一种基于FPGA数字化控制的无刷电机无级变速控制器制造技术

本实用新型专利技术公开一种基于FPGA数字化控制的无刷电机无级变速控制器，要解决的技术问题是提供一种基于FPGA数字化控制的无刷电机无级变速控制器，能使无刷直流电机在无位置传感器控制的情况下，实现电机无抖动起停、换向和连续稳定无级变速的功能。为解决上述问题，本实用新型专利技术采用的技术方案是由FPGA、电机功率驱动电路、反电动势检测电路和外部两个电位器组成。上述方案与已有技术相比。本实用新型专利技术的主要的显著创新及效果在于：首次实现用数字芯片作为控制器，解决无刷电机在无位置传感器情况下实现无抖动启停和稳定变速控制等问题。（*该技术在2020年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种电机控制器，尤其基于FPGA数字化控制的无刷电机无级变 速控制器。
技术介绍
无刷直流电机(BLDC-Brushless DC Motor)具有体积小，无机械触点、寿命长、安 装方便等优点，属于当前电机应用的研究热点和前沿。目前无刷直流电机控制基本上都是 采用霍尔式传感器作为转子位置反馈元件。但霍尔位置传感器的存在不仅增加了电机的体 积和成本，在很大程度上还成为电机的故障源之一，使系统可靠性降低。因而，无位置传感 器的无刷直流电机控制方案业已成为当前的研究热点和前沿之一。目前国内外对无刷直流电机的无位置传感器控制方案已有多种，但普遍都存在电 机启停时抖动、调速范围窄、低速时难以平稳调速等缺点。虽然目前已有一些专用数字控 制器如DSP、ML4425等来解决以上一些问题，但大多数实现起来硬件结构复杂，软件算法复 杂，因此难以满足批量运用的需求。而FPGA具有以下优点(1)具备接口、控制、功能IP、内 嵌CPU等特点，因此有条件实现一个构造简单，固化程度高，功能全面的系统产品设计。(2) FPGA能最大限度地集成外围逻辑，提高系统的整体可靠性。(3) FPGA的环境适用范围广。 其中Fusion系列的FPGA器件更是融合了数字内核、A/D转换器、Flash存储器、模拟的I/ 0、RTC等数字和模拟器件，极大地提高了传统FPGA器件功能的同时，更大大简化了系统设 计，大幅减少电路板的面积和系统总成本。国内外一些研究学者已经把FPGA运用于直流电机的控制中，但是尚未用FPGA来 实现无位置传感器的无刷直流电机控制方案。因此本技术采用FPGA来实现无刷直流 电机在无位置传感器控制的情况下无抖动启停、换向和连续、稳定无级变速这一技术，是一 项新的、可行的技术方案，并具有良好的应用和市场前景。特别是电动自行车生产企业，一直希望能够解决无位置传感器的无刷电机控制问 题的方案，并且要做到可行、高可靠性，成本低的特点。如果无位置传感器方案能够成功，将 会解决一大批类似需求的课题和项目，比如汽车电动车轮、电动助力转向机(EPS)等。因而 应用前景非常广泛，市场开发潜力巨大。
技术实现思路
本技术要解决的技术问题是提供一种基于FPGA数字化控制的无刷电机无级 变速控制器，能使无刷直流电机在无位置传感器控制的情况下，实现电机无抖动起停、换向 和连续稳定无级变速的功能。为解决上述问题，本技术采用的技术方案是由FPGA、电机功率驱动电路、反电 动势检测电路和外部两个电位器组成，所述FPGA作为控制器的核心，在其内构建MCU控制 单元、三相全桥PWM发生器、高速AD检测模块和PLL时刻发生器，所述PLL时刻发生器为 MCU控制单元、三相全桥PWM发生器、高速AD检测模块提供基准时钟信号，所述MCU控制单元实现电机运转时的速度PID闭环算法控制，所述电机功率驱动电路驱动电机启停，所述 反电动势检测电路和FPGA内的高速AD检测模块检测电机运转时三相所产生的反电动势大 小和过零点时间，并将该信号送入MCU控制单元，所述外部电位器通过改变输入的电压值 在电机启停时分别控制所述FPGA内部的三相全桥PWM发生器所产生PWM的占空比和频率。所述的基于FPGA数字化控制的无刷电机无级变速控制器，其特征在于所述FPGA 外围构建IXD显示模块，所述IXD显示模块连接字符型IXD显示器。所述的基于FPGA数字化控制的无刷电机无级变速控制器，其特征是所述电机功 率驱动电路由A3935三相全桥驱动器配合6个NMOS管IRm807S驱动电机运转。所述的基于FPGA数字化控制的无刷电机无级变速控制器，其特征是所述高速AD 检测模块是通过FPGA程序算法构建的。 所述的基于FPGA数字化控制的无刷电机无级变速控制器，其特征是所述MCU控制 单元为FPGA内用程序搭建的8051软核单片机。所述的基于FPGA数字化控制的无刷电机无级变速控制器，其特征是所述三相全 桥PWM发生器通过逻辑门阵列实现。所述的基于FPGA数字化控制的无刷电机无级变速控制器，其特征是所述无刷电 机无级变速控制器内设置电流检测模块。上述方案中的MCU控制单元以8051内核单片机为主控单元，完成输出PWM频率和 占空比的调节以实现电机的无级变速功能电机启停时，采用降(升)频升(降)压法实现电 机在低速状态下的平稳启停及调速；电机运转时，根据反电动势所测得的电机实际速度与 发电动势过零点时刻所推算出的理论速度进行比较，调节电机驱动PWM的频率和占空比以 实现电机速度的自动补偿、闭环控制。此8051内核单片机用程序算法实现，避免外接控制 器和存储器，节省了外围电路板体积的同时增强了系统的稳定性。FPGA内可搭建多通道、高位数且具有高速度的AD检测模块，性能远优于其他AD芯 片。配合电阻串连分压电路和有源二阶滤波电路，能实时地检测电机运转时三相所产生的 反电动势大小。电机驱动模块是由A3935三相全桥器件配合6个大功率NMOS管IRM807实现。 A3935是一款汽车级三相功率MOSFET驱动器，特别适用于无刷电机控制，具有过压、欠压、 过流、短路和开路监控等功能。与已有技术相比，本技术的显著创新及效果在于1、首次实现用数字芯片作为控制器，解决无刷电机在无位置传感器情况下实现无 抖动启停和稳定变速控制等问题；2、本技术采用FPGA作为控制中心，用内嵌的单片机实现程序算法，不用外接 控制器和存储器，保证了系统的安全性和可靠性；3、本技术采用FPGA自带高速AD检测模块实现反电动势检测，减少了外部电 路，实现了控制器的高度集成化和智能化；4、本技术可以利用FPGA系统内部的8051软核使系统复位时间仅仅为一个时 钟周期，极大提高系统效率；5、本技术首次利用降(升)频升(将)压法实现电机在低速状态下的平稳启停 及调速。附图说明以下结合附图和具体实施方式对本技术作进一步详细的说明。图1为本技术的结构示意图。图2为本技术FPGA电源电路图。图3为本技术FPGA内部控制流程图。图4为本技术所述6路PWM波形图。图5为本技术反电动势检测过零点计算原理图。图6为本技术A3935三相全桥MOS驱动芯片。图7为本技术NMOS管IR!^807S电路。图8为本技术反电动势检测电路。图9为本技术驱动板电源模块。图10为本技术电机实际测速电路。图11为本技术8051软核MCU控制流程图。图12为本技术三相桥输出端电压速度反馈控制框图。图13为本技术FPGA内核控制结构图。具体实施方式如图1所示，本实施例中选用的控制对象为一台45W的永磁无刷直流电机BLDC5， 其额定电压为MV，额定电流为2A，最高转速为1600r/min。控制器包括FPGAl、电机功率驱 动电路2、反电动势检测电路4、两个外部电位器6。外部电位器采用5V档，电机启动时，通 过外部电位器的调节，采用降频升压法来实现电机的无抖动启动，停止过程则采用升频降 压法实现。控制部分以FPGAl为主，FPGAl内构建MCU控制单元7、三相全桥PWM发生器8、 高速AD检测模块9、PLL时刻发生器10、IXD显示模块11，PLL时刻发生器10为MCU控制 单本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于ＦＰＧＡ数字化控制的无刷电机无级变速控制器，其特征在于该无刷电机无级变速控制器包括ＦＰＧＡ（１）、电机功率驱动电路（２）、反电动势检测电路（４）、两个电位器（６），所述ＦＰＧＡ（１）内构建ＭＣＵ控制单元（７）、三相全桥ＰＷＭ发生器（８）、高速ＡＤ检测模块（９）、ＰＬＬ时刻发生器（１０），ＰＬＬ时刻发生器（１０）为ＭＣＵ控制单元（７）、三相全桥ＰＷＭ发生器（８）、高速ＡＤ检测模块（９）提供时钟信号，所述ＭＣＵ控制单元实现电机运转时的速度ＰＩＤ闭环算法控制，所述电机功率驱动电路（２）控制电机启停，所述反电动势检测电路（４）和ＦＰＧＡ（１）内的高速ＡＤ检测模块（９）检测电机运转时三相所产生的反电动势大小，并将反电动势值送入ＭＣＵ控制单元（７），所述两个外部电位器（６）通过改变输入电压值分别控制所述ＦＰＧＡ（１）内部的三相全桥ＰＷＭ发生器（８）所产生的脉宽和频率。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李仁旺，吴新丽，徐兴，饶楚楚，刘海霞，成军乐，刘光伟，赵东方，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：实用新型
国别省市：86