基于SOPC的无刷直流电机控制器应用研究

摘要

无刷直流电动机经过不断地演进和发展，其优良的性能使其在各个领域都得到了广泛的应用。直流电动机具有良好的调速特性，简单的控制功能，较高的效率和优异的动态特性。是目前大多数调速电动机的最优选择。加上电力电子器件的更新换代、嵌入式系统和控制理论的发展，选用无刷直流电动机作为控制对象的调速系统具有良好的发展前景。
　　 本课题按照川仪公司对屏蔽门/安全门系统门控电机的选择，对选用的无刷直流电动机采用基于SOPC的嵌入式系统设计方法，研制出满足控制系统性能指标要求的无刷直流电动机控制器。
　　 SOPC，即片上可编程系统，是在SOC(片上系统)的基础上发展起来的一种集成系统设计方法。它继承了硬核、软核、DSP、存储器外围I/O及可编程逻辑。相对于SOC的专用性，SOPC设计更加灵活，更加通用。小型化、通用化，这是微电子领域发展的必然趋势。基于SOPC技术的工业控制器设计由于其设计灵活、开发周期短、产品上市迅速，因而在工业控制领域得到了越来越多的应用。
　　 无刷直流电动机控制器主要包括主控电路、Hall信号检测电路、电流采样电路以及电动机驱动电路等。主控电路的功能包括对Hall检测电路的结果进行逻辑判断，完成无刷直流电动机的换相，控制外部A/D的采样时序以及对PWM波形的控制及输出等。主控电路是基于FPGA，采用Verilog HDL硬件描述语言实现的各个功能模块的集成。Hall信号检测电路完成对无刷直流电动机转子位置的检测，并采用光耦隔离和分压的方式，为主控电路提供正确的Hall脉冲信号，据此来完成对电机的换相控制和转速计。电流采样电路包括对无刷直流电动机母线电流的采样和电流的模数转换。它将采集并转换好的电流数字信号传送给主控制器软核进行相应的处理。电动机驱动电路以智能功率模块为核心，接收到FPGA的PWM控制信号之后，输出对应的电机驱动波形，完成对电机的驱动控制。
　　 本文针对无刷直流电动机的结构特点，采用PWM调制方式，通过对实际控制系统的调试，对得到的实验结果进行了分析。实验结果表明，本文所设计的无刷直流电动机控制器运行稳定、实时性强、升级改进方便易行，为后续继续进行实验研究提供了基础和借鉴。