【正文】 但這只是用來作為速度控制并不能拿來作為定位控制。無刷直流驅動器包括電源部及控制部如圖 :電源部提供三相電源給電機，控制部則依需求轉換輸入電源頻率。 表 星形連接二二導通方式的正轉通電規(guī)律 通電順序 正轉（逆時針） 轉子位置（電角度） 0～ 60 60～ 120 120～ 180 180～ 240 240～ 300 300～ 360 開關管序號 2 3 4 5 6 1 A 相 + + B 相 + + C 相 + + 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 31 頁 共 53頁 表 星形連接二二導通方式的反轉通電規(guī)律 通電順序 反轉（順時針） 轉子位置（電角度） 0～ 60 60～ 120 120～ 180 180～ 240 240～ 300 300～ 360 開關管序號 4 3 2 6 6 5 A 相 + + B 相 + + C 相 + + 在本設計中，對于電動 機的正反轉是通過軟件配合開關按鍵 key2 控制實現的，Si9979 本身即是集成芯片，內部集成電路可控制電動機的正反轉，只需通過 FPGA 對Si9979 進行軟件控制即可實現。 ●從換相過 程中的轉矩脈動角度來看， PWM_ON 方式的轉矩脈動最小， ON_PWM 方式次之， H_PWML_PWM 方式的轉矩脈動最大。 （ 5） H_PWML_PWM 方式 H_PWML_PWM 方式是指在 120176。這種方式特點是上橋臂開關管總負責 PWM 控制。這種方式的特點也是上下橋臂開關管交替 PWM 控制，每個 60176。 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 30 頁 共 53頁 （ 2） ON_PWM 方式 ON_PWM 方式是指每個開關管在 120176。進行 PWM 控制，后 60176。 3. 無刷直流電動機的 PWM 控制 與直流電動機調速的方法一樣，通過調整 PWM 占空比的方法來調速，是無刷直流電動機最常用的調速方法。相數越多，驅動電路所使用的開關管越多，成本越高。無刷直流電動機的輸出轉矩波動比普通直流電動機的大，因此，希望盡量減小轉矩波動。與普通直流電動機不同，無刷直流電動機的繞組使斷續(xù)通電的。由于無刷直流電動機的每相繞組的感應電動勢與氣隙磁密度成正比，所以感應電動勢也是呈梯形分布的。與三相半橋式驅動方式相比較，三相全橋星形連接二二導通方式的每個開關管導通時間為120176。電角度改變一次導通狀態(tài)，每改變一次狀態(tài)更換一個開關管，每個開關管導通 120176。 無刷直流電動機的驅動方式為三相星形連接全橋驅動，其通電方式為兩兩導通三相六狀態(tài)。 圖 36 直流無刷電動機的原理圖 直流無刷電動機和一般直流電動機結構上不同之處在于：直流無刷電動機的永久磁鐵是裝在轉子上，兒直流電動機的永久磁鐵是裝在定子上。 在電子開關的作用下，定子繞組某一相通電，該電流與轉子永久磁鐵磁極所產生的磁場相互作用而產生轉矩，驅動轉子旋轉，再由位置傳感器將轉子位置變換為電信號去控制電子開關，從而使定子各相繞組按一定順序導通，定子相電流隨轉子位置變換也依中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 28 頁 共 53頁 次換相。 圖 35 LM339 連接示意圖 無刷直流電動機的設計 系統結構 無刷直流電動機主要由電動機本體、位置傳感器和電子開關線路三部分組成。當電流傳感電阻的壓降達到 100mV 時，觸發(fā)限流制動。具體反映是通過將該引腳接入 FPGA 的 I/O 口，判斷是否有負脈沖，當有負脈沖到來時，首先判斷是否為抖動，進而判斷該引腳確為低電平，本設計為通過判斷 neg_rs232_rx 的輸出波形，輸出為高，說明 TACH 為底電平，進而說明電動機正在換相，實現判斷換相功能。以下為霍爾器件在原理圖中的連接狀態(tài)： 圖 32 Hall 與 FPGA 的連接 圖 33 Hall 與 Si9979 的連接 圖 34 Hall 與電動機的連接 電動機換相輸出 TACH 作為輔助 Hall 器件，反映電動機換相的輸出引腳 TACH ，電動機每次換相，該引腳輸出一個至少 300ns 脈寬的負脈沖，每 360176。 設計的規(guī)模可以是任意的；語言不對設計的規(guī)模（大?。┦┘尤魏蜗拗?， 可作為 E D A 的工具和設計者之間的交互語言 ， 設計能夠在多個層次上加以描述，從開關級、門級、寄存器傳送級（ RTL）到算法級，包括進程和隊列級， 能夠使用內置開關級原語在開關級對設計完整建模。這些方式包括：行為描述方式 —使用過程化結構建模；數據流方式 —使用連續(xù) 賦值語句 方式建模；結構化方式 —使用門和模塊實例語句描述建模。但是， Verilog HDL 語言的核心子集非常易于學習和使用，這對大多數建模應用來說已 經足夠。 Verilog HDL 語言不僅定義了語法，而且對每個語法結構都定義了清晰的模擬、仿真語義。數字系統能夠按層次描述，并可在相同描述中顯式地進行時序建模。由于 FLASH 的掉電保持特性，使得它通常用于保存微處理器的引導代碼以及其他一些需要在斷電的情況下保存的數據。不過閃存的物理特性與常見的內存有根本性的差異。 外部 SRAM 存儲器的種類很多，比如較常用的異步 SRAM、同步 SRAM、偽 SRAM、ZBT SRAM 等。 SDRAM 的內部是一個存儲陣列，其檢索原理是先指定一個行（ Row），再指定一個列（ Column） ,就可以準確的找到所需要的單元格 ，這就是 SDRAM 芯片尋址的基本原理。在該系統存儲器設計中，除了各存儲器的片選信號不能復用之外，其他的地址線、數據線和信號線是 可以復用的。板保險絲為 ， TVS 為 5V，可根據自己的情況進行更換。 圖 26 EP2C8Q208C8 的時鐘電路圖 EP2C8Q208 提供了兩個 PLL，板上需要對 PLL 外圍電路進行相關設計，其原理圖如下 所示。 圖 24 電路結構圖 2. 配置電路 配置芯片選用 Altera 公司的串行配置芯片 EPCS4S18N，剩余的存儲空間可用于存儲用戶數據。 Cyclone‖器件的差分信號提供更好的噪音容限，產生更低的電磁干擾，并降低了功耗。與 Cyclone 器件相比，在 Cyclone‖器 件中，增加了乘法器模塊，因此，大大增強了 DSP 處理的能力。 控制芯片 EP2C8Q208C8 介紹 EP2C8Q208C8 是 Cyclone‖系列芯片，其增加了硬的 DSP 模塊，在芯片總體性能上要優(yōu)于 Cyclone 系列器件。這種狀態(tài)持續(xù)一段時間后恢復輸出。如果縮短電流斬波時間，則在同樣條件下可以提高電動機的 啟動速度。 Si9979 芯片通過外接 N 溝道 MOSFET 組成全橋驅動。連接自舉電容的負端，上橋臂MOSFET 的 S 極、下端、下橋臂 MOSFET 的 D極 36 CAPA A 相自舉電容的正端 42 V+ 功率電源， 20～ 40V 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 17 頁 共 53頁 43 VDD 內部邏輯和柵極驅動， 16V Si9979 外圍電路設計 本設計使用 120176。當過流時，輸出被關斷 18 RT 連接電阻 RT 的另一端引腳 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 16 頁 共 53頁 19 IS+ 電流傳感電阻與比較器正輸入端連接。每次換相輸出一個至少 300ns 脈寬的負脈沖，每 360176。內部集成上拉電阻 6 RF/ 正反轉控制引腳： 1正轉； 0反轉 。保護功能包括：直通保護、電流限制和欠壓 保護?？奢敵龅目刂菩盘栍泄收闲盘柡娃D速信號。要求無刷直流電動機帶有霍爾傳感器，可選擇相位差為 60176。這樣開關狀態(tài)變化六次就完成一個電氣周轉。 本設計中采用三個霍爾器件，他們沿定子圓周相互間隔 120176。負載電阻 RL 的數值過小時，出現過載運行，將使晶體管中的功率損耗增大；負載電阻 RL 的數值過大時，將使輸出電壓下降，極端情況時將有可能抑制正確的邏輯功能。在干燥季節(jié)，操作人員要帶防靜電環(huán)；操作時應盡量不要觸摸靜電敏感的霍爾器件管腳；組裝所用品焊接設備及成型工裝都必須接地； 測試電源系統采用隔離變壓器，接地線要可靠，接地電阻應小于 10Ω，防止懸浮電線；產品測試時，在電源接通的情況下，不能隨意插拔器件，必須在關掉電源靜置一段時間后方可插拔，霍爾器件的引線接插件應選用金屬引線夾，不得外露 [14]。焊接時，要采用功率小于 35W和溫度低于 260℃ 的低溫烙鐵及焊錫絲，焊接時間應小于 3 秒，焊接點與霍爾器 件引腳根部的距離至少相隔 3mm，霍爾器件在焊接時，引腳必須要平直，盡量避免彎曲。 霍爾器件的安裝工藝 為了消除或減小靜電應力、熱應力和機械應力對霍爾器件的影響，除了合理設計外，還必須實施嚴格的安裝工藝。 5．通電后的輸出信號的上升時間 通電后，霍爾器件輸出信號的上升時間取決于器件的設計參數。 4．頻帶寬度 不同的制造商采用不同結構和不同制作工藝生產出來的不同霍爾器件具有不同的頻帶寬度。 使用者在設計和制造產品時，一方面要選用靜電靈敏度地的霍爾 器件；另一方面在設計和使用過程中應采取防靜電措施，以免靜電影響帶來不必要的損失。因此，磁路設 計時應使作用于霍爾器件表面的磁通密度要比該霍爾器件的實際需要值高50Gs 左右，以便確保磁靈敏度有一定的余量。對于線性型霍爾器件而言，還需考慮輸出信號對輸入信號的線性工作區(qū)的最大磁場范圍。磁工作點與磁釋放點之差，即數值（ BopBRP） =BHYS被稱之為開關型器件的 “磁滯區(qū) ”。當外加的磁感應強度超過動作點 Bop 時，傳感器輸出低電平，當磁感應強度降到動作點Bop 以下時，傳感器輸出電平不變，一直要降到釋放點 BRP 時，傳感器才由低電平躍變?yōu)楦唠娖健? 霍爾器件的分類 1．按結構分類 霍爾器件按結構可以分為三大類：霍爾元件、霍爾集成電路和霍爾功能組件。霍爾電流傳感器是根據霍爾原理制成的?；魻栁恢脗鞲衅魍ㄟ^它對磁場變化的測量，將許多非電、非磁的物理量轉變成電量來進行測量和控制，因而有著廣泛的用途。 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 10 頁 共 53頁 2 主芯片的選型及外圍電路的設計 我的畢業(yè)設計題目是基于 FPGA 的無刷直流電動機控制器的設計，根據此題目的要求，經查閱相關資料后，我的思路如下：以 FPGA 為核心控制單元控制相關模塊電路的導通和運行，用霍爾位置傳感器采集電動機的轉子位置， 經 FPGA 芯片 CycloneⅡ 分析后輸出合適信號， 經以 Si9979 為基礎的驅動電路放大 后傳遞至 全橋逆變電路 ， 將直流轉變?yōu)榻涣鬟M而控制電動機的旋轉 、轉速和正反轉 。在此設計中，明顯屬于前者，通過判別 位置傳感器的位置信號來進行有規(guī)律的換向操作。 設計的總體方案 根據題目要求，基于 FPGA 的無刷直流電動機控制器的設計是由電動機模塊、霍爾位置傳感器采集模塊、控制電路模塊、驅動電路模塊以及逆變電路模塊組成。 在目前的無刷直流電動機的發(fā)展中，控制部分是最重要的環(huán)節(jié)，用 FPGA 控制無刷直流電動機，能將大量邏輯功能繼承與一個單片 IC 中，節(jié)省資源，實現在線編程、擦除、使設計更靈活，可靠程度更大，且系統結構極為緊湊。 CLK0 和 CLK1 可以作為 PLL 的兩個可選的時鐘輸入端，也可以作惡日一堆 LVDS 的時鐘輸入引腳， CLK0作為正端輸入（ LVDSCLK1p），兒 CLK1 作為負端輸入（ LVDSCLK1n）。當磁場強度方向與半導體薄片不垂直而是成 θ 角時，霍爾電動勢的大小改為 E=KHIBcosθ，所以利用永磁轉子的磁場，對霍爾半導體通入直流電，當轉子的磁場強度大小和方向隨著它的位置不同而發(fā)生變化時，霍爾半導體就會輸出霍爾電動勢，霍爾電動勢的大小和相位隨著轉子位置而發(fā)生變化，從而起到檢測轉子位置的作用 [6]。該 傳感器是利用 “霍爾效應 ”進行工作的。該傳感器是利用光電效應進行工作。定子是由高頻導磁材料的鐵心制成，一般有 6 個極，等間距分布，每個極上都纏有線圈。 1．電磁式位置傳感器。電機的位置信號由霍爾元件采集。 FPGA 用 Verilog HDL來編程，靈活性強，具有靜態(tài)可重復編程和動態(tài)在線系統重構的特性，使得硬件的功能可以像軟件一樣通過編程來修改，并能按照用戶需求來定義接口功能 [3]。 直流電動機具有非常優(yōu)秀的線性機械特性、寬的調速范圍、大的啟動轉矩、簡單的控制電路等優(yōu)點，長期以來一直廣泛的應用在各種驅動裝置和伺服系統中。 FPGA 的編程無需專用的 FPGA 編程器，只須用通用的 EPROM、 PROM 編程器即可。 FPGA最早由 Xilinx 公司推出，多為 SRAM 架構或查表（ Look Up Table）架構，需外接配置用的 EPROM 下載。此時，一般可利用 DSP 芯片和 FPGA 芯片或者 “DSP+FPGA”組合等方案來實現無刷直流電機控制系統的設計。無刷直流電機由于其具有結構簡單、易于控制，