基于CPLD的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計

黃朝麗,王 晴,馬 俊

（陜西航天時代導(dǎo)航設(shè)備有限公司,寶雞 721006）

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)化的快速發(fā)展,工業(yè)自動化程度日益加深,電機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大,電力電子技術(shù)、微機(jī)控制技術(shù)和控制理論的發(fā)展更促進(jìn)了電機(jī)調(diào)速技術(shù)的發(fā)展。隨著新的電力電子器件、高性能的數(shù)字集成電路以及先進(jìn)的控制理論的應(yīng)用［1］,控制部件功能日益完善,所需的控制器件數(shù)目越來越少,控制器的可靠性提高而成本日益降低,從而使得直流無刷電機(jī)不再局限于傳統(tǒng)的工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域［2］,而逐漸向機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床、雷達(dá)和各種軍用武器隨動系統(tǒng)等領(lǐng)域拓展。然而,目前直流無刷電機(jī)控制方法大多采用單片機(jī)等嵌入式軟件方式來實現(xiàn),由于軟件可靠性等問題,已不能完全滿足系統(tǒng)復(fù)雜環(huán)境的使用要求。

20世紀(jì)80年代以來,國內(nèi)外對直流無刷電機(jī)的研究主要轉(zhuǎn)移到電子換向、稀土永磁材料以及智能控制三個方面,試圖來抑制直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動［3］。除此之外,隨著電機(jī)及驅(qū)動系統(tǒng)的發(fā)展,控制系統(tǒng)趨于智能化和數(shù)字化,使得許多較復(fù)雜的控制技術(shù)得以實現(xiàn),又進(jìn)一步推動了直流無刷電機(jī)在各個領(lǐng)域的更好應(yīng)用［4］。

針對某型舵機(jī)系統(tǒng)在整機(jī)使用環(huán)境中存在大功率發(fā)射瞬間的干擾信號,以往嵌入式軟件設(shè)計會因強(qiáng)干擾信號而導(dǎo)致軟件跑飛等問題,本文設(shè)計了一種基于復(fù)雜可編程邏輯器件（Complex Programmable Logic Device,CPLD）的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)。利用CPLD的硬件可編程和實現(xiàn)邏輯運算方便的特點,用一片CPLD代替原有十幾片邏輯門和部分模擬電路［5］,采用VHDL語言編程實現(xiàn)電機(jī)的邏輯控制［6］,不但簡化了硬件電路設(shè)計,還可實現(xiàn)在線編程,方便了系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)試。

1 控制系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

控制系統(tǒng)的總體方案為:根據(jù)給出的調(diào)速碼、方向信號以及限位開關(guān)信號并結(jié)合電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器的輸出信號,經(jīng)CPLD進(jìn)行邏輯綜合處理后,產(chǎn)生PWM調(diào)寬波和邏輯控制信號,再通過驅(qū)動放大電路進(jìn)行功率放大,向功率開關(guān)管提供使其飽和導(dǎo)通和可靠關(guān)斷的驅(qū)動信號,驅(qū)動電機(jī)按照規(guī)定的轉(zhuǎn)速和極性旋轉(zhuǎn),最終實現(xiàn)電機(jī)的閉環(huán)控制［7-8］。系統(tǒng)總體設(shè)計包括硬件電路設(shè)計和軟件設(shè)計兩大部分,控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Principle block diagram of control system

1.2 直流無刷電機(jī)驅(qū)動原理

直流無刷電機(jī)是由電機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子換相電路組成的一個閉環(huán)系統(tǒng)。與一般的有刷電機(jī)不同,直流無刷電機(jī)的定子為電樞繞組,轉(zhuǎn)子采用永磁體［2］。本文介紹的無刷電機(jī)采用了三相星形聯(lián)結(jié)的全控電路,其基本構(gòu)成如圖2所示。

圖2 直流無刷電機(jī)基本構(gòu)成Fig.2 Basic composition of brushless DC motor

其換相電路為6個功率開關(guān)器件（IGBT或功率MOSFET）組成的三相逆變電路,當(dāng)接受到外部輸入的邏輯控制信號后進(jìn)行譯碼,進(jìn)而去驅(qū)動與電樞繞組連接的相應(yīng)的功率開關(guān)器件進(jìn)行飽和導(dǎo)通和可靠關(guān)斷,使A、B、C三相繞組能按要求的順序?qū)?實現(xiàn)定子繞組的正確換相,從而保證電機(jī)的可靠運行［3］。

2 硬件電路設(shè)計

系統(tǒng)硬件電路設(shè)計包含電源電路、控制信號調(diào)理電路、CPLD控制單元、隔離驅(qū)動電路和功率放大電路五個部分的電路設(shè)計。

2.1 電源電路

電源電路將系統(tǒng)提供的一次電源進(jìn)行變換后給控制系統(tǒng)內(nèi)部信號調(diào)理電路、CPLD控制單元、隔離驅(qū)動電路和功率放大電路各芯片供電,確保各電路正常工作,系統(tǒng)電源電路原理框圖如圖3所示。

圖3 電源電路原理框圖Fig.3 Principle block diagram of power supply circuit

電源電路選用帶隔離輸出的DC/DC電源轉(zhuǎn)換器模塊,輸入電壓范圍為16VDC～50VDC,輸出為15V/1A和5V/1A,兩路電壓完全隔離,內(nèi)部各電源都放置去耦電容濾波,在電源給各芯片供電時,加磁珠來衰減電磁干擾信號,主要信號線之間加磁珠來衰減干擾信號,用隔離DC/DC將驅(qū)動地和控制地完全隔離。

在DC/DC輸入端加一級EMI電源濾波器來衰減電源線上的干擾信號,濾波器的額定電壓達(dá)到50VDC。為了防止瞬時過壓脈沖,電源的進(jìn)入端加TVS管,從而有效保護(hù)了電子線路中的精密元器件免受損壞。

2.2 控制信號調(diào)理電路

電機(jī)控制信號主要包括調(diào)速信號、方向信號和限位開關(guān)信號。其中,調(diào)速信號和限位開關(guān)信號均為數(shù)字信號,設(shè)計時通過高速光耦隔離、電平轉(zhuǎn)換等電路處理后直接進(jìn)入CPLD控制電路進(jìn)行邏輯綜合;換向信號為模擬信號,必須經(jīng)過前端調(diào)理電路轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后才能進(jìn)入CPLD進(jìn)行處理?？刂菩盘栒{(diào)理電路原理框圖如圖4所示。

圖4 控制信號調(diào)理電路原理框圖Fig.4 Principle block diagram of control signal conditioning circuit

針對方向控制信號+5V、0V、-5V,為了滿足阻抗匹配的作用,設(shè)計了一電壓跟隨器,同時具有二階有源濾波器的功能,濾波器的截止頻率為1.6kHz。再采用邏輯偏移電路轉(zhuǎn)換為0V～3V的電壓信號,最后通過窗口比較器變換為兩路電平信號進(jìn)入CPLD進(jìn)行處理。

2.3 CPLD控制單元

CPLD控制單元是控制系統(tǒng)的核心,其主要功能為接收電機(jī)控制信號（包括調(diào)速信號、方向信號、限位信號）以及電機(jī)轉(zhuǎn)子位置反饋信號（霍爾傳感器輸出信號）,進(jìn)行邏輯綜合運算后產(chǎn)生PWM調(diào)寬波和邏輯控制信號提供給功率放大電路,控制電機(jī)三相電樞正確換相,使電機(jī)正常運行。CPLD控制單元功能框圖如圖5所示。

圖5 CPLD控制單元功能框圖Fig.5 Function block diagram of CPLD control unit

經(jīng)對CPLD實現(xiàn)功能和資源進(jìn)行評估,選用型號為EPM1270T144I5N的CPLD芯片。該器件工作溫度范圍為-40℃～+105℃,內(nèi)部有1270個邏輯單元,等效宏單元數(shù)為980,供電電壓為3.3V或2.5V,TQFP-144封裝,最大工作頻率為304MHz,器件靜態(tài)功耗為150mW［1-2］。通過對CPLD代碼進(jìn)行編譯綜合后,CPLD硬件資源占用比例為37%,占用CPLD宏單元數(shù)為362,占用CPLD管腳數(shù)為88,管腳資源占用比例為61%,可以滿足系統(tǒng)設(shè)計所需資源和I/O要求。

2.4 隔離驅(qū)動電路

隔離驅(qū)動電路包括光電隔離電路和柵極驅(qū)動電路,光電隔離電路的作用是對CPLD控制電路輸出的PWM控制信號進(jìn)行電氣隔離;柵極驅(qū)動電路用于增強(qiáng)控制信號的驅(qū)動能力,并最終輸出控制電壓給三相逆變電路［9］。

PWM信號的電氣隔離采用高速光電耦合芯片TLP2116,該芯片的最大延遲時間為30ns,適合于電氣控制場合。柵極驅(qū)動電路采用兩片專用脈寬驅(qū)動集成芯片IR2108S控制H橋中的四個MOSFET,該芯片的應(yīng)用簡化了驅(qū)動電路的設(shè)計。IR2108S內(nèi)部采用自舉技術(shù)設(shè)計出懸浮電源,實現(xiàn)了一相兩個N溝道逆變橋輸出電路的控制［10］。該芯片供電電壓范圍為:+10V～+20V,靜態(tài)消耗電流最大為1.6mA,設(shè)計供電電壓為+15V。隔離驅(qū)動電路原理圖如圖6所示。

圖6 隔離驅(qū)動電路原理圖Fig.6 Schematic diagram of isolation drive circuit

2.5 功率放大電路

功率放大電路將多個功率開關(guān)器件集成到一起,廣泛應(yīng)用于無噪聲逆變器、低噪聲UPS和伺服控制器中［10］。系統(tǒng)由6只功率MOSFET組成,每兩只對應(yīng)電機(jī)的一相繞組,來實現(xiàn)驅(qū)動電機(jī)所需的三相逆變電路［11］,其額定負(fù)載電流為33A,額定控制電壓為100V。另外還設(shè)計了電流檢測電路,該電路使用大功率采樣電阻將流經(jīng)電機(jī)繞組的電流信號轉(zhuǎn)換成電壓信號,經(jīng)二階濾波和放大,再與基準(zhǔn)電壓比較后輸出脈沖信號,經(jīng)光耦隔離反饋給CPLD起到限流作用。功率放大電路的原理圖如圖7所示。

圖7 功率放大電路原理圖Fig.7 Schematic diagram of power amplification circuit

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要在以CPLD為核心的平臺上進(jìn)行,包括:I2C通信接口、查找表、PWM調(diào)寬波發(fā)生器和邏輯組合單元4個部分。

系統(tǒng)軟件功能框圖如圖8所示。

圖8 系統(tǒng)軟件功能框圖Fig.8 Function block diagram of CPLD control unit

3.1 I2C通信接口

I2C通信接口用來接收上位機(jī)發(fā)送的調(diào)速碼數(shù)據(jù),并將獲得的控制碼及調(diào)速碼送至查找表。

根據(jù)系統(tǒng)I2C通信協(xié)議,采用狀態(tài)機(jī)來實現(xiàn)I2C通信接口功能。狀態(tài)機(jī)邏輯圖如圖9所示。

圖9 I2C通信接口狀態(tài)機(jī)邏輯圖Fig.9 Logic diagram of I2C communication interface state machine

狀態(tài)機(jī)各狀態(tài)含義如下:

（1）IDEL:初始狀態(tài)

此時,I2C通信接口不斷捕捉SCL和SDA端電平變化,一旦捕捉到調(diào)速碼發(fā)送開始狀態(tài)（即SCL為高,且SDA下降沿到達(dá)）,狀態(tài)機(jī)立即跳轉(zhuǎn)到S0狀態(tài)。

（2）S0:接收地址碼

在每個SCL上升沿時刻,對SDA電平進(jìn)行采樣,采樣完成后地址碼接收結(jié)束,并判斷該地址碼是否有效。當(dāng)?shù)刂反a有效時,則立即跳轉(zhuǎn)到S1狀態(tài);當(dāng)?shù)刂反a無效時,則跳轉(zhuǎn)到IDEL狀態(tài)。

（3）S1:接收控制碼

地址碼有效后,開始接收控制碼。在每個SCL上升沿時刻,對SDA電平進(jìn)行采樣,采樣完成后控制碼接收結(jié)束,狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)至S2狀態(tài)。

（4）S2:接收調(diào)速碼

控制碼接收結(jié)束后,開始接收調(diào)速碼。在每個SCL上升沿時刻,對SDA電平進(jìn)行采樣,采樣完成后調(diào)速碼接收結(jié)束,狀態(tài)機(jī)跳轉(zhuǎn)至S3狀態(tài)。

（5）S3:更新控制碼及調(diào)速碼

當(dāng)一組控制碼及調(diào)速碼接收完成后,將當(dāng)前接收到的控制碼和調(diào)速碼同時發(fā)送至查找表,并判斷接收是否完成。若接收未結(jié)束,則跳轉(zhuǎn)至S1繼續(xù)接收下一組控制碼;若接收結(jié)束,則跳轉(zhuǎn)至IDEL等待下一次調(diào)速信號到達(dá)。

為避免通信異常,在狀態(tài)機(jī)中設(shè)有超時復(fù)位跳轉(zhuǎn)。當(dāng)接收開始后一定時間內(nèi)狀態(tài)機(jī)未有效接收到數(shù)據(jù),則跳轉(zhuǎn)至初始狀態(tài),重新等待上位機(jī)發(fā)送調(diào)速信號。

3.2 查找表

查找表用來建立調(diào)速碼信號與PWM調(diào)寬波發(fā)生器反轉(zhuǎn)門限值占空比之間的對應(yīng)關(guān)系,并根據(jù)控制碼和調(diào)速碼分別更新三個PWM調(diào)寬波發(fā)生器反轉(zhuǎn)門限值。

上位機(jī)提供的為調(diào)速碼信號,而最終輸出的信號為PWM調(diào)寬波,在調(diào)速碼與PWM調(diào)寬波發(fā)生器反轉(zhuǎn)門限值之間存在一一對應(yīng)關(guān)系,這種對應(yīng)關(guān)系可通過查找表來實現(xiàn)。查找表以調(diào)速碼為地址,該地址所保存的數(shù)據(jù)則為調(diào)速碼對應(yīng)的PWM調(diào)寬波反轉(zhuǎn)門限值。查找表依據(jù)接收到的調(diào)速碼給出相應(yīng)的反轉(zhuǎn)門限值,送至PWM調(diào)寬波發(fā)生器單元。查找表功能框圖如圖10所示。

圖10 查找表功能框圖Fig.10 Function block diagram of lookup table

3.3 PWM調(diào)寬波發(fā)生器

PWM調(diào)寬波發(fā)生器由1個計數(shù)器和3個比較器組成,3個比較器的門限值分別對應(yīng)查找表給出的3個反轉(zhuǎn)門限值。

計數(shù)器計數(shù)值達(dá)到計數(shù)上限后自動清零,重新開始計數(shù)。在計數(shù)過程中,計數(shù)器計數(shù)值與反轉(zhuǎn)門限值進(jìn)行比較:當(dāng)計數(shù)值小于某反轉(zhuǎn)門限值時,則對應(yīng)的PWM調(diào)寬波信號為“高”電平;當(dāng)計數(shù)值大于等于某反轉(zhuǎn)門限值時,則PWM調(diào)寬波信號反轉(zhuǎn)為“低”電平,最終產(chǎn)生PWM調(diào)寬波輸出。

PWM發(fā)生器的邏輯框圖如圖11所示。

圖11 PWM發(fā)生器邏輯框圖Fig.11 Logic block diagram of PWM generator

3.4 邏輯組合單元

邏輯組合單元根據(jù)3路PWM調(diào)寬波以及方向、限位等信號并結(jié)合電機(jī)的位置傳感器輸出信號,經(jīng)邏輯組合后,為驅(qū)動單元提供邏輯控制信號。

換向信號與限位信號的邏輯組合如表1所示。

表1 換向信號與限位信號邏輯組合表Table1 Logical combination form of reversing signal and limit signal

4 系統(tǒng)試驗與結(jié)果分析

搭建系統(tǒng)測試平臺,使用工控機(jī)、數(shù)字電壓表、示波器、數(shù)字測速表及專用測試設(shè)備對系統(tǒng)進(jìn)行方向控制、空載轉(zhuǎn)速、空載電流、動態(tài)響應(yīng)時間及負(fù)載轉(zhuǎn)速等性能測試,測試系統(tǒng)組成及測試條件如表2所示,系統(tǒng)測試平臺組成如圖12所示。

表2 測試系統(tǒng)組成及測試條件Table2 Test system composition and test conditions

圖12 系統(tǒng)測試平臺示意圖Fig.12 Schematic diagram of system test platform

給系統(tǒng)輸入±5V指令信號,控制電機(jī)正反轉(zhuǎn),測試時間為1.5個采樣周期,電機(jī)正反轉(zhuǎn)測試波形如圖13（a）所示。由圖13（a）可知,系統(tǒng)能可靠實現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制。使用示波器對電機(jī)電流信號進(jìn)行監(jiān)測,電機(jī)啟動電流為4.9A,穩(wěn)定工作電流為0.2A,電機(jī)電流測試波形如圖13（b）所示。同時選取3套產(chǎn)品進(jìn)行方向控制、空載轉(zhuǎn)速、空載電流、動態(tài)響應(yīng)時間及負(fù)載轉(zhuǎn)速等性能測試,產(chǎn)品性能測試數(shù)據(jù)如表3所示。由表3可知,所有測試結(jié)果均滿足系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)要求。

表3 產(chǎn)品性能測試數(shù)據(jù)Table3 Test data of product performance

圖13 電機(jī)測試結(jié)果Fig.13 Test results of motor

目前,該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于多個型號舵機(jī)產(chǎn)品上,在整機(jī)各項環(huán)境試驗中性能表現(xiàn)優(yōu)異。

5 結(jié)論

本文設(shè)計了一種直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng),系統(tǒng)以復(fù)雜可編程邏輯器件（CPLD）EPM1270T144I5N為控制核心,以軟件算法代替硬件電路方式完成了對電機(jī)控制信號的解調(diào),并結(jié)合電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器的輸出,進(jìn)行邏輯綜合運算后,產(chǎn)生PWM調(diào)寬波和邏輯控制信號提供給功率放大電路,以控制電機(jī)三相電樞正確換相,使電機(jī)正常運行。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于多個型號電動舵機(jī)產(chǎn)品中,功能、性能均滿足系統(tǒng)使用要求,并且具有功耗小、可靠性高、調(diào)試方便等優(yōu)點,具有較高的工程應(yīng)用價值。