CN203326936U - 基于mcu和cpld的电机控制系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种基于MCU和CPLD的电机控制系统。该电机控制系统至少包括：包含永磁同步电机及旋转变压器的电机单元；与电机单元连接的功率控制单元；与功率控制单元连接的驱动单元；与旋转变压器连接且用于将所述旋转变压器输出信号转换为数字信号的数字转换器；与所述电机单元连接的增量式光电编码单元；与所述功率控制单元相连接且用于采集与所述永磁同步电机运行相关的参数的采集单元；与所述驱动单元、所述数字转换器、增量式光电编码单元及采集单元相连接、且基于MCU和CPLD形成的主控单元；与所述主控单元连接的存储单元及通信接口电路；以及用于供电的电源单元。本实用新型能实现对电机复杂的实时控制。

Description

基于MCU和CPLD的电机控制系统

技术领域

本实用新型涉及电机控制领域，特别是涉及一种基于MCU和CPLD的电机控制系统。

背景技术

20世纪90年代，为了缓解能源和环境对人类生活和社会发展的压力，世界各国都投入大量资金开发电动汽车。作为电动汽车的关键技术之一，电机驱动及其控制技术的研究尤为重要。在电动汽车应用中，永磁同步电机因具有高效率、结构简单、转矩密度高、体积小、重量轻、高功率密度和良好的控制特性，发展前景广阔，并且已在国内外多种电动车辆中获得应用。

对电机的控制通常都是通过主控芯片来进行，而汽车系统所用的处理器的选择受多种因素的影响，一般包括汽车认证资格、片上集成度、性能、价格和节能等。

目前采用的PMSM的主流控制芯片都为DSP芯片，该芯片是针对电机控制的需要设计的，以强大数据处理能力和高速运行为特色，一般用于处理大量的数字信号、编解码，及通信数据分析。

由于汽车应用的处理器对片上集成的外设、存储器、和I/O接口有更高的要求；而且，车上需要接收的模拟传感器的输入信号相对较多，针对不同的汽车系统，有着各种各样的网络协议，因此现有DSP芯片可能满足不了这些要求。

此外，在现有的很多技术中，电机的驱动电路直接由PWM信号直接控制，其中并未做过多的保护，待电机或者IGBT发生故障时，不能得到及时有效的处理，容易遭到损坏。

因此，本实用新型将电机故障信号采集进入CPLD，并且对其进行处理，能够更有效地保证控制器的可靠性。

实用新型内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本实用新型的目的在于提供一种多功能、实时性强、且控制复杂的基于MCU和CPLD的电机控制系统。

为实现上述目的及其他相关目的，本实用新型提供一种基于MCU和CPLD的电机控制系统，其至少包括：

包含永磁同步电机及旋转变压器的电机单元；

与所述电机单元连接的功率控制单元；

与所述功率控制单元连接的驱动单元；

与所述旋转变压器连接且用于将所述旋转变压器输出信号转换为数字信号的数字转换器；

增量式光电编码单元；

与所述功率控制单元相连接且用于采集与所述永磁同步电机运行相关的参数的采集单元；

与所述驱动单元、所述数字转换器、增量式光电编码单元及采集单元相连接、且基于MCU和CPLD形成的主控单元；

与所述主控单元连接的存储单元及通信接口电路；

用于供电的电源单元。

优选地，所述基于MCU和CPLD的电机控制系统还包括：与所述电源单元及主控单元连接、且用于监控电源故障的监控单元。

优选地，所述基于MCU和CPLD的电机控制系统还包括：与所述主控单元连接的看门狗单元。

优选地，所述MCU包括32位单片机。

优选地，所述功率控制单元包括功率逆变器。

优选地，所述采集单元包括连接在所述功率控制单元输出端及连接MCU的电流传感器。

优选地，所述采集单元包括连接MCU且用于感测冷却入水口温度的温度传感器。

优选地，所述采集单元包括连接MCU且用于感测冷却底板温度的温度传感器。

优选地，所述永磁同步电机为车用电机。

如上所述，本实用新型的基于MCU和CPLD的电机控制系统，具有以下有益效果：实现对电机复杂的实时控制。

附图说明

图1显示为本实用新型的基于MCU和CPLD的电机控制系统示意图。

图2显示为本实用新型的基于MCU和CPLD的电机控制系统的主控单元所接入的信号示意图。

元件标号说明

1     电机控制系统

10    电机单元

11    功率控制单元

12    驱动单元

13    数字转换器

14    增量式光电编码单元

15    采集单元

16    主控单元

17    存储单元

18    通信接口电路

19    电源单元

21    看门狗单元

22    监测单元

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。

请参阅图1至图2。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本实用新型可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本实用新型所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本实用新型所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本实用新型可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本实用新型可实施的范畴。

如图所示，本实用新型提供一种基于MCU和CPLD的电机控制系统。所述电机控制系统1至少包括：电机单元10、功率控制单元11、驱动单元12、数字转换器13、增量式光电编码单元14、采集单元15、主控单元16、存储单元17、通信接口电路18及电源单元19。

所述电机单元10包括永磁同步电机及固定在永磁同步电机上的旋转变压器，优选地，所述永磁同步电机设置在车辆上，尤其是电动车辆上。

所述功率控制单元11包括功率逆变器及连接所述功率逆变器的逆变器驱动板。

所述驱动单元12与所述功率控制单元11连接，用于提供驱动信号以便所述功率控制单元11输出相应功率来驱动所述电机单元10运转。

所述数字转换器13与所述旋转变压器连接，用于将所述旋转变压器输出的信号转换为数字信号。

所述增量式光电编码单元14用于采集车辆内其他电机的运转信息，并转换为相应数字脉冲信号，其可包括增量式光电编码器及编码器处理电路等。

所述采集单元15与所述功率控制单元12相连接，用于采集与所述永磁同步电机运行相关的参数。

优选地，所述采集单元15所采集的参数包括：功率逆变器每一相的温度、逆变器驱动板的温度、直流母线电压、直流母线电流、冷却底板温度及冷却入水口温度等；进而，所述采集单元15包括感测冷却入水口温度、冷却底板温度、功率逆变器每一相的温度、逆变器驱动板的温度的各温度传感器、以及电压电流采样电路等。

此外，所述采集单元15还包括连接在所述功率控制单元12输出端的电流传感器，用于感测功率逆变器输出的3相电流。

所述主控单元16与所述驱动单元12、所述数字转换器13、增量式光电编码单元14及采集单元15相连接，基于MCU和复杂可编程逻辑器件（CPLD）来形成。

其中，MCU作为主控芯片，优选采用32位单片机，用于与整车其他控制器通信、温度检测处理、状态监控、故障诊断，还负责电机矢量控制，转子位置、相电流、直流电流和电压信号采样与数据处理，该MCU集成了精简指令集计算(RISC)处理器架构、数字信号处理(DSP)操作和寻址模式、程序和数据存储器、多种总线、总线仲裁、中断控制器、外设控制处理器、DMA控制器和多种片上外设，既满足了处理速度快的要求，同时又满足外设多样化，简化了外部结构，很好的符合了ISO26262的标准。

如图2所示，MCU的PWM接口连接CPLD、I/O接口分别接入CPLD、数字转换器13及增量式光电编码单元14所输出的信号、AD接口接入感测功率逆变器电流的电流传感器所输出的电流信号、各种温度与电压信号，其中，由AD接口接入的温度和电压信号包括：采集单元15所输出的2路冷却入水口温度、3路功率逆变器温度、逆变器驱动板温度、1路冷却底板温度、1路直流母线电压及1路直流母线电流。

CPLD用于处理外设大量的逻辑与、或、非运算，快速实现对众多外设的寻址、译码、使能控制；此外CPLD通过与驱动板反馈的故障信号逻辑运算后对电机进行矢量控制，既能保证电机的实时控制，又能在出现故障时及时关断，造成损失的最小化。

如图2所示，CPLD接入的信号包括：采集单元15输出的母线过压和欠压信号、3路功率逆变器（IGBT）过温信号、电机过温信号、电机过流信号、以及功率逆变器（IGBT）故障信号、数字转换器13输出的旋变信号、增量式光电编码单元14输出的断线及短路信号等，CPLD输出连接驱动单元12。

所述存储单元17与所述主控单元16连接，用于存储数据信息，优选地，所述存储单元17为EPROM，如图2所示，其连接在MCU的I/O接口。

所述通信接口电路18与所述主控单元16连接，用于与外部设备进行数据传输，优选地，其连接在MCU的SPI/CAN接口。

所述电源单元19用于向主控单元16供电，其采用DC-DC电路来实现。

作为一种优选方式，所述电机控制系统1还包括看门狗单元21，如图2所示，其连接在MCU的I/O接口，用于防止MCU在运行时受到干扰，出现程序跑飞的情况发生。

作为另一种优选方式，所述电机控制系统1还包括监控单元22。所述监控单元22与所述电源单元19及主控单元16连接，用于监控电源故障，其采用INFINEON最新的安全监测芯片来实现，该安全监测芯片能够监测MCU上常见的时钟和电源故障模式、以及和温度有关的计算错误，从而监视MCU的运行；此外，监控单元22的输出通过CPLD控制驱动单元12，能够在电源出现故障时，实时的关闭驱动，保证安全。

综上所述，本实用新型的基于MCU和CPLD的电机控制系统利用32位MCU同时运用MCU和可编程器件CPLD共同对电机实施控制，既可以发挥MCU计算能力强、外设扩展多,又可利用CPLD并行逻辑运算快速的特点，达到提高电机系统的运算能力，实现电机复杂的实时控制；此外，当驱动出现故障信号，相较于现有技术需要等到单片机识别信号并进行处理后才能关断驱动，本实用新型的CPLD在进行逻辑运算后立即关断，能够有效减小处理时间，避免驱动不必要的损坏。所以，本实用新型有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本实用新型的原理及其功效，而非用于限制本实用新型。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本实用新型的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本实用新型所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本实用新型的权利要求所涵盖。

Claims (9)

1.一种基于MCU和CPLD的电机控制系统，其特征在于，所述基于MCU和CPLD的电机控制系统至少包括：

包含永磁同步电机及旋转变压器的电机单元；

与所述电机单元连接的功率控制单元；

与所述功率控制单元连接的驱动单元；

与所述旋转变压器连接且用于将所述旋转变压器输出信号转换为数字信号的数字转换器；

增量式光电编码单元；

与所述功率控制单元相连接且用于采集与所述永磁同步电机运行相关的参数的采集单元；

与所述驱动单元、所述数字转换器、增量式光电编码单元及采集单元相连接、且基于MCU和CPLD形成的主控单元；

与所述主控单元连接的存储单元及通信接口电路；

用于供电的电源单元。

2.根据权利要求1所述的基于MCU和CPLD的电机控制系统，其特征在于还包括：与所述电源单元及主控单元连接、且用于监控电源故障的监控单元。

3.根据权利要求1所述的基于MCU和CPLD的电机控制系统，其特征在于还包括：与所述主控单元连接的看门狗单元。

4.根据权利要求1所述的基于MCU和CPLD的电机控制系统，其特征在于：所述MCU包括32位单片机。

5.根据权利要求1所述的基于MCU和CPLD的电机控制系统，其特征在于：所述功率控制单元包括功率逆变器。

6.根据权利要求1所述的基于MCU和CPLD的电机控制系统，其特征在于：所述采集单元包括连接在所述功率控制单元输出端及连接MCU的电流传感器。

7.根据权利要求1所述的基于MCU和CPLD的电机控制系统，其特征在于：所述采集单元包括连接MCU且用于感测冷却入水口温度的温度传感器。

8.根据权利要求1所述的基于MCU和CPLD的电机控制系统，其特征在于：所述采集单元包括连接MCU且用于感测冷却底板温度的温度传感器。

9.根据权利要求1所述的基于MCU和CPLD的电机控制系统，其特征在于：所述永磁同步电机为车用电机。

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