基于FPGA的无刷直流电机调速系统设计与实现
摘要:以FPGA为控制器,使用霍尔传感器进行电机电流及位置的检测,用MOSFET搭接成的驱动电路进行控制电机的转速和转向,用VHDL语言设计了一种PWM调节电机速度的方法。通过对系统进行理论分析以及调试,实现了电机电流、位置的检测并控制电机速度和转向从而达到要求的速度和方向。
无刷直流电机具有结构简单、体积小、效率高、无级调速、调速范围广、过载能力强等优点,在许多领域得到了广泛的运用,特别是在高性能的伺服驱动领域,在这些领域要求控制器体积小,还要求对多台电机并行控制,单芯片大容量现场可编程门阵列(FPGA)能够实现在系统芯片上实现多台电机的复杂控制功能,大大减小了控制系统的体积。
本文提出了一种无刷直流电动机速度控制器的方案,利用现场可编程门阵列FPGA芯片对电机控制器的进行控制,设计了利用此控制器对无刷直流电机进行调速控制的PWM方法。采用VHDL硬件描述语言实现了转子位置检测电路、驱动电路和电流检测电路,整个控制系统响应速度快、超调小、稳态误差小、可靠性高、灵活性强。
1 无刷直流电机调速系统总体设计
1.1 无刷直流电机调速系统的方案论证
所谓无刷直流电机调速系统,其主要在于PWM调速方法的设计,目的是改变脉冲的占空比。其核心在于智能控制,需要选择一个智能的控制器,而且系统需要的是简单高效,对于开关控制以及信号处理的速度要求并不高,因此采用ALTERA公司的现场可编程门阵列CycloneIII FPGA芯片。
1.2 无刷直流电机调速系统设计思路
无刷直流电机调速系统以FPGA为中心,配有电流检测模块、位置检测模块、驱动模块、PWM调节等模块,利用霍尔传感器来检测电机电流和电机转子位置,把采集的信号送给FPGA进行处理从而按照人为设定的电机初始速度来发出相应的加、减速和电机正、反转命令并执行。

从系统总体框架图中可以看出,系统主要由驱动模块、电流检测模块、位置检测模块以及PWM调节模块。
无刷直流电机调速系统是这样工作的:当打开电机驱动开关时,电机开始转动,此时位置检测和电流检测电路开始工作以检测电机速度,并将信号传送给FPGA进行处理,如果电机速度大于所需要的电机转速,此时控制电机减速,反之则控制电机加速。在此期间,可以通过按动按键来控制电机的正反转。
2 无刷直流电机调速系统的硬件电路设计
2.1 无刷直流电机调速系统的电流检测电路
采用基于霍尔效应的线性电流传感器ACS712芯片进行电流检测,该器件内置有精确的低偏置的线性霍尔传感器电路,能输出与检测的交流或直流电流成比例的电压。可以精
确的检测电机电流,但由于霍尔元件检测的信号非常小,所以要将采集的信号进行放大后送给FPGA,选用芯片LM321进行信号放大,具体电路如图2所示。

2.2 无刷直流电机调速系统的位置检测电路
位置信号检测可以用于电机的换相,还能用来计算电机转速,在无刷直流电机控制中起着十分重要的作用。本设计是采用三个霍尔位置传感器来实现位置检测的,每个霍尔位置传感器输出脉宽180°互差120°相位的霍尔位置信号,三个霍尔位置传感器输出三路位置信号,电机每旋转360°电角度会出现六个上升沿和下降沿,正好把三路位置信号在一个周期分成6个区间,每个区间对应一个换相区间,而每个上升沿或下降沿都对应一个换相时刻,如图4所示。

2.3 换相电路设计
根据无刷直流电机模块中输出的三相霍尔位置信号,以及无刷直流电机速度控制模块输出的PWM信号,逻辑换相模块输出6个电机换相及速度控制脉冲。输入4个信号,分别是三相霍尔位置信号(HA、HB、HC)和由控制模块输出PWM信号。6个输出信号VT1~VT6控制三相逆变器功率管的通断,其中VT1、VT3、VT5用于控制上侧功率管的通断,VT2、VT4、VT6用于控制下侧功率管的通断。三相逆变桥采用上管调制的方式,逻辑关系构造逻辑换相模型如图5。


2.4 无刷直流电机调速系统的驱动电路
采用的是6个MOSFET搭建而成的三相桥式逆变器,MOSFET是开关速度快的理想电压控制器件,其驱动电路较为简单,特别适合于各类中小功率开关电路。同时采用IR2132专用集成驱动芯片,它是专为功率MOSFET驱动而设计的,方便于控制电路连接,其驱动信号延时为纳秒级,开关频率高,体积小,外围走线简单,适合中小型电机驱动电路的应用。6个MOSFET根据所接收到的信号从而改变管子的通断来控制电机的转动。
3 无刷直流电机调速系统的软件设计
3.1 无刷直流电机PWM调速软件设计
PWM调速产生电路是由加减计数器、5位二进制计数器、数字比较器三部分组成。加减计数器做细分计数器,确定脉冲宽度。当U_D=1时,输入CLK
FPGA 无刷直流电机 霍尔传感器 PWM调节 调速系统 相关文章:
- 在采用FPGA设计DSP系统中仿真的重要性 (06-21)
- 基于 DSP Builder的FIR滤波器的设计与实现(06-21)
- 基于FPGA的快速并行FFT及其在空间太阳望远镜图像锁定系统中的应用(06-21)
- 3DES算法的FPGA高速实现(06-21)
- 用FPGA实现FFT算法(06-21)
- FPGA的DSP性能揭秘(06-16)
- 濡ゅ倹岣挎鍥╀焊閸曨垼鏆ョ€规悶鍎抽埢鑲╂暜閸繂鎮嬮柟瀛樺姇閻撹法鎷嬮鐔告畬缂佸顑呴〃婊呮啑閿燂拷
闁稿繈鍔嶉弻鐔告媴瀹ュ拋鍔呭☉鏃傚Т閻ㄧ姵锛愰幋婊呯懇濞戞挻姘ㄩ悡锛勬嫚閸☆厾绀夐柟缁樺姇瀹曞矂鎯嶉弬鍨岛鐎规悶鍎扮紞鏃堟嚄閽樺顫旈柨娑樿嫰婵亪骞冮妸銉﹀渐闂侇偆鍠愰崹姘舵⒐婢舵瓕绀嬪ù鍏坚缚椤懘鎯冮崟顐ゆ濡増鍨垫导鎰矙鐎n亞鐟�...
- 濞戞搩鍘炬鍥╀焊閸曨垼鏆ョ€规悶鍎抽埢鑲╂暜閸繂鎮嬮柟瀛樺姇閻撹法鎷嬮鐔告畬缂佸顑呴〃婊呮啑閿燂拷
缂侇噣绠栭埀顒婃嫹30濠㈣埖宀稿Λ顒備焊閸曨垼鏆ラ柛鈺冾攰椤斿嫮鎷犻崜褉鏌ら柨娑樺缁楁挾鈧鍩栧璺ㄦ嫚閹惧懐绀夐柛鏂烘櫅椤掔喖宕ㄥΟ鐑樺渐闂侇偆鍠曢幓顏堝礆妫颁胶顏卞☉鎿冧簻閹酣寮介悡搴f濡増鍨垫导鎰矙鐎n亞鐟庨柣銊ュ椤╋箑效閿燂拷...
- Agilent ADS 闁轰焦鐟ラ鐔煎春绾拋鍞查悹鍥у⒔閳诲吋绺藉Δ鍕垫
濞戞挻鎸搁宥夊箳閸綆鍤﹂柨娑樿嫰閸欏繘妫冮姀锝庡敼閻熸瑯鏋僁S闁告艾瀚~鎺楀礉閻旇鍘撮柛婊冭嫰娴兼劗绮欑€n亞瀹夐柣銏╃厜缁遍亶宕濋埡鍌氫憾闁烩偓鍔嶅〒鍫曟儗椤撶姵鐣遍柡鍐ㄧ埣濡法鈧冻缂氱槐鐧咲S...
- HFSS閻庢冻缂氱弧鍕春绾拋鍞查悹鍥у⒔閳诲吋绺藉Δ鍕垫
閻犙冨缁讳焦绋夐幘鎰佸晙闁瑰搫鐗愰鎶芥晬鐏炶棄寮块梻鍫涘灱椤斿骞掗崷娆禨S闁汇劌瀚慨娑㈡嚄閽樺瀚查幖瀛樻⒒閺併倝鏁嶇仦钘夌盎闁告柡鏅滈崑宥夊礂閵娾晜妗ㄧ紒顖濆吹缁椽宕烽弶娆惧妳濞戞梻濮电敮澶愬箵椤″锭SS...
- CST鐎甸偊鍠楃亸婵嗩啅閵夈倗绋婇悗骞垮€曢悡璺ㄦ媼椤撶喐娈岀紒瀣儏椤ㄦ粎鎲楅敓锟�
闁哄瀛╁Σ鎴澝虹€b晛鐦滈悹浣筋嚋缁辨繈宕楅妸鈺傛〃閻犱礁寮跺绶維T闁告艾瀚伴妴宥夊礉閻旇鍘撮柛婊冭嫰娴兼劗绮欑€n亞瀹夐柣銏╃厜缁辨繈宕濋埡鍌氫憾闊浂鍋婇埀顒傚枙閸ゆ粎鈧冻闄勭敮澶愬箵椤″T閻犱焦宕橀鍛婃償閺冨倹鏆�...
- 閻忓繐瀚伴。鍫曞春閾忚鏀ㄩ柛鈺冾攰椤斿嫮鎷犻崜褉鏌�
濞戞挸娲g粭鈧Δ鍌浬戦妶濂哥嵁閸愬弶鍕鹃悹褍鍤栫槐婵囨交濞嗗海鏄傞悹鍥у⒔閳诲吋绋夋潪鎵☉闁革负鍔岄惃鐘筹紣閹寸偛螚闁哄牜鍨堕。顐﹀春閻旀灚浜i悘鐐存礃鐎氱敻鎳樺鍓х闁瑰灚鎸风粭鍛村锤濮橆剛鏉介柣銊ュ缁楁挻绋夊顒傚敤缁绢厸鍋�...
- 鐎甸偊鍠楃亸婵堜焊閸曨垼鏆ユ繛鏉戭儔閸f椽骞欏鍕▕闁糕晝顢婇鍕嫚閸撗€鏌ら柛姘墦濞夛拷
閻犳劦鍘洪幏閬嶅触閸儲鑲犻柡鍥ㄦ綑閻ゅ嫰骞嗛悪鍛缂傚啯鍨甸崹搴ㄥΥ娓氣偓椤e墎鎷崣妯哄磿闁靛棔鑳堕妵姘枖閵忕姵鐝ら柕鍡曟娣囧﹪宕i柨瀣埍闁挎稑鏈崹婊呮啺娴e湱澹夐柡宥夘棑缁ㄥ潡鏌呴敓锟�...