无刷直流电机驱动控制器sopc技术研究

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1、万方数据无刷直流电机驱动控制器的SOPC技术研究綦慧，雷杨杰(北京工业大学，北京100124)。摘要：采用纯硬件方式设计了无刷直流电机驱动控制器，详细介绍控制器各模块的设计，包括速度Pl和电流PI调节器、电流检测模块、位置与速度检测模块、PWM发生器和换相控制模块，使系统控制电路都集成在一片FPGA上，提高了系统的集成度、稳定性和可靠性，也使得系统容易修改升级。软件仿真和实验结果均表明。该控制器的设计合理，运行稳定。关键词：现场可编程门阵列(FPGA)；无刷直流电机，PI；PWM；VerilogHDL中围分类号：TP23文献标识码：A文章编号：1004—373X

2、(2010)11一0117一04SOPCTechnologyofBrushlessDCMotorDriveControllerQIHui，LEI．Yang-jie(BeiiingUniversityofTechnology。Beiiins100124，China)Abstract：AbrushlessDCmotordrivecontrollerwasdesignedbypurehardwareapproach．Thedesignofeachmoduleofthecontrollerisintroduced，includingthespeedPIandcurren

3、tPIregulator，currentdetectionmodule，positionandspeeddetec—tionmodule，PWMgeneratorandcommutationcontrolmodule．ThesystemcontrolcircuitisintegratedononlyoneFPGA，theintegration，stabilityandreliabilityofthesystemareimproved，andthesystemiseasytobemodifiedand-upgraded．Thesimu—lationandexper

4、imentalresultsindicatethatthedesignofthesystemisreasonable，andtheoperationisstable．Keywords：filedprogrammablegatearray(FPGA)；brushlessDCmotor；PI；PWM；VerilogHDL无刷直流电机具有无电刷和换相火花，体积小，低噪声等诸多优点[1]，广泛应用在当今的控制系统中。目前对无刷直流电机的控制主要由单片机和DSP实现∞】。但是其外围电路复杂，对系统的稳定性和可靠性有较大的影响。近年来，基于可编程门阵列(FPGA)的硬件设计

5、技术已经成为一种全新的设计思想。与专用集成电路(ASIC)不同的是，FPGA本身只是标准的单元阵列，没有一般集成电路所具有的功能，但用户可以根据需要，通过专门的布局布线工具对其内部进行重新编程，在最短的时间内设计出自己专用的集成电路，从而提高产品的竞争力。由于它以纯硬件的方式进行并行处理，而且不占用CPU的资源，所以可以使系统达到很高的性能。本文用纯硬件的方式设计实现了无刷直流电机驱动控制器，包括PI调节算法，外围电路简单，实时控制速度快，系统稳定可靠。1无刷直流电机的工作原理无刷直流电机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。其基本工作原理就是借

6、助反映转子位置的位置信号，通过驱动电路，驱动逆变电路收疆日期：2009-10-24的功率开关元件，使电枢绕组依一定顺序通电．从而在气隙中产生旋转磁场，拖动永磁转子旋转。三相四极星型连结的无刷直流电机采用两两导通方式，位置传感器在无刷直流电机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息¨]。无刷直流电机转子位置信号由3只在相位上差120。的霍尔传感器(sn，sb，Sc)检测，霍尔传感器一个周期内的开关信号有6个状态，如图1所示。无刷直流电机控制系统工作原理如图2所示，其中vF为逆变器，根据霍尔信号，H)GA控制器产生PWM信号，经过驱动电路放大送

7、至逆变器各功率开关管(Th。～T}16)，从而控制电机各相绕组按照一定顺序工作，实现无刷直流电机正常运转。2控制器的整体设计随着现代技术的进步，电机驱动对控制器在快速性、实时性和准确性方面提出了更高的要求，使得高性能的FPGA在控制器开发领域有了广阔的应用前景。系统使用FPGAXC3S1500完成无刷直流电机控制系统，采用转速、电流双闭环控制策略调节速度[‘{J。图3为无刷直流电机驱动控制器硬件逻辑设计结构图，其中各模块均采用硬件逻辑设计完成，模块之间使用串行连接，霍尔信号sI，sb，S。经过换相控制模块输出6路开117万方数据关管信号，同时经过位置与速度检测模

8、块计算得到速度反馈转速，