专利名称：基于fpga的无刷直流电动机调速控制器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种电动机调速控制器，更特别地是，涉及一种基于FPGA(Field-Programmable Gate Array，现场可编程门阵列)的无刷直流电动机调速控制
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背景技术：
科技进步下，电子技术和控制技术快速发展，特别是无刷直流电动机控制技术日渐成熟和完善，然而，这也使得无刷直流电动机控制器的控制速度、数据处理能力、稳定性更加具有挑战性。现有的无刷直流电动机调速控制器硬件结构，当前主要采用数字信号处理器(Digital Signal Processing，简称 DSP)、单片机(Single Chip Microcomputer，简称MCU)和专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，简称 ASIC)控制器等三种方式。为了完成高速的数据采集计算和复杂的换相调制，一般情况下，会采用DSP芯片以软件方式实现控制功能，这种控制方式虽然比较灵活，但是其开发周期比较长，而且占用CPU时间比较多，控制速度慢，稳定性不高，有时为了提高性能要采用双DSP的设计，这使得系统整体性价比下降。在采用MCU控制时，由于单片机在实现控制时本身的指令功能不强，乘除法所用周期过长，数据转换速度过慢，处理速度无法达到要求，使得无刷直流电机的性能不能得到充分地发挥。在采用专用集成电路控制时，这些芯片内部配有电机控制专用模块，使用方便，但整个控制算法仍由软件编程实现。随着算法的复杂性和软件功能的增加，控制系统运算的实时性受到影响。在一些环境恶劣的应用场合，基于软件编程的控制系统容易受到外界干扰，使得应用受到限制。无刷直流电动机控制过程中，不但要完成高速的数据采集计算，还要完成多个控制环的复杂计算以及换相调制，因此，以需求来说，设计一种调速控制器，使其硬件结构更加简单、有效提高运算的速率，并提高数据处理的稳定性，且有效地避免外界干扰，已成市场应用上的一个急需解决的议题。
实用新型内容为了克服现有技术中的不足，本实用新型的目的在于提供一种基于FPGA的无刷直流电动机调速控制器，能有效提高无刷直流电动机调速控制器稳定性、数据处理速度及抗干扰能力。为实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案基于FPGA的无刷直流电动机调速控制器，包括无刷直流电动机、三相桥式开关，无刷直流电动机与三相桥式开关相连，三相桥式开关连接直流电源，无刷直流电动机包括转子和定子，定子上安放有对称的三相(或多相)分布式绕组，转子表面则由永久磁铁形成磁极。在定子绕组端部铁芯槽口附近安装有三只互差120°电角度的磁敏传感器。基于FPGA的无刷直流电动机调速控制器，还有分别与三相桥式开关和无刷直流电动机转子位置检测信号相连的FPGA芯片，其中FPGA芯片内设有PWM信号发生器、主控逻辑组合电路、FSM滤波器以及转速采样与计算单元，FSM滤波器分别与所述无刷直流电动机转子位置检测信号和所述主控逻辑组合电路相连，PWM信号发生器分别与转速采样与计算单元和所述主控逻辑组合电路相连。其中，在直流电源供电情况下，定子上安放的各相绕组的端子必需通过电子开关与电源的正、负端相联接。在无刷直流电动机的定子上安放有对称的三相(或多相)分布式绕组，转子表面则由永久磁铁形成磁极，故结构上相当于用永久磁铁替换了转子励磁绕组的同步电动机。为了能采集到转子空间位置的时序信号，在定子绕组端部铁芯槽口附近安装有三只互差120°电角度的磁敏传感器由磁敏传感器所产生的三相转子空间位置的时序信号先需经过斯密特反相器整形和光耦隔离，再经FSM滤波器滤波后进入主控逻辑组合电路。另有任一相时序信号则进入转速采样与计算单元，由固定的脉冲宽度b设定值和转速采样计算值确定的TP设定值决定了 PWM的可调占空比，从而由主控逻辑组合电路输出六路开关控制信号，实现转速控制。本实用新型的有益效果本实用新型针对现有的无刷直流电动机调速控制系统由复杂的软硬件模块组成的特点，提出基于FPGA的无刷直流电动机调速控制器体系结构，根据片上系统门资源丰富和实时性好的特点，引入了 PWM信号发生器及硬件滤波器等的具体实施逻辑电路。和传统的调速控制器相比，硬件结构简化，具有较为简洁的接口电路和灵活的在线配置功能。能有效地提高运算速度，便于维护、可靠性增强和降低成本。
图1为本实用新型的结构示意图；图2为本实用新型无刷直流电动机的结构示意图；图3为本实用新型三相桥式开关与无刷直流电动机三相定子绕组端子的电路图；图4为本实用新型硬件滤波触发器和逻辑组合电路图；图5为本实用新型PWM信号发生器硬件配置图。在图2中1-定子；2-永磁转子；3-传感器。
具体实施方式
请参见图1，本实用新型包括无刷直流电动机、三相桥式开关，无刷直流电动机与三相桥式开关相连，三相桥式开关连接直流电源，无刷直流电动机包括转子和定子。基于FPGA的无刷直流电动机调速控制器，FPGA芯片(图1中虚线方框表示)还分别与三相桥式开关和无刷直流电动机转子位置检测信号相连，其中FPGA芯片内设有PWM信号发生器、主控逻辑组合电路、FSM滤波器以及转速采样与计算单元，FSM滤波器分别与无刷直流电动机转子位置检测信号和主控逻辑组合电路相连，PWM信号发生器分别与转速采样与计算单元和所述主控逻辑组合电路相连。请参见图2，为本实用新型无刷直流电动机的结构特征，本实施例中，无刷直流电动机包括转子和定子，在无刷直流电动机的定子上安放有对称的三相(或多相)分布式绕组，转子表面则由永久磁铁形成磁极形成一永磁转子，故结构上相当于用永久磁铁替换了转子励磁绕组的同步电动机。为了能采集到转子空间位置的时序信号，在定子绕组端部铁芯槽口附近安装有三只互差120°电角度的传感器，本实施例中该传感器为磁敏传感器。本实施例中，由磁敏传感器所产生的三相转子空间位置的时序信号先需经过斯密特反相器整形和光耦隔离，再经FSM滤波器滤波后再进入主控逻辑组合电路。另有三相中的任一相转子空间位置的时序信号则进入转速采样与计算单元，由固定的脉冲宽度b设定值和转速采样计算单元得到的转速采样计算值确定的TP设定值决定了 PWM的可调占空比，从而由主控逻辑电路输出六路开关控制信号，从而实现转速控制。本实施例中，由于定子电流是按与转子旋转的同步周期和时序间断式地换向和换相，故气隙旋转磁场是步进式的，因而与转子磁极之间的电磁转矩稍有脉动。为使定子电流在气隙中产生与转子同步的旋转磁场，在直流电源供电情况下，各相绕组的端子必需通过电子开关与电源的正、负端相连接，请参考图3，为三相桥式开关与三相绕组端子其中一种连接方式，即各相绕组的端子A、B、C分别通过电子开关S” S3、S5和电源正极E+相连，并分别通过电子开关S4、S6、S2与电源负极E_相连。请参见图4，本实用新型硬件滤波触发器和逻辑组合电路，由于转子空间位置的时序信号的采集和传送是在电动机运行并伴有大电流切换的恶劣环境中，如信号受干扰，将有可能使换向失步或终止运行。为此需对整形后的转子空间位置的时序信号进行硬件滤波，该滤波模式是基于对信号电平的逻辑定义，即时变信号在时钟脉冲控制的有序运行中，如连续观察到了三个相同的电平“1”或“0”才被定义为“1”或“0”，换句话说，只有当信号周期大于三倍时钟周期时，转子空间位置的时序信号才能正常通过滤波器，这就大大地减少了信号电平切换时误判概率。本实施例中，在FPGA芯片的硬件环境中，使用FSM图分析法可方便、快捷的实现硬件滤波。采用硬件滤波可提高系统的可靠性。为了实现硬件滤波，需用到两个FSM图，其一个为判“1”，另一个为判“0”。需要启用两个D触发器D1和D2和主控逻辑组合电路来实现。请参见图5，其中τ C1为系统时钟周期，Tp设定可来自CPU指令和总线。脉宽b设定值不随转速而变，可在初始化时装入脉宽比较器。在信号流的每个循环中，每当时钟计数器的输出与Tp设定值相等时，Tp比较器就输出一个高电平脉冲，一方面将RS触发器置位，同时锁定新的Tp设定值，并启动计数器新的计数。而当输出脉宽比较器的计数值与其设定值相等时，同样产生了一个高电平脉冲，其唯一的任务是将触发器复位，从而在其Q端产生PWM信号。综上所述，本实用新型针对现有的无刷直流电动机调速控制系统由复杂的软硬件模块组成的特点，提出基于FPGA的无刷直流电动机调速控制器体系结构，根据片上系统门资源丰富和实时性好的特点，引入了 PWM信号发生器及硬件滤波器等的具体实施逻辑电路。和传统的调速控制器相比，硬件结构简化，具有较为简洁的接口电路和灵活的在线配置功能。能有效地提高运算速度，便于维护、可靠性增强和降低成本。
权利要求1.一种基于FPGA的无刷直流电动机调速控制器，其包括无刷直流电动机、三相桥式开关，所述无刷直流电动机与所述三相桥式开关相连，所述三相桥式开关连接直流电源，所述无刷直流电动机包括转子和定子，其特征在于还包括FPGA芯片，所述FPGA芯片分别与所述三相桥式开关和所述无刷直流电动机转子位置检测信号相连，其中所述FPGA芯片内设有PWM信号发生器、主控逻辑组合电路、FSM滤波器以及转速采样与计算单元，所述FSM滤波器分别与所述无刷直流电动机转子位置检测信号和所述主控逻辑组合电路相连，所述PWM信号发生器分别与所述转速采样与计算单元和所述主控逻辑组合电路相连。
2.根据权利要求1所述的基于FPGA的无刷直流电动机调速控制器，其特征在于所述FSM滤波器的滤波模式是基于对信号电平的逻辑定义的。
3.根据权利要求1所述的基于FPGA的无刷直流电动机调速控制器，其特征在于所述定子上安放有对称的三相或多相分布式绕组。
4.根据权利要求1所述的基于FPGA的无刷直流电动机调速控制器，其特征在于转子表面由永久磁铁形成磁极。
5.根据权利要求3所述的基于FPGA的无刷直流电动机调速控制器，其特征在于在定子绕组端部铁芯槽口附近安装有三只互差120°电角度的磁敏传感器。
6.根据权利要求3所述的基于FPGA的无刷直流电动机调速控制器，其特征在于所述分布式绕组的端子通过电子开关与直流电源的正、负端相连接。
专利摘要本实用新型公开了一种基于FPGA的无刷直流电动机调速控制器，包括无刷直流电动机、三相桥式开关，无刷直流电动机与三相桥式开关相连，三相桥式开关连接直流电源，无刷直流电动机包括转子和定子，其特征在于还包括FPGA芯片，FPGA芯片分别与三相桥式开关和无刷直流电动机转子位置检测信号相连，其述FPGA芯片内设有PWM信号发生器、主控逻辑组合电路、FSM滤波器以及转速采样与计算单元，FSM滤波器分别与无刷直流电动机转子位置检测信号和主控逻辑组合电路相连，PWM信号发生器分别与转速采样与计算单元和主控逻辑组合电路相连。本实用新型硬件结构简化，具有较为简洁的接口电路和灵活的在线配置功能，能有效地提高运算速度，便于维护、可靠性增强和降低成本。
文档编号H02P6/08GK202340201SQ20112034172
公开日2012年7月18日 申请日期2011年9月13日 优先权日2011年9月13日
发明者孙书诚, 崔祎, 陈孟元, 陈跃东 申请人:安徽工程大学