从而节省了空载或者低载时的功率消耗。

电机在加负载时速度会下降，通过反电动势测得电机的实际转速，利用FPGA内部的8051内核，与当前用户设定的速度值进行实时数字PID控制，调节下一路PWM波形的占空比值，自动地实现了电机在某一速度值的稳定运行。即根据测量到绕组反电动势准确预测计算转子角度位置，从而输出下一路PWM信号。PWM的占空比调节范围为：3.4%-97.3%。

本实例中有双重过流保护功能，分别由外部过流电路保护和FPGA内部保护逻辑完成。外部过流电路保护由电流检测模块3组成，过流保护有效时，功率管被全部截止。电流检测模块3通过A3935三相BLDC驱动芯片，该芯片不仅实现了三相功率NMOS管的切换控制，而且芯片内嵌了过热、过流、短路、超压和嵌压电路，从而在硬件上保护了控制电路，并能提供相应的故障信号输出。

当对BLDCM形成速度闭环控制时，在没有光电编码盘的情况下，通常通过反馈三相霍尔位置传感信号来计算速度的，这种方法控制简单，但当电机工作于低速时，其三相换相脉冲频率很低，当计算速度时往往时间过长，误差较大，从而影响速度控制的调节。因此本实用新型采用反馈三相桥输出端电压来进行速度反馈的控制框图。如图12所示：其中，G1(S)=Ks(τsS+1)/(τsS)为速度PI控制的传递函数，Ks为速度环比例系数，τs为速度环时间常数；G2(S)=Kc(τcS+1)/(τcS)为电流PI控制的传递函数，Kc为电流环比例系数，τc为电流环时间常数；G3(S)=Kp/(1+τpS)为PWM控制器的传递函数，Kp为放大倍数，τp为一阶惯性环节的时间常数；G4(S)=1/Ce,Ce为电机在额定励磁下的反电动势常数；K1、K2分别为电流和速度反馈的比例系数；K3=R为电机的相电阻；vg为电机给定转速；vs为电机反馈速度；ig为速度调节器的输出,即电流给定值；if为反馈电流；ie为电流误差信号；Uc为PWM控制信号；Ud为电机直流端电压；E为电机相反电动势幅值；id为电机相电流；n为电机的真实转速。

所图13所示，为FPGA内部控制结构图，本实用新型需要FPGA内部搭建的硬件结构有AD模数转化模块，实现多路的采集。PWM模块，输出三相六路PWM，其中参数值可通过内核设定。8051内核单片机以及搭建在总线上的模块。LCD数字显示模块，用于显示电机当前的理论转速和实际测定的转速及FPGA的一些运行参数。

的一些运行参数。

Claims (7)

1.一种基于FPGA数字化控制的无刷电机无级变速控制器，其特征在于该无刷电机无级变速控制器包括FPGA（1）、电机功率驱动电路（2）、反电动势检测电路（4）、两个电位器（6），所述FPGA（1）内构建MCU控制单元（7）、三相全桥PWM发生器（8）、高速AD检测模块（9）、PLL时刻发生器（10），PLL时刻发生器（10）为MCU控制单元（7）、三相全桥PWM发生器（8）、高速AD检测模块（9）提供时钟信号，所述MCU控制单元实现电机运转时的速度PID闭环算法控制，所述电机功率驱动电路（2）控制电机启停，所述反电动势检测电路（4）和FPGA（1）内的高速AD检测模块（9）检测电机运转时三相所产生的反电动势大小，并将反电动势值送入MCU控制单元（7），所述两个外部电位器（6）通过改变输入电压值分别控制所述FPGA（1）内部的三相全桥PWM发生器（8）所产生的脉宽和频率。

2. 根据权利要求1所述的基于FPGA数字化控制的无刷电机无级变速控制器，其特征在于所述FPGA（1）外围构建LCD显示模块（11），所述LCD显示模块（11）连接字符型LCD显示器（14）。

3.根据利要求1所述的基于FPGA数字化控制的无刷电机无级变速控制器，其特征是所述电机功率驱动电路（2）由A3935三相全桥驱动器（12）配合6个NMOS管IRF2807S（13）驱动电机运转。

4.根据利要求1所述的基于FPGA数字化控制的无刷电机无级变速控制器，其特征是所述高速AD检测模块（9）通过FPGA（1）构建。

5.根据利要求1所述的基于FPGA数字化控制的无刷电机无级变速控制器，其特征是所述MCU控制单元（7）为FPGA（1）内部程序搭建的8051单片机软核。

6.根据利要求1所述的基于FPGA数字化控制的无刷电机无级变速控制器，其特征是所述三相全桥PWM发生器（8）通过逻辑门阵列实现。

7.根据利要求1所述的基于FPGA数字化控制的无刷电机无级变速控制器，其特征是的所述无刷电机无级变速控制器设置电流检测模块（3）。

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