基于dsp和cpld的無刷直流電機控制器

　　下面是小編整理的關于基于dsp和cpld的無刷直流電機控制器的論文，歡迎大家借鑒!

　　摘要：基于DSP和CPLD的無刷直流電機三環(huán)控制系統(tǒng)采用先進DSP，利用CPLD實現(xiàn)無刷直流電機的邏輯換相，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，無刷直流電機三環(huán)控制系統(tǒng)具有穩(wěn)定性等優(yōu)點。

　　關鍵詞：數(shù)字信號處理器; 無刷直流電機; 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，具有一定的應用局限性。基于DSP和CPLD的無刷直流電機三環(huán)控制系統(tǒng)使用了先進的數(shù)字信號處理器(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系統(tǒng)進行定周期控制，并循環(huán)等待中斷發(fā)生等，測試結果說明無刷直流電機三環(huán)控制系統(tǒng)具有良好的性能，能夠同時滿足系統(tǒng)的快速性、穩(wěn)定性與準確性的要求。

　　1.系統(tǒng)組成和工作原理

　　1.1系統(tǒng)的組成

　　基于DSP和CPLD的無刷直流電機根據(jù)電流驅(qū)動方式不同，分為正弦波無刷直流電機和梯形波無刷直流電機，無刷直流電機具有反饋簡單、設計方便的優(yōu)點，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)揮電機的功能潛力。無刷直流電機的磁極具有多相繞組，利用逆變器進行軸位置檢測。無刷直流電機包括電動機、開關、和位置傳感器三個部分。

　　1.2系統(tǒng)的工作原理

　　基于DSP和CPLD的無刷直流電機的系統(tǒng)的定子是由永久磁鋼組成的。永久磁鋼的能夠在電動機的內(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，能夠保證兩個磁場方向保持一直垂直，從而促進發(fā)動機的運轉(zhuǎn)。當電機在空載、過載和負載工況下時，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為電路中某一部分電阻值受熱發(fā)生阻值變化而導致電流不穩(wěn)。對于這類故障，維修人員要對線路各個接觸點進行排查，從而判斷電刷和集電環(huán)裝置是否出現(xiàn)短路現(xiàn)象從而導致接觸不良，對于出現(xiàn)問題的部件要及時進行更換。在電機的運行中出現(xiàn)奇異的響聲，這類情況通常是由于電機的轉(zhuǎn)子和其他機械部件發(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致摩擦，風道發(fā)生堵塞，風扇與風罩發(fā)生摩擦等。具體的檢測方法是將電機的轉(zhuǎn)子與外部機械連接，如果電機與外部的機械傳動部分脫開后重新啟動電機，振動消除，說明是外部的機械問題，如果不是，就是電機本身的問題。電機本身如果發(fā)生轉(zhuǎn)軸不同心等現(xiàn)象都會導致震顫與晃動。

　　2.系統(tǒng)的硬件設計

　　2.1DSP芯片

　　DSP芯片控制無刷直流電機通過霍爾元件作為反饋機制，因此，硬件設計中，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�；魻栐�件反饋出來的位置信號能夠表明電機的工作狀況，反饋信號能夠反映出電機的轉(zhuǎn)速。DSP不斷對電機的轉(zhuǎn)速進行采集，修改電機的控制轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)電機的閉環(huán)控制�；魻栐�件能夠提供給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，通過這兩個器件相互配合，實現(xiàn)電機系統(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_到1000門以上。每個門又稱為等效門，包括4個晶體管，CPLD的集成電路每片達到上千門，因此具有很強大的功能。CPLD的邏輯陣列與GAL沒有實質(zhì)區(qū)別，依舊是通過輸入緩沖電路達到輸入端口的目的。輸出單元的組成很大，不是依靠單一的陣列進行輸入而是不斷擴大硅片的面積，擴大了輸出單元的數(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大，因此導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。信號在較大的陣列中傳輸，延遲了運輸?shù)臅r間，影響了運輸?shù)乃俣�。因此在設計CPLD芯片時，常常將整個邏輯區(qū)域分成幾個小區(qū)，每個區(qū)進行獨自的陣列組合，通過主線對各個區(qū)域進行邏輯連接。CPLD的主線和計算機的主線的意義不同，CPLD的主線需要通過編程的方法將每一個區(qū)域的效益聯(lián)系到主線上，實現(xiàn)各個區(qū)域被主線控制。

　　2.3功率驅(qū)動電路

　　基于DSP和CPLD的無刷直流電機為了掌握減小轉(zhuǎn)矩的波動，需要對無刷直流電機進行換向，因此，首先我們要了解電機的結構。電機分成兩部分，定子和轉(zhuǎn)子。其中，電機的定子是指電機中固定不動的部分。轉(zhuǎn)子是指電機中繞軸旋轉(zhuǎn)的部分。電機按照部件的作用分為機械部件、電部件和磁部件。其中，機械部件主要作用是支持與緊固，同時對于電機的整體起到冷卻和防護的作用。電機的電部分通常指的是導電、能夠產(chǎn)生磁感應部件。至于電機的磁部分是指具有導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。電機的工作原理較為復雜。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線要纏繞整齊、密實，且線線之間不得重疊。接通電源后，在定子的周圍就會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。磁場在電機內(nèi)的定子和轉(zhuǎn)子之間的空隙呈圓周正弦分布，并且繞著電機不斷旋轉(zhuǎn)。在磁場產(chǎn)生后，轉(zhuǎn)子繞組因為電磁感應就會相應的產(chǎn)生感應電流和感應電動勢，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，從而實現(xiàn)了將電能轉(zhuǎn)化成機械能的工作過程。在傳輸信號時，每一個霍爾傳感器都會產(chǎn)生8個輸出信號，將信號的捕捉口的電平狀態(tài)進行測量，就可以知道當前轉(zhuǎn)子的位置，用位置信號來計算電機當前的轉(zhuǎn)速。

　　2.4其他硬件電路設計

　　其他硬件電路設計的轉(zhuǎn)速控制方式分為兩種，一種是通過電位計分壓的方法進行硬件電路設計轉(zhuǎn)速控制。其中，模塊的電壓影響最高值是3V，所以在設計硬件電路時的模塊電壓也要低于3V。另外一種是通過采用內(nèi)置模塊進行上位機通訊，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)軟件設計

　　系統(tǒng)軟件的設計包括轉(zhuǎn)速計算程序和雙閉環(huán)控制程序兩個組成部分。其中，轉(zhuǎn)速計算程序就是實現(xiàn)速度的計算和換向。電機的轉(zhuǎn)子沒轉(zhuǎn)過60度角，就會進行一次中斷的觸發(fā)。當中斷開始后，在根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置進行換向處理，恢復電機的捕捉功能。雙閉環(huán)控制程序是包括在中斷子程序的，通過定時器進行周期啟動，確定工作過程中轉(zhuǎn)換結束進入電機中斷。在開始中斷后要進行速度調(diào)節(jié)，防止速度過大導致失控。調(diào)節(jié)到一個合理速度值后對電機的實際轉(zhuǎn)速和規(guī)定轉(zhuǎn)速進行對比，如果不對電機的轉(zhuǎn)速進行調(diào)節(jié)，電機的電流也不會改變。

　　4.實驗結果

　　基于DSP和CPLD的無刷直流電機控制器的轉(zhuǎn)子是一對極定子電樞繞組，通過科學的星形接法，提高了電機的效率。為了充分提高電機的效率，在選取頻率時要考慮到管子的功率，功率越高，電機的噪聲也就越小。但是隨著使用時間分增強，管子的功率會減小，噪聲也會逐漸變大。綜合實驗結果，我們可以看出基于DSP和CPLD的無刷直流電機控制器在222V左右的電壓值時可以保證電機的平穩(wěn)工作，電機的啟動時間以及最大啟動電流均滿足系統(tǒng)設計的要求。

　　5.結語

　　基于DSP和CPLD的無刷直流電機三環(huán)控制系統(tǒng)使用了先進的數(shù)字信號處理器(DSP)，具有良好的電磁兼容性，在測試中使用控制軟件對整個系統(tǒng)進行定周期控制，并循環(huán)等待中斷發(fā)生，利用CPLD實現(xiàn)無刷直流電機的邏輯換相，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行了光耦隔離，確保了系統(tǒng)良好的電磁兼容性，在實踐中得到廣泛應用。

　　參考文獻：

　　[1]方光宇，范設立.淺談基于DSP和CPLD的無刷直流電機的使用與維護[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的無刷直流電機的常見故障[J].科技信息，2010(1).

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