CN105958891A - 一种基于dsp+cpld的开关磁阻电机运动控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于DSP+CPLD的开关磁阻电机运动控制方法，包括DSP+CPLD核心控制器模块、功率变换器、位置检测、故障检测、电流采集、隔离驱动、串口通信以及显示模块；其中核心控制器模块采用的是DSP+CPLD结构，DSP模块是运动控制器的核心部分，实现参数计算和控制计算，其底层系统由FLASH存储器、快速的A/D转换器、事件管理器、正交编码电路接口机多通道缓冲串口等外设组成；CPLD模块用来实现各种输入/输出接口和逻辑控制，包括译码、编码、数据收发、逻辑控制等功能；核心控制器完成驱动电机的控制算法，产生PWM信号去控制功率变换器电路电机驱动模块工作。该发明显著提高了电流采样频率并可以使DSP实现复杂的控制策略。

Description

一种基于DSP+CPLD的开关磁阻电机运动控制方法
技术领域
本发明涉及了一种基于DSP+CPLD的开关磁阻电机运动控制方法，属于电机控制系统。
背景技术
开关磁阻电动机调速系统(Switched Reluctance Drive：SRD)是继变频调速系统、无刷直流电动机调速系统之后发展起来的最新一代无级调速系统，是集现代微电子技术、数字技术、电力电子技术、红外光电技术及现代电磁理论、设计和制作技术为一体的光、机、电一体化高新技术。它具有调速系统兼具直流、交流两类调速系统的优点。英、美等经济发达国家对开关磁阻电动机调速系统的研究起步较早，并已取得显著效果，产品功率等级从数W直到数百KW，广泛应用于家用电器、航空、航天、电子、机械及电动车辆等领域。
开关磁阻电机(Switched Reluctance Machine：SRM)又称为电流调节步进电动机，其结构和感应式步进电动机相类似，只是定子磁极对数和转子磁极对数不相等。定子绕组可以是三相也可以是四相，由于电磁转矩仅由定转子磁阻产生，因此每相绕组只需一个功率器件，即可产生所需转矩。由于结构简单、转矩转动惯量高，开关磁阻电机可实现高速驱动，非常适合运动控制系统。
采用以DSP+CPLD为控制核心的数字控制技术，可以大大降低控制器的元件数量，提高系统的可靠性；数字化控制器的调试、参数整定非常灵活，且性能随环境的漂移非常小；数字控制器可以方便的实现故障诊断，在开机时通过扫描系统中各个主要部件的基于开关磁阻电机的电动执行器研究与设计健康状态，可以检查出问题部件，并提示故障位置，从而降低错误动作的可能性。同时也大大加快了系统维修速度，提高运行率，降低损失；数字处理器使得系统的接口异常丰富，可以轻松的和上位机通讯，实现诸如分布式控制等先进的结构。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种基于DSP+CPLD数字化开关磁阻电机调速的运动控制系统。通过数字信号处理器(DSP)和复杂可编程逻辑器件(CPLD)两者的结合，大大简化了系统结构，使得系统的完全数字化控制成为可能，完全解决了开关磁阻电机调速性能要求。和传统设计相比，既充分发挥DSP在高速数据处理和复杂运算与优化上的优势，又充分发挥了CPLD的数据采集和处理的能力，实现了控制可靠，调速范围宽，控制灵活，高效节能，电路简单集成度高，便于系统升级维护等目的。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于DSP+CPLD的开关磁阻电机运动控制方法，所采用的系统包括DSP+CPLD核心控制器模块、功率变换器、位置检测、故障检测、电流采集、隔离驱动、串口通信以及显示模块；其中核心控制器模块采用的是DSP+CPLD结构，DSP模块是运动控制器的核心部分，实现参数计算和控制计算，其底层系统由FLASH存储器、快速的A/D转换器、事件管理器、正交编码电路接口机多通道缓冲串口等外设组成；CPLD模块用来实现各种输入/输出接口和逻辑控制，包括译码、编码、数据收发、逻辑控制等功能；核心控制器完成驱动电机的控制算法，产生PWM信号去控制功率变换器电路电机驱动模块工作；核心控制器CPLD模块与电流采集模块相连，电流采集模块和电机相连，完成信号的采集；通信模块连接核心控制器底层DSP控制器与上位机。
在所述的技术方案中，DSP与CPLD通过并行接口通讯，DSP负责实现微步控制和电流矢量算法，并实时读取CPLD运算出的开关磁阻电机的位置和速度等数据来完成系统的闭环处理，并按照相应控制策略，计算出脉冲宽度调制(PWM)信号周期值和占空比产生PWM信号，PWM信号经过信号隔离模块综合处理后，输出驱动开关磁阻电机的功率变换器的开通关断信号，同时，反馈一些电机运行状态数据给CPLD并通过显示模块显示；CPLD作为协处理器，首先负责完成A/D电流的采样和逻辑处理开关磁阻电机的位置信号，同时计算出开关磁阻电机实时速度和位置，将实时数据反馈给DSP；位置检测电路检测开关磁阻电机转子位置信号，并将获得的位置信号送给CPLD处理；电流检测调理电路检测开关磁阻电机三相电流经给CPLD并通过调理后再给DSP；故障检测采样开关磁阻电机各相电流、母线电压、温度，把磁阻电机的过压、欠压、过流、过热等信息送到CPLD的故障处理模块进行处理，产生系统故障信号并通过并行接口传给DSP，DSP通过综合判断后做出正确判断，及时处理，从而保证系统安全。
所述的CPLD主要包括：A/D电流采样，位置信号处理和角度解算编码器模块，并行通讯接口模块，逻辑I/O接口模块。
所述的SRD系统采用的闭环控制方式是微步控制和双闭环控制策略。以(8/6)四相开关磁阻电动机为例，其步进角为15°。采用微步控制策略时，使其通电顺序为A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A，即八拍为一个周期，则步进角由15°变为7.5°。为了保证恒转矩，由转矩型星图很容易可以看出，两相同时通电时的电流为一相单独通电时电流的0.717倍。随着电机每转细分步数的增加，电机的步进角则逐渐减小，从而使电机输出转矩的平滑性得到了很好的控制，转矩脉动得到了抑制。开关磁阻电动机微步控制的核心是控制相绕组电流跟踪给定电流。开关磁阻电机每旋转一步即向计数器发出一个位置反馈脉冲，计算机根据步进计数器的步数值在计算机存储器中查询相应步的两相绕组的电流给定值，经过D/A转换并分别与电流传感器测得的相绕组电流信号相比较，其差通过电流调节器ACR控制功率变换器，使其输出脉宽被调制成功率开关信号，从而使实际输出电流按给定阶梯波电流变化。
本发明的有益效果为：
(1)此类DSP用于后台复杂运算和CPLD用于前台开关磁阻电机驱动控制的数字化控制器发挥了各自的优势，改善了传统单DSP控制器中各类繁琐中断与开关磁阻电机实时控制算法复杂程度相制约的缺点，显著提高了电流采样频率并可以使DSP实现复杂的控制策略。
(2)提供了一种基于以DSP+CPLD为控制核心的新型的开关磁阻电机运动控制系统。控制器采用微步控制策略和电枢电流矢量算法，系统不仅可取得良好的速度控制特性，同时具有良好的位置控制能力。这种新型的运动控制系统将广泛地应用于伺服控制领域。
附图说明
图1为本发明的开关磁阻电机运动控制系统总体结构示意图。
图2为本发明开关磁阻电机运动控制系统微步控制系统框图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步介绍：
实施例
如图1所示，本实施例中，DSP与CPLD通过并行接口通讯，DSP负责实现微步控制和电流矢量算法，并实时读取CPLD运算出的开关磁阻电机的位置和速度等数据来完成系统的闭环处理，并按照相应控制策略，计算出脉冲宽度调制(PWM)信号周期值和占空比产生PWM信号，PWM信号经过信号隔离模块综合处理后，输出驱动开关磁阻电机的功率变换器的开通关断信号，同时，反馈一些电机运行状态数据给CPLD并通过显示模块显示；CPLD作为协处理器，首先负责完成A/D电流的采样和逻辑处理开关磁阻电机的位置信号，同时计算出开关磁阻电机实时速度和位置，将实时数据反馈给DSP；位置检测电路检测开关磁阻电机转子位置信号，并将获得的位置信号送给CPLD处理；电流检测调理电路检测开关磁阻电机三相电流经给CPLD并通过调理后再给DSP；故障检测采样开关磁阻电机各相电流、母线电压、温度，把磁阻电机的过压、欠压、过流、过热等信息送到CPLD的故障处理模块进行处理，产生系统故障信号并通过并行接口传给DSP，DSP通过综合判断后做出正确判断，及时处理，从而保证系统安全。图1中的DSP选用TI公司的TMS320LF2407A芯片，CPLD选用ALTERA公司的MAX7000S系列里面的EPM7064S型号芯片。
图2为本发明控制核心采用的控制系统框图。控制器采用微步控制策略和电枢电流矢量算法，系统不仅可取得良好的速度控制特性，同时具有良好的位置控制能力。这种新型的运动控制系统将广泛地应用于伺服控制领域。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于DSP+CPLD的开关磁阻电机运动控制方法，其特征在于：所采用的系统包括DSP+CPLD核心控制器模块、功率变换器、位置检测、故障检测、电流采集、隔离驱动、串口通信以及显示模块；核心控制器模块采用的是DSP+CPLD结构，DSP模块是运动控制器的核心部分，实现参数计算和控制计算，其底层系统由FLASH存储器、快速的A/D转换器、事件管理器、正交编码电路接口机多通道缓冲串口组成；CPLD模块用来实现各种输入/输出接口和逻辑控制，包括译码、编码、数据收发、逻辑控制功能；核心控制器完成驱动电机的控制算法，产生PWM信号去控制功率变换器电路电机驱动模块工作；核心控制器CPLD模块与电流采集模块相连，电流采集模块和电机相连，完成信号的采集；通信模块连接核心控制器底层DSP控制器与上位机。
2.根据权利要求1所述的基于DSP+CPLD的开关磁阻电机运动控制方法，其特征在于：所述DSP采用的芯片的型号为TMS320LF2407A。
3.根据权利要求1所述的基于DSP+CPLD的开关磁阻电机运动控制方法，其特征在于：所述CPLD采用的芯片的型号为EPM7064S。
4.根据权利要求1所述的基于DSP+CPLD的开关磁阻电机运动控制方法，其特征在于：所述CPLD模块用来实现各种输入/输出接口和逻辑控制，包括译码、编码、数据收发、逻辑控制功能。
5.根据权利要求1所述的基于DSP+CPLD的开关磁阻电机运动控制方法，其特征在于，通信模块采用SCI串口通信传输核心控制器底层DSP系统与上位机的交互数据，底层控制器接收并翻译上位机的命令数据包。
6.根据权利要求1所述的基于DSP+CPLD的开关磁阻电机运动控制方法，其特征在于：CPLD中的ADC模块对电动机电枢电流进行检测采集。
7.根据权利要求1所述的基于DSP+CPLD的开关磁阻电机运动控制方法，其特征在于：利用CPLD编码器模块采集位置反馈数据，通过总线传给DSP控制器，DSP采用一种测速算法后将转速数据发送给上位机。
8.根据权利要求1所述的基于DSP+CPLD的开关磁阻电机运动控制方法，其特征在于：采用开关磁阻电机微步控制和双闭环控制策略，核心是控制相绕组电流跟随给定电流，实现磁阻电机高性能的速度和位置控制。
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