【正文】 中北大學 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 32 頁 共 53頁 圖 38 無刷直流電機控制結(jié)構(gòu) 無刷直流電動機的數(shù)字控制 運動控制 (Moitno Control)是近 10 多年來在國際 。換流器 (inverter)一般由 6 個功 率晶體管 (Q1~Q6)分為上臂 (Ql、 Q QS)/下臂 (QZ、 Q Q6)連接電機作為控制流經(jīng)電機線圈的開關(guān) .控制部則提供 PWM(脈沖寬度調(diào)制 )決定功率晶體管開關(guān)頻度及換流器于設(shè)定值而不會變動太大的速度控制，所以電機內(nèi)部裝有能感應磁場的霍爾傳感器 ()，作為速度之閉回路控制，同時也作為相序控制的依據(jù)。電源部可以直接以直流電輸入 (一般為 24V)或以交流電輸入 (110v/220v)，如果輸入是交流電就得先經(jīng)轉(zhuǎn)換器 (converter)轉(zhuǎn)成直流。也就是說無刷直流電機能夠在額定負載范圍內(nèi)當負載變化時仍可以控制電機轉(zhuǎn)子維持一定的轉(zhuǎn)速。 Si9979 引腳中，引腳控制電動機正反轉(zhuǎn)，若該引腳接高電平，即則電動機進行正轉(zhuǎn)；若接低電平，即則電動機進行反轉(zhuǎn)，具體通過按鍵 key2實現(xiàn)。見下表。這主要是因為 PWM_ON 方式的電流過渡較好。 PWM_ON 方式和ON_PWM 方式中的每個開關(guān)管輪流導通、常開和關(guān)斷，因此可以均勻地散熱，所以比 H_PWML_ON 方式和 L_PWMH_ON 方式好。導通區(qū)間內(nèi)，上下橋臂同時進行 PWM 控制。這種方式的特點是下橋臂開關(guān)管總是負責 PWM 控制。 （ 4） L_PWMH_ON 方式 L_PWMH_ON 方式是指在 120176。導通區(qū)間內(nèi)，上橋臂開關(guān)管進行 PWM 控制，下橋臂開關(guān)保持常開。區(qū)間總有一個開關(guān)管保持常開，另一個開關(guān)管 PWM 控制。進行PWM 控制。導通區(qū)間內(nèi)，前 60176。區(qū)間總有一個開關(guān)管保持常開，另一個開關(guān)管 PWM 控制。保持常開。導通區(qū)間內(nèi)，前 60176。對于三相星形連接二二導通方式的無刷漢字六電動機，其PWM 控制方式有以下 5 種。 綜合上述分析，目前以三相星形全橋方式應用最多。全 橋驅(qū)動比半橋驅(qū)動所使用的開關(guān)管多一倍，因此，成本要求要高。 （ 3）電路的成本。一般相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩的波動越小。 （ 2） 轉(zhuǎn)矩的波動。適當?shù)靥岣呃@組通電利用率可以使同時通電導體數(shù)增加，使電阻下降，提高效率。 （ 1）繞組的利用率。 2. 優(yōu)化比較 無刷直流電動機有多相結(jié)構(gòu)，每種電動機可分為半橋驅(qū)動和全橋驅(qū)動，全橋驅(qū)動又可分為星形連接和角形連接以及不同的通電方式。絕大多數(shù)無刷直流電動機的氣隙磁密度是呈梯形分布的。每相繞組通電 240176。其他以此類推。電角度?？梢姡灿兄绷麟娫? 位置傳感器 開關(guān)電路 電動機 中北大學 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 29 頁 共 53頁 8 中導通狀態(tài)，因此每隔 60176。 圖 37 三相星形連接全橋驅(qū)動電路 星形連接的兩兩導通方式是每次使兩個開關(guān)同時導通。左右的電角度。 工作原理 1. 驅(qū)動方式的選擇 無刷直流電動機中各相定子繞組是由直流電源供電，故定子只能產(chǎn)生固定磁場，它不能與運動中轉(zhuǎn)子永久磁場相互作用。其原理框圖如下所示 [19]。由于電子開關(guān)的導通次序與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步，故起到機械換向器的作用。本設(shè)計中采用三相星形繞組，一對磁極。電動機本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電動機相似，但沒有籠形繞組和其 它啟動裝置。 LM339 的 Vcc+為 +5V， Vcc為 0V，上拉電阻為 ， LM339 在原理圖中的連接如下圖 所示。然而，若想通過 FPGA 反映在 PC 機上，則需要判斷 Is+是否為高電平，在實際的電路原理中， Is+為模擬量，必須轉(zhuǎn)換為數(shù)字量才可被 FPGA 識別，因此選用 LM339 電壓比較器，使用該比較器的一對輸入端和一個輸出端，通過分析可知，將基準電壓 100mV 接在 LM339的 負輸入端，將 Is+通過 20mΩ 的電阻接在 LM339 的正輸入端，當小于 100mV 時， Is+輸出為負，大于 100mV 時， Is+輸出為正。 具體實施需要通過 LM339 電壓比較器， Is+通過電流傳感器 RT 與 Si9979 內(nèi)部比較器正輸入端連接。 中北大學 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 27 頁 共 53頁 電動機的制動 BRK 電動機的制動分為制動和過流制動，前者為使能端有效的前提下，通過將 MOSFET管的上橋臂全部關(guān)斷，下橋臂全部 開通，將電動機繞組短接，實現(xiàn)制動。通過觀察該引腳的輸出波形，即可得知電動 機是否在換相，通過觀察 Hall 可知具體是哪兩項在換相。電角度輸出 6 個脈沖。 圖 31 本設(shè)計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 霍爾傳感器在設(shè)計中的工作情況 表 31 電動機逆時針方向旋轉(zhuǎn)時的驅(qū)動順序 狀態(tài) 順序 霍爾器件輸入 PWM 驅(qū)動 A B C Ⅰ 0 0 1 V1 V2 Ⅱ 1 1 1 V2 V3 Ⅲ 1 1 0 V3 V4 Ⅳ 1 0 0 V4 V5 Ⅴ 0 0 0 V5 V6 Ⅵ 0 1 1 V6 V1 表 32 電動機順時針方向旋轉(zhuǎn)時的驅(qū)動順序 狀態(tài) 霍爾器件輸入 PWM 驅(qū)動 控制電機旋轉(zhuǎn)、轉(zhuǎn)速，正反轉(zhuǎn)等一系列動作 全橋逆變電路 Si9979 驅(qū)動電路 FPGA 控制電路 數(shù)字信號 BLDCMMM 霍爾位置傳感器 中北大學 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 26 頁 共 53頁 順序 A B C Ⅰ 1 1 0 V3 V4 Ⅱ 1 1 1 V2 V3 Ⅲ 0 0 1 V1 V2 Ⅳ 0 1 1 V1 V6 Ⅴ 0 0 0 V5 V6 Ⅵ 1 0 0 V4 V5 霍爾傳感器以數(shù)字量的形式反饋給 Si9979，進而 Si9979 進行分析，判斷此時電動機中轉(zhuǎn)子的位置，在該設(shè)計中，我將數(shù)字量的霍爾信號與 FPGA 的 I/O 口相接， PC 機通過 JTAG 和 AS 將程序燒入到，在實際工作時，可以通過波形判斷具體是哪兩相導通，更加方便觀察分析。 3 硬件電路的設(shè)計 本設(shè)計研究的內(nèi)容是實現(xiàn)一個基于 FPGA 的無刷直流電動機控制器的設(shè)計，以中北大學 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 25 頁 共 53頁 FPGA 為工具 ， Verilog HDL 為開發(fā)語言工具，結(jié)合直流無刷電動機的基本機構(gòu)和基本原理，設(shè)計有位置傳感器的直流無刷電動機的控制器，三個霍爾傳感器檢測轉(zhuǎn)子位置信號用來換相，且通過所得到的位置信號計算速度，進行速度閉環(huán)。能夠描述層次設(shè)計，可使用模塊實例結(jié)構(gòu)描述任何層次。 Verilog HDL 中有兩類 數(shù)據(jù)類型 ：線網(wǎng)數(shù)據(jù)類型和寄存器數(shù)據(jù)類型。 其優(yōu)點有：用戶定義原語（ UDP）創(chuàng)建的靈活，用戶定義的 原語 既可以是組合邏輯原語，也可以是時序邏輯原語，開關(guān)級基本結(jié)構(gòu)模型，例如 pmos 和 nmos 等也被內(nèi)置在中北大學 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 24 頁 共 53頁 語言中，提供顯式語言結(jié)構(gòu)指定設(shè)計中的端口到端口的時延及路徑時延和設(shè)計的時序檢查， 可采用三種不同方式或混合方式對設(shè)計建模。當然，完整的硬件描述語言足以對從最復雜的芯片到完整的電子系統(tǒng)進行描述。 Verilog HDL 提供了擴展的建模能力，其中許多擴展最初很難理解。因此，用這種語言編寫的模型能夠使用 Verilog 仿真器進行驗證。此外， Verilog HDL 語言提供了編程語言接口，通過該接口可以在模擬、驗證期間從設(shè)計外部訪問設(shè)計，包括模擬的具體控制和運行。 Verilog HDL 語言具有下述描述能力：設(shè)計的行為特性、設(shè)計的數(shù)據(jù)流特性、設(shè)計的結(jié)構(gòu)組成以及包含響應監(jiān)控和設(shè)計驗證方面的時延和波形產(chǎn)生機制。被建模的數(shù)字系統(tǒng)對象的復雜性可以介于簡單的門和完整的電子數(shù)字系統(tǒng)之間。本設(shè)計中采用的 FLASH 芯片為 AMD 公司的AM29LV320DB90，容量為 4MB，數(shù)據(jù)寬度為 16 位，其電路原理 圖如下 所示。由于 FPGA 內(nèi)部沒有 FLASH 存儲器，因此在基于 FPGA 的嵌入式系統(tǒng)中， FLASH 是一種常用的外部存儲器。目前各類 SRAM、 SDRAM 或者 RDRAM 都屬于揮發(fā)性存儲器，只要停止電流供應內(nèi)存中的數(shù)據(jù)便無法保持；閃存則是一種不揮發(fā)性內(nèi)存，在 沒有電流供應的條件下也能夠長久地保持數(shù)據(jù)，其存儲性相當于硬盤，這項特性正式閃存得以成為各類便攜型數(shù)字設(shè)備的存儲介質(zhì)的基礎(chǔ)。 FLASH 電路屬于內(nèi)存器件的一種。由于 SRAM 的速度快，具有低延遲、高吞吐量和接口簡單等特性，非常易于連接到 FPGA，在某些需要較大的數(shù)據(jù)存儲容量和較短的延遲相應時間的場合，SRAM 是非常實用的選擇。不像 DRAM 內(nèi)存那樣需要刷新電路，每隔一段時間，固定要對 DRAM 刷新充電一次，否則內(nèi)部的數(shù)據(jù)即會消失，因此 SRAM 速度快，具有較高的性能，但是 SRAM 也有它的缺點，即它的集成度低，功耗較大，相同的容量體積較大，而且價格較高也是氣比較顯著的缺點。這個單元格可稱為存儲單元，這個表格就是邏輯 Bank。同步是指其工作需要同步時鐘，內(nèi)部的命令的發(fā)送與數(shù)據(jù)的傳輸都以它為基準；動態(tài)是指存儲陣列需要不斷的刷新來保證數(shù)據(jù)不丟失；隨機是指數(shù)據(jù)不是線性依次存儲，而是由指定地址進行數(shù)據(jù)讀寫。由于 SDRAM 的特殊性，為保證其工作中受到的干擾最小，所以在本電路板中沒有將其中北大學 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 22 頁 共 53頁 數(shù)據(jù)地址線與其他存儲器復用， SRAM 和 FLASH 的數(shù)據(jù)線地址線復用，控制線獨立。 圖 28 EP2C8Q208C8 的電源電路圖 5．存儲器電路 存儲器電路部分主要包括 SDRAM、 SRAM、和 FLASH。若使用大于 5V 的電源，需要根據(jù)所選用的 LDO 芯片選擇相應的電壓值，因為每個 LDO 芯片針的最大輸入電壓不同，且根據(jù)最后調(diào)壓的大小也有所要求。 板上提供了自恢復保險絲和 TVS 起過流和過壓保護。 中北大學 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 21 頁 共 53頁 圖 27 EP2C8Q208C8 的 PLL 電路圖 4．電源電路 電路板的電源由黑色 的 DC 插座引入，能提供 1A 或以上的 5V 直流穩(wěn)壓電源。 FPGA EP2C8Q208C8 電源電路 時鐘電路 復位電路 FLASH SRAM SDRAM I/O 引出 接口 LED 測試 電路 配 置 接口 配置電路 中北大學 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 20 頁 共 53頁 圖 25 EP2C8Q208C8 的配置電路圖 3. 時鐘 板載 50MHz 有源晶振，為系統(tǒng)提供精準的時鐘源；同時還留有一個晶 振的焊位，為用戶加入其它頻率的時鐘源提供了便利，其原理圖如下。配置模式采用 JTAG 和 AS 兩種模式，搬上分別帶有兩種配置模式的配置插座。 EP2C8Q208C8 正常工作時的結(jié)構(gòu)圖如下。 見表 23。 Cyclone‖器件支持單端 I/O 標準，例如 LVTTL、 LVCMOS、 SSTL SSTL1HSTL1 HSTL1 PCI 和 PCIX， 見表 23。鎖相環(huán)還可以實現(xiàn)對一個應用進行時分復用的功能，這樣對某些特定的電路就可以在一個時鐘周期內(nèi)運行多次。 表 22 Cyclone‖系列 FPGA 特性 EP2C5 EP2C8 EP2C20 EP2C35 EP2C50 EP2C50 LE 4608 8256 18752 33216 50528 68416 M4K RAM 26 36 52 105 129 250 鎖相環(huán) 2 2 4 4 4 4 乘法器 13 18 26 35 86 150 在 Cyclone‖的器件中，一個 LAB 中有 16 個 LE。它延續(xù)了 Cyclone 的低成本定位，在邏輯容量、 PLL、乘法器和 I/O 數(shù)量上都較 Cyclone 有了很大提高。 FPGA 對 Si9979 的控制， FPGA 通過自身 pin11 號 I/O 口的發(fā)出 PWM 波給 Si9979芯片，來控制電動機的轉(zhuǎn)速；通過 pin8 號 I/O 口引腳控制 Si9979 芯片的使能；通過 pin10號 I/O 引腳控制電動機的轉(zhuǎn)向；通過 pin12 號 I/O 引腳控制電動機的制動；通過 pin13中北大學 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 18 頁 共 53頁 號 I/O 口捕捉口檢測電動機的轉(zhuǎn)速。當電壓降又達到 100mv，則上述過程重復進行。如果電阻上的電壓降達到 100mv，就會使比較器產(chǎn)生輸出，觸發(fā)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器 ,從而使電動機的驅(qū)動輸出關(guān)斷。 圖 23 無刷直流電機控制器 SI9979 的典型控制電路 Si9979 采用內(nèi)部的延時電路防止直通，它使每個 MOSFET 延時 250ns 開通。本設(shè)計中，峰值電流設(shè)置為 5A，所以 5A 電流流過傳感電阻時，要產(chǎn)生 100mV 電壓降，由此可以計算出電流傳感電阻的阻值為 20mΩ，功率為 。本設(shè)計采用 24V 功率電壓，電動機工作的額定電流為 2A，最大啟動電流為 5A，