CN206807333U - 一种cpld电机驱动控制电路 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及电机控制领域，具体涉及一种CPLD电机驱动控制电路。包括依次连接的CPLD控制芯片、三个驱动芯片、三相全桥电路，CPLD控制芯片的第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端分别与受控三相电机中三个霍尔传感器连接；第一控制信号输入端用于接收PWM控制信号，第二控制信号输入端用于接收电机方向控制信号；所述三相全桥电路的三个输出端分别与三相电机的三个线圈连接；所述三个驱动芯片分别为第一驱动芯片、第二驱动芯片、第三驱动芯片，每个驱动芯片均与CPLD控制芯片的两路PWM控制波输出端连接，用于分别控制三相全桥电路中一个桥臂上的上下两个功率管；该控制电路能精确的控制实现无刷直流电机的正反转控制，换相逻辑正确，且电机运行平稳可靠，工作电流正常，满足用户要求。

Description

一种CPLD电机驱动控制电路

技术领域

本实用新型涉及电机控制领域，具体涉及一种CPLD电机驱动控制电路。

背景技术

无刷直流电机用位置传感器来代替碳刷换向器，使得它既有直流电机的优点，又解决了碳刷滑环的缺点，具有高精度、高效率、高转矩的特点，且体积小、质量轻、运行可靠、维护方便，是当今效率最高的调速电动机。由于无刷直流电机的转速不再受机械换向的限制，若采用高速轴承，转速可高达每分钟几十万转。因此，无刷直流电机作为一般直流电机、伺服电机和力矩电机等广泛应用于高级电子设备、机器人、航空航天技术、数控装置等高新技术领域，如何寻找一种与无刷直流电机结构匹配，同时结构简单、性能稳定的无刷直流电机控制电路一直是本领域的研发热点。

实用新型内容

本实用新型的实用新型目的在于：针对现有无刷直流电机的结构特点，提供一种与无刷直流电机结构匹配，同时结构简单的基于CPLD的控制电路。

为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种CPLD电机驱动控制电路，所述电机为三相无刷直流电机，其三个线圈为星型连接，包括，

CPLD控制芯片，其第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端分别与受控三相电机中三个霍尔传感器连接，用于接收三个霍尔传感器信号，进而判断三相电机中转子位置；第一控制信号输入端用于接收PWM控制信号，第二控制信号输入端用于接收电机方向控制信号。

三相全桥电路，所述三相全桥电路的三个输出端分别与三相电机的三个线圈连接；

三个驱动芯片，分别为第一驱动芯片、第二驱动芯片、第三驱动芯片，每个驱动芯片均与CPLD控制芯片的两路PWM控制波输出端连接，用于分别控制三相全桥电路中一个桥臂上的上下两个功率管。

在一些情况下，优选的，CPLD控制芯片的十二个信号输入端分别与四台三相电机中的十二个霍尔传感器连接；同时，CPLD的输出端分别与十二个驱动芯片连接；十二个驱动芯片分为四组，分别用于控制四台三相电机。

优选的，所述CPLD控制芯片与驱动芯片之间设置有光耦。

优选的，第一控制信号输入端、第二控制信号输入端之外设置有光耦。

优选的，CPLD控制芯片采用EPM570T100I5N。

优选的，所述驱动芯片为半桥驱动芯片IR2108S。

优选的，所述功率管为IRF540NS。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：本实用新型提供了一种基于CPLD的三相无刷直流电机控制电路，该控制电路能精确的控制实现无刷直流电机的正反转控制，换相逻辑正确，且电机运行平稳可靠，工作电流正常，满足用户要求。

在多电机应用场合，本电路还可以直接拓展输入输出接口，实现同时对多大四路电机的控制，且四路受控电机可实现采用高速轴承时，每分钟几十万转的转速下的高精度受控。

附图说明

图1为本实用新型提供的三相无刷直流电机驱动控制电路框图。

图2a至图2f为转子一个旋转周期内霍尔电平及合成磁场的变化示例图。

图3为本实用新型提供的三相无刷直流电机驱动控制电路具体应用电路框图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

众所周知的，三相无刷直流电机中三个霍尔传感器H1、H2、H3一般分别间隔120度均匀设置在电机绕组下方，与AX、BY、CZ三个绕组初始位置对应，霍尔传感器的输出信号为数字信号，当外界磁场方向为正时，输出为正，且磁场的极性每变换一次，输出信号就发生一次跳变。为使说明简便，转子的极对数选为1。假定转子的初始位置位于0°，此时H1位于转子的极间中心线上，它的输出电平会在此位置发生跳变：若转子的N极向它靠近，则输出电平由0跳到1，反之，输出电平从1跳到0，而H2＝0，H3＝1。

若给绕组AX和BY通电，且电流流向为A→X→Y→B，利用右手定则确定通电绕组各自形成的磁场方向如图所示，则合成磁场的方向与转子磁场的方向有夹角，产生旋转力矩，推动转子按逆时针方向旋转。令转子转过的角度为θ，当0°≤θ＜60°时，三个霍尔传感器的输出电平为H1＝1，H2＝0，H3＝1。

若保持该通电状态不变，转子最终会停在绕组合成磁场所在的直线上。要使转子连续旋转，绕组的通电状态必须随转子位置的改变而改变。在转子的一个旋转周期内，三个霍尔传感器的电平共跳变六次，即每隔60°就有一个霍尔传感器的电平发生跳变，绕组的通电状态随之发生改变，合成磁场与转子磁场产生的旋转力矩推动转子不停旋转；由此，传统的电机的受控运行过程均是一个“绕组通电状态改变”→“绕组合成磁场方向改变”→“转子转动”→“霍尔传感器输出电平改变”→“绕组通电状态改变”的闭环控制过程。

详细的，在一个旋转周期内，三个霍尔传感器输出电平的跳变过程如图2a至图2f所示：

转子逆时针由图2a转到图2b位置之前，定子的合成磁场始终保持不变，直至转子转动至图2b位置，定子合成磁场才同时变到图2b位置。可见，定子合成磁场是一种步进式的旋转磁场，每次步进角为60°。同时，功率管在转子每转过60°电角度时完成一次换流。由此可得出三相无刷直流电机的逻辑状态如表1和表2所示：

表1三相无刷直流电机逻辑状态(逆时针旋转)

表2三相无刷直流电机逻辑状态(顺时针旋转)

上表中，“+”表示绕组电流方向为A→X，B→Y或C→Z；“-”表示绕组电流方向为X→A，Y→B或Z→C；“0”表示绕组不通电。逆时针旋转时，绕组通电顺序为：AB→AC→BC→BA→CA→CB→AB；顺时针旋转时，绕组通电顺序为：BC→AC→AB→CB→CA→BA→BC。

实施例1:如图1所示，本实施例提供一种CPLD电机驱动控制电路，三相电机的三个线圈为星型连接，包括，CPLD控制芯片，三相全桥电路，三个驱动芯片，

CPLD控制芯片的第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端分别与受控三相电机中三个霍尔传感器连接，用于接收三个霍尔传感器信号，进而判断三相电机中转子位置；第一控制信号输入端用于接收PWM控制信号，第二控制信号输入端用于接收电机方向控制信号；三相全桥电路的三个输出端分别与三相电机的三个线圈连接；三个驱动芯片，分别为第一驱动芯片、第二驱动芯片、第三驱动芯片，三个驱动芯片均与CPLD控制芯片的两路PWM控制波输出端连接，用于分别控制三相全桥电路中一个桥臂上的上下两个功率管。

应注意的是，为将功率回路与小信号控制回路隔开，CPLD控制芯片输出的PWM信号进入驱动芯片之前，CPLD控制芯片自第一控制信号输入端、第二控制信号输入端接收PWM控制信号以及方向控制信号DIR之前，CPLD控制芯片接收霍尔信号之前均需要进行隔离，隔离电路中分别采用TLP2116芯片和TLP117芯片来实现。

本实施例中，CPLD控制芯片选用Altera公司MAXⅡ系列的EPM570T100I5N，该器件工作温度范围为-40℃～+100℃，封装方式为TQFP-100，内部有570个逻辑单元，等效宏单元数为440个，供电电压为2.5V或3.3V；驱动芯片选用IR公司的半桥驱动芯片IR2108S，该芯片是一款高电压、高速功率MOSFET和IGBT驱动芯片，供电电压为10V～20V，输入电压可以是3.3V、5V或15V，施加在MOSFET漏极(d)的电压最高可达600V；功率管为IRF540NS，rDS(ON)＝0.04Ω,VGS＝10V。

而本实施例提供的控制电路控制受控电机逆时针旋转和顺时针旋转时，三个霍尔传感器H1、H2、H3的霍尔信号、六个功率管Q1、Q2、Q3、Q4、Q5、Q6的导通顺序、功率管的控制信号P6～P1以及CPLD输出的PWM6～PWM1的逻辑关系如下表：

表3电机旋转时各信号的逻辑关系

实施例2：在多电机应用场合，假如采用传统的DSP芯片作为控制芯片，会由于DSP芯片的CAP单元只有两组六路采集，只能采用DSP的四组12路I/0端口以1ms的定时终端速率进行信号采集，但是由于霍尔信号的读取速率是1ms每次，导致在转速超过2000rpm/min时，霍尔信号采集失步，从而导致电机转向失败，舵机运行失控；即单独采用DSP芯片对四路电舵机进行控制时，需要严格限制舵机的转速在2000rpm/min以下，而实际上无刷直流电机理论工作转速可高达每分钟几十万转，基于这种原因，本实施例提供一种针对四电机场合的CPLD的三相无刷直流电机驱动控制电路，本实施例中，CPLD控制芯片的十二个信号输入端分别与四台三相电机中的十二个霍尔传感器连接；同时，CPLD的输出端分别与十二个驱动芯片连接；十二个驱动芯片分为四组，分别用于控制四台三相电机。具体应用如图3所示。

Claims (7)

1.一种CPLD电机驱动控制电路，所述电机为三相无刷直流电机，其三个线圈为星型连接，其特征在于，包括，

CPLD控制芯片，其第一信号输入端、第二信号输入端、第三信号输入端分别与受控三相电机中三个霍尔传感器连接；第一控制信号输入端用于接收PWM控制信号，第二控制信号输入端用于接收电机方向控制信号；

三相全桥电路，所述三相全桥电路的三个输出端分别与三相电机的三个线圈连接；

三个驱动芯片，分别为第一驱动芯片、第二驱动芯片、第三驱动芯片，每个驱动芯片均与CPLD控制芯片的两路PWM控制波输出端连接，用于分别控制三相全桥电路中一个桥臂上的上下两个功率管。

2.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，CPLD控制芯片的十二个信号输入端分别与四台三相电机中的十二个霍尔传感器连接；同时，CPLD的输出端分别与十二个驱动芯片连接；十二个驱动芯片分为四组，分别用于控制四台三相电机。

3.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述CPLD控制芯片与驱动芯片之间设置有光耦。

4.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，第一控制信号输入端、第二控制信号输入端之外设置有光耦。

5.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，CPLD控制芯片采用EPM570T100I5N。

6.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述驱动芯片为半桥驱动芯片IR2108S。

7.如权利要求1所述的控制电路，其特征在于，所述功率管为IRF540NS。