【正文】 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)。 故實(shí)際控制器僅是通過 PWM 這種電壓控制方式，來控制電機(jī)的各相電壓 來實(shí)現(xiàn)控制 。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 。 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)。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）。 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。 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 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 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 30 圖 235 控制器 PCB板 3D視圖 經(jīng)過多次修改，綜合考慮了 PCB 板的電磁兼容性和布局尺寸因素 [12,13]。但問題出現(xiàn)了， CPLD 芯片沒 AD 轉(zhuǎn)化功能，系統(tǒng) 中專門增加一塊 AD芯片又無疑參加系統(tǒng)成本。 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 CL nRRTTT ???? （ 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 的占空比與線性電位器轉(zhuǎn)過的角度 ， 基本呈正比例關(guān)系變化。 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 。 D19IN41481D20IN4148680pC3104C41KR23GND+5V1KR21100K312R22GND1TRIG2OUT3RESET4CONT5THRES6DISCH7VCC8NE555U1NE555PWMR1R2R3 圖 226 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制旋鈕電路： PWM 生成電路 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制旋鈕電路如 上 圖 226 所示： 其中虛線框中的部分電路，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。 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)。 其主要參數(shù)如下： 工作電壓： 5V（兼容 輸入） 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 和 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。實(shí)際方案中都采用了100uF/50V 直插鋁電解電容。 故方案中實(shí)際采用的 IN5819 肖特基二極管（允許反向電壓 40V，額定電流1A）滿足要求。而 15V 電壓輸出，至少使用耐壓值為 23V 的電容，故系統(tǒng)中取 25V。 （ 2）輸出電容的選擇 輸出電容推薦使用的電容量為 100μF～ 470μF，其耐壓值至少應(yīng)是額定輸出的 倍。 圖 222 LM2575 電感曲線圖 （左 5V 輸出右 15V 輸出） 故，考慮到系統(tǒng)的最大輸入電壓 335）（ max ?? ，最大負(fù)載電流AIload（MAX） 1?。 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 22 圖 219 LM2575 結(jié)構(gòu)框圖 LM2575 典型應(yīng)用電路如下圖 220 所示（如果需要負(fù)電壓輸出，可將其輸出反接實(shí)現(xiàn)）。 LM2575 系列開關(guān)穩(wěn)壓集成電路芯片的主要參數(shù)如下： ? 最大輸出電流： 1A； ? 最大輸入電壓： 45V； ? 輸出電壓： 、 5V、 12V、 ADJ（可調(diào)）； ? 振蕩頻率： 54kHz； ? 最大穩(wěn)壓誤差： 4%； ? 轉(zhuǎn)換效率： 75%～ 88%（不同的電壓輸出的效率不同）； ? 工作溫度范圍： 40℃ ～ 125℃ 。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。 LM2575 系列 (LM1575,LM2575HV)開關(guān)穩(wěn)壓集成 芯片 是美國國家半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的 1A 集成穩(wěn)壓 芯片。 V5? 基準(zhǔn)源來自電源管理模塊的 V5? 穩(wěn)壓輸出。 對(duì)應(yīng)的信號(hào)檢測(cè)判斷電路如下圖 2 18 所示。耐壓值選用系統(tǒng)額定輸入電壓（ V28? ） 的 2 倍，標(biāo)準(zhǔn)化后即 63V。 圖 216 光耦 TLP281 元件特性曲線及負(fù)載曲線 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 查三端可調(diào)穩(wěn)壓管 LM431 的 datesheet 可 知 ： 控 制 端 最 小 電 流mAI MINZ )( ? ，輸出電阻 ? ，最大陰極電流 mAIC 1002 ? ， 故，考慮到 要 充分導(dǎo)通光耦 LT P281 三端可調(diào)穩(wěn)壓管 LM431， 和 拉地Protect 信號(hào)，取 mAII CF 102 ?? 。顯然降低截止頻率可以明顯提高濾波效果，但同時(shí)伴隨提高的時(shí)間系數(shù)，會(huì)降低信號(hào)傳播的實(shí)時(shí)性。其中 RC 濾波器的截止頻率為： ；時(shí)間系數(shù)： sT ? 。 查三端可調(diào)穩(wěn)壓管 LM431 的 datesheet 得： VVREF ? ， 所以當(dāng)： REFFAULT VV ?2_ ? AVVR VVIONFREF ??????? （ 8） 時(shí)， Protect 信號(hào)被光耦管拉地，輸出過流報(bào)警信號(hào)給 CPLD。 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。 U8TLP281104C19R49R50312D24LM431U7TLP281104C18R47R48312D23LM431V_HB1VS1+15VProtectFAULT_1FAULT_2VS1+5V2KR591CI2CIFIFVREFIzrCEV 圖 215 MOS 管導(dǎo)通電流監(jiān)測(cè)報(bào)警電路子模塊 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 19 下面以如圖 215 所示 ， 其中一個(gè)模塊為例加以說明 電路的工作原理 ， 其與來自 逆變橋第一個(gè)橋臂 MOS 管導(dǎo)通電流采樣 電路 輸出 的 1_FAULT 和 2_FAULT 信號(hào) 相對(duì)應(yīng) 。 實(shí)際電路如下圖 214 所示，其可以分為完全相同的三個(gè)子模塊，分別對(duì)應(yīng)MOS 逆變電路的一個(gè)臂。下面介紹對(duì)這個(gè)信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步處理的 MOS 管導(dǎo)通電流監(jiān)測(cè)報(bào)警電路。 查 IRF2907 的 datesheet 可知， ?? ， 試算這個(gè)回路的工作電流 AKVI ?? ， （ 3） 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 查 HER104 的 datesheet，可知 :由于 1I 非常小，其導(dǎo)通壓降在計(jì)算中可以取恒值 VVF ? ，而基本不影響結(jié)果，見下圖 213。依舊以 MOS 管的 SRC 模型來等價(jià)描述這個(gè)電路，如下圖 212 所示。 1） MOS 管導(dǎo)通電流采樣電路： 依舊取逆變橋的基本構(gòu)成模塊，進(jìn)行分析。從而存在燒毀控制器 MOS 管的可能。 這 使得 上 端 MOS管滿足大電流導(dǎo)通要求。而另一個(gè) 上 端 MOS的驅(qū)動(dòng)信號(hào) HO，以 VS點(diǎn)的電勢(shì)為零參考點(diǎn)。 CPLD芯片的兩個(gè)端口（ U_Hin、 U_Lin）輸出對(duì)應(yīng) 信號(hào) 控制橋臂，上下端 MOS管的導(dǎo)通邏 輯控制 PWM信號(hào)，直接接 IR2181驅(qū)動(dòng)芯片的輸出控制端口（ HIN、LIN輸入引腳）。 VCC5HIN1LIN2COM3LO4Vs6HO7Vb8U13IR2181SD32FR107225C24225C27104C33100uF25VC30D29FR107+15VVS1V_HB1VCC5HIN1LIN2COM3LO4Vs6HO7Vb8U14IR2181SD33FR107225C25225C28104C34100uF25VC311D30FR107+15VVS2V_HB2VCC5HIN1LIN2COM3LO4Vs6HO7Vb8U15IR2181SD34FR107225C26225C29104C35100uF25V12C32D31FR107+15VVS3V_HB3U_HinU_LinV_HinV_LinW_HinW_LinHO1LO1HO2LO2HO3LO3 圖 210 基于 IR2181的 MOS管驅(qū)動(dòng)電路 不難發(fā)現(xiàn)，其由完全相同的三個(gè)模塊來分別驅(qū)動(dòng)逆變電路完全相同的三個(gè)MOS橋臂。 圖 28 IR2181的結(jié)構(gòu)框圖 其典型電路如下圖 29所示。 1）芯片結(jié)構(gòu)及原理和典型電路 其主要由：輸入邏輯電路，電平轉(zhuǎn)換器，低端功率晶體驅(qū)動(dòng)管和高端晶體驅(qū)動(dòng)管組成。 IR2181S優(yōu)點(diǎn)是可靠性高，外圍電路簡(jiǎn)單，兼容 5VLSTTL數(shù)字電路靜態(tài)規(guī)則。 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。 MOS 管外圍的其他的元器件，是 MOS 管過流保護(hù)模塊的 對(duì) 流過 MOS 管電浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 流 值 的采樣電路。 4）和 IN4744 構(gòu)成穩(wěn)壓電路，防止 GSV 擊穿： 柵源極擊穿電壓 VVGS 20?? ， IN4744 穩(wěn)壓管穩(wěn)壓值 15V。 10KR820KR6D6IN4744LO1CGS 圖 27 MOS 管外圍驅(qū)動(dòng)電路的等效電路 其中各元器件的作用如下： R6 的 4 個(gè)作用： 1）防止震蕩： 上級(jí)的 I/O輸出口及連接導(dǎo)線都 會(huì)帶點(diǎn) 分布 電感，這使得在電壓突變的情況下可能和柵極電容 isC 形成 LC 振蕩，當(dāng)它們之間串上 R6后，可增大阻尼而減小振蕩效果。故下面只對(duì)其中一個(gè)做分析 此 驅(qū)動(dòng)電路中， MOSFET工作在開關(guān)管狀態(tài) DSTGS VVV ?? )( ,可以用 SR開關(guān)模型對(duì)其建模，結(jié)合柵極電容，可描述為 SRC模型 [10]，如下圖 26所示 ： DSGCGSTGS VV ?DSGCGSTGS VV ?關(guān)斷狀態(tài) 導(dǎo)通狀態(tài)onR 圖 26 MOSFET的開關(guān) 電阻 電容（ SRC）模型 其中，查表可知， ?? ， 浙江理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 模型 也 可用代數(shù)方式描述為：???????? VV 0 VV TGSTGSONDSDS RVi