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无刷直流电机驱动控制器的S0PC技术研究
发布时间:2017-03-11 阅读：次 [打印文章] [关闭窗口]
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：
式中：k为采样序号，k=O，1，2，…；u(k)为第k次采样时刻的输出值；u(k-1)为第(k-1)次采样时刻的输出值；e(k)为第k次采样时刻输入的偏差值；r(k)为系统给定；c(k)为系统反馈输入；KP为比列系数；KI为积分系数。
设计中的Clk为时钟信号，Ref为给定信号，Fdb为反馈信号，PI_Result为PI调节器输出，为了与AD反馈结果匹配，均采用13位有符号数表示，KP和KI为PI参数，模块中的整体运算均采用先对数据符号进行判断，然后再进行普通的计算，运算结果的符号由以前得出的数据符号确定。时序控制子模块用来控制调节器中其他模块的运算顺序；求偏差模块负责给定信号与反馈信号求差，将结果输出给比例模块和积分模块；比例模块实现比例系数与本次偏差和上次偏差之间差电感器的作用的乘积，积分模块实现积分系数与本次偏差的乘积；求和模块在上述模块输出有效时计算出输出的偏差量，此偏差量和上次的输出值求和得到本次调节的结果并输出。PI调节算法被例化于速度调节器和电流调节器中。输出结果限值也在模块中设置，若输出值大于等于系统的限幅值，则调节器以限幅值作为本次的输出值。
3．4 电流检测模块
电流反馈检测模块包括电流采样、滤波模块和多路选择器，硬件逻辑结构图如图7所示。电流采样采用ADI公司的AD7862AR-2，AD7862是高速的12位并行AD芯片，最高采样频率为250 KSPS，内部参考电压为+2．5 大电流电感V，工作电压为+5 V，有A和B两个通道，每个通道又有两个输入端(VA1，VA2与VB1，VB2)，两个输入端可以同时进行转换，系统使用A通道的两个输入端分别对A相和B相电流进行采样。AD控制器输出信号Ia_Fin和Ib_Fin分别为A相和B相电流，经过滤波电路输出给多路选择器，多路选择器根据开关管状态判断此刻的母线电流是A相电流还是B相电流以及电流的正负关系，从而能够准确采样瞬时电流，提高控制精度。
根据AD7862采样时序图，AD控制器控制AD芯片工作，可以通过AD控制器调节AD的采样频率，最大到250KSPS，本模块采样频率设置100 KSPS进行验证。其仿真波形符合AD7862的采样时序图，并通过了测试。图8为AD控制器的时序仿真波形。
3．5 位置和速度检测模块
位置信号通过三个霍尔传感器得到，每一个霍尔传感器都会产生180°脉宽的输出信号，如图9所示。Sa，Sb，Sc分别表示三相霍尔信号，Clk为高频时钟脉冲。电机测速分为M法、T法和M／T法，T法测速适用于塑封电感器低速段，本设计采用T法测速。通过对霍尔信号Sa的每个周期用一个计数器对主时钟脉冲进行计数，通过除法器计算转速，计算公式如下：
Speed_o扁平型电感ut=60×f0／Z×Count_reg
式中：f0为系统时钟；Count_r塑封电感器eg为霍尔信号一个周期内的脉冲计数值；Z为电机转一圈输出的霍尔信号个数，因为是五对极电机，所以Z=5。
图10为位置与速度检测硬件逻辑结构图，三相霍尔信号通过数字滤波模块后，以霍尔信号Sa为条件的计数器启动计数，作为16位除法器的分母输入，经过除法运算，在下一个霍尔信号Sa周期内输出速度计算结果Speed_out及模块输出有效信号OutValid_Speed。运算时间与除法器的内部结构有关。
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