请问怎样去设计无刷直流电机？

　　直流无刷电机广泛应用于计算机外围设备、数控机床、机器人、伺服系统、汽车、家电等领域。本文介绍的电机驱动威廉希尔官方网站 就是某稳定平台的角度伺服控制回路的驱动部分。本文中设计的基于CPLD的电机驱动威廉希尔官方网站 ，充分利用cPLD的硬件可编程和实现逻辑运算方便的特点，用一片CPLD代替原有十几片逻辑门和一部分模拟威廉希尔官方网站 。采用VHDL语言编程实现相关逻辑。利用CPLD在线可编程的特点，可以很方便的对系统进行调试。
　　1 无刷直流电机的驱动原理
　　直流无刷电动机是由电动机本体、转子位置传感器和电子开关威廉希尔官方网站 组成一个闭环系统。与一般的有刷电机不同，他的定子为电枢绕组，转子采用永磁体。本文介绍的电动机采用了3相Y型联结的全控威廉希尔官方网站 ，其基本构成如图1所示。
　　
　　其电子开关威廉希尔官方网站 为6个IGBT组成的三相逆变威廉希尔官方网站 。直流无刷电机驱动威廉希尔官方网站 的作用就是对来自电机转子位置传感器的位置信号、来自外部的PWM控制信号以及其他控制信号采样并进行译码，使A，B，C三相绕组能按要求的顺序导通，实现定子绕组的正确换相，从而使电机正常运行。在实际应用中还要对电机的过压、欠压、过流、过热保护等进行设计。并按要求进行光电隔离和基极驱动威廉希尔官方网站 设计。
　　2 系统总体方案设计
　　电动机驱动威廉希尔官方网站 包括3个部分，即：
　　（1）CPLD核心控制威廉希尔官方网站 ；
　　（2）驱动及隔离威廉希尔官方网站 ；
　　（3）IPM接口威廉希尔官方网站 ；其系统框图如图2所示。
　　
　　3 硬件威廉希尔官方网站 设计
　　3.1 CPLD控制威廉希尔官方网站
　　该部分是电动机驱动威廉希尔官方网站 的核心部分见图3，其信号采集、换相译码、死区发生器设计以及故障处理均由该部分完成。采集的信号有：电机控制器的PWM信号；正反转控制信号；经过整形的电机的霍尔位置传感器的位置信号；来自IPM模块的电机的欠压、过压、过流、过热等故障检测信号。这些信号输入到CPLD后，通过CPLD的软件实现换相译码、编程死区和电机保护逻辑，最后输出控制信号UP，VP，WP，UN，VN，WN到IPM的三相逆变威廉希尔官方网站 。控制电机的三相电枢正确换相，从而使电机正常运行。
　　霍尔传感器信号的整形威廉希尔官方网站 如图4所示：
　　
　　采用4路精密电压比较器LM339完成。对来自霍尔传感器的信号进行整形，并对输出到CPLD的信号加滤波电容滤波。
　　3.2 驱动隔离威廉希尔官方网站
　　驱动隔离威廉希尔官方网站 包括光电隔离威廉希尔官方网站 和基极驱动威廉希尔官方网站 。
　　光电隔离威廉希尔官方网站 的作用是实现CPLD控制威廉希尔官方网站 与IPM模块之间的电气隔离。隔离信号有2部分：
　　（1）CPLD输出到IPM模块的UP等控制信号；
　　（2）IPM反馈给CPLD的电机故障诊断信号F1，F2，F3，F4；
　　UP等信号的电气隔离采用高速光电耦合芯片6N137，该芯片的最大延迟时间为75 ns。可实现3 000 VDC的高电压隔离，适合于电气控制场合。IPM反馈给CPLD信号的电气隔离由光电耦合芯片4N25完成，如图5所示。
　　
　　基极驱动威廉希尔官方网站 采用9014三极管，并使三极管工作在开关状态。增加控制信号的驱动能力，并最终输出控制电压给IPM模块的三相逆变威廉希尔官方网站 。如图6所示：
　　
　　3.3 IPM接口威廉希尔官方网站 设计
　　IPM（智能功率模块）将多个IGBT集成到一起，广泛应用于无噪声逆变器、低噪声UPS和伺服控制器中。一般含有栅极驱动、短路保护、过压、过流保护等。本文采用三菱电机生产的PM75CSA120的IPM模块实现驱动电机所需的三相逆变威廉希尔官方网站 。他内部集成6只IGBT，每2只对应电机的一相。其额定负载电流为75 A，额定控制电压为1 200 V。另外还集成过流、过热、欠压、短路等故障检测威廉希尔官方网站 ，其示意图如图7所示。
　　
　　出现故障时，IPM会将检测信号FO送到CPLD进行处理，采取相应的措施，提高系统的可靠性。
　　IPM工作需要单独的电源供电，与控制威廉希尔官方网站 电源严格分开。其中上桥臂的3个IGBT各自需要1路电源，下桥臂的3个IGBT共用1个电源，这样就需要4路电源。其电源模块的威廉希尔官方网站 如图8所示。
　　智能功率模块将功率电子器件和驱动威廉希尔官方网站 集成到一起，并且内藏有故障检测威廉希尔官方网站 ，不仅体积小，而且可靠性高。
　　4 系统软件设计
　　4.1 软件构架设计
　　CPLD的软件采用VHDL语言编程实现。软件模块间的程序并行执行，没有程序流程图，只能用程序架构表示。CPLD的软件主要有电机的换相译码、死区发生器设计、故障处理和PWM与转向控制等功能，其软件构架如图9所示。
　　
　　4.2 换相译码程序设计
　　换相译码器的作用是根据当前位置信号和PWM控制信号以及转向控制信号Q，确定出UP，VP，WP，UN，VN，WN的相应值。需要实现的逻辑表达式为：
　　
　　4.3 死区发生器设计
　　为防止三相逆变威廉希尔官方网站 上下桥臂的IGBT产生“共态导通”的现象，导致短路。需要给IGBT的控制信号的上升沿设置死区，使其在一段延时之后才真正达到高电平。
　　死区发生器设计采用饱和计数器的方式，类似于电容的充放电过程，需产生如图10所示的时序。其规则为：
　　（1）当UP_IN输入为0时，如果计数值T等于0，则计数值T保持不变，否则作减1计数；
　　（2）当UP_IN输入为1时，如果计数值T等于max，则计数值T保持不变，否则做加1计数；
　　（3）当输入为1且死区计数器数值T为MAX时，UP=1对应IGBT导通；
　　（4）当死区计数器数值在0～MAX之间时，UP=0，对应IGBT关闭；
　　下面为死区时间为N个时钟周期的VHDL程序，程序的运行结果如下。
　　
　　
　　4.4 IPM故障处理
　　在系统中故障检测信号的处理是把信号引入到CPLD中，然后UP实现的逻辑后输出，既保证IPM出现故障时，UP无输出，又保证UP与UN的反逻辑。
　　5 结 语
　　介绍一种采用CPLD做核心控制器的无刷直流电动机的驱动威廉希尔官方网站 的设计。实现电机驱动所需的换相逻辑、电机运行故障处理以及可以灵活设置死区时间的死区发生器。该电机驱动威廉希尔官方网站 可以用于高精度的伺服控制系统中。