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直流無(wú)刷電機廣泛應用于計算機外圍設備、數控機床、機器人、伺服系統、汽車(chē)、家電等領(lǐng)域。本文介紹的電機驅動(dòng)電路就是某穩定平臺的角度伺服控制回路的驅動(dòng)部分。本文中設計的基于CPLD的電機驅動(dòng)電路，充分利用cPLD的硬件可編程和實(shí)現邏輯運算方便的特點(diǎn)，用一片CPLD代替原有十幾片邏輯門(mén)和一部分模擬電路。采用VHDL語(yǔ)言編程實(shí)現相關(guān)邏輯。利用CPLD在線(xiàn)可編程的特點(diǎn)，可以很方便的對系統進(jìn)行調試。 1 無(wú)刷直流電機的驅動(dòng)原理 直流無(wú)刷電動(dòng)機是由電動(dòng)機本體、轉子位置傳感器和電子開(kāi)關(guān)電路組成一個(gè)閉環(huán)系統。與一般的有刷電機不同，他的定子為電樞繞組，轉子采用永磁體。本文介紹的電動(dòng)機采用了3相Y型聯(lián)結的全控電路，其基本構成如圖1所示。 其電子開(kāi)關(guān)電路為6個(gè)IGBT組成的三相逆變電路。直流無(wú)刷電機驅動(dòng)電路的作用就是對來(lái)自電機轉子位置傳感器的位置信號、來(lái)自外部的PWM控制信號以及其他控制信號采樣并進(jìn)行譯碼，使A，B，C三相繞組能按要求的順序導通，實(shí)現定子繞組的正確換相，從而使電機正常運行。在實(shí)際應用中還要對電機的過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)熱保護等進(jìn)行設計。并按要求進(jìn)行光電隔離和基極驅動(dòng)電路設計。 2 系統總體方案設計 電動(dòng)機驅動(dòng)電路包括3個(gè)部分，即： (1)CPLD核心控制電路； (2)驅動(dòng)及隔離電路； (3)IPM接口電路；其系統框圖如圖2所示。 3 硬件電路設計 3.1 CPLD控制電路 該部分是電動(dòng)機驅動(dòng)電路的核心部分見(jiàn)圖3，其信號采集、換相譯碼、死區發(fā)生器設計以及故障處理均由該部分完成。采集的信號有：電機控制器的PWM信號；正反轉控制信號；經(jīng)過(guò)整形的電機的霍爾位置傳感器的位置信號；來(lái)自IPM模塊的電機的欠壓、過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱等故障檢測信號。這些信號輸入到CPLD后，通過(guò)CPLD的軟件實(shí)現換相譯碼、編程死區和電機保護邏輯，最后輸出控制信號UP，VP，WP，UN，VN，WN到IPM的三相逆變電路�？刂齐姍C的三相電樞正確換相，從而使電機正常運行。 霍爾傳感器信號的整形電路如圖4所示： 采用4路精密電壓比較器LM339完成。對來(lái)自霍爾傳感器的信號進(jìn)行整形，并對輸出到CPLD的信號加濾波電容濾波。 3.2 驅動(dòng)隔離電路 驅動(dòng)隔離電路包括光電隔離電路和基極驅動(dòng)電路。 光電隔離電路的作用是實(shí)現CPLD控制電路與IPM模塊之間的電氣隔離。隔離信號有2部分： (1)CPLD輸出到IPM模塊的UP等控制信號； (2)IPM反饋給CPLD的電機故障診斷信號F1，F2，F3，F4； UP等信號的電氣隔離采用高速光電耦合芯片6N137，該芯片的最大延遲時(shí)間為75 ns�？蓪�(shí)現3 000 VDC的高電壓隔離，適合于電氣控制場(chǎng)合。IPM反饋給CPLD信號的電氣隔離由光電耦合芯片4N25完成，如圖5所示。 基極驅動(dòng)電路采用9014三極管，并使三極管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。增加控制信號的驅動(dòng)能力，并最終輸出控制電壓給IPM模塊的三相逆變電路。如圖6所示： 3.3 IPM接口電路設計 IPM(智能功率模塊)將多個(gè)IGBT集成到一起，廣泛應用于無(wú)噪聲逆變器、低噪聲UPS和伺服控制器中。一般含有柵極驅動(dòng)、短路保護、過(guò)壓、過(guò)流保護等。本文采用三菱電機生產(chǎn)的PM75CSA120的IPM模塊實(shí)現驅動(dòng)電機所需的三相逆變電路。他內部集成6只IGBT，每2只對應電機的一相。其額定負載電流為75 A，額定控制電壓為1 200 V。另外還集成過(guò)流、過(guò)熱、欠壓、短路等故障檢測電路，其示意圖如圖7所示。 出現故障時(shí)，IPM會(huì )將檢測信號FO送到CPLD進(jìn)行處理，采取相應的措施，提高系統的可靠性。 IPM工作需要單獨的電源供電，與控制電路電源嚴格分開(kāi)。其中上橋臂的3個(gè)IGBT各自需要1路電源，下橋臂的3個(gè)IGBT共用1個(gè)電源，這樣就需要4路電源。其電源模塊的電路如圖8所示。 智能功率模塊將功率電子器件和驅動(dòng)電路集成到一起，并且內藏有故障檢測電路，不僅體積小，而且可靠性高。 4 系統軟件設計 4.1 軟件構架設計 CPLD的軟件采用VHDL語(yǔ)言編程實(shí)現。軟件模塊間的程序并行執行，沒(méi)有程序流程圖，只能用程序架構表示。CPLD的軟件主要有電機的換相譯碼、死區發(fā)生器設計、故障處理和PWM與轉向控制等功能，其軟件構架如圖9所示。 4.2 換相譯碼程序設計 換相譯碼器的作用是根據當前位置信號和PWM控制信號以及轉向控制信號Q，確定出UP，VP，WP，UN，VN，WN的相應值。需要實(shí)現的邏輯表達式為： 4.3 死區發(fā)生器設計 為防止三相逆變電路上下橋臂的IGBT產(chǎn)生“共態(tài)導通”的現象，導致短路。需要給IGBT的控制信號的上升沿設置死區，使其在一段延時(shí)之后才真正達到高電平。 死區發(fā)生器設計采用飽和計數器的方式，類(lèi)似于電容的充放電過(guò)程，需產(chǎn)生如圖10所示的時(shí)序。其規則為： (1)當UP_IN輸入為0時(shí)，如果計數值T等于0，則計數值T保持不變，否則作減1計數； (2)當UP_IN輸入為1時(shí)，如果計數值T等于max，則計數值T保持不變，否則做加1計數； (3)當輸入為1且死區計數器數值T為MAX時(shí)，UP=1對應IGBT導通； (4)當死區計數器數值在0～MAX之間時(shí)，UP=0，對應IGBT關(guān)閉； 下面為死區時(shí)間為N個(gè)時(shí)鐘周期的VHDL程序，程序的運行結果如下。 4.4 IPM故障處理 在系統中故障檢測信號的處理是把信號引入到CPLD中，然后UP實(shí)現的邏輯后輸出，既保證IPM出現故障時(shí)，UP無(wú)輸出，又保證UP與UN的反邏輯。 5 結 語(yǔ) 介紹一種采用CPLD做核心控制器的無(wú)刷直流電動(dòng)機的驅動(dòng)電路的設計。實(shí)現電機驅動(dòng)所需的換相邏輯、電機運行故障處理以及可以靈活設置死區時(shí)間的死區發(fā)生器。該電機驅動(dòng)電路可以用于高精度的伺服控制系統中。 |
