基于FPGA的無刷直流電機控制系統

王斌虎

（內蒙古工業大學 機械學院測控系，內蒙古 呼和浩特 010000）

基于FPGA的無刷直流電機控制系統

王斌虎

（內蒙古工業大學 機械學院測控系，內蒙古 呼和浩特 010000）

文章偏重解析無刷直流電機的內部構造、工作方式和控制原理，并研究基于FPGA的無刷直流電機控制系統。其基本原理是FPGA輸出的PWM波首先經過推挽放大電路，然后啟動六個功率管，由功率管組成的三相全橋式逆變電路控制電機定子的各相通斷，其偏差經電流調節后的信號控制PWM占空比，完成無刷直流電動機的速度與電流控制。

FPGA；PWM波；逆變電路控制

無刷直流電機的應用相當廣泛，在汽車、器材、產業工控、自動化和航空航天等都有應用。文章以基金項目“仿人機器人步態控制研究”為背景，對無刷直流電機的控制展開研究。

1 無刷直流電機控制系統的總體設計

（1）無刷直流電機的電源供應。Q1～Q6是功率場效應管，AB通電，打開Q1Q5晶體管且其他晶體管保持截止狀態。從晶體管的結構可以知道，每一項開關管不能在同一時刻導通，故在給控制開關管信號時應注意上下橋臂要反向給控制信號，為防止上橋臂沒有截止，而下橋臂已經導通的情況出現，所以驅動信號應有適當的死區時間，從而避免無刷電機或器件的損壞。

磁場和轉子進行合閘線圈遵循彎曲的過程中，有六個凸極線圈，兩個相對的徑向線圈形成一個線圈組，紅色是C線圈，綠色是B線圈，黃色是A線圈，線圈組按星形方式連接，標ABC字母的是三個線圈的輸入端。在外轉子磁軛固定在弧形的永磁磁極，N極向藍軸，紅色是S極軸。圖1中右邊是定子的磁場方向，磁場會產生切換流程的變化與定子旋轉，代表有固定產生的磁場。

圖1 六凸極結構正視圖

對于三相二導通的無刷直流電機，圖2給出了其連接結構圖。AB相通電時，轉子產生的磁場對電流有力的作用，由左手定律可得，判斷線圈AA'的上半部分受到一個電磁力，方向是順時針方向，而AA'的下半部分同時受到一個順時針方向的電磁力。因為線圈繞組在定子之上，定子是固定的，由力的作用是相互的可知，轉子會受到一個逆時針方向的作用力。

圖2 橋式主電路原理圖

以上介紹就是在各個狀態下無刷直流電機轉子轉動的全過程。從而可以得出，根據轉子位置的不同，進行導通相有規律的切換，轉子就可以按所想要得到的方式轉動，從而實現了直流無刷電機的簡單控制。

電機是間斷性供電的。故而提高繞組的電利用率，可以使同時通電導體數目增加，從而導致電阻下降，提高效率。由此來看，定子的繞組三相比四相好，四相比無相好，電子開關線路采用全橋控制。

（2）FPGA模塊調試。從圖3中可以看出，每一時刻只有單相導通，而且由實物圖中可以看出T1T5管導通且其他晶體管保持截止狀態，隨后經60轉子旋轉，再順序切換場效應管的下一組通斷，順序為AB→AC→BC→BA→CA→CB以此類推。則有如下波形：

圖3 六狀態正轉各相波形圖

2 基于FPGA的無刷直流電機控制系統的軟件設計

（1）Cyclone系列FPGA的組成。Cyclone系列器件是一款低成本、高性價比的FPGA，包含5種邏輯資源：邏輯陣列塊、可編程I/O控制模塊、嵌入式陣列塊、鎖相環和可編程內部連線陣列。①邏輯陣列快。邏輯陣列塊（LAB）是FPGA的重要組成部分，是實現復雜邏輯功能的主要資源。②可編程I/O模塊。I/O模塊提供了器件引腳與內部邏輯陣列之間的連接，可被配置為輸入、輸出和雙向工作方式。③可編程連線資源。可編程連線資源包括各種金屬連接和一些可編程開關，將各個LAB、LAB與I/O模塊、LAB與嵌入式模塊、嵌入式模塊、嵌入式模塊與I/O模塊連接起來，構成復雜功能的系統。④嵌入式陣列塊。Cyclone系列FPGA中含有嵌入式存儲器，由數十個M4K的存儲器模塊組成，每個RAM模塊有4608位，可靈活構成單口RAM、雙扣RAM、FIFO、移位寄存器、仿真ROM。用嵌入式存儲器實現較復雜的邏輯功能，占用器件面積小，速度快。⑤嵌入式鎖相環。FPGA的功能由邏輯結構的配置數據決定，在工作時，這些配置數據存放在片內的SRAM或者熔絲圖上。FPGA掉電后將丟失原有的邏輯信息，所以在實際應用中需要為FPGA芯片配置一個專用的ROM。

（2）EDA技術的設計流程。EDA設計流程包括設計準備、設計輸入、設計處理、設計校驗、器件編程和設計完成幾個步驟。①設計準備：設計準備是指設計者在設計之前，依據設計的要求，確定系統所要完成的功能及復雜程度、期間資源的利用和所需成本等要做的準備工作，如進行方案論證、系統設計和器件選擇等。②原理圖輸入方式：利用EDA工具提供的圖形編輯器以原理圖的方式進行輸入。該方式適用于對系統及各部分電路很熟悉的情況，或在系統對時間特性要求較高的場合。③硬件描述語言的文本輸入方式：硬件描述語言的文本輸入方式是一種普遍性的輸入方法，大部分的EDA工具軟件都支持文本的編輯和編譯。目前常用的高層硬件描述語言有VHDL和VerilogHDL，運用硬件描述語言設計已成為當前的趨勢。④設計處理：在處理設計的階段中，編譯軟件將對設計輸入文件進行邏輯化簡、綜合和優化，并適當的用一片或多片器件自動地進行適配，最后產生編程用的編程文件。⑤器件測試和設計驗證：采用邊界掃描測試技術進行功能測試，測試成功后才完成其設計。驗證時將編程文件下載到FPGA或CPLD中，然后進行相應的輸入操作，觀察和檢測輸出結果，從而實現對設計電路的功能驗證。

3 Nios II集成開發環境（IDE）介紹

任何的軟件開發任務均可以在Nios II IDE環境下完成和實現，涵括了許多的功能，其中有調試程序、編譯和編輯，此環境下為系統提供了一個統一的開發平臺，適用于所有的Nios II處理器系統。Nios II集成開發環境（IDE）有4個主要的功能：①工程管理器；②編輯器、編譯器；③調試器；④閃存編程器。

4 展望

（1）文章采用高性能芯片通過編程控制六個場效應管的通斷，從而控制電機的轉速；實現了基于FPGA的無刷直流電機控制系統，但是受環境條件和時間的影響，本系統仍然存在不足，且有待以后進一步的改變。

（2）文章所展示的系統均是在理想條件下進行調試的，改進方式，應增加多種負載測試，并且可以將控制系統置于真實的環境中進行調試。

（3）對于芯片的資源利用不夠充分，沒有用到FPGA內核對程序進行開發的部分，對FPGA芯片本身的功能的挖掘有待提高。

（4）應改善對轉子的測量方法，有效提高精度，提高對電機轉速測量測試的準確性和實時性。

（5）所采用的電機是內置控制電路的一種無刷直流電機控制系統，且是用一項PWM波輸入，內置轉化為六路PWM波來控制場效應管的通斷。

5 結語

基于FPGA的電機控制系統大大提高了無刷直流電機的性能，同時提高了無刷直流電機響應速度和控制精度，進一步開發強大的編程能力，可實現隨時修改電路設計大大降低了復用成本。快速換向的工作方式與傳統電機比較避免了很多問題，應用更加廣泛，PWM波控具有三相中心對稱，周期、頻率和占空比可調，性能優異、可靠性高等優點。

王斌虎，男，碩士，主要研究方向：專業儀器科學與技術。