一種基于dsp+cpld的開關磁阻電機運動控制方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于DSP+CPLD的開關磁阻電機運動控制方法，包括DSP+CPLD核心控制器模塊、功率變換器、位置檢測、故障檢測、電流采集、隔離驅動、串口通信以及顯示模塊；其中核心控制器模塊采用的是DSP+CPLD結構，DSP模塊是運動控制器的核心部分，實現參數計算和控制計算，其底層系統由FLASH存儲器、快速的A/D轉換器、事件管理器、正交編碼電路接口機多通道緩沖串口等外設組成；CPLD模塊用來實現各種輸入/輸出接口和邏輯控制，包括譯碼、編碼、數據收發、邏輯控制等功能；核心控制器完成驅動電機的控制算法，產生PWM信號去控制功率變換器電路電機驅動模塊工作。該發明顯著提高了電流采樣頻率并可以使DSP實現復雜的控制策略。
【專利說明】
一種基于DSP+CPLD的開關磁阻電機運動控制方法
技術領域
[0001 ]本發明涉及了一種基于DSP+CPLD的開關磁阻電機運動控制方法，屬于電機控制系統。【背景技術】
[0002] 開關磁阻電動機調速系統(Switched Reluctance Drive:SRD)是繼變頻調速系統、無刷直流電動機調速系統之后發展起來的最新一代無級調速系統，是集現代微電子技術、數字技術、電力電子技術、紅外光電技術及現代電磁理論、設計和制作技術為一體的光、 機、電一體化高新技術。它具有調速系統兼具直流、交流兩類調速系統的優點。英、美等經濟發達國家對開關磁阻電動機調速系統的研究起步較早，并已取得顯著效果，產品功率等級從數W直到數百KW，廣泛應用于家用電器、航空、航天、電子、機械及電動車輛等領域。[〇〇〇3] 開關磁阻電機(Switched Reluctance Machine:SRM)又稱為電流調節步進電動機，其結構和感應式步進電動機相類似，只是定子磁極對數和轉子磁極對數不相等。定子繞組可以是三相也可以是四相，由于電磁轉矩僅由定轉子磁阻產生，因此每相繞組只需一個功率器件，即可產生所需轉矩。由于結構簡單、轉矩轉動慣量高，開關磁阻電機可實現高速驅動，非常適合運動控制系統。
[0004]采用以DSP+CPLD為控制核心的數字控制技術，可以大大降低控制器的元件數量， 提高系統的可靠性;數字化控制器的調試、參數整定非常靈活，且性能隨環境的漂移非常小;數字控制器可以方便的實現故障診斷，在開機時通過掃描系統中各個主要部件的基于開關磁阻電機的電動執行器研究與設計健康狀態，可以檢查出問題部件，并提示故障位置， 從而降低錯誤動作的可能性。同時也大大加快了系統維修速度，提高運行率，降低損失;數字處理器使得系統的接口異常豐富，可以輕松的和上位機通訊，實現諸如分布式控制等先進的結構。
【發明內容】
[0005]本發明為了解決上述問題，提出了一種基于DSP+CPLD數字化開關磁阻電機調速的運動控制系統。通過數字信號處理器(DSP)和復雜可編程邏輯器件(CPLD)兩者的結合，大大簡化了系統結構，使得系統的完全數字化控制成為可能，完全解決了開關磁阻電機調速性能要求。和傳統設計相比，既充分發揮DSP在高速數據處理和復雜運算與優化上的優勢，又充分發揮了CPLD的數據采集和處理的能力，實現了控制可靠，調速范圍寬，控制靈活，高效節能，電路簡單集成度高，便于系統升級維護等目的。
[0006]為了實現上述目的，本發明采用如下技術方案:[〇〇〇7] 一種基于DSP+CPLD的開關磁阻電機運動控制方法，所采用的系統包括DSP+CPLD核心控制器模塊、功率變換器、位置檢測、故障檢測、電流采集、隔離驅動、串口通信以及顯示模塊;其中核心控制器模塊采用的是DSP+CPLD結構，DSP模塊是運動控制器的核心部分，實現參數計算和控制計算，其底層系統由FLASH存儲器、快速的A/D轉換器、事件管理器、正交編碼電路接口機多通道緩沖串口等外設組成;CPLD模塊用來實現各種輸入/輸出接口和邏輯控制，包括譯碼、編碼、數據收發、邏輯控制等功能；核心控制器完成驅動電機的控制算法，產生PWM信號去控制功率變換器電路電機驅動模塊工作;核心控制器CPLD模塊與電流采集模塊相連，電流采集模塊和電機相連，完成信號的采集;通信模塊連接核心控制器底層 DSP控制器與上位機。
[0008]在所述的技術方案中，DSP與CPLD通過并行接口通訊，DSP負責實現微步控制和電流矢量算法，并實時讀取CPLD運算出的開關磁阻電機的位置和速度等數據來完成系統的閉環處理，并按照相應控制策略，計算出脈沖寬度調制(P麗)信號周期值和占空比產生P麗信號，PWM信號經過信號隔離模塊綜合處理后，輸出驅動開關磁阻電機的功率變換器的開通關斷信號，同時，反饋一些電機運行狀態數據給CPLD并通過顯示模塊顯示；CPLD作為協處理器，首先負責完成A/D電流的采樣和邏輯處理開關磁阻電機的位置信號，同時計算出開關磁阻電機實時速度和位置，將實時數據反饋給DSP;位置檢測電路檢測開關磁阻電機轉子位置信號，并將獲得的位置信號送給CPLD處理；電流檢測調理電路檢測開關磁阻電機三相電流經給CPLD并通過調理后再給DSP;故障檢測采樣開關磁阻電機各相電流、母線電壓、溫度，把磁阻電機的過壓、欠壓、過流、過熱等信息送到CPLD的故障處理模塊進行處理，產生系統故障信號并通過并行接口傳給DSP，DSP通過綜合判斷后做出正確判斷，及時處理，從而保證系統安全。
[0009]所述的CPLD主要包括:A/D電流采樣，位置信號處理和角度解算編碼器模塊，并行通訊接口模塊，邏輯I /〇接口模塊。
[0010]所述的SRD系統采用的閉環控制方式是微步控制和雙閉環控制策略。以(8/6)四相開關磁阻電動機為例，其步進角為15°。采用微步控制策略時，使其通電順序為A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A，S卩八拍為一個周期，則步進角由15°變為7.5°。為了保證恒轉矩，由轉矩型星圖很容易可以看出，兩相同時通電時的電流為一相單獨通電時電流的0.717倍。隨著電機每轉細分步數的增加，電機的步進角則逐漸減小，從而使電機輸出轉矩的平滑性得到了很好的控制，轉矩脈動得到了抑制。開關磁阻電動機微步控制的核心是控制相繞組電流跟蹤給定電流。開關磁阻電機每旋轉一步即向計數器發出一個位置反饋脈沖，計算機根據步進計數器的步數值在計算機存儲器中查詢相應步的兩相繞組的電流給定值，經過D/A轉換并分別與電流傳感器測得的相繞組電流信號相比較，其差通過電流調節器ACR控制功率變換器， 使其輸出脈寬被調制成功率開關信號，從而使實際輸出電流按給定階梯波電流變化。
[0011]本發明的有益效果為:[〇〇12](1)此類DSP用于后臺復雜運算和CPLD用于前臺開關磁阻電機驅動控制的數字化控制器發揮了各自的優勢，改善了傳統單DSP控制器中各類繁瑣中斷與開關磁阻電機實時控制算法復雜程度相制約的缺點，顯著提高了電流采樣頻率并可以使DSP實現復雜的控制策略。[0〇13](2)提供了一種基于以DSP+CPLD為控制核心的新型的開關磁阻電機運動控制系統。控制器采用微步控制策略和電樞電流矢量算法，系統不僅可取得良好的速度控制特性， 同時具有良好的位置控制能力。這種新型的運動控制系統將廣泛地應用于伺服控制領域。【附圖說明】
[0014]圖1為本發明的開關磁阻電機運動控制系統總體結構示意圖。
[0015]圖2為本發明開關磁阻電機運動控制系統微步控制系統框圖。【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖對本發明作進一步介紹:[0〇17]實施例[〇〇18] 如圖1所示，本實施例中，DSP與CPLD通過并行接口通訊，DSP負責實現微步控制和電流矢量算法，并實時讀取CPLD運算出的開關磁阻電機的位置和速度等數據來完成系統的閉環處理，并按照相應控制策略，計算出脈沖寬度調制(P麗)信號周期值和占空比產生PWM 信號，PWM信號經過信號隔離模塊綜合處理后，輸出驅動開關磁阻電機的功率變換器的開通關斷信號，同時，反饋一些電機運行狀態數據給CPLD并通過顯示模塊顯示;CPLD作為協處理器，首先負責完成A/D電流的采樣和邏輯處理開關磁阻電機的位置信號，同時計算出開關磁阻電機實時速度和位置，將實時數據反饋給DSP;位置檢測電路檢測開關磁阻電機轉子位置信號，并將獲得的位置信號送給CPLD處理；電流檢測調理電路檢測開關磁阻電機三相電流經給CPLD并通過調理后再給DSP;故障檢測采樣開關磁阻電機各相電流、母線電壓、溫度，把磁阻電機的過壓、欠壓、過流、過熱等信息送到CPLD的故障處理模塊進行處理，產生系統故障信號并通過并行接口傳給DSP，DSP通過綜合判斷后做出正確判斷，及時處理，從而保證系統安全。圖1中的DSP選用TI公司的TMS320LF2407A芯片，CPLD選用ALTERA公司的MAX7000S系列里面的EPM7064S型號芯片。
[0019]圖2為本發明控制核心采用的控制系統框圖。控制器采用微步控制策略和電樞電流矢量算法，系統不僅可取得良好的速度控制特性，同時具有良好的位置控制能力。這種新型的運動控制系統將廣泛地應用于伺服控制領域。
[0020]以上所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種基于DSP+CPLD的開關磁阻電機運動控制方法，其特征在于:所采用的系統包括 DSP+CPLD核心控制器模塊、功率變換器、位置檢測、故障檢測、電流采集、隔離驅動、串口通 信以及顯示模塊;核心控制器模塊采用的是DSP+CPLD結構，DSP模塊是運動控制器的核心部 分，實現參數計算和控制計算，其底層系統由FLASH存儲器、快速的A/D轉換器、事件管理器、 正交編碼電路接口機多通道緩沖串口組成;CPLD模塊用來實現各種輸入/輸出接口和邏輯 控制，包括譯碼、編碼、數據收發、邏輯控制功能；核心控制器完成驅動電機的控制算法，產 生PWM信號去控制功率變換器電路電機驅動模塊工作;核心控制器CPLD模塊與電流采集模 塊相連，電流采集模塊和電機相連，完成信號的采集;通信模塊連接核心控制器底層DSP控 制器與上位機。2.根據權利要求1所述的基于DSP+CPLD的開關磁阻電機運動控制方法，其特征在于:所 述DSP采用的芯片的型號為TMS320LF2407A。3.根據權利要求1所述的基于DSP+CPLD的開關磁阻電機運動控制方法，其特征在于:所 述CPLD采用的芯片的型號為EPM7064S。4.根據權利要求1所述的基于DSP+CPLD的開關磁阻電機運動控制方法，其特征在于:所 述CPLD模塊用來實現各種輸入/輸出接口和邏輯控制，包括譯碼、編碼、數據收發、邏輯控制 功能。5.根據權利要求1所述的基于DSP+CPLD的開關磁阻電機運動控制方法，其特征在于，通 信模塊采用SCI串口通信傳輸核心控制器底層DSP系統與上位機的交互數據，底層控制器接 收并翻譯上位機的命令數據包。6.根據權利要求1所述的基于DSP+CPLD的開關磁阻電機運動控制方法，其特征在于: CPLD中的ADC模塊對電動機電樞電流進行檢測采集。7.根據權利要求1所述的基于DSP+CPLD的開關磁阻電機運動控制方法，其特征在于:利 用CPLD編碼器模塊采集位置反饋數據，通過總線傳給DSP控制器，DSP采用一種測速算法后 將轉速數據發送給上位機。8.根據權利要求1所述的基于DSP+CPLD的開關磁阻電機運動控制方法，其特征在于:采 用開關磁阻電機微步控制和雙閉環控制策略，核心是控制相繞組電流跟隨給定電流，實現 磁阻電機高性能的速度和位置控制。
【文檔編號】H02P25/092GK105958891SQ201610026814
【公開日】2016年9月21日
【申請日】2016年1月18日
【發明人】劉劍鋒
【申請人】湖南品信生物工程有限公司