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【摘 要】本文提出了基于FPGA的无刷直流电机控制器的设计方案，给出了BLDC电机控制器功率管故障智能检测的方法，并阐释了BLDC控制器在电子机械制动系统中的应用。
【关键词】FPGA；BLDC；控制器 0.前言
无刷直流电机及其控制一直是电机发展的研究热点。无刷直流电机体积小，效率高，无励磁损耗，功率密度高。它既具有运行可靠、维护方便的特点，又具备直流电机良好的调速特性而无机械式换向器。近年来随着无刷直流电机(BLDC)在各领域内的广泛应用，无刷电机控制器的性能得到了人们的广泛关注。在无刷直流电机的控制中，电机的启停、速度检测及速度调节均由控制系统完成，功能十分复杂。因此对控制装置的性能提出了很高的要求。
1.控制器的总体设计
FPGA是采用VHDL语言来编程，通过状态机运用同步时序设计的方法来实现电机控制单元的表达。在整个系统中，单个电机的控制是核心模块，设计出1个模块之后，其余的模块便可类推，最终集成到1片FPGA形成1个片上系统。
在阀门控制设计中，要力求使电路设计简单，以便在有限的空间里放置电子元器件，用以处理电机的启停、速度检测、速度调节，并对外面的开关量进行处理。最后将有关电机的所有控制功能交给FPGA处理。系统总体设计框图如图2-1所示。
图2-1系统总体设计框图
其中TB6588FG是为三相无刷直流电机驱动而设计的专用控制芯片，通过改变模拟电压来改变PWM的占空比，进而调节速度。驱动电机的电流典型值为l.5 A，峰值高达2.5A，使其具有过流保护功能。供应电压为7～42V，具有正反转控制功能；具有控制星形连接的无刷直流电机的所需要的全部功能。單片机主要完成电机速度脉冲检测，然后控制算法调节数字电位器，来改变控制速度的模拟电压，调节速度。
1.1控制电路设计
系统功率桥供电电压为24V，而MIA425的电压为12V，需要进行稳压电路设计得以实现。
由于MIA425的A、B、C三相上桥臂驱动信号为低电平有效，因此选三相功率桥的上桥臂功率管为P沟道MOS功率管IRFR9120；而MIA425的A、B、C三相下桥臂驱动信号为高电平有效，因此选三相功率桥的下桥臂为N沟道MOS功率管IRFR120。在ML425输出的触发脉冲信号中，输出高电平为11V，低电平为0.5V，故可直接用MIA425的低边触发器输出信号驱动三相功率桥的下桥臂功率管；与此同时由于三相桥的直流母线电压为24V，ML425的高边驱动器无论输出高电平或低电平，上桥臂MOS管将始终处于导通状态。故需在ML425的高边驱动器引脚与上桥臂 MOS管的栅极问加一缓冲驱动极，使高边驱动器为低电平时上桥臂MOS管导通，反之则不导通。 从使设计线路简单，降低控制器的成本的角度出发，本设计采用三极管直接作为三相上桥臂的高端缓冲器。
其中脉冲分配器其中作为方向控制模块，用一个方向控制信号的不同状态来控制脉冲分配器，产生不同方向的时序脉冲，从而控制电机的转动方向，使电机能够正转和反转。脉冲信号由FPGA产生，一般脉冲信号的占空比为0.3—0.4左右，电机转速越高，则脉冲信号的占空比越大。
1.2控制器的设计
用FPGA控制无刷直流电机，将大量逻辑功能集成于一个单片中，能节省资源，实现在线编程、擦除，使设计更灵活、可靠。ECU控制模块的设计采用FPGA+DSP Builder实现，可以通过FPGA中的语言实现外围数字电路的设计实现对电机的PWM控制，通过其运算模块实现电机的模糊PID算法，最后将两者有机的结合实现整体的控制功能，外围电路简单，实时控制速度快，系统稳定可靠。FPGA作为控制器的核心，其顶层设计图主要包括：分频模块、数据采集模块、PWM波生成模块、过流控制模块。
分频模块的作用是产生不同频率的时钟信号，为不同模块提供所需的时钟脉冲。数据采集模块采集踏板和实际反馈转矩信号，PWM波生成模块完成PWM宽度调节，PWM正反信号产生、六路驱动信号的输出等功能，过流控制模块限制电机中的电流，起到保护电机的作用。
2.BLDC控制器的自诊断
控制器的故障检测通过测量3相H桥的电流，判断功率管的短路故障；通过采集无刷直流 电机控制器逆变桥A、B、C 三相电压，判断功率管是否发生断路故障。功率管短路故障检测是在逆变桥中同一桥臂的上下所管进行。以检测A相功率管为例，当在A单相上桥臂V，功率G极施加一个短时脉冲，其他5个时功率管施加0电平，V管将饱和导通，其他功率管截止。因为流进电机绕组电感线圈的电流不能突变，所以在很短的时间内相当于开路，可以忽略流经电动机绕组的电流。由于没有对下桥臂V2管施加激励 ，处V2在截止状态，流经检测电阻的电流不超过V2管的漏电流(该电流不超过25A)，R1上的电压接近0值。单片机检测到低电平。 如果V2管短路损坏，检测电阻上将流过一个大电流脉冲，产生脉冲电压。此电压施加在R2和C上，将在C上产生近似冲击响应的电压变化，单片机采集到该电压变化，从而得到V2管短路故障的信息。
启动电机前完成电机控制器功率管短路特性和开路特性的测试工作，如果检测出功率管出现故障，停止电机的驱动，并上传故障代码，显示出功率管的故障类型以及位置信息，方便及时检修。
3.BLDC控制器在电子机械制动系统中的应用
电子机械制动系统由EMB制动器、电源、电控模块ECU、传感器、通讯模块和制动踏板单元组成。制动踏板单元接收驾驶员制动指令并传送指令到ECU，ECU通过逻辑运算得到制动扭矩信号，该信号传给EMB无刷直流电机产生扭矩，EMB机械传动装置将无刷直流电机的扭矩转化为横向推动力来推动制动钳块到制动盘片，从而实施制动。在车辆的整个制动系统中一共用到四个EMB制动器，而每个EMB制动器中都需要一台无刷直流电机驱动，电机的启停、速度检测、速度调节受电机的控制器控制。
车辆EMB实现制动功能的关键是控制器能够根据给定的踏板制动信号控制电机产生相应大小的制动转矩，从而使EMB输出相应大小的制动压力。为了实现无刷直流电机扭矩的精确控制，通过安装力矩传感器或压力传感器反馈转矩信号，对各相电流大小及方向的控制来实现电机扭矩的闭环控制。可实现电机输出扭矩的闭环控制和实时检测电机转矩输出状态的功能，控制精度高，抗干扰性强。
制动踏板通过角度传感器接受驾驶员的制动请求并将其转换成为数字信号传递给电子控制模块ECU，ECU将数字信号转化为无刷直流电机制动信号，根据电机的三相转子位置信号、电流信号、力矩信号等进行分析处理，对电机进行转向和转矩控制。电控模块是无刷直流电机控制的核心部件，采用PWM脉宽调制方式，通过改变PWM脉冲的占空比来调节输入电机的平均直流电压，以达到控制输出制动压力的目的。
4.结束语
基于FPGA实现了对无刷直流电机电机的控制。使得BLDC电机运转平滑，所以控制方法有效。将该控制器用于电子机械制动系统中可以减少控制系统外围电路，提高控制系统的稳定性，减少开发周期，具有更强的运算处理能力，能够满足车辆制动过程中高速实时性的要求，便于采用先进的控制策略。此外，FPGA还具有集成度高，可靠性强的一些优点，增加BLDC控制器的稳定性。■
【参考文献】
［１］刘小威，翟超，颜芳．基于 FPGA的LAMOST多电机控制驱动系统．机械与电子[J]．2008(6)：17～19．
［２］洪乃刚．电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M]．北京：机械 工业出版社，2006．
［３］贺昌权，包广清．基于小波变换的无刷直流电机逆变器故障检测仿真研究[J]．电机与控制应用，2009（11）：28．
［４］温凯，马跃，郝斌．基于FPGA的步进电机控制器设计[J]．电脑知识与技术，2010(4)：6．
【关键词】FPGA；BLDC；控制器 0.前言
无刷直流电机及其控制一直是电机发展的研究热点。无刷直流电机体积小，效率高，无励磁损耗，功率密度高。它既具有运行可靠、维护方便的特点，又具备直流电机良好的调速特性而无机械式换向器。近年来随着无刷直流电机(BLDC)在各领域内的广泛应用，无刷电机控制器的性能得到了人们的广泛关注。在无刷直流电机的控制中，电机的启停、速度检测及速度调节均由控制系统完成，功能十分复杂。因此对控制装置的性能提出了很高的要求。
1.控制器的总体设计
FPGA是采用VHDL语言来编程，通过状态机运用同步时序设计的方法来实现电机控制单元的表达。在整个系统中，单个电机的控制是核心模块，设计出1个模块之后，其余的模块便可类推，最终集成到1片FPGA形成1个片上系统。
在阀门控制设计中，要力求使电路设计简单，以便在有限的空间里放置电子元器件，用以处理电机的启停、速度检测、速度调节，并对外面的开关量进行处理。最后将有关电机的所有控制功能交给FPGA处理。系统总体设计框图如图2-1所示。
图2-1系统总体设计框图
其中TB6588FG是为三相无刷直流电机驱动而设计的专用控制芯片，通过改变模拟电压来改变PWM的占空比，进而调节速度。驱动电机的电流典型值为l.5 A，峰值高达2.5A，使其具有过流保护功能。供应电压为7～42V，具有正反转控制功能；具有控制星形连接的无刷直流电机的所需要的全部功能。單片机主要完成电机速度脉冲检测，然后控制算法调节数字电位器，来改变控制速度的模拟电压，调节速度。
1.1控制电路设计
系统功率桥供电电压为24V，而MIA425的电压为12V，需要进行稳压电路设计得以实现。
由于MIA425的A、B、C三相上桥臂驱动信号为低电平有效，因此选三相功率桥的上桥臂功率管为P沟道MOS功率管IRFR9120；而MIA425的A、B、C三相下桥臂驱动信号为高电平有效，因此选三相功率桥的下桥臂为N沟道MOS功率管IRFR120。在ML425输出的触发脉冲信号中，输出高电平为11V，低电平为0.5V，故可直接用MIA425的低边触发器输出信号驱动三相功率桥的下桥臂功率管；与此同时由于三相桥的直流母线电压为24V，ML425的高边驱动器无论输出高电平或低电平，上桥臂MOS管将始终处于导通状态。故需在ML425的高边驱动器引脚与上桥臂 MOS管的栅极问加一缓冲驱动极，使高边驱动器为低电平时上桥臂MOS管导通，反之则不导通。 从使设计线路简单，降低控制器的成本的角度出发，本设计采用三极管直接作为三相上桥臂的高端缓冲器。
其中脉冲分配器其中作为方向控制模块，用一个方向控制信号的不同状态来控制脉冲分配器，产生不同方向的时序脉冲，从而控制电机的转动方向，使电机能够正转和反转。脉冲信号由FPGA产生，一般脉冲信号的占空比为0.3—0.4左右，电机转速越高，则脉冲信号的占空比越大。
1.2控制器的设计
用FPGA控制无刷直流电机，将大量逻辑功能集成于一个单片中，能节省资源，实现在线编程、擦除，使设计更灵活、可靠。ECU控制模块的设计采用FPGA+DSP Builder实现，可以通过FPGA中的语言实现外围数字电路的设计实现对电机的PWM控制，通过其运算模块实现电机的模糊PID算法，最后将两者有机的结合实现整体的控制功能，外围电路简单，实时控制速度快，系统稳定可靠。FPGA作为控制器的核心，其顶层设计图主要包括：分频模块、数据采集模块、PWM波生成模块、过流控制模块。
分频模块的作用是产生不同频率的时钟信号，为不同模块提供所需的时钟脉冲。数据采集模块采集踏板和实际反馈转矩信号，PWM波生成模块完成PWM宽度调节，PWM正反信号产生、六路驱动信号的输出等功能，过流控制模块限制电机中的电流，起到保护电机的作用。
2.BLDC控制器的自诊断
控制器的故障检测通过测量3相H桥的电流，判断功率管的短路故障；通过采集无刷直流 电机控制器逆变桥A、B、C 三相电压，判断功率管是否发生断路故障。功率管短路故障检测是在逆变桥中同一桥臂的上下所管进行。以检测A相功率管为例，当在A单相上桥臂V，功率G极施加一个短时脉冲，其他5个时功率管施加0电平，V管将饱和导通，其他功率管截止。因为流进电机绕组电感线圈的电流不能突变，所以在很短的时间内相当于开路，可以忽略流经电动机绕组的电流。由于没有对下桥臂V2管施加激励 ，处V2在截止状态，流经检测电阻的电流不超过V2管的漏电流(该电流不超过25A)，R1上的电压接近0值。单片机检测到低电平。 如果V2管短路损坏，检测电阻上将流过一个大电流脉冲，产生脉冲电压。此电压施加在R2和C上，将在C上产生近似冲击响应的电压变化，单片机采集到该电压变化，从而得到V2管短路故障的信息。
启动电机前完成电机控制器功率管短路特性和开路特性的测试工作，如果检测出功率管出现故障，停止电机的驱动，并上传故障代码，显示出功率管的故障类型以及位置信息，方便及时检修。
3.BLDC控制器在电子机械制动系统中的应用
电子机械制动系统由EMB制动器、电源、电控模块ECU、传感器、通讯模块和制动踏板单元组成。制动踏板单元接收驾驶员制动指令并传送指令到ECU，ECU通过逻辑运算得到制动扭矩信号，该信号传给EMB无刷直流电机产生扭矩，EMB机械传动装置将无刷直流电机的扭矩转化为横向推动力来推动制动钳块到制动盘片，从而实施制动。在车辆的整个制动系统中一共用到四个EMB制动器，而每个EMB制动器中都需要一台无刷直流电机驱动，电机的启停、速度检测、速度调节受电机的控制器控制。
车辆EMB实现制动功能的关键是控制器能够根据给定的踏板制动信号控制电机产生相应大小的制动转矩，从而使EMB输出相应大小的制动压力。为了实现无刷直流电机扭矩的精确控制，通过安装力矩传感器或压力传感器反馈转矩信号，对各相电流大小及方向的控制来实现电机扭矩的闭环控制。可实现电机输出扭矩的闭环控制和实时检测电机转矩输出状态的功能，控制精度高，抗干扰性强。
制动踏板通过角度传感器接受驾驶员的制动请求并将其转换成为数字信号传递给电子控制模块ECU，ECU将数字信号转化为无刷直流电机制动信号，根据电机的三相转子位置信号、电流信号、力矩信号等进行分析处理，对电机进行转向和转矩控制。电控模块是无刷直流电机控制的核心部件，采用PWM脉宽调制方式，通过改变PWM脉冲的占空比来调节输入电机的平均直流电压，以达到控制输出制动压力的目的。
4.结束语
基于FPGA实现了对无刷直流电机电机的控制。使得BLDC电机运转平滑，所以控制方法有效。将该控制器用于电子机械制动系统中可以减少控制系统外围电路，提高控制系统的稳定性，减少开发周期，具有更强的运算处理能力，能够满足车辆制动过程中高速实时性的要求，便于采用先进的控制策略。此外，FPGA还具有集成度高，可靠性强的一些优点，增加BLDC控制器的稳定性。■
【参考文献】
［１］刘小威，翟超，颜芳．基于 FPGA的LAMOST多电机控制驱动系统．机械与电子[J]．2008(6)：17～19．
［２］洪乃刚．电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真[M]．北京：机械 工业出版社，2006．
［３］贺昌权，包广清．基于小波变换的无刷直流电机逆变器故障检测仿真研究[J]．电机与控制应用，2009（11）：28．
［４］温凯，马跃，郝斌．基于FPGA的步进电机控制器设计[J]．电脑知识与技术，2010(4)：6．