基于CPLD的對轉無刷直流電動機換相邏輯研究

單友輝，焦振宏，楊 陽，何龍飛，王新星

(西北工業(yè)大學，陜西西安710072)

0 引 言

對轉螺旋槳作為一種推進方案，可以提高推進效率和平衡水下航行器等的橫滾力矩［1］。所用的對轉電機(即電機定子和轉子都繞支架相向轉動的電動機)，兩個轉動部件(定子和轉子)分別驅動對轉螺旋槳，工作效率高，能很好地滿足節(jié)能和調速的要求，有著優(yōu)越的運行性能，在自主水下航行器(AUV)得到了廣泛應用［2］。通常采用DSP來實現電機的電子換相，但由于DSP價格較昂貴，占用較多的外設資源，使系統(tǒng)變得復雜。而CPLD價格較低廉，處理速度快，抗干擾能力強，并且簡化了系統(tǒng)結構，提高了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性。

1 系統(tǒng)的構成及工作原理

1.1 系統(tǒng)的構成

CPLD結構相對DSP來說比較簡單，可同時處理組合邏輯、時序邏輯。用CPLD控制BLDCM，能夠大大減少外圍電路，簡化系統(tǒng)結構，設計更加靈活。通過VHDL語言編程實現所設計的換相邏輯以及PWM調制和故障保護等功能。如圖1所示，系統(tǒng)主要由CPLD、驅動電路、IPM智能功率模塊和對轉無刷直流電動機組成［3］。

圖1 系統(tǒng)框圖

1.2 工作原理

PWM(脈寬調制)調速是通過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，以調節(jié)電動機的轉速。如圖2所示，圖中采用的是HPWM－LPWM調制模式，即兩相導通星形三相六狀態(tài)工作方式下對應導通的上、下橋臂功率開關管受PWM信號調制。

圖2 HPWM－LPWM調制模式

系統(tǒng)上電運行，CPLD首先接收IPM模塊對電機的欠壓、過壓、過流、過熱等故障進行檢測的信號［4］，如果有故障，則處理故障。內外轉子霍爾傳感器信號送入CPLD經過邏輯運算，轉換為功率開關管導通信號(V1、V2、V3、V4、V5、V6)，然后與 CPLD內部產生的PWM調制信號PWM進行邏輯合成，形成六路調制控制信號，加入死區(qū)和電機保護邏輯，最后輸出控制信號到IPM的三相逆變電路，實現正確的電子換相。

2 方案的仿真設計

2.1 設計思路

以一對極對轉無刷電動機為例，在仿真設計時，所需的一些信號可由CPLD自身模擬產生，如霍爾傳感器信號由CPLD生成，模擬對轉電機霍爾傳感器信號。PWM信號的產生可仿照DSP，在比較單元中完成計數，匹配輸出，從而實現高頻PWM信號生成［5］。PWM波的產生過程如圖3所示。

圖3 PWM波產生過程

分別用兩個用戶按鍵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%，相當于實現調速功能。模擬故障信號reset用按鍵S3控制，按一下鍵(低電平)則模擬故障信號reset觸發(fā)。因此程序輸入信號有模擬故障信號(reset)、時鐘信號(inclk)、脈寬控制信號(up，down)，輸出信號有PWM調制信號(PWM)、時鐘分頻信號(clk)、霍爾傳感器信號(so1、so2、so3、so4、so5、so6、ro1、ro2、ro3、ro4、ro5、ro6)、功率開關管導通信號(V1、V2、V3、V4、V5、V6)，如圖 4 所示。

圖4 信號輸入輸出示意圖

所用的EPM570實驗板上的時鐘輸入頻率inclk為50 MHz(周期為20 ns)，經過250分頻得到其分頻 信號clk為200 kHz，生成PWM波的頻率為 20 Hz。時鐘分頻信號clk經過960分頻以產生霍爾傳感器信號(so1、so2、so3、so4、so5、so6、ro1、ro2、ro3、ro4、ro5、ro6)，其周期為 4.8 ms，因此功率開關管完成一次導通周期的時間為2.4 ms。

2.2 軟件設計

在Quartus II開發(fā)平臺上進行程序的編寫、仿真和分析，程序采用VHDL語言編寫，主要因為它具備更強的模塊化能力，并擁有良好的可讀性、移植性以及更加靈活的調試過程。程序設計流程圖如圖5所示。

圖5 程序設計流程圖

3 仿真結果及分析

圖6 內外轉子轉速相同時仿真結果

仿真時按鍵延時去抖動可以先不考慮，程序仿真結果如圖6所示。除了輸入輸出信號，還有其他一些輔助信號，如 up2、down2、count1、count2。從up2和down2看出，通過邏輯運算可以將按鍵的時間保持為一個clk周期，以確保按鍵信號的準確性。復位時，PWM波為低電平，所有計數器值保持不變。PWM占空比可以從0～100%之間變化，每次變化10%。

內外轉子轉速不同時，只需改變內外轉子霍爾信號周期，假設外轉子大于內轉子轉速，其仿真如圖7所示。

圖7 內外轉子轉速不同時仿真結果

4 設計方案驗證

將程序下載到CPLD芯片中，用按鍵控制PWM占空比的變化，通過示波器觀測到的CPLD輸出的PWM 波和功率開關管導通信號(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)

實際觀測波形與上述的分析仿真一致，因此CPLD完全可以代替DSP產生6路穩(wěn)定的調制控制信號，實現對轉無刷電動機的調速功能。

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 語

通過試驗驗證了該設計方案的可行性，采用CPLD作為核心器件，簡化了系統(tǒng)結構，節(jié)約了成本，可以實現對轉無刷直流電動機的換相控制功能以及轉速的PWM調制功能，并且可以靈活地設置死區(qū)時間從而使系統(tǒng)更安全可靠。

［1］ 聶延生，韓學勝，曾紅，等.對轉螺旋槳的結構原理及特點分析［J］.船電技術，2005，(2):50 －52.

［2］ 李宏，徐德民，焦振宏.采用PMBLDC的AUV對轉螺旋槳推進系統(tǒng)建模與仿真［J］.系統(tǒng)仿真學報，2007，19(13):3085 －3090.

［3］ 談振藩，林榮森，王洪波，等.基于CPLD的直流無刷電機驅動電路設計［J］.現代電子技術，2008(8):4－8.

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

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