基于Actel Fusion FPGA的無(wú)位置傳感器無(wú)刷電機(jī)控制器

1 引言
    無(wú)刷直流電機(jī)(BLDC)具有體積小，無(wú)機(jī)械觸點(diǎn)，壽命長(zhǎng)，安裝方便的優(yōu)點(diǎn)，一直都是電機(jī)應(yīng)用的研究熱點(diǎn)。目前無(wú)刷電機(jī)控制基本上都是采用霍爾傳感器作為轉(zhuǎn)子位置反饋元件，但位置傳感器的存在不僅增加了電機(jī)的體積和成本，很大程度上還成為電機(jī)的故障源之一，使系統(tǒng)可靠性降低。所以無(wú)位置傳感器的無(wú)刷電機(jī)控制方案業(yè)已成為當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。
    近年來(lái)，采用數(shù)字控制的無(wú)位置傳感器控制技術(shù)，已逐漸成為今后無(wú)刷電機(jī)控制的發(fā)展趨勢(shì)。在此采用Actel公司的Fusion系列混合信號(hào)FPGA為控制器核心，設(shè)計(jì)了一款無(wú)位置傳感器無(wú)刷電機(jī)控制器。采用Fusion內(nèi)部特有的12位多路高速A／D轉(zhuǎn)換器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)，使用內(nèi)嵌的51軟核實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制算法，成功實(shí)現(xiàn)無(wú)刷電機(jī)無(wú)位置傳感器控制方案，具有系統(tǒng)硬件方案簡(jiǎn)單，集成度高，可靠性好，調(diào)速精度高等優(yōu)點(diǎn)。

2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)
2．1 Fusion FPGA簡(jiǎn)介翻
    Actel Fusion系列器件是業(yè)界首款也是唯一具有模擬功能的Flash架構(gòu)的FPGA，融合了FPGA數(shù)字內(nèi)核、A/D轉(zhuǎn)換器、Flash存儲(chǔ)器、模擬的I/0、RTC等數(shù)字和模擬器件。Fusion器件內(nèi)部具有2～8 Mbit不等的用戶可用Flash存儲(chǔ)器和30通道、最高12位精度、最高600 Ks／s采樣率的A／D轉(zhuǎn)換器，片內(nèi)100 MHz的RC振蕩器與PLL(鎖相環(huán))一起共同為FPGA提供時(shí)鐘，以節(jié)省外部時(shí)鐘的開(kāi)銷(xiāo)。這些特點(diǎn)極大地提高了該系列FPGA器件的功能，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)設(shè)計(jì)，大幅度減少了電路板面積和系統(tǒng)總成本。當(dāng)Fusion系列FPGA器件結(jié)合8051，CortexMl，ARM7等軟件MCU核時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)真正的SoC系統(tǒng)。Actel Fusion系列FPGA器件是迄今為止最全面的單芯片模擬與數(shù)字可編程邏輯系統(tǒng)的解決方案。
2．2 控制器方案設(shè)計(jì)
    根據(jù)無(wú)刷電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法原理，結(jié)合Actel FusionFPGA的內(nèi)部功能特性，設(shè)計(jì)了圖1所示的無(wú)刷電機(jī)控制方案。
    在該設(shè)計(jì)方案中，F(xiàn)usion AFS600作為控制器核心，用內(nèi)嵌的軟核8051 MCU實(shí)現(xiàn)控制算法，高速12位A/D轉(zhuǎn)換器分別檢測(cè)三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)和外部電位器設(shè)定電壓。電位器設(shè)定電壓用于確定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和轉(zhuǎn)速。通過(guò)FPGA邏輯實(shí)現(xiàn)LCD液晶屏接口，用于顯示設(shè)定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速。此外一個(gè)重要的模塊是三相PWM波形發(fā)生模塊，通過(guò)可編程計(jì)數(shù)器實(shí)現(xiàn)。PLL模塊用于向單片機(jī)、A／D轉(zhuǎn)換器和PWM模塊提供基準(zhǔn)時(shí)鐘信號(hào)。

    外圍電路主要包括：LCDl602字符型液晶顯示器、設(shè)定轉(zhuǎn)速的電位器和無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器采用A3935三相全橋器件配合6個(gè)大功率NMOS管IRF2807S實(shí)現(xiàn)完整的無(wú)刷電機(jī)控制方案。每項(xiàng)繞組的反電動(dòng)勢(shì)通過(guò)串聯(lián)電阻分壓并濾波再送入Fusion AFS600內(nèi)部的A／D轉(zhuǎn)換器。A3935是一款汽車(chē)級(jí)三相功率MOSFET驅(qū)動(dòng)器，特別適用于無(wú)刷電機(jī)控制，具有過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)熱、短路和開(kāi)路監(jiān)控功能，功能強(qiáng)，可靠性高等功能。
2．3 三相PWM產(chǎn)生
    設(shè)計(jì)方案中采用Fusion的邏輯門(mén)電路實(shí)現(xiàn)了PWM頻率和占空比可連續(xù)調(diào)節(jié)的PWM發(fā)生模塊。其中，設(shè)定的頻率參數(shù)和占空比可根據(jù)A/D轉(zhuǎn)換器采集的電位器電壓值轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的參數(shù)值，只要調(diào)節(jié)外部電位器就能產(chǎn)生6路占空比可調(diào)的PWM信號(hào)波形。下面給出的相關(guān)代碼是采用VerilogHDL語(yǔ)言編寫(xiě)的一部分三相PWM的源碼。圖2示出用示波器測(cè)出的其中兩路PWM信號(hào)波形。

2．4 反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)
    實(shí)現(xiàn)反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)原理是：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，同一時(shí)間只有兩相繞組處于工作狀態(tài)，即該兩相所對(duì)應(yīng)的功率器件處于PWM狀態(tài)，而第三相處于懸空狀態(tài)，其端電壓等于感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)就發(fā)生在該相繞組懸空期間。此時(shí)通過(guò)檢測(cè)端電壓就能間接檢測(cè)該相反電動(dòng)勢(shì)的過(guò)零點(diǎn)。該控制器的反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)采用Fusion系列FPGA器件內(nèi)部的模擬模塊，三相端電壓經(jīng)過(guò)電阻分壓濾波后送入Fusion系列FPGA器件內(nèi)的12位A／D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行分時(shí)采樣。Fusion系列FPGA器件內(nèi)部采用分時(shí)循環(huán)采樣電位器設(shè)定電壓和三相繞組的反電動(dòng)勢(shì)電壓，A／D轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)換結(jié)果分別存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)寄存器。A／D轉(zhuǎn)換器循環(huán)采樣部分的

    圖3示出用示波器測(cè)量到的實(shí)際反電動(dòng)勢(shì)μ1和μ2的波形，由于反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)經(jīng)過(guò)一定的模擬濾波處理，信噪比較好，便于FPGA進(jìn)行過(guò)零點(diǎn)檢測(cè)。

2．5 控制軟件設(shè)計(jì)
    上述有關(guān)PWM產(chǎn)生模塊和A／D轉(zhuǎn)換器循環(huán)采樣模塊都是用Verilog HDL語(yǔ)言編寫(xiě)的，在Actel Libero IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境下編譯通過(guò)并作為模塊調(diào)用，而調(diào)速控制算法的實(shí)現(xiàn)則使用了Fusion系列FPGA器件內(nèi)部的8051軟核實(shí)現(xiàn)，開(kāi)發(fā)工具是Keil C。圖4示出51軟核的算法流程。

3 結(jié)論
    無(wú)刷電機(jī)控制器硬件平臺(tái)基礎(chǔ)上分別編制開(kāi)發(fā)了FPGA內(nèi)部各功能單元，并進(jìn)行了編譯鏈接和引腳分配。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了對(duì)無(wú)刷電機(jī)的平穩(wěn)啟動(dòng)和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。所用無(wú)刷電機(jī)24 V供電，額定轉(zhuǎn)速l 600 r／min。由該FPGA控制器控制的調(diào)速范圍為760~1 600 r／min內(nèi)連續(xù)可調(diào)。該控制器的實(shí)現(xiàn)充分體現(xiàn)了Actel Fusion系列混合信號(hào)FPGA在模數(shù)混合系統(tǒng)應(yīng)用中的高度集成性，真正單片SoC的優(yōu)點(diǎn)，為Fusion系列FPGA器件的應(yīng)用提供了參考價(jià)值。