一種基于dsp+cpld的開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)動控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于DSP+CPLD的開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)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(qū)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(jié)構(gòu)，DSP模塊是運(yùn)動控制器的核心部分，實(shí)現(xiàn)參數(shù)計算和控制計算，其底層系統(tǒng)由FLASH存儲器、快速的A/D轉(zhuǎn)換器、事件管理器、正交編碼電路接口機(jī)多通道緩沖串口等外設(shè)組成；CPLD模塊用來實(shí)現(xiàn)各種輸入/輸出接口和邏輯控制，包括譯碼、編碼、數(shù)據(jù)收發(fā)、邏輯控制等功能；核心控制器完成驅(qū)動電機(jī)的控制算法，產(chǎn)生PWM信號去控制功率變換器電路電機(jī)驅(qū)動模塊工作。該發(fā)明顯著提高了電流采樣頻率并可以使DSP實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制策略。
【專利說明】
一種基于DSP+CPLD的開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)動控制方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001 ]本發(fā)明涉及了一種基于DSP+CPLD的開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)動控制方法，屬于電機(jī)控制系統(tǒng)。【背景技術(shù)】
[0002] 開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)(Switched Reluctance Drive:SRD)是繼變頻調(diào)速系統(tǒng)、無刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)之后發(fā)展起來的最新一代無級調(diào)速系統(tǒng)，是集現(xiàn)代微電子技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、電力電子技術(shù)、紅外光電技術(shù)及現(xiàn)代電磁理論、設(shè)計和制作技術(shù)為一體的光、 機(jī)、電一體化高新技術(shù)。它具有調(diào)速系統(tǒng)兼具直流、交流兩類調(diào)速系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)。英、美等經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)國家對開關(guān)磁阻電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的研究起步較早，并已取得顯著效果，產(chǎn)品功率等級從數(shù)W直到數(shù)百KW，廣泛應(yīng)用于家用電器、航空、航天、電子、機(jī)械及電動車輛等領(lǐng)域。[〇〇〇3] 開關(guān)磁阻電機(jī)(Switched Reluctance Machine:SRM)又稱為電流調(diào)節(jié)步進(jìn)電動機(jī)，其結(jié)構(gòu)和感應(yīng)式步進(jìn)電動機(jī)相類似，只是定子磁極對數(shù)和轉(zhuǎn)子磁極對數(shù)不相等。定子繞組可以是三相也可以是四相，由于電磁轉(zhuǎn)矩僅由定轉(zhuǎn)子磁阻產(chǎn)生，因此每相繞組只需一個功率器件，即可產(chǎn)生所需轉(zhuǎn)矩。由于結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)動慣量高，開關(guān)磁阻電機(jī)可實(shí)現(xiàn)高速驅(qū)動，非常適合運(yùn)動控制系統(tǒng)。
[0004]采用以DSP+CPLD為控制核心的數(shù)字控制技術(shù)，可以大大降低控制器的元件數(shù)量， 提高系統(tǒng)的可靠性;數(shù)字化控制器的調(diào)試、參數(shù)整定非常靈活，且性能隨環(huán)境的漂移非常小;數(shù)字控制器可以方便的實(shí)現(xiàn)故障診斷，在開機(jī)時通過掃描系統(tǒng)中各個主要部件的基于開關(guān)磁阻電機(jī)的電動執(zhí)行器研究與設(shè)計健康狀態(tài)，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(tǒng)維修速度，提高運(yùn)行率，降低損失;數(shù)字處理器使得系統(tǒng)的接口異常豐富，可以輕松的和上位機(jī)通訊，實(shí)現(xiàn)諸如分布式控制等先進(jìn)的結(jié)構(gòu)。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為了解決上述問題，提出了一種基于DSP+CPLD數(shù)字化開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速的運(yùn)動控制系統(tǒng)。通過數(shù)字信號處理器(DSP)和復(fù)雜可編程邏輯器件(CPLD)兩者的結(jié)合，大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，使得系統(tǒng)的完全數(shù)字化控制成為可能，完全解決了開關(guān)磁阻電機(jī)調(diào)速性能要求。和傳統(tǒng)設(shè)計相比，既充分發(fā)揮DSP在高速數(shù)據(jù)處理和復(fù)雜運(yùn)算與優(yōu)化上的優(yōu)勢，又充分發(fā)揮了CPLD的數(shù)據(jù)采集和處理的能力，實(shí)現(xiàn)了控制可靠，調(diào)速范圍寬，控制靈活，高效節(jié)能，電路簡單集成度高，便于系統(tǒng)升級維護(hù)等目的。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案:[〇〇〇7] 一種基于DSP+CPLD的開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)動控制方法，所采用的系統(tǒng)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(qū)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(jié)構(gòu)，DSP模塊是運(yùn)動控制器的核心部分，實(shí)現(xiàn)參數(shù)計算和控制計算，其底層系統(tǒng)由FLASH存儲器、快速的A/D轉(zhuǎn)換器、事件管理器、正交編碼電路接口機(jī)多通道緩沖串口等外設(shè)組成;CPLD模塊用來實(shí)現(xiàn)各種輸入/輸出接口和邏輯控制，包括譯碼、編碼、數(shù)據(jù)收發(fā)、邏輯控制等功能；核心控制器完成驅(qū)動電機(jī)的控制算法，產(chǎn)生PWM信號去控制功率變換器電路電機(jī)驅(qū)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(jī)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(jī)。
[0008]在所述的技術(shù)方案中，DSP與CPLD通過并行接口通訊，DSP負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)微步控制和電流矢量算法，并實(shí)時讀取CPLD運(yùn)算出的開關(guān)磁阻電機(jī)的位置和速度等數(shù)據(jù)來完成系統(tǒng)的閉環(huán)處理，并按照相應(yīng)控制策略，計算出脈沖寬度調(diào)制(P麗)信號周期值和占空比產(chǎn)生P麗信號，PWM信號經(jīng)過信號隔離模塊綜合處理后，輸出驅(qū)動開關(guān)磁阻電機(jī)的功率變換器的開通關(guān)斷信號，同時，反饋一些電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)給CPLD并通過顯示模塊顯示；CPLD作為協(xié)處理器，首先負(fù)責(zé)完成A/D電流的采樣和邏輯處理開關(guān)磁阻電機(jī)的位置信號，同時計算出開關(guān)磁阻電機(jī)實(shí)時速度和位置，將實(shí)時數(shù)據(jù)反饋給DSP;位置檢測電路檢測開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號，并將獲得的位置信號送給CPLD處理；電流檢測調(diào)理電路檢測開關(guān)磁阻電機(jī)三相電流經(jīng)給CPLD并通過調(diào)理后再給DSP;故障檢測采樣開關(guān)磁阻電機(jī)各相電流、母線電壓、溫度，把磁阻電機(jī)的過壓、欠壓、過流、過熱等信息送到CPLD的故障處理模塊進(jìn)行處理，產(chǎn)生系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)采用的閉環(huán)控制方式是微步控制和雙閉環(huán)控制策略。以(8/6)四相開關(guān)磁阻電動機(jī)為例，其步進(jìn)角為15°。采用微步控制策略時，使其通電順序?yàn)锳-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A，S卩八拍為一個周期，則步進(jìn)角由15°變?yōu)?.5°。為了保證恒轉(zhuǎn)矩，由轉(zhuǎn)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(dú)通電時電流的0.717倍。隨著電機(jī)每轉(zhuǎn)細(xì)分步數(shù)的增加，電機(jī)的步進(jìn)角則逐漸減小，從而使電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩的平滑性得到了很好的控制，轉(zhuǎn)矩脈動得到了抑制。開關(guān)磁阻電動機(jī)微步控制的核心是控制相繞組電流跟蹤給定電流。開關(guān)磁阻電機(jī)每旋轉(zhuǎn)一步即向計數(shù)器發(fā)出一個位置反饋脈沖，計算機(jī)根據(jù)步進(jìn)計數(shù)器的步數(shù)值在計算機(jī)存儲器中查詢相應(yīng)步的兩相繞組的電流給定值，經(jīng)過D/A轉(zhuǎn)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(diào)節(jié)器ACR控制功率變換器， 使其輸出脈寬被調(diào)制成功率開關(guān)信號，從而使實(shí)際輸出電流按給定階梯波電流變化。
[0011]本發(fā)明的有益效果為:[〇〇12](1)此類DSP用于后臺復(fù)雜運(yùn)算和CPLD用于前臺開關(guān)磁阻電機(jī)驅(qū)動控制的數(shù)字化控制器發(fā)揮了各自的優(yōu)勢，改善了傳統(tǒng)單DSP控制器中各類繁瑣中斷與開關(guān)磁阻電機(jī)實(shí)時控制算法復(fù)雜程度相制約的缺點(diǎn)，顯著提高了電流采樣頻率并可以使DSP實(shí)現(xiàn)復(fù)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(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)?？刂破鞑捎梦⒉娇刂撇呗院碗姌须娏魇噶克惴?，系統(tǒng)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(yùn)動控制系統(tǒng)將廣泛地應(yīng)用于伺服控制領(lǐng)域?！靖綀D說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2為本發(fā)明開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)動控制系統(tǒng)微步控制系統(tǒng)框圖?！揪唧w實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步介紹:[0〇17]實(shí)施例[〇〇18] 如圖1所示，本實(shí)施例中，DSP與CPLD通過并行接口通訊，DSP負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)微步控制和電流矢量算法，并實(shí)時讀取CPLD運(yùn)算出的開關(guān)磁阻電機(jī)的位置和速度等數(shù)據(jù)來完成系統(tǒng)的閉環(huán)處理，并按照相應(yīng)控制策略，計算出脈沖寬度調(diào)制(P麗)信號周期值和占空比產(chǎn)生PWM 信號，PWM信號經(jīng)過信號隔離模塊綜合處理后，輸出驅(qū)動開關(guān)磁阻電機(jī)的功率變換器的開通關(guān)斷信號，同時，反饋一些電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)給CPLD并通過顯示模塊顯示;CPLD作為協(xié)處理器，首先負(fù)責(zé)完成A/D電流的采樣和邏輯處理開關(guān)磁阻電機(jī)的位置信號，同時計算出開關(guān)磁阻電機(jī)實(shí)時速度和位置，將實(shí)時數(shù)據(jù)反饋給DSP;位置檢測電路檢測開關(guān)磁阻電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號，并將獲得的位置信號送給CPLD處理；電流檢測調(diào)理電路檢測開關(guān)磁阻電機(jī)三相電流經(jīng)給CPLD并通過調(diào)理后再給DSP;故障檢測采樣開關(guān)磁阻電機(jī)各相電流、母線電壓、溫度，把磁阻電機(jī)的過壓、欠壓、過流、過熱等信息送到CPLD的故障處理模塊進(jìn)行處理，產(chǎn)生系統(tǒng)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(tǒng)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(fā)明控制核心采用的控制系統(tǒng)框圖?？刂破鞑捎梦⒉娇刂撇呗院碗姌须娏魇噶克惴?，系統(tǒng)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(yùn)動控制系統(tǒng)將廣泛地應(yīng)用于伺服控制領(lǐng)域。
[0020]以上所述是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1.一種基于DSP+CPLD的開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)動控制方法，其特征在于:所采用的系統(tǒng)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(qū)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(jié)構(gòu)，DSP模塊是運(yùn)動控制器的核心部 分，實(shí)現(xiàn)參數(shù)計算和控制計算，其底層系統(tǒng)由FLASH存儲器、快速的A/D轉(zhuǎn)換器、事件管理器、 正交編碼電路接口機(jī)多通道緩沖串口組成;CPLD模塊用來實(shí)現(xiàn)各種輸入/輸出接口和邏輯 控制，包括譯碼、編碼、數(shù)據(jù)收發(fā)、邏輯控制功能；核心控制器完成驅(qū)動電機(jī)的控制算法，產(chǎn) 生PWM信號去控制功率變換器電路電機(jī)驅(qū)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(jī)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(jī)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DSP+CPLD的開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)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(jù)權(quán)利要求1所述的基于DSP+CPLD的開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)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(jù)權(quán)利要求1所述的基于DSP+CPLD的開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)動控制方法，其特征在于:所 述CPLD模塊用來實(shí)現(xiàn)各種輸入/輸出接口和邏輯控制，包括譯碼、編碼、數(shù)據(jù)收發(fā)、邏輯控制 功能。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DSP+CPLD的開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)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(tǒng)與上位機(jī)的交互數(shù)據(jù)，底層控制器接 收并翻譯上位機(jī)的命令數(shù)據(jù)包。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DSP+CPLD的開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)動控制方法，其特征在于: CPLD中的ADC模塊對電動機(jī)電樞電流進(jìn)行檢測采集。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DSP+CPLD的開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)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(shù)據(jù)，通過總線傳給DSP控制器，DSP采用一種測速算法后 將轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于DSP+CPLD的開關(guān)磁阻電機(jī)運(yùn)動控制方法，其特征在于:采 用開關(guān)磁阻電機(jī)微步控制和雙閉環(huán)控制策略，核心是控制相繞組電流跟隨給定電流，實(shí)現(xiàn) 磁阻電機(jī)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(fā)明人】劉劍鋒
【申請人】湖南品信生物工程有限公司