無刷直流馬達全數(shù)位鎖相回路脈寬調(diào)變截波與換相控制IC

1、無刷直流馬達全數(shù)位鎖相回路脈寬調(diào)變截波與換相控制IC    1無刷直流馬達全數(shù)位鎖相回路脈寬調(diào)變截波與換相相控制,PWM信號產(chǎn)生,與電流控制等交由ASIC來執(zhí)行,如此將可減輕其運算負擔,并增加系統(tǒng)功能.無刷直流馬達換相控制IC的研制,文獻12雖已有記載,然該文著重在電晶體階層(transistor level)設計上的論述,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)設計一個無刷直流馬達換相控制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)技術產(chǎn)生PWMchopper的系統(tǒng)時脈(clock),并以數(shù)位邏輯電路設計PWMchopper及換相控制解碼器,以控制切換反流器晶體開關,達到開回路轉(zhuǎn)速控制的目的.II. 無刷直流馬達換相原理與同步化動作一個8極的無刷直流馬達其轉(zhuǎn)子上平均分布裝有4對的磁極,每對磁極相間90度機械角度,為了感測磁極位置,在定子上亦裝有三個霍爾感測元件,每個相2表1 反流器切換開關動作與霍爾感測器輸出信號對照表反流器切換開關霍爾感測器S1S2S3S4S5S6zyxonoffoffonoffoff100onoffoffoffoffon110offoffonoffoffon010of

3、fononoffoffoff011offonoffoffonoff001offoffoffononoff101eo360o180o0o120o60o240o300xyz5S3S1S5132646S4S2St圖4 反流器開關對應霍爾感測器輸出之切換波形距30度機械角度,當轉(zhuǎn)子的N極轉(zhuǎn)到感測器的位置時,感測器輸出為1,當S極轉(zhuǎn)到感測器的位置時,感測器輸出為0,故可將每對轉(zhuǎn)子磁極分為六個區(qū)間,每個區(qū)間的機械角度為15度,電氣角度為60度,如圖2所示,為了達到有效的控制,定子線圈必須根據(jù)轉(zhuǎn)子磁極所在的位置來切換反流器的晶體開關產(chǎn)生方波電流,經(jīng)由實驗顯示,反流器的上臂開關(5,31,SSS)與下臂開關(

4、6,42,SSS)每經(jīng)一次切換,則此無刷直流馬達即些微轉(zhuǎn)動后,停滯在某一機械角度位置,六組開關一一測試后得出相對應三個霍爾感測元件的輸出信號表如表1所示,并可得出三相定子電流與反電動勢波形如圖3.由表1,我們便可依讀取的霍爾感測器(x, y, z)數(shù)值送出使馬達轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到下一個(或下兩個)區(qū)間位置的開關信號,依此方式,每偵測到轉(zhuǎn)子磁極位置變動時,即送出新的開關信號,便可使馬達連續(xù)地轉(zhuǎn)動起來,如此便可完成此無刷直流馬達同步化或線性化的動作.當無刷直流馬達線性化后,其馬達控制的方式就與一般的永磁直流馬達相同,藉由調(diào)整反流器開關PWM切換信號的責任周期,即可直接控制馬達的轉(zhuǎn)速13.若以轉(zhuǎn)子磁極之下兩個

5、區(qū)間位置做為切換開關命令,并以截波(chopper)方式產(chǎn)生PWM波14,則可得出六個切換開關的控制波形如圖4所示,例如當(x, y, z)=(1, 0, 1)時的下兩個區(qū)間切換開關為1S與6S,其中以下臂開關(6S)產(chǎn)生PWM chopper 波形,每個區(qū)間分成8個脈波以合成命令設定值的總脈波切換責任周期.III. 電路設計與模擬如圖1所示,本文研制的換相控制IC分成三個功能方塊:系統(tǒng)時脈產(chǎn)生器,PWM產(chǎn)生器,和換相解碼圖5 系統(tǒng)時脈產(chǎn)生器方塊圖表2 PWM chopper窄波差入位置對照表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進行設計,電路設計說明如下:A. 系統(tǒng)時脈產(chǎn)生器因為反流器開關的切換必須和轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動同步,因此我們以轉(zhuǎn)子的一個霍爾感測元件輸出信號(x)做為鎖相回路的輸入,并在回路上加入一個除以N的除頻器(N=256),便可產(chǎn)生N倍頻率的信號以做為系統(tǒng)時脈(system clock),因為是全數(shù)位設計,我們采用全數(shù)位鎖相回路的技術16,利用MAX PLUS II系統(tǒng)軟體元件庫里的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8-bit暫存器,一個比較器與D型正反器,一個5-bit及3-bit計數(shù)器所組成,可產(chǎn)生8個脈波之合成波形,其中8-bit暫存器的5個MSB (most significant bits)決定每個脈波周期的波寬,其余3個位元(012bbb)用以產(chǎn)生0至7個窄波,窄波波寬為1個系統(tǒng)時脈周期,將分別插入8個脈波中如表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(012bbb)=(101)時,則窄波插入位置為第1,3,4,5與第7個脈波.圖6為設計的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 鄒應嶼,無刷直流馬達DSP控制研討會,國立交通大學,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