摘 要： 采用Altera公司推出的Cyclone系列FPGA，根据反电势过零检测算法，利用硬件模块化的设计方式，实现了面向电动车的新型无位置传感器无刷直流电机控制系统设计。试验表明，系统调速范围宽，可平稳启动，对由干扰造成的检测误差信号具有较强的容错性，适用于电动车的电机驱动系统。
关键词： 无刷直流电机；反电势过零检测；FPGA
随着环境污染和能源危机的双重压力加大，人们对电动车的需求逐步提高。电动车通常包含四大部分：控制系统、电机及其驱动系统、电池和车体。其中，电机及其驱动系统直接决定了电动车的整体特性。相比其他电机，无刷直流电机凭借在能量密度、效率等方面的明显优势，逐渐成为电动车领域的主要选择。而无位置传感器的无刷直流电机，更是避免了位置传感器的安装，简化了结构，节约了成本，提高了电机的可靠性。所以，无位置传感器技术逐渐成为电动车电机驱动领域中的研究热点。
反电动势过零检测法是当前最成熟、应用最广泛的一种转子位置信号检测方法。但其有一些不可避免的缺点，如低速换相不准确、无法自启动等。为了克服这些缺点，本文提出了一种新型的无位置传感器无刷直流电机控制系统。它利用FPGA作为主控芯片，对反电势过零检测算法进行改进，完成在全速范围内对逆变器换相时刻的准确计算；同时还集成了电压、电流双闭环调节器和PWM调制器，实现对控制对象转速的精密调节。总之，系统具有集成度高、调速精度好的特点，不存在程序跑飞和死机的问题，满足了电动车对电机控制器稳定运行的要求。
1 系统工作原理
系统功能结构框图如图1所示。其中，反电势过零检测电路能够借助反电势计算模型，估测出转子位置信号，从而控制逆变器换相，使得供电频率与转子转速同步。转速调节器和电流调节器组成了转速、电流双环控制器，调整逆变器输出电压的占空比，从而改变加在无刷直流电机定子上的电压，使得电机以最优的轨迹无静差地跟随转速给定。
1.1 反电势过零检测算法
直流无刷电机启动后，转子磁极产生的磁通切割定子绕组产生反电势E，其大小正比于电机的转速及气隙磁场B。而当转子极性改变时，反电势波形的正负也相应改变。所以只要测出反电势波形的过零点，就可以确定转子的精确位置，并以此控制电机的换相。电机反电势与开关管工作顺序图如图2所示。
反电势本身不能直接测出，但反电势与电压有关，通过检测电压可计算出反电势。例如，对直流无刷电机采用三相六状态120°导通方式，在任一时刻，导通的两相绕组中电流大小相等、方向相反，非导通相电流为0，这时可以证明有：
其中，Ex和Ux为非导通相的反电势和绕组端点对地电压，Ua、Ub、Uc分别为A、B、C三相绕组端点对地的电压。求出Ex后就可以方便地判断出其过零点，延迟30°相位角，就可得到最佳换相时刻。
反电势过零检测算法的一个不足之处在于，当电机静止或转速较低时，系统无法检测到反电势。因此，电机的启动必须引入一个开环的升压升频模块来产生平缓的换相频率和加速电压。但是，对于不同的系统和负载，这种工作模式无论如何都存在压频特性过发生或欠发生的可能，使系统偏离最佳换相逻辑。所以，还要在转速达到一定值后，引入压频特性补偿环节，使得反馈回来的换相频率与输出的换相频率能够保持同步，从而以最佳的换相逻辑向闭环工作模式切换。
1.2 改进的FIPS移相算法
传统的数字移相器都是采用查表法来实现的，但这种方法存在资源浪费、制表复杂等不足，不适用于通用的移相器设计。为了简化系统的硬件结构，本设计对由台湾的Ying-Yu Tzou教授提出的FIPS(频率无关移相)算法加以改进，得到了一个可滞后任意相位角的数字移相器。
改进的FIPS移相算法结构框图如图3所示。当输入信号X(t)为1时，计数器1开始计数，计数器2保持不变；反之，当输入信号X(t)为0时，计数器1保持不变，计数器2开始计数。两个计数器经过限幅后的输出结果分别用P(t)和N(t)表示。把计数结果送入2个比较器中。当计数器2的结果N(t)与计数器1的结果P(t)能够满足式N(t)=γP(t)的关系时，输出信号Y翻转一次，N(t)复位；同理，当P(t)=γN(t)时，输出信号Y也同样翻转一次，P(t)复位。
方案的具体工作波形如图4所示。从图中可以发现，输出信号Y(t)相比于输入信号X(t)滞后了T/2γ的时间。因此，通过改变常数γ就可以任意设定移相角度。
2 具体实现
图5显示了本设计所构造的驱动系统的整体硬件结构框图。系统由FPGA主控芯片、三相桥逆变器、电压及电流检测电路和串行接口电路等组成。其中，直流主电源经过两个大电容的滤波后，再经过三相桥逆变器得到频率、幅值可调的交流电压，给直流无刷电机供电。电压及电流检测电路提取电机的三相端电压和母线电流，并对其进行分压、隔离、滤波等综合处理，再送入A/D转换器，输入给FPGA主控芯片作为控制算法的依据。串行接口模块接受上位机的指令，完成设定系统运行参数和变量的功能。
系统的控制规律依靠FPGA中的逻辑电路实现，所有的外围硬件设备也必须由FPGA主控芯片实施管理。FPGA主控芯片的逻辑电路主要包括A/D转换器接口模块、反电势过零检测模块、转速和电流控制模块、PWM换相模块以及串行接口模块等。
2.1 A/D模数转换接口模块
由于系统的控制策略全部通过数字电路实现，因此，需要有一个A/D模数转换电路将反馈的模拟电压、电流信号转换成数字信号。为了降低系统的闭环滞后时间并减少所需的IO端口，系统选用高速、四通道的模数转换芯片AD7934完成循环采样电机三相端电压和母线电流的任务。A/D转换器转换四路频率为20 kHz的模拟信号，与功率器件的开关频率同步。
2.2 反电势过零检测模块
反电势过零检测模块的硬件结构框图如图6所示。其中，电机的非导通相端电压Ux由MUX电路根据当前的换相控制信号Capt[2..0]选出，与中点电压估算电路计算出虚拟中点电压Un相减，得到非导通相反电势。利用过零检测模块计算出非导通相反电势过零信号，经过FIPS移相逻辑获得滞后过零信号相位角的换相信号，最终生成换相控制信号Capt[2..0]。为了避免换相过程中由端电压剧烈变化所造成的过零信号误检测，模块还设计了一个延迟电路，使得在换相后的一段时间里停止估算反电势。此外，当电机启动时，开环启动电路将控制换相逻辑输出换相信号。它能够使得电机按照预先存储在ROM中的升压升频特性曲线开环升压升速，并且当实测的换相信号与开环给定的换相信号误差低于设定值时，控制系统向反电势过零检测方式切换。
2.3 转速和电流调节模块
转速和电流调节器都是基于PI控制算法实现的，PI控制器的结构框图如图7所示。误差信号由减法器根据锁存器锁存的输入数据计算出，经过偏差寄存逻辑得到当前偏差值和累计偏差值，分别与Kp乘法器和Ki乘法器进行乘法运算，将运算的结果进行累加处理，从而得到比例积分控制的结果。其中，Kp乘法器和Ki乘法器都是基于IP核的硬件乘法器。此外，为了能够合理利用芯片的内部资源，模块还采用了有限状态转换机（FSM）来实现时序控制策略，使得模块中的各个单元有机地结合起来。
2.4 PWM换相模块
PWM换相模块的硬件结构框图如图8所示。它主要由锯齿载波发生电路、比较电路和换相控制电路三部分组成。其中，锯齿载波发生电路由一个计数器实现，计数结果与给定的占空比信号一起送入比较电路中，当它们相等时，PWM信号由高到低翻转，并在载波周期结束时复位成高电平。换相查找逻辑控制六路输出信号按照120°导通方式变化，即在任意时刻，仅有2个开关管导通。此外，为了减少开关损耗，模块只对上桥臂驱动信号进行PWM调制。
2.5 串行接口
为了提高驱动器的开放性和通用性，在系统设计中还加入了一个串行接口模块来完成与其他的外部器件的通信。这种方案使得系统能够在线调整PI参数、设定转速等，而且通过混合一个常用的低成本微处理器就可以实现一个高性能的伺服系统。
3 系统测试结果
本系统采用一个额定电压48 V、额定转速3500 r/min的六极对数无刷直流电机作为测试电机，进行空载实验。
图9为换相信号与滤波后的端电压关系图。从图中可以看出，生成的方波换相信号频率是端电压频率的3倍，即当电机旋转一周时，换相信号变化6次，并且每次都满足最佳换相的要求。另外，通过利用前面提出的FIPS移相技术，系统避免了由于端电压尖峰干扰造成的影响，使得换相控制的可靠性得到大幅提高。图10为逆变器实际输出的三相端电压波形图。改变控制信号的占空比即可改变逆变器输出端电压的有效值，进而可以调节电机的转速和换相信号的频率。
通过实验测试，本调速系统达到了预期的控制指标，可以实现无位置传感器无刷直流电机的可靠运行，调速范围达到了150 r/min～3500 r/min，且能够平稳启动，非常适于电动车中的电机控制系统。
本文根据反电势过零检测算法，开发出了基于FPGA硬件资源的面向电动车的无位置传感器无刷直流电机控制系统。它通过利用凭借硬件实现的反电势过零检测器和FIPS移相器，大幅提高了在低速范围内的换相准确性，并克服了系统中可能的尖峰干扰的影响，从而保证了换相信号的可靠性和稳定性。此外，本系统还具有电路结构简单、开发周期短、结构紧凑的特点，能够针对电动车应用中的问题提供良好的解决方案。
参考文献
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[3] 张立科.VHDL应用开发技术与工程实践.北京：人民邮电出版社，2005.