基于CPLD的无刷直流电动机软起动方法

丰利军，李槐树，孟光伟

(海军工程大学，湖北武汉430033)

    摘要：介绍了一种基于CPLD芯片的无刷直流电动机软起动控制方法，对采用PWM波来减小起动冲击电流进行了分析与设计。实验结果证明，采用CPLD芯片控制，既简单可靠，又有较强的实用性。

    关键词：无刷直流电动机；复杂可编程逻辑控制器件；软起动

    中图分类号：TM33  文献标识码：A  文章编号：1004—7018(2008)01—0006—02

0引言

    目前，无刷直流电动机的控制系统主要采用DSP芯片来实现。但对于矿山、机械、舰船上常用的风机、水泵、空气压缩机等辅机来说，在日常运行中，并不需要有调速要求，仅仅要求电动机能平滑起动，并带动负载正常运行即可^[1]。

    本文采用CPLD便可实现无刷直流电动机的软起动过程，能够有效降低电机起动时的冲击电流和转矩脉动，确保电网和生产机械的安全稳定运行。

1采用PWM波软起动的原理

    在传统的由直流母线电压依次导通各开关管的基础上，给各开关管驱动信号加上占空比逐渐增大的PWM波，以减小起动过程中的过大冲击电流。

    设稳态时IGBT开关频率为f，电机转速为n。，电机极对数为P，直流母线电压为Us，在一个周期内，每个IGBT开通时间为，将其分为m等份，则，取其为CPLD工作的时钟周期，起始占空比为D₁。如图1所示，在t。～t₁区间内，由三相无刷直流电动机数学模型可知：

而刚起动时反电势(2k。ω)很小，可忽略。可计算得：

其中：在t₁～t₂区间内主回路处于放电状态，计算得：

此后，重复上述过程，当占空比增加至D。时，计算得：

i_maxn>i_max(n-1)。假设此时电机转速为n₁，反电势不可忽略，不考虑换相过程的影响，则：

    起动过程中，IGBT开关频率为图11-----m越大,f₂越高，则i_maxn．越小，即对抑制起动电流有利，同时较高的开关频率降低了电流的波动。

    D_n越大，则i_maxn也越大，而D₁通常取百分之10～百分之20(空载)，由图，Dn由占空比增长率k决定，t_n由起动总时间决定。

    为此，在起动总时间、软起动****允许电流确定之后，应当增大m，减小D₁，增大k。

2控制系统设计

2．1软件系统设计

    对于本系统，采用Ahera公司****开发的Quar-tusⅡ设计软件。cPLD使用硬件描述语言(VeilogHDL)进行器件编程。

    CPLD控制原理是：控制器上电后，CPLD根据三个霍尔位置信号，产生相应的六个输出信号；与此同时，产生占空比逐渐增大的矩形波PwM信号(占空比增加至1的总时间因各电机负载情况不同而异)，将两组信号分别进行逻辑与操作，再由芯片输出作为六只IGBT的驱动触发信号。如图2所示。

    

    在程序中，设置有同一桥臂两管同时导通情况的保护；而在外围驱动隔离放大电路，亦设置有死区保护，以保证IGBT可靠地关断。

2．2硬件系统设计

2．2 .l CPLD芯片简介

    本系统使用Altera公司的MAX7000S系列的EPM7128SIC-15芯片，它采用cMOs EEPROM技术制造，****工作频率可达200 MHz，包含了逻辑阵列块(LAB)和内部可编程连线资源(PIA)。

2. 2．2主回路设计

    主回路包括三相电源、整流桥、电压型逆变模块、位置传感器和执行元件。如图3所示，整流器采

用三相全控桥；逆变模块选用六只三菱MCSOQ2Ys40的IGBT模块，输入端加箝位电容；执行元件选择三相无刷直流电动机；转子位置检测采用霍尔传感器，适用于高速旋转电机。转子位置信号来控制六只IGBT的轮流导通，时刻保证定子旋转磁场频率与转子旋转磁场频率保持同步。

3实验结果

  根据上述方法对三相无剧直流电动机进行了起动实验。实验所用电机参数：功率P=3 kW，电枢绕组电感L=1．36 mH，电枢绕组相电阻R=0．81 Ω，额定转速n=1 500 r／min。实验时，逆变模块输入直流电压为170 V。图4和图5示出了有软起动和直接起动时的实验波形。

    由图5可以看出，直接起动时，直接起动时直流母线电流脉动很大，幅值也很大。而软起动电流波形较平滑，幅值也较低，具有很好的效果。

    实验结果证明，基于cPLD的无刷直流电动机的PwM软起动控制，可以有效地降低起动冲击电流，能较好地适应风机、水泵类负载起动工况，并且控制系统简单可靠，造价低廉，有很强的市场价值。