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基于dsp和cpld的無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(duì)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(wú)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(wú)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�；贒SP和CPLD的無(wú)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(cè)試中使用控制軟件對(duì)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(cè)試結(jié)果說(shuō)明無(wú)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(wú)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(wú)刷直流電機(jī)和梯形波無(wú)刷直流電機(jī)，無(wú)刷直流電機(jī)具有反饋簡(jiǎn)單、設(shè)計(jì)方便的優(yōu)點(diǎn)，不需要采用絕對(duì)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(wú)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(cè)。無(wú)刷直流電機(jī)包括電動(dòng)機(jī)、開(kāi)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(wú)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(chǎng)，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(chǎng)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(guò)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(duì)于這類故障，維修人員要對(duì)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(duì)于出現(xiàn)問(wèn)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(rùn)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(cè)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(kāi)后重新啟動(dòng)電機(jī)，振動(dòng)消除，說(shuō)明是外部的機(jī)械問(wèn)題，如果不是，就是電機(jī)本身的問(wèn)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(wú)刷直流電機(jī)通過(guò)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(guò)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�(lái)的位置信號(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(duì)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(guò)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(méi)有實(shí)質(zhì)區(qū)別，依舊是通過(guò)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)乃俣取Ｒ虼嗽谠O(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(guò)主線對(duì)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(guò)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(wú)刷直流電機(jī)為了掌握減小轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)，需要對(duì)無(wú)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(duì)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(guò)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(chǎng)。磁場(chǎng)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(chǎng)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(shì)，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(guò)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(cè)量，就可以知道當(dāng)前轉(zhuǎn)子的位置，用位置信號(hào)來(lái)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(guò)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(guò)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(méi)轉(zhuǎn)過(guò)60度角，就會(huì)進(jìn)行一次中斷的觸發(fā)。當(dāng)中斷開(kāi)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(guò)定時(shí)器進(jìn)行周期啟動(dòng)，確定工作過(guò)程中轉(zhuǎn)換結(jié)束進(jìn)入電機(jī)中斷。在開(kāi)始中斷后要進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，防止速度過(guò)大導(dǎo)致失控。調(diào)節(jié)到一個(gè)合理速度值后對(duì)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速和規(guī)定轉(zhuǎn)速進(jìn)行對(duì)比，如果不對(duì)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(wú)刷直流電機(jī)控制器的轉(zhuǎn)子是一對(duì)極定子電樞繞組，通過(guò)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(wú)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(yǔ)
基于DSP和CPLD的無(wú)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(cè)試中使用控制軟件對(duì)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(wú)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(duì)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)：
[1]方光宇，范設(shè)立.淺談基于DSP和CPLD的無(wú)刷直流電機(jī)的使用與維護(hù)[J].科技與企業(yè)，2011(20).
[2]汪廣源，李麗，劉敏玲.淺析基于DSP和CPLD的無(wú)刷直流電機(jī)的常見(jiàn)故障[J].科技信息，2010(1).
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