基于DSP和CPLD的无刷直流电机控制系统设计

2014-05-07魏平芬王元奎

船舶与海洋工程 2014年3期

魏平芬，王元奎

（1.海军驻昆明705研究所军代表室，云南昆明 650118；2.中国船舶重工集团公司第705研究所昆明分部，云南昆明 650118）

0 引言

无刷直流电机（BLDCM）以其结构简单、运行可靠、高效率、无励磁损耗以及调速性能好等优点在航空航天、机器人、雷达等领域得到了广泛应用[1～3]。近年来，水下无刷直流电机驱动系统领域的研究成为热点[4～6]。而 BLDCM 具有非线性、多变量、强耦合等特点，很难建立其精确的数学模型，传统控制系统设计软件开发的控制算法有一定的局限性，往往达不到预期控制效果[7]。

无刷直流电机的性能直接影响水下航行器的任务执行能力，根据水下航行器的使用要求，给出了一种控制系统方案。该方案采用提前换向控制算法，使用高性能DSP芯片，同时引入了半定制专用芯片CPLD和高度集成的IPM模块，满足了电机控制系统不断增加计算速度和逻辑处理实时性的要求，简化了逻辑处理的复杂性。经样机验证，整个控制系统控制灵活、实用性强。

1 系统硬件结构

1.1 功率电路

系统功率电路结构见图1。

图1 系统功率电路结构

系统功率电路由滤波电路和逆变电路组成。前者采用高频无感电力电容，吸收母线纹波，提高供给IPM的电压品质；后者采用PM450CLA060，内置6单元高速、低导通压降的IGBT功率管，由它构成向无刷电机供电的三相桥式主电路，而且模块中集成了IGBT驱动电路、保护电路、检测电路等，从而使功率模块具有较高的可靠性，布局更加合理，无外部驱动线，抗干扰能力强。

1.2 全数字控制电路

数字控制模块是整个系统的核心部分见图2。由电机控制专用数字处理器（DSP）TMS320LF2407A和可编程逻辑器件（CPLD）EPM7128AETC100构成。具有丰富外设、超强数据计算能力、高度集成的DSP与编程简单、超强逻辑处理能力以及I/O接口配置灵活的CPLD组合在一起，能有效提高电机控制的实时性、节省电路板空间、简化硬件电路设计、改善控制电路的灵活性、提高电磁兼容性。U、V、W 电流检测用于控制电机输出转矩和限制流过IPM的电流，防止由于过电流损坏功率模块。IPM输出的六路故障信号经CPLD合成为一路故障信号，直接送到DSP的功率驱动保护中断输入引脚，当产生故障时，中断保护直接切断6路PWM输出，有效保护整个控制系统。驱动信号和位置信号经过CPLD后，能有效去除由于干扰而产生的毛刺，有效提高系统的抗干扰能力。通过CAN2.0B总线或I/O方式实现给定电机速度，同时通过CAN2.0B总线实时提供控制系统的运行状态参数。

图2 无刷直流电机控制系统

2 系统软件结构

2.1 电机软启动

利用DSP实现电机的软启动，即PWM脉宽的逐渐展开，不但可以降低电机的启动冲击，而且可以控制电机的启动电流，在电机启动时不产生过流。当控制系统接收到启动命令后，DSP首先执行软启动子程序，产生一系列脉宽逐渐增加的PWM波见图3。

2.2 PWM控制策略

PWM产生机制采用上下桥前60º PWM后60º ON的斩波方式见图4，该控制策略非常有利于桥臂上6只IGBT均衡发热，能有效延长IPM的使用寿命。

图3 逐渐展开的PWM信号

图4 PWM波形

2.3 提前角和转速计算

通过转换为时间量值来实现提前角，而该时间量和转速经过DSP的捕获口间接完成，霍耳位置传感器输出的位置信号经CPLD处理后为60º的方波信号，有效提高了位置信号的精度。CPLD内部译码程序为：

SS=(SA+/SB+/SC)*(/SA+SB+/SC)* (/SA+/SB+SC)

捕获口测得刚转过60º电角度的时间为T，则提前θ角的时间为（/60Tθ×），提前角不能超过60º电角度，否则提前已经没有意义。转速的计算公式为：

式中：n——捕获单元捕获值；TSP——捕获单元定时器输入时钟预定标系数；T——DSP控制器系统时钟周期（s）；P——电机极对数。

2.4 软件流程

整个控制系统软件由主程序和中断子程序组成，系统软件流程见图5。其中，图5（a）为系统软件的主程序流程。主程序用来完成系统的初始化、获取控制命令、电机软启动、A/D电流采样等。图5（b）、5（c）为CAP1～CAP3捕获中断子程序和CAP4捕获中断子程序流程。CAP1～CAP3捕获用于获得换向时刻，并根据当前换向控制字进行换向。CAP4捕获中断则用于计算当前转速及设定提前角所对应的时间。

图5 系统软件流程

3 试验结果

试验用无刷直流电机基本参数为：额定功率12kW、4对极、额定电压118V、额定电流110A、额定转速2400r/min。试验波形见图6。从图6（a）可知，控制算法中加入提前换向角后，反电势波形滞后位置信号波形，即换向点提前，这样有利于改善逆变器输出U、V、W三相的电流波形（见图6（b）），已接近最佳状态，使电机本身的损耗减小，提高电机的效率。而随着提前角的变化（见图6（c）），输出电流波形也将发生改变。无提前角时，换向点稍微有点滞后，从而导致电流波形尖峰比较高，使效率有所降低；比如加12º提前角后，换向点提前，电流波形得到明显改善，效率有所增加；再如增大提前角为25º，电流尖峰开始变大。需要说明的是，不同的电机本体，需要提前换向的角度不同；不同功率点，需要提前换向的角度也不同，具体提前角的大小，应根据试验调整确定，依据是使电流波型平直和电机系统效率最大。