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基于fpga的新型无刷直流电动机数字PWM控制方案
Anand Sathyan，学生成员，IEEE, Nikola Milivojevic，学生成员，IEEE, Young-Joo Lee，学生成员，IEEE, Mahesh Krishnamurthy，成员，IEEE，和Ali Emadi，高级成员，IEEE
摘要 先进电机驱动技术的发展提高了效率和可靠性。家用和商用电器，如冰箱和空调系统，使用传统的电机驱动技术。在这些应用中发现的机器的特点是效率低和维护高。无刷直流电动机具有效率高、维护费用低和成本低等特点。在一个由利润驱动的市场中，由于成本较高，家电行业不愿意用先进的电机驱动代替传统的电机驱动。因此，需要一种低成本但有效的无刷直流电动机控制器。本文为开发一种新型的低成本无刷直流电动机控制IC奠定了基础。针对梯形无刷直流电动机驱动系统，实现了一种简单的数字脉宽调制控制。由于这种控制的简单性，它有潜力在低成本的应用特定的集成电路中实现。通过仿真对该控制器进行了建模和验证。采用现场可编程门阵列进行了实验验证。
关键字：无刷直流(BLDC)电机驱动，变换器，现场可编程门阵列(FPGAs)，逆变器，运动控制，脉宽调制(PWM)。
- 介绍
电动机是将电能转换成机械能的传感器。电动机是工业工厂不可分割的一部分，全世界每年生产不少于50亿台电动机。住宅和商业应用大多使用传统的电机驱动技术。一般情况下，在这些电器中发现的机器是单相感应电机或拉丝直流电机，其特点是效率低，维护保养好，分别为[1]、[2]。单相感应电动机由于转子内的欧姆损耗和定子电流与反电动势(EMF)之间的相位角位移，效率较低。在直流电机的情况下，由于电刷的存在，需要更多的维护。用更高效的无刷直流(BLDC)电机取代这些低效的电机将节省大量的能源。
永磁同步电机与其他电机相比有许多优点。最值得注意的是(与其他直流电机相比)，由于消除了机械换向器，它们需要更低的维护。它们的功率密度也很高。与感应电机相比，它们具有更低的惯性，允许更快的动态响应引用命令。此外，由于永磁体的作用，它们的效率更高，这大大降低了转子的损耗。永磁电机的主要缺点是成本较高，而驱动永磁电机的功率电子转换器[2]、[3]所带来的复杂性也较大。
磁滞电流控制和脉宽调制(PWM)控制结合连续控制理论产生了应用最广泛的无刷直流电动机控制技术[4]。滞后电流控制是实现充分的伺服性能的关键，即瞬时转矩控制，比PWM控制产生更快的速度响应。对于大多数应用，比例积分电流和速度补偿器足以建立一个良好的调节速度/扭矩控制器。在其他情况下，需要状态反馈控制来实现对无刷直流电动机更精确的控制。经典的控制理论和线性系统理论被很好地理解，但它们是高度复杂的，需要广泛的控制系统知识来开发一个设计良好的控制器[5]。离散控制理论允许使用微控制器、微处理器或数字信号处理器(dsp)对此类控制器进行数字实现。数字化模拟控制器增加了整个设计过程的复杂性[6]，[7]。此外，连续控制技术的数字实现并不产生数字控制器。相反，结果是一种数字实现的控制技术，这通常会导致很高的控制器成本。
本文提出了一种新型的无刷直流电动机数字PWM控制器。该控制器将无刷直流电动机视为一个数字系统。BLDC系统只允许在低负载(DL)或高负载(DH)下运行。通过在低负荷和高负荷之间切换来实现调速，使得控制器的设计和实现非常简单。此外，该技术仅利用直流链路中的一个电流传感器。这有助于降低电机控制硬件的成本和复杂性，进而提高无刷直流电动机在商业大规模生产应用中的需求。针对本文提出的控制器，利用无刷直流电动机的特征方程推导出了简单的一阶非齐次微分方程的设计过程。在稳态运行时，设计过程简化为几个简单的代数方程。计算机仿真和实验结果证明了该方法的有效性
图1.典型的无刷直流电动机逆变驱动系统
图. 2. 反电动势和相电流随转子电转角的变化
- 无刷直流电动机驱动策略
对于三相无刷直流应用程序，最常用的拓扑结构是三相buck派生的转换器或三相逆变桥[8]，[9]。典型的无刷直流电动机逆变驱动系统如图1所示
如图1所示，输出级由三相逆变器组成，三相逆变器的开关可以是mosfet或绝缘栅双极晶体管(IGBTs)。如果使用IGBTs，反平行二极管需要跨它们连接以携带反向电流，而mosfet使用体二极管。mosfet具有较低的开关损耗和通常较低的二极管正向降，但这种优势可能被较高的通态电压降和开关/二极管反向恢复损耗所抵消。三相无刷直流电动机梯形磁通分布的典型波形如图2[10]所示。约,电机绕组的反电动势感应每阶段120◦是恒定的,之前和之后它与转子角线性变化。
图. 3. 传感器与驱动定时
为了获得恒定的输出功率，从而获得恒定的输出扭矩，电流在反电动势波形的平坦部分通过电机绕组驱动。一次只打开两个开关，一个在高侧，另一个在低侧。因此，对于星形连接的电机绕组，两相串联通过直流母线，而第三绕组是开着的。图1中的开关的操作方式是，当反电动势恒定时，每个相位只在120周期内携带电流。因此，每60个电气相之间有一个换向事件，如图2所示。实际上，这意味着每60个节点就有一个当前的转换。因此，适当的换向需要转子位置的知识，可以直接使用位置传感器检测或通过在开放相位[11]中监测反电动势以无传感器方式估计转子位置。与刷直流电机不同，无刷直流电机的换向是由[12]电子控制的。要旋转无刷直流电动机，定子绕组应按顺序通电。重要的是要知道转子的位置，以遵循适当的激励序列。在目前的系统中，转子位置是通过嵌入定子的霍尔效应传感器来感知的。通过霍尔效应传感器的读取，可以得到一个3-b码，取值范围从1到6。每个代码值表示转子当前所在的扇区。因此，每个代码值都为我们提供了关于旋转转子[13]([14])所需励磁绕组的信息。状态0和7被认为是霍尔效应传感器的无效状态。示出传感器输出与所需电机驱动电压之间关系的时序图如图3所示。
图. 4. 显示换向顺序的无刷直流电动机.
表 I
顺时针传感器和驱动位按相位顺序
图3顶部的数字对应于图4所示的电流相位。从图3中可以明显看出，三个传感器的输出重叠，从而产生了对应于每个驱动阶段的6个独特的3-b代码。图4中电机图外围的数字表示传感器位置代码。转子的北极指向在该转子位置输出的代码。这些数字是传感器逻辑层，其中最有效位是传感器C，最小有效位是传感器A[15]。输入的传感器状态和换向所需的驱动状态可以采用状态表的形式，如表1所示。
- 无刷直流驱动器的数字PWM控制
无刷直流电动机的速度控制涉及改变施加在电机相位[16]，[17]上的电压。这可以通过一种基于脉冲幅度调制、PWM或滞后控制[18]、[19]概念的传感器方法来实现。另一种方法是使用无传感器技术进行控制。在过去的二十年中，许多无传感器的驱动解决方案已经提供了消除昂贵和脆弱的位置传感器的无刷直流电动机梯形背EMFs[20]，[21]。
永磁无刷直流电动机的一种常用控制算法是PWM电流控制。它是基于相电流和转矩之间的线性关系的假设，类似于刷直流电机。因此，通过调节相电流，可以控制电磁转矩满足要求。无刷直流电动机电流控制器的总体结构如图5所示。电机的瞬时电流在每一相中由一个磁滞调节器调节，该调节器将电流保持在可调范围内。转子位置信息被感知，使整流逻辑成为可能，整流逻辑有6个输出来控制上、下相腿功率开关[22]。电流基准由PI调节器决定，PI调节器保持转子平均速度恒定。
图. 5. 常规PWM电流控制
图. 6. 描述新型数字控制的流程图
摘要介绍了一种新型无刷直流电动机驱动系统恒频数字PWM控制器的设计、仿真和实验验证。在本质上，控制器将无刷直流电动机视为一个数字系统。这个数字控制器的概念很简单。速度调节是通过使用两个层次的占空比来实现的，一个是高占空比(DH)，一个是低占空比(DL)。数字控制器的工作原理如图6所示。
与滞后电流控制器不同，PWM控制不具有固有的电流控制能力。因此，必须引入电流限制器。在[4]中，电流滞回数字控制器已被报道用于无刷直流电动机。本文提出了一种不需要状态观测器的控制器。图7所示为所提出的数字控制器。图8为电机驱动系统的完整框图。
图. 7. 提出数字控制
图. 8. 无刷直流电动机驱动系统
图9. 门开关波形数字PWM控制框图
比例控制器为电流的极限提供参考。使电流保持在最大和最小限度内。Ilimit的最大值是额定电机电流的1.5倍。这是因为电机可以在短时间内处理1.5倍的额定电流。Ilimit的最小值决定稳态误差。对于一个等于零的值，在仿真中可以观察到较大的稳态误差。Ilimit的最小值定义为额定扭矩的百分比(1%)与扭矩常数的比值。
所需速度纹波的比例常数K可按下式计算。在稳定状态,Delta;omega;le;|omega;errlowast;2 |。在最坏的情况下,Delta;omega;= |omega;errlowast;2 |。所需的速度脉动Delta;omega;,可以定义为一个常数Kset
(1)
取速度纹波的最大值
(2)
(3)
(4)
(5)
(6)
在这种控制策略中，高侧开关和低侧开关同时开关。高侧和低侧二极管都导电。这种开关的波形如图9所示。
图. 10. 稳态响应速度
- 控制器设计
占空比D的值可以由电气方程和机械方程得到。D的值可以表示为电机参数的函数。从扭矩方程，我们有
(7)
Tem,omega;(t)、b J, TL表示开发的电磁转矩,转子角速度,粘滞摩擦常数,转子转动惯量,和负载转矩
(8)
其中Kt =扭矩常数I =平均电流。在稳定状态下,(7)可以写成的稳态角速度omega;ss
(9)
稳态时的时相电压方程可以用相电压Van、相电流I、绕组电阻和速度常数Ke表示
(10)
将(10)的稳态电流值代入，用dc-link电压Vdc和占空比D定义相位电压，得到
(11)
omega;ss表示稳态角速度
因此，占空比可以用电机参数表示为
(12)
A.速度脉动计算
稳态误差是速度样本的函数。因此，有必要研究采样时间(TP)对速度脉动的影响。图10为稳态下的速度响应。
最大偏离参考速度(omega;lowast;)由于应用高性能的DH用Delta;omega;H,和最大偏离的参考速度由于应用DL用Delta;omega;L低的责任。速度响应可以表示为
（13）
（14）
（15）
速度纹波计算
（16）
（17）
（18）
（19）
（20）
由(18)可知，对于期望的速度纹波，可以计算采样时间。omega;NL,马克斯在空载条件下的最大速度。
B.稳态分析
为了便于分析，我们将所提出的数字控制器等效为具有高增益和高饱和的比例控制器。这种分析的目的是确定电机的实际转速在稳态时是否达到参考转速。无刷直流电动机的传递函数如图所示
（21）
其中V = DVin, D为占空比
图. 11. 新型数字PWM控制器对无刷直流电动机闭环控制
采用所提出的新型数字PWM控制器进行闭环控制的总体框图如图11所示。容忍误差决定了速度环中的采样。根据速度误差，Gw块选择高负荷或低负荷。Gw块的输出是Dw，可以是Dh或Dl。占空比，以及关于实际电机电流的信息，是Gi块的输入，它根据Gi块选择高占空比、低占空比或跳过状态。Gi块的输出是Di，可以是Dh、Dl或D0。最小电流(imin)用于补偿R和B项，从而减少稳态误差。Gi模块的输出是一个PWM电压信号，作为输入给无刷直流电动机。
在参考转速为10 r/min左右的情况下，进行了最大偏差的仿真。由式(18)可以计算出所需速度纹波在速度环中采样的必要频率。例如,10 r /分钟的速度脉动916mu;s需要最小采样时间。这是确认。
从测量结果来看，这个采样时间导致了大约6 r/min的速度波动。
V实验设置说明
为了实现并进一步验证所提技术的仿真结果，建立了实验装置。下一节将简要描述实验设置的要求和最终设计。
实验设置如图12所示。试验机参数见表二。
逆变器采用Pwrx IGBT模块搭建，额定50a, 600v，开关频率6khz。在现场可编程门阵列(FPGA)控制器中产生门信号，并用施密特逆变电路进行缓冲。对于机械负载，恒负载扭矩由磁力制动器提供。通过增加直流电流传感器实现电流保护。该传感器用于检测直流链路电流，
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