基于CPLD的無刷直流電動機軟起動方法

豐利軍，李槐樹，孟光偉

(海軍工程大學，湖北武漢430033)

    摘要：介紹了一種基于CPLD芯片的無刷直流電動機軟起動控制方法，對采用PWM波來減小起動沖擊電流進行了分析與設計。實驗結果證明，采用CPLD芯片控制，既簡單可靠，又有較強的實用性。

    關鍵詞：無刷直流電動機；復雜可編程邏輯控制器件；軟起動

    中圖分類號：TM33  文獻標識碼：A  文章編號：1004—7018(2008)01—0006—02

0引言

    目前，無刷直流電動機的控制系統主要采用DSP芯片來實現。但對于礦山、機械、艦船上常用的風機、水泵、空氣壓縮機等輔機來說，在日常運行中，并不需要有調速要求，僅僅要求電動機能平滑起動，并帶動負載正常運行即可^[1]。

    本文采用CPLD便可實現無刷直流電動機的軟起動過程，能夠有效降低電機起動時的沖擊電流和轉矩脈動，確保電網和生產機械的安全穩定運行。

1采用PWM波軟起動的原理

    在傳統的由直流母線電壓依次導通各開關管的基礎上，給各開關管驅動信號加上占空比逐漸增大的PWM波，以減小起動過程中的過大沖擊電流。

    設穩態時IGBT開關頻率為f，電機轉速為n。，電機極對數為P，直流母線電壓為Us，在一個周期內，每個IGBT開通時間為，將其分為m等份，則，取其為CPLD工作的時鐘周期，起始占空比為D₁。如圖1所示，在t。～t₁區間內，由三相無刷直流電動機數學模型可知：

而剛起動時反電勢(2k。ω)很小，可忽略。可計算得：

其中：在t₁～t₂區間內主回路處于放電狀態，計算得：

此后，重復上述過程，當占空比增加至D。時，計算得：

i_maxn>i_max(n-1)。假設此時電機轉速為n₁，反電勢不可忽略，不考慮換相過程的影響，則：

    起動過程中，IGBT開關頻率為圖11-----m越大,f₂越高，則i_maxn．越小，即對抑制起動電流有利，同時較高的開關頻率降低了電流的波動。

    D_n越大，則i_maxn也越大，而D₁通常取百分之10～百分之20(空載)，由圖，Dn由占空比增長率k決定，t_n由起動總時間決定。

    為此，在起動總時間、軟起動****允許電流確定之后，應當增大m，減小D₁，增大k。

2控制系統設計

2．1軟件系統設計

    對于本系統，采用Ahera公司****開發的Quar-tusⅡ設計軟件。cPLD使用硬件描述語言(VeilogHDL)進行器件編程。

    CPLD控制原理是：控制器上電后，CPLD根據三個霍爾位置信號，產生相應的六個輸出信號；與此同時，產生占空比逐漸增大的矩形波PwM信號(占空比增加至1的總時間因各電機負載情況不同而異)，將兩組信號分別進行邏輯與操作，再由芯片輸出作為六只IGBT的驅動觸發信號。如圖2