【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 畢業(yè)設(shè)計(jì)題目是基于 FPGA 的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器的設(shè)計(jì)，根據(jù)此題目的要求，經(jīng)查閱相關(guān)資料后，我的思路如下：以 FPGA 為核心控制單元控制相關(guān)模塊電路的導(dǎo)通和運(yùn)行，用霍爾位置傳感器采集電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置， 經(jīng) FPGA 芯片 CycloneⅡ 分析后輸出合適信號(hào)， 經(jīng)以 Si9979 為基礎(chǔ)的驅(qū)動(dòng)電路放大 后傳遞至 全橋逆變電路 ， 將直流轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鬟M(jìn)而控制電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn) 、轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn) 。 器件 介紹及 連接 電路 霍爾位置傳感器的概述 霍爾位置傳感器是一種檢測(cè)物體位置的磁場(chǎng)傳感器。用它們可以檢測(cè)磁場(chǎng)及其變化，可在各種與磁場(chǎng)有關(guān)的場(chǎng)合中使用?；魻栁恢脗鞲衅饕曰魻栃?yīng)原理為其工作基礎(chǔ)?；魻栁恢脗鞲衅魍ㄟ^它對(duì)磁場(chǎng)變化的測(cè)量，將許多非電、非磁的物理量轉(zhuǎn)變成電量來(lái)進(jìn)行測(cè)量和控制，因而有著廣泛的用途。 霍爾位置傳感器 的性能特點(diǎn) ●霍爾位置傳感器開關(guān)型輸出無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)磨損、輸出波形清晰、位置重復(fù)精度高； ●耐振動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕； ●頻率最高可達(dá) 1MHZ，應(yīng)用范圍廣； ●結(jié)構(gòu)緊湊，體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)； ●安裝方便易學(xué)，功耗小，不會(huì)影響相關(guān)電機(jī)的正常運(yùn)行； ●工作溫度范圍可道道 55℃ ~150℃ 。 霍爾集成電路圖 圖 21 霍爾集成電路圖 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 11 頁(yè) 共 53頁(yè) 根據(jù)霍爾效應(yīng)，人們用半導(dǎo)體材料制成的元件叫 霍爾元件 。它具有對(duì)磁場(chǎng)敏感、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、 頻率 響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長(zhǎng)等 優(yōu)點(diǎn) ，因此，在測(cè)量、自動(dòng)化、計(jì)算機(jī)和 信息技術(shù) 等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用?；魻栯娏鱾鞲衅魇歉鶕?jù)霍爾原理制成的。它有兩種工作方式，即磁平衡式和直式?；魻栯娏鱾鞲衅饕话阌稍呺娐贰⒕鄞怒h(huán)、霍爾器件、（次級(jí)線圈）和放大電路等組成 。 霍爾位置傳感器包括：霍爾位置基準(zhǔn)傳感器、霍爾靈位傳感器、霍爾行程傳感器、霍爾齒輪傳感器、霍爾接近開關(guān)等等 [9]。 霍爾器件的分類 1．按結(jié)構(gòu)分類 霍爾器件按結(jié)構(gòu)可以分為三大類：霍爾元件、霍爾集成電路和霍爾功能組件。 2．按功能分類 霍爾器件按功能可分為三類，線性型、開關(guān)型和鎖定型等三類。 本設(shè)計(jì)綜合設(shè)計(jì)需求采用開關(guān)型，一下詳細(xì)介紹一下開關(guān)型霍爾器件的工作原理。 圖 22 開關(guān)型霍爾器件的工作原理圖 如圖所示，其中 BOP 為工作點(diǎn) “開 ”的磁感應(yīng)強(qiáng)度， BRP 為釋放點(diǎn) “關(guān) ”的磁感應(yīng)強(qiáng)度。當(dāng)外加的磁感應(yīng)強(qiáng)度超過動(dòng)作點(diǎn) Bop 時(shí)，傳感器輸出低電平，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度降到動(dòng)作點(diǎn)Bop 以下時(shí)，傳感器輸出電平不變，一直要降到釋放點(diǎn) BRP 時(shí)，傳感器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖健?Bop 與 BRP 之間的滯后使開關(guān)動(dòng)作更為可靠。 對(duì)于開關(guān)型霍爾器件而言，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度由零開始增大到某一數(shù)值 Bop 的點(diǎn)被稱之為 “磁工作點(diǎn) ”。當(dāng)磁感應(yīng) 強(qiáng)度從 “磁工作點(diǎn) ”開始繼續(xù)增大時(shí)，霍爾器件一直保持開通狀態(tài)，即一直輸出低電平；當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度由一個(gè)大于 Bop 的數(shù)值開始見效返回時(shí)，在磁感應(yīng)強(qiáng)度減小返回到達(dá) “磁工作點(diǎn) ”數(shù)值的情況下，霍爾器件仍然保持開通狀態(tài)，輸出低電平；只有當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度減小至某一數(shù)值 BRp 時(shí)，霍爾器件才關(guān)閉，輸出高電平，橫坐標(biāo)中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 12 頁(yè) 共 53頁(yè) 上對(duì)應(yīng) Brp 的點(diǎn)被稱之為 “磁釋放點(diǎn) ”。磁工作點(diǎn)與磁釋放點(diǎn)之差，即數(shù)值（ BopBRP） =BHYS被稱之為開關(guān)型器件的 “磁滯區(qū) ”。不同設(shè)計(jì)的開關(guān)型霍爾器件具有不同的磁滯區(qū) BHYS，外加磁場(chǎng)的大小不會(huì)改變某一開關(guān)型霍爾器件的磁 滯區(qū)的數(shù)值大小。開關(guān)型霍爾器件的磁滯回線相對(duì)于零磁場(chǎng)縱坐標(biāo)是不對(duì)稱的，它的導(dǎo)通和截止過程只和外界磁場(chǎng)的大小有關(guān)，不需要磁場(chǎng)記性的變換 [10]。 霍爾器件選用時(shí)注意事項(xiàng) 1．主要技術(shù)規(guī)格 電壓等級(jí)和磁靈敏度范圍是霍爾器件的兩項(xiàng)主要性能指標(biāo)。對(duì)于線性型霍爾器件而言，還需考慮輸出信號(hào)對(duì)輸入信號(hào)的線性工作區(qū)的最大磁場(chǎng)范圍。 2．溫度范圍 霍爾器件是一種對(duì)溫度敏感的器件，它的磁靈敏度在高低溫度下有一定的漂移。對(duì)于由硅半導(dǎo)體制作的霍爾器件而言，溫度變化 177。60℃ 時(shí)，溫度漂移一般不應(yīng)大于 30Gs。因此，磁路設(shè) 計(jì)時(shí)應(yīng)使作用于霍爾器件表面的磁通密度要比該霍爾器件的實(shí)際需要值高50Gs 左右，以便確保磁靈敏度有一定的余量。 3．靜電靈敏度 根據(jù)靜電理論，任何半導(dǎo)體電子器件都有自身的靜電靈敏度。不同類型的霍爾器件因采用的半導(dǎo)體材料和制造工藝不同，因此其靜電靈敏度也不同。通常，采用雙極型硅基工藝和 BICMOS 硅基工藝制作的霍爾器件可耐 2020V 以上的靜電電壓；采用 CMOS硅基工藝制作的霍爾器件可耐 500~1000V 的靜電電壓；分立霍爾元件可耐 800V 左右的靜電電壓。 使用者在設(shè)計(jì)和制造產(chǎn)品時(shí)，一方面要選用靜電靈敏度地的霍爾 器件；另一方面在設(shè)計(jì)和使用過程中應(yīng)采取防靜電措施，以免靜電影響帶來(lái)不必要的損失。在干燥的季節(jié)，人體靜電電壓可高達(dá)幾千伏，甚至幾萬(wàn)伏，將危及霍爾器件甚至于整個(gè)系統(tǒng)和使用者的生命安全。因此，在設(shè)計(jì)和生產(chǎn)制造過程中，要把人體靜電控制在一定程度之內(nèi)，這對(duì)減少霍爾器件損壞、降低產(chǎn)品成本。提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率具有非常重要的意義。 4．頻帶寬度 不同的制造商采用不同結(jié)構(gòu)和不同制作工藝生產(chǎn)出來(lái)的不同霍爾器件具有不同的頻帶寬度。一般情況下，開關(guān)型器件的頻帶寬度為 10～ 100Hz。在高速微處理器時(shí)代，10～ 100Hz 的頻帶寬 度是算相當(dāng)?shù)偷摹５?，?qū)動(dòng)系統(tǒng)的頻帶寬度更低，因此在實(shí)際使中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 13 頁(yè) 共 53頁(yè) 用中可以不必過多地關(guān)注霍爾器件的頻帶寬度 [13]。 5．通電后的輸出信號(hào)的上升時(shí)間 通電后，霍爾器件輸出信號(hào)的上升時(shí)間取決于器件的設(shè)計(jì)參數(shù)。對(duì)于具有斬波設(shè)計(jì)的霍爾器件而言，達(dá)到穩(wěn)定后的數(shù)字信號(hào)的上升時(shí)間小于 。 6．功率損耗 霍爾器件的損耗功率由兩部分所組成，一是器件集成電路本身所消耗的功率；二是器件輸出級(jí)晶體管中的功率損耗，其數(shù)值等于晶體管的飽和管壓降 Vsat 乘以上拉電阻中的負(fù)載電流?；魻柶骷p耗率的大小將直接影響到它在電動(dòng)機(jī)中的安裝位置、 安裝方式和最大允許的工作溫度等。 霍爾器件的安裝工藝 為了消除或減小靜電應(yīng)力、熱應(yīng)力和機(jī)械應(yīng)力對(duì)霍爾器件的影響，除了合理設(shè)計(jì)外，還必須實(shí)施嚴(yán)格的安裝工藝。 1. 由于機(jī)械應(yīng)力會(huì)造成霍爾器件的磁性敏感度的漂移，在使用和安裝過程中應(yīng)盡量減少施加到霍爾器件外殼和引線上的機(jī)械力。 2. 由于環(huán)境溫度過高時(shí)會(huì)損壞霍爾器件內(nèi)部的半導(dǎo)體材料，從而造成性能偏差或功能失效。因此，必須嚴(yán)格規(guī)范焊接點(diǎn)溫度和焊接時(shí)間。焊接時(shí)，要采用功率小于 35W和溫度低于 260℃ 的低溫烙鐵及焊錫絲，焊接時(shí)間應(yīng)小于 3 秒，焊接點(diǎn)與霍爾器 件引腳根部的距離至少相隔 3mm，霍爾器件在焊接時(shí)，引腳必須要平直，盡量避免彎曲。若必須彎曲時(shí)，則應(yīng)在距離引腳根部 3mm 以上處彎曲。彎曲時(shí)，必須采用工具把引腳根部 3mm 以內(nèi)部分固定住，再?gòu)澢溆嗖糠?，避免彎曲操作將霍爾器件的?nèi)部引線折斷進(jìn)而影響其的使用，降低元件的使用可靠性。 3. 防止靜電損壞霍爾器件，從而控制靜電的產(chǎn)生和消除靜電兩方面入手，焊接工具采用內(nèi)熱式電烙鐵，接地要好，接地電阻要小。在干燥季節(jié)，操作人員要帶防靜電環(huán)；操作時(shí)應(yīng)盡量不要觸摸靜電敏感的霍爾器件管腳；組裝所用品焊接設(shè)備及成型工裝都必須接地； 測(cè)試電源系統(tǒng)采用隔離變壓器，接地線要可靠，接地電阻應(yīng)小于 10Ω，防止懸浮電線；產(chǎn)品測(cè)試時(shí)，在電源接通的情況下，不能隨意插拔器件，必須在關(guān)掉電源靜置一段時(shí)間后方可插拔，霍爾器件的引線接插件應(yīng)選用金屬引線夾，不得外露 [14]。 霍爾傳感器的外圍電路 1．合適的電源電壓和負(fù)載電流 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 14 頁(yè) 共 53頁(yè) 合適的電源電壓和負(fù)載電流是霍爾器件正常工作的先決條件?；魻柶骷墓╇婋娫措妷翰粦?yīng)超過說明書中規(guī)定的 VDD數(shù)值。大多數(shù)霍爾器件的輸出是集電極輸出，輸出級(jí)內(nèi)功率晶體管的集電極電阻，即負(fù)載電阻 RL 的數(shù)值取決于負(fù)載電流 IL 的大小， 即RL≈VDD/IL。負(fù)載電阻 RL 的數(shù)值過小時(shí)，出現(xiàn)過載運(yùn)行，將使晶體管中的功率損耗增大；負(fù)載電阻 RL 的數(shù)值過大時(shí)，將使輸出電壓下降，極端情況時(shí)將有可能抑制正確的邏輯功能。 2．適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)電路 當(dāng)霍爾器件內(nèi)部沒有反向電壓保護(hù)時(shí)，可以在輸出晶體管的集內(nèi)接入一個(gè) 100Ω 的電阻和反向二極管，通過阻止反向電流反向電壓來(lái)避免過電應(yīng)力造成的損壞。當(dāng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行時(shí)，霍爾器件的周圍存在著很強(qiáng)的電磁場(chǎng)，相關(guān)導(dǎo)線會(huì)將空間的電磁場(chǎng)能量耦合下來(lái)轉(zhuǎn)換成電路中的電壓值，并作用于霍爾器件；同時(shí)，負(fù)載電路中的導(dǎo)線存在分布電感，當(dāng)霍爾器件的輸 出晶體管導(dǎo)通和截止時(shí)，也會(huì)由于電流瞬時(shí)變而在電路中產(chǎn)生過沖電壓。因此，必須在霍爾器件的周邊配置穩(wěn)壓及吸收高頻信號(hào)等的保護(hù)電路。 本設(shè)計(jì)中采用三個(gè)霍爾器件，他們沿定子圓周相互間隔 120176。電角配置，電動(dòng)機(jī)工作為 “兩相導(dǎo)通三相星形六狀態(tài) ”，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中霍爾器件的輸出信號(hào)、飯電動(dòng)勢(shì)和相電流之間的相互關(guān)系，顯示了霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器的六個(gè)開關(guān)狀態(tài)與電動(dòng)機(jī)運(yùn)行過程中的六個(gè)磁狀態(tài)的一致性。每旋轉(zhuǎn) 60176。電角度，就有一個(gè)霍爾器件改變其狀態(tài)，逆變器內(nèi)與之相對(duì)應(yīng)的某一相的開關(guān)狀態(tài)也將更新變化一次。這樣開關(guān)狀態(tài)變化六次就完成一個(gè)電氣周轉(zhuǎn)。一個(gè)電氣周轉(zhuǎn)內(nèi)開關(guān)狀態(tài)的變化次數(shù)可以用 s 來(lái)標(biāo)記。該設(shè)計(jì)中采用電動(dòng)機(jī)的磁極數(shù) 2p=2，額定轉(zhuǎn)速 nH=3000r/min，我們把電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)逆變器內(nèi)開關(guān)狀態(tài)每秒鐘變化的次數(shù)稱之為無(wú)刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的頻率 fm，則 fm可以按下式計(jì)算 ZHm Hs pnf 3006030001660 ????? （ 21） Si9979 專用集成芯片 Si9979 芯片是 Vishay Siliconix 公司生產(chǎn)的。它可 用于控制三相活單相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。要求無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)帶有霍爾傳感器，可選擇相位差為 60176?；?120176。電角度的傳感器位置關(guān)系?？山邮艿耐獠靠刂菩盘?hào)有 PWM 控制信號(hào)、轉(zhuǎn)向控制信號(hào)、 L_PWMH_ON方式和 H_PWML_PWM 方式選擇信號(hào)、制動(dòng)信號(hào)、使能信號(hào)。可輸出的控制信號(hào)有故障信號(hào)和轉(zhuǎn)速信號(hào)。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 15 頁(yè) 共 53頁(yè) 該芯片內(nèi)部集成電壓調(diào)節(jié)器，允許使用 20～ 40V 范圍直流功率電源。集成自舉電路和充電泵電路?？梢詾樯蠘虮坶_關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路供電，因此允許三相逆變橋的開關(guān)管全部使用 N 溝道的 MOSFET。保護(hù)功能包括：直通保護(hù)、電流限制和欠壓 保護(hù)。 Si9979 芯片功能列表如下 21 所示： 表 21 Si9979 引腳功能 引腳號(hào) 符號(hào) 功能 1～ 3 INA INB INC 輸入引腳。內(nèi)部集成上拉電阻 4 60/120 兩種位置關(guān)系的傳感器選擇引腳： 160℃ ；0120℃ 。內(nèi)部集成上拉電阻 5 EN 使能引腳： 1使能； 0關(guān)閉全部輸出。內(nèi)部集成上拉電阻 6 RF/ 正反轉(zhuǎn)控制引腳： 1正轉(zhuǎn)； 0反轉(zhuǎn) 。內(nèi)部集成上拉電阻 7 QS PWM 方式選擇引腳： 1L_PWMH_ON 方式； 0H_PWML_PWM 方式； 內(nèi)部集成上拉電阻 8 PWM PWM 輸入引腳 9 BRK 制動(dòng)控制引腳。高電平有效，上橋臂全部關(guān)斷，下橋臂全部開通，電機(jī)三相繞組短接，制動(dòng)，其制動(dòng)轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速有關(guān)。 10 TACH 轉(zhuǎn)速輸出引腳。每次換相輸出一個(gè)至少 300ns 脈寬的負(fù)脈沖，每 360176。電角度輸出 6 個(gè)脈沖。該引腳為漏極開路輸出 11 FAULT 故障輸出引腳： 0有故障。該引腳為漏極開路輸出 17 RT/CT 連接限流延時(shí)電阻和電容引腳。當(dāng)過流時(shí)，輸出被關(guān)斷 18 RT 連接電阻 RT 的另一端引腳 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 16 頁(yè) 共 53頁(yè) 19 IS+ 電流傳感電阻與比較器正輸入端連接。電流傳感電阻的壓降達(dá)到 100mv，出發(fā)限流動(dòng)作 續(xù)表 21 引腳號(hào) 符號(hào) 功能 20 IS 電 流傳感電阻與比較器負(fù)輸入端連接 12～ 1 21～ 2 37～4 44～ 48 GND 邏輯和柵極驅(qū)動(dòng)地 25 GBC C 下橋 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)輸出 26 GTC C 相上橋臂 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)輸出 27 SC C 相輸出端。連接自舉電容的負(fù)端，上橋臂MOSFET 的 S 極、下端、下橋臂 MOSFET 的 D極 28 CAPC C 相自舉電容的正端 29 GBB B 下橋 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)輸出 30 GTB B 相上橋臂 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)輸出 31 SB B 相輸出端。連接自舉電容的負(fù)端，上橋臂MOSFET 的 S 極、下端、下橋臂 MOSFET 的 D極 32 CAPB B 相自舉電容的正端 33 GBA A 下橋 MOSFET 柵極驅(qū)動(dòng)輸出