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基于dsp和cpld的無刷直流電機(jī)控制器
下面是小編整理的關(guān)于基于dsp和cpld的無刷直流電機(jī)控制器的論文，歡迎大家借鑒!
摘要：基于DSP和CPLD的無刷直流電機(jī)三環(huán)控制系統(tǒng)采用先進(jìn)DSP，利用CPLD實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的邏輯換相，BLDCM的三環(huán)控制系統(tǒng)以位置環(huán)控制為主，以速度環(huán)和電流環(huán)控制為輔，并對數(shù)字電路以及功率電路進(jìn)行了光耦隔離，確保了系統(tǒng)良好的電磁兼容性，在使用中，無刷直流電機(jī)三環(huán)控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：數(shù)字信號(hào)處理器; 無刷直流電機(jī); 三環(huán)控制系統(tǒng)
傳統(tǒng)的BLDCM控制系統(tǒng)系統(tǒng)大多采用單環(huán)控制，具有一定的應(yīng)用局限性。基于DSP和CPLD的無刷直流電機(jī)三環(huán)控制系統(tǒng)使用了先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，并具有良好的電磁兼容性，在測試中使用控制軟件對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行定周期控制，并循環(huán)等待中斷發(fā)生等，測試結(jié)果說明無刷直流電機(jī)三環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的性能，能夠同時(shí)滿足系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性與準(zhǔn)確性的要求。
1.系統(tǒng)組成和工作原理
1.1系統(tǒng)的組成
基于DSP和CPLD的無刷直流電機(jī)根據(jù)電流驅(qū)動(dòng)方式不同，分為正弦波無刷直流電機(jī)和梯形波無刷直流電機(jī)，無刷直流電機(jī)具有反饋簡單、設(shè)計(jì)方便的優(yōu)點(diǎn)，不需要采用絕對位置編碼器或旋轉(zhuǎn)變壓器，能夠充分發(fā)揮電機(jī)的功能潛力。無刷直流電機(jī)的磁極具有多相繞組，利用逆變器進(jìn)行軸位置檢測。無刷直流電機(jī)包括電動(dòng)機(jī)、開關(guān)、和位置傳感器三個(gè)部分。
1.2系統(tǒng)的工作原理
基于DSP和CPLD的無刷直流電機(jī)的系統(tǒng)的定子是由永久磁鋼組成的。永久磁鋼的能夠在電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部產(chǎn)生永久磁場，并能夠在電樞繞組通電的情況下，發(fā)揮作用。電刷具有換向的作用，能夠保證兩個(gè)磁場方向保持一直垂直，從而促進(jìn)發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)在空載、過載和負(fù)載工況下時(shí)，電流不穩(wěn)定，電流表指針搖擺不定。出現(xiàn)這種狀況的原因主要是因?yàn)殡娐分心骋徊糠蛛娮柚凳軣岚l(fā)生阻值變化而導(dǎo)致電流不穩(wěn)。對于這類故障，維修人員要對線路各個(gè)接觸點(diǎn)進(jìn)行排查，從而判斷電刷和集電環(huán)裝置是否出現(xiàn)短路現(xiàn)象從而導(dǎo)致接觸不良，對于出現(xiàn)問題的部件要及時(shí)進(jìn)行更換。在電機(jī)的運(yùn)行中出現(xiàn)奇異的響聲，這類情況通常是由于電機(jī)的轉(zhuǎn)子和其他機(jī)械部件發(fā)生摩擦所發(fā)生的聲響。能夠?qū)е逻@類聲響的部位是轉(zhuǎn)子和定子的絕緣摩擦和軸承磨損，或者是缺少潤滑油導(dǎo)致摩擦，風(fēng)道發(fā)生堵塞，風(fēng)扇與風(fēng)罩發(fā)生摩擦等。具體的檢測方法是將電機(jī)的轉(zhuǎn)子與外部機(jī)械連接，如果電機(jī)與外部的機(jī)械傳動(dòng)部分脫開后重新啟動(dòng)電機(jī)，振動(dòng)消除，說明是外部的機(jī)械問題，如果不是，就是電機(jī)本身的問題。電機(jī)本身如果發(fā)生轉(zhuǎn)軸不同心等現(xiàn)象都會(huì)導(dǎo)致震顫與晃動(dòng)。
2.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
2.1DSP芯片
DSP芯片控制無刷直流電機(jī)通過霍爾元件作為反饋機(jī)制，因此，硬件設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)的DSP芯片要通過不斷采集霍爾元件搜集到的信息以及霍爾元件反饋的脈沖信號(hào)�；魻栐答伋鰜淼奈恢眯盘�(hào)能夠表明電機(jī)的工作狀況，反饋信號(hào)能夠反映出電機(jī)的轉(zhuǎn)速。DSP不斷對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行采集，修改電機(jī)的控制轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)控制�；魻栐軌蛱峁┙o我們有效的速度和位置，DSP能夠提供給我們正確的電流信息，通過這兩個(gè)器件相互配合，實(shí)現(xiàn)電機(jī)系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定的工作。
2.2CPLD
CPLD是一種大規(guī)模的可編程邏輯器件，集成規(guī)�？蛇_(dá)到1000門以上。每個(gè)門又稱為等效門，包括4個(gè)晶體管，CPLD的集成電路每片達(dá)到上千門，因此具有很強(qiáng)大的功能。CPLD的邏輯陣列與GAL沒有實(shí)質(zhì)區(qū)別，依舊是通過輸入緩沖電路達(dá)到輸入端口的目的。輸出單元的組成很大，不是依靠單一的陣列進(jìn)行輸入而是不斷擴(kuò)大硅片的面積，擴(kuò)大了輸出單元的數(shù)量。隨著CPLD的輸入端口數(shù)量的增多，硅片芯片的面積也不斷擴(kuò)大，因此導(dǎo)致了芯片的成本逐漸提高，而且，隨著使用面積變大，芯片的功能也受到了影響。信號(hào)在較大的陣列中傳輸，延遲了運(yùn)輸?shù)臅r(shí)間，影響了運(yùn)輸?shù)乃俣�。因此在設(shè)計(jì)CPLD芯片時(shí)，常常將整個(gè)邏輯區(qū)域分成幾個(gè)小區(qū)，每個(gè)區(qū)進(jìn)行獨(dú)自的陣列組合，通過主線對各個(gè)區(qū)域進(jìn)行邏輯連接。CPLD的主線和計(jì)算機(jī)的主線的意義不同，CPLD的主線需要通過編程的方法將每一個(gè)區(qū)域的效益聯(lián)系到主線上，實(shí)現(xiàn)各個(gè)區(qū)域被主線控制。
2.3功率驅(qū)動(dòng)電路
基于DSP和CPLD的無刷直流電機(jī)為了掌握減小轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，需要對無刷直流電機(jī)進(jìn)行換向，因此，首先我們要了解電機(jī)的結(jié)構(gòu)。電機(jī)分成兩部分，定子和轉(zhuǎn)子。其中，電機(jī)的定子是指電機(jī)中固定不動(dòng)的部分。轉(zhuǎn)子是指電機(jī)中繞軸旋轉(zhuǎn)的部分。電機(jī)按照部件的作用分為機(jī)械部件、電部件和磁部件。其中，機(jī)械部件主要作用是支持與緊固，同時(shí)對于電機(jī)的整體起到冷卻和防護(hù)的作用。電機(jī)的電部分通常指的是導(dǎo)電、能夠產(chǎn)生磁感應(yīng)部件。至于電機(jī)的磁部分是指具有導(dǎo)磁功能的鐵芯與硅鋼片。其中，鐵芯可以分為定子鐵芯和轉(zhuǎn)子鐵芯兩類。電機(jī)的工作原理較為復(fù)雜。定子繞組通常按照一定的規(guī)律均勻纏繞在定子的鐵芯上，在纏繞的過程中一定要注意繞組導(dǎo)線要纏繞整齊、密實(shí)，且線線之間不得重疊。接通電源后，在定子的周圍就會(huì)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。磁場在電機(jī)內(nèi)的定子和轉(zhuǎn)子之間的空隙呈圓周正弦分布，并且繞著電機(jī)不斷旋轉(zhuǎn)。在磁場產(chǎn)生后，轉(zhuǎn)子繞組因?yàn)殡姶鸥袘?yīng)就會(huì)相應(yīng)的產(chǎn)生感應(yīng)電流和感應(yīng)電動(dòng)勢，兩者重疊發(fā)生相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，電磁轉(zhuǎn)矩使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了將電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械能的工作過程。在傳輸信號(hào)時(shí)，每一個(gè)霍爾傳感器都會(huì)產(chǎn)生8個(gè)輸出信號(hào)，將信號(hào)的捕捉口的電平狀態(tài)進(jìn)行測量，就可以知道當(dāng)前轉(zhuǎn)子的位置，用位置信號(hào)來計(jì)算電機(jī)當(dāng)前的轉(zhuǎn)速。
2.4其他硬件電路設(shè)計(jì)
其他硬件電路設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)速控制方式分為兩種，一種是通過電位計(jì)分壓的方法進(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)速控制。其中，模塊的電壓影響最高值是3V，所以在設(shè)計(jì)硬件電路時(shí)的模塊電壓也要低于3V。另外一種是通過采用內(nèi)置模塊進(jìn)行上位機(jī)通訊，在硬件電路的主線上采用差分傳輸?shù)姆椒�，使干擾能力減弱。
3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)包括轉(zhuǎn)速計(jì)算程序和雙閉環(huán)控制程序兩個(gè)組成部分。其中，轉(zhuǎn)速計(jì)算程序就是實(shí)現(xiàn)速度的計(jì)算和換向。電機(jī)的轉(zhuǎn)子沒轉(zhuǎn)過60度角，就會(huì)進(jìn)行一次中斷的觸發(fā)。當(dāng)中斷開始后，在根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置進(jìn)行換向處理，恢復(fù)電機(jī)的捕捉功能。雙閉環(huán)控制程序是包括在中斷子程序的，通過定時(shí)器進(jìn)行周期啟動(dòng)，確定工作過程中轉(zhuǎn)換結(jié)束進(jìn)入電機(jī)中斷。在開始中斷后要進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，防止速度過大導(dǎo)致失控。調(diào)節(jié)到一個(gè)合理速度值后對電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和規(guī)定轉(zhuǎn)速進(jìn)行對比，如果不對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)，電機(jī)的電流也不會(huì)改變。
4.實(shí)驗(yàn)結(jié)果
基于DSP和CPLD的無刷直流電機(jī)控制器的轉(zhuǎn)子是一對極定子電樞繞組，通過科學(xué)的星形接法，提高了電機(jī)的效率。為了充分提高電機(jī)的效率，在選取頻率時(shí)要考慮到管子的功率，功率越高，電機(jī)的噪聲也就越小。但是隨著使用時(shí)間分增強(qiáng)，管子的功率會(huì)減小，噪聲也會(huì)逐漸變大。綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果，我們可以看出基于DSP和CPLD的無刷直流電機(jī)控制器在222V左右的電壓值時(shí)可以保證電機(jī)的平穩(wěn)工作，電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間以及最大啟動(dòng)電流均滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求。
5.結(jié)語
基于DSP和CPLD的無刷直流電機(jī)三環(huán)控制系統(tǒng)使用了先進(jìn)的數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)，具有良好的電磁兼容性，在測試中使用控制軟件對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行定周期控制，并循環(huán)等待中斷發(fā)生，利用CPLD實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)的邏輯換相，以速度環(huán)和電流環(huán)控制為輔，并對數(shù)字電路以及功率電路進(jìn)行了光耦隔離，確保了系統(tǒng)良好的電磁兼容性，在實(shí)踐中得到廣泛應(yīng)用。
參考文獻(xiàn)：
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