基于CPLD的無刷直流電動機軟起動方法
豐利軍,李槐樹,孟光偉
(海軍工程大學(xué),湖北武漢430033)
摘要:介紹了一種基于CPLD芯片的無刷直流電動機軟起動控制方法,對采用PWM波來減小起動沖擊電流進行了分析與設(shè)計。實驗結(jié)果證明,采用CPLD芯片控制,既簡單可靠,又有較強的實用性。
關(guān)鍵詞:無刷直流電動機;復(fù)雜可編程邏輯控制器件;軟起動
中圖分類號:TM33 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1004—7018(2008)01—0006—02
0引言
目前,無刷直流電動機的控制系統(tǒng)主要采用DSP芯片來實現(xiàn)。但對于礦山、機械、艦船上常用的風(fēng)機、水泵、空氣壓縮機等輔機來說,在日常運行中,并不需要有調(diào)速要求,僅僅要求電動機能平滑起動,并帶動負(fù)載正常運行即可[1]。
本文采用CPLD便可實現(xiàn)無刷直流電動機的軟起動過程,能夠有效降低電機起動時的沖擊電流和轉(zhuǎn)矩脈動,確保電網(wǎng)和生產(chǎn)機械的安全穩(wěn)定運行。
1采用PWM波軟起動的原理
在傳統(tǒng)的由直流母線電壓依次導(dǎo)通各開關(guān)管的基礎(chǔ)上,給各開關(guān)管驅(qū)動信號加上占空比逐漸增大的PWM波,以減小起動過程中的過大沖擊電流。
設(shè)穩(wěn)態(tài)時IGBT開關(guān)頻率為f,電機轉(zhuǎn)速為n。,電機極對數(shù)為P,直流母線電壓為Us,在一個周期內(nèi),每個IGBT開通時間為  ,將其分為m等份,則  ,取其為CPLD工作的時鐘周期,起始占空比為D 1。如圖1所示,在t!玹 1區(qū)間內(nèi),由三相無刷直流電動機數(shù)學(xué)模型可知:
而剛起動時反電勢(2k。ω)很小,可忽略?捎嬎愕茫
其中:  在t 1~t 2區(qū)間內(nèi)主回路處于放電狀態(tài),計算得:
此后,重復(fù)上述過程,當(dāng)占空比增加至D。時,計算得:
imaxn>imax(n-1)。假設(shè)此時電機轉(zhuǎn)速為n1,反電勢不可忽略,不考慮換相過程的影響,則:
起動過程中,IGBT開關(guān)頻率為圖11-----m越大,f2越高,則imaxn.越小,即對抑制起動電流有利,同時較高的開關(guān)頻率降低了電流的波動。
D n越大,則i maxn也越大,而D 1通常取百分之10~百分之20(空載),由圖  ,Dn由占空比增長率k決定,t n由起動總時間決定。
為此,在起動總時間、軟起動****允許電流確定之后,應(yīng)當(dāng)增大m,減小D1,增大k。
2控制系統(tǒng)設(shè)計
2.1軟件系統(tǒng)設(shè)計
對于本系統(tǒng),采用Ahera公司****開發(fā)的Quar-tusⅡ設(shè)計軟件。cPLD使用硬件描述語言(VeilogHDL)進行器件編程。
CPLD控制原理是:控制器上電后,CPLD根據(jù)三個霍爾位置信號,產(chǎn)生相應(yīng)的六個輸出信號;與此同時,產(chǎn)生占空比逐漸增大的矩形波PwM信號(占空比增加至1的總時間因各電機負(fù)載情況不同而異),將兩組信號分別進行邏輯與操作,再由芯片輸出作為六只IGBT的驅(qū)動觸發(fā)信號。如圖2所示。
在程序中,設(shè)置有同一橋臂兩管同時導(dǎo)通情況的保護;而在外圍驅(qū)動隔離放大電路,亦設(shè)置有死區(qū)保護,以保證IGBT可靠地關(guān)斷。
2.2硬件系統(tǒng)設(shè)計
2.2 .l CPLD芯片簡介
本系統(tǒng)使用Altera公司的MAX7000S系列的EPM7128SIC-15芯片,它采用cMOs EEPROM技術(shù)制造,****工作頻率可達(dá)200 MHz,包含了邏輯陣列塊(LAB)和內(nèi)部可編程連線資源(PIA)。
2. 2.2主回路設(shè)計
主回路包括三相電源、整流橋、電壓型逆變模塊、位置傳感器和執(zhí)行元件。如圖3所示,整流器采
用三相全控橋;逆變模塊選用六只三菱MCSOQ2Ys40的IGBT模塊,輸入端加箝位電容;執(zhí)行元件選擇三相無刷直流電動機;轉(zhuǎn)子位置檢測采用霍爾傳感器,適用于高速旋轉(zhuǎn)電機。轉(zhuǎn)子位置信號來控制六只IGBT的輪流導(dǎo)通,時刻保證定子旋轉(zhuǎn)磁場頻率與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)磁場頻率保持同步。
3實驗結(jié)果
根據(jù)上述方法對三相無劇直流電動機進行了起動實驗。實驗所用電機參數(shù):功率P=3 kW,電樞繞組電感L=1.36 mH,電樞繞組相電阻R=0.81 Ω,額定轉(zhuǎn)速n=1 500 r/min。實驗時,逆變模塊輸入直流電壓為170 V。圖4和圖5示出了有軟起動和直接起動時的實驗波形。
由圖5可以看出,直接起動時,直接起動時直流母線電流脈動很大,幅值也很大。而軟起動電流波形較平滑,幅值也較低,具有很好的效果。
實驗結(jié)果證明,基于cPLD的無刷直流電動機的PwM軟起動控制,可以有效地降低起動沖擊電流,能較好地適應(yīng)風(fēng)機、水泵類負(fù)載起動工況,并且控制系統(tǒng)簡單可靠,造價低廉,有很強的市場價值。
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