基于FPGA的無(wú)人機(jī)電調(diào)模塊設(shè)計(jì)

哈爾濱理工大學(xué) 姚博文 王洪洋 李 曉 王建民

基于FPGA的無(wú)人機(jī)電調(diào)模塊設(shè)計(jì)

哈爾濱理工大學(xué) 姚博文 王洪洋 李 曉 王建民

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)（BLDC）的控制需求，提出了一種基于FPGA的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，并完成系統(tǒng)的硬件與控制算法設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的外圍硬件電路部分主要用來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)，F(xiàn)PGA部分采用VerilogHDL進(jìn)行編程，能夠完成電機(jī)控制信號(hào)輸出和反饋信號(hào)檢測(cè)，使用PID算法對(duì)電機(jī)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性高、控制輸出準(zhǔn)確穩(wěn)定的特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

無(wú)刷直流電機(jī)；FPGA；VerilogHDL；PID

無(wú)刷直流電機(jī)廣泛應(yīng)用于車輛、飛機(jī)以及工業(yè)生產(chǎn)設(shè)備的動(dòng)力系統(tǒng)，動(dòng)力系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)一切動(dòng)態(tài)應(yīng)用功能的基礎(chǔ)，隨著科技設(shè)備應(yīng)用功能的豐富化，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制提出了更高的要求，這也就需要有一款性能優(yōu)越的電機(jī)控制器去滿足該方面的要求。

本文基于FPGA控制芯片設(shè)計(jì)了一套無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，與目前基于單片機(jī)或DSP的控制器相比，SOPC技術(shù)采用軟硬件相結(jié)合的方式，將完整的電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)于一塊FPGA芯片中，電路規(guī)模、可靠性以及開(kāi)發(fā)成本最優(yōu)化，同時(shí)也提高了外部硬件設(shè)計(jì)的靈活性[1]。本文采用京微雅格公司的CME-M7芯片為控制核心，利用硬件描述語(yǔ)言在FPGA內(nèi)部實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的邏輯控制，外部電路設(shè)計(jì)只用做電機(jī)驅(qū)動(dòng)和將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。這有效的減少了外部分立器件的使用，提高了系統(tǒng)的整體靈活性和擴(kuò)展性。所設(shè)計(jì)的電機(jī)控制系統(tǒng)具有體積小巧、控制速度快等可靠性高等特點(diǎn)，并同過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，對(duì)其性能指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證，達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)[2]。

1 無(wú)刷直流電機(jī)控制方案

BLDC電機(jī)是同步電機(jī)中的一種，即定子產(chǎn)生磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生磁場(chǎng)頻率相同。BLDC根據(jù)定子繞組數(shù)量可分為單相、兩相和三相，本文以應(yīng)用最為廣泛的三相電機(jī)為例進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)。無(wú)刷直流電機(jī)控制器由外部電路和FPGA控制系統(tǒng)兩部分組成。

外部驅(qū)動(dòng)電路采用全N-MOSFET三相六臂全橋電路，利用MOS管的開(kāi)關(guān)特性控制三相電機(jī)中的兩相交替導(dǎo)通，達(dá)到換向的目的。同時(shí)設(shè)計(jì)有反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路和霍爾傳感器接口，可以用來(lái)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，確定換向時(shí)間和電機(jī)轉(zhuǎn)速。為達(dá)到提高FPGA驅(qū)動(dòng)能力和保護(hù)主控芯片的目的，需要在控制芯片和三相電橋間通過(guò)一個(gè)三相電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片(DRV8302)相連，該芯片同時(shí)具有過(guò)流、過(guò)壓保護(hù)功能，既可以達(dá)到應(yīng)用目的，又能夠簡(jiǎn)化外圍電路。

FPGA邏輯設(shè)計(jì)主要是可以產(chǎn)生六路PWM信號(hào)，同時(shí)根據(jù)換向控制信號(hào)，每次輸出其中的兩路互補(bǔ)PWM波，由于功率器件都存在一定的節(jié)電容，所以存在開(kāi)關(guān)延遲問(wèn)題，為了避免當(dāng)一個(gè)管子還沒(méi)有完全關(guān)閉而另一管子又導(dǎo)通的現(xiàn)象出現(xiàn)，需要在PWM信號(hào)互補(bǔ)輸出時(shí)設(shè)計(jì)死區(qū)時(shí)間。為實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速轉(zhuǎn)動(dòng)平滑，F(xiàn)PGA還需設(shè)計(jì)PID算法對(duì)速度進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，為采集反饋量，F(xiàn)PGA需要設(shè)計(jì)有通訊接口用來(lái)與外設(shè)通訊[3-6]。設(shè)計(jì)總體框圖如圖1所示。

圖1 BLDC控制器設(shè)計(jì)框圖

2 無(wú)刷直流電機(jī)控制器外部電路設(shè)計(jì)

外部硬件電路主要由N-MOSFET三相六臂全橋電路、三相電橋驅(qū)動(dòng)電路、AD采樣電路和反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路組成。外部硬件電路框圖如圖2所示。

圖2 外部硬件電路框圖

三相六臂全橋電路由六個(gè)NMOS組成，每一個(gè)半橋由MOS_ H和MOS_L兩個(gè)MOS管組成，MOS_H漏極接電壓正極，源級(jí)接MOS_L的漏級(jí)，MOS_L的源級(jí)接電源負(fù)極，另外兩個(gè)半橋連接方式相同。每個(gè)半橋連接三相電機(jī)中的一相，利用PWM波控制MOS管的通斷，每次導(dǎo)通兩個(gè)MOS管，即使三相電機(jī)繞組中的兩相通電，如此交替往復(fù)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的換向。

由于FPGA等控制芯片自身驅(qū)動(dòng)電橋的能力有限，所以需要引入驅(qū)動(dòng)芯片，選用TI公司的DRV8302，該芯片內(nèi)部設(shè)計(jì)有三相柵極驅(qū)動(dòng)器、降壓穩(wěn)壓器和雙路分流放大器，自帶過(guò)流、過(guò)壓、過(guò)溫和欠壓保護(hù)功能。使用該芯片在滿足了驅(qū)動(dòng)功能的同時(shí)又起到保護(hù)電路的作用，還有效的簡(jiǎn)化了外部電路。

AD采樣電路主要用來(lái)檢測(cè)電橋三路電流，利用高精度電阻將電流轉(zhuǎn)換為可測(cè)電壓，再將電壓經(jīng)過(guò)ADC模塊轉(zhuǎn)化為數(shù)字量供FPGA檢測(cè)。

反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)電路用來(lái)檢測(cè)電機(jī)反電動(dòng)勢(shì)以控制換向。BLDC開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)后由于線圈繞組切割磁感線作用會(huì)產(chǎn)生反電動(dòng)勢(shì)，由于電機(jī)每次換向只有兩相導(dǎo)通，這樣就可以通過(guò)檢測(cè)未導(dǎo)通相的反電動(dòng)勢(shì)以確定換向時(shí)間。此外，還可以采用霍爾傳感器檢測(cè)電機(jī)位置來(lái)控制換向?；魻杺鞲衅魇且环N磁場(chǎng)傳感器，當(dāng)磁場(chǎng)經(jīng)過(guò)霍爾傳感器式會(huì)對(duì)其內(nèi)部的電勢(shì)產(chǎn)生影響，利用這一特點(diǎn)可以用多個(gè)霍爾傳感器以一定角度擺放在電機(jī)磁體附近以檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置來(lái)確定換向時(shí)間。

整體電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，具有擴(kuò)展性強(qiáng)、體積小、集成度高等特點(diǎn)。適用與多數(shù)三相電機(jī)，并可配合不同控制單元使用。

3 無(wú)刷直流電機(jī)控制器FPGA設(shè)計(jì)

FPGA選用京微雅格的CME-M7芯片，該芯片集成了主流的ARM Cortex-M3內(nèi)核和高性能FPGA，其數(shù)據(jù)與程序空間均動(dòng)態(tài)可調(diào)。通過(guò)將FPGA、CPU、SRAM、ASIC、Flash以及模擬單元等功能模塊集成在單一芯片上，CME-M7不僅極大的降低了工程師的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)難度，有效減小了所需的板間面積還極大的降低了系統(tǒng)成本，具備超高系統(tǒng)性價(jià)比。

FPGA設(shè)計(jì)總體框圖如圖3所示。

圖3 FPGA設(shè)計(jì)總體框圖

FPGA作為主要控制單元，主要負(fù)責(zé)產(chǎn)生控制信號(hào)和處理反饋信息。

BLDC控制信號(hào)主要是PWM波，控制電機(jī)啟動(dòng)、停止、換向以及正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。PWM(Pulse Width Modulation)通過(guò)控制占空比使MOS管以一定的頻率通斷。設(shè)計(jì)FPGA雙向計(jì)數(shù)器，并設(shè)置標(biāo)記比較位，當(dāng)計(jì)數(shù)器開(kāi)始工作向上計(jì)數(shù)時(shí)，內(nèi)部比較器不斷將當(dāng)前計(jì)數(shù)值與標(biāo)志位比較，如果計(jì)數(shù)值小于標(biāo)志為則輸出高電平，否則輸出低電平，如果計(jì)數(shù)值等于預(yù)設(shè)最大計(jì)數(shù)值，則開(kāi)始向下計(jì)數(shù)，如果計(jì)數(shù)到預(yù)設(shè)最小計(jì)數(shù)值則計(jì)數(shù)器又開(kāi)始向上計(jì)數(shù)，循環(huán)往復(fù)。由此可以通過(guò)設(shè)置最大、最小計(jì)數(shù)值來(lái)確定PWM周期；通過(guò)設(shè)定計(jì)數(shù)比較標(biāo)記位來(lái)設(shè)置占空比?？刂埔宦稡LDC一共需要六路PWM波，每次換向過(guò)程只允許其中兩路PWM輸出，而且要求兩路PWM信號(hào)必須為互補(bǔ)形式輸出，同時(shí)為了避免兩個(gè)MOS管的同時(shí)導(dǎo)通，還需要設(shè)置死區(qū)時(shí)間，使一個(gè)MOS管盡可能完全關(guān)斷后另一個(gè)MOS管才開(kāi)始導(dǎo)通[7-11]。

由于實(shí)際電路中的電流、反電動(dòng)勢(shì)都是模擬量，所以需要外部AD將它們轉(zhuǎn)換成數(shù)字量供FPGA使用。電流量主要用來(lái)檢測(cè)電橋電流大小，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)提供檢測(cè)作用。反電動(dòng)勢(shì)用來(lái)控制換向時(shí)間和計(jì)算轉(zhuǎn)動(dòng)速度。速度量和電流量也是PID控制模塊的兩個(gè)最為主要的反饋量。PID控制采用雙環(huán)反饋結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)控制原理框圖。

圖4 系統(tǒng)控制原理框圖

圖5 Modelsim仿真結(jié)果

電流環(huán)作用是及時(shí)限制大電流，保護(hù)電機(jī)。速度環(huán)的作用是抑制速度波動(dòng)增強(qiáng)系統(tǒng)抗負(fù)載擾動(dòng)能力[11-16]。

4 無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后首先對(duì)硬件電路和FPGA邏輯設(shè)計(jì)兩部分分別進(jìn)行測(cè)試與仿真。對(duì)于硬件電路主要對(duì)其進(jìn)行通電后電壓電流測(cè)試。檢測(cè)穩(wěn)壓電路輸出電壓值、MOS管導(dǎo)通電流值等。對(duì)于FPGA邏輯部分主要對(duì)其進(jìn)行Modelsim功能和時(shí)序仿真，查看輸出波形與期望值是否一致（見(jiàn)圖5）。

經(jīng)過(guò)硬件測(cè)試和軟件仿真系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求。之后進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。連接實(shí)物進(jìn)行電機(jī)調(diào)速測(cè)試，測(cè)試控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)。經(jīng)過(guò)實(shí)物調(diào)試本次設(shè)計(jì)系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)與其目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)BLDC電機(jī)控制功能，且電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平滑可靠。

5 結(jié)論

該BLDC電機(jī)控制系統(tǒng)采用高性能FPGA作為主控芯片，配合設(shè)計(jì)有通用電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。該系統(tǒng)在很大程度上提高了控制性能，簡(jiǎn)化了電路體積，豐富了系統(tǒng)功能。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用測(cè)試表明該系統(tǒng)具有電機(jī)調(diào)試擾動(dòng)小、可靠性高、使用方便等特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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Design of motor speed control module of UAV Based on FPGA

YAO BO-wen，WANG HONG-yang ，LI Xiao，WANG JIAN-min
(Harbin University of Science and Technology, Harbin 150080, China)

In order to control the brushless DC motor (BLDC), a design scheme of Brushless DC motor control system based on FPGA was proposed, and the hardware and control algorithm design of the system was completed. The system peripheral hardware circuit part mainly used to drive motor, FPGA with VerilogHDL programming, to complete motor control output signal and the feedback signal detection, the PID algorithm is used to regulate the motor speed control. The practical application shows that the system has the characteristics of high real-time, accurate and stable output control, and the design requirements are achieved.

Brushless DC motor; FPGA; VerilogHDL; PID

姚博文（1993—），男，黑龍江佳木斯人，研究生，研究方向：電子科學(xué)與技術(shù)。