基于FPGA的直流無刷電機控制器的設計與實現

佛山華芯微特科技有限公司 陳炳成

基于FPGA的直流無刷電機控制器的設計與實現

佛山華芯微特科技有限公司 陳炳成

傳統的直流無刷電機速度控制是通過MCU軟件編程實現，其響應速度不快，占用資源較多，且難以快速實現復雜算法控制。本文提出一個基于FPGA的六步直流無刷電機速度控制的硬件實現方案，該方案利用硬件對直流無刷電機進行控制，能夠快速靈活地實現直流無刷電機的啟停、加速、減速、正反轉、剎車、轉速檢測等動作，同時編寫的直流無刷電機控制器IP核能夠進行移植和復用，作為SOC芯片的功能模塊。直流無刷電機控制器采用Verilog HDL語言進行編寫，IP核在Modelsim 6．5g上通過功能仿真，并且在XUPV5-LX110T FPGA開發板上通過硬件測試，實現結果表明方案的可行性。

FPGA；直流無刷電機控制；六步；Verilog

1 引言

隨著當前能源的日益短缺，節能減排已成為我國的一個基本國策，降低生活和工業能耗也成為所有人共同努力的目標。直流無刷電機因其扭矩轉速特性好、動態響應快、高效能等優點，逐漸被社會大眾所接受，并廣泛應用于日常生活用具、白色家電、汽車工業、航空、消費電子、醫學電子、工業自動化裝置和儀表等領域。

2 六步BLDCM控制器設計

2.1 BLDCM控制器概述

設計的有霍爾六步BLDCM控制器包括三部分：光電編碼器信號處理模塊AB4F、PWM脈寬調制模塊PWM_CTRL以及直流無刷電機換相控制模塊BLDCM_CTRL。工作原理為：電機光電編碼器的輸出信號A、B和Z經過光電編碼器信號處理模塊的處理，得到電機的轉向信號DIR、AB的四倍頻脈沖以及電機的轉速；電機霍爾傳感器的輸出信號U、V、W以及得到的電機轉向值DIR輸入到電機換相控制模塊，得到電機的換相序列；電機的換相序列和PWM脈寬調制模塊輸出的與速度相關的脈沖信號進行結合處理，最終輸出控制3相功率開關的6個PWM控制信號。

2.2 光電編碼器信號處理模塊原理

模塊對光電編碼器兩相輸出A、B信號進行4倍頻及電機轉向提取，并計算倍頻脈沖值及電機實時轉速值。編碼器輸出為三相脈沖信號A、B和Z，其中A、B為相位相差90°的信號，A超前B表示電機正轉，A滯后B表示電機反轉，根據A、B間的相位關系可以判斷電機轉向。為了保證光電編碼器的測速精度，一般要求對AB信號進行4倍頻處理。AB信號4倍頻的最簡單方法是對AB信號進行取沿運算，即在一個A、B信號周期內捕捉4個沿（兩個上升沿兩個下降沿），如圖1所示，從而在一個AB信號周期內產生4個脈沖，實現AB信號的4倍頻。

圖1 AB信號及取沿運算

2.3 PWM脈寬調制模塊原理

直流無刷電機的調速需要脈寬調制電路來實現。由換相控制邏輯電路輸出的換相信號的頻率與電機的轉速有關，還與電機的磙鋼極對數有關，無論何種情況下，換相控制信號的頻率都遠遠低于PWM信號的頻率。因此，可以把PWM信號和換相控制信號通過邏輯“與”的辦法合成在一起，通過調節PWM信號的占空比，來調節電動機的定子電樞電壓，從而實現調速。圖2為PWM調制信號的產生原理圖，其中T為PWM周期，H為三角波的最大值。通過設置H1值，即可輸出與H1相關的脈沖OUT1。

圖2 PWM調制示意圖

2.4 BLDCM換相控制模塊原理

換相控制模塊是控制器的核心模塊。直流無刷電機的轉動是根據霍爾位置傳感器采集輸出的U、V和W三相轉子位置信號，導通三相全橋逆變電路相應功率晶體管，使電流依次流經電機線圈繞組產生順時針（逆時針）旋轉磁場，并與轉子磁鐵發生電磁效應，驅動電機正轉/反轉實現，導通信號是由換相控制模塊處理輸出。圖3為霍爾位置傳感器輸出的三相位置信號U、U和W。U、V和W編碼可產生8種輸出狀態組合，加上正反向各一組，一共有16種輸出狀態組合。由于霍爾位置傳感器一個周期（360°）輸出6個代碼組合（分別為101、100、110、010、011、001），因此有4組代碼（包括1000，0000，1111，0111）為無效代碼，輸出均為111000，上下臂功率晶體管沒有串聯導通。其余情況均有一組管串聯導通。

圖3 霍爾位置傳感器輸出的三相位置信號U、V、W

3 六步BLDCM控制器實現

3.1 光電編碼器信號處理模塊實現

光電編碼器信號處理模塊具體實現：在時鐘的上升沿對AB信號狀態進行檢測，實現AB信號4倍頻及轉向信號提取。假設AB信號在當前時鐘上升沿到來前狀態為prestate，當前狀態為state，則由AB信號組成的8種狀態轉換（prestate-＞state），包括00-＞10、10-＞11、11-＞01、01-＞00、00-＞01、01-＞11、11-＞10及10-＞00，可以判斷當前電機的轉向，并在每個狀態轉換時刻（即A、B信號的每個沿）產生cp四倍頻脈沖。

圖4 光電編碼器信號處理模塊仿真波形

圖5 BLDCM換相驅動輸出功能仿真波形

3.2 PWM脈寬調制模塊實現

PWM調制采用加減計數比較法實現。加減循環計數器從零開始加1計數直到最大值H，然后再減1計數直到零，循環產生周期為T的三角波。設定一個數值H1，與循環計數器的計數值比較。當循環計數器的計數值大于H1時輸出低電平，計數值小于H1時輸出高電平，反復循環，模塊輸出與H1相關的PWM調制信號。

3.3 BLDCM換相控制模塊實現

三相轉子位置信號U、V和W編碼可產生8種輸出狀態組合，加上正反向各一組，一共有16種輸出狀態組合，組合可通過設計組合譯碼器實現。

4 六步BLDCM控制器驗證

六步BLDCM控制器IP核在Modelsim 6.5g上通過功能仿真，以下為功能仿真波形圖。

4.1 光電編碼器信號處理模塊功能仿真

圖4為光電編碼器信號處理模塊仿真波形。

4.2 BLDCM換相控制模塊功能仿真

圖5為BLDCM換相驅動輸出功能仿真波形。

5 結語

目前六步BLDCM控制器IP核已經在XUPV5-LX110T FPGA開發板上通過硬件測試，并且將作為功能模塊應用于SOC芯片設計。實踐證明，基于FPGA的BLDCM控制器能夠克服MCU軟件編程響應速度不快，占用資源較多，且難以快速實現復雜算法控制的缺點，可應用性強。

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陳炳成（1983—），碩士，現供職于佛山華芯微特科技有限公司，主要研究方向：嵌入式系統新技術及SOC芯片設計技術。