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使用FPGA器件实现梯形波马达控制

来源:万方期刊网  时间:2018/11/14 3:00:01  点击:159

  无论目的是为空调系统提供更安静的鼓风机,或者是为电动汽车的动力传动系统在动态变化负载条件下提供更高的效率,永磁同步马达(PMSM或BLDC)控制器的性能和成本目标已日渐变得更具挑战性。因此,设计人员已从简单的开环正弦波驱动和6阶梯形波换向电路,转向更复杂的使用数字信号处理器(DSP),或是采用专用微控制器的闭环控制方法;然而,这些实施方案现在也遇到性能障碍。为实现更高的速度和更快的响应,这些器件正被推向它们的极限。在控制电路中,复杂性和功耗的增加,已开始对所要提供的可靠性和效率提升产生负面影响。

  这里,可定制系统级芯片
  (customizablesystem-on-chip,
  cSoC)可能是一个解决方案。这种器件融合了微控制器、高压模拟接口和FPGA,为提升所有类型的马达控制电路的性能和效率,提供了新的平台。本文探讨实施各种形式的三相马达控制所必需的基本构建模块,采用综合的软件和硬件来扩展性能,同时降低功率并改进总体效率和可靠性。
  为在转子上产生电磁转矩,电流要通过定子绕组。假如,正电压施加在给定的定子端上,绕组相对于转子将呈现北磁极,而其另一端将呈现南磁极。同样地,负电压将呈现相反的极性。在给定的定子极上的磁场强度与在其中通过的电流大小成正比。因而,对于如图1中的转子位置,在Z端的正电压和在Y端的较低电位将在转子上施加顺时针转矩,使得转子向Z绕组转动。如果允许稳定下来,转子将在两个激励绕组的中间停下来,它的北极与90°对齐。梯形波控制
  为梯形波驱动而优化的马达通常被称为直流无刷马达(brushlessDCmotors,BLDC)。这些马达中的定子已经针对绕组电流的高速开关控制进行了优化,能够提供极快响应的动态转矩和速度控制,乃至转子的电子制动。这些马达被称为DC马达,因为即使绕组电流仍然需要在转子的整个转动周期内交替施加,如图2中的开关电路仍然使用直流源来运行驱动电路。
  采用图2中所示的晶体管驱动,对于控制器来说,就有可能单独激励马
  达中的绕组对。例如,使Q6能够对Z相施加+12VDC,同时使Q2能够将Y相连接至地,给定转子位置,如图1所示,在转子上产生顺时针转矩。假如控制器维持此状态,转子将在两个绕组间的中途对齐(90°)。然后,假如Q6关闭(释放转子),且Q4接通,X相将排斥转子,同时Y相吸引转子,所产生的顺时针旋转继续进行,直到转子在这两相间150°对齐。此类以离散步骤控制、转动然后保持转子位置的马达,被称为步进马达。位置。传感器在电气上按60°分开,使一个轴的电气旋转分成6个区域。为持续转动,控制器必须按顺序使每一个绕组/极性组合逐步运行,如图1所示。该顺序被称为6步换向顺序。所示的顺序为顺时针旋转。还有类似的顺序,包括反时针旋转。这两种顺序所需的晶体管状态在表1中列出。
  上的转矩值,其中一个简单的技术是高侧脉宽调制(PWM)。通过在每个换向阶段的部分而不是整个周期上施加绕组电流(转矩),可以减少转子上的平均转矩,因此降低转速。实现这种控制方法,通常使用定时器(软件)或计数器(硬件)来控制占空比或脉冲序列频率,它们为带有换向控制信号的逻辑ANDed,用于上面的驱动晶体管(Q4到Q6)。其结果是产生了绕组电流和转子转矩,如图3所示。
  如图3底部所示,基于PWM转矩控制的负面副作用就是产生了转矩纹波。因为仅在每个换向阶段的部分周期才施加电源,因而在每个PWM脉冲期间,转子将经受大转矩推力,随后为小转矩推力。这些离散推力会给负载下的传动轴带来显著的重复应力。必须仔细理解系统的负载特性并调整PWM类型、最小脉宽(时钟频率)、以及脉冲频率,以便管理转子轴上的扭
  关闭环路
  这里事情开始变得有趣了。许多结构上和实施上的选择存在着关闭马达控制系统中的环路。所做的选择高度依赖于整体系统的性能、可靠性和成本目标。下面的章节揭示了各种方法和相关的权衡。关闭环路的第一步是要产生一个信号,可以量化转子的期望(TARGET)速度和实际速度(CCP)之间的差异。对于大多数控制环路来说,仅通过从期望的TARGET值中减去反馈信号就可实现。这种情况下,因为较低的速度会产生较大的计数;这必须反过来。从CCP中减去TARGET值。以先前的例子,假如期望的转子转速为4000RPM,目标CCP可预先计算为(60×106)/(4000)=15000,则TARGET可设定为
  长的稳定时间。对于具有静负载的系统,或对于在响应负载变化方面非过冲的系统来说,这可能是合适的。

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