無(wú)刷直流馬達(dá)全數(shù)位鎖相回路脈寬調(diào)變截波與換相控制IC

1、無(wú)刷直流馬達(dá)全數(shù)位鎖相回路脈寬調(diào)變截波與換相控制IC    1無(wú)刷直流馬達(dá)全數(shù)位鎖相回路脈寬調(diào)變截波與換相相控制,PWM信號(hào)產(chǎn)生,與電流控制等交由ASIC來(lái)執(zhí)行,如此將可減輕其運(yùn)算負(fù)擔(dān),并增加系統(tǒng)功能.無(wú)刷直流馬達(dá)換相控制IC的研制,文獻(xiàn)12雖已有記載,然該文著重在電晶體階層(transistor level)設(shè)計(jì)上的論述,本文提出以Altera Flex 8282之CPLD元件在邏輯閘與暫存器階層(gate and register levels)設(shè)計(jì)一個(gè)無(wú)刷直流馬達(dá)換相控制IC,其系統(tǒng)方塊圖如圖1所示,其中以全數(shù)位鎖相回路(all-digital p

2、hase-locked loop)技術(shù)產(chǎn)生PWMchopper的系統(tǒng)時(shí)脈(clock),并以數(shù)位邏輯電路設(shè)計(jì)PWMchopper及換相控制解碼器,以控制切換反流器晶體開(kāi)關(guān),達(dá)到開(kāi)回路轉(zhuǎn)速控制的目的.II. 無(wú)刷直流馬達(dá)換相原理與同步化動(dòng)作一個(gè)8極的無(wú)刷直流馬達(dá)其轉(zhuǎn)子上平均分布裝有4對(duì)的磁極,每對(duì)磁極相間90度機(jī)械角度,為了感測(cè)磁極位置,在定子上亦裝有三個(gè)霍爾感測(cè)元件,每個(gè)相2表1 反流器切換開(kāi)關(guān)動(dòng)作與霍爾感測(cè)器輸出信號(hào)對(duì)照表反流器切換開(kāi)關(guān)霍爾感測(cè)器S1S2S3S4S5S6zyxonoffoffonoffoff100onoffoffoffoffon110offoffonoffoffon010of

3、fononoffoffoff011offonoffoffonoff001offoffoffononoff101eo360o180o0o120o60o240o300xyz5S3S1S5132646S4S2St圖4 反流器開(kāi)關(guān)對(duì)應(yīng)霍爾感測(cè)器輸出之切換波形距30度機(jī)械角度,當(dāng)轉(zhuǎn)子的N極轉(zhuǎn)到感測(cè)器的位置時(shí),感測(cè)器輸出為1,當(dāng)S極轉(zhuǎn)到感測(cè)器的位置時(shí),感測(cè)器輸出為0,故可將每對(duì)轉(zhuǎn)子磁極分為六個(gè)區(qū)間,每個(gè)區(qū)間的機(jī)械角度為15度,電氣角度為60度,如圖2所示,為了達(dá)到有效的控制,定子線圈必須根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極所在的位置來(lái)切換反流器的晶體開(kāi)關(guān)產(chǎn)生方波電流,經(jīng)由實(shí)驗(yàn)顯示,反流器的上臂開(kāi)關(guān)(5,31,SSS)與下臂開(kāi)關(guān)(

4、6,42,SSS)每經(jīng)一次切換,則此無(wú)刷直流馬達(dá)即些微轉(zhuǎn)動(dòng)后,停滯在某一機(jī)械角度位置,六組開(kāi)關(guān)一一測(cè)試后得出相對(duì)應(yīng)三個(gè)霍爾感測(cè)元件的輸出信號(hào)表如表1所示,并可得出三相定子電流與反電動(dòng)勢(shì)波形如圖3.由表1,我們便可依讀取的霍爾感測(cè)器(x, y, z)數(shù)值送出使馬達(dá)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到下一個(gè)(或下兩個(gè))區(qū)間位置的開(kāi)關(guān)信號(hào),依此方式,每偵測(cè)到轉(zhuǎn)子磁極位置變動(dòng)時(shí),即送出新的開(kāi)關(guān)信號(hào),便可使馬達(dá)連續(xù)地轉(zhuǎn)動(dòng)起來(lái),如此便可完成此無(wú)刷直流馬達(dá)同步化或線性化的動(dòng)作.當(dāng)無(wú)刷直流馬達(dá)線性化后,其馬達(dá)控制的方式就與一般的永磁直流馬達(dá)相同,藉由調(diào)整反流器開(kāi)關(guān)PWM切換信號(hào)的責(zé)任周期,即可直接控制馬達(dá)的轉(zhuǎn)速13.若以轉(zhuǎn)子磁極之下兩個(gè)

5、區(qū)間位置做為切換開(kāi)關(guān)命令,并以截波(chopper)方式產(chǎn)生PWM波14,則可得出六個(gè)切換開(kāi)關(guān)的控制波形如圖4所示,例如當(dāng)(x, y, z)=(1, 0, 1)時(shí)的下兩個(gè)區(qū)間切換開(kāi)關(guān)為1S與6S,其中以下臂開(kāi)關(guān)(6S)產(chǎn)生PWM chopper 波形,每個(gè)區(qū)間分成8個(gè)脈波以合成命令設(shè)定值的總脈波切換責(zé)任周期.III. 電路設(shè)計(jì)與模擬如圖1所示,本文研制的換相控制IC分成三個(gè)功能方塊:系統(tǒng)時(shí)脈產(chǎn)生器,PWM產(chǎn)生器,和換相解碼圖5 系統(tǒng)時(shí)脈產(chǎn)生器方塊圖表2 PWM chopper窄波差入位置對(duì)照表012bbb插入脈波位置XX14X1X2, 61XX1, 3, 5, 7表3 換相解碼器真值表zyx1

6、S2S3S4S5S6S001100100010010010011000110100001001101100001110011000器,我們以MAX PLUS II系統(tǒng)軟體15之graphic editor進(jìn)行設(shè)計(jì),電路設(shè)計(jì)說(shuō)明如下:A. 系統(tǒng)時(shí)脈產(chǎn)生器因?yàn)榉戳髌鏖_(kāi)關(guān)的切換必須和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)同步,因此我們以轉(zhuǎn)子的一個(gè)霍爾感測(cè)元件輸出信號(hào)(x)做為鎖相回路的輸入,并在回路上加入一個(gè)除以N的除頻器(N=256),便可產(chǎn)生N倍頻率的信號(hào)以做為系統(tǒng)時(shí)脈(system clock),因?yàn)槭侨珨?shù)位設(shè)計(jì),我們采用全數(shù)位鎖相回路的技術(shù)16,利用MAX PLUS II系統(tǒng)軟體元件庫(kù)里的74297元件,系統(tǒng)方塊圖如圖5

7、所示.B. 脈寬調(diào)變截波器(PWM chopper)脈寬調(diào)變截波器是由一個(gè)8-bit暫存器,一個(gè)比較器與D型正反器,一個(gè)5-bit及3-bit計(jì)數(shù)器所組成,可產(chǎn)生8個(gè)脈波之合成波形,其中8-bit暫存器的5個(gè)MSB (most significant bits)決定每個(gè)脈波周期的波寬,其余3個(gè)位元(012bbb)用以產(chǎn)生0至7個(gè)窄波,窄波波寬為1個(gè)系統(tǒng)時(shí)脈周期,將分別插入8個(gè)脈波中如表2所示的某些脈波以增加其波寬,其中X表示"don't care",例如當(dāng)(012bbb)=(101)時(shí),則窄波插入位置為第1,3,4,5與第7個(gè)脈波.圖6為設(shè)計(jì)的PWM chopper

8、的 voltage source inverters," Proc. Inst. Elect. Eng., vol. 143, pp. 301-306, July, 1996.9 H. Le-Huy, "Microprocessors and digital ICs for motion control," Proc. of the IEEE, vol. 82, no. 8, pp. 1140-1163, 1994.10 M. F. Tsai and H. C. Chang, " Design and Implementation of a CPLD-b

9、ased SVPWM ASIC for variable-speed control of AC motor drives," IEEE PEDS'01, Bali, Indonesia, pp. 322-328, Oct. 2001.11 M. F. Tsai and C. P. Chen, "A CPLD-based quadrature decoder/counter interface IC for motor control," POWER 2001 Conf. Rec., Kaoshung, Taiwan, pp. 422-427, Nov.

10、2001.12 Y. T.Lin, C. H. Tso, and Y. Y. Tzou, "Commutation IC for brushless dc motors," POWER 2001 Conf. Rec., Kaoshung, Taiwan, Nov. 2001.13 鄒應(yīng)嶼,無(wú)刷直流馬達(dá)DSP控制研討會(huì),國(guó)立交通大學(xué),2000年七月.14 S. A. K. Bnat and J. Vithayathil, "A simple multiple pulse modulated AC chopper," IEEE Trans. Ind. Electron. , vol. IE-29, no. 3