基于MCU 和CPLD 的开关磁阻电机控制器的设计

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摘要

以MCU 和CPLD 为核心,研制了一种通用的开关磁阻电机控制器,与开关磁阻电机一起组成宽调速范围、高效节能的开关磁阻电机调速系统,克服了直流和交流电机调速系统的一些缺点,实践证明,该系统能很好地应用于各种通用调速场合,具有成本低、控制灵活、自适应能力强及适用范围广等优点。
 
开关磁阻电机调速系统,简称为SRD,作为新一代调速产品,具有高效节能、调速范围宽、适用范围广、简单可靠及成本低等一系列优点。由于出现较晚,现在对SRD 的研究还不充分,而开关磁阻电机调速系统是典型的机电一体化产品, 电机和控制系统必须进行一体化设计, 电机性能的发挥在很大程度上依赖于控制器的设计。设计以MCU 和CPLD 为核心的开关磁阻电机控制器,能够满足大部分通用调速场合性能的要求,而且成本低,便于推广应用。
 
1 开关磁阻电机调速系统的组成
开关磁阻电机调速系统由控制器、功率变换器、电机及检测器四部分组成。控制器完成电流、电压及位置信号的采集、处理,并经过一定的逻辑运算, 按照一定的控制要求输出电机绕组通断的电流波形,送给功率变换器。功率变换器包括电力电子器件及其驱动电路, 根据控制器输出的信号控制功率器件的导通与关断;电机的绕组串联在功率开关电路中,由功率开关控制绕组电路的通断,从而控制电机的运转。位置检测器用于检测转子相对于定子的位置。开关磁阻电机调速系统的构成原理框图,如图1 所示。
                                              图1  开关磁阻电机结构框图
 
2 硬件设计
2.1 主控电路的设计
2.1.1 MCU 电路设计
本设计采用C8051F120 作为开关磁阻电机控制器的主处理单元。由于该芯片内置A /D 转换器、D/A 转换器、SPI 总线、I2C 总线、PWM、PCA 等功能,处理速度快,可达100MIPS,兼容C51 编程语言,特别适合电机控制使用。
 
2.1.2 CPLD 电路设计
CPLD 选用ALTERA 公司的MAX7000A 系列的可编程逻辑器件EPM7128AE,对转子位置信号、电流斩波信号、PWM 信号、角度调制信号、控制信号及保护信号进行逻辑运算,输出控制IGBT 的开关脉冲。同时该器件还实现其它的逻辑或时序电路功能。
 
2.2 电流采样电路
电流信号的采集一般通过霍尔电流传感器。由于电力电子器件的开关产生很强的干扰,要想获得比较好的波形,必须先进行滤波。滤波可采用RC 滤波,电流信号经过滤波后,经过由一个运算放大器构成的跟随器,对电流信号起一个隔离作用,具有高输入阻抗,低输出阻抗特性,减小后面电路阻抗对电流信号源的影响,同时提供更大的信号驱动能力。电流信号经过以上处理后,将送给斩波电路,控制绕组的电流波形;同时送给MCU 的AD 电路,计算出电流的大小,可估计电机的输出功率,实现过载的反时限保护。电流采样电路如图2 所示。
                                                              图2   电流采样电路
2.3 上下限电流斩波电路
当电机低速运行时,可采用上下限电流斩波方式。该方式是电流闭环控制,即根据采集到的绕组电流,与设定的电流上下限值进行比较, 若绕组电流值小于设定的下限参考值, 则开通绕组,使之和电源相接,电流增大;当电流大于设定的上限参考值时,则关断绕组,电流随之减小。上下限电流斩波的电路如图3所示。
                                                                   图3  电流斩波电路
经过处理后的采样电流信号“IA_V”被送到比较器的N1 与N2 的反相输入端,N1 为上限斩波比较器,N2 为下限斩波比较器。N1 的同相输入端接一路D/A 转换器输出,用于设定上限电平,N2 的同相输入端接另一路D/A 转换器输出,用于设定下限电平。CPU 控制DA0 与DA1 的电平,从而控制上下限斩波值。当电流值超过RP1 设定的过流保护值时,N3 将输出过流信号,产生过流保护。所有比较器的输出信号都经过一个上拉电阻送给CPLD,CPLD 再根据其它的控制信号合成输出IGBT 的开关信号。
 
2.4 驱动电路
CPLD 根据电流斩波的波形、斩波方式、转子位置信号及控制策略生成6 个控制绕组电流的IGBT 及1 个制动放电用IGBT的驱动信号。由于CPLD 的输出管脚的驱动电流较小,无法直接驱动IGBT 的驱动电路,因此必须在CPLD 与IGBT 驱动电路之间加一级驱动,驱动电路如图4 所示。
                                                                       图4   驱动电路
2.5 转子位置采集电路
本控制器的位置检测电路采用光电式。位置检测电路原理图如图5 所示。光电二极管发出的光,若没有遮挡,照射到光电三极管,使其导通,集电极电压为低电平,反之则为高电平。该信号送给比较器的非同相端, 和由二个电阻分压生成的参考电压进行比较, 若高于参考电压, 则表示齿盘的齿遮住了发光二极管,比较器的输出为低电平,反之则为高电平。该信号将通过位置信号电缆送给控制器, 转子位置信号经MCU 处理后被送入CPLD。CPLD 将根据内部的逻辑产生IGBT 的开关信号。
                                                                图5  位置检测电路
3 软件设计
主程序包括故障检测状态、等待电机运行状态、电机运行状态、电机制动状态等。每一个运行状态又运行多种任务,如键盘读取、显示、读取开关量与模拟量、输出开关量与模拟量、串行通讯、电机控制等任务,不同的状态运行不同的任务。主程序的流程图如图6 所示。
                图6  主程序流程图
 
4 结束语
经过各种测试及现场的应用表明, 该控制器达到了设计要求,与电机组成的开关磁阻电机调速系统具有高效节能、调速范围宽,低速下可长期运转、高起动转矩,低起动电流、可频繁起停及正反转切换、动态响应性能好、过载能力强及可靠性高等优点。
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