《基于FPGA的无刷直流电机控制系统设计》文献综述
1、引言
电能在现代化工农业生产、交通运输、科学技术、信息传输、国防建设以及日常生活等各个领域获得了极为广泛的运用。而电机是生产、传输、分配及应用电能的主要设备[1]。根据文献资料表明，电机所提供的的动力占了全世界所有动力的90%以上，同时电机消耗了世界上70%的电能[2]。近年来，电力电子技术、传感器技术和制造工艺等不断快速发展，如今的无刷直流电机具有质量轻、体积小、转矩特性优异、软起软停、制动性能比较好等特点，故无刷直流电机广泛运用于汽车、工业、工业控制、自动化和航空航天等领域。以FPGA芯片为核心建立无刷直流电机的控制器，可简化外围硬件电路，提高无刷直流电机在高温下控制的稳定性和抗干扰性。
- 研究的目的及意义
早期的电机驱动控制系统多采用专用硬件控制设备，需设计专用的控制芯片及其它硬件电路以满足不同控制对象的需求，这种封闭式结构使电机驱动系统的体积大、开发成本高、开发周期长、可靠性、可扩展性和易用性都很差，并且升级困难[3]。从无刷直流电机的工作原理出发可知要由转子位置信息来决定开关器件的换相逻辑，当前大多采用霍尔位置传感器来完成转子位置信息的获取，而在一些复杂环境下比如高温、高压将不能使用霍尔传感器。随着技术的发展出现了少位置传感器替代方法称作为无转子位置传感器控制技术，它们一般以检测相电压、线电压、相电流电流等容易获取的物理量进行转子位置的软硬件估算以获取位置信号。其中较为成熟的主要有：续流二极管工作状态检测法、反电势过零点检测法、反电动势三次谐波检测法、反电动势积分及参考电压比较法、电感测量法、与速度无关函数法、扩展卡尔曼滤波法、状态观测器法等等，然而截至目前这些无位置传感器控制方法都因为可靠性低、成本过高、电机参数依赖性强等多种原因不能得到实用化；其中反电动势法由于算法简单电路结构简单得到了较多的推广，但是由于没有可靠的启动方法现在也只能用于轻负载[4]。
随着电子技术的发展，无刷直流电机调速系统 主要以单片机、数字信号处理器（Digital Signal Processor，DSP）等控制芯片为核心，具有调试方便、调速精度高和上位机实时通信等优点[5-6]。DSP本身资源有限，需要大量的外接电路，而外围电路过多定会对系统内部运行造成干扰，从而降低系统的安全性和可靠性。可编程逻辑门阵列（Field-Programmable Gate Array,FPGA）端口资源丰富、管脚多，内部由可配置的逻辑单元组成，用户可以根据需要随意配置，比其他控制芯片设计灵活，简化了外围电路。同时内部各逻辑模块之间都是并行运算，互不影响，提高了运算速度和效率。基于FPGA的无刷直流电机速度与电流双闭环控制系统，电路简单且FPGA资源配置灵活，仿真和实验结果表明系统具有良好的调速性能。
3、国内外研究现状
无刷直流电机的发展经历了不断进化演变的过程，这其中最根本的变化是机械换向器的电子化过程。1917年，首先由波利格提出，采用整流二极管组成的逻辑关系电路取代原本的机械式器件，这一研究为换向器的电子化提供了思想基础；到了上世界30年代，随着模拟电子器件的不断发展，由美国科学家D哈利僧提出，用晶体管取代整流二极管，完成电子换向的过程，这一研究使电子换向器得到了进一步的发展，但是该方案存在无启动转矩的问题；1955年，德国曼内斯曼公司提供了一整套电子换向器的解决方案，标志着无刷直流电机的诞生，开始投入实现的使用；1962年，随着传感器技术的发展，研究者将Hall传感器应用到了电机转子的检测技术上，根据电磁感应原理检测电机转动时内部磁场的变化，这一研究成果标志着换向器的电子研究走向新的篇章；上世纪的70年代，随着电力电子技术的不断突破，功率电力电子器件开始应用出电机控制领域，比如双极结型晶体管BJ（Bipolar Junction Transistor）、门控晶闸管GTO（Gate Turn-Off Thyristor）、金属-氧化层半导体场效晶体管MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）、绝缘栅双极型晶体管IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等；同时，稀土永磁材料也在不断的发展，上世纪80年代，钦铁硼材料出现，改变了以往稀土材料价格昂贵的局面，无刷直流电机开始应用工业和家用设备上[7]。利用电子换相的无刷电机真正进入实际应用阶段是在1978年原西德MANNESMANN公司推出了MAC方波型无刷电机和晶体管换向电机驱动器之后[8]。
我国无刷直流电机研发起步比较晚，大约是在70年代初期开始研发，而且主要集中在一些国家级的科研院所和高等学府的实验室。经过30多年的发展，日前我国已经有多种系列无刷直流电机的产品投入生产，比如ST系列，IFTS系列，ASM系列，但是由于技术不是很成熟，所以国家没有指定技术指标来规范无刷直流电机。就日前国内无刷直流电机发展速度和研发水平来看，与世界先进水平还是有一定的差距，对无刷直流电机的研究有待进一步的加强和提高[9]。目前，国内外对无刷直流电机（brushless DC motor，BLDCM）的定义一般有两种：一种定义认为只有梯形波/方波无刷直流电机才可以被称为无刷直流电机，而正弦波无刷电机则被称为永磁同步电机（permanent magnet ssynchronou motor，PMSM）；另一种定义认为梯形波/方波无刷电机和正弦波无刷电机都是无刷直流电机。随着人类社会的不断发展，对生活所需的物质产品的需求也在不断的提高，因此，这就促使了工业化设备和家用设备的研究在不断发展，这其中就包括了对无刷直流电机控制系统的研究。
- 发展动态
20世纪30年代，许多学者幵始研究以电子换相代替机械换相，但由于当时大功率电子元件的发展不够成熟，种种设想只能停留在理论阶段。直到年美国的Harrison等人利用晶体管电路代替有刷机械换相，直流无刷电机宣告诞生。1962年科学家又研制出来了利用霍尔效应实现换相的无刷直流电机，由此现代的无刷直流电机才正式出现。在1978年的汉诺威贸易博览会上，联邦德国的公司推出了一款配有独立控制系统的新型无刷直流电机，由此无刷直流电机正式进入使用阶段[10]，标志着无刷直流电机真正进入了商业化应用[11]。随后，经过科学家的不懈努力，先后研制成功了方波无刷直流电机和正弦波无刷直流电机。
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