浙江理工大学本科毕业设计（论文）
第3章 控制算法设计
3.1控制算法
下面从控制器的硬件结构和应用场合出发，来分析说明控制器如何来完成所
肩负的任务。
3.1.1 控制器所要完成的任务
本BLDC控制器应用于类似于驱动电动自行车电机的应用场合。
由电机学可知，一台BLDC电机可由如下物理参数定义：各相绕组内阻R（Ω）、各相绕组电感L（H）、逆感应电动势系数ke(V/rad/s)、电磁转矩系数kt（N.m/A）、粘性阻尼系数B（N.m/(rad/s)）、转动惯量J（Kg.m2）、和电机磁极数P。而一台电机的运动参数可由以下变量描述：电机的机械状态有转速ω（rad/s）、转角θ（rad）、转矩T（N.m）；电机的电气状态有，相电压V_a、V_b、V_c（V）和相电流I_a、I_b、I_c（A）。而这些运动参数并不是完全相互独立的，电机的运动学方程描述了这些变量间的关系。
而控制器人机接口硬件电路，阐明了控制器至少应该能控制电机的转速ω
（rad/s）这个运动参数。并根据硬件的正反转及制动按钮，可进一步把这个被控制的电机参数行为划分为：转速大于0、转速小于0和转速变位0。根据硬件的转速调节旋钮，还可进一步把这个参数行为划分为：转速增加和转速减小。
考虑到这种应用场合和硬件电路结构决定的，控制器实现的是开环BLDC控
制：控制器逆变电路决定了，控制器只能通过控制电机的各相电压V_a、V_b、V_c（V）来实现控制电机的运行。
故实际控制器仅是通过PWM这种电压控制方式，来控制电机的各相电压来
实现控制。进而实际人机接口的各种控制要求映射成了如下形式： 电机正转?与电机转子相适应的绕组正向旋转磁场； 电机反转?与电机转子相适应的绕组反向旋转磁场； 电机制动?各相绕组短接制动；
电机转速控制?用PWM控制驱动各相绕组的电压大小；
系统除了上面的对电机的控制任务外，还包括：系统状态LED显示、逆变
31
浙江理工大学本科毕业设计（论文）
桥MOS管过流保护这两个任务。 3.1.2 控制器任务的实现
下面介绍主控芯片CPLD如何具体实现上面所陈述的控制器所肩负的任务。
任务1：电机转速控制?用PWM控制驱动各相绕组的电压大小：
由555芯片构建的PWM电路，已经实现了目标转速大小这个模拟量到PWM
占空比的转化。那么CPLD芯片只需读取这个占空比的大小即可。 实现方案如下：
（1）构建一个寄存器A；构建一个脉冲计数器B； （2）在外部PWM输入的上升沿清零脉冲计数器B；
（3）在外部PWM输入的高电平器件，计数器B计数芯片系统时钟； （4）在PWM输入的下降沿，把计数器B内的数值传递给寄存器A；
那么，寄存器A内的数值?CPLD时钟周期?输入的PWM高电平宽度（目
标转速大小）。
CPLD还须构造一个用于分频系统时钟的可调分频数的分频器，用于产生驱
动逆变桥MOS管的PWM波。并最终通过把此PWM波加载到逆变桥导通的上端MOS管的门极上，实现对电机相电压大小的控制。即所谓的上端MOS PWM驱动，下端完全导通的电机控制方式。 实现方案如下：
（1）系统时钟分频器可由对系统时钟计数的计数器构造。设定计数器的初始值，使得实际计数值与目标转速信号大小相对应，并判断计数器的最高位是否置1，即可获得所需PWM的高电平时间。用同样的方法构造低电平时间，拼成一个完整的PWM周期。
（2）通过把这个PWM（1、0）信号，和逆变桥上端MOS管控制信号（1、×），进行“与（AND）”操作。实现把PWM信号加载到所需要PWM信号的MOS管上。
任务2：电机正转?与电机转子相适应的绕组正向旋转磁场；电机反转?与电机转子相适应的绕组反向旋转磁场；
CPLD通过控制逆变电路上MOS管的开关，来相应控制电机各相的导通。
32
浙江理工大学本科毕业设计（论文）
而不同的导通顺序，决定了三相绕组所产生的旋转磁场的方向。
电机三相霍尔输出与电机三相绕组的真值表如下表3-1所示：
表3-1 电机三相霍尔输出与电机三相绕组的真值表
电机状态 1 2 3 4 5 6 H3 HA 1 1 0 0 0 1 H1 HB 0 1 1 1 0 0 H2 HC 0 0 0 1 1 1 A × 1 1 × 0 0 正转 B 0 0 × 1 1 × C 1 × 0 0 × 1 A × 0 0 × 1 1 反转 B 1 1 × 0 0 × C 0 × 1 1 × 0 注;其中HA、HB、HC分别对应表示A、B、C三相绕组上的霍尔传感器（还有一种对应表示为：H3、H1、H2）；其中‘×’表高阻，‘1’表正电压，‘0’表接地；
进一步，正转指令下：电机状态与逆变桥MOS管的导通状态的真值表如下
表3-2：
表3-2 正转指令下：电机状态与逆变桥MOS管的导通状态的真值表
状态 1 2 3 4 5 6 Q1 × 1 1 × × × Q2 × × × × 1 1 Q3 × × × 1 1 × Q4 1 1 × × × × Q5 1 × × × × 1 Q6 × × 1 1 × × 反转指令下：电机状态与逆变桥MOS管的导通状态的真值表如下表3-3：
表3-3 反转指令下：电机状态与逆变桥MOS管的导通状态的真值表
状态 1 2 3 Q1 × × × Q2 × 1 1 Q3 1 1 × Q4 × × × Q5 × × 1 Q6 1 × × 33
浙江理工大学本科毕业设计（论文）
4 5 6 × 1 1 × × × × × × 1 1 × 1 × × × × 1 注：其中‘×’表高阻，‘1’表导通；
任务3：电机制动控制?各相绕组短接制动；
当控制器CPLD接收到制动指令，CPLD将关闭所有逆变桥低端的MOS管，
开启逆变桥上端的多有MOS管。使得上端MOS管短路BLDC绕组，实现短接制动。
该算法总是可以不管电机当前的运行状态而实现制动，而不需要来自霍尔传感器的信号。这使得制动逻辑获得最大的优先级和可靠性。 任务4：逆变桥MOS管过流保护控制：
当控制器CPLD发现过流保护信号使能，则发送指令给逆变桥，关闭所有MOS管。并且只要一次触发后，在这个系统上电运行周期内，始终有效，直到下次系统上电。
这可有效防止因负载电路故障而烧毁MOS管，或已经烧毁一个而继续烧毁其余MOS管的情况。 任务5：系统状态LED显示
CPLD刷新LED，显示当前系统状态。
3.2 Simulink介绍
Simulink是一个软件包，运行在MATLAB的基础之上。利用Simulink，可以搭建很多领域的动态系统，包括电子、机械和热力学系统[14]。
其与用户的交互接口是模型图形，这使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非底层算法的编程上。 用Simulink仿真，可以分为两个步骤：
（1）用Simulink的方块图语言描述实际的物理系统，即建模的过程。可以先把目标系统用数学语言描述，接着再转到用Simulink描述：
Simulink语言由方块图（blocks）和线（lines/signals）两部分组成，其源自
自动控制学科。其中方块图，即是用数学方程描述了输入（input）和输出（output）
34