CN110149076A - 基于fpga的电动车电机驱动控制***及驱动控制方法 - Google Patents

基于fpga的电动车电机驱动控制***及驱动控制方法 Download PDF

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刘胜剑
郑智源
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Abstract

基于FPGA的电动车电机驱动控制***及驱动控制方法，属于FPGA控制领域。一种基于FPGA的电动车电机驱动控制***及驱动控制方法，控制***包括位置检测模块、PID控制算法模块、PWM调制信号产生模块、死区保护模块，来共同对驱动电路进行控制。驱动控制方法，包括位置检测模块对霍尔信号进行处理，检测转子位置，并产生相应的通电逻辑控制信号；驱动信号经过死区保护处理后分为两路，采用不对称半桥调制对无刷直流电机进行驱动控制，对上桥臂功率器件采用PWM调制控制，下桥臂功率器件直接加以控制信号。本发明采用FPGA，片内资源丰富，可配置资源丰富，接口设计灵活，简化了***电路结构，提高了***的集成度。

Description

基于FPGA的电动车电机驱动控制***及驱动控制方法
技术领域
本发明涉及一种基于FPGA的电动车电机驱动控制***及驱动控制方法。
背景技术
目前我国电动汽车整体水平已迈入国际先进行列，在一些技术领域还处于世界领先水平，如在燃料电池车载发动机的研发领域，我国是世界上少数掌握其核心技术的国家混合动力客车已具有小规模生产能力，纯电动汽车也开始批量生产。中国是一个能源消耗大国，同时在传统汽车产业我国与发达国家存在较大差距，发展电动汽车势在必行。在已取得突破性进展的基础上，随着各项技术的逐渐成熟以及政府的更加重视，我国电动汽车必定拥有着更加光明的前景。
电动汽车是真正意义上的绿色交通工具，可以预言世纪是电动汽车代替内燃机汽车的时代，尽管当前面临许多技术方面的困难和问题，但从长远的角度来看，电动汽车必将引起一场汽车产业革命。
无刷直流电机是同步电机的一种，是当代一种典型的机电一体化产品，采用电子换向装置代替机械换向装置。无刷直流电机作为一种通用的高性能应用电机，以其可靠性高、控制简单等优越的性能成为电动汽车驱动***的首选。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有的电动车控制技术不够成熟的问题，而提出一种基于FPGA的电动车电机驱动控制***及驱动控制方法。
基于FPGA的电动车电机驱动控制***，所述的控制***主要包括位置检测模块、PID控制算法模块、PWM调制信号产生模块、死区保护模块，来共同对驱动电路进行控制。
一种基于FPGA的电动车电机驱动控制***的驱动控制方法，所述的位置检测模块对霍尔信号进行处理，检测转子位置，并产生相应的通电逻辑控制信号；驱动信号经过死区保护处理后分为两路，采用不对称半桥调制对无刷直流电机进行驱动控制，对上桥臂功率器件采用PWM调制控制，下桥臂功率器件直接加以控制信号。
本发明的有益效果为：
1.本发明采用FPGA，片内资源丰富，可配置资源丰富，接口设计灵活，简化了***电路结构，提高了***的集成度。
2.数字实现控制算法，不涉及到程序直接用硬件来实现算法，不会存在程序“跑飞”的问题，即使某一时刻受干扰的影响出现逻辑错误，也不会影响整个控制过程。
3.FPGA采用并行运算电路，以硬件实现算法，在多对象控制中避免了复杂的控制时序考虑，较其它微控制器有着自身的优势。
具体实施方式
具体实施方式一：
本实施方式的基于FPGA的电动车电机驱动控制***，所述的控制***主要包括位置检测模块、PID控制算法模块、PWM调制信号产生模块、死区保护模块，来共同对驱动电路进行控制。
具体实施方式二：
本实施方式的基于FPGA的电动车电机驱动控制***的驱动控制方法，所述的位置检测模块对霍尔信号进行处理，检测转子位置，并产生相应的通电逻辑控制信号；驱动信号经过死区保护处理后分为两路，采用不对称半桥调制对无刷直流电机进行驱动控制，对上桥臂功率器件采用PWM调制控制，下桥臂功率器件直接加以控制信号。因此调制信号与上桥臂死区保护处理后的驱动信号通过逻辑与关系后加至上桥臂驱动电路，而下桥臂直接加以处理后驱动信号。控制算法根据转速给定值与反馈值的偏差信号计算控制量增量，从而控制信号的占空比。
具体实施方式三：
本实施方式的基于FPGA的电动车电机驱动控制***的驱动控制方法，与具体实施方式二不同的是，在FPGA对***的AD转换ADC0809的控制过程为，
根据的工作时序可以知道，首先，应输入地址选择信号，给一个上升沿将地址信号锁存，产生地址译码信号选中一路模拟量输入；
第二，给启动转换控制信号一个上升沿不小于，复位并启动转换接下来对信号进行检测，若检测为低电平则继续等待，若为高电平则表示转换已结束转换结束，数据送三态门锁存，在允许输出信号为高电平时，将转换结果输出到数据输出端上供读取；
第三，在的控制中采用状态机，根据时序分析可分为4种状态：初始化；给ALE、START上升沿信号，复位ADC0809并将地址状态送入地址锁存器；
第四，ALE、START赋低电平，开始AD转换，判断电平状态赋高电平允许输出；
第五，通过改变ADDA一ADDC的值以改变模拟量的输入通道，从而对电枢电流和给定转速进行采集，采集数据可采用模块进行存储。
具体实施方式四：
本实施方式的基于FPGA的电动车电机驱动控制***的驱动控制方法，与具体实施方式三不同的是，FPGA对***的转子位置及电机转速检测模块的控制过程为：
第一，采用高速光祸进行隔离，为了使检测精度进一步提高，这里可以采用硬件滤波再进行一次抗干扰；
第二，采用连续三次检测霍尔信号的电平状态的方法，无论检测到的是高电平
或是低电平，若连续三次检测电平状态相同则认为此时检测到的霍尔信号是有效
信号，若三次检测中任意相邻两次检测电平状态不相同则认为是干扰信号，控制
电路不予理会；由于高度光祸最高支持频率为，经过硬件再次抗干扰，霍尔信号检测对周期小于干扰不予理会。
具体实施方式五：
本实施方式的基于FPGA的电动车电机驱动控制***的驱动控制方法，与具体实施方式四不同的是，FPGA对***的PWM产生及死区保护模块的控制过程为：
第一，控制***采用改变电枢电压的方法进行转速控制，PWM调制方式可以有效地抑制谐波，动态响应好；通过调节信号的占空比来改变直流无刷电机的平均输入电压，从而进行调速；将调制波形加在电枢两端，则电枢两端平均输出电压：
式中，Us为电源电压，D为PWM占空比；
第二，采用单个计数器和锁存器组成的电路产生调制波形；
第三，产生模块基本工作过程分为两个步骤：当计数器计数溢出时，位输出高电平，此时锁存器读入数据，同时计数器进行新一轮计数由于位高电平，触发器置位，输出端输出高电平当计数器的计数值与锁存器读入数值相等时，比较器输出端输出高电平，触发器被清零，输出端输出低电平，直至计数器再次溢出；两个步骤反复交替执行，触发器的输出即为波形。
具体实施方式六：
本实施方式的基于FPGA的电动车电机驱动控制***的驱动控制方法，与具体实施方式五不同的是，所述的驱动控制方法的数字算法的实现过程为：
数字控制是一种采样控制，根据采样时刻的偏差量来计算控制输出，采用PID算法需对模糊PID进行离散化，离散PID控制算法表达式如下
其中，U(k)为第k次采样时刻控制器输出值，e(k)为第k次采样时刻输入偏差值，e(k-1)为第k-1次采样时刻输入偏差值；
为积分常数；为微分常数；
其输出U(k)直接对被控对象进行控制，U(k)与控制执行单元位置一一对应；每一时刻的输出U(k)都与过去时刻的输入偏差量有关，每一时刻都要对偏差量进行累加，占用内存量较多，计算繁琐，使用起来非常不便，必须进行改进之后再使用。
根据上式推出，在k-1时刻有：
上式相减得到：
U(k)-U(k-1)＝Kp[e(k)-e(k-1))]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
采用位置式控制，k时刻的控制输出值U(k)只需要根据k时刻偏差值，对U(k)进行整理后得：
U(k)＝U(k-1)+(Kp+Ki+Kd)e(k)+(-Kp-2Kd)e(k-1)+Kde(k-2)
令K0＝(Kp+Ki+Kd)，K1＝-Kp-2Kd，K2＝Kd则：
ΔU(k)＝K0e(k)+K1e(k-1)+K2e(k-2)；
采用两个寄存器对e(k-1)、e(k-2)进行存储，在k时刻取出寄存器的值进行相应的处理，从而推算出偏差增量ΔU(k)。
具体实施方式七：
本实施方式的基于FPGA的电动车电机驱动控制***的驱动控制方法，与具体实施方式六不同的是，采用FPGA实现UART数字算法的过程为：主要通过三个模块，即波特率发生模块、发送模块、接收模块，其中，
波特率发生模块的主要功能是产生和波特率同步的时钟信号，根据通信协议它产生的采样时钟频率并不是波特率而是波特率的16倍，这样做的主要目的是为了提高采样精度，按照通信协议时序接收或者发送数据；
接收模块主要是接收读入RXD的串行数据，并将其转换为并行数据；串行数据和接收模块的时钟是非同步的，且空闲状态为高电平，因此只要检测到端由逻辑跳变到逻辑，则认为检测到一个数据帧的起始位。由于波特率发生器产生的采样时钟是实际波特率时钟频率的16倍，为了避免毛刺对卫接受模块的影响，在接受到起始位信号后必须经过连续8个连续采样时钟且采样值均为逻辑0才被认为是正确的起始位信号；在检测到正确的起始位后，每隔16个采样时钟周期对数据位和奇偶校验位进行采样由于检测起始位时经过了8个采样时钟，所以后续对数据位每一位的采样都是在其中点处进行；
发送模块主要是将等待发送的并行数据按照标准帧形式进行转换，并通过端串行输出。

Claims (7)

1.基于FPGA的电动车电机驱动控制***，其特征在于：所述的控制***主要包括位置检测模块、PID控制算法模块、PWM调制信号产生模块、死区保护模块，来共同对驱动电路进行控制。
2.一种利用权利要求1所述的基于FPGA的电动车电机驱动控制***进行的驱动控制方法，其特征在于：所述的位置检测模块对霍尔信号进行处理，检测转子位置，并产生相应的通电逻辑控制信号；驱动信号经过死区保护处理后分为两路，采用不对称半桥调制对无刷直流电机进行驱动控制，对上桥臂功率器件采用PWM调制控制，下桥臂功率器件直接加以控制信号。
3.根据权利要求2所述的基于FPGA的电动车电机驱动控制***的驱动控制方法，其特征在于：在FPGA对***的AD转换ADC0809的控制过程为，
首先，应输入地址选择信号，给一个上升沿将地址信号锁存，产生地址译码信号选中一路模拟量输入；
第二，给启动转换控制信号一个上升沿不小于，复位并启动转换接下来对信号进行检测，若检测为低电平则继续等待，若为高电平则表示转换已结束转换结束，数据送三态门锁存，在允许输出信号为高电平时，将转换结果输出到数据输出端上供读取；
第三，在的控制中采用状态机，根据时序分析可分为4种状态：初始化；给ALE、START上升沿信号，复位ADC0809并将地址状态送入地址锁存器；
第四，ALE、START赋低电平，开始AD转换，判断电平状态赋高电平允许输出；
第五，通过改变ADDA一ADDC的值以改变模拟量的输入通道，从而对电枢电流和给定转速进行采集，采集数据可采用模块进行存储。
4.根据权利要求3所述的基于FPGA的电动车电机驱动控制***的驱动控制方法，其特征在于：FPGA对***的转子位置及电机转速检测模块的控制过程为：
第一，采用高速光祸进行隔离，采用硬件滤波再进行一次抗干扰；
第二，采用连续三次检测霍尔信号的电平状态的方法，无论检测到的是高电平
或是低电平，若连续三次检测电平状态相同则认为此时检测到的霍尔信号是有效
信号，若三次检测中任意相邻两次检测电平状态不相同则认为是干扰信号，控制
电路不予理会；由于高度光祸最高支持频率为，经过硬件再次抗干扰，霍尔信号检测对周期小于干扰不予理会。
5.根据权利要求4所述的基于FPGA的电动车电机驱动控制***的驱动控制方法，其特征在于：FPGA对***的PWM产生及死区保护模块的控制过程为：
第一，控制***采用改变电枢电压的方法进行转速控制，PWM调制方式可以有效地抑制谐波，动态响应好；通过调节信号的占空比来改变直流无刷电机的平均输入电压，从而进行调速；将调制波形加在电枢两端，则电枢两端平均输出电压：
式中，Us为电源电压，D为PWM占空比；
第二，采用单个计数器和锁存器组成的电路产生调制波形；
第三，产生模块基本工作过程分为两个步骤：当计数器计数溢出时，位输出高电平，此时锁存器读入数据，同时计数器进行新一轮计数由于位高电平，触发器置位，输出端输出高电平当计数器的计数值与锁存器读入数值相等时，比较器输出端输出高电平，触发器被清零，输出端输出低电平，直至计数器再次溢出；两个步骤反复交替执行，触发器的输出即为波形。
6.根据权利要求5所述的基于FPGA的电动车电机驱动控制***的驱动控制方法，其特征在于：所述的驱动控制方法的数字算法的实现过程为：
数字控制是一种采样控制，根据采样时刻的偏差量来计算控制输出，采用PID算法需对模糊PID进行离散化，离散PID控制算法表达式如下：
其中，U(k)为第k次采样时刻控制器输出值，e(k)为第k次采样时刻输入偏差值，e(k-1)为第k-1次采样时刻输入偏差值；
为积分常数；为微分常数；
其输出U(k)直接对被控对象进行控制，U(k)与控制执行单元位置一一对应；
根据上式推出，在k-1时刻有：
上式相减得到：
U(k)-U(k-1)＝Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
采用位置式控制，k时刻的控制输出值U(k)只需要根据k时刻偏差值，对U(k)进行整理后得：
U(k)＝U(k-1)+(KP+Ki+Kd)e(k)+(-Kp-2Kd)e(k-1)+Kde(k-2)
令K0＝(Kp+K1+Kd)，K1＝-Kp-2Kd，K2＝Kd则：
ΔU(k)＝K0e(k)+K1e(k-1)+K2e(k-2)；
采用两个寄存器对e(k-1)、e(k-2)进行存储，在k时刻取出寄存器的值进行相应的处理，从而推算出偏差增量ΔU(k)。
7.根据权利要求6所述的基于FPGA的电动车电机驱动控制***的驱动控制方法，其特征在于：采用FPGA实现UART数字算法的过程为：主要通过三个模块，即波特率发生模块、发送模块、接收模块，其中，
波特率发生模块的主要功能是产生和波特率同步的时钟信号，根据通信协议它产生的采样时钟频率是波特率的16倍，提高采样精度；
接收模块主要是接收读入RXD的串行数据，并将其转换为并行数据；串行数据和接收模块的时钟是非同步的，且空闲状态为高电平，因此只要检测到端由逻辑跳变到逻辑，则认为检测到一个数据帧的起始位；
发送模块主要是将等待发送的并行数据按照标准帧形式进行转换，并通过端串行输出。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111901938A (zh) * 2020-08-31 2020-11-06 深圳市明微电子股份有限公司 Led驱动信号处理方法及电路、led驱动装置和灯具
CN114879564A (zh) * 2022-05-13 2022-08-09 西安交通大学 一种基于fpga的通用电力电子模块分布式闭环控制方法

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