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使用FPGA器件實現梯形波馬達控制

來源:综合股票指数  時間:2018/11/14 3:00:01  點擊:548

  無論目的是為空調系統提供更安靜的鼓風機,或者是為電動汽車的動力傳動系統在動態變化負載條件下提供更高的效率,永磁同步馬達(PMSM或BLDC)控制器的性能和成本目標已日漸變得更具挑戰性。因此,設計人員已從簡單的開環正弦波驅動和6階梯形波換向電路,轉向更復雜的使用數字信號處理器(DSP),或是采用專用微控制器的閉環控制方法;然而,這些實施方案現在也遇到性能障礙。為實現更高的速度和更快的響應,這些器件正被推向它們的極限。在控制電路中,復雜性和功耗的增加,已開始對所要提供的可靠性和效率提升產生負面影響。

  這里,可定制系統級芯片
  (customizablesystem-on-chip,
  cSoC)可能是一個解決方案。這種器件融合了微控制器、高壓模擬接口和FPGA,為提升所有類型的馬達控制電路的性能和效率,提供了新的平臺。本文探討實施各種形式的三相馬達控制所必需的基本構建???,采用綜合的軟件和硬件來擴展性能,同時降低功率并改進總體效率和可靠性。
  為在轉子上產生電磁轉矩,電流要通過定子繞組。假如,正電壓施加在給定的定子端上,繞組相對于轉子將呈現北磁極,而其另一端將呈現南磁極。同樣地,負電壓將呈現相反的極性。在給定的定子極上的磁場強度與在其中通過的電流大小成正比。因而,對于如圖1中的轉子位置,在Z端的正電壓和在Y端的較低電位將在轉子上施加順時針轉矩,使得轉子向Z繞組轉動。如果允許穩定下來,轉子將在兩個激勵繞組的中間停下來,它的北極與90°對齊。梯形波控制
  為梯形波驅動而優化的馬達通常被稱為直流無刷馬達(brushlessDCmotors,BLDC)。這些馬達中的定子已經針對繞組電流的高速開關控制進行了優化,能夠提供極快響應的動態轉矩和速度控制,乃至轉子的電子制動。這些馬達被稱為DC馬達,因為即使繞組電流仍然需要在轉子的整個轉動周期內交替施加,如圖2中的開關電路仍然使用直流源來運行驅動電路。
  采用圖2中所示的晶體管驅動,對于控制器來說,就有可能單獨激勵馬
  達中的繞組對。例如,使Q6能夠對Z相施加+12VDC,同時使Q2能夠將Y相連接至地,給定轉子位置,如圖1所示,在轉子上產生順時針轉矩。假如控制器維持此狀態,轉子將在兩個繞組間的中途對齊(90°)。然后,假如Q6關閉(釋放轉子),且Q4接通,X相將排斥轉子,同時Y相吸引轉子,所產生的順時針旋轉繼續進行,直到轉子在這兩相間150°對齊。此類以離散步驟控制、轉動然后保持轉子位置的馬達,被稱為步進馬達。位置。傳感器在電氣上按60°分開,使一個軸的電氣旋轉分成6個區域。為持續轉動,控制器必須按順序使每一個繞組/極性組合逐步運行,如圖1所示。該順序被稱為6步換向順序。所示的順序為順時針旋轉?;褂欣嗨頻乃承?,包括反時針旋轉。這兩種順序所需的晶體管狀態在表1中列出。
  上的轉矩值,其中一個簡單的技術是高側脈寬調制(PWM)。通過在每個換向階段的部分而不是整個周期上施加繞組電流(轉矩),可以減少轉子上的平均轉矩,因此降低轉速。實現這種控制方法,通常使用定時器(軟件)或計數器(硬件)來控制占空比或脈沖序列頻率,它們為帶有換向控制信號的邏輯ANDed,用于上面的驅動晶體管(Q4到Q6)。其結果是產生了繞組電流和轉子轉矩,如圖3所示。
  如圖3底部所示,基于PWM轉矩控制的負面副作用就是產生了轉矩紋波。因為僅在每個換向階段的部分周期才施加電源,因而在每個PWM脈沖期間,轉子將經受大轉矩推力,隨后為小轉矩推力。這些離散推力會給負載下的傳動軸帶來顯著的重復應力。必須仔細理解系統的負載特性并調整PWM類型、最小脈寬(時鐘頻率)、以及脈沖頻率,以便管理轉子軸上的扭
  關閉環路
  這里事情開始變得有趣了。許多結構上和實施上的選擇存在著關閉馬達控制系統中的環路。所做的選擇高度依賴于整體系統的性能、可靠性和成本目標。下面的章節揭示了各種方法和相關的權衡。關閉環路的第一步是要產生一個信號,可以量化轉子的期望(TARGET)速度和實際速度(CCP)之間的差異。對于大多數控制環路來說,僅通過從期望的TARGET值中減去反饋信號就可實現。這種情況下,因為較低的速度會產生較大的計數;這必須反過來。從CCP中減去TARGET值。以先前的例子,假如期望的轉子轉速為4000RPM,目標CCP可預先計算為(60×106)/(4000)=15000,則TARGET可設定為
  長的穩定時間。對于具有靜負載的系統,或對于在響應負載變化方面非過沖的系統來說,這可能是合適的。

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{ganrao}