【導(dǎo)讀】已在參考文獻(xiàn)或注釋中列出。論文主體均由本人獨(dú)立完成，沒(méi)有抄襲、剽竊他人已經(jīng)發(fā)表或未發(fā)表的研究成果行為。如出現(xiàn)以上違反知識(shí)產(chǎn)。權(quán)的情況，本人愿意承擔(dān)相應(yīng)的責(zé)任。耗等特點(diǎn)，同時(shí)又具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)。自動(dòng)化等方面都有廣泛的應(yīng)用。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，控制系統(tǒng)一般成本又太高。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。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。并進(jìn)一步繪制了控制器的PCB板。

　　

【正文】 OUTNOMALF/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。 2)電機(jī)正反轉(zhuǎn)及制動(dòng)按鈕和轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕電路： 電機(jī)正反轉(zhuǎn)及制動(dòng)按鈕電路如下圖 225所示： 213S1F/RSWSPDTS2STOPSWSPDT2KR272KR28101C10+5V104C11101C9101C8104C6102C5F/RSTOPS12S22123STOP外接控制端口123F/R外接控制端口+5V+5VS12S22 圖 225 電機(jī)正反轉(zhuǎn)按鈕電路 其中主要由兩個(gè)自鎖選擇按鍵構(gòu)成， S1F/R 控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，開(kāi)啟狀態(tài)（低電平）為正轉(zhuǎn)，按下（高電平）反轉(zhuǎn)； S2STOP 控制電機(jī)制動(dòng)，按下（高電平）制動(dòng)。并各有一個(gè)外接端口，方便實(shí)際應(yīng)用時(shí)外接控制手柄。 D19IN41481D20IN4148680pC3104C41KR23GND+5V1KR21100K312R22GND1TRIG2OUT3RESET4CONT5THRES6DISCH7VCC8NE555U1NE555PWMR1R2R3 圖 226電機(jī)轉(zhuǎn)速控制旋鈕電路： PWM生成電路 26 電機(jī)轉(zhuǎn)速 控制旋鈕電路如上圖 226所示： 其中虛線(xiàn)框中的部分電路，由 555 芯片的結(jié)構(gòu)（如下圖 227）可知，其構(gòu)成一個(gè)施密特觸發(fā)器 [11] 492。 圖 227 555芯片結(jié)構(gòu) 其電壓傳輸特性如下圖 228 所示： 圖 228 施密特觸發(fā)器電壓傳輸特性 相應(yīng)的 7V （芯片引腳 7 的電壓）關(guān)于 IV 的電壓傳輸特性如下圖 229所示 圖 229 電路中 IVV～7 電壓傳輸特性 考慮到電路中兩個(gè)二極 管對(duì)電流流動(dòng)的控制作用（如圖 230），原電路可等效描述為如下圖 231形式 27 圖 230 二極管對(duì)電流的控制作用 圖 231 原電路的等價(jià)模型 定性分析可知，其輸出波形如下圖 232所示 圖 232 對(duì)原電路定性分析估計(jì)的輸出波形 下面對(duì)針對(duì)原電路的各個(gè)元件的參數(shù)，進(jìn)行定量分析。 由施密特觸發(fā)器的性質(zhì)可知， IV 的電壓在 VCCVCC 331 時(shí)發(fā)生反轉(zhuǎn)，故 IV 的電壓被限定在 ）331（ VCCVCC 。 則由 RC 串聯(lián)電路的特性可知，瞬時(shí)電流： RVI Cc ? （ 13） 則 VI Cc 3331 53232minmax ???， VI Cc 516101 53131m a xm i n ??? 查 IN4148 的數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，在上述求得的電流范圍下，其管壓降基本在 28 左右，考慮到遠(yuǎn)小于 VCC 電壓，故計(jì)算時(shí)忽略。 由 RC 串聯(lián)電路的特性可知 [11]496： 電容充電時(shí)間： 211 CLnRT ? （ 14） 電容放電時(shí)間： 222 CLnRT ? （ 15） 故得輸出 PWM 的占空比： 21 1RR Rq ?? （ 16） 周期為： 2)( 2121 CLnRRTTT ???? （ 17） 所以原電路輸出 PWM 的占空比約為： %99～1 ，周期約為： ， 其中占空比為： KtRk tRKRR Rq 102 )(102 )(121 1 ????? kq 1021??? （ 18） 故，此電路輸出的 PWM 的占空比與線(xiàn)性電位器轉(zhuǎn)過(guò)的角度，基本呈正比例關(guān)系變化。 系統(tǒng)中采用 PWM 波的形式來(lái)把目標(biāo)轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)遞給 CPLD 的原因如下：轉(zhuǎn)速信號(hào)是一個(gè)模擬量，一般可經(jīng)滑動(dòng)變阻器的分壓特性，轉(zhuǎn)化為相對(duì)應(yīng)的模擬電壓信號(hào)。但問(wèn)題出現(xiàn)了 ， CPLD 芯片沒(méi) AD 轉(zhuǎn)化功能，系統(tǒng)中專(zhuān)門(mén)增加一塊 AD 芯片又無(wú)疑參加系統(tǒng)成本。故采用這種用 PWM 占空比來(lái)描述模擬電壓信號(hào)的方式，無(wú)疑是最優(yōu)解。 29 PCB 設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)的 PCB 如下圖 23圖 234 所示： 圖 233 控制器 PCB正面 圖 234 控制器 PCB反面 30 圖 235 控制器 PCB板 3D視圖 經(jīng)過(guò)多次修改，綜合考慮了 PCB 板的電磁兼容性和布局尺寸因素 [12,13]。 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)。 控制器所要完成的任務(wù) 本 BLDC 控制器應(yīng)用于類(lèi)似于驅(qū)動(dòng)電動(dòng)自行車(chē)電機(jī)的應(yīng)用場(chǎng)合。 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。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）。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。 而控制器人機(jī)接口硬件電路，闡明了控制器至少應(yīng)該能控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速ω（ rad/s）這個(gè)運(yùn)動(dòng)參數(shù)。并根據(jù)硬件的正反轉(zhuǎn)及制動(dòng)按鈕，可進(jìn)一步把這個(gè)被控制的電機(jī)參數(shù)行為劃分為：轉(zhuǎn)速大于 0、轉(zhuǎn)速小于 0 和轉(zhuǎn)速變 位 0。根據(jù)硬件的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕，還可進(jìn)一步把這個(gè)參數(shù)行為劃分為：轉(zhuǎn)速增加和轉(zhuǎn)速減小。 考慮到這種應(yīng)用場(chǎng)合和硬件電路結(jié)構(gòu)決定的，控制器實(shí)現(xiàn)的是開(kāi)環(huán) BLDC 控制：控制器逆變電路決定了，控制器只能通過(guò)控制電機(jī)的各相電壓 V_a、 V_b、V_c（ V）來(lái)實(shí)現(xiàn)控制電機(jī)的運(yùn)行。 故實(shí)際控制器僅是通過(guò) PWM 這種電壓控制方式，來(lái)控制電機(jī)的各相電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)控制。進(jìn)而實(shí)際人機(jī)接口的各種控制要求映射成了如下形式： 電機(jī)正轉(zhuǎn) ?與電機(jī)轉(zhuǎn)子相適應(yīng)的繞組正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)； 電機(jī)反轉(zhuǎn) ?與電機(jī)轉(zhuǎn)子相適應(yīng)的繞組反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)； 電機(jī)制動(dòng) ?各相繞組短接制動(dòng)； 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制 ?用 PWM 控制驅(qū)動(dòng)各相繞組的電壓大小； 系統(tǒng)除了上面的對(duì)電機(jī)的控制任務(wù)外，還包括：系統(tǒng)狀態(tài) LED 顯示、逆變橋32 MOS 管過(guò)流保護(hù)這兩個(gè)任務(wù)。 控制器任務(wù)的實(shí)現(xiàn) 下面介紹主控芯片 CPLD 如何具體實(shí)現(xiàn)上面所陳述的控制器所肩負(fù)的任務(wù)。 任務(wù) 1：電機(jī)轉(zhuǎn)速控制 ?用 PWM 控 制驅(qū)動(dòng)各相繞組的電壓大?。? 由 555 芯片構(gòu)建的 PWM 電路，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)轉(zhuǎn)速大小這個(gè)模擬量到 PWM占空比的轉(zhuǎn)化。那么 CPLD 芯片只需讀取這個(gè)占空比的大小即可。 實(shí)現(xiàn)方案如下： （ 1）構(gòu)建一個(gè)寄存器 A；構(gòu)建一個(gè)脈沖計(jì)數(shù)器 B； （ 2）在外部 PWM輸入的上升沿清零脈沖計(jì)數(shù)器 B； （ 3）在外部 PWM輸入的高電平器件，計(jì)數(shù)器 B計(jì)數(shù)芯片系統(tǒng)時(shí)鐘； （ 4）在 PWM輸入的下降沿，把計(jì)數(shù)器 B內(nèi)的數(shù)值傳遞給寄存器 A； 那么，寄存器 A內(nèi)的數(shù)值 ?CPLD 時(shí)鐘周期 ? 輸入的 PWM高電平寬度（目標(biāo)轉(zhuǎn)速大小）。 CPLD 還須構(gòu)造一個(gè)用于分頻系統(tǒng)時(shí)鐘的可調(diào)分頻數(shù)的分頻器，用于產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)逆變橋 MOS 管的 PWM 波。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。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。 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。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。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。 （ 2）通過(guò)把這個(gè) PWM（ 0）信號(hào)，和逆變橋上端 MOS 管控制信號(hào)（ ），進(jìn)行?與（ AND）?操作。實(shí)現(xiàn)把 PWM 信號(hào)加載到所需要 PWM 信號(hào)的 MOS 管上。 任務(wù) 2：電機(jī)正轉(zhuǎn) ?與電機(jī)轉(zhuǎn)子相適應(yīng)的繞組正向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)；電機(jī)反轉(zhuǎn) ? 與電機(jī)轉(zhuǎn)子相適應(yīng)的繞組反向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)； CPLD 通過(guò)控制逆變電路上 MOS 管的開(kāi)關(guān)，來(lái)相應(yīng)控制電機(jī)各相的導(dǎo)通。而不同的導(dǎo)通順序，決定了三相繞組所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn) 磁場(chǎng)的方向。 33 電機(jī)三相霍爾輸出與電機(jī)三相繞組的真值表如下表 31所示： 表 31 電機(jī)三相霍爾輸出與電機(jī)三相繞組的真值表 電機(jī)狀態(tài) H3 H1 H2 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) HA HB HC A B C A B C 1 1 0 0 0 1 1 0 2 1 1 0 1 0 0 1 3 0 1 0 1 0 0 1 4 0 1 1 1 0 0 1 5 0 0 1 0 1 1 0 6 1 0 1 0 1 1 0 注 。其中 HA、 HB、 HC 分別對(duì)應(yīng)表示 A、 B、 C三 相繞組上的霍爾傳感器（還有一種對(duì)應(yīng)表示為： H H H2）；其中‘’表高阻，‘ 1’表正電壓，‘ 0’表接地； 進(jìn)一步，正轉(zhuǎn)指令下：電機(jī)狀態(tài)與逆變橋 MOS管的導(dǎo)通狀態(tài)的真值表如下表32： 表 32 正轉(zhuǎn)指令下：電機(jī)狀態(tài)與逆變橋 MOS管的導(dǎo)通狀態(tài)的真值表 狀態(tài) Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 1 1 1 2 1 1 3 1 1 4 1 1 5 1 1 6 1 1 反轉(zhuǎn)指令下：電機(jī)狀態(tài)與逆變橋 MOS 管的導(dǎo)通狀態(tài)的真值表如下表 33： 表 33 反轉(zhuǎn)指令下：電機(jī)狀態(tài)與逆變橋 MOS管的導(dǎo)通狀態(tài)的真值表 狀態(tài) Q1 Q2 Q3 Q4 Q5 Q6 1 1 1 2 1 1 3 1 1 4 1 1 34 5 1 1 6 1 1 注：其中‘’表高阻，‘ 1’表導(dǎo)通； 任務(wù) 3：電機(jī)制動(dòng)控制 ?各相繞組短接制動(dòng)； 當(dāng)控制器 CPLD 接收到制動(dòng)指令， CPLD 將關(guān)閉所有逆變橋 低端的 MOS 管，開(kāi)啟逆變橋上端的多有 MOS 管。使得上端 MOS 管短路 BLDC 繞組，實(shí)現(xiàn)短接制動(dòng)。 該算法總是可以不管電機(jī)當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)，而不需要來(lái)自霍爾傳感器的信號(hào)。這使得制動(dòng)邏輯獲得最大的優(yōu)先級(jí)和可靠性。 任務(wù) 4：逆變橋 MOS 管過(guò)流保護(hù)控制： 當(dāng)控制器 CPLD 發(fā)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)信號(hào)使能，則發(fā)送指令給逆變橋，關(guān)閉所有 MOS管。并且只要一次觸發(fā)后，在這個(gè)系統(tǒng)上電運(yùn)行周期內(nèi)，始終有效，直到下次系統(tǒng)上電。 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。 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)。 Simulink 介紹 Simulink 是一個(gè)軟件包，運(yùn)行在 MATLAB 的基礎(chǔ)之上。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]。 其與用戶(hù)的交互接口是模型圖形，這使得用戶(hù)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。 用 Simulink 仿真，可以分為兩個(gè)步驟： （ 1）用 Simulink 的方塊圖語(yǔ)言描述實(shí)際的物理系統(tǒng)，即建模的過(guò)程?？梢韵劝涯繕?biāo)系統(tǒng)用數(shù)學(xué)語(yǔ)言描述，接著再轉(zhuǎn)到用 Simulink 描述： Simulink 語(yǔ)言由方塊圖（ blocks）和線(xiàn)（ lines/signals）兩部分組成，其源自自動(dòng)控制學(xué)科。其中方塊圖，即是用數(shù)學(xué)方程描述了輸入（ input）和輸出（ output）之間關(guān)系。而線(xiàn)（ lines/signals），描述了不同方塊圖的輸入輸出變量間的傳遞關(guān)系。其中用來(lái)連接模塊的帶箭頭線(xiàn)的功能是，單向的把自己的輸出35 值賦給與其相連的下一個(gè)方塊圖的輸入值，只有邏輯意義；而連接電氣元件不帶箭頭的線(xiàn)具有電氣特性，值的傳遞是雙向的。 （ 2）運(yùn)行 Simulink 的仿真功能，在我們?cè)O(shè)定的仿真條件下：