本發(fā)明涉及電機控制領(lǐng)域，具體涉及一種基于cpld的三相無刷直流電機驅(qū)動控制電路。

背景技術(shù)：

無刷直流電機用位置傳感器來代替碳刷換向器，使得它既有直流電機的優(yōu)點，又解決了碳刷滑環(huán)的缺點，具有高精度、高效率、高轉(zhuǎn)矩的特點，且體積小、質(zhì)量輕、運行可靠、維護方便，是當今效率最高的調(diào)速電動機。由于無刷直流電機的轉(zhuǎn)速不再受機械換向的限制，若采用高速軸承，轉(zhuǎn)速可高達每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)。因此，無刷直流電機作為一般直流電機、伺服電機和力矩電機等廣泛應(yīng)用于高級電子設(shè)備、機器人、航空航天技術(shù)、數(shù)控裝置等高新技術(shù)領(lǐng)域，如何尋找一種與無刷直流電機結(jié)構(gòu)匹配，同時結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定的無刷直流電機控制電路一直是本領(lǐng)域的研發(fā)熱點。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的發(fā)明目的在于：針對現(xiàn)有無刷直流電機的結(jié)構(gòu)特點，提供一種與無刷直流電機結(jié)構(gòu)匹配，同時結(jié)構(gòu)簡單的基于cpld的控制電路。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種基于cpld的三相無刷直流電機驅(qū)動控制電路，三相電機的三個線圈為星型連接，包括，

cpld控制芯片，其第一信號輸入端、第二信號輸入端、第三信號輸入端分別與受控三相電機中三個霍爾傳感器連接，用于接收三個霍爾傳感器信號，進而判斷三相電機中轉(zhuǎn)子位置；第一控制信號輸入端用于接收pwm控制信號，第二控制信號輸入端用于接收電機方向控制信號。

三相全橋電路，所述三相全橋電路的三個輸出端分別與三相電機的三個線圈連接；

三個驅(qū)動芯片，分別為第一驅(qū)動芯片、第二驅(qū)動芯片、第三驅(qū)動芯片，每個驅(qū)動芯片均與cpld控制芯片的兩路pwm控制波輸出端連接，用于分別控制三相全橋電路中一個橋臂上的上下兩個功率管。

在一些情況下，優(yōu)選的，cpld控制芯片的十二個信號輸入端分別與四臺三相電機中的十二個霍爾傳感器連接；同時，cpld的輸出端分別與十二個驅(qū)動芯片連接；十二個驅(qū)動芯片分為四組，分別用于控制四臺三相電機。

優(yōu)選的，所述cpld控制芯片與驅(qū)動芯片之間設(shè)置有光耦。

優(yōu)選的，第一控制信號輸入端、第二控制信號輸入端之外設(shè)置有光耦。

優(yōu)選的，cpld控制芯片采用epm570t100i5n。

優(yōu)選的，所述驅(qū)動芯片為半橋驅(qū)動芯片ir2108s。

優(yōu)選的，所述功率管為irf540ns。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供了一種基于cpld的三相無刷直流電機控制電路，該控制電路能精確的控制實現(xiàn)無刷直流電機的正反轉(zhuǎn)控制，換相邏輯正確，且電機運行平穩(wěn)可靠，工作電流正常，滿足用戶要求。

在多電機應(yīng)用場合，本電路還可以直接拓展輸入輸出接口，實現(xiàn)同時對多大四路電機的控制，且四路受控電機可實現(xiàn)采用高速軸承時，每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)速下的高精度受控。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的三相無刷直流電機驅(qū)動控制電路框圖。

圖2a至圖2f為轉(zhuǎn)子一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)霍爾電平及合成磁場的變化。

圖3為本發(fā)明提供的三相無刷直流電機驅(qū)動控制電路具體應(yīng)用電路框圖。

圖4為本發(fā)明中無刷電機換相程序流程圖。

圖5為本發(fā)明實施例中繞組逆時針旋轉(zhuǎn)時各信號的波形示例圖。

圖6為本發(fā)明實施例中繞組順時針旋轉(zhuǎn)時各信號的波形示例圖。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護的范圍。

實施例1:如圖1所示，本實施例提供一種基于cpld的三相無刷直流電機驅(qū)動控制電路，三相電機的三個線圈為星型連接，包括，cpld控制芯片，三相全橋電路，三個驅(qū)動芯片，

cpld控制芯片的第一信號輸入端、第二信號輸入端、第三信號輸入端分別與受控三相電機中三個霍爾傳感器連接，用于接收三個霍爾傳感器信號，進而判斷三相電機中轉(zhuǎn)子位置；第一控制信號輸入端用于接收pwm控制信號，第二控制信號輸入端用于接收電機方向控制信號；三相全橋電路的三個輸出端分別與三相電機的三個線圈連接；三個驅(qū)動芯片，分別為第一驅(qū)動芯片、第二驅(qū)動芯片、第三驅(qū)動芯片，三個驅(qū)動芯片均與cpld控制芯片的兩路pwm控制波輸出端連接，用于分別控制三相全橋電路中一個橋臂上的上下兩個功率管。

應(yīng)注意的是，為將功率回路與小信號控制回路隔開，cpld控制芯片輸出的pwm信號進入驅(qū)動芯片之前，cpld控制芯片自第一控制信號輸入端、第二控制信號輸入端接收pwm控制信號以及方向控制信號dir之前，cpld控制芯片接收霍爾信號之前均需要進行隔離，隔離電路中分別采用tlp2116芯片和tlp117芯片來實現(xiàn)。

本實施例中，cpld控制芯片選用altera公司maxⅱ系列的epm570t100i5n，該器件工作溫度范圍為-40℃～+100℃，封裝方式為tqfp-100，內(nèi)部有570個邏輯單元，等效宏單元數(shù)為440個，供電電壓為2.5v或3.3v；驅(qū)動芯片選用ir公司的半橋驅(qū)動芯片ir2108s，該芯片是一款高電壓、高速功率mosfet和igbt驅(qū)動芯片，供電電壓為10v～20v，輸入電壓可以是3.3v、5v或15v，施加在mosfet漏極(d)的電壓最高可達600v；功率管為irf540ns，rds(on)＝0.04ω,vgs＝10v。

在本實施例中，在三相無刷直流電機中三個霍爾傳感器h1、h2、h3分別間隔120度均勻設(shè)置在電機繞組下方，與ax、by、cz三個繞組初始位置對應(yīng)，霍爾傳感器的輸出信號為數(shù)字信號，當外界磁場方向為正時，輸出為正，且磁場的極性每變換一次，輸出信號就發(fā)生一次跳變。為使說明簡便，轉(zhuǎn)子的極對數(shù)選為1。假定轉(zhuǎn)子的初始位置位于0°，此時h1位于轉(zhuǎn)子的極間中心線上，它的輸出電平會在此位置發(fā)生跳變：若轉(zhuǎn)子的n極向它靠近，則輸出電平由0跳到1，反之，輸出電平從1跳到0，而h2＝0，h3＝1。

若給繞組ax和by通電，且電流流向為a→x→y→b，利用右手定則確定通電繞組各自形成的磁場方向如圖所示，則合成磁場的方向與轉(zhuǎn)子磁場的方向有夾角，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，推動轉(zhuǎn)子按逆時針方向旋轉(zhuǎn)。令轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的角度為θ，當0°≤θ＜60°時，三個霍爾傳感器的輸出電平為h1＝1，h2＝0，h3＝1。

若保持該通電狀態(tài)不變，轉(zhuǎn)子最終會停在繞組合成磁場所在的直線上。要使轉(zhuǎn)子連續(xù)旋轉(zhuǎn)，繞組的通電狀態(tài)必須隨轉(zhuǎn)子位置的改變而改變。在轉(zhuǎn)子的一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，三個霍爾傳感器的電平共跳變六次，即每隔60°就有一個霍爾傳感器的電平發(fā)生跳變，繞組的通電狀態(tài)隨之發(fā)生改變，合成磁場與轉(zhuǎn)子磁場產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)力矩推動轉(zhuǎn)子不停旋轉(zhuǎn)；由此，電機的受控運行是一個“繞組通電狀態(tài)改變”→“繞組合成磁場方向改變”→“轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動”→“霍爾傳感器輸出電平改變”→“繞組通電狀態(tài)改變”的閉環(huán)控制過程。

詳細的，在一個旋轉(zhuǎn)周期內(nèi)，三個霍爾傳感器輸出電平的跳變過程如圖2a至圖2f所示：轉(zhuǎn)子逆時針由圖2a轉(zhuǎn)到圖2b位置之前，定子的合成磁場始終保持不變，直至轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動至圖2b位置，定子合成磁場才同時變到圖2b位置。可見，定子合成磁場是一種步進式的旋轉(zhuǎn)磁場，每次步進角為60°。同時，功率管在轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60°電角度時完成一次換流。由此可得出三相無刷直流電機的邏輯狀態(tài)如表1和表2所示：

表1三相無刷直流電機邏輯狀態(tài)(逆時針旋轉(zhuǎn))

表2三相無刷直流電機邏輯狀態(tài)(順時針旋轉(zhuǎn))

上表中，“+”表示繞組電流方向為a→x，b→y或c→z；“-”表示繞組電流方向為x→a，y→b或z→c；“0”表示繞組不通電。逆時針旋轉(zhuǎn)時，繞組通電順序為：ab→ac→bc→ba→ca→cb→ab；順時針旋轉(zhuǎn)時，繞組通電順序為：bc→ac→ab→cb→ca→ba→bc。

而本實施例提供的控制電路控制受控電機逆時針旋轉(zhuǎn)和順時針旋轉(zhuǎn)時，三個霍爾傳感器h1、h2、h3的霍爾信號、六個功率管q1、q2、q3、q4、q5、q6的導(dǎo)通順序、功率管的控制信號p6～p1以及cpld輸出的pwm6～pwm1的邏輯關(guān)系如下表：

表3電機旋轉(zhuǎn)時各信號的邏輯關(guān)系

當同時關(guān)斷某一橋臂兩個功率管時，由cpld輸出的該組兩個pwm信號電平值要不相同，例如，若同時關(guān)斷q5和q6，即p6p5＝00，則pwm6pwm5＝01或pwm6pwm5＝10，這是由驅(qū)動芯片ir2108s的輸入輸出關(guān)系決定的，上表中采用pwm信號值為10的方式。此外，當dsp給出的pwm＝0時，繞組不通電，關(guān)斷全橋的方式有多種，為使pwm信號電平由1跳變到0時只改變一個功率管的開關(guān)狀態(tài)，將pwm＝1時橋臂上導(dǎo)通的上管(q1,q3或q5)關(guān)閉，即對應(yīng)的pwm信號的值由11變?yōu)?1。

具體的，圖4給出了本發(fā)明中無刷電機換相程序流程圖。當cpld時鐘信號的上升沿到來時判斷dir的值，若dir＝01表示電機逆時針旋轉(zhuǎn)；dir＝10表示電機順時針旋轉(zhuǎn)；dir＝00或11時是無效信號，此時功率管保持關(guān)斷狀態(tài)，此時pwm6～pwm1＝111111。隨后判斷由dsp輸入的pwm信號，若pwm＝1，cpld根據(jù)h1、h2、h3的值輸出功率管的開關(guān)控制信號pwm6～pwm1；pwm＝0，功率管關(guān)斷，繞組不通電。另外，若霍爾信號h3h2h1＝000或h3h2h1＝111時為無效值，同樣關(guān)斷功率管。

圖5、圖6展示了應(yīng)用上述電路對電機進行控制時電機繞組逆時針旋轉(zhuǎn)和順時針旋轉(zhuǎn)時各信號的波形示例圖，圖中，hall和pwm1分別對應(yīng)前文提到的h3、h2、h1和pwm6～pwm1，且時鐘信號clkin、hall以及pwmin的周期是仿真時任意指定的。圖中截取了pwmin＝1和pwmin＝0兩種情況下pwm1的波形。

實施例2：在多電機應(yīng)用場合，假如采用傳統(tǒng)的dsp芯片作為控制芯片，會由于dsp芯片的cap單元只有兩組六路采集，只能采用dsp的四組12路i/0端口以1ms的定時終端速率進行信號采集，但是由于霍爾信號的讀取速率是1ms每次，導(dǎo)致在轉(zhuǎn)速超過2000rpm/min時，霍爾信號采集失步，從而導(dǎo)致電機轉(zhuǎn)向失敗，舵機運行失控；即單獨采用dsp芯片對四路電舵機進行控制時，需要嚴格限制舵機的轉(zhuǎn)速在2000rpm/min以下，而實際上無刷直流電機理論工作轉(zhuǎn)速可高達每分鐘幾十萬轉(zhuǎn)，基于這種原因，本實施例提供一種針對四電機場合的cpld的三相無刷直流電機驅(qū)動控制電路，本實施例中，cpld控制芯片的十二個信號輸入端分別與四臺三相電機中的十二個霍爾傳感器連接；同時，cpld的輸出端分別與十二個驅(qū)動芯片連接；十二個驅(qū)動芯片分為四組，分別用于控制四臺三相電機。具體應(yīng)用如圖3所示。