基于FPGA的无刷直流电动机控制器设计

摘要

无刷直流电机因其结构简单、运行可靠、维修方便等优点，使得它的应用越来越广泛，如在仪器仪表、家用电气和医疗器械等方面的应用成为研究的热点，因而对电机运行性能的要求也越来越高，因此围绕改善电机性能方面的研究也是多方向的。借助优良的硬件系统实现高性能电机控制器即是其中之一。本课题旨在运用FPGA(可编程逻辑器件)的强加固抗辐射的特性及其丰富的内部配置及外部接口方面的优点，设计一套有位置传感器的无刷直流电机控制器。
　　设计了控制器中的硬件电路，包括控制板及与驱动板之间的接口，过流保护电路等。并根据设计要求，采用再生制动实现了电机制动控制，给出了控制器的整体设计方案。
　　设计了基于FPGA的PID控制器，对于算法中涉及到的各种时序运算采用状态机控制实现。针对本设计中速度闭环时启动电流大且有超调的特点，设计并实现了脉冲跟踪启动。
　　设计了三体查找表控制器，针对在FPGA里实现数学运算需要占用大量片内硬件资源的缺点，采用了多体查找表方法实现同样的控制要求，设计了一个三体查找表控制器，给出了详细的数字补偿器多体查找表的实现过程。
　　设计并搭建了试验平台，分别对控制器软件和硬件进行调试，最后软硬件相结合对整个控制器进行了调试和实验，通过PID参数调试，使控制器达到设计要求，针对输入霍尔脉冲与内部时钟不同步而产生的亚稳态现象，采用两级同步器进行修正，实验证明该方案的可行性。

目录

基于FPGA的无刷直流电动机控制器设计

DESIGN OF BRUSHLESS DC MOTOR CONTROLLER BASED ON FPGA

摘 要

Abstract

目 录

第1章 绪 论

1.1 课题背景

1.2国内外研究发展状况

1.2.1 无刷直流电动机的发展现状

1.2.2 无刷直流电动机研究中的主要问题

1.3 FPGA技术及发展概况

1.3.1 FPGA现状及发展趋势

1.3.2 FPGA应用领域及研究现状

1.3.3 基于FPGA查找表实现及应用

1.4 本文主要研究内容

第2章 无刷直流电动机控制器整体设计

2.1 引言

2.2 无刷直流电动机基本组成及基本工作原理

2.2.1无刷直流电动机的基本结构

2.2.2几种位置传感器的比较

2.2.3三相全桥的驱动方式分析

2.2.4电机制动方式分析

2.3控制器的硬件电路设计

2.3.1过流保护电路的设计

2.4 无刷直流电动机控制器的设计

2.4.1无位置信号反馈的开环控制

2.4.2带霍尔传感器的速度开环控制

2.4.2带电流负反馈的速度闭环控制器的设计

2.5 本章小结

第3章 基于FPGA的控制器软件设计

3.1 引言

3.2 Fusion系统芯片特点

3.2.1硬件描述语言及设计方法

3.3 电动机控制器的软件实现

3.3.1转速计算模块的设计

3.3.2控制器的PID模块的设计

3.3.3脉冲跟踪方式启动的设计

3.4 本章小结

第4章 数字补偿器的多体查找表实现

4.1 引言

4.2 基于单体查找表方法的设计

4.3 多体查找表法的研究

4.4 数字补偿器的多体查找表实现

4.4.1数字查找表方法的原理

4.4.2数字补偿器的FPGA实现

4.4.3数字补偿器的存储组织

4.5 本章小结

第5章 实验结果及分析

5.1 引言

5.2 无刷直流电动机控制器运行环境

5.3 实验结果分析

5.3.1位置信号测试结果

5.3.2换向逻辑软件仿真波形

5.3.3基于RC滤波的速度采样及亚稳态修正

5.3.4脉冲跟踪方式启动实验结果

5.3.5速度闭环实验结果分析

5.4 本章小结

结 论

参考文献

哈尔滨工业大学硕士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学硕士学位论文使用授权书

致 谢