專利名稱：基于sopc的無位置傳感器無刷直流電機遠程監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及基于SOPC的無位置傳感器無刷直流電機遠程監(jiān)控系統(tǒng)，屬于電機控制領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
無刷直流電機(Brushless DC Motor，簡稱BLDCM)是梯形波永磁同步電動機的別稱，其特點是電機中氣隙磁密分布為梯形波，因而電機的反電勢波形和電流波形均為梯形波。
無刷直流電機與其他各類電動機相比，具有體積小、效率高、出力大、起動轉(zhuǎn)矩大、過載能力強、動態(tài)特性好、控制容易、靈活、方便等特點?，F(xiàn)已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、數(shù)控機床、機器人控制、電動車驅(qū)動和家電應(yīng)用等領(lǐng)域。高性能的無刷直流電機需要實時檢測轉(zhuǎn)子位置已實現(xiàn)其自控變頻驅(qū)動，因此產(chǎn)生了各種無刷直流電機轉(zhuǎn)子位置信號的監(jiān)測方法，如電磁式位置傳感器，霍爾位置傳感器，光電編碼器等。但這些位置傳感器都作為電機本體的附屬結(jié)構(gòu)存在，使電機結(jié)構(gòu)進一步復(fù)雜化，增加了電機的重量和體積，同時，位置傳感器安裝與維護困難，是整個無刷直流電機本體結(jié)構(gòu)中最薄弱的環(huán)節(jié)，使無刷直流電機的可靠性降低。因此，目前，無刷直流電機的無位置傳感器控制成為學者和工程人員研究的熱點。
無位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置檢測是通過檢測和計算與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的物理量間接地獲得轉(zhuǎn)子的位置信息。常用的無位置傳感器位置檢測方法有反電勢過零檢測法、續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測法、繞組三次諧波檢測法和瞬時電壓方程法等。
目前，在無刷直流電機轉(zhuǎn)子位置信號無傳感器檢測領(lǐng)域中，反電動勢過零檢測法由于檢測電路結(jié)構(gòu)簡單，算法亦不復(fù)雜，因此發(fā)展最成熟，應(yīng)用最為廣泛。
對于最常見的兩相導通星形三相六狀態(tài)工作方式，除了換向的瞬間之外，在任何時刻，電機總有一項繞組處于斷路狀態(tài)。當斷路相繞組的反電勢過零之后，再經(jīng)過30度電角度，就是該相的換相點。因此，只要檢測到各相繞組反電勢的過零點，就可以確定電機的轉(zhuǎn)子位置和下次換流時間。傳統(tǒng)的反電勢過零檢測算法都是通過外圍分立的模擬電路，重構(gòu)出電機的中心點電壓來獲得反電勢過零信號的。但是，受重構(gòu)電路準確性的影響，反電勢過零信號總是存在誤差，造成電機的換相精度較低，控制性能不是很理想。隨著數(shù)字信號處理器DSP的出現(xiàn)，在DSP中以軟件方式實現(xiàn)過零檢測及驅(qū)動控制一度成為研究熱點。但是，軟件算法的串行性又會引入一定的執(zhí)行延時，而且它還會增加CPU的負擔，限制了電機其它控制任務(wù)的完成。另外，傳統(tǒng)的反電勢過零檢測法僅能在20％以上額定轉(zhuǎn)速以上才能使用，調(diào)速范圍受到很大制約。
與此同時，隨著科學技術(shù)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，現(xiàn)代機電控制系統(tǒng)越來越趨向于高精度、微型化及大規(guī)?；l(fā)展，這時，只能在現(xiàn)場進行控制作業(yè)的電機就暴露出它的缺點，在管理和維護方面的人力、經(jīng)費過大，工作要花費大量的時間巡檢、控制等；另外，有一些地方是人類無法到達的，并且作業(yè)環(huán)境十分惡劣，例如有核污染等危險地帶，只能在現(xiàn)場作業(yè)的電機就無法滿足控制要求，如果工作人員長時間在這樣的危險環(huán)境下作業(yè)，增加了傷亡的概率。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是解決人們只能在現(xiàn)場控制無刷直流電機作業(yè)，浪費大量的人力、經(jīng)費，在危險工作環(huán)境下還會增加傷亡概率的問題，提供了基于SOPC的無位置傳感器無刷直流電機遠程監(jiān)控系統(tǒng)。
本發(fā)明包括FPGA、m個隔離電路、多路并行模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣電路、以太網(wǎng)接口電路、以太網(wǎng)組件終端、外部存儲器和m個無刷直流電機， FPGA內(nèi)構(gòu)建有m個電機驅(qū)動IP核、internet接口、NOISII軟核和三態(tài)橋接器，m個電機驅(qū)動IP核、internet接口、NOIS II軟核和三態(tài)橋接器分別掛接在FPGA內(nèi)部的總線上， 以太網(wǎng)組件終端的輸入輸出端與以太網(wǎng)接口電路的用戶輸入輸出端相連， 外部存儲器的輸入輸出端與三態(tài)橋接器的存儲輸入輸出端相連， 每個無刷直流電機的采樣信號端與多路并行模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣電路的一個信號輸入端相連，多路并行模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣電路的m個信號輸出端分別與每個電機驅(qū)動IP核的采樣信號輸入端相連，每個電機驅(qū)動IP核的輸出端與一個隔離電路的輸入端相連，每個隔離電路的輸出端與一個無刷直流電機的控制信號輸入端相連。
本發(fā)明的優(yōu)點基于Internet的遠程控制技術(shù)使傳統(tǒng)的無刷直流電機BLDCM控制系統(tǒng)擺脫空間的限制，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對設(shè)備的遠程控制、管理和維護，同時也實現(xiàn)資源和技術(shù)的共享。尤其是大型企業(yè)集團，企業(yè)各工廠或產(chǎn)品生產(chǎn)的分散，采用遠程控制系統(tǒng)便于企業(yè)集團對所屬工廠生產(chǎn)設(shè)備的及時監(jiān)控、診斷和維護，這種遠程監(jiān)控還能節(jié)省大量用于管理和維護的人力、經(jīng)費，從而提高經(jīng)濟效益，并可以實現(xiàn)企業(yè)信息網(wǎng)與控制網(wǎng)的有效連接，實現(xiàn)企業(yè)的綜合自動化。其次，它可以拓寬人們的作業(yè)空間和范圍，有利于促進新一代空間機器人、海洋機器人、危險環(huán)境機器人的研制和開發(fā)?；贗nternet的控制不需要人們鋪設(shè)專門的通訊線路并且網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日益成熟，這樣將有利于減少遠程控制的成本、擴大遠程化距離、實現(xiàn)對任意節(jié)點的訪問。



圖1是本發(fā)明所述基于SOPC的無位置傳感器無刷直流電機遠程監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖，圖2是本發(fā)明電機驅(qū)動IP核的結(jié)構(gòu)示意圖，圖3是嵌入式操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，圖4是WEB服務(wù)器框圖，圖5是用套接字建立連接的流程圖，圖6是電機轉(zhuǎn)速為220Rpm時換向信號波形與A、B、C三相反電勢波形圖，圖7是電機輸入轉(zhuǎn)速由125Rpm突加至2500Rpm的暫態(tài)轉(zhuǎn)速曲線，圖8是AD模/數(shù)轉(zhuǎn)換器采用單端輸入模式時，正負兩個輸入信號對應(yīng)曲線，圖9是反電勢與開關(guān)管工作順序波形圖，圖10是電機正轉(zhuǎn)時的反電勢波形圖及相位轉(zhuǎn)換示意圖，圖11是VHDL三段式同步啟動模塊I/O端口示意圖。

具體實施例方式具體實施方式
一下面結(jié)合圖1、圖3至圖7來說明本實施方式，本實施方式包括FPGA1、m個隔離電路2、多路并行模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣電路3、以太網(wǎng)接口電路4、以太網(wǎng)組件終端5、外部存儲器6和m個無刷直流電機20， FPGA1內(nèi)構(gòu)建有m個電機驅(qū)動IP核10、internet接口11、NOIS II軟核12和三態(tài)橋接器13，m個電機驅(qū)動IP核10、internet接口11、NOIS II軟核12和三態(tài)橋接器13分別掛接在FPGA1內(nèi)部的總線上， 以太網(wǎng)組件終端5的輸入輸出端與以太網(wǎng)接口電路4的用戶輸入輸出端相連， 外部存儲器6的輸入輸出端與三態(tài)橋接器13的存儲輸入輸出端相連， 每個無刷直流電機20的采樣信號端與多路并行模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣電路3的一個信號輸入端相連，多路并行模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣電路3的m個信號輸出端分別與每個電機驅(qū)動IP核10的采樣信號輸入端相連，每個電機驅(qū)動IP核10的輸出端與一個隔離電路2的輸入端相連，每個隔離電路2的輸出端與一個無刷直流電機20的控制信號輸入端相連。
FPGA1選用CycloneII系列EP2C20Q240C8N。，在Altera公司的Cyclone II系列的FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)上，利用SOPC(片上可編程系統(tǒng))技術(shù)，實現(xiàn)了對系統(tǒng)的硬件模塊化設(shè)計。該系統(tǒng)包括基于反電勢過零檢測的無位置傳感器驅(qū)動器和在Nios II軟核的基礎(chǔ)上構(gòu)建的嵌入式Web服務(wù)器。本系統(tǒng)的各種功能可以憑借FPGA內(nèi)部強大的資源來實現(xiàn)，并能在線升級，縮短開發(fā)時間，滿足系統(tǒng)越來越高的控制要求。隨著FPGA價格的降低和內(nèi)部資源的提升，它在電機領(lǐng)域的應(yīng)用將會越來越普遍。
以太網(wǎng)接口電路4選用DAVICOM公司生產(chǎn)的以太網(wǎng)接口電路DM9000A，DM9000A是一款高度集成、功能強大、少引腳、性價比高的單片快速以太網(wǎng)控制芯片。
多路并行模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣電路3選用AD73360模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。該芯片自身的優(yōu)良特性和獨到的外圍電路設(shè)計使其能很好的適用于本系統(tǒng)的信號采集工作 (1)AD73360具有六個獨立的模擬量輸入通道，每個通道可同時采樣，消除了普通AD因?qū)Χ嗦沸盘柕姆謺r采樣而造成的相位誤差，可實時地采樣電機的三相電壓和母線電流。另外，AD73360的各路通道都有內(nèi)置程控增益放大器和反混迭濾波器，使其對輸入端的放大電路和反混迭濾波器的要求大為降低，使調(diào)理電路的設(shè)計更為精簡。
(2)AD73360使用六線工業(yè)標準同步串行接口，且端口前端采樣速率和后端傳輸速率可編程控制(最高可支持六通道同時以64KHz速率采樣)，使其與電機驅(qū)動IP核10的連接非常方便。由于接口信號線的數(shù)目只有六條，所以這樣不僅節(jié)約了印制板的面積，而且也有效地減小了電磁干擾，從而使得系統(tǒng)運行更加穩(wěn)定。
AD73360模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片、DM9000A和隔離電路2均為用戶自定義NIOS II系統(tǒng)的外部設(shè)備，均以自定義組件的形式添加到SOPC Builder中。
本發(fā)明所述系統(tǒng)能實現(xiàn)遠程監(jiān)控，DM9000A連接以太網(wǎng)組件終端5，用戶通過internet網(wǎng)絡(luò)在以太網(wǎng)組件終端5給任意一個無刷直流電機BLDCM輸入相應(yīng)的系統(tǒng)給定參數(shù)——轉(zhuǎn)向信號、輸入給定轉(zhuǎn)速n*、啟停信號，控制相應(yīng)的無刷直流電機BLDCM運行。
遠程用戶通過以太網(wǎng)接口電路4及FPGA1中的internet接口11下達指令，指令通過總線給NOISII軟核12，NOISII軟核12處理后的指令——采集命令、轉(zhuǎn)向信號、啟停信號和輸入轉(zhuǎn)速通過總線傳達給某路的電機驅(qū)動IP核10，該路電機驅(qū)動IP核10將處理后的指令通過隔離電路2輸出給該路無刷直流電機20，采集命令則由該路中的電機驅(qū)動IP核10傳達給數(shù)模轉(zhuǎn)換檢測電路3，數(shù)模轉(zhuǎn)換檢測電路3根據(jù)用戶傳遞過來的指令采集該路無刷直流電機20的三相電壓信號和母線電流信號，采集回來的信號經(jīng)電機驅(qū)動IP核10處理后，輸出PWM信號，并經(jīng)過隔離電路2的隔離，驅(qū)動相應(yīng)的無刷直流電機20運行，這樣，用戶可以在遠程控制現(xiàn)場作業(yè)的任意無刷直流電機BLDCM按指令運行。
基于Internet的遠程控制技術(shù)使傳統(tǒng)的BLDCM控制系統(tǒng)或其他的機電控制設(shè)備擺脫空間的限制，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)對設(shè)備的遠程控制、管理和維護，同時也實現(xiàn)資源和技術(shù)的共享。尤其是大型企業(yè)集團，企業(yè)各工廠或產(chǎn)品生產(chǎn)的分散，采用遠程控制系統(tǒng)便于企業(yè)集團對所屬工廠生產(chǎn)設(shè)備的及時監(jiān)控、診斷和維護，這種遠程監(jiān)控還能節(jié)省大量用于管理和維護的人力、經(jīng)費，從而提高經(jīng)濟效益，并可以實現(xiàn)企業(yè)信息網(wǎng)與控制網(wǎng)的有效連接，實現(xiàn)企業(yè)的綜合自動化。其次，它可以拓寬人們的作業(yè)空間和范圍，有利于促進新一代空間機器人、海洋機器人、危險環(huán)境機器人的研制和開發(fā)?；贗nternet的控制不需要人們鋪設(shè)專門的通訊線路并且網(wǎng)絡(luò)技術(shù)日益成熟，這樣將有利于減少遠程控制的成本、擴大遠程化距離、實現(xiàn)對任意節(jié)點的訪問。
本發(fā)明所述系統(tǒng)的軟件設(shè)計由本地嵌入式μC/OS-II操作系統(tǒng)下WEB服務(wù)器、遠程瀏覽器與控制界面構(gòu)成一個完整的遠程監(jiān)控控制系統(tǒng)，軟件程序嵌入NOISII軟核12內(nèi)。
嵌入式WEB服務(wù)器提供一個動態(tài)網(wǎng)頁，供用戶通過Internet訪問，并允許訪問者修改上面的控制參數(shù)，并利用輸入的控制參數(shù)直接控制電機驅(qū)動IP核10，對無刷直流電機進行啟動、調(diào)速和正反轉(zhuǎn)控制。嵌入式操作系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。
μC/OS-II操作系統(tǒng)下的嵌入式WEB服務(wù)器設(shè)計是建立在多任務(wù)實時操作系統(tǒng)上的，它具有的特點為 ■小巧(最小內(nèi)核2K)； ■公開源代碼，詳細的注解； ■可剝奪實時內(nèi)核； ■可移植性強，可裁剪； ■實時多任務(wù)。
這些特點有利于網(wǎng)絡(luò)通信在FPGA1中的實現(xiàn)。
ALTERA公司的CycloneII系列的FPAGA中NIOSII軟核μC/OS-II操作系統(tǒng)支持的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧為LWIP。
LightweightIP(LWIP)是TCP/IP組的small_footprint實現(xiàn)。LWIP在提供全部TCP/IP的同時減少了資源的使用。LWIP被設(shè)計用于具有存儲容量有限的嵌入式系統(tǒng)，它使用于NIOSII處理器系統(tǒng)。這是網(wǎng)絡(luò)通信的基礎(chǔ)。
WEB服務(wù)器框圖如圖4所示。
所述嵌入式WEB服務(wù)器是基于套按字建立連接的，其程序框圖如圖5所示，本系統(tǒng)的服務(wù)器是運行在μC/OS-II系統(tǒng)上的基于底層協(xié)議棧LWIP的嵌入式服務(wù)器，主要功能是建立、管理http連接和響應(yīng)http請求。該工程主要包括如下文件 Web_sever.c初始化系統(tǒng)，建立http任務(wù)； http.c完成http相關(guān)任務(wù)，如建立http連接，響應(yīng)http請求等； http.h定義了http任務(wù)的各種宏定義和套接字描述結(jié)構(gòu)體；包含了LWIP協(xié)議文件； network_unitilies.c完成IP地址和MAC地址的分配； http連接的基礎(chǔ)是LWIP協(xié)議棧，通過LWIP提供的底層函數(shù)庫，建立套接字連接。LWIP函數(shù)庫被web_sever.c，http.c和network_unitilies.c等多個上層文件調(diào)用。
控制界面是用HTML語言編寫的網(wǎng)頁，以壓縮文件的形式燒寫在FPGA1的非易失性存儲器7(Flash)上，客戶端通過IE瀏覽器進行訪問。
我們對系統(tǒng)的直流無刷電動機驅(qū)動器的性能進行了測試。
(1)靜態(tài)參數(shù)測定 系統(tǒng)的靜態(tài)參數(shù)包括電機控制器的調(diào)速范圍、調(diào)速精度及靜特性。
表1為125r/min～3000r/min范圍內(nèi)抽樣的給定的輸入轉(zhuǎn)速n與實際轉(zhuǎn)速n*對比。
表1輸入轉(zhuǎn)速n與實際轉(zhuǎn)速n*對比
經(jīng)檢測，系統(tǒng)達到并超過了預(yù)定的技術(shù)指標 √可控制電機轉(zhuǎn)速125r/min-3000r/min(4.16％額定轉(zhuǎn)速-額定轉(zhuǎn)速)，調(diào)速范圍D≥24； √轉(zhuǎn)速誤差低于0.5％。
電機正轉(zhuǎn)且轉(zhuǎn)速為220Rpm時，總換向信號波形與A、B、C三相反電勢波形如圖6所示。從圖中可以看出換相信號準確且無明顯相移。
(2)動態(tài)參數(shù)測定 由于直流無刷電動機的結(jié)構(gòu)所限，電機調(diào)速時突加給定的暫態(tài)轉(zhuǎn)速波形難以測量。于是我們另外設(shè)計了一個小模塊，在FPGA1內(nèi)部以0.2s的時間間隔對電機驅(qū)動IP核10計算出的實際轉(zhuǎn)速n*進行采樣，并將結(jié)果存在RAM中已備調(diào)用。電機在t＝5s時由125Rpm突加給定2500Rpm的暫態(tài)轉(zhuǎn)速曲線如圖7所示。其中，虛線為給定的輸入轉(zhuǎn)速n曲線，另一條為實際轉(zhuǎn)速n*曲線?？梢钥闯?，升速時約有1％的轉(zhuǎn)速超調(diào)。
具體實施方式
二、本實施方式與實施方式一的不同之處在于，它還包括非易失性存儲器7，非易失性存儲器7的輸入輸出端與三態(tài)橋接器13的閃存輸入輸出端相連，其它結(jié)構(gòu)和連接方式與實施方式一相同。
非易失性存儲器7采用Flash閃速存儲器。Flash(閃速存儲器)是近些年發(fā)展起來的新型非易失性存儲器，它具有掉電數(shù)據(jù)不丟失、快速的數(shù)據(jù)存取速度、電可擦除、容量大、在線可編程、價格低廉以及足夠多的擦寫次數(shù)(十萬次)和較高的可靠性等諸多優(yōu)點。
具體實施方式
三、本實施方式與實施方式一或二的不同之處在于，它還包括按鍵8和數(shù)碼管9，F(xiàn)PGA1內(nèi)部還構(gòu)建有通用IO接口14和數(shù)碼管控制接口15，通用IO接口14和數(shù)碼管控制接口15分別掛接在FPGA1內(nèi)部的總線上，按鍵8的輸出端與通用IO接口14的輸入端相連，數(shù)碼管的輸入端與數(shù)碼管控制接口15的輸出端相連，其它結(jié)構(gòu)和連接方式與實施方式一或二相同。
本實施方式的設(shè)置是為了現(xiàn)場人員調(diào)試和監(jiān)控，按鍵8用于網(wǎng)絡(luò)故障時系統(tǒng)復(fù)位和控制，可輸入調(diào)控參數(shù)，數(shù)碼管上實時顯示電機的運行參數(shù)(如轉(zhuǎn)速、端電壓、母線電流等)。
具體實施方式
四、下面結(jié)合圖2、圖8至圖11說明本實施方式，本實施方式與實施方式一、二或三的不同之處在于，電機驅(qū)動IP核10包括多路模數(shù)轉(zhuǎn)換接口單元101、反電勢過零檢測單元102、三段式同步啟動模塊103、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋PI調(diào)節(jié)器104和PWM控制器105， 多路模數(shù)轉(zhuǎn)換接口單元101接收所述采樣信號，多路模數(shù)轉(zhuǎn)換接口單元101輸出三相電壓采樣信號給反電勢過零檢測單元102，多路模數(shù)轉(zhuǎn)換接口單元101輸出母線電流采樣信號給轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋PI調(diào)節(jié)器104， 反電勢過零檢測單元102輸出實際轉(zhuǎn)速信號給轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋PI調(diào)節(jié)器104，所述轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋PI調(diào)節(jié)器104輸出閉環(huán)占空比控制信號給PWM控制器105， 三段式同步啟動模塊103接收輸入的轉(zhuǎn)向信號，所述轉(zhuǎn)向信號同時輸送給PWM控制器，三段式同步啟動模塊103輸出開環(huán)占空比控制信號給PWM控制器105，所述三段式同步啟動模塊103還輸出開環(huán)換相信號給PWM控制器105，所述三段式同步啟動模塊103還輸出開/閉環(huán)控制信號給PWM控制器105， 轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋PI調(diào)節(jié)器104接收啟停信號和輸入轉(zhuǎn)速信號，PWM控制器105輸出的無刷直流電機控制信號通過隔離電路2驅(qū)動無刷直流電機20運行。
其它結(jié)構(gòu)和連接方式與實施方式一、二或三相同。
IP Core(知識產(chǎn)權(quán)核)將一些在數(shù)字電路中常用，但比較復(fù)雜的功能塊，如FIR濾波器、SDRAM控制器、PCI接口等設(shè)計成可修改參數(shù)的模塊。IP核的重用是設(shè)計人員贏得迅速上市時間的主要策略。隨著CPLD/FPGA的規(guī)模越來越大，設(shè)計越來越復(fù)雜，設(shè)計者的主要任務(wù)是在規(guī)定的時間周期內(nèi)完成復(fù)雜的設(shè)計。調(diào)用IP核能避免重復(fù)勞動，大大減輕工程師的負擔，因此使用IP核是一個發(fā)展趨勢。
根據(jù)無刷直流電機控制方法的分析結(jié)果，可以設(shè)計出實現(xiàn)無位置傳感器控制算法的集成數(shù)字邏輯電路結(jié)構(gòu)，即電機驅(qū)動IP核，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
電機驅(qū)動IP核10通過接口經(jīng)由WEB服務(wù)器得到電機的控制信號(轉(zhuǎn)向信號、啟停信號和輸入轉(zhuǎn)速)，向每個無刷直流電機20發(fā)出驅(qū)動信號，同時向Internet發(fā)送電機的實際轉(zhuǎn)速n，主要由多路模數(shù)轉(zhuǎn)換接口單元101(用于A/D73360驅(qū)動)、反電勢過零檢測單元102、三段式同步啟動模塊103、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋PI調(diào)節(jié)器104和PWM控制器105五大部分組成。多路模數(shù)轉(zhuǎn)換接口單元101用來向反電勢過零檢測模塊102和轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋PI調(diào)節(jié)器104提供采樣的三相電壓Ua、Ub、Uc和母線電流I。而反電勢過零檢測模塊102則實現(xiàn)一種新型的基于硬件邏輯的轉(zhuǎn)子位置檢測算法。這種算法能夠巧妙地利用限速濾波算法和相位補償邏輯消除轉(zhuǎn)子位置信號的偏差以得到精確的換相信號，并且受相電壓信號中的諧波干擾影響也較小。三段式同步啟動模塊103憑借預(yù)定位、加速和自動切換三個環(huán)節(jié)實現(xiàn)電機的開環(huán)軟起動，克服反電勢過零檢測算法不能夠自起動的缺陷。轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋PI調(diào)節(jié)器104在其內(nèi)部對轉(zhuǎn)速、電流進行雙閉環(huán)控制，參考量為用戶輸入的轉(zhuǎn)速設(shè)定，反饋量為反電勢過零檢測模塊102計算的實際轉(zhuǎn)速n和多路并行模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣電路3采集的母線電流。實際轉(zhuǎn)速n經(jīng)轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋PI調(diào)節(jié)器104的PI調(diào)節(jié)后輸出，再進入PWM控制器105進行PWM調(diào)制后輸出六路橋臂開關(guān)信號，驅(qū)動被控的無刷直流電機20。
下面只描述一路無刷直流電機20的控制過程，其他路的無刷直流電機20的控制都相同。電機驅(qū)動IP核10正常工作時，首先通過接口輸入電機的控制信號，使三段式同步啟動模塊103開始工作，并將轉(zhuǎn)向信號送入三段式同步啟動模塊103。此時，無刷直流電機20處于開環(huán)啟動階段，由三段式同步啟動模塊103對其內(nèi)部設(shè)定的換相時間和占空比向PWM控制器105發(fā)出開環(huán)占空比、開環(huán)換相信號和開環(huán)控制信號，并由PWM控制器105向隔離電路2的三相橋的六個MOS開關(guān)管對無刷直流電機20進行控制，使無刷直流電機20由靜止在設(shè)定的時間內(nèi)達到開環(huán)和閉環(huán)的切換轉(zhuǎn)速。而后，三段式同步啟動模塊103發(fā)出閉環(huán)控制信號，使無刷直流電機20進入閉環(huán)自控變頻階段。多路模數(shù)轉(zhuǎn)換接口單元101對多路并行模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣電路AD73360進行控制，并且接受串行輸入的無刷直流電機20的三相電壓Ua、Ub、Uc和母線電流I信號，并將這四個信號由串轉(zhuǎn)并，發(fā)送給反電勢過零檢測單元102和轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋PI調(diào)節(jié)器104。反電勢過零檢測單元102對接收到的三路電壓信號進行數(shù)字濾波、計算，轉(zhuǎn)變成具有較高穩(wěn)定性的電機反電勢信號。對反電勢信號的過零信號進行數(shù)字限速濾波、移相、補償，得到最終的無刷直流電機20的換相信號，提供給PWM控制器105以實現(xiàn)自控變頻；同時，反電勢過零檢測單元102利用得到的換相信號進行電機的M/T法測速，將電機的實際轉(zhuǎn)速分別送往轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋PI調(diào)節(jié)器104用于自動控制及送往電機驅(qū)動IP核10接口通過Internet發(fā)給遠程用戶。轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋PI調(diào)節(jié)器104接收參考輸入轉(zhuǎn)速信號n*、反饋的實際轉(zhuǎn)速信號n、反饋的母線電流信號I，利用數(shù)字式串聯(lián)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋PI調(diào)節(jié)器104得到閉環(huán)占空比控制信號，并由PWM控制器105轉(zhuǎn)換成驅(qū)動信號控制無刷直流電機20。
下面針對控制某一路無刷直流電機20分段詳細介紹其控制過程 用戶在遠程給電機驅(qū)動IP核10下達采集電機信息命令，則電機驅(qū)動IP核10通過多路模數(shù)轉(zhuǎn)換接口單元101將采集命令下達給多路并行模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣電路3，多路并行模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣電路3(AD73360)具有六個獨立的模擬量輸入通道，每個通道可同時采樣，消除了普通AD因?qū)Χ嗦沸盘柕姆謺r采樣而造成的相位誤差，可實時地采樣無刷直流電機20的三相電壓Ua、Ub、Uc和母線電流I，AD73360的各路通道都有內(nèi)置程控增益放大器和反混迭濾波器，使其對輸入端的放大電路和反混迭濾波器的要求大為降低，使調(diào)理電路的設(shè)計更為精簡。由于AD73360自身要求，其輸入電壓范圍為0.4V～2.0V。采用普通的直流耦合方式，需要對信號進行電平調(diào)整，其電路復(fù)雜，精度難以保證，對反電勢信號的處理有很大影響。本設(shè)計采用交流耦合方式，使采樣信號以AD基準電壓1.25V為中心上下變化。交流耦合濾掉了無用的直流分量，使反電勢的過零點與AD基準電壓重合，如圖8所示，圖8中VREF為AD73360的基準電壓，在3.3V電源時為1.25V；VINP為輸入通道正端的模擬輸入；VINN為輸入通道負端的模擬輸入，圖8說明了AD73360在3.3V電源電壓單端輸入時的輸入輸出關(guān)系。AD73360的單端輸入，VINN接到REFOUT端，為VREF＝1.25V。簡化了FPGA對反電勢過零點的檢測算法；采樣信號以基準源為對稱中心，最大限度的降低了基準不穩(wěn)對精度的影響，提高了采樣精度。
采樣回來的三相電壓Ua、Ub、Uc和母線電流I輸出給多路模數(shù)轉(zhuǎn)換接口單元101，接受串行輸入的電機的三相電壓和母線電流信號，并將這四個信號由串轉(zhuǎn)并，其中，三相電壓Ua、Ub、Uc發(fā)送給反電勢過零檢測單元102，母線電流I發(fā)送給轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋PI調(diào)節(jié)器104。
反電勢過零檢測單元102由四部分組成時鐘分頻模塊、反電勢相位轉(zhuǎn)換模塊、相位延遲模塊和速度信號生成模塊。
無刷直流電機20啟動后，轉(zhuǎn)子磁極產(chǎn)生的磁通切割定子繞組產(chǎn)生反電勢E，其大小正比于無刷直流電機20的轉(zhuǎn)速及氣隙磁場B。而當轉(zhuǎn)子極性改變時，反電勢波形的正負也隨著改變。所以只要測出反電勢波形的過零點，就可以確定轉(zhuǎn)子的精確位置，并以此來控制無刷直流電機20的換相。無刷直流電機20反電勢與理想的開關(guān)管工作順序如圖9所示。
(1)時鐘分頻模塊 時鐘分頻模塊將50MHz的系統(tǒng)時鐘經(jīng)過500分頻得到100kHz的時鐘信號送入相位延遲模塊。
(2)反電勢相位轉(zhuǎn)換模塊 反電勢相位轉(zhuǎn)換模塊將三相電壓信號Ua、Ub、Uc經(jīng)過中值平均濾波和相關(guān)計算得到反電勢信號。再由反電勢信號的過零點得到初步的換相信號。
電機正轉(zhuǎn)時的反電勢及相位轉(zhuǎn)換原理如下圖10所示，ea、eb、ec分別為A相、B相、C相的濾波后反電勢波形，abc為轉(zhuǎn)換中間量。當ea＞0時abc[2]＝1，ea＜0時abc[2]＝0；當eb＞0時abc[1]＝1，eb＜0時abc[1]＝0；當ec＞0時abc
＝1，ec＜0時abc
＝0。由此我們可得abc信號在電機電角度轉(zhuǎn)過360度時，經(jīng)過了100，110，010，011，001，101六個狀態(tài)，這六個狀態(tài)分別對應(yīng)著phase_i和phase_c的六個狀態(tài)000，001，011，111，110，100。
(3)相位延遲模塊 相位延遲模塊實現(xiàn)了由phase_i到phase_c信號的轉(zhuǎn)換，同時向速度信號生成模塊提供頻率與電機轉(zhuǎn)速成比例的脈沖信號flag6，此信號由abc[2]信號直接輸出。
phase_i和phase_c的區(qū)別在于，phase_c信號是由phase_i信號滯后約30度電角度得到的。在相位延遲模塊中內(nèi)嵌了一個改進的FIPS(頻率無關(guān)移相)數(shù)字移相器用于實現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換。另外，為了補償硬件濾波和軟件濾波造成反電勢信號的相位滯后，phase_c滯后的電角度一定小于30度。我們對由濾波引起的相位滯后進行了仿真，并且將實驗得到的不同頻率對應(yīng)的角度預(yù)先放入ROM中由此模塊調(diào)用，這樣即可得到相對精確的換相信號，對提高系統(tǒng)的調(diào)速范圍有很大幫助。
(4)速度信號生成模塊。
速度信號生成模塊利用頻率與電機轉(zhuǎn)速成比例的脈沖信號flag6對電機進行M/T法測速。M/T法(頻率/周期法)是同時測量檢測時間和在此檢測時間內(nèi)轉(zhuǎn)速脈沖信號的個數(shù)來確定轉(zhuǎn)速。由于同時對兩種脈沖信號進行計數(shù)，因此只要“同時性”處理得當，M/T法在高速和低速時都具有較高的測速精度，適合高調(diào)速范圍、高精度的無刷直流電機調(diào)速系統(tǒng)。M/T法測速綜合了M(頻率)法與T(周期)法的長處，既記錄測速時間內(nèi)輸出的脈沖數(shù)M1，又檢測同一時間間隔內(nèi)高頻時鐘脈沖數(shù)M2。設(shè)高頻時鐘脈沖的頻率為f0，則測速時間Tt＝M2/f0。習慣上轉(zhuǎn)速常以每分鐘轉(zhuǎn)數(shù)來表示，則電機的轉(zhuǎn)速可表示為 式中，Z為電機每轉(zhuǎn)一圈所產(chǎn)生的脈沖數(shù)。
對于本系統(tǒng)的六極永磁無刷直流電機及前述算法，電機每轉(zhuǎn)一圈轉(zhuǎn)過的電角度為6*360度，每360電角度中flag6產(chǎn)生一個脈沖。因此Z＝6。高頻時鐘脈沖由FPGA系統(tǒng)時鐘充當，為50MHz。因此，速度產(chǎn)生模塊中使用的計算公式具體為 即，反電勢過零檢測單元102輸出閉環(huán)換相信號給PWM控制器105，控制無刷直流電機20的換相。經(jīng)過反電勢過零檢測單元102計算出實際轉(zhuǎn)速n，實際轉(zhuǎn)速n一方面通過internet接口11輸出給遠程用戶，一方面輸出給轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋PI調(diào)節(jié)器104。
用戶在遠程通過FPGA1中的internet接口11給電機該路中的電機驅(qū)動IP核10發(fā)送控制信號(轉(zhuǎn)向信號、啟停信號和輸入轉(zhuǎn)速n*)，電機驅(qū)動IP核10中的轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋PI調(diào)節(jié)器104接收到所述控制信號、采集的母線電流I和實際轉(zhuǎn)速n，在轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋PI調(diào)節(jié)器104進行PI調(diào)節(jié)，輸出閉環(huán)占空比給PWM控制器105，通過改變閉環(huán)占空比進而調(diào)控無刷直流電機20的轉(zhuǎn)速。
為了精確定位無刷直流電機20的轉(zhuǎn)子磁極的位置，本發(fā)明采用三段式同步啟動模塊103， 在無刷直流電機中，定子繞組中的感應(yīng)電動勢與轉(zhuǎn)子位置保持著確定的關(guān)系，根據(jù)反電勢法換向的無刷直流電機正是基于這一原理工作的。而反電勢的幅值與電機的轉(zhuǎn)速成正比。當電機靜止或轉(zhuǎn)速很低時，感應(yīng)電動勢的幅值為零或很小，不足以用來確定轉(zhuǎn)子磁極當前的位置，所以在無刷直流電機啟動時不能根據(jù)反電動勢進行換流。需要采用包括預(yù)定位、加速和自動切換三個環(huán)節(jié)實現(xiàn)電機的開環(huán)軟起動，克服反電勢過零檢測算法不能夠自起動的缺陷。
VHDL三段式同步啟動模塊I/O端口如圖11所示。
輸入輸出端口 IN clk(clock)FPGA系統(tǒng)時鐘50MHz dir(direction)轉(zhuǎn)向輸入信號，dir＝0則正轉(zhuǎn)，dir＝1則反轉(zhuǎn) rst(reset)系統(tǒng)復(fù)位信號，高電平有效 OUT cl_flag(closed-loop flag)系統(tǒng)閉環(huán)控制信號，高電平有效 duty_o(duty of open-loop)系統(tǒng)開環(huán)占空比信號11位，最小為0D，最大為1999D phase_o(phase of open-loop)系統(tǒng)開環(huán)相位控制信號3位，000，001，011，111，110，100 state(state of the system)系統(tǒng)狀態(tài)指示，state＝00B為第一次預(yù)定位，state＝01B為第二次預(yù)定位，state＝10B為開環(huán)升速，state＝11B為閉環(huán)調(diào)節(jié)。
(1)預(yù)定位 為保證無刷直流電機能夠正常啟動，首先需要確定轉(zhuǎn)子的當前位置，在輕載條件下，對于具有梯形反電勢波形的無刷直流電機來說一般采用磁制動式的電機轉(zhuǎn)子定位方式。在系統(tǒng)開始上電時，任意給定一組觸發(fā)脈沖，在氣隙之中形成一個幅值恒定，方向不變的磁通，只要保證其幅值足夠大，那么這一脈沖就能在一定時間內(nèi)將轉(zhuǎn)子強行定位于這個方向上。定位后，電機轉(zhuǎn)子d軸與定子繞組磁通方向重合。這樣就確定了電機轉(zhuǎn)子的初始位置。
但是由于靜止時電機轉(zhuǎn)子位置的不確定性，如果在定位時，定子繞組合成磁通與轉(zhuǎn)子d軸夾角為180度，則會產(chǎn)生定位失敗。為了解決這個問題，我們采用“連續(xù)兩次定位”的方法，在前一次定位的基礎(chǔ)上繼續(xù)導通下一個狀態(tài)作為第二次定位，這樣不論第一次定位成功或失敗，第二次定位一定是成功的。
(2)開環(huán)升速 三段式同步啟動模塊中含有兩個16位×32的ROM，分別存儲了實驗求出的電機開環(huán)啟動表。
state＝10B時，系統(tǒng)處于開環(huán)升速階段，三段式同步啟動模塊中由兩個16位×32的ROM中分別讀出占空比和換相時間信號，并按照換相時間切換導通的開關(guān) 正轉(zhuǎn)000->001->011->111->110->100->000， 即V1V2->V2V3->V3V4->V4V5->V5V6->V6V1->V1V2； 反轉(zhuǎn)000->100->110->111->011->001->000， 即V1V2->V6V1->V5V6->V4V5->V3V4->V2V3->V1V2。
這樣換相時間逐漸縮短，占空比逐漸增加，到ROM讀空時，電機便達到了設(shè)定的開/閉環(huán)切換轉(zhuǎn)速，此時電機的反電勢波形已經(jīng)可以保證穩(wěn)定自控運行。
(3)自動切換 state＝11B時，系統(tǒng)切換到自控運行階段，cl_flag＝1，此時電機驅(qū)動IP10核輸出的閉環(huán)占空比和相位信號分別由轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器104和反電勢過零檢測單元102提供。
轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器104輸出閉環(huán)占空比給PWM控制器105，反電勢過零檢測單元102輸出閉環(huán)換相信號給PWM控制器105，PWM控制器105再根據(jù)用戶給定的轉(zhuǎn)向信號輸出六路驅(qū)動信號Ah、Al、Bh、Bl、Ch、Cl，并通過隔離電路2控制無刷直流電機20的運行。
其它路無刷直流電機20的控制原理都是一樣的，用戶可以在遠程同時下達控制命令，每路的控制可同時進行，沒有延時。
權(quán)利要求
1.基于SOPC的無位置傳感器無刷直流電機遠程監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，它包括FPGA(1)、m個隔離電路(2)、多路并行模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣電路(3)、以太網(wǎng)接口電路(4)、以太網(wǎng)組件終端(5)、外部存儲器(6)和m個無刷直流電機(20)，
FPGA(1)內(nèi)構(gòu)建有m個電機驅(qū)動IP核(10)、internet接口(11)、NOIS II軟核(12)和三態(tài)橋接器(13)，m個電機驅(qū)動IP核(10)、internet接口(11)、NOIS II軟核(12)和三態(tài)橋接器(13)分別掛接在FPGA(1)內(nèi)部的總線上，
以太網(wǎng)組件終端(5)的輸入輸出端與以太網(wǎng)接口電路(4)的用戶輸入輸出端相連，
外部存儲器(6)的輸入輸出端與三態(tài)橋接器(13)的存儲輸入輸出端相連，
每個無刷直流電機(20)的采樣信號端與多路并行模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣電路(3)的一個信號輸入端相連，多路并行模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣電路(3)的m個信號輸出端分別與每個電機驅(qū)動IP核(10)的采樣信號輸入端相連，每個電機驅(qū)動IP核(10)的輸出端與一個隔離電路(2)的輸入端相連，每個隔離電路(2)的輸出端與一個無刷直流電機(20)的控制信號輸入端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于SOPC的無位置傳感器無刷直流電機遠程監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，它還包括非易失性存儲器(7)，非易失性存儲器(7)的輸入輸出端與三態(tài)橋接器(13)的閃存輸入輸出端相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的基于SOPC的無位置傳感器無刷直流電機遠程監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，它還包括按鍵(8)和數(shù)碼管(9)，F(xiàn)PGA(1)內(nèi)部還構(gòu)建有通用IO接口(14)和數(shù)碼管控制接口(15)，通用IO接口(14)和數(shù)碼管控制接口(15)分別掛接在FPGA(1)內(nèi)部的總線上，按鍵(8)的輸出端與通用IO接口(14)的輸入端相連，數(shù)碼管(9)的輸入端與數(shù)碼管控制接口(15)的輸出端相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于SOPC的無位置傳感器無刷直流電機遠程監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，F(xiàn)PGA(1)選用CycloneII系列EP2C20Q240C8N。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于SOPC的無位置傳感器無刷直流電機遠程監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，多路并行模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣電路(3)選用AD73360模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于SOPC的無位置傳感器無刷直流電機遠程監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，以太網(wǎng)接口電路(4)選用DAVICOM公司生產(chǎn)的以太網(wǎng)接口電路DM9000A。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于SOPC的無位置傳感器無刷直流電機遠程監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于，電機驅(qū)動IP核(10)包括多路模數(shù)轉(zhuǎn)換接口單元(101)、反電勢過零檢測單元(102)、三段式同步啟動模塊(103)、轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋PI調(diào)節(jié)器(104)和PWM控制器(105)，
多路模數(shù)轉(zhuǎn)換接口單元(101)接收所述采樣信號，多路模數(shù)轉(zhuǎn)換接口單元(101)輸出三相電壓采樣信號給反電勢過零檢測單元(102)，多路模數(shù)轉(zhuǎn)換接口單元(101)輸出母線電流采樣信號給轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋PI調(diào)節(jié)器(104)，
反電勢過零檢測單元(102)輸出實際轉(zhuǎn)速信號給轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋PI調(diào)節(jié)器(104)，所述轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋PI調(diào)節(jié)器(104)輸出閉環(huán)占空比控制信號給PWM控制器(105)，
三段式同步啟動模塊(103)接收輸入的轉(zhuǎn)向信號，所述轉(zhuǎn)向信號同時輸送給PWM控制器(105)，三段式同步啟動模塊(103)輸出開環(huán)占空比控制信號給PWM控制器(105)，所述三段式同步啟動模塊(103)還輸出開環(huán)換相信號給PWM控制器(105)，所述三段式同步啟動模塊(103)還輸出開/閉環(huán)控制信號給PWM控制器(105)，
轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)負反饋PI調(diào)節(jié)器(104)接收啟停信號和輸入轉(zhuǎn)速信號，PWM控制器(105)輸出的無刷直流電機控制信號通過隔離電路(2)驅(qū)動無刷直流電機(20)運行。
全文摘要
基于SOPC的無位置傳感器無刷直流電機遠程監(jiān)控系統(tǒng)，屬于電機控制領(lǐng)域，本發(fā)明是為了解決人們只能在現(xiàn)場控制無刷直流電機作業(yè)，浪費大量的人力、經(jīng)費，在危險工作環(huán)境下還會增加傷亡概率的問題。本發(fā)明包括FPGA、m個隔離電路、多路并行模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣電路、以太網(wǎng)接口電路、以太網(wǎng)組件終端、外部存儲器和m個無刷直流電機，多路并行模數(shù)轉(zhuǎn)換采樣電路采用專用三相電量測量AD器件AD73360，利用交流耦合方式對三路反電勢信號進行同時采樣，由FPGA內(nèi)部構(gòu)建的電機驅(qū)動IP核進行優(yōu)化處理，通過隔離電路驅(qū)動電機運行，通過IP復(fù)用技術(shù)并行無延遲地驅(qū)動多路電機，基于FPGA的嵌入式服務(wù)器使用戶對電機的控制可以在遠程實現(xiàn)。
文檔編號H02P6/20GK101729002SQ20091007328
公開日2010年6月9日 申請日期2009年11月27日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月27日
發(fā)明者楊春玲, 顧春陽, 萬鵬, 李憲全, 陳宇 申請人:哈爾濱工業(yè)大學