基于FPGA的三相直流無刷電動機變頻控制的遠洋捕撈裝置電路設計

    項目及可行性分析

    項目名稱：基于FPGA的三相直流無刷電動機變頻控制的遠洋捕撈裝置電路設計

    項目主要內容：遠洋捕撈裝置在實際的運行過程中要具有根據魷魚重量的大小而自動調節為加速或減速狀態的功能，并且要具有計量釣繩長度的能力以實現當釣繩被全部卷起時釣機自動停止的功能。

    本項目采用FPGA控制三相直流電機，利用其中的EAB可以構成存放電機各相電流所需的控制波形數據表和利用FPGA設計的數字比較器可以同步產生多路PWM電流波形，對三相直流電機進行靈活控制，從而滿足遠洋捕撈裝置在實際運行過程中的所需。

    創新性：使用XLINX公司的FPGA、功率器件智能模塊IPM PS21865 和霍爾傳感位置偵測，實現直流無刷電動機驅動和調速，直流無刷電動機BLDC采用電子換向器替代了傳統直流電動機的機械換向裝置，克服了電刷和換向器所引起的噪聲、火花、電磁干擾、壽命短等弊病。直流無刷電動機既具備交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等。而這些用傳統的單片機和DSP的控制都難以達到同樣的控制效果。

    實用性：使用FPGA實現多路PWM控制，無須外接D/A轉換器，使外圍控制電路大大簡化，控制方式簡潔，控制精度高、控制效果好；控制器采用通用的微控制器AT89S51，技術成熟，成本低廉。

    可實現性：

    FPGA模塊設計是通過查詢ROM的方式，獲取所存儲的PWM波形數據，再經由數字比較器產生相應的PWM波形輸出。FPGA模塊在接收到控制器AT89S51模塊發送過來的命令后，通過對地址計數器進行控制而獲取不同PWM波形數據，可以輸出三相直流電機的旋轉方向、轉動速度、工作/停止狀態的控制信號。

    IPM模塊對FPGA模塊輸出的控制信號進行功率放大，從而實現對三相直流電機速度的控制。同時，IPM模塊也會返回三相直流電機的過載保護和出錯保護信號到控制器AT89S51模塊，控制器模塊在接收到過載保護和出錯保護信號之后會向FPGA模塊發出中止命令，FPGA模塊根據命令中止三相直流電機的運轉，從而起到保護電機的作用。

    項目實施方案

    方案基本結構圖

    方案描述

    目前大多數遠洋漁船配備的遠洋捕撈裝置電源控制，仍是采用以往的穩恒輸出方式，即電源控制電動機的信號穩定，以實現勻速控制釣線裝置。在實際應用過程當中暴露出很多問題，傳統的控制方式不能自動應對一些特殊情況，比如捕撈魚類數量突然增多造成釣機過載，或者由于脫落造成捕撈裝置空載，以及釣線裝置已經回收結束，電動機不能自動停止，這時候無法及時變頻控制電動機的電源輸出，極容易發生事故。所以電動機變頻及控制的問題需要得到及時解決。我們小組成員計劃利用FPGA技術，設計一個三相直流無刷電動機變頻控制的遠洋捕撈裝置電路。以達到靈活智能控制釣線裝置，應對特殊情況。

    直流電機無刷控制原理

    電動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，與三相異步電動機十分相似。電動機的轉子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機轉子的極性，在電動機內裝有位置傳感器。驅動器由功率電子器件和集成電路等構成，功能是：接受電動機的啟動、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動；接受位置傳感器信號和正反轉信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產生連續轉矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調整轉速；提供保護和顯示等。直流無刷電動機的控制原理簡圖如圖3-2 。

    主電路是一個典型的電壓型交-直-交電路，逆變器提供等幅等頻5－24KHz調制波的對稱交變矩形波。永磁體N-S交替交換，使位置傳感器產生相位差120°的H3、H2、H1方波，從而產生有效的六狀態編碼信號：010、011、001、101、100、110，通過邏輯組件處理產生V6－V1導通、V5－V6導通、V4－V5導通、V3－V4導通、V2－V3導通、V1－V2導通，也就是說將直流母線電壓依次加在U－>V、W－>V、W－>U、V－>U、V－>W、U－>W上，這樣轉子每轉過一對N-S極，V1、V2、V3、V4、V5、V6各功率管即按固定組合成六種狀態的依次導通。每種狀態下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態，定子繞組產生的磁場軸線在空間轉動60°電角度，轉子跟隨定子磁場轉動相當于60°電角度空間位置，轉子在新位置上，使位置傳感器U、V、W按約定產生一組新編碼，新的編碼又改變了功率管的導通組合，使定子繞組產生的磁場軸再前進60°電角度，如此循環，直流無刷電動機將產生連續轉矩，拖動負載作連續旋轉。

    本方案采用120度方波的算法驅動IPM的內置IGBT從而來驅動直流無刷電動機。對IGBT信號的分配必然和電動機的位置有著緊密的聯系，從BLDC的霍爾傳感器反饋回來的位置信號經過編碼后是：010、011、001、101、100和110六種狀態，所以可以根據這六種位置狀態信息來分配IGBT的驅動信號。在這里我們優先選用了IGBT的上橋臂用分配PWM信號，下橋臂分配高低電平的驅動方式，所以可以通過改變上橋臂PWM的占空比來改變加在直流無刷電動機上的端電壓。信號分配和位置關系如圖3-3所示。

    其中：V1、V2、V3、V4、V5和V6表示IGBT組成的三相全控橋電路，上橋的V1、V3和V5三個功率管，下橋的V2、V4和V6三個功率管，分別控制這U、V和W三相直流電的流向，如圖1－1所示連接方式。H1、H2和H3是霍爾傳感器的三個信號出線。

    如果正轉的位置信號和驅動信號的關系如圖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的順序來換流的話，那幺我們可以同樣根據位置信號給出反轉時驅動信號的換流關系。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。具體電機的相序一定要搞清楚，如果換流不對或不當的話直流無刷電動機就會左右振動根本旋轉不起來，或者電流很大且電流波形是不對的。

    通過上述控制信號來控制各個功率管的on/off，使得電流依序流入U、V、W三相線圈，而在直流無刷電動機的內部產生旋轉磁場，如圖3-4所示，指出了在控制信號的作用下各相的電壓、電流方向的關系。

    在控制功率組件的信號中加入PWM，調整PWM的占空比，即輸出PWM的Duty，使得調整輸入電動機的端電壓的大小，進而控制直流無刷電動機的轉速，其中控制信號PWM的加入有四種方式：上相PWM、下相PWM、前半PWM和后半PWM。如圖3-5所示。

    FPGA調制PWM波形原理

    擬采用FPGA控制三相直流電機，利用其中的EAB可以構成存放電機各相電流所需的控制波形數據表和利用FPGA設計的數字比較器可以同步產生多路PWM電流波形，對三相直流電機進行靈活控制。使用FPGA實現多路PWM控制，無須外接D/A轉換器，使外圍控制電路大大簡化，控制方式簡潔，控制精度高、控制效果好。用單片機和DSP的控制都難以達到同樣的控制效果。

    FPGA模塊設計是由PWM計數器、波形ROM地址計數器、PWM波形ROM存儲器、比較器等模塊組成。其中，PWM計數器在脈寬時鐘作用下遞增計數，產生階梯形上升的周期性鋸齒波，同時加載到各數字比較器的一端；PWM波形ROM輸出的數據分別加載到各數字比較器的另一端。當PWM計數器的計數值小于波形ROM輸出數值時，比較器輸出低電平；當PWM計數器的計數值大于波形ROM輸出數值時，比較器輸出高電平。由此可輸出周期性的PWM波形。根據三相直流電機對電流波形的要求，將各個時刻細分電流波形所對應的數值存放于波形ROM中，波形ROM的地址由地址計數器產生。通過對地址計數器進行控制，可以改變三相直流電機的旋轉方向、轉動速度、工作/停止狀態。