摘 要：介紹一種基于CPLD (復(fù)雜可編程邏輯器件) 的直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，給出驅(qū)動(dòng)電路的軟硬件設(shè)計(jì)用軟件代替邏輯門(mén)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的保護(hù)邏輯。采用EPM7064SLC4410 CPLD為核心控制器，實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)所需的換相譯碼、死區(qū)發(fā)生器和IPM（智能功率模塊）接口電路。系統(tǒng)軟件采用VHDL語(yǔ)言編程，代替原來(lái)的RC電路實(shí)現(xiàn)的死區(qū)時(shí)間發(fā)生器。該電路具有體積小、調(diào)試方便、死區(qū)時(shí)間設(shè)置靈活等優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：CPLD；直流無(wú)刷電機(jī)；死區(qū)發(fā)生器；IPM；VHDL

中圖分類(lèi)號(hào)：TP274+.53文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)08-004-03

A Drive Circuit Design for BLDC Motor Based on CPLD

TAN Zhenfan，LIN Rongsen，WANG Hongbo，GUO Lidong

(College of Automation，Harbin Engineering University，Harbin，150001，China)

Abstract：This paper presents a drive circuit for BLDC motor based on CPLD.Its hardware and software design are described in detail，to realize motor protection by using software instead of logic gate.The phaseswitch coding，dead time generator and IPM interface circuit are implemented by using the EPM7064SLC4410 CPLD as the central controller.The software design is implemented by VHDL，instead of RC to realize clead time generator.The design has advantages of small size，convenient debugging and flexible dead time.

Keywords：CPLD；BLDC motor；dead time generator；IPM；VHDL

直流無(wú)刷電機(jī)廣泛應(yīng)用于計(jì)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(chē)、家電等領(lǐng)域。本文介紹的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路就是某穩(wěn)定平臺(tái)的角度伺服控制回路的驅(qū)動(dòng)部分。本文中設(shè)計(jì)的基于CPLD的電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(mén)和一部分模擬電路。采用VHDL語(yǔ)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(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試。

1 無(wú)刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理

直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)是由電動(dòng)機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子開(kāi)關(guān)電路組成一個(gè)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(dòng)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(kāi)關(guān)電路為6個(gè)IGBT組成的三相逆變電路。直流無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的作用就是對(duì)來(lái)自電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器的位置信號(hào)、來(lái)自外部的PWM控制信號(hào)以及其他控制信號(hào)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(duì)電機(jī)的過(guò)壓、欠壓、過(guò)流、過(guò)熱保護(hù)等進(jìn)行設(shè)計(jì)。并按要求進(jìn)行光電隔離和基極驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。

圖1 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的基本構(gòu)成

2 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括3個(gè)部分，即:

（1） CPLD核心控制電路；

（2） 驅(qū)動(dòng)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(jì)

3.1 CPLD控制電路

該部分是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的核心部分見(jiàn)圖3，其信號(hào)采集、換相譯碼、死區(qū)發(fā)生器設(shè)計(jì)以及故障處理均由該部分完成。采集的信號(hào)有：電機(jī)控制器的PWM信號(hào)；正反轉(zhuǎn)控制信號(hào)；經(jīng)過(guò)整形的電機(jī)的霍爾位置傳感器的位置信號(hào)；來(lái)自IPM模塊的電機(jī)的欠壓、過(guò)壓、過(guò)流、過(guò)熱等故障檢測(cè)信號(hào)。這些信號(hào)輸入到CPLD后，通過(guò)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(hào)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。

圖2 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)圖

圖3 電機(jī)的CPLD控制電路

霍爾傳感器信號(hào)的整形電路如圖4所示：

圖4 霍爾傳感器的整形電路

采用4路精密電壓比較器LM339完成。對(duì)來(lái)自霍爾傳感器的信號(hào)進(jìn)行整形，并對(duì)輸出到CPLD的信號(hào)加濾波電容濾波。

3.2 驅(qū)動(dòng)隔離電路

驅(qū)動(dòng)隔離電路包括光電隔離電路和基極驅(qū)動(dòng)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(hào)有2部分：

（1） CPLD輸出到IPM模塊的UP等控制信號(hào)；

（2） IPM反饋給CPLD的電機(jī)故障診斷信號(hào)F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4；

UP等信號(hào)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(shí)間為75 ns?？蓪?shí)現(xiàn)3 000 V DC的高電壓隔離，適合于電氣控制場(chǎng)合。IPM反饋給CPLD信號(hào)的電氣隔離由光電耦合芯片4N25完成，如圖5所示。

圖5 光電隔離電路

基極驅(qū)動(dòng)電路采用9014三極管，并使三極管工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。增加控制信號(hào)的驅(qū)動(dòng)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：

圖6 基極驅(qū)動(dòng)電路

3.3 IPM接口電路設(shè)計(jì)

IPM（智能功率模塊）將多個(gè)IGBT集成到一起，廣泛應(yīng)用于無(wú)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(dòng)、短路保護(hù)、過(guò)壓、過(guò)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(dòng)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(duì)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(guò)流、過(guò)熱、欠壓、短路等故障檢測(cè)電路，其示意圖如圖7所示。

出現(xiàn)故障時(shí)，IPM會(huì)將檢測(cè)信號(hào)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(kāi)。其中上橋臂的3個(gè)IGBT各自需要1路電源，下橋臂的3個(gè)IGBT共用1個(gè)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(dòng)電路集成到一起，并且內(nèi)藏有故障檢測(cè)電路，不僅體積小，而且可靠性高。

圖7 IPM模塊故障檢測(cè)電路

圖8 IPM模塊電源電路

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 軟件構(gòu)架設(shè)計(jì)

CPLD的軟件采用VHDL語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)。軟件模塊間的程序并行執(zhí)行，沒(méi)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(jì)、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。

圖9 CPLD軟件架構(gòu)圖

4.2 換相譯碼程序設(shè)計(jì)

換相譯碼器的作用是根據(jù)當(dāng)前位置信號(hào)和PWM控制信號(hào)以及轉(zhuǎn)向控制信號(hào)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：

UP={(CH⊕Q)BH⊕Q)}PWM

4.3 死區(qū)發(fā)生器設(shè)計(jì)

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(hào)的上升沿設(shè)置死區(qū)，使其在一段延時(shí)之后才真正達(dá)到高電平。

死區(qū)發(fā)生器設(shè)計(jì)采用飽和計(jì)數(shù)器的方式，類(lèi)似于電容的充放電過(guò)程，需產(chǎn)生如圖10所示的時(shí)序。其規(guī)則為：

(1) 當(dāng)UP_IN輸入為0時(shí)，如果計(jì)數(shù)值T等于0，則計(jì)數(shù)值T保持不變，否則作減1計(jì)數(shù)；

(2) 當(dāng)UP_IN輸入為1時(shí)，如果計(jì)數(shù)值T等于max，則計(jì)數(shù)值T保持不變，否則做加1計(jì)數(shù)；

(3) 當(dāng)輸入為1且死區(qū)計(jì)數(shù)器數(shù)值T為MAX時(shí)，UP=1對(duì)應(yīng)IGBT導(dǎo)通；

(4) 當(dāng)死區(qū)計(jì)數(shù)器數(shù)值在0 ~ MAX之間時(shí)，UP＝0，對(duì)應(yīng)IGBT關(guān)閉；

圖10 死區(qū)發(fā)生器時(shí)序圖

下面為死區(qū)時(shí)間為N個(gè)時(shí)鐘周期的VHDL程序，程序的運(yùn)行結(jié)果如下。



LIBRARY IEEE;

USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;

USE IEEE.STD_LOGIC_unsigned.ALL;

ENTITY dead_time IS

PORT(

clk，UP_IN: IN STD_LOGIC; 

UP: OUT STD_LOGIC

);

END dead_time; 

ARCHITECTURE fun OF dead_time IS

CONSTANT DEADTIME:INTEGER:=N;//設(shè)置死區(qū)

[JY]時(shí)間 

signal count: integer range 0 to DEADTIME;

BEGIN

process(clk)

begin

if(clk′event and clk=′1′) then

if(UP_IN=′1′ and count/=deadtime) then

count<=count+1;

elsif(UP_IN=′0′ and count/=0) then

count<=count1;

UP<=′0′;

end if;

if(UP_IN=′1′ and count=deadtime) then

UP<=′1′;

end if;

if(UP_IN=′0′ and count=0) then

UP<=′0′;

end if;

end if;

end process;

END FUN;

[BT3-*3]4.4 IPM故障處理

在系統(tǒng)中故障檢測(cè)信號(hào)的處理是把信號(hào)引入到CPLD中，然后UP實(shí)現(xiàn)UPout=UPF1UN的邏輯后輸出，既保證IPM出現(xiàn)故障時(shí)，UP無(wú)輸出，又保證UP與UN的反邏輯。

5 結(jié) 語(yǔ)

介紹一種采用CPLD做核心控制器的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(shí)間的死區(qū)發(fā)生器。該電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路可以用于高精度的伺服控制系統(tǒng)中。

參 考 文 獻(xiàn)

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注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文