【正文】 加速到額定轉(zhuǎn)速需要 5s。本設(shè)計(jì)采用 24V 功率電壓。電角度相位差的位置傳感器，采用 L_PWMH_ON 的 PWM 控制方式。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)動輸出 34 GTA A 相上橋臂 MOSFET 柵極驅(qū)動輸出 35 SA A 相輸出端。電流傳感電阻的壓降達(dá)到 100mv，出發(fā)限流動作 續(xù)表 21 引腳號 符號 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)動地 25 GBC C 下橋 MOSFET 柵極驅(qū)動輸出 26 GTC C 相上橋臂 MOSFET 柵極驅(qū)動輸出 27 SC C 相輸出端。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。電角度輸出 6 個(gè)脈沖。 10 TACH 轉(zhuǎn)速輸出引腳。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 制動控制引腳。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。 Si9979 芯片功能列表如下 21 所示： 表 21 Si9979 引腳功能 引腳號 符號 功能 1～ 3 INA INB INC 輸入引腳?？梢詾樯蠘虮坶_關(guān)管驅(qū)動電路供電，因此允許三相逆變橋的開關(guān)管全部使用 N 溝道的 MOSFET。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 15 頁 共 53頁 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?？山邮艿耐獠靠刂菩盘栍?PWM 控制信號、轉(zhuǎn)向控制信號、 L_PWMH_ON方式和 H_PWML_PWM 方式選擇信號、制動信號、使能信號?；?120176。它可 用于控制三相活單相無刷直流電動機(jī)。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 來標(biāo)記。電角度，就有一個(gè)霍爾器件改變其狀態(tài)，逆變器內(nèi)與之相對應(yīng)的某一相的開關(guān)狀態(tài)也將更新變化一次。電角配置，電動機(jī)工作為 “兩相導(dǎo)通三相星形六狀態(tài) ”，無刷直流電動機(jī)中霍爾器件的輸出信號、飯電動勢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)與電動機(jī)運(yùn)行過程中的六個(gè)磁狀態(tài)的一致性。因此，必須在霍爾器件的周邊配置穩(wěn)壓及吸收高頻信號等的保護(hù)電路。 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避免過電應(yīng)力造成的損壞。大多數(shù)霍爾器件的輸出是集電極輸出，輸出級內(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。 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 共 53頁 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。 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。若必須彎曲時(shí)，則應(yīng)在距離引腳根部 3mm 以上處彎曲。因此，必須嚴(yán)格規(guī)范焊接點(diǎn)溫度和焊接時(shí)間。 1. 由于機(jī)械應(yīng)力會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?；魻柶骷p耗率的大小將直接影響到它在電動機(jī)中的安裝位置、 安裝方式和最大允許的工作溫度等。對于具有斬波設(shè)計(jì)的霍爾器件而言，達(dá)到穩(wěn)定后的數(shù)字信號的上升時(shí)間小于 。但是，驅(qū)動系統(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 共 53頁 用中可以不必過多地關(guān)注霍爾器件的頻帶寬度 [13]。一般情況下，開關(guān)型器件的頻帶寬度為 10～ 100Hz。提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率具有非常重要的意義。在干燥的季節(jié)，人體靜電電壓可高達(dá)幾千伏，甚至幾萬伏，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。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。 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。60℃ 時(shí)，溫度漂移一般不應(yīng)大于 30Gs。 2．溫度范圍 霍爾器件是一種對溫度敏感的器件，它的磁靈敏度在高低溫度下有一定的漂移。 霍爾器件選用時(shí)注意事項(xiàng) 1．主要技術(shù)規(guī)格 電壓等級和磁靈敏度范圍是霍爾器件的兩項(xiàng)主要性能指標(biāo)。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，外加磁場的大小不會改變某一開關(guān)型霍爾器件的磁 滯區(qū)的數(shù)值大小。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 共 53頁 上對應(yīng) Brp 的點(diǎn)被稱之為 “磁釋放點(diǎn) ”。 Bop 與 BRP 之間的滯后使開關(guān)動作更為可靠。 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。 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。 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]。它有兩種工作方式，即磁平衡式和直式。它具有對磁場敏感、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、 頻率 響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長等 優(yōu)點(diǎn) ，因此，在測量、自動化、計(jì)算機(jī)和 信息技術(shù) 等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。 霍爾位置傳感器 的性能特點(diǎn) ●霍爾位置傳感器開關(guān)型輸出無觸點(diǎn)、無磨損、輸出波形清晰、位置重復(fù)精度高； ●耐振動，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； ●安裝方便易學(xué)，功耗小，不會影響相關(guān)電機(jī)的正常運(yùn)行； ●工作溫度范圍可道道 55℃ ~150℃ ?；魻栁恢脗鞲衅饕曰魻栃?yīng)原理為其工作基礎(chǔ)。 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物體位置的磁場傳感器。 制動、報(bào)錯(cuò)的反映。 轉(zhuǎn)速控制：無刷直流電動機(jī)的轉(zhuǎn)速控制原理與普通直流電動機(jī)一樣，可以通過 PWM的方法來控制電樞的平均電壓，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的控制?；?FPGA 的無刷直流電動機(jī)控制器的設(shè)計(jì)主要有以下功能： 換向控制：對于有位置傳感器的系統(tǒng)，要根據(jù)位置傳感器的信號進(jìn)行有規(guī)律的換相正確選擇哪些相通電、哪些相斷電；對于無位置傳感器的系統(tǒng)，要根據(jù)感應(yīng)電動式信號計(jì)算換相點(diǎn)，判斷哪些相應(yīng)該通電、哪些相應(yīng)該斷電。對于元器件的選型以及所設(shè)計(jì)無刷直流電動機(jī)控制器設(shè)計(jì)的可行性，設(shè)計(jì)出以下方案?？刂破鞯娜珨?shù)字化將使系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)更加簡化，促使柔性控制算法在電動機(jī)控制中的應(yīng)用，同時(shí)還易與上層和和遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸通信，便于系統(tǒng)故障的檢測與診斷 [7]。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 9 頁 共 53頁 FPGA 的使用，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。該器 件支持單端 I/O 標(biāo)準(zhǔn)，例如 LVTTL、 LVCMOS、 SSTL SSTL1HSTL1 HSTL1 PCI 和 PCIX。同樣， CLK2和 CLK3 可以作為 PLL2 的兩個(gè)可選用的時(shí)鐘輸入端，也可以作為一對 LVDS 的時(shí)鐘輸入引腳。 CycloneⅡ芯片中的鎖相環(huán)（ PLL）只能由全局時(shí)鐘引腳 CLK0~CLK3 來驅(qū)動。 綜合本設(shè)計(jì)的情況 ，選用霍爾 位置 傳感器最適合，霍爾器件將轉(zhuǎn)子的位置以數(shù)字信號傳送給 FPGA， CycloneⅡ 芯片器件經(jīng)過分析后傳將信號傳送給驅(qū)動電路（ Si9979 芯片和外圍電路組成），將信號傳送給由功率開關(guān)組成的全橋逆變電路，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對電動機(jī)的旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)速以及正反轉(zhuǎn)達(dá)的控制。 “霍爾效應(yīng) ”是在長方形半導(dǎo)體薄片上通入電流 I，當(dāng)在垂直 于薄片方向上施加磁感應(yīng)強(qiáng)度為 B 的磁場時(shí)，則在與電流 I 和磁場強(qiáng)度 B 構(gòu)成的平面相垂直的方向上會產(chǎn)生一個(gè)電動勢 E，稱其為霍爾電動勢，其大小為E=KHIB，式中 KH為靈敏度系數(shù)，這種效應(yīng)稱為霍爾效應(yīng)。利用霍爾式位置傳感器工作的無刷直流電動機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子，同時(shí)也是霍爾式傳感器的轉(zhuǎn)子。 3．霍爾式位置傳感器。它由發(fā)光二極管、光敏接受元件、遮光板組成。 2．光電式位置傳感器。其中互相間隔的 3 個(gè)極為同一繞組，接高頻電源，作為勵磁；另外 3 個(gè)極各有自己的獨(dú)立繞組，作為感應(yīng)極，是傳感器的輸出端。轉(zhuǎn)子與電動機(jī)軸連在一起，隨電動機(jī)同步轉(zhuǎn)動。該 傳感器是利用電磁效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)位置測量的。 無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)的位置檢測部分主要是由位置傳感器實(shí)現(xiàn)的，通常有以下三種。選擇 PID 控制算法，對數(shù)字 PID 控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)并在 FPGA 控制器上實(shí) 現(xiàn)對電動機(jī)進(jìn)行控制，方案設(shè)計(jì)與實(shí)施過程中，在QuartusⅡ 環(huán)境下對個(gè)環(huán)節(jié)及系統(tǒng)進(jìn)行了仿真和驗(yàn)證。驅(qū)動電路由 Si9979 和 MOSFET 功率轉(zhuǎn)換電路組成。 本設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要分為控制部分和驅(qū)動部分。 所需要研究的內(nèi)容及安排 在本設(shè)計(jì)中的核心為 FPGA 控制部分，選用 Altera 公司的 CycloneⅡ 芯片，用 FPGA控制無刷直流電動機(jī)，能將大量邏輯功能繼承于一個(gè)單片 IC 中，節(jié)省資源，實(shí)現(xiàn)在 線編程、擦除、使設(shè)計(jì)更靈活，可靠程度更大，且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)極為緊湊。然而，機(jī)械電刷和換向器因強(qiáng)迫性接觸，造成結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、接觸電阻變化 、產(chǎn)生火花、噪聲等一系列問題，影響了直流電動機(jī)的調(diào)速精度和性能。因此，F(xiàn)PGA 的使用非常靈活。當(dāng)需要修改 FPGA 功能時(shí)，只需換一片EPROM 即可。加電時(shí)， FPGA 芯 片將 EPROM 中數(shù)據(jù)讀入片內(nèi)編程RAM 中，配置完成后， FPGA 能夠反復(fù)使用。由于 Altera 公司的 FLEX/ACEX/APEX 系列也是 SRAM 架構(gòu)，所以通常把 Altera 公司的 FLEX/ACEX/APEX 系列芯片也叫做 FPGA。 FPGA 的容量比較大，包含大量的邏輯單元、內(nèi)嵌存儲器以及一些其他的高級特性元件，如鎖相環(huán)、 LVDS 等，適合一些比較復(fù)雜的時(shí)序邏輯應(yīng)用之中。 FPGA 是英文 Field Programmable Gate Array 的簡寫，漢語專業(yè)術(shù)語稱之為現(xiàn)場可編程門陣列，是數(shù)字電子技術(shù)的一門引申技術(shù)。經(jīng)濟(jì)實(shí)用型的無刷直流電機(jī)控制器可采用多種單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)且價(jià)格相對便宜，然而，處理能力有限，特別是當(dāng)需要處理的數(shù)據(jù)量大，系統(tǒng)實(shí)時(shí)性和精度要 求高時(shí)，單片機(jī)往往不能滿足要求，特別是在要求多臺電機(jī)協(xié)同工作的一些工業(yè)應(yīng)用場合，使用單片機(jī)及各種接口電路來控制電機(jī)會使硬件較為復(fù)雜，難以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速的數(shù)字化控制。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 6 頁 共 53頁 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 目前，在民用和軍用的機(jī)器臂驅(qū)動電機(jī)應(yīng)用中，無刷直流電機(jī)所占比例較大，已開始出現(xiàn)替代步進(jìn)電機(jī)和傳統(tǒng)直流伺服電機(jī)驅(qū)動機(jī)器人的發(fā)展趨勢。 無刷直流電機(jī)是功率半導(dǎo)體和永磁材料一體化的新型電機(jī)，具有串勵直流電機(jī)啟動特性和并勵直流電機(jī)調(diào)速特性的梯形波 /方波無刷直流電機(jī)，其控制系統(tǒng)是集電機(jī)技術(shù)、電力電子技術(shù)、控制理論和計(jì)算機(jī)技術(shù)等現(xiàn)在科學(xué)技術(shù)于一身的機(jī)電一體化系統(tǒng)。隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，電子工業(yè)的發(fā)展，稀土永磁材料和電力電子器件性能價(jià)格比的不斷提高，無刷直流電機(jī)作為中小功率高性能調(diào)速電機(jī)和伺服電機(jī)在工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣泛?？偟膩碚f，除了軸承旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生摩擦損耗外，轉(zhuǎn)子的損耗很小，因而進(jìn)一步增加了工作的可靠性 。和有刷直流電機(jī)相比，無刷直流電機(jī)由于革除了滑動接觸機(jī)構(gòu)，因而消除了機(jī)械故障的主要根源。通常，無刷直流電機(jī)的定子上裝有位置傳感器，以實(shí)現(xiàn)電子換向，而像有刷直流電機(jī)那樣需要電刷和換向器。直流電動機(jī)按結(jié)構(gòu)及工作原理可分為無刷直流電動機(jī)和有刷直 流電動機(jī) 。只要給電機(jī)提供直流電源，通過電子換向器，直流電可以轉(zhuǎn)換成為需要的直流方波。如果把這種電機(jī)的正弦波供電改為直流方波供電，便是無刷直流電機(jī)。 關(guān)鍵詞 ：無刷直流電動機(jī)，可編程邏輯器件， Si9979，霍爾傳感器 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 第 2 頁 共 53頁 DESIGN OF BRUSHLESS DC MOTOR CONTROLLER BASED ON FPGA Abstract: Along with the permanent magic materials and power electronic po n