CPLD無刷直流電機(jī)的驅(qū)動設(shè)計及原理分析

直流無刷電機(jī)廣泛應(yīng)用于計算機(jī)外圍設(shè)備、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人、伺服系統(tǒng)、汽車、家電等領(lǐng)域。本文介紹的電機(jī)驅(qū)動電路就是某穩(wěn)定平臺的角度伺服控制回路的驅(qū)動部分。本文中設(shè)計的基于CPLD的電機(jī)驅(qū)動電路，充分利用cPLD的硬件可編程和實(shí)現(xiàn)邏輯運(yùn)算方便的特點(diǎn)，用一片CPLD代替原有十幾片邏輯門和一部分模擬電路。采用VHDL語言編程實(shí)現(xiàn)相關(guān)邏輯。利用CPLD在線可編程的特點(diǎn)，可以很方便的對系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。

1 無刷直流電機(jī)的驅(qū)動原理

直流無刷電動機(jī)是由電動機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開關(guān)電路組成一個閉環(huán)系統(tǒng)。與一般的有刷電機(jī)不同，他的定子為電樞繞組，轉(zhuǎn)子采用永磁體。本文介紹的電動機(jī)采用了3相Y型聯(lián)結(jié)的全控電路，其基本構(gòu)成如圖1所示。

其電子開關(guān)電路為6個IGBT組成的三相逆變電路。直流無刷電機(jī)驅(qū)動電路的作用就是對來自電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器的位置信號、來自外部的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?qū)?，?shí)現(xiàn)定子繞組的正確換相，從而使電機(jī)正常運(yùn)行。在實(shí)際應(yīng)用中還要對電機(jī)的過壓、欠壓、過流、過熱保護(hù)等進(jìn)行設(shè)計。并按要求進(jìn)行光電隔離和基極驅(qū)動電路設(shè)計。

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

電動機(jī)驅(qū)動電路包括3個部分，即：

（1）CPLD核心控制電路；

（2）驅(qū)動及隔離電路；

（3）IPM接口電路；其系統(tǒng)框圖如圖2所示。

3 硬件電路設(shè)計

3.1 CPLD控制電路

該部分是電動機(jī)驅(qū)動電路的核心部分見圖3，其信號采集、換相譯碼、死區(qū)發(fā)生器設(shè)計以及故障處理均由該部分完成。采集的信號有：電機(jī)控制器的PWM信號；正反轉(zhuǎn)控制信號；經(jīng)過整形的電機(jī)的霍爾位置傳感器的位置信號；來自IPM模塊的電機(jī)的欠壓、過壓、過流、過熱等故障檢測信號。這些信號輸入到CPLD后，通過CPLD的軟件實(shí)現(xiàn)換相譯碼、編程死區(qū)和電機(jī)保護(hù)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(jī)的三相電樞正確換相，從而使電機(jī)正常運(yùn)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(qū)動隔離電路

驅(qū)動隔離電路包括光電隔離電路和基極驅(qū)動電路。

光電隔離電路的作用是實(shí)現(xiàn)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(jī)故障診斷信號F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4；

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間為75 ns?？蓪?shí)現(xiàn)3 000 VDC的高電壓隔離，適合于電氣控制場合。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(qū)動電路采用9014三極管，并使三極管工作在開關(guān)狀態(tài)。增加控制信號的驅(qū)動能力，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(shè)計

IPM（智能功率模塊）將多個IGBT集成到一起，廣泛應(yīng)用于無噪聲逆變器、低噪聲UPS和伺服控制器中。一般含有柵極驅(qū)動、短路保護(hù)、過壓、過流保護(hù)等。本文采用三菱電機(jī)生產(chǎn)的PM75CSA120的IPM模塊實(shí)現(xiàn)驅(qū)動電機(jī)所需的三相逆變電路。他內(nèi)部集成6只IGBT，每2只對應(yīng)電機(jī)的一相。其額定負(fù)載電流為75 A，額定控制電壓為1 200 V。另外還集成過流、過熱、欠壓、短路等故障檢測電路，其示意圖如圖7所示。

出現(xiàn)故障時，IPM會將檢測信號FO送到CPLD進(jìn)行處理，采取相應(yīng)的措施，提高系統(tǒng)的可靠性。

IPM工作需要單獨(dú)的電源供電，與控制電路電源嚴(yán)格分開。其中上橋臂的3個IGBT各自需要1路電源，下橋臂的3個IGBT共用1個電源，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(qū)動電路集成到一起，并且內(nèi)藏有故障檢測電路，不僅體積小，而且可靠性高。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

4.1 軟件構(gòu)架設(shè)計

CPLD的軟件采用VHDL語言編程實(shí)現(xiàn)。軟件模塊間的程序并行執(zhí)行，沒有程序流程圖，只能用程序架構(gòu)表示。CPLD的軟件主要有電機(jī)的換相譯碼、死區(qū)發(fā)生器設(shè)計、故障處理和PWM與轉(zhuǎn)向控制等功能，其軟件構(gòu)架如圖9所示。

4.2 換相譯碼程序設(shè)計

換相譯碼器的作用是根據(jù)當(dāng)前位置信號和PWM控制信號以及轉(zhuǎn)向控制信號Q，確定出UP，VP，WP，UN，VN，WN的相應(yīng)值。需要實(shí)現(xiàn)的邏輯表達(dá)式為：

4.3 死區(qū)發(fā)生器設(shè)計

為防止三相逆變電路上下橋臂的IGBT產(chǎn)生“共態(tài)導(dǎo)通”的現(xiàn)象，導(dǎo)致短路。需要給IGBT的控制信號的上升沿設(shè)置死區(qū)，使其在一段延時之后才真正達(dá)到高電平。

死區(qū)發(fā)生器設(shè)計采用飽和計數(shù)器的方式，類似于電容的充放電過程，需產(chǎn)生如圖10所示的時序。其規(guī)則為：

（1）當(dāng)UP_IN輸入為0時，如果計數(shù)值T等于0，則計數(shù)值T保持不變，否則作減1計數(shù)；

（2）當(dāng)UP_IN輸入為1時，如果計數(shù)值T等于max，則計數(shù)值T保持不變，否則做加1計數(shù)；

（3）當(dāng)輸入為1且死區(qū)計數(shù)器數(shù)值T為MAX時，UP=1對應(yīng)IGBT導(dǎo)通；

（4）當(dāng)死區(qū)計數(shù)器數(shù)值在0～MAX之間時，UP=0，對應(yīng)IGBT關(guān)閉；

下面為死區(qū)時間為N個時鐘周期的VHDL程序，程序的運(yùn)行結(jié)果如下。

4.4 IPM故障處理

在系統(tǒng)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(xiàn)的邏輯后輸出，既保證IPM出現(xiàn)故障時，UP無輸出，又保證UP與UN的反邏輯。

5 結(jié) 語

介紹一種采用CPLD做核心控制器的無刷直流電動機(jī)的驅(qū)動電路的設(shè)計。實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動所需的換相邏輯、電機(jī)運(yùn)行故障處理以及可以靈活設(shè)置死區(qū)時間的死區(qū)發(fā)生器。該電機(jī)驅(qū)動電路可以用于高精度的伺服控制系統(tǒng)中。