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基于dsp和cpld的无刷直流电机控制器
下面是小编整理的关于基于dsp和cpld的无刷直流电机控制器的论文，欢迎大家借鉴!
摘要：基于DSP和CPLD的无刷直流电机三环控制系统采用先进DSP，利用CPLD实现无刷直流电机的逻辑换相，BLDCM的三环控制系统以位置环控制为主，以速度环和电流环控制为辅，并对数字电路以及功率电路进行了光耦隔离，确保了系统良好的电磁兼容性，在使用中，无刷直流电机三环控制系统具有稳定性等优点。
关键词：数字信号处理器; 无刷直流电机; 三环控制系统
传统的BLDCM控制系统系统大多采用单环控制，具有一定的应用局限性。基于DSP和CPLD的无刷直流电机三环控制系统使用了先进的数字信号处理器(DSP)，并具有良好的电磁兼容性，在测试中使用控制软件对整个系统进行定周期控制，并循环等待中断发生等，测试结果说明无刷直流电机三环控制系统具有良好的性能，能够同时满足系统的快速性、稳定性与准确性的要求。
1.系统组成和工作原理
1.1系统的组成
基于DSP和CPLD的无刷直流电机根据电流驱动方式不同，分为正弦波无刷直流电机和梯形波无刷直流电机，无刷直流电机具有反馈简单、设计方便的优点，不需要采用绝对位置编码器或旋转变压器，能够充分发挥电机的功能潜力。无刷直流电机的磁极具有多相绕组，利用逆变器进行轴位置检测。无刷直流电机包括电动机、开关、和位置传感器三个部分。
1.2系统的工作原理
基于DSP和CPLD的无刷直流电机的系统的定子是由永久磁钢组成的。永久磁钢的能够在电动机的内部产生永久磁场，并能够在电枢绕组通电的情况下，发挥作用。电刷具有换向的作用，能够保证两个磁场方向保持一直垂直，从而促进发动机的运转。当电机在空载、过载和负载工况下时，电流不稳定，电流表指针摇摆不定。出现这种状况的原因主要是因为电路中某一部分电阻值受热发生阻值变化而导致电流不稳。对于这类故障，维修人员要对线路各个接触点进行排查，从而判断电刷和集电环装置是否出现短路现象从而导致接触不良，对于出现问题的部件要及时进行更换。在电机的运行中出现奇异的响声，这类情况通常是由于电机的转子和其他机械部件发生摩擦所发生的声响。能够导致这类声响的部位是转子和定子的绝缘摩擦和轴承磨损，或者是缺少润滑油导致摩擦，风道发生堵塞，风扇与风罩发生摩擦等。具体的检测方法是将电机的转子与外部机械连接，如果电机与外部的机械传动部分脱开后重新启动电机，振动消除，说明是外部的机械问题，如果不是，就是电机本身的问题。电机本身如果发生转轴不同心等现象都会导致震颤与晃动。
2.系统的硬件设计
2.1DSP芯片
DSP芯片控制无刷直流电机通过霍尔元件作为反馈机制，因此，硬件设计中，系统的DSP芯片要通过不断采集霍尔元件搜集到的信息以及霍尔元件反馈的脉冲信号。霍尔元件反馈出来的位置信号能够表明电机的工作状况，反馈信号能够反映出电机的转速。DSP不断对电机的转速进行采集，修改电机的控制转速，从而实现电机的闭环控制。霍尔元件能够提供给我们有效的速度和位置，DSP能够提供给我们正确的电流信息，通过这两个器件相互配合，实现电机系统的安全、稳定的工作。
2.2CPLD
CPLD是一种大规模的可编程逻辑器件，集成规模可达到1000门以上。每个门又称为等效门，包括4个晶体管，CPLD的集成电路每片达到上千门，因此具有很强大的功能。CPLD的逻辑阵列与GAL没有实质区别，依旧是通过输入缓冲电路达到输入端口的目的。输出单元的组成很大，不是依靠单一的阵列进行输入而是不断扩大硅片的面积，扩大了输出单元的数量。随着CPLD的输入端口数量的增多，硅片芯片的面积也不断扩大，因此导致了芯片的成本逐渐提高，而且，随着使用面积变大，芯片的功能也受到了影响。信号在较大的阵列中传输，延迟了运输的时间，影响了运输的速度。因此在设计CPLD芯片时，常常将整个逻辑区域分成几个小区，每个区进行独自的阵列组合，通过主线对各个区域进行逻辑连接。CPLD的主线和计算机的主线的意义不同，CPLD的主线需要通过编程的方法将每一个区域的效益联系到主线上，实现各个区域被主线控制。
2.3功率驱动电路
基于DSP和CPLD的无刷直流电机为了掌握减小转矩的波动，需要对无刷直流电机进行换向，因此，首先我们要了解电机的结构。电机分成两部分，定子和转子。其中，电机的定子是指电机中固定不动的部分。转子是指电机中绕轴旋转的部分。电机按照部件的作用分为机械部件、电部件和磁部件。其中，机械部件主要作用是支持与紧固，同时对于电机的整体起到冷却和防护的作用。电机的电部分通常指的是导电、能够产生磁感应部件。至于电机的磁部分是指具有导磁功能的铁芯与硅钢片。其中，铁芯可以分为定子铁芯和转子铁芯两类。电机的工作原理较为复杂。定子绕组通常按照一定的规律均匀缠绕在定子的铁芯上，在缠绕的过程中一定要注意绕组导线要缠绕整齐、密实，且线线之间不得重叠。接通电源后，在定子的周围就会产生旋转磁场。磁场在电机内的定子和转子之间的空隙呈圆周正弦分布，并且绕着电机不断旋转。在磁场产生后，转子绕组因为电磁感应就会相应的产生感应电流和感应电动势，两者重叠发生相互作用产生电磁转矩，电磁转矩使转子转动，从而实现了将电能转化成机械能的工作过程。在传输信号时，每一个霍尔传感器都会产生8个输出信号，将信号的捕捉口的电平状态进行测量，就可以知道当前转子的位置，用位置信号来计算电机当前的转速。
2.4其他硬件电路设计
其他硬件电路设计的转速控制方式分为两种，一种是通过电位计分压的方法进行硬件电路设计转速控制。其中，模块的电压影响最高值是3V，所以在设计硬件电路时的模块电压也要低于3V。另外一种是通过采用内置模块进行上位机通讯，在硬件电路的主线上采用差分传输的方法，使干扰能力减弱。
3.系统软件设计
系统软件的设计包括转速计算程序和双闭环控制程序两个组成部分。其中，转速计算程序就是实现速度的计算和换向。电机的转子没转过60度角，就会进行一次中断的触发。当中断开始后，在根据转子的位置进行换向处理，恢复电机的捕捉功能。双闭环控制程序是包括在中断子程序的，通过定时器进行周期启动，确定工作过程中转换结束进入电机中断。在开始中断后要进行速度调节，防止速度过大导致失控。调节到一个合理速度值后对电机的实际转速和规定转速进行对比，如果不对电机的转速进行调节，电机的电流也不会改变。
4.实验结果
基于DSP和CPLD的无刷直流电机控制器的转子是一对极定子电枢绕组，通过科学的星形接法，提高了电机的效率。为了充分提高电机的效率，在选取频率时要考虑到管子的功率，功率越高，电机的噪声也就越小。但是随着使用时间分增强，管子的功率会减小，噪声也会逐渐变大。综合实验结果，我们可以看出基于DSP和CPLD的无刷直流电机控制器在222V左右的电压值时可以保证电机的平稳工作，电机的启动时间以及最大启动电流均满足系统设计的要求。
5.结语
基于DSP和CPLD的无刷直流电机三环控制系统使用了先进的数字信号处理器(DSP)，具有良好的电磁兼容性，在测试中使用控制软件对整个系统进行定周期控制，并循环等待中断发生，利用CPLD实现无刷直流电机的逻辑换相，以速度环和电流环控制为辅，并对数字电路以及功率电路进行了光耦隔离，确保了系统良好的电磁兼容性，在实践中得到广泛应用。
参考文献：
[1]方光宇，范设立.浅谈基于DSP和CPLD的无刷直流电机的使用与维护[J].科技与企业，2011(20).
[2]汪广源，李丽，刘敏玲.浅析基于DSP和CPLD的无刷直流电机的常见故障[J].科技信息，2010(1).
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