【正文】 Simulink 介紹 Simulink 是一個(gè)軟件包，運(yùn)行在 MATLAB 的基礎(chǔ)之上。 實(shí)現(xiàn)方案如下： （ 1）系統(tǒng)時(shí)鐘分頻器可由對(duì)系統(tǒng)時(shí)鐘計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)器構(gòu)造。 由電機(jī)學(xué)可知，一臺(tái) BLDC 電機(jī)可由如下物理參數(shù)定義：各相繞組內(nèi)阻 R（Ω）、各相繞組電感 L（ H）、逆感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)系數(shù) ek (V/rad/s)、電磁轉(zhuǎn)矩系數(shù) tk （ ）、粘性阻尼系數(shù) B（ (rad/s)）、轉(zhuǎn)動(dòng)慣 量 J（ ）、和電機(jī)磁極數(shù) P。 24 CPLD 主控 主控 CPLD 芯片采用 Lattice 公司的 MACH4 系列芯片： M432/327VC（ TQFP44）。它內(nèi)部集成了一個(gè)固定的振蕩器，只需極少外圍器件便可構(gòu)成一種高 效（約 ％80 ）的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路，一般情況下不需散熱片；內(nèi)部有完善的保護(hù)電路，包括電流限制及熱關(guān)斷電路等電路；芯片還可提供外部控制引腳。所以下面只對(duì)其中一個(gè)做分析。 16 逆變電路 MOS 管的過(guò)流保護(hù)電路 由于此 BLDC 控制器，在實(shí)際的應(yīng)用中存在逆變橋功率輸出線短接等的安全隱患。詳見(jiàn)逆變電路 MOS 管的過(guò)流保護(hù)電路。 2） MOS 管的驅(qū)動(dòng) 在選擇全 N 溝道 MOSFET 后，由其工作特性可知，當(dāng)給柵源極間加一個(gè)正向電壓，并且其值超過(guò)數(shù)據(jù)手冊(cè)上的閾值電壓 GSV （以 IRFP2907 為例， 100A 的導(dǎo)通飽和電流對(duì)應(yīng) VVGS 5? ）時(shí) , 場(chǎng)效應(yīng)管的 D極和 S 極就會(huì)導(dǎo)通 (IV特性曲線 )，且一般 N 型功率型場(chǎng)效應(yīng)管的閾值電壓都會(huì)在 3~20V 之間。 逆變電路的驅(qū)動(dòng)電路：弱電控制強(qiáng)電，接收 CPLD 主控芯片對(duì)于各功率管的控制信號(hào) ，生成相應(yīng)的信號(hào)驅(qū)動(dòng)對(duì)應(yīng)的三相橋的功率管。采用 MOSFET 和 IGBT 之后，開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)幾十千赫茲以上。因此，如果考 慮到控制器今后的軟硬件設(shè)計(jì)功能要求，可使用 CPLD、 FPGA、單片機(jī)或 DSP等對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行控制，該類控制器具有功能完善和控制靈活等特點(diǎn)，當(dāng)然相應(yīng)的成本可能會(huì)比專用集成電路控制器高。但相對(duì)傳統(tǒng)無(wú)位置傳感器控制方式而言，算法復(fù)雜程度和運(yùn)算時(shí)間較大。實(shí)際設(shè)計(jì)中，依靠檢測(cè)浮空相的端電壓得到反電動(dòng)勢(shì)過(guò)零點(diǎn)，在過(guò)零點(diǎn)之后 30176。通過(guò)換向器與電刷連續(xù)依次的開(kāi)關(guān)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)對(duì)特定位置的線圈繞組的通電，而獲得恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，使得電機(jī)能夠連續(xù)旋轉(zhuǎn)。 國(guó)內(nèi)外 研究 現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 無(wú)刷直流電機(jī)簡(jiǎn)介 無(wú)刷直流電機(jī)按照工作特性，可以分為兩大類： （ 1）具有直流電機(jī)特性的無(wú)刷直流電機(jī)（ BLDC） 反電動(dòng)勢(shì)波形和供電電流波形都是矩形波的電機(jī)，稱為矩形波同步電機(jī)，又稱無(wú)刷直流電機(jī)。 本文提出了一種基于 CPLD 的無(wú)刷直流電機(jī)控制器。重點(diǎn)分析了控制器的硬件電路組成及其工作原理。這類電機(jī)由直流電源供電，借助位置傳感器來(lái)檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位2 置，由所檢測(cè)出的信號(hào)去觸發(fā)相應(yīng)的電子換相線路，以實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸換相。 在無(wú)刷直流永磁電機(jī)中，電樞繞組被設(shè)置在定子上，永磁體磁極被設(shè)置在轉(zhuǎn)子上。電角度即為換相時(shí)刻。 采用無(wú)位置傳感器控制的無(wú)刷直流電機(jī)，較難直接啟動(dòng)。 CPLD 可以用 VHDL 或 Verilog 語(yǔ)言來(lái)編程，具有靜態(tài)可重復(fù)編程和動(dòng)態(tài)在線系統(tǒng)重構(gòu)的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣可通過(guò)編程來(lái)修改。這樣，不論是電磁噪聲還是電流波形都能得到 改善。 逆變電路的保護(hù)電路：采樣檢測(cè)流過(guò) MOS功率管的電流，防止由于某種原因而使功率管過(guò)流燒毀。 依舊以 AB 相導(dǎo)通為例，此時(shí) Q1和 Q4 管導(dǎo)通，一般場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻 onR都在毫歐級(jí)，所以 B點(diǎn)的電位近似為 0V， A點(diǎn)的電位就近似為 VCC。 逆變電路 MOS 管的驅(qū)動(dòng)電路 MOSFET的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)不當(dāng)， MOSFET很容易損壞。從而存在燒毀控制器 MOS 管的可能。 查三端可調(diào)穩(wěn)壓管 LM431 的 datesheet 得： VVREF ? ， 所以當(dāng)： REFFAULT VV ?2_ ? AVVR VVIONFRE F ??????? （ 8） 時(shí)， Protect 信號(hào)被光耦管拉地，輸出過(guò)流報(bào)警信號(hào)給 CPLD。是傳統(tǒng)線性三端式穩(wěn)壓集成電路（如 7805）的理想替代產(chǎn)品。 其主要 參數(shù)如下： 工作電壓： 5V（兼容 ） 邏輯宏單元： 32個(gè) I/O 口： 32個(gè) 管腳延時(shí) PDt ： 主頻： 111MHz JTAG 口：兼容 5V 在系統(tǒng)編程 實(shí)際應(yīng)用的電路原理圖，如下圖 223 所示： 圖 223 CPLD核心板 其中采用 100MHz 的貼片有源晶振。而一臺(tái)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)可由以下變量描述：電機(jī)的機(jī)械狀態(tài)有轉(zhuǎn)速ω（ rad/s）、轉(zhuǎn)角θ（ rad）、轉(zhuǎn)矩 T（ ）；電機(jī)的電氣狀態(tài)有，相電壓 V_a、 V_b、 V_c（ V）和相電流 I_a、 I_b、 I_c（ A）。設(shè)定計(jì)數(shù)器的初始值，使得實(shí)際計(jì)數(shù)值與目標(biāo)轉(zhuǎn)速信號(hào)大小相對(duì)應(yīng)，并判斷計(jì)數(shù)器的最高位是否置 1，即可獲得所需 PWM 的高電平時(shí)間。利用 Simulink，可以搭建很多領(lǐng)域的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)，包括電子、機(jī)械和熱力學(xué)系統(tǒng) [14]。 任務(wù) 5：系統(tǒng)狀態(tài) LED 顯示 CPLD 刷新 LED，顯示當(dāng)前系統(tǒng)狀態(tài)。即所謂的上端 MOS PWM 驅(qū)動(dòng)，下端完全導(dǎo)通的電機(jī)控制方式。 控制器所要完成的任務(wù) 本 BLDC 控制器應(yīng)用于類似于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)自行車電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合。實(shí)際方案中都采用了100uF/50V 直插鋁電解電容。 LM2575 系列 (LM1575,LM2575HV)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓集成芯片是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 1A 集成穩(wěn)壓芯片。不難發(fā)現(xiàn)這兩部分都只工作在對(duì)應(yīng) MOS 管的導(dǎo)通階段（是我們所希望的），而在此時(shí)， 11_ VSHBV ? 的電壓約恒等于 15V，故這個(gè)子模塊的兩部分的工作狀況完全等效。這使得 上端 MOS管滿足大電流導(dǎo)通要求。 MOS 管外圍的其他的元器件，是 MOS管過(guò)流保護(hù)模塊的對(duì)流過(guò) MOS 管電流 值14 的采樣電路。實(shí)際選用的型號(hào)為 IRFP2907。 9 第 2 章 控制器硬件電路設(shè)計(jì) 電路的總體結(jié)構(gòu) 控制器硬件電路的模塊劃分如下圖 21： 三相橋逆變電路：采用 MOS 三相全橋驅(qū)動(dòng)，采用二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)驅(qū)動(dòng)方式。 3） 綠色 PWM 控制及其高效化 無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)采用功率晶體管驅(qū)動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路的開(kāi)關(guān)頻率一般在2~5kHz，該頻率范圍內(nèi)引起的噪聲在人耳聲頻范圍之內(nèi)，不利于人的身體健康。專用集成電路控6 制器具有，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高、外圍器件比分立式控制器少的優(yōu)點(diǎn)，但在使用時(shí)也會(huì)受到一定的限制，功能擴(kuò)展性不好，很難進(jìn)行產(chǎn)品升級(jí)等操作。 （ 8）智能估計(jì)法：利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模糊控制等智能算法，建立電機(jī)的電壓、電流和轉(zhuǎn)子位置信號(hào)之間的關(guān)系式，其控制精度較高。 轉(zhuǎn) 子 位 置 間 接 檢 測(cè) 法反電勢(shì)法電感法續(xù)流二極管法磁鏈法觀測(cè)器估計(jì)法變電機(jī)結(jié)構(gòu)法智能估計(jì)法 圖 12 轉(zhuǎn)子位置間接檢測(cè)法 （ 1）反電勢(shì)法：其原理是轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，會(huì)在 定子繞組上感應(yīng)出反電動(dòng)勢(shì)，該反電動(dòng)勢(shì)的相位反映轉(zhuǎn)子位置信息，進(jìn)而通過(guò)檢測(cè)反電動(dòng)勢(shì)信號(hào)即可間接得到轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。 無(wú)刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)： 在有刷直流永磁電動(dòng)機(jī)中，定子主要由永 磁體磁極、導(dǎo)磁軛和電刷構(gòu)件組成，轉(zhuǎn)子主要由電樞繞組和換向器所組成。但隨著無(wú)刷直流電機(jī)的各種控制方法正日趨成熟，特別是大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 FPGA、 CPLD 的出現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)這些要求提供了可能，本課題便是基于這一背景而提出的。但隨著無(wú) 刷直流電機(jī)的各種控制方法正日趨成熟，特別是大規(guī)?，F(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列 FPGA、 CPLD 的出現(xiàn)，為實(shí)現(xiàn)這些要求提供了可能，本課題便是基于這一背景而提出的。并進(jìn)一步繪制了控制器的 PCB 板。所以這種無(wú)刷電機(jī)具有有刷直流電機(jī)的各種運(yùn)行特性。轉(zhuǎn)子永磁體磁場(chǎng)相對(duì)于定子各項(xiàng)電樞繞組的位置，由轉(zhuǎn)子位置傳感器所感知。其原理簡(jiǎn)單、實(shí)現(xiàn)方便、應(yīng)用廣泛。因此這種電機(jī)的啟動(dòng)方式將始終是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn) [4]。典型的以 DSP為控制核心的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)如下圖 13 所示。因此，利用軟開(kāi)關(guān)等新技術(shù)，來(lái)降低開(kāi)關(guān)損耗、增加開(kāi)關(guān)壽命，并在保證系統(tǒng)效率不變或提高的前提下，提高驅(qū)動(dòng)電路的開(kāi)關(guān)頻率可實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的綠色化 PWM 控制 [3]17。 CPLD：系統(tǒng)的主控芯片及其基本外設(shè) 電源管理：把總電源變換成各模塊需要的額定工作電壓，分配給各個(gè)模塊；并包含對(duì)電源的過(guò)壓和欠壓檢測(cè)電路。這就使得要驅(qū)動(dòng)這兩個(gè) MOS 管， Q1 管的柵極電壓要大于（ GSVVCC? ）， Q4 管的柵極電壓要大于 GSV 。采用成熟的驅(qū)動(dòng)控制芯片IR2181S組成的電路 ，可有效簡(jiǎn)化系統(tǒng)的復(fù)雜性。故引入逆變電路 MOS管的過(guò)流保護(hù)電路，是很有必要的。 電路細(xì)節(jié)分析： （ 1） 2_FAULTV 信號(hào)經(jīng)過(guò) RC濾波器傳遞到 LM431 控制端口。 每一種產(chǎn)品 系列均提供 、 5V、 12V、 15V 及可調(diào)（ ADJ）等多個(gè)電壓檔次產(chǎn)品。 人機(jī)接口 1）控制器狀態(tài)顯示電路： 系統(tǒng)中還包括 LED 狀態(tài)顯示電路，其原理圖如下圖 224 所示： 25 1KR391KR401KR411KR421KR381 2DS1RED LED1 2DS2GREEN LED1 2DS3GREEN LED1 2DS4RED LED1 2DS5RED LEDOVER_VoltageLACK_VOUTNOMALF/ROVER_C狀態(tài)顯示OVER_V 圖 224 控制器狀態(tài)顯示電路 其包括逆變橋 MOS 管 過(guò)流（紅色）、電機(jī)正反轉(zhuǎn)（綠色）、系統(tǒng)正常（綠色）、控制器電源過(guò)壓（紅色）和控制器電源欠壓（紅色） LED 顯示功能。而這些運(yùn)動(dòng)參數(shù)并不是完全相互獨(dú)立的，電機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)方程描述了這些變量間的關(guān)系。用同樣 的方法構(gòu)造低電平時(shí)間，拼成一個(gè)完整的 PWM 周期。 其與用戶的交互接口是模型圖形，這使得用戶可以把更多的精力投入到系統(tǒng)模型的構(gòu)建，而非底層算法的編程上。 這可有效防止因負(fù)載電路故障而燒毀 MOS 管，或已經(jīng)燒毀一個(gè)而繼續(xù)燒毀其余 MOS 管的情況。并最終通過(guò)把此 PWM 波加載到逆變橋?qū)ǖ纳隙?MOS管的門(mén)極上，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)相電壓大小的控制。 31 第 3 章 控制算法設(shè)計(jì) 控制算法 下面從控制器的硬件結(jié)構(gòu)和應(yīng)用場(chǎng)合出發(fā)，來(lái)分析說(shuō)明控制器如何來(lái)完成所肩負(fù)的任務(wù)。 （ 4）輸入電容的選擇 在芯片輸入端接一個(gè)鋁或膽電容，有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。其中門(mén)限電源電壓為： KK KVS 1018 18511max ??? VVS ?? （ 11） KK KVS 2020 10511min ??? VVS ?? （ 12） 2）穩(wěn)壓芯片構(gòu)造的穩(wěn)壓電路 系統(tǒng)采用了基于 LM2575 開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓集成芯片的 V5? 、 V15? 穩(wěn)壓電路。 子模塊中上端結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)逆變電路橋臂的上 端 MOS 管，其下端結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)逆變電路橋臂的下端 MOS 管。當(dāng) VS點(diǎn)電勢(shì)需要從低電勢(shì)變?yōu)楦唠妱?shì)時(shí)，由于自舉電容（ C2 C27）的存在，使得上端 MOS管柵極的驅(qū)動(dòng)信號(hào) HO的電勢(shì)與源極電勢(shì) VS的差，始終維持在 15V左右。故可防止由于 MOS管的驅(qū)動(dòng)電路故障或環(huán)境靜電而損壞 MOS 管。 所以方案中，采用 全 N（ negative）溝道的 MOSFET 構(gòu)成逆變橋。 并用 Simulink 仿真工具，進(jìn)行控制算法的仿真、檢驗(yàn)，以完善控制手段。同時(shí)還使得控制器可以與上層和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸通信，便于系統(tǒng)故障的監(jiān)視與診斷 [3]16。 目前，很多半導(dǎo)體廠商，都能提供自己開(kāi)發(fā)的電機(jī)控制專用集成電路，如MicroLinear 公司的 ML4425/4428 無(wú)位置傳感器電機(jī)控制芯片。如表面粘貼式轉(zhuǎn)子無(wú)刷直流電機(jī)中，添加輔助短路轉(zhuǎn)子繞組，5 以獲取電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息，或在電機(jī)轉(zhuǎn)子表面貼裝非磁性材料，從而能通過(guò)檢測(cè)該材料渦流反應(yīng)造成的斷開(kāi)相電壓，來(lái)獲得轉(zhuǎn)子位置信息。4 常用的轉(zhuǎn)子位置間接檢測(cè)法如圖 12 所示 [3]9。 但迄今為止，還沒(méi)有一個(gè)公認(rèn)的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確的分類和定義，而一般人們所稱的無(wú)刷直流電機(jī)即指第一種，即具有直流電機(jī)特性的矩形波型永磁無(wú)刷直流電機(jī)（ BLDC）。 而在對(duì)系統(tǒng)提出響應(yīng)速度快、精度高、控制板體積小、可靠性高等要求下，采用基于單片機(jī)等芯片的控制系統(tǒng)一般難以實(shí)現(xiàn)這一要求，而基于 DSP 等芯片的控制系統(tǒng)一般成本又太高。 而在對(duì)系統(tǒng)提出響應(yīng)速度快、精度高、控制板體積小、可靠性高等要求下，采用基于單片機(jī)等芯片的控制系統(tǒng)一般難以實(shí)現(xiàn)這一要求，而基于 DSP 等芯片的控制系統(tǒng)一般成本又太高。接著針對(duì)控制器所肩負(fù)的控制