一种基于FPGA全数字无刷直流电机启停控制系统的制作方法

本实用新型涉及电机控制领域，具体而言，涉及一种基于FPGA全数字无刷直流电机启停控制系统。

背景技术：

无刷电机与电子技术、微电子技术、数字技术、自控技术以及材料科学等学科的发展是紧密相连的。无刷直流电机的调速问题成为当今的热点，完善的调速系统必须包含合理的控制器，在无刷直流电机控制器方面，DSP和MCU虽然拥有成本低廉、结构简单等优点，但其程序跑飞、运行不稳定等问题日趋严重，很难适应一些高精度和高难度的复杂场所对控制器适应能力的要求。

带有位置传感器的无刷直流电机会带来诸多不利因素，如短电机寿命，增大电机体积，增加电机成本，无法应用于某些特殊环境等，如何使无刷直流电机更高效是目前急需解决的。

无刷直流电机启动响应速度偏慢，启动有转矩脉动，等待运行平稳时间长等缺点，对于需要高精度的场合和环境还需要改善其启动特性

技术实现要素：

本实用新型的主要目的在于提供一种基于FPGA全数字无刷直流电机启停控制系统，以解决无刷直流电机启动响应速度偏慢，启动有转矩脉动，等待运行平稳时间长等缺点，能够适应高精度和高难度的复杂场所的启动特性。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种基于FPGA全数字无刷直流电机启停控制系统，包括FPGA芯片、驱动电路、多路数模转换采样电路以及无刷直流电机；所述FPGA 芯片包括启动模块、反电势过零检测模块、滤波模块、PWM调制及换向模块、转速模糊 PI调节模块、电流模糊PI调节模块以及转速计算模块；所述启动模块用于快速启动无刷直流电机；所述滤波模块包括换向信号上升沿检测模块和延时模块；所述换向信号上升沿检测模块用于检测识别输入的换向信号；所述延时模块用于对换向信号上升沿检测模块检测后的换向信号进行滤波；所述转速计算模块包括计数子模块和计算子模块；所述计数子模块用于对换向信号进行计数；所述计算子模块用于将计数子模块的输出值进行运算，从而输出转速值。

进一步地，所述启动模块通过霍尔信号记录无刷直流电机的转子位置。

进一步地，所述转速模糊PI调节模块还包含三个子模块，分别为误差形成子模块、模糊推理子模块以及PI整定子模块；所述误差形成子模块用于计算转速误差和转速误差的变化率；所述模糊推理子模块用于确定比例因子和积分因子；所述PI整定子模块用于根据PI 控制算法进行计算。

进一步地，PWM调制及换向模块还包括四个子模块，分别为锯齿波子模块、换向子模块、分频子模块以及PWM子模块；所述锯齿波子模块用计数器来进行表示，规定幅值后，计数器开始计数，到达幅值后则立即变为零；所述换向子模块用于确定功率管的导通顺序。

进一步地，所述换向子模块根据反电动势过零点信号来确定功率管的导通顺序。

进一步地，PWM的频率取决于锯齿波的频率。

进一步地，锯齿波的频率设定为17.5KHz。

进一步地，所述FPGA芯片的型号为XC6SLX16。

综上，本实用新型提供了一种基于FPGA全数字无刷直流电机启停控制系统，包括 FPGA芯片、驱动电路、多路数模转换采样电路以及无刷直流电机；所述FPGA芯片包括启动模块、反电势过零检测模块、滤波模块、PWM调制及换向模块、转速模糊PI调节模块、电流模糊PI调节模块以及转速计算模块；所述启动模块用于快速启动无刷直流电机；所述滤波模块包括换向信号上升沿检测模块和延时模块；所述换向信号上升沿检测模块用于检测识别输入的换向信号；所述延时模块用于对换向信号上升沿检测模块检测后的换向信号进行滤波；所述转速计算模块包括计数子模块和计算子模块；所述计数子模块用于对换向信号进行计数；所述计算子模块用于将计数子模块的输出值进行运算，从而输出转速值。本实用新型能够解决无刷直流电机启动响应速度偏慢，启动有转矩脉动，等待运行平稳时间长等缺点，能够适应高精度和高难度的复杂场所的启动特性。

本实用新型的有益效果为：

1、该系统采用FPGA芯片中包括的启动模块记录前一次使用电机停止时的转子位置，根据转子位置计算出结果并提供给PWM调制及换向模块，处理后发送至驱动电路，从而实现快速启动无刷直流电机的功能；，从而能够减小电机启动时间，尽快达到稳定；

2、该系统结合FPGA采用无位置传感器测量转子位置，减小了电机的成本和体积，不易受外界干扰，增强了系统的可靠性；

3、该系统利用FPGA的优势初步解决了传统控制器抗干扰性差、运算速度慢等问题，在快速响应性及稳态精度上具有较大改进。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是根据本实用新型实施例的一种基于FPGA全数字无刷直流电机启停控制系统实施例结构示意图；

图2是根据本实用新型实施例的FPGA的结构示意图；

图3是根据本实用新型实施例的滤波模块的结构示意图；

图4是根据本实用新型实施例的PWM调制及换向模块的结构示意图；

图5是根据本实用新型实施例的转速模糊PI调节模块的结构示意图；

图6是根据本实用新型实施例的转速计算模块的结构示意图；

图7是根据本实用新型实施例的启动模块运行流程图。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和有点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。需要说明的是，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本实用新型。

本实用新型给出了一种基于FPGA全数字无刷直流电机启停控制系统的实施例，为了使本技术领域的人员更好地理解本发明实施例中的技术方案，并使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型中技术方案作进一步详细的说明：

本实用新型提供了一种基于FPGA全数字无刷直流电机启停控制系统实施例，如图1 所示，包括FPGA芯片10、驱动电路20、多路数模转换采样电路30以及无刷直流电机40；所述FPGA芯片10包括启动模块101、反电势过零检测模块102、滤波模块103、PWM调制及换向模块104、转速模糊PI调节模块105、电流模糊PI调节模块106以及转速计算模块107；所述启动模块101用于快速启动无刷直流电机，具体为:启动模块101记录前一次使用电机停止时的转子位置，根据转子位置计算出结果并提供给PWM调制及换向模块 104，处理后发送至驱动电路20，从而实现快速启动无刷直流电机的功能；所述滤波模块 103包括换向信号上升沿检测模块1031和延时模块1032；所述换向信号上升沿检测模块 1031用于检测识别输入的换向信号；所述延时模块1032用于对换向信号上升沿检测模块 1031检测后的换向信号进行滤波；所述转速计算模块107包括计数子模块1071和计算子模块1072；所述计数子模块1071用于对换向信号进行计数；所述计算子模块1072用于将计数子模块1071的输出值进行运算，从而输出转速值。

其中，FPGA的结构示意图如图2所示；滤波模块的结构示意图如图3所示；转速计算模块的结构示意图如图6所示。

其中，多路数模转换采样电路负责将采集的电压信号发送到FPGA的接口单元；延时模块对检测模块所得到的换向信号进行滤波，来滤掉毛刺，系统设定延时1ms；计算模块将计数模块的输出值进行乘除运算进而输出转速值；

优选地，所述启动模块通过霍尔信号记录无刷直流电机的转子位置。

优选地，所述转速模糊PI调节模块105还包含三个子模块，如图5所示，分别为误差形成子模块1051、模糊推理子模块1052以及PI整定子模块1053；所述误差形成子模块用于计算转速误差和转速误差的变化率；所述模糊推理子模块用于确定比例因子和积分因子；所述PI整定子模块用于根据PI控制算法进行计算。

其中，为得到无刷直流电机在启动时的实测仿真曲线，调用系统自带的软件平台，通过逻辑分析，在模拟状态下测量电机的启动波形图。

优选地，PWM调制及换向模块104还包括四个子模块，如图4所示，分别为锯齿波子模块1041、换向子模块1042、分频子模块1043以及PWM子模块1044；所述锯齿波子模块用计数器来进行表示，规定幅值后，计数器开始计数，到达幅值后则立即变为零；所述换向子模块用于确定功率管的导通顺序。

优选地，所述换向子模块根据反电动势过零点信号来确定功率管的导通顺序。

优选地，PWM的频率取决于锯齿波的频率。

优选地，锯齿波的频率设定为17.5KHz。

优选地，所述FPGA芯片的型号为XC6SLX16。

其中，其内部各个模块可以采用现成的集成电路实现或者根据实际需要对电路进行相应的改动，三相逆变桥模块由六个IGBT功率管组成，采用全桥连接，IGBT选用型号为 GT8J101。

本实用新型提供一种基于FPGA全数字无刷直流电机启停控制系统的工作原理为：

启动模块发出信号，信号经过PWM调制及换向模块及驱动电路，无刷直流电机正常启动运行，产生三相电压信号和母线电流信号，多路数模转换采样电路进行采样；信号通过接口单元传送到反电势过零点检测模块，产生过零点信号和换向信号；过零点信号通过滤波模块滤波送到转速计算模块中，转速计算模块输出实时计算的速度信号，结合给定速度输入到模糊PI模块；驱动电路根据接收到的PWM信号和换向信号，产生控制信号，控制无刷直流电机运转。

综上，本实用新型提供了一种基于FPGA全数字无刷直流电机启停控制系统，包括 FPGA芯片、驱动电路、多路数模转换采样电路以及无刷直流电机；所述FPGA芯片包括启动模块、反电势过零检测模块、滤波模块、PWM调制及换向模块、转速模糊PI调节模块、电流模糊PI调节模块以及转速计算模块；所述启动模块用于快速启动无刷直流电机；所述滤波模块包括换向信号上升沿检测模块和延时模块；所述换向信号上升沿检测模块用于检测识别输入的换向信号；所述延时模块用于对换向信号上升沿检测模块检测后的换向信号进行滤波；所述转速计算模块包括计数子模块和计算子模块；所述计数子模块用于对换向信号进行计数；所述计算子模块用于将计数子模块的输出值进行运算，从而输出转速值。本实用新型中FPGA芯片中启动模块针对无刷直流电机启动有响应速度偏慢，启动有转矩脉动，等待运行平稳时间长等缺点，提出了利用记忆功能记忆转子位置解决此问题，另外使用无位置传感器检测转子位置，通过滤波及滤波电路进行信号处理，使信号更加稳定，系统更可靠；除此之外系统采用双闭环控制策略，结合模糊PI对速度环与电流环进行优化。

以上实施例用以说明而非限制本实用新型的技术方案。不脱离本实用新型精神和范围的任何修改或局部替换，均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。