无刷直流电机驱动控制器的S0PC技术研究
无刷直流电机具有无电刷和换相火花，体积小，低噪声等诸多优点，广泛应用在当今的控制系统中。目前对无刷直流电机的控制主要由单片机和DSP实现。但是其外围电路复杂，对系统的稳定性和可靠性有较大的影响。近年来，基于可编程门阵列(FPGA)的硬件设计技术已经成为一种全新的设计思想。与专用集成电路(ASIC)不同的是，FPGA本身只是标准的单元阵列，没有一般集成电路所具有的功能，但用户可以根据需要，通过专门的布局布线工具对其内部进行重新编程，在最短的时间内设计出自己专用的集成电路，从而提高产品的竞争力。由于它以纯硬件的方式进行并行处理，而且不占用CPU的资源，所以可以使系统达到很高的性能。本文用纯硬件的方式设计实现了无刷直流电机驱动控制器，包括PI调节算法，外围电路简单，实时控制速度快，系统稳定可靠。
1 无刷直流电机的工作原理
无刷直流电机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。其基本工作原理就是借助反映转子位置的位置信号，通过驱动电路，驱动逆变电路的功率开关元件，使电枢绕组依一定顺序通电，从而在气隙中产生旋转磁场，拖动永磁转子旋转。
三相四极星型连结的无刷直流电机采用两两导通方式，位置传感器在无刷直流电机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息。无刷直流电机转子位置信号由3只在相位上差120°的霍尔传感器(Sa，Sb，Sc)检测，霍尔传感器一个周期内的开关信号有6个状态，如图1所示。无刷直流电机控制系统工作原理如图2所示，其中VF为逆变器，根据霍尔信号，FPGA控制器产生PWM信号，经过驱动电路放大送至逆变器各功率开关管(Th1～Th6)，从而控制电机各相绕组按照一定顺序工作，实现无刷直流电机正常运转。
2 控制器的整体设计
随着现代技术的进步，电机驱动对控制器在快速性、实时性和准确性方面提出了更高的要求，使得高性能的FPGA在控制器开发领域有了广阔的应用前景。系统使用FPGA XC3S1500完成无刷直流电机控制系统，采用转速、电流双闭环控制策略调节速度。图3为无刷直流电机驱动控制器硬件逻辑设计结构图，其中各模块均采用硬件逻辑设计完成，模块之间使用串行连接，霍尔信号Sa，Sb，Sc经过换相控制模块输出6路开关管信号，同时经过位置与速度检测模块计算得到速度反馈转速n并与速度给定Speed_Ref一起经过速度调节器调节得到电流环给定Uspeed-Ret，控制A／D转换输出A相和B相电流经过电流检测模块输出母线电流Idc并与速度调节器输出值Uspeed_Ref一起经过电流调节器输出占空比信号Comp用以调节PWM波的宽度，达到调速的目韵。以数字电路的方式实现无刷直流电机的控制，使得系统的稳定性得到了很大的提高。
3 控制器模块设计
3．1 高精度PWM发生器
采用自然采样法产生PWM波形，其结构图如图4所示，因为自然采样法最能真实反映PWM的控制思想，效果最好。该发生器采用现场可编程门阵列实现，具有接口简单、响应速度快、可现场编程等优点，能够应用于全数字化控制。载波发生器采用了锯齿波作为PWM载波，从电路的角度来讲设计锯齿波发生器会比设计三角波发生器使用更少的组合逻辑资源，有利于时序约束到较高的频率；比较模块不同于普通的纯组合逻辑比较器，通过例化：FPGA的底层子元件，在该比较器内部插入了一级D触发器，大大减少了由于数据位宽增加而增加组合逻辑延迟；PWM波周期设定模块和分频模块能够根据需要共同改变PWM的频率，且分频模块能够解决高位宽下过长的进位链带来的延迟问题。
3．2 换相控制模块
换相控制模块根据三相霍尔信号的状态(见图1)，以组合逻辑的形式输出六路开关信号Th1～Th6(设计中开关管为低导通)，开关管Th1，Th3，Th5接收来自PWM波发生器输出的PWM波，即系统采用半桥调制方式，其时序仿真波形如图5所示，图中1～6表示了一个霍尔信号周期内开关管的6个状态(与图1对应)。
3．3 速度调节器和电流调节器
速度环和电流环均采用增量式PI调节算法，用FPGA实现PI调节器，即用数字电路来实现PI控制算法，应用此硬件算法提高了控制器的可靠性和实时性，同时基本消除计算机给控制系统带来的影响。PI算法的硬件逻辑结构如图6所示。
PI算法公式如下：
