基于fpga的无刷直流电机控制软件篇之霍尔信号

FPGA

   今天是7月20日，已经是设计作品的提交日了，很不情愿的再这里和大家说声抱歉，由于个人的一些原因，这次大赛无法按期完成设计了。但是这个方案以后的每个部分的进程我依然会在这里更新。
   起初参加这次大赛是出于对FPGA的热爱，它在高速领域的先天优势，它可能在低端应用不是很广，更多的是它的可编程带来的无限创造空间和可控制性，也寄托着我们国内芯片制造能力提高不再受制与国外的梦想。
   言归正传，无刷电机相比有刷电机的最大区别就是用电子开关替代了内部的电刷。电刷所带来的是易损坏，难维修，还有内部碳粉沉积多之后给电机带来的堵转等一系列问题。曾经拆过很多损坏的有刷电机，80%以上的损坏原因是内部电刷断了。这也是我萌生这次这个方案的主要原因之一。任何事物都是有利有弊的。外围电路的简单和方便实用带来的是软件处理的复杂度。这就是电子开关带来的软件设计。同比无传感器换相也是增加了软件复杂度。
   霍尔信号的电子传感器是依靠电磁感应原理利用霍尔元件的集成电路完成电子定子或者转子的测位的。

double530 · 2012-7-20 20:27:49

本帖最后由 double530 于 2012-7-20 20:54 编辑

霍尔信号根据在电机安装位置的不同，有2种不同的时序图，分别是60度和120度。这个要根据电机的厂家提供的资料。
我这次选型的电机是60度。

时序图如下：

s1-s6分别对应6个状态，每一个状态的电气角度是60度。

霍尔信号在这里不仅要用来换向。还要用测速，提高电机控制系统的测速反馈。

先来说换向。s1-s6代表6个状态，每个状态对应6个开关管的开启和关闭。

上图为6个状态对应霍尔信号逻辑电平和对应6个开关管的开关逻辑状态。

软件部分这里很好处理，简单的状态机就可以实现了。

但是，不要忘记我们的集成模块是dvr8312，它的控制接口为pwm_a pwm_b,pwm_c rst_a,rst_b,rst_c,并不是对应6个开关管。

这是dvr8312手册上给出的用常规6个开关管信号的逻辑图。我们就按手册的来。

程序如下：

`timescale 1ns / 1ps
module PWM_ctrl(clk,rst_n,
   pwm_ah,pwm_bh,pwm_ch,
   rst_an,rst_bn,rst_cn,
   hall_a,hall_b,hall_c
   );
input clk;
input rst_n;
input hall_a;          //三相霍尔信号
input hall_b;
input hall_c;
output pwm_ah;          //a相输出
output pwm_bh;          //b相输出
output pwm_ch;          //c相输出
output rst_an;          //rst_a输出
output rst_bn;          //rst_b输出
output rst_cn;          //rst_c输出
//---------------------------------------------------------------------
//霍尔换相分为6状态每状态只有2相通电
//       s1  s2  s3  s4  s5  s6
//hall_a 1  1  1  0  0  0
//hall_b 0  0  1  1  1  0
//hall_c 1  0  0  0  1  1
//pwm_ah 1  1  0  0  0  0
//pwm_al 0  0  0  1  1  0
//pwm_bh 0  0  1  1  0  0
//pwm_bl 1  0  0  0  0  1
//pwm_ch 0  0  0  0  1  1
//pwm_cl 0  1  1  0  0  0
//----------------------------------------------------------------------
reg [2:0] hall1;
reg [2:0] hall2;
reg pwm_ahr;
reg pwm_bhr;
reg pwm_chr;
reg pwm_alr;
reg pwm_blr;
reg pwm_clr;
//reg  [9:0] ctrl_reg;
reg  pwm_reg;
reg [9:0] cnt;
parameter ctrl_reg = 200;
always@(posedge clk or negedge rst_n)
  if(!rst_n)begin
pwm_reg <=  1'b0;
cnt <= 10'b0;
end
  else begin
if(cnt <=ctrl_reg)
pwm_reg <= 1'b1;
else pwm_reg <= 1'b0;

end
always @(posedge clk or negedge rst_n)
  if(!rst_n) cnt <= 10'b0;
  else cnt <= cnt + 1'b1;
always @(posedge clk or negedge rst_n)
  if(!rst_n)begin
hall1 <= 3'b0;
hall2 <= 3'b0;
end
  else begin
hall1 <= {hall_a,hall_b,hall_c};
hall2 <= hall1;
end
//------------------------------------------------------------------------
always @(posedge clk or negedge rst_n)
  if(!rst_n)begin
pwm_ahr <= 1'b0;
pwm_bhr <= 1'b0;
pwm_chr <= 1'b0;
pwm_alr <= 1'b0;
pwm_blr <= 1'b0;
pwm_clr <= 1'b0;
end
  else begin
case(hall2)
3'b101:begin
   pwm_ahr <= pwm_reg;
   pwm_bhr <= 1'b0;
   pwm_chr <= 1'b0;
   pwm_alr <= 1'b0;
   pwm_blr <= pwm_reg;
   pwm_clr <= 1'b0;
   end
3'b100:begin
   pwm_ahr <= pwm_reg;
   pwm_bhr <= 1'b0;
   pwm_chr <= 1'b0;
   pwm_alr <= 1'b0;
   pwm_blr <= 1'b0;
   pwm_clr <= pwm_reg;
   end
3'b110:begin
   pwm_ahr <= 1'b0;
   pwm_bhr <= pwm_reg;
   pwm_chr <= 1'b0;
   pwm_alr <= 1'b0;
   pwm_blr <= 1'b0;
   pwm_clr <= pwm_reg;
   end
3'b010:begin
   pwm_ahr <= 1'b0;
   pwm_bhr <= pwm_reg;
   pwm_chr <= 1'b0;
   pwm_alr <= pwm_reg;
   pwm_blr <= 1'b0;
   pwm_clr <= 1'b0;
   end
3'b011:begin
   pwm_ahr <= 1'b0;
   pwm_bhr <= 1'b0;
   pwm_chr <= pwm_reg;
   pwm_alr <= pwm_reg;
   pwm_blr <= 1'b0;
   pwm_clr <= 1'b0;
   end
3'b001:begin
   pwm_ahr <= 1'b0;
   pwm_bhr <= 1'b0;
   pwm_chr <= pwm_reg;
   pwm_alr <= 1'b0;
   pwm_blr <= pwm_reg;
   pwm_clr <= 1'b0;
   end
default:;
endcase
end
assign rst_an = pwm_ahr | pwm_alr;
assign rst_bn = pwm_bhr | pwm_blr;
assign rst_cn = pwm_chr | pwm_clr;
assign pwm_ah = pwm_ahr;
assign pwm_bh = pwm_bhr;
assign pwm_ch = pwm_chr;

//-----------------------------------------------------------------------------

endmodule

如果要换向的话，只需要改变状态切换顺序就可以。这里就不详细说了。

double530 · 2012-7-20 20:28:51

本帖最后由 double530 于 2012-7-20 20:53 编辑

简要说明，软件思路，计数器计数，pwm_reg为经过控制算法处理后的控制量，和计数器进行比较，如果小于输出高电平，大于输出低电平。

仿真图如下：

占空比为50%时。可以明显看到每个换向状态只有2个管开，而且分别对应一上一下。

具体计数器的位数选择我会在以后的系统连接中作说明。

没有整个系统的联系这个位数是无法确定的。位数也同样决定了时钟频率。

double530 · 2012-7-20 20:45:23

本帖最后由 double530 于 2012-7-20 21:08 编辑

作为电机控制的2个环路之一速度环。

这里采用霍尔信号进行测速。

再来看霍尔的时序图

一次高电平对应180度的电气角度。如果对高电平进行计数，计数值就对应180度的电气角度。计数时间就是时钟周期与计数值的积，这就得到电气速度。相对应机械角度要查看电机的磁极对数，电气速度/磁极对数就是相应的机械速度。

利用霍尔信号测速的方法有分两种。一种就是如我之前说的对高电平计数，还有一种就是固定一个时间内对霍尔信号的高电平计数。同样也可得到速度。

这部分我参考了很多资料。最后选用一种对2相霍尔信号取与非，得到一个一个霍尔开关状态下的高电平，用计数器对这个高电平计数的方法。

这部分具体效果如果只能等实际测定后才能下结论。

程序如下：

odule speed_get(clk,rst_n,hall_a,hall_b,speed
);
input clk;
input rst_n;
input hall_a;
input hall_b;
//input hall_c;
output [15:0] speed;
reg hall_ar1,hall_ar2;
reg hall_br1,hall_br2;
//reg hall_cr1,hall_cr2;
always @(posedge clk or negedge rst_n)
  if(!rst_n)begin
hall_ar1 <= 1'b0;
hall_ar2 <= 1'b0;
hall_br1 <= 1'b0;
hall_br2 <= 1'b0;
end
  else begin
hall_ar1 <= hall_a;
hall_ar2 <= hall_ar1;
hall_br1 <= hall_b;
hall_br2 <= hall_br1;
  end

wire hall_speed = hall_ar2 &&(~ hall_br2);
reg hall_speed1;
always @(posedge clk or negedge rst_n)
  if(!rst_n)begin
hall_speed1 <= 1'b0;

end
  else begin
hall_speed1 <= hall_speed;

end

wire hall_neg = hall_speed1 && ~hall_speed;
wire hall_pos = ~hall_speed1 && hall_speed;

reg [15:0]cnt_speed;
reg [15:0]speed_reg;
reg [1:0] state;
always @(posedge clk or negedge rst_n)
  if(!rst_n) begin
cnt_speed <= 16'b0;
state <= 2'b00;
end
  else begin
case(state)
   2'b00:begin
      if(hall_pos) state <= 2'b1;
      else state <= 1'b0;
   end
   2'b01:begin
      cnt_speed <= cnt_speed + 1'b1;
   if(hall_neg)
      state <= 2'b11;
   else state <= 2'b01;
   end
   2'b11:begin
      speed_reg <= cnt_speed;
      cnt_speed <= 16'b0;
      state <= 2'b00;
   end
default:state <= 2'b00;
endcase
   end
assign speed = speed_reg;
endmodule
对于这个高电平，我做了边沿检测处理，用这2个检测脉冲来启动和清零计数器。

仿真图：