基于FPGA的三相直流無刷電動機變頻控制的遠洋捕撈裝置電路

項目及可行性分析

　　項目名稱：基于FPGA的三相直流無刷電動機變頻控制的遠洋捕撈裝置電路設計

　　項目主要內容：遠洋捕撈裝置在實際的運行過程中要具有根據(jù)魷魚重量的大小而自動調節(jié)為加速或減速狀態(tài)的功能，并且要具有計量釣繩長度的能力以實現(xiàn)當釣繩被全部卷起時釣機自動停止的功能。

　　本項目采用FPGA控制三相直流電機，利用其中的EAB可以構成存放電機各相電流所需的控制波形數(shù)據(jù)表和利用FPGA設計的數(shù)字比較器可以同步產生多路PWM電流波形，對三相直流電機進行靈活控制，從而滿足遠洋捕撈裝置在實際運行過程中的所需。

　　創(chuàng)新性：使用XLINX公司的FPGA、功率器件智能模塊IPM PS21865 和霍爾傳感位置偵測，實現(xiàn)直流無刷電動機驅動和調速，直流無刷電動機BLDC采用電子換向器替代了傳統(tǒng)直流電動機的機械換向裝置，克服了電刷和換向器所引起的噪聲、火花、電磁干擾、壽命短等弊病。直流無刷電動機既具備交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等。而這些用傳統(tǒng)的單片機和DSP的控制都難以達到同樣的控制效果。

　　實用性：使用FPGA實現(xiàn)多路PWM控制，無須外接D/A轉換器，使外圍控制電路大大簡化，控制方式簡潔，控制精度高、控制效果好;控制器采用通用的微控制器AT89S51，技術成熟，成本低廉。

　　可實現(xiàn)性：

　　FPGA模塊設計是通過查詢ROM的方式，獲取所存儲的PWM波形數(shù)據(jù)，再經由數(shù)字比較器產生相應的PWM波形輸出。FPGA模塊在接收到控制器AT89S51模塊發(fā)送過來的命令后，通過對地址計數(shù)器進行控制而獲取不同PWM波形數(shù)據(jù)，可以輸出三相直流電機的旋轉方向、轉動速度、工作/停止狀態(tài)的控制信號。

　　IPM模塊對FPGA模塊輸出的控制信號進行功率放大，從而實現(xiàn)對三相直流電機速度的控制。同時，IPM模塊也會返回三相直流電機的過載保護和出錯保護信號到控制器AT89S51模塊，控制器模塊在接收到過載保護和出錯保護信號之后會向FPGA模塊發(fā)出中止命令，F(xiàn)PGA模塊根據(jù)命令中止三相直流電機的運轉，從而起到保護電機的作用。

　　項目實施方案

　　方案基本結構圖

　　方案描述

　　目前大多數(shù)遠洋漁船配備的遠洋捕撈裝置電源控制，仍是采用以往的穩(wěn)恒輸出方式，即電源控制電動機的信號穩(wěn)定，以實現(xiàn)勻速控制釣線裝置。在實際應用過程當中暴露出很多問題，傳統(tǒng)的控制方式不能自動應對一些特殊情況，比如捕撈魚類數(shù)量突然增多造成釣機過載，或者由于脫落造成捕撈裝置空載，以及釣線裝置已經回收結束，電動機不能自動停止，這時候無法及時變頻控制電動機的電源輸出，極容易發(fā)生事故。所以電動機變頻及控制的問題需要得到及時解決。我們小組成員計劃利用FPGA技術，設計一個三相直流無刷電動機變頻控制的遠洋捕撈裝置電路。以達到靈活智能控制釣線裝置，應對特殊情況。

　　直流電機無刷控制原理

　　電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，與三相異步電動機十分相似。電動機的轉子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機轉子的極性，在電動機內裝有位置傳感器。驅動器由功率電子器件和集成電路等構成，功能是：接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動;接受位置傳感器信號和正反轉信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產生連續(xù)轉矩;接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調整轉速;提供保護和顯示等。直流無刷電動機的控制原理簡圖如圖3-2 。

　　主電路是一個典型的電壓型交-直-交電路，逆變器提供等幅等頻5-24KHz調制波的對稱交變矩形波。永磁體N-S交替交換，使位置傳感器產生相位差120°的H3、H2、H1方波，從而產生有效的六狀態(tài)編碼信號：010、011、001、101、100、110，通過邏輯組件處理產生V6-V1導通、V5-V6導通、V4-V5導通、V3-V4導通、V2-V3導通、V1-V2導通，也就是說將直流母線電壓依次加在U->V、W->V、W->U、V->U、V->W、U->W上，這樣轉子每轉過一對N-S極，V1、V2、V3、V4、V5、V6各功率管即按固定組合成六種狀態(tài)的依次導通。每種狀態(tài)下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態(tài)，定子繞組產生的磁場軸線在空間轉動60°電角度，轉子跟隨定子磁場轉動相當于60°電角度空間位置，轉子在新位置上，使位置傳感器U、V、W按約定產生一組新編碼，新的編碼又改變了功率管的導通組合，使定子繞組產生的磁場軸再前進60°電角度，如此循環(huán)，直流無刷電動機將產生連續(xù)轉矩，拖動負載作連續(xù)旋轉。

　　本方案采用120度方波的算法驅動IPM的內置IGBT從而來驅動直流無刷電動機。對IGBT信號的分配必然和電動機的位置有著緊密的聯(lián)系，從BLDC的霍爾傳感器反饋回來的位置信號經過編碼后是：010、011、001、101、100和110六種狀態(tài)，所以可以根據(jù)這六種位置狀態(tài)信息來分配IGBT的驅動信號。在這里我們優(yōu)先選用了IGBT的上橋臂用分配PWM信號，下橋臂分配高低電平的驅動方式，所以可以通過改變上橋臂PWM的占空比來改變加在直流無刷電動機上的端電壓。信號分配和位置關系如圖3-3所示。

　　如果正轉的位置信號和驅動信號的關系如圖2所示：010(H3 H2 H1)V6-V1、011(H3 H2 H1)V5-V6、001(H3 H2 H1)V4-V5、101(H3 H2 H1)V3-V4、100(H3 H2 H1)V2-V3、110(H3 H2 H1)V1-V2的順序來換流的話，那幺我們可以同樣根據(jù)位置信號給出反轉時驅動信號的換流關系。即：001(H3 H2 H1)V1-V2、011(H3 H2 H1)V2-V3、010(H3 H2 H1)V3-V4、110(H3 H2 H1)V4-V5、100(H3 H2 H1)V5-V6、101(H3 H2 H1)V6-V1。具體電機的相序一定要搞清楚，如果換流不對或不當?shù)脑捴绷鳠o刷電動機就會左右振動根本旋轉不起來，或者電流很大且電流波形是不對的。

　　通過上述控制信號來控制各個功率管的on/off，使得電流依序流入U、V、W三相線圈，而在直流無刷電動機的內部產生旋轉磁場，如圖3-4所示，指出了在控制信號的作用下各相的電壓、電流方向的關系。

　　在控制功率組件的信號中加入PWM，調整PWM的占空比，即輸出PWM的Duty，使得調整輸入電動機的端電壓的大小，進而控制直流無刷電動機的轉速，其中控制信號PWM的加入有四種方式：上相PWM、下相PWM、前半PWM和后半PWM。如圖3-5所示。

　　FPGA調制PWM波形原理

　　擬采用FPGA控制三相直流電機，利用其中的EAB可以構成存放電機各相電流所需的控制波形數(shù)據(jù)表和利用FPGA設計的數(shù)字比較器可以同步產生多路PWM電流波形，對三相直流電機進行靈活控制。使用FPGA實現(xiàn)多路PWM控制，無須外接D/A轉換器，使外圍控制電路大大簡化，控制方式簡潔，控制精度高、控制效果好。用單片機和DSP的控制都難以達到同樣的控制效果。

　　FPGA模塊設計是由PWM計數(shù)器、波形ROM地址計數(shù)器、PWM波形ROM存儲器、比較器等模塊組成。其中，PWM計數(shù)器在脈寬時鐘作用下遞增計數(shù)，產生階梯形上升的周期性鋸齒波，同時加載到各數(shù)字比較器的一端;PWM波形ROM輸出的數(shù)據(jù)分別加載到各數(shù)字比較器的另一端。當PWM計數(shù)器的計數(shù)值小于波形ROM輸出數(shù)值時，比較器輸出低電平;當PWM計數(shù)器的計數(shù)值大于波形ROM輸出數(shù)值時，比較器輸出高電平。由此可輸出周期性的PWM波形。根據(jù)三相直流電機對電流波形的要求，將各個時刻細分電流波形所對應的數(shù)值存放于波形ROM中，波形ROM的地址由地址計數(shù)器產生。通過對地址計數(shù)器進行控制，可以改變三相直流電機的旋轉方向、轉動速度、工作/停止狀態(tài)。