CN101729002A - 基于sopc的无位置传感器无刷直流电机远程监控系统 - Google Patents

Abstract

基于SOPC的无位置传感器无刷直流电机远程监控系统，属于电机控制领域，本发明是为了解决人们只能在现场控制无刷直流电机作业，浪费大量的人力、经费，在危险工作环境下还会增加伤亡概率的问题。本发明包括FPGA、m个隔离电路、多路并行模数转换采样电路、以太网接口电路、以太网组件终端、外部存储器和m个无刷直流电机，多路并行模数转换采样电路采用专用三相电量测量AD器件AD73360，利用交流耦合方式对三路反电势信号进行同时采样，由FPGA内部构建的电机驱动IP核进行优化处理，通过隔离电路驱动电机运行，通过IP复用技术并行无延迟地驱动多路电机，基于FPGA的嵌入式服务器使用户对电机的控制可以在远程实现。

Description

基于SOPC的无位置传感器无刷直流电机远程监控系统

技术领域

本发明涉及基于SOPC的无位置传感器无刷直流电机远程监控系统，属于电机控制领域。

背景技术

无刷直流电机(Brushless DC Motor，简称BLDCM)是梯形波永磁同步电动机的别称，其特点是电机中气隙磁密分布为梯形波，因而电机的反电势波形和电流波形均为梯形波。

无刷直流电机与其他各类电动机相比，具有体积小、效率高、出力大、起动转矩大、过载能力强、动态特性好、控制容易、灵活、方便等特点。现已广泛应用于医疗、数控机床、机器人控制、电动车驱动和家电应用等领域。高性能的无刷直流电机需要实时检测转子位置已实现其自控变频驱动，因此产生了各种无刷直流电机转子位置信号的监测方法，如电磁式位置传感器，霍尔位置传感器，光电编码器等。但这些位置传感器都作为电机本体的附属结构存在，使电机结构进一步复杂化，增加了电机的重量和体积，同时，位置传感器安装与维护困难，是整个无刷直流电机本体结构中最薄弱的环节，使无刷直流电机的可靠性降低。因此，目前，无刷直流电机的无位置传感器控制成为学者和工程人员研究的热点。

无位置传感器的转子位置检测是通过检测和计算与转子位置有关的物理量间接地获得转子的位置信息。常用的无位置传感器位置检测方法有反电势过零检测法、续流二极管工作状态检测法、绕组三次谐波检测法和瞬时电压方程法等。

目前，在无刷直流电机转子位置信号无传感器检测领域中，反电动势过零检测法由于检测电路结构简单，算法亦不复杂，因此发展最成熟，应用最为广泛。

对于最常见的两相导通星形三相六状态工作方式，除了换向的瞬间之外，在任何时刻，电机总有一项绕组处于断路状态。当断路相绕组的反电势过零之后，再经过30度电角度，就是该相的换相点。因此，只要检测到各相绕组反电势的过零点，就可以确定电机的转子位置和下次换流时间。传统的反电势过零检测算法都是通过外围分立的模拟电路，重构出电机的中心点电压来获得反电势过零信号的。但是，受重构电路准确性的影响，反电势过零信号总是存在误差，造成电机的换相精度较低，控制性能不是很理想。随着数字信号处理器DSP的出现，在DSP中以软件方式实现过零检测及驱动控制一度成为研究热点。但是，软件算法的串行性又会引入一定的执行延时，而且它还会增加CPU的负担，限制了电机其它控制任务的完成。另外，传统的反电势过零检测法仅能在20％以上额定转速以上才能使用，调速范围受到很大制约。

与此同时，随着科学技术的不断发展，生产规模的不断扩大，现代机电控制系统越来越趋向于高精度、微型化及大规模化发展，这时，只能在现场进行控制作业的电机就暴露出它的缺点，在管理和维护方面的人力、经费过大，工作要花费大量的时间巡检、控制等；另外，有一些地方是人类无法到达的，并且作业环境十分恶劣，例如有核污染等危险地带，只能在现场作业的电机就无法满足控制要求，如果工作人员长时间在这样的危险环境下作业，增加了伤亡的概率。

发明内容

本发明的目的是解决人们只能在现场控制无刷直流电机作业，浪费大量的人力、经费，在危险工作环境下还会增加伤亡概率的问题，提供了基于SOPC的无位置传感器无刷直流电机远程监控系统。

本发明包括FPGA、m个隔离电路、多路并行模数转换采样电路、以太网接口电路、以太网组件终端、外部存储器和m个无刷直流电机，

FPGA内构建有m个电机驱动IP核、internet接口、NOISII软核和三态桥接器，m个电机驱动IP核、internet接口、NOIS II软核和三态桥接器分别挂接在FPGA内部的总线上，

以太网组件终端的输入输出端与以太网接口电路的用户输入输出端相连，

外部存储器的输入输出端与三态桥接器的存储输入输出端相连，

每个无刷直流电机的采样信号端与多路并行模数转换采样电路的一个信号输入端相连，多路并行模数转换采样电路的m个信号输出端分别与每个电机驱动IP核的采样信号输入端相连，每个电机驱动IP核的输出端与一个隔离电路的输入端相连，每个隔离电路的输出端与一个无刷直流电机的控制信号输入端相连。

本发明的优点：基于Internet的远程控制技术使传统的无刷直流电机BLDCM控制系统摆脱空间的限制，通过网络实现对设备的远程控制、管理和维护，同时也实现资源和技术的共享。尤其是大型企业集团，企业各工厂或产品生产的分散，采用远程控制系统便于企业集团对所属工厂生产设备的及时监控、诊断和维护，这种远程监控还能节省大量用于管理和维护的人力、经费，从而提高经济效益，并可以实现企业信息网与控制网的有效连接，实现企业的综合自动化。其次，它可以拓宽人们的作业空间和范围，有利于促进新一代空间机器人、海洋机器人、危险环境机器人的研制和开发。基于Internet的控制不需要人们铺设专门的通讯线路并且网络技术日益成熟，这样将有利于减少远程控制的成本、扩大远程化距离、实现对任意节点的访问。

附图说明

图1是本发明所述基于SOPC的无位置传感器无刷直流电机远程监控系统的结构示意图，图2是本发明电机驱动IP核的结构示意图，图3是嵌入式操作系统结构示意图，图4是WEB服务器框图，图5是用套接字建立连接的流程图，图6是电机转速为220Rpm时换向信号波形与A、B、C三相反电势波形图，图7是电机输入转速由125Rpm突加至2500Rpm的暂态转速曲线，图8是AD模/数转换器采用单端输入模式时，正负两个输入信号对应曲线，图9是反电势与开关管工作顺序波形图，图10是电机正转时的反电势波形图及相位转换示意图，图11是VHDL三段式同步启动模块I/O端口示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1、图3至图7来说明本实施方式，本实施方式包括FPGA1、m个隔离电路2、多路并行模数转换采样电路3、以太网接口电路4、以太网组件终端5、外部存储器6和m个无刷直流电机20，

FPGA1内构建有m个电机驱动IP核10、internet接口11、NOIS II软核12和三态桥接器13，m个电机驱动IP核10、internet接口11、NOIS II软核12和三态桥接器13分别挂接在FPGA1内部的总线上，

以太网组件终端5的输入输出端与以太网接口电路4的用户输入输出端相连，

外部存储器6的输入输出端与三态桥接器13的存储输入输出端相连，

每个无刷直流电机20的采样信号端与多路并行模数转换采样电路3的一个信号输入端相连，多路并行模数转换采样电路3的m个信号输出端分别与每个电机驱动IP核10的采样信号输入端相连，每个电机驱动IP核10的输出端与一个隔离电路2的输入端相连，每个隔离电路2的输出端与一个无刷直流电机20的控制信号输入端相连。

FPGA1选用CycloneII系列EP2C20Q240C8N。，在Altera公司的Cyclone II系列的FPGA(现场可编程门阵列)上，利用SOPC(片上可编程系统)技术，实现了对系统的硬件模块化设计。该系统包括基于反电势过零检测的无位置传感器驱动器和在Nios II软核的基础上构建的嵌入式Web服务器。本系统的各种功能可以凭借FPGA内部强大的资源来实现，并能在线升级，缩短开发时间，满足系统越来越高的控制要求。随着FPGA价格的降低和内部资源的提升，它在电机领域的应用将会越来越普遍。

以太网接口电路4选用DAVICOM公司生产的以太网接口电路DM9000A，DM9000A是一款高度集成、功能强大、少引脚、性价比高的单片快速以太网控制芯片。

多路并行模数转换采样电路3选用AD73360模数转换芯片。该芯片自身的优良特性和独到的外围电路设计使其能很好的适用于本系统的信号采集工作：

(1)AD73360具有六个独立的模拟量输入通道，每个通道可同时采样，消除了普通AD因对多路信号的分时采样而造成的相位误差，可实时地采样电机的三相电压和母线电流。另外，AD73360的各路通道都有内置程控增益放大器和反混迭滤波器，使其对输入端的放大电路和反混迭滤波器的要求大为降低，使调理电路的设计更为精简。

(2)AD73360使用六线工业标准同步串行接口，且端口前端采样速率和后端传输速率可编程控制(最高可支持六通道同时以64KHz速率采样)，使其与电机驱动IP核10的连接非常方便。由于接口信号线的数目只有六条，所以这样不仅节约了印制板的面积，而且也有效地减小了电磁干扰，从而使得系统运行更加稳定。

AD73360模数转换芯片、DM9000A和隔离电路2均为用户自定义NIOS II系统的外部设备，均以自定义组件的形式添加到SOPC Builder中。

本发明所述系统能实现远程监控，DM9000A连接以太网组件终端5，用户通过internet网络在以太网组件终端5给任意一个无刷直流电机BLDCM输入相应的系统给定参数——转向信号、输入给定转速n*、启停信号，控制相应的无刷直流电机BLDCM运行。

远程用户通过以太网接口电路4及FPGA1中的internet接口11下达指令，指令通过总线给NOISII软核12，NOISII软核12处理后的指令——采集命令、转向信号、启停信号和输入转速通过总线传达给某路的电机驱动IP核10，该路电机驱动IP核10将处理后的指令通过隔离电路2输出给该路无刷直流电机20，采集命令则由该路中的电机驱动IP核10传达给数模转换检测电路3，数模转换检测电路3根据用户传递过来的指令采集该路无刷直流电机20的三相电压信号和母线电流信号，采集回来的信号经电机驱动IP核10处理后，输出PWM信号，并经过隔离电路2的隔离，驱动相应的无刷直流电机20运行，这样，用户可以在远程控制现场作业的任意无刷直流电机BLDCM按指令运行。

基于Internet的远程控制技术使传统的BLDCM控制系统或其他的机电控制设备摆脱空间的限制，通过网络实现对设备的远程控制、管理和维护，同时也实现资源和技术的共享。尤其是大型企业集团，企业各工厂或产品生产的分散，采用远程控制系统便于企业集团对所属工厂生产设备的及时监控、诊断和维护，这种远程监控还能节省大量用于管理和维护的人力、经费，从而提高经济效益，并可以实现企业信息网与控制网的有效连接，实现企业的综合自动化。其次，它可以拓宽人们的作业空间和范围，有利于促进新一代空间机器人、海洋机器人、危险环境机器人的研制和开发。基于Internet的控制不需要人们铺设专门的通讯线路并且网络技术日益成熟，这样将有利于减少远程控制的成本、扩大远程化距离、实现对任意节点的访问。

本发明所述系统的软件设计由本地嵌入式μC/OS-II操作系统下WEB服务器、远程浏览器与控制界面构成一个完整的远程监控控制系统，软件程序嵌入NOISII软核12内。

嵌入式WEB服务器提供一个动态网页，供用户通过Internet访问，并允许访问者修改上面的控制参数，并利用输入的控制参数直接控制电机驱动IP核10，对无刷直流电机进行启动、调速和正反转控制。嵌入式操作系统结构图如图3所示。

μC/OS-II操作系统下的嵌入式WEB服务器设计是建立在多任务实时操作系统上的，它具有的特点为：

■小巧(最小内核2K)；

■公开源代码，详细的注解；

■可剥夺实时内核；

■可移植性强，可裁剪；

■实时多任务。

这些特点有利于网络通信在FPGA1中的实现。

ALTERA公司的CycloneII系列的FPAGA中NIOSII软核μC/OS-II操作系统支持的网络协议栈为LWIP。

LightweightIP(LWIP)是TCP/IP组的small_footprint实现。LWIP在提供全部TCP/IP的同时减少了资源的使用。LWIP被设计用于具有存储容量有限的嵌入式系统，它使用于NIOSII处理器系统。这是网络通信的基础。

WEB服务器框图如图4所示。

所述嵌入式WEB服务器是基于套按字建立连接的，其程序框图如图5所示，本系统的服务器是运行在μC/OS-II系统上的基于底层协议栈LWIP的嵌入式服务器，主要功能是建立、管理http连接和响应http请求。该工程主要包括如下文件：

Web_sever.c：初始化系统，建立http任务；

http.c：完成http相关任务，如：建立http连接，响应http请求等；

http.h：定义了http任务的各种宏定义和套接字描述结构体；包含了LWIP协议文件；

network_unitilies.c：完成IP地址和MAC地址的分配；

http连接的基础是LWIP协议栈，通过LWIP提供的底层函数库，建立套接字连接。LWIP函数库被web_sever.c，http.c和network_unitilies.c等多个上层文件调用。

控制界面是用HTML语言编写的网页，以压缩文件的形式烧写在FPGA1的非易失性存储器7(Flash)上，客户端通过IE浏览器进行访问。

我们对系统的直流无刷电动机驱动器的性能进行了测试。

(1)静态参数测定

系统的静态参数包括电机控制器的调速范围、调速精度及静特性。

表1为125r/min～3000r/min范围内抽样的给定的输入转速n与实际转速n*对比。

表1输入转速n与实际转速n*对比

经检测，系统达到并超过了预定的技术指标：

√可控制电机转速125r/min-3000r/min(4.16％额定转速-额定转速)，调速范围D≥24；

√转速误差低于0.5％。

电机正转且转速为220Rpm时，总换向信号波形与A、B、C三相反电势波形如图6所示。从图中可以看出换相信号准确且无明显相移。

(2)动态参数测定

由于直流无刷电动机的结构所限，电机调速时突加给定的暂态转速波形难以测量。于是我们另外设计了一个小模块，在FPGA1内部以0.2s的时间间隔对电机驱动IP核10计算出的实际转速n*进行采样，并将结果存在RAM中已备调用。电机在t＝5s时由125Rpm突加给定2500Rpm的暂态转速曲线如图7所示。其中，虚线为给定的输入转速n曲线，另一条为实际转速n*曲线。可以看出，升速时约有1％的转速超调。

具体实施方式二、本实施方式与实施方式一的不同之处在于，它还包括非易失性存储器7，非易失性存储器7的输入输出端与三态桥接器13的闪存输入输出端相连，其它结构和连接方式与实施方式一相同。

非易失性存储器7采用Flash闪速存储器。Flash(闪速存储器)是近些年发展起来的新型非易失性存储器，它具有掉电数据不丢失、快速的数据存取速度、电可擦除、容量大、在线可编程、价格低廉以及足够多的擦写次数(十万次)和较高的可靠性等诸多优点。

具体实施方式三、本实施方式与实施方式一或二的不同之处在于，它还包括按键8和数码管9，FPGA1内部还构建有通用IO接口14和数码管控制接口15，通用IO接口14和数码管控制接口15分别挂接在FPGA1内部的总线上，按键8的输出端与通用IO接口14的输入端相连，数码管的输入端与数码管控制接口15的输出端相连，其它结构和连接方式与实施方式一或二相同。

本实施方式的设置是为了现场人员调试和监控，按键8用于网络故障时系统复位和控制，可输入调控参数，数码管上实时显示电机的运行参数(如转速、端电压、母线电流等)。

具体实施方式四、下面结合图2、图8至图11说明本实施方式，本实施方式与实施方式一、二或三的不同之处在于，电机驱动IP核10包括多路模数转换接口单元101、反电势过零检测单元102、三段式同步启动模块103、转速电流双闭环负反馈PI调节器104和PWM控制器105，

多路模数转换接口单元101接收所述采样信号，多路模数转换接口单元101输出三相电压采样信号给反电势过零检测单元102，多路模数转换接口单元101输出母线电流采样信号给转速电流双闭环负反馈PI调节器104，

反电势过零检测单元102输出实际转速信号给转速电流双闭环负反馈PI调节器104，所述转速电流双闭环负反馈PI调节器104输出闭环占空比控制信号给PWM控制器105，

三段式同步启动模块103接收输入的转向信号，所述转向信号同时输送给PWM控制器，三段式同步启动模块103输出开环占空比控制信号给PWM控制器105，所述三段式同步启动模块103还输出开环换相信号给PWM控制器105，所述三段式同步启动模块103还输出开/闭环控制信号给PWM控制器105，

转速电流双闭环负反馈PI调节器104接收启停信号和输入转速信号，PWM控制器105输出的无刷直流电机控制信号通过隔离电路2驱动无刷直流电机20运行。

其它结构和连接方式与实施方式一、二或三相同。

IP Core(知识产权核)将一些在数字电路中常用，但比较复杂的功能块，如FIR滤波器、SDRAM控制器、PCI接口等设计成可修改参数的模块。IP核的重用是设计人员赢得迅速上市时间的主要策略。随着CPLD/FPGA的规模越来越大，设计越来越复杂，设计者的主要任务是在规定的时间周期内完成复杂的设计。调用IP核能避免重复劳动，大大减轻工程师的负担，因此使用IP核是一个发展趋势。

根据无刷直流电机控制方法的分析结果，可以设计出实现无位置传感器控制算法的集成数字逻辑电路结构，即电机驱动IP核，其结构框图如图2所示。

电机驱动IP核10通过接口经由WEB服务器得到电机的控制信号(转向信号、启停信号和输入转速)，向每个无刷直流电机20发出驱动信号，同时向Internet发送电机的实际转速n，主要由多路模数转换接口单元101(用于A/D73360驱动)、反电势过零检测单元102、三段式同步启动模块103、转速电流双闭环负反馈PI调节器104和PWM控制器105五大部分组成。多路模数转换接口单元101用来向反电势过零检测模块102和转速电流双闭环负反馈PI调节器104提供采样的三相电压Ua、Ub、Uc和母线电流I。而反电势过零检测模块102则实现一种新型的基于硬件逻辑的转子位置检测算法。这种算法能够巧妙地利用限速滤波算法和相位补偿逻辑消除转子位置信号的偏差以得到精确的换相信号，并且受相电压信号中的谐波干扰影响也较小。三段式同步启动模块103凭借预定位、加速和自动切换三个环节实现电机的开环软起动，克服反电势过零检测算法不能够自起动的缺陷。转速电流双闭环负反馈PI调节器104在其内部对转速、电流进行双闭环控制，参考量为用户输入的转速设定，反馈量为反电势过零检测模块102计算的实际转速n和多路并行模数转换采样电路3采集的母线电流。实际转速n经转速电流双闭环负反馈PI调节器104的PI调节后输出，再进入PWM控制器105进行PWM调制后输出六路桥臂开关信号，驱动被控的无刷直流电机20。

下面只描述一路无刷直流电机20的控制过程，其他路的无刷直流电机20的控制都相同。电机驱动IP核10正常工作时，首先通过接口输入电机的控制信号，使三段式同步启动模块103开始工作，并将转向信号送入三段式同步启动模块103。此时，无刷直流电机20处于开环启动阶段，由三段式同步启动模块103对其内部设定的换相时间和占空比向PWM控制器105发出开环占空比、开环换相信号和开环控制信号，并由PWM控制器105向隔离电路2的三相桥的六个MOS开关管对无刷直流电机20进行控制，使无刷直流电机20由静止在设定的时间内达到开环和闭环的切换转速。而后，三段式同步启动模块103发出闭环控制信号，使无刷直流电机20进入闭环自控变频阶段。多路模数转换接口单元101对多路并行模数转换采样电路AD73360进行控制，并且接受串行输入的无刷直流电机20的三相电压Ua、Ub、Uc和母线电流I信号，并将这四个信号由串转并，发送给反电势过零检测单元102和转速电流双闭环负反馈PI调节器104。反电势过零检测单元102对接收到的三路电压信号进行数字滤波、计算，转变成具有较高稳定性的电机反电势信号。对反电势信号的过零信号进行数字限速滤波、移相、补偿，得到最终的无刷直流电机20的换相信号，提供给PWM控制器105以实现自控变频；同时，反电势过零检测单元102利用得到的换相信号进行电机的M/T法测速，将电机的实际转速分别送往转速电流双闭环负反馈PI调节器104用于自动控制及送往电机驱动IP核10接口通过Internet发给远程用户。转速电流双闭环负反馈PI调节器104接收参考输入转速信号n*、反馈的实际转速信号n、反馈的母线电流信号I，利用数字式串联转速、转速电流双闭环负反馈PI调节器104得到闭环占空比控制信号，并由PWM控制器105转换成驱动信号控制无刷直流电机20。

下面针对控制某一路无刷直流电机20分段详细介绍其控制过程：

用户在远程给电机驱动IP核10下达采集电机信息命令，则电机驱动IP核10通过多路模数转换接口单元101将采集命令下达给多路并行模数转换采样电路3，多路并行模数转换采样电路3(AD73360)具有六个独立的模拟量输入通道，每个通道可同时采样，消除了普通AD因对多路信号的分时采样而造成的相位误差，可实时地采样无刷直流电机20的三相电压Ua、Ub、Uc和母线电流I，AD73360的各路通道都有内置程控增益放大器和反混迭滤波器，使其对输入端的放大电路和反混迭滤波器的要求大为降低，使调理电路的设计更为精简。由于AD73360自身要求，其输入电压范围为0.4V～2.0V。采用普通的直流耦合方式，需要对信号进行电平调整，其电路复杂，精度难以保证，对反电势信号的处理有很大影响。本设计采用交流耦合方式，使采样信号以AD基准电压1.25V为中心上下变化。交流耦合滤掉了无用的直流分量，使反电势的过零点与AD基准电压重合，如图8所示，图8中VREF为AD73360的基准电压，在3.3V电源时为1.25V；VINP为输入通道正端的模拟输入；VINN为输入通道负端的模拟输入，图8说明了AD73360在3.3V电源电压单端输入时的输入输出关系。AD73360的单端输入，VINN接到REFOUT端，为VREF＝1.25V。简化了FPGA对反电势过零点的检测算法；采样信号以基准源为对称中心，最大限度的降低了基准不稳对精度的影响，提高了采样精度。

采样回来的三相电压Ua、Ub、Uc和母线电流I输出给多路模数转换接口单元101，接受串行输入的电机的三相电压和母线电流信号，并将这四个信号由串转并，其中，三相电压Ua、Ub、Uc发送给反电势过零检测单元102，母线电流I发送给转速电流双闭环负反馈PI调节器104。

反电势过零检测单元102由四部分组成：时钟分频模块、反电势相位转换模块、相位延迟模块和速度信号生成模块。

无刷直流电机20启动后，转子磁极产生的磁通切割定子绕组产生反电势E，其大小正比于无刷直流电机20的转速及气隙磁场B。而当转子极性改变时，反电势波形的正负也随着改变。所以只要测出反电势波形的过零点，就可以确定转子的精确位置，并以此来控制无刷直流电机20的换相。无刷直流电机20反电势与理想的开关管工作顺序如图9所示。

(1)时钟分频模块

时钟分频模块将50MHz的系统时钟经过500分频得到100kHz的时钟信号送入相位延迟模块。

(2)反电势相位转换模块

反电势相位转换模块将三相电压信号Ua、Ub、Uc经过中值平均滤波和相关计算得到反电势信号。再由反电势信号的过零点得到初步的换相信号。

$\left\{\begin{array}{c}{e}_a=U_a-\frac{1}{2}(U_b+U_c)\\ e_b=U_b-\frac{1}{2}(U_a+U_c)\\ e_c=U_c-\frac{1}{2}(U_a+U_b)\end{array}\right.$

电机正转时的反电势及相位转换原理如下图10所示，e_a、e_b、e_c分别为A相、B相、C相的滤波后反电势波形，abc为转换中间量。当e_a＞0时abc[2]＝1，e_a＜0时abc[2]＝0；当e_b＞0时abc[1]＝1，e_b＜0时abc[1]＝0；当e_c＞0时abc[0]＝1，e_c＜0时abc[0]＝0。由此我们可得abc信号在电机电角度转过360度时，经过了100，110，010，011，001，101六个状态，这六个状态分别对应着phase_i和phase_c的六个状态：000，001，011，111，110，100。

(3)相位延迟模块

相位延迟模块实现了由phase_i到phase_c信号的转换，同时向速度信号生成模块提供频率与电机转速成比例的脉冲信号flag6，此信号由abc[2]信号直接输出。

phase_i和phase_c的区别在于，phase_c信号是由phase_i信号滞后约30度电角度得到的。在相位延迟模块中内嵌了一个改进的FIPS(频率无关移相)数字移相器用于实现这种转换。另外，为了补偿硬件滤波和软件滤波造成反电势信号的相位滞后，phase_c滞后的电角度一定小于30度。我们对由滤波引起的相位滞后进行了仿真，并且将实验得到的不同频率对应的角度预先放入ROM中由此模块调用，这样即可得到相对精确的换相信号，对提高系统的调速范围有很大帮助。

(4)速度信号生成模块。

速度信号生成模块利用频率与电机转速成比例的脉冲信号flag6对电机进行M/T法测速。M/T法(频率/周期法)是同时测量检测时间和在此检测时间内转速脉冲信号的个数来确定转速。由于同时对两种脉冲信号进行计数，因此只要“同时性”处理得当，M/T法在高速和低速时都具有较高的测速精度，适合高调速范围、高精度的无刷直流电机调速系统。M/T法测速综合了M(频率)法与T(周期)法的长处，既记录测速时间内输出的脉冲数M₁，又检测同一时间间隔内高频时钟脉冲数M₂。设高频时钟脉冲的频率为f₀，则测速时间T_t＝M₂/f₀。习惯上转速常以每分钟转数来表示，则电机的转速可表示为

$n=\frac{{60M}_1}{{\mathrm{ZT}}_t}=\frac{{60M}_1{f}_0}{{\mathrm{ZM}}_2}(r/\min )$

式中，Z为电机每转一圈所产生的脉冲数。

对于本系统的六极永磁无刷直流电机及前述算法，电机每转一圈转过的电角度为6*360度，每360电角度中flag6产生一个脉冲。因此Z＝6。高频时钟脉冲由FPGA系统时钟充当，为50MHz。因此，速度产生模块中使用的计算公式具体为：

$n=\frac{{60M}_1{f}_0}{{\mathrm{ZM}}_2}=\frac{{60\×50\mathrm{MHz}\×M}_1}{{6\×M}_2}=\frac{{5\×10}^8\×M_1}{M_2}(r/\min )$

即，反电势过零检测单元102输出闭环换相信号给PWM控制器105，控制无刷直流电机20的换相。经过反电势过零检测单元102计算出实际转速n，实际转速n一方面通过internet接口11输出给远程用户，一方面输出给转速电流双闭环负反馈PI调节器104。

用户在远程通过FPGA1中的internet接口11给电机该路中的电机驱动IP核10发送控制信号(转向信号、启停信号和输入转速n*)，电机驱动IP核10中的转速电流双闭环负反馈PI调节器104接收到所述控制信号、采集的母线电流I和实际转速n，在转速电流双闭环负反馈PI调节器104进行PI调节，输出闭环占空比给PWM控制器105，通过改变闭环占空比进而调控无刷直流电机20的转速。

为了精确定位无刷直流电机20的转子磁极的位置，本发明采用三段式同步启动模块103，

在无刷直流电机中，定子绕组中的感应电动势与转子位置保持着确定的关系，根据反电势法换向的无刷直流电机正是基于这一原理工作的。而反电势的幅值与电机的转速成正比。当电机静止或转速很低时，感应电动势的幅值为零或很小，不足以用来确定转子磁极当前的位置，所以在无刷直流电机启动时不能根据反电动势进行换流。需要采用包括预定位、加速和自动切换三个环节实现电机的开环软起动，克服反电势过零检测算法不能够自起动的缺陷。

VHDL三段式同步启动模块I/O端口如图11所示。

输入输出端口：

IN

clk：(clock)FPGA系统时钟50MHz

dir：(direction)转向输入信号，dir＝0则正转，dir＝1则反转

rst：(reset)系统复位信号，高电平有效

OUT

cl_flag：(closed-loop flag)系统闭环控制信号，高电平有效

duty_o：(duty of open-loop)系统开环占空比信号11位，最小为0D，最大为1999D

phase_o：(phase of open-loop)系统开环相位控制信号3位，000，001，011，111，110，100

state：(state of the system)系统状态指示，state＝00B为第一次预定位，state＝01B为第二次预定位，state＝10B为开环升速，state＝11B为闭环调节。

(1)预定位

为保证无刷直流电机能够正常启动，首先需要确定转子的当前位置，在轻载条件下，对于具有梯形反电势波形的无刷直流电机来说一般采用磁制动式的电机转子定位方式。在系统开始上电时，任意给定一组触发脉冲，在气隙之中形成一个幅值恒定，方向不变的磁通，只要保证其幅值足够大，那么这一脉冲就能在一定时间内将转子强行定位于这个方向上。定位后，电机转子d轴与定子绕组磁通方向重合。这样就确定了电机转子的初始位置。

但是由于静止时电机转子位置的不确定性，如果在定位时，定子绕组合成磁通与转子d轴夹角为180度，则会产生定位失败。为了解决这个问题，我们采用“连续两次定位”的方法，在前一次定位的基础上继续导通下一个状态作为第二次定位，这样不论第一次定位成功或失败，第二次定位一定是成功的。

(2)开环升速

三段式同步启动模块中含有两个16位×32的ROM，分别存储了实验求出的电机开环启动表。

state＝10B时，系统处于开环升速阶段，三段式同步启动模块中由两个16位×32的ROM中分别读出占空比和换相时间信号，并按照换相时间切换导通的开关

正转：000->001->011->111->110->100->000，

即V1V2->V2V3->V3V4->V4V5->V5V6->V6V1->V1V2；

反转：000->100->110->111->011->001->000，

即V1V2->V6V1->V5V6->V4V5->V3V4->V2V3->V1V2。

这样换相时间逐渐缩短，占空比逐渐增加，到ROM读空时，电机便达到了设定的开/闭环切换转速，此时电机的反电势波形已经可以保证稳定自控运行。

(3)自动切换

state＝11B时，系统切换到自控运行阶段，cl_flag＝1，此时电机驱动IP10核输出的闭环占空比和相位信号分别由转速电流双闭环PI调节器104和反电势过零检测单元102提供。

转速电流双闭环PI调节器104输出闭环占空比给PWM控制器105，反电势过零检测单元102输出闭环换相信号给PWM控制器105，PWM控制器105再根据用户给定的转向信号输出六路驱动信号Ah、Al、Bh、Bl、Ch、Cl，并通过隔离电路2控制无刷直流电机20的运行。

其它路无刷直流电机20的控制原理都是一样的，用户可以在远程同时下达控制命令，每路的控制可同时进行，没有延时。

Claims (7)

1.基于SOPC的无位置传感器无刷直流电机远程监控系统，其特征在于，它包括FPGA(1)、m个隔离电路(2)、多路并行模数转换采样电路(3)、以太网接口电路(4)、以太网组件终端(5)、外部存储器(6)和m个无刷直流电机(20)，

FPGA(1)内构建有m个电机驱动IP核(10)、internet接口(11)、NOIS II软核(12)和三态桥接器(13)，m个电机驱动IP核(10)、internet接口(11)、NOIS II软核(12)和三态桥接器(13)分别挂接在FPGA(1)内部的总线上，

以太网组件终端(5)的输入输出端与以太网接口电路(4)的用户输入输出端相连，

外部存储器(6)的输入输出端与三态桥接器(13)的存储输入输出端相连，

每个无刷直流电机(20)的采样信号端与多路并行模数转换采样电路(3)的一个信号输入端相连，多路并行模数转换采样电路(3)的m个信号输出端分别与每个电机驱动IP核(10)的采样信号输入端相连，每个电机驱动IP核(10)的输出端与一个隔离电路(2)的输入端相连，每个隔离电路(2)的输出端与一个无刷直流电机(20)的控制信号输入端相连。

2.根据权利要求1所述的基于SOPC的无位置传感器无刷直流电机远程监控系统，其特征在于，它还包括非易失性存储器(7)，非易失性存储器(7)的输入输出端与三态桥接器(13)的闪存输入输出端相连。

3.根据权利要求1或2所述的基于SOPC的无位置传感器无刷直流电机远程监控系统，其特征在于，它还包括按键(8)和数码管(9)，FPGA(1)内部还构建有通用IO接口(14)和数码管控制接口(15)，通用IO接口(14)和数码管控制接口(15)分别挂接在FPGA(1)内部的总线上，按键(8)的输出端与通用IO接口(14)的输入端相连，数码管(9)的输入端与数码管控制接口(15)的输出端相连。

4.根据权利要求1所述的基于SOPC的无位置传感器无刷直流电机远程监控系统，其特征在于，FPGA(1)选用CycloneII系列EP2C20Q240C8N。

5.根据权利要求1所述的基于SOPC的无位置传感器无刷直流电机远程监控系统，其特征在于，多路并行模数转换采样电路(3)选用AD73360模数转换芯片。

6.根据权利要求1所述的基于SOPC的无位置传感器无刷直流电机远程监控系统，其特征在于，以太网接口电路(4)选用DAVICOM公司生产的以太网接口电路DM9000A。

7.根据权利要求1所述的基于SOPC的无位置传感器无刷直流电机远程监控系统，其特征在于，电机驱动IP核(10)包括多路模数转换接口单元(101)、反电势过零检测单元(102)、三段式同步启动模块(103)、转速电流双闭环负反馈PI调节器(104)和PWM控制器(105)，

多路模数转换接口单元(101)接收所述采样信号，多路模数转换接口单元(101)输出三相电压采样信号给反电势过零检测单元(102)，多路模数转换接口单元(101)输出母线电流采样信号给转速电流双闭环负反馈PI调节器(104)，

反电势过零检测单元(102)输出实际转速信号给转速电流双闭环负反馈PI调节器(104)，所述转速电流双闭环负反馈PI调节器(104)输出闭环占空比控制信号给PWM控制器(105)，

三段式同步启动模块(103)接收输入的转向信号，所述转向信号同时输送给PWM控制器(105)，三段式同步启动模块(103)输出开环占空比控制信号给PWM控制器(105)，所述三段式同步启动模块(103)还输出开环换相信号给PWM控制器(105)，所述三段式同步启动模块(103)还输出开/闭环控制信号给PWM控制器(105)，

转速电流双闭环负反馈PI调节器(104)接收启停信号和输入转速信号，PWM控制器(105)输出的无刷直流电机控制信号通过隔离电路(2)驱动无刷直流电机(20)运行。

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