基于FPGA的三相直流无刷电动机变频控制的远洋捕捞装置电路设计

    项目及可行性分析

    项目名称：基于FPGA的三相直流无刷电动机变频控制的远洋捕捞装置电路设计

    项目主要内容：远洋捕捞装置在实际的运行过程中要具有根据鱿鱼重量的大小而自动调节为加速或减速状态的功能，并且要具有计量钓绳长度的能力以实现当钓绳被全部卷起时钓机自动停止的功能。

    本项目采用FPGA控制三相直流电机，利用其中的EAB可以构成存放电机各相电流所需的控制波形数据表和利用FPGA设计的数字比较器可以同步产生多路PWM电流波形，对三相直流电机进行灵活控制，从而满足远洋捕捞装置在实际运行过程中的所需。

    创新性：使用XLINX公司的FPGA、功率器件智能模块IPM PS21865 和霍尔传感位置侦测，实现直流无刷电动机驱动和调速，直流无刷电动机BLDC采用电子换向器替代了传统直流电动机的机械换向装置，克服了电刷和换向器所引起的噪声、火花、电磁干扰、寿命短等弊病。直流无刷电动机既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等。而这些用传统的单片机和DSP的控制都难以达到同样的控制效果。

    实用性：使用FPGA实现多路PWM控制，无须外接D/A转换器，使外围控制电路大大简化，控制方式简洁，控制精度高、控制效果好；控制器采用通用的微控制器AT89S51，技术成熟，成本低廉。

    可实现性：

    FPGA模块设计是通过查询ROM的方式，获取所存储的PWM波形数据，再经由数字比较器产生相应的PWM波形输出。FPGA模块在接收到控制器AT89S51模块发送过来的命令后，通过对地址计数器进行控制而获取不同PWM波形数据，可以输出三相直流电机的旋转方向、转动速度、工作/停止状态的控制信号。

    IPM模块对FPGA模块输出的控制信号进行功率放大，从而实现对三相直流电机速度的控制。同时，IPM模块也会返回三相直流电机的过载保护和出错保护信号到控制器AT89S51模块，控制器模块在接收到过载保护和出错保护信号之后会向FPGA模块发出中止命令，FPGA模块根据命令中止三相直流电机的运转，从而起到保护电机的作用。

    项目实施方案

    方案基本结构图

    方案描述

    目前大多数远洋渔船配备的远洋捕捞装置电源控制，仍是采用以往的稳恒输出方式，即电源控制电动机的信号稳定，以实现匀速控制钓线装置。在实际应用过程当中暴露出很多问题，传统的控制方式不能自动应对一些特殊情况，比如捕捞鱼类数量突然增多造成钓机过载，或者由于脱落造成捕捞装置空载，以及钓线装置已经回收结束，电动机不能自动停止，这时候无法及时变频控制电动机的电源输出，极容易发生事故。所以电动机变频及控制的问题需要得到及时解决。我们小组成员计划利用FPGA技术，设计一个三相直流无刷电动机变频控制的远洋捕捞装置电路。以达到灵活智能控制钓线装置，应对特殊情况。

    直流电机无刷控制原理

    电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，与三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等。直流无刷电动机的控制原理简图如图3-2 。

    主电路是一个典型的电压型交-直-交电路，逆变器提供等幅等频5－24KHz调制波的对称交变矩形波。永磁体N-S交替交换，使位置传感器产生相位差120°的H3、H2、H1方波，从而产生有效的六状态编码信号：010、011、001、101、100、110，通过逻辑组件处理产生V6－V1导通、V5－V6导通、V4－V5导通、V3－V4导通、V2－V3导通、V1－V2导通，也就是说将直流母线电压依次加在U－>V、W－>V、W－>U、V－>U、V－>W、U－>W上，这样转子每转过一对N-S极，V1、V2、V3、V4、V5、V6各功率管即按固定组合成六种状态的依次导通。每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60°电角度，转子跟随定子磁场转动相当于60°电角度空间位置，转子在新位置上，使位置传感器U、V、W按约定产生一组新编码，新的编码又改变了功率管的导通组合，使定子绕组产生的磁场轴再前进60°电角度，如此循环，直流无刷电动机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。

    本方案采用120度方波的算法驱动IPM的内置IGBT从而来驱动直流无刷电动机。对IGBT信号的分配必然和电动机的位置有着紧密的联系，从BLDC的霍尔传感器反馈回来的位置信号经过编码后是：010、011、001、101、100和110六种状态，所以可以根据这六种位置状态信息来分配IGBT的驱动信号。在这里我们优先选用了IGBT的上桥臂用分配PWM信号，下桥臂分配高低电平的驱动方式，所以可以通过改变上桥臂PWM的占空比来改变加在直流无刷电动机上的端电压。信号分配和位置关系如图3-3所示。

    其中：V1、V2、V3、V4、V5和V6表示IGBT组成的三相全控桥电路，上桥的V1、V3和V5三个功率管，下桥的V2、V4和V6三个功率管，分别控制这U、V和W三相直流电的流向，如图1－1所示连接方式。H1、H2和H3是霍尔传感器的三个信号出线。

    如果正转的位置信号和驱动信号的关系如图2所示：010（H3 H2 H1）V6－V1、011（H3 H2 H1）V5－V6、001（H3 H2 H1）V4－V5、101（H3 H2 H1）V3－V4、100（H3 H2 H1）V2－V3、110（H3 H2 H1）V1－V2的顺序来换流的话，那幺我们可以同样根据位置信号给出反转时驱动信号的换流关系。即：001（H3 H2 H1）V1－V2、011（H3 H2 H1）V2－V3、010（H3 H2 H1）V3－V4、110（H3 H2 H1）V4－V5、100（H3 H2 H1）V5－V6、101（H3 H2 H1）V6－V1。具体电机的相序一定要搞清楚，如果换流不对或不当的话直流无刷电动机就会左右振动根本旋转不起来，或者电流很大且电流波形是不对的。

    通过上述控制信号来控制各个功率管的on/off，使得电流依序流入U、V、W三相线圈，而在直流无刷电动机的内部产生旋转磁场，如图3-4所示，指出了在控制信号的作用下各相的电压、电流方向的关系。

    在控制功率组件的信号中加入PWM，调整PWM的占空比，即输出PWM的Duty，使得调整输入电动机的端电压的大小，进而控制直流无刷电动机的转速，其中控制信号PWM的加入有四种方式：上相PWM、下相PWM、前半PWM和后半PWM。如图3-5所示。

    FPGA调制PWM波形原理

    拟采用FPGA控制三相直流电机，利用其中的EAB可以构成存放电机各相电流所需的控制波形数据表和利用FPGA设计的数字比较器可以同步产生多路PWM电流波形，对三相直流电机进行灵活控制。使用FPGA实现多路PWM控制，无须外接D/A转换器，使外围控制电路大大简化，控制方式简洁，控制精度高、控制效果好。用单片机和DSP的控制都难以达到同样的控制效果。

    FPGA模块设计是由PWM计数器、波形ROM地址计数器、PWM波形ROM存储器、比较器等模块组成。其中，PWM计数器在脉宽时钟作用下递增计数，产生阶梯形上升的周期性锯齿波，同时加载到各数字比较器的一端；PWM波形ROM输出的数据分别加载到各数字比较器的另一端。当PWM计数器的计数值小于波形ROM输出数值时，比较器输出低电平；当PWM计数器的计数值大于波形ROM输出数值时，比较器输出高电平。由此可输出周期性的PWM波形。根据三相直流电机对电流波形的要求，将各个时刻细分电流波形所对应的数值存放于波形ROM中，波形ROM的地址由地址计数器产生。通过对地址计数器进行控制，可以改变三相直流电机的旋转方向、转动速度、工作/停止状态。