基于CPLD的对转无刷直流电动机换相逻辑研究

2013-02-22单友辉焦振宏何龙飞王新星

微特电机 2013年2期

单友辉，焦振宏，杨阳，何龙飞，王新星

(西北工业大学，陕西西安710072)

0 引言

对转螺旋桨作为一种推进方案，可以提高推进效率和平衡水下航行器等的横滚力矩［1］。所用的对转电机(即电机定子和转子都绕支架相向转动的电动机)，两个转动部件(定子和转子)分别驱动对转螺旋桨，工作效率高，能很好地满足节能和调速的要求，有着优越的运行性能，在自主水下航行器(AUV)得到了广泛应用［2］。通常采用DSP来实现电机的电子换相，但由于DSP价格较昂贵，占用较多的外设资源，使系统变得复杂。而CPLD价格较低廉，处理速度快，抗干扰能力强，并且简化了系统结构，提高了系统工作的稳定性和可靠性。

1 系统的构成及工作原理

1.1 系统的构成

CPLD结构相对DSP来说比较简单，可同时处理组合逻辑、时序逻辑。用CPLD控制BLDCM，能够大大减少外围电路，简化系统结构，设计更加灵活。通过VHDL语言编程实现所设计的换相逻辑以及PWM调制和故障保护等功能。如图1所示，系统主要由CPLD、驱动电路、IPM智能功率模块和对转无刷直流电动机组成［3］。

图1 系统框图

1.2 工作原理

PWM(脉宽调制)调速是通过PWM斩波器将直流电源斩成PWM波，从而改变加在电枢两端的电压平均值，以调节电动机的转速。如图2所示，图中采用的是HPWM－LPWM调制模式，即两相导通星形三相六状态工作方式下对应导通的上、下桥臂功率开关管受PWM信号调制。

图2 HPWM－LPWM调制模式

系统上电运行，CPLD首先接收IPM模块对电机的欠压、过压、过流、过热等故障进行检测的信号［4］，如果有故障，则处理故障。内外转子霍尔传感器信号送入CPLD经过逻辑运算，转换为功率开关管导通信号(V1、V2、V3、V4、V5、V6)，然后与 CPLD内部产生的PWM调制信号PWM进行逻辑合成，形成六路调制控制信号，加入死区和电机保护逻辑，最后输出控制信号到IPM的三相逆变电路，实现正确的电子换相。

2 方案的仿真设计

2.1 设计思路

以一对极对转无刷电动机为例，在仿真设计时，所需的一些信号可由CPLD自身模拟产生，如霍尔传感器信号由CPLD生成，模拟对转电机霍尔传感器信号。PWM信号的产生可仿照DSP，在比较单元中完成计数，匹配输出，从而实现高频PWM信号生成［5］。PWM波的产生过程如图3所示。

图3 PWM波产生过程

分别用两个用户按键S1和S2控制(按下为低电平)控制PWM占空比，S1按键每按一次，比较寄存器的值加1，占空比增加10%;同理S2每按一次，占空比减10%，相当于实现调速功能。模拟故障信号reset用按键S3控制，按一下键(低电平)则模拟故障信号reset触发。因此程序输入信号有模拟故障信号(reset)、时钟信号(inclk)、脉宽控制信号(up，down)，输出信号有PWM调制信号(PWM)、时钟分频信号(clk)、霍尔传感器信号(so1、so2、so3、so4、so5、so6、ro1、ro2、ro3、ro4、ro5、ro6)、功率开关管导通信号(V1、V2、V3、V4、V5、V6)，如图 4 所示。

图4 信号输入输出示意图

所用的EPM570实验板上的时钟输入频率inclk为50 MHz(周期为20 ns)，经过250分频得到其分频信号clk为200 kHz，生成PWM波的频率为 20 Hz。时钟分频信号clk经过960分频以产生霍尔传感器信号(so1、so2、so3、so4、so5、so6、ro1、ro2、ro3、ro4、ro5、ro6)，其周期为 4.8 ms，因此功率开关管完成一次导通周期的时间为2.4 ms。

2.2 软件设计

在Quartus II开发平台上进行程序的编写、仿真和分析，程序采用VHDL语言编写，主要因为它具备更强的模块化能力，并拥有良好的可读性、移植性以及更加灵活的调试过程。程序设计流程图如图5所示。

图5 程序设计流程图

3 仿真结果及分析

图6 内外转子转速相同时仿真结果

仿真时按键延时去抖动可以先不考虑，程序仿真结果如图6所示。除了输入输出信号，还有其他一些辅助信号，如 up2、down2、count1、count2。从up2和down2看出，通过逻辑运算可以将按键的时间保持为一个clk周期，以确保按键信号的准确性。复位时，PWM波为低电平，所有计数器值保持不变。PWM占空比可以从0～100%之间变化，每次变化10%。

内外转子转速不同时，只需改变内外转子霍尔信号周期，假设外转子大于内转子转速，其仿真如图7所示。