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基于CPLD的直流无刷电机驱动电路设计

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基于ＣＰＬＤ的直流无刷电机驱动电路设计作者：谈振藩林荣森王洪波郭立东来源：《现代电子技术》2008年第08期摘要：介绍一种基于CPLD (复杂可编程逻辑器件) 的直流无刷电机驱动电路，给出驱动电路的软硬件设计用软件代替逻辑门实现电机的保护逻辑。

采用EPM7064SLC4410 CPLD为核心控制器，实现电机驱动所需的换相译码、死区发生器和IPM（智能功率模块）接口电路。

系统软件采用VHDL语言编程，代替原来的RC电路实现的死区时间发生器。

该电路具有体积小、调试方便、死区时间设置灵活等优点。

关键词：CPLD；直流无刷电机；死区发生器；IPM；中图分类号：文献标识码：B文章编号：1004-373X(2008)08-004-(ColleAbstract：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 smallKeywords：CPLD；BLDC motor；dead time generator；IPM；VHDL直流无刷电机广泛应用于计算机外围设备、数控机床、机器人、伺服系统、汽车、家电等领域。

本文介绍的电机驱动电路就是某稳定平台的角度伺服控制回路的驱动部分。

本文中设计的基于CPLD的电机驱动电路，充分利用CPLD的硬件可编程和实现逻辑运算方便的特点，用一片CPLD代替原有十几片逻辑门和一部分模拟电路。

采用VHDL语言编程实现相关逻辑。

利用CPLD在线可编程的特点，可以很方便的对系统进行调试。

1 无刷直流电机的驱动原理直流无刷电动机是由电动机本体、转子位置传感器和电子开关电路组成一个闭环系统。

与一般的有刷电机不同，他的定子为电枢绕组，转子采用永磁体。

本文介绍的电动机采用了3相Y型联结的全控电路，其基本构成如图所示。

其电子开关电路为6个IGBT组成的三相逆变电路。

直流无刷电机驱动电路的作用就是对来自电机转子位置传感器的位置信号、来自外部的PWM控制信号以及其他控制信号采样并进行译码，使A，B，C三相绕组能按要求的顺序导通，实现定子绕组的正确换相，从而使电机正常运行。

在实际应用中还要对电机的过压、欠压、过流、过热保护等进行设计。

并按要求进行光电隔离和基极驱动电路设计。

图1 直流无刷电动机的基本构成2 系统总体方案设计电动机驱动电路包括3个部分，即（1） CPLD核心控制电路；（2）驱动及隔离电路；（3） IPM接口电路；其系统框图如图2所示。

3 硬件电路设计3.1 CPLD控制电路该部分是电动机驱动电路的核心部分见图3，其信号采集、换相译码、死区发生器设计以及故障处理均由该部分完成。

采集的信号有：电机控制器的PWM信号；正反转控制信号；经过整形的电机的霍尔位置传感器的位置信号；来自IPM模块的电机的欠压、过压、过流、过热等故障检测信号。

这些信号输入到CPLD后，通过CPLD的软件实现换相译码、编程死区和电机保护逻辑，最后输出控制信号UP，VP，WP，UN，VN，WN到IPM的三相逆变电路。

控制电机的三相电枢正确换相，从而使电机正常运行。

图2 系统方案设计图图3 电机的CPLD控制电路霍尔传感器信号的整形电路如图4所示：图4 霍尔传感器的整形电路采用4路精密电压比较器LM339完成。

对来自霍尔传感器的信号进行整形，并对输出到CPLD的信号加滤波电容滤波。

3.2 驱动隔离电路驱动隔离电路包括光电隔离电路和基极驱动电路。

光电隔离电路的作用是实现CPLD控制电路与IPM模块之间的电气隔离。

隔离信号有2部分：（1） CPLD输出到IPM模块的UP等控制信号；（2） IPM反馈给CPLD的电机故障诊断信号F1，F2，F3，F4；UP等信号的电气隔离采用高速光电耦合芯片6N137，该芯片的最大延迟时间为75 ns。

可实现3 000 V DC的高电压隔离，适合于电气控制场合。

IPM反馈给CPLD信号的电气隔离由光电耦合芯片4N25完成，如图5所示。

图5 光电隔离电路基极驱动电路采用9014三极管，并使三极管工作在开关状态。

增加控制信号的驱动能力，并最终输出控制电压给IPM模块的三相逆变电路。

如图6所示：图6 基极驱动电路3.3 IPM接口电路设计IPM（智能功率模块）将多个IGBT集成到一起，广泛应用于无噪声逆变器、低噪声UPS 和伺服控制器中。

一般含有栅极驱动、短路保护、过压、过流保护等。

本文采用三菱电机生产的PM75CSA120的IPM模块实现驱动电机所需的三相逆变电路。

他内部集成6只IGBT，每只对应电机的一相。

其额定负载电流为75 A，额定控制电压为1 200 V。

另外还集成过流、过热、欠压、短路等故障检测电路，其示意图如图7所示。

出现故障时，IPM会将检测信号FO送到CPLD进行处理，采取相应的措施，提高系统的可靠性。

IPM工作需要单独的电源供电，与控制电路电源严格分开。

其中上桥臂的3个IGBT各自需要1路电源，下桥臂的3个IGBT共用1个电源，这样就需要4路电源。

其电源模块的电路如图8所示。

智能功率模块将功率电子器件和驱动电路集成到一起，并且内藏有故障检测电路，不仅体积小，而且可靠性高。

图7 IPM模块故障检测电路图8 IPM模块电源电路4 系统软件设计4.1 软件构架设计CPLD的软件采用VHDL语言编程实现。

软件模块间的程序并行执行，没有程序流程图，只能用程序架构表示。

CPLD的软件主要有电机的换相译码、死区发生器设计、故障处理和PWM与转向控制等功能，其软件构架如图9所示。

图9 CPLD软件架构图4.2 换相译码程序设计换相译码器的作用是根据当前位置信号和PWM控制信号以及转向控制信号Q，确定出UP，VP，WP，UN，VN，WN的相应值。

需要实现的逻辑表达式为：⊕⊕4.3 死区发生器设计为防止三相逆变电路上下桥臂的IGBT产生“共态导通”的现象,导致短路。

需要给IGBT的控制信号的上升沿设置死区，使其在一段延时之后才真正达到高电平。

死区发生器设计采用饱和计数器的方式，类似于电容的充放电过程，需产生如图10所示的时序。

其规则为：(1) 当UP_IN输入为0时，如果计数值等于0，则计数值保持不变，否则作减1计数；(2) 当UP_IN输入为1时，如果计数值等于max，则计数值保持不变，否则做加1计数；(3) 当输入为1且死区计数器数值为MAX时，对应IGBT导通；(4) 当死区计数器数值在0 ~ MAX之间时，UP＝0，对应IGBT关闭；图10 死区发生器时序图下面为死区时间为个时钟周期的VHDL程序，程序的运行结果如下。

USECONSTANT DEADTIME:INTEGER:=N;//设置死区[JY]时间countelsifcountUPUPUPend proc[BT3-*3]4.4 IPM故障处理在系统中故障检测信号的处理是把信号引入到CPLD中，然后UP实现的逻辑后输出，既保证IPM出现故障时，UP无输出，又保证UP 与UN的反逻辑。

5 结语介绍一种采用CPLD做核心控制器的无刷直流电动机的驱动电路的设计。

实现电机驱动所需的换相逻辑、电机运行故障处理以及可以灵活设置死区时间的死区发生器。

该电机驱动电路可以用于高精度的伺服控制系统中。

参考文献［1］阎石.数字电子技术基础［M］.北京:高等教育出版社,1998.［2］张琛.直流无刷电动机原理及应用［M］.北京：机械工业出[LL]版社,1999.［3］穆磊,姜德生,戴珩.基于VHDL的线阵CCD驱动电路的设计\[J\].现代电子技术,2007,30(22):138139.［4］林明权,马维旻.VHDL数字控制系统设计范例［M］.北京：电子工业出版社,2003.［5］佩德罗尼,乔庐峰,王志功.VHDL数字电路设计教程［M］.北京：电子工业出版社,2005.［6］廖日坤.CPLD/FPGA嵌入式应用开发技术白金手册［M］.北京：中国电力出版社，2005.［7］宋万杰,罗丰,吴顺君.CPLD技术及其应用［M］.西安：西安电子科技大学出版社,1999.［8］张熠,丁辉.基于CPLD的CCD驱动时序电路设计\[J\].现代电子技术,2007,30(24):169170,176.［9］叶金虎,徐思海.无刷直流电动机［M］.北京：科学出版社,1982.。

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基于DSP28035的高速永磁无刷直流电机驱动系统硬件设计

基于DSP28035的高速永磁无刷直流电机驱动系统硬件设计

系统硬件设计图3.1为该系统硬件总体框图，整个系统由功率驱动电路、调理与保护电路、DSP控制电路及无刷直流电机本体四大部分组成。

本节将分为两部分，即功率驱动硬件部分和数字控制硬件部分，阐述该系统的硬件设计。

图3.1 无刷直流电机系统硬件框图3.1功率与驱动电路本节先根据系统的特点，分析电路的拓扑选择，然后按照电路的三级结构，逐级说明其具体实现过程。

3.1.1 功率电路拓扑选择该电路输入单相交流电（220V/50Hz），输出直接驱动无刷直流电机。

电机前级需有三相逆变桥实现换相，由于电机频率较高，因而受三相逆变桥开关频率的限制，无法采用逆变桥PWM脉宽斩波控制实现调速控制。

本功率系统结构选择“交流-直流-直流-交流”方式，即在逆变桥前级加入buck电路，采用buck调压调速方式控制该高速永磁无刷直流电机。

功率电路结构框图如图3.2所示。

图3.2 功率电路结构框图3.1.2 启动缓冲电路图 3.2中第一级采用二极管不控整流，再用大电容滤波后得稳定直流电压1U 。

电路上电时，由于电容1C 两端电压不能突变，上电产生瞬间的大电流给其充电，该电流太大将造成1C 损坏。

为此，电路中加入了启动缓冲电路。

如下图3.3所示，上电时晶闸管1Q 尚未导通，通过11R C 串联回路给1C 充电，充电电流较小，1U 缓慢上升，电容受到保护。

再利用电阻2R 、3R 对1U 分压采样，当1U 上升到约输入电压峰值的90%时，采样电压1s U 将超过设定的门限电压TH U ，通过比较器后驱动光耦，从而触发晶闸管导通。

晶闸管导通后，1R 被短路，电路进入正常工作状态。

此后向后级供电的过程中，晶闸管一直导通，2R 、4R 的阻值非常大，不对后级产生影响。

后级关断或电路掉电时，1Q 关断，4R 为1C 提供放电回路。

图中TH U 由CC V +经电阻分压得到，而CC V +是由/AC DC 模块电源获得。

G AU 1s U Q 1图3.3 启动缓冲电路示意图3.1.3 直流-直流变换该环节实现调压调速功能，直接利用Buck 变换器降压，但电机满载时该电路输出电流很大，所需输出滤波电感太大。

基于硬件FOC的无刷直流电机驱动器设计

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基于硬件 FOC 的无刷直流电机驱动器设计邮编：114051摘要：随着科技水平的快速发展，对电机的控制要求越来越高，在工业上：电子装备过程中对电机的控制要求越来越高；在医疗领域中：远程控制手术、医护人员使用设备进行细微手术中对设备电机的精度要求越来越高。

并且目前电子数码消费品、工业控制、无人机、机械臂、云台、仿生机器人等设备的电机均需要高精度的闭环或者开环控制，以实现其精准化。

与有刷直流电机相比，无刷直流电机( brushless DC， BLDC) 用电子换向器取代了机械换向器，因此 BLDC 既具有直流电机良好的调速性能等特点，又具有交流电机结构简单、无换向火花、运行可靠和易于维护等优点，广泛应用于电子数码消费品、工业控制、医疗设备、家用电器等领域。

本课题所设计的FOC矢量控制可以使电机的运行更加平稳和高效。

本课题还对传统的电机驱动进行升级改造，并能够实现双路电机同步控制。

并且使用了Simulink电机环境配置软件，进行电路模拟仿真，提高模块的实用性和可行性。

本项目能够实现实物与模型的同步，先基于模型的仿真控制，再进行实物的设计与升级。

关键词：FOC；Simulink;同步控制引言：目前对于电机的控制主要是BLDC，BLDC的驱动控制的方式有方波驱动与正弦波驱动。

方波驱动控制简单，但会产生刺耳的噪音，在电机的低速状态下非常难控制; 尽管正弦波驱动能够做到平滑的换向，在低速状态也具有良好的控制效果，但在高速状态下，由于电流环必须跟踪频率不断升高的弦波信号，还要克服由于振幅和频率不断提高的电机反电动势，当达到控制器的极限带宽时，这种控制就失去了作用。

矢量控制( field oriented control，FOC) 既具有正弦波驱动的平滑控制，又解决了高速状态下失控的问题，并且由于其控制特点，能够使电机运行更加高效。

一、驱动器设计原理FOC实现了电流矢量的控制和机电定子磁场的矢量控制，转矩波动小、效率高、噪声小、动态响应快，FOC技术有低转速下控制，电机换向，力矩控制，我们通过利用硬件设计软件立创EDA设计FOC 控制电路，设计基于STM32F407VET6的电机驱动控制模块，通过简单的焊接，实现FOC的模型化，实现对无刷直流电机的精准化控制， BLDC 的驱动控制的方式有方波驱动与正弦波驱动。

四种直流电机驱动电路图及设计思路讲解，有图有真相！

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四种直流电机驱动电路图及设计思路讲解，有图有真相！下面为您详细介绍直流电机驱动设计需要注意的事项，低压驱动电路的简易栅极驱动、边沿延时驱动电路图解及其设计思路。

一、直流电机驱动电路的设计目标在直流电机驱动电路的设计中，主要考虑一下几点：1.功能：电机是单向还是双向转动?需不需要调速?对于单向的电机驱动，只要用一个大功率三极管或场效应管或继电器直接带动电机即可，当电机需要双向转动时，可以使用由4个功率元件组成的H桥电路或者使用一个双刀双掷的继电器。

如果不需要调速，只要使用继电器即可;但如果需要调速，可以使用三极管，场效应管等开关元件实现PWM(脉冲宽度调制)调速。

2. 性能：对于PWM调速的电机驱动电路，主要有以下性能指标。

1)输出电流和电压范围，它决定着电路能驱动多大功率的电机。

2)效率，高的效率不仅意味着节省电源，也会减少驱动电路的发热。

要提高电路的效率，可以从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通(H桥或推挽电路可能出现的一个问题，即两个功率器件同时导通使电源短路)入手。

3)对控制输入端的影响。

功率电路对其输入端应有良好的信号隔离，防止有高电压大电流进入主控电路，这可以用高的输入阻抗或者光电耦合器实现隔离。

4)对电源的影响。

共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电源污染;大的电流可能导致地线电位浮动。

5)可靠性。

电机驱动电路应该尽可能做到，无论加上何种控制信号，何种无源负载，电路都是安全的。

电机不同的部分有不同的设计要求。

1.输入与电平转换部分：输入信号线由DATA引入，1脚是地线，其余是信号线。

注意1脚对地连接了一个2K欧的电阻。

当驱动板与单片机分别供电时，这个电阻可以提供信号电流回流的通路。

当驱动板与单片机共用一组电源时，这个电阻可以防止大电流沿着连线流入单片机主板的地线造成干扰。

或者说，相当于把驱动板的地线与单片机的地线隔开，实现“一点接地”。

高速运放KF347(也可以用TL084)的作用是比较器，把输入逻辑信号同来自指示灯和一个二极管的2.7V基准电压比较，转换成接近功率电源电压幅度的方波信号。

PLC微机控制直流无刷电动机调速系统

PLC微机控制直流无刷电动机调速系统

一、概述电动机主要类型有同步电动机、异步电动机和直流电动机三种，而直流电动机具有运行效率高和调素性能好等诸多优点得以被广泛运用，但传统的直流电动机均采用电刷，以机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦，由此带来了噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点，再加上成本高及维修困难等缺点，大大限制了它的应用范围。

随着社会生产力和科学技术的发展，大功率开关器件、模拟和数字集成、高性能磁性材料技术等取得了很大的进步，又因直流无刷电动机具有寿命长、结构简单、运行可靠、维护方便等特点，在性能上，有启动转矩大、动态制动简便、转速——转矩特性呈线性及效率等优点而得以广泛应用。

（一）直流无刷电动机的基本组成环节及工作原理1、直流无刷电动机的基本组成环节直流无刷电动机的基本组成框图如图1-1所示。

它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。

图1—1 直流无刷电动机的结构原理图电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼形绕组和其它启动装置，它有永磁的转子和多相定子绕组。

多相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联接。

位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相联接，其信号在转子位置译码器中转换成正确的换相顺序信号，控制功率开关器件，使定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。

由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。

因此，所谓直流无刷电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”。

其中转子的永磁钢与永磁有刷电动机中所用的永磁钢的作用相似，均是在电动机的气隙中建立足够的磁场，其不同之处在于直流无刷电动机中永磁钢装在转子上，而直流有刷电动机的磁钢装在定子上。

直流无刷电动机的电子开关线路是用来控制动机定子上各相绕组通电的顺序和时间主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。

功率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定的逻辑关系分配给流无刷电动机定子上各相绕组，以便电动机产生持续不断的转矩。