刘大龙
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摘要：无刷直流电动机采用电子换相装置代替机械换向器，既具有直流电动机的调速性能，又具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，并且体积小、效率高。因此，它在许多领域得到了广泛的应用。本文设计了一种无刷直流电机数字控制系统，控制芯片采用可编程逻辑门阵列(FPGA)，利用其强大的逻辑计算能力、高集成度、体积小等优势，能实现复杂的智能控制理论，从而提高电机运行的准确性及稳定性。
关键词：FPGA；无刷直流电机；数字控制
如今的无刷直流电机以其高效率、大启动力矩、优越的调速性能而成为高效电力驱动的新宠，广泛应用于航空航天、汽车、精密电子等行业。现场可编程门阵列(FPGA)半导体器件的出现，将改变无刷直流电机控制系统主要由DSP或单片机实现的格局。与传统的DSP相比，FPGA速度更快，功耗更低，能完成复杂的高速逻辑运算；其灵活的配置特性使FPGA系统易于硬件的修改、测试和升级。此外，采用FPGA简化了系统外围电路，使系统可靠性高，实时控制速度快，整个系统的稳定性强。
一、无刷直流电机基本结构
无刷直流电机是指无电刷和换向器(或集电环)的电机，又称无换向器电机。早在上世纪诞生电机时，产生的实用性电机就是无刷形式，即交流鼠笼式异步电动机，由于当时电子器件性能和科技的限制，并未得到广泛应用，所以一直是有刷电机得到了很好的发展。本世纪中叶诞生了晶体管，因而采用晶体管换向电路代替电刷与换向器的直流无刷电机应运而生。这种新型无刷电机称为电子换向式直流电机，它克服了第一代无刷电机的缺陷。
无刷直流电机不使用机械的电刷装置，采用方波自控式永磁同步电机，以位置传感器取代碳刷换向器，用钕铁硼作为转子的永磁材料，性能上较一般的传统直流电机有很大优势，是当今最理想的调速电机。
1、电机本体。无刷直流电机本体在结构上与有刷电机相类似，均由定子与转子组成。不同的是无刷直流电机将电枢绕组安装在定子上，转子用永磁材料制成。这种设计能减小电机体积，利于电机快速启动，运动性能更好，同时电枢绕组安装在定子上能使电机省去滑环装置。
2、位置检测机构。位置检测机构用以检测转子位置，为电机换相提供所需信号。位置检测机构一般安装在转子上，通常采用传感器。传感器随着转子转动产生变化的信号，通过检测这些信号能确定转子位置。基于不同原理，位置检测机构釆用的传感器种类很多，常用的有电磁式、磁敏式、光电式。其中，属于磁感式的霍尔传感器使用最广泛。此种传感器利用霍尔效应工作，在磁场下对霍尔半导体两端通以恒定的电流，会在磁场和电流的正交方向产生电动势，此电动势会随着磁场强度的变化而变化。无刷直流电机的位置判定是通过安装在转子上3个互成120°的霍尔传感器，在定子电枢绕组产生的磁场作用下产生组变化的高低电平信号实现。换相控制器通过检测这组信号来判定转子位置。
3、电子开关电路。电子幵关电路用以实现电机电枢绕组换相。无刷直流电机的定子上安装有电枢绕组，通过改变绕组产生的磁场方向来驱动转子连续旋转。电子开关电路由位置检测单元和开关换相单元组成。位置检测单元是为幵关换相单元提供逻辑信号，开关换相单元根据得到的逻辑信号控制开关管通断，实现电机换相。幵关管通常采用MOSFET、IGBT等全控型功率开关元件。
二、提出的数字PWM控制算法
BLDC的速度控制涉及改变整个电动机相位的施加电压，可根据脉冲幅度调制、PWM或磁滞控制的概念利用传感器方法实现这一目的。另一种方法涉及使用无传感器技术进行控制。
适用于永磁BLDC电动机的一个常见控制算法是PWM电流控制，它是基于相电流和扭矩间的线性关系的假设，与有刷直流电动机类似。因此，通过调整相电流，可对电磁扭矩进行控制，以满足要求。利用磁滞调节器对各相电动机瞬时电流进行调节，以保持可调限位内的电流。对转子位置信息进行感测，以启用转换逻辑，其含有6个输出来控制上、下相的四桥臂电源开关。电流基准由PI调节器所决定，以维持转子平均速度的稳定性。
本文提出了一种新型恒频数字PWM控制器的设计、模拟和试验验证，该控制器用于BLDC电动机驱动系统。在本质上，控制器将BLDC电动机看作是一个数字系统。该数字控制器的概念简单，速度调节通过两个层次的忙闲度来实现—高功率(DH)和低功率(DL)。数字控制器的规则可使用图1中所示的流程图进行说明。
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与磁滞电流控制器不同，PWM控制不具有固有的电流控制能力。因此，需引入限流器。已对目前的磁滞数字控制器进行报告并将其用于BLDC电动机。本文提出了一种无需任何状态观测器的控制器。图2显示了所提出的数字控制器。
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比例控制器为电流限制提供了参考。电流需在最大和最小极限之间。Ilimit的最大值是电动机额定电流的1.5倍，这是因电动机在短时间内能处理额定电流1.5倍的电流。Ilimit的最小值决定着稳态误差。对等于0的值，在模拟中可观察到较大的稳态错误。Ilimit的最小值定义为额定扭矩在扭矩常数中所占的比例。
三、实验环境搭建
构建实验装置，以实现并进一步验证所提出技术的模拟结果。
逆变器额定电流为50A，额定电压为600V，开关频率为6kHz。门信号在FPGA控制器中生成，并通过使用一个倒置的施密特电路进行缓冲。对于机械负载，由一个电磁制动器提供恒负载转矩。通过添加一个直流环节电流传感器实现电流保护。该传感器用来感应直流环节电流并将其保持在最大值以下，以便限制浪涌电流。若直流环节电流的值超过预定义的值，电流调节器将发送一个信号，该信号自动将占空比设置为零。因此，不允许电流进一步上升，直到电流值再次低于限值。
用来控制无刷直流机器的FPGA平台为Xilinx-Spartan 3E。参考速度值设置成数字，速度环用来对实际、参考速度进行比较，并基于误差确定下一周期的占空比。实际速度很容易计算为两个霍尔效应信号间的时间。
此外，用来控制无刷直流电机的逻辑简单，组件少。相比传统控制方案时，新型数字脉宽调制控制方案只使用3个加法器，3个比较器，5个触发器，30个逻辑元件和3个计数器，制造成本大幅度降低。另外，在传统方案中需3个电流传感器，而该控制方案在直流环节只需一个电流传感器。同时，该方案可在FPGA有效实现，这与数字信号处理器截然相反，数字信号处理器用于复杂控制方案的实现，从而使目前技术具有显著的成本效益。
四、模拟结果和实验验证
为了验证控制方案，选择了几种操作条件。图3～7显示了各种操作条件下获得的实验结果。
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表1总结了各种负载条件和参考速度的结果。需注意的是，平均误差远低于5%。此外，最大速度脉动的绝对值保持在30rot/min内，也即是说，最大误差保持低于5%。因此，这种控制技术适合无需高精度的应用，包括洗衣机、烘干机、机床、泵和冰箱等。
表1
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为了检验所提出技术的稳定性，测试了操作条件突然变化时系统的响应(图6、7)。图6显示了负载转矩阶跃变化(从20%变为80%)时的响应。图7显示了指令速度阶跃变化时的系统的响应。对于每一种变化，速度响应均保持在指令值的5%内。因此，这种简单的低成本稳定控制方法证明了其在受干扰的应用领域使用的有效性。
五、结论
本文提出并验证了一种新型的无刷直流机器数字控制方法，目的是为使用低效单相感应电动机的应用场景，提供一种低成本的控制器，该控制器利用了大多数机电系统的特性。由于电气时间常数相对于机械时间常数更快，具有可接受量的脉动速度调节，可通过快速切换状态实现。此外，该控制策略无需状态观测器。在动态负载条件下，所提出的控制器无需使用观测器就能调节速度，进而降低了系统的规模和成本。
参考文献：
[1]李福军.基于FPGA的无刷直流电机控制器研究[J].制造业自动化，2014(17).
[2]徐俊.基于FPGA的无刷直流电机控制研究[J].自动化技术与应用，2016(02).
[3]王杰.一种无刷直流电机数字实时控制系统的设计[J].微电机，2014(05).