基于CPLD的對(duì)轉(zhuǎn)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)換相邏輯研究

單友輝，焦振宏，楊 陽(yáng)，何龍飛，王新星

(西北工業(yè)大學(xué)，陜西西安710072)

0 引 言

對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳作為一種推進(jìn)方案，可以提高推進(jìn)效率和平衡水下航行器等的橫滾力矩［1］。所用的對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)(即電機(jī)定子和轉(zhuǎn)子都繞支架相向轉(zhuǎn)動(dòng)的電動(dòng)機(jī))，兩個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)部件(定子和轉(zhuǎn)子)分別驅(qū)動(dòng)對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳，工作效率高，能很好地滿足節(jié)能和調(diào)速的要求，有著優(yōu)越的運(yùn)行性能，在自主水下航行器(AUV)得到了廣泛應(yīng)用［2］。通常采用DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的電子換相，但由于DSP價(jià)格較昂貴，占用較多的外設(shè)資源，使系統(tǒng)變得復(fù)雜。而CPLD價(jià)格較低廉，處理速度快，抗干擾能力強(qiáng)，并且簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，提高了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。

1 系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理

1.1 系統(tǒng)的構(gòu)成

CPLD結(jié)構(gòu)相對(duì)DSP來(lái)說(shuō)比較簡(jiǎn)單，可同時(shí)處理組合邏輯、時(shí)序邏輯。用CPLD控制BLDCM，能夠大大減少外圍電路，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)更加靈活。通過(guò)VHDL語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)所設(shè)計(jì)的換相邏輯以及PWM調(diào)制和故障保護(hù)等功能。如圖1所示，系統(tǒng)主要由CPLD、驅(qū)動(dòng)電路、IPM智能功率模塊和對(duì)轉(zhuǎn)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)組成［3］。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2 工作原理

PWM(脈寬調(diào)制)調(diào)速是通過(guò)PWM斬波器將直流電源斬成PWM波，從而改變加在電樞兩端的電壓平均值，以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。如圖2所示，圖中采用的是HPWM－LPWM調(diào)制模式，即兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)工作方式下對(duì)應(yīng)導(dǎo)通的上、下橋臂功率開(kāi)關(guān)管受PWM信號(hào)調(diào)制。

圖2 HPWM－LPWM調(diào)制模式

系統(tǒng)上電運(yùn)行，CPLD首先接收IPM模塊對(duì)電機(jī)的欠壓、過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱等故障進(jìn)行檢測(cè)的信號(hào)［4］，如果有故障，則處理故障。內(nèi)外轉(zhuǎn)子霍爾傳感器信號(hào)送入CPLD經(jīng)過(guò)邏輯運(yùn)算，轉(zhuǎn)換為功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通信號(hào)(V1、V2、V3、V4、V5、V6)，然后與 CPLD內(nèi)部產(chǎn)生的PWM調(diào)制信號(hào)PWM進(jìn)行邏輯合成，形成六路調(diào)制控制信號(hào)，加入死區(qū)和電機(jī)保護(hù)邏輯，最后輸出控制信號(hào)到IPM的三相逆變電路，實(shí)現(xiàn)正確的電子換相。

2 方案的仿真設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

以一對(duì)極對(duì)轉(zhuǎn)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)為例，在仿真設(shè)計(jì)時(shí)，所需的一些信號(hào)可由CPLD自身模擬產(chǎn)生，如霍爾傳感器信號(hào)由CPLD生成，模擬對(duì)轉(zhuǎn)電機(jī)霍爾傳感器信號(hào)。PWM信號(hào)的產(chǎn)生可仿照DSP，在比較單元中完成計(jì)數(shù)，匹配輸出，從而實(shí)現(xiàn)高頻PWM信號(hào)生成［5］。PWM波的產(chǎn)生過(guò)程如圖3所示。

圖3 PWM波產(chǎn)生過(guò)程

分別用兩個(gè)用戶按鍵S1和S2控制(按下為低電平)控制PWM占空比，S1按鍵每按一次，比較寄存器的值加1，占空比增加10%;同理S2每按一次，占空比減10%，相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能。模擬故障信號(hào)reset用按鍵S3控制，按一下鍵(低電平)則模擬故障信號(hào)reset觸發(fā)。因此程序輸入信號(hào)有模擬故障信號(hào)(reset)、時(shí)鐘信號(hào)(inclk)、脈寬控制信號(hào)(up，down)，輸出信號(hào)有PWM調(diào)制信號(hào)(PWM)、時(shí)鐘分頻信號(hào)(clk)、霍爾傳感器信號(hào)(so1、so2、so3、so4、so5、so6、ro1、ro2、ro3、ro4、ro5、ro6)、功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通信號(hào)(V1、V2、V3、V4、V5、V6)，如圖 4 所示。

圖4 信號(hào)輸入輸出示意圖

所用的EPM570實(shí)驗(yàn)板上的時(shí)鐘輸入頻率inclk為50 MHz(周期為20 ns)，經(jīng)過(guò)250分頻得到其分頻 信號(hào)clk為200 kHz，生成PWM波的頻率為 20 Hz。時(shí)鐘分頻信號(hào)clk經(jīng)過(guò)960分頻以產(chǎn)生霍爾傳感器信號(hào)(so1、so2、so3、so4、so5、so6、ro1、ro2、ro3、ro4、ro5、ro6)，其周期為 4.8 ms，因此功率開(kāi)關(guān)管完成一次導(dǎo)通周期的時(shí)間為2.4 ms。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

在Quartus II開(kāi)發(fā)平臺(tái)上進(jìn)行程序的編寫(xiě)、仿真和分析，程序采用VHDL語(yǔ)言編寫(xiě)，主要因?yàn)樗邆涓鼜?qiáng)的模塊化能力，并擁有良好的可讀性、移植性以及更加靈活的調(diào)試過(guò)程。程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。

圖5 程序設(shè)計(jì)流程圖

3 仿真結(jié)果及分析

圖6 內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速相同時(shí)仿真結(jié)果

仿真時(shí)按鍵延時(shí)去抖動(dòng)可以先不考慮，程序仿真結(jié)果如圖6所示。除了輸入輸出信號(hào)，還有其他一些輔助信號(hào)，如 up2、down2、count1、count2。從up2和down2看出，通過(guò)邏輯運(yùn)算可以將按鍵的時(shí)間保持為一個(gè)clk周期，以確保按鍵信號(hào)的準(zhǔn)確性。復(fù)位時(shí)，PWM波為低電平，所有計(jì)數(shù)器值保持不變。PWM占空比可以從0～100%之間變化，每次變化10%。

內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不同時(shí)，只需改變內(nèi)外轉(zhuǎn)子霍爾信號(hào)周期，假設(shè)外轉(zhuǎn)子大于內(nèi)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速，其仿真如圖7所示。

圖7 內(nèi)外轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速不同時(shí)仿真結(jié)果

4 設(shè)計(jì)方案驗(yàn)證

將程序下載到CPLD芯片中，用按鍵控制PWM占空比的變化，通過(guò)示波器觀測(cè)到的CPLD輸出的PWM 波和功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通信號(hào)(V1、V2、V3、V4、V5、V6)，如圖8～圖11所示。

圖8 占空比為60%的波形(PWM、V1、V2、V3)

圖9 占空比為60%的波形(PWM、V4、V5、V6)

實(shí)際觀測(cè)波形與上述的分析仿真一致，因此CPLD完全可以代替DSP產(chǎn)生6路穩(wěn)定的調(diào)制控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的調(diào)速功能。

圖10 占空比為30%的波形(PWM、V1、V2、V3)

圖11 占空比為30%的波形(PWM、V4、V5、V6)

5 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方案的可行性，采用CPLD作為核心器件，簡(jiǎn)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，節(jié)約了成本，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的換相控制功能以及轉(zhuǎn)速的PWM調(diào)制功能，并且可以靈活地設(shè)置死區(qū)時(shí)間從而使系統(tǒng)更安全可靠。

［1］ 聶延生，韓學(xué)勝，曾紅，等.對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳的結(jié)構(gòu)原理及特點(diǎn)分析［J］.船電技術(shù)，2005，(2):50 －52.

［2］ 李宏，徐德民，焦振宏.采用PMBLDC的AUV對(duì)轉(zhuǎn)螺旋槳推進(jìn)系統(tǒng)建模與仿真［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2007，19(13):3085 －3090.

［3］ 談?wù)穹?，林榮森，王洪波，等.基于CPLD的直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2008(8):4－8.

［4］ 譚博，劉衛(wèi)國(guó)，馬瑞卿，等.航空泵用BLDCM的CPLD轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制［J］.微特電機(jī)，2010(9):63－69.

［5］ 王穆移，馬瑞卿，孫銀川.基于CPLD的無(wú)刷直流控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］.微電機(jī)，2010，43(5):70 －72.