【正文】 軟件繪制了原理圖， Quartus軟件進行程序編制與仿真。 通過編程以及按鍵的使用，設計完成了電動機的手動剎車、正反轉(zhuǎn)的控制。 系統(tǒng)設計完之后，將所編程序載入 Quartus 軟件中進行了調(diào)試仿真，通過觀察波形實現(xiàn)了一個基于 FPGA 的無刷直流電動機簡單工作的控制器功能。這種電機的轉(zhuǎn)子是永磁體，定子是線圈繞組。直流方波電壓的提供，依賴于隨機配備的電子換向器。在工業(yè)應用中，把電機本體和電子換向器部分合稱為無刷直流電機 ,即 BLDCM(Brushless DC MOTOR)。 無刷直流電機具有和有刷直流電機類似的優(yōu)良控制特性，在電磁結構上和有刷直流電機一樣，但它的電樞繞組安放在定子上，繞組采用多相形式，轉(zhuǎn)子安放永磁體。無刷直流電機的電樞繞組由驅(qū)動電路供電，各相逐次通電產(chǎn)生電流，該電流和轉(zhuǎn)子磁極主磁場相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩。由于轉(zhuǎn)子上沒有繞組，因此轉(zhuǎn)子銅損忽略不計，又由于轉(zhuǎn)子和主磁場同步旋轉(zhuǎn)，因此鐵 損極小 (在方波電流驅(qū)動時，電樞磁勢的軸線是脈動的，會在轉(zhuǎn)子鐵心內(nèi)產(chǎn)生少量的鐵損 )。 無刷直流電機除了具有像有刷直流電機那樣的調(diào)速性能好、運行效率高等特點外，同時還具備交流電機結構簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點。而且在工業(yè)應用中，無刷直流電機在快速性、可控性、體積、重量、節(jié) 能、效率、耐受環(huán)境和經(jīng)濟性等方面具有明顯的優(yōu)勢。無刷直流電機由于其具有結構簡單、易于控制，運行可靠、出力大和效率高等特點，已在 精密車床、國防、工業(yè)過程控制、航空航天、汽車電子、機器人、辦公自動化和家用電器等領域中得到了較好的應用。大功率的無刷直流電機在低速、環(huán)境惡劣和有一定調(diào)速性能要求的場合也有很好的應用前景，如無齒輪曳引機電梯驅(qū)動、抽水蓄能、鋼廠軋機傳動等，具有調(diào)速動態(tài)響應快、跟蹤誤差小、靜差率小賀調(diào)速范圍寬等特點。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(xiàn)無刷直流電機控制系統(tǒng)的設計。它是作為專用集成電路（ ASIC）領域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原 有可編程器件們電路數(shù)有限的缺點。 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。用戶可以根據(jù)不同的配置模式，采用不同的編程方式。 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。這樣一片 FPGA，不同的編程數(shù)據(jù)，可以產(chǎn)生不同的電路功能。 直流電動機具有非常優(yōu)秀的線性機械特性、寬的調(diào)速范圍、大的啟動轉(zhuǎn)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(qū)動裝置和伺服系統(tǒng)中。隨著技術和高性能的磁性材料制造技術的飛速發(fā)展，無刷直流電動機利用電子換向器取代看機械電刷和機械換相器，中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 7 頁 共 53頁 因此，這種電動機不僅保留了直流電動機的優(yōu)點，而且又具有了交流電動機的結構簡單、運行可靠、維護方便等優(yōu)點，目前該項技術已經(jīng)應用在廣泛的領域里 [1]。 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(tǒng)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]?？刂撇糠种饕?FPGA 組成，包括數(shù)據(jù)采集和 PWM 波形的產(chǎn)生以及電機電樞電流的采樣。電機的位置信號由霍爾元件采集。 在以往一些無刷直流電機控制研究中，常采用單片機控制，然而處理能力有限，特別是當需要處理的數(shù)據(jù)量大，系統(tǒng)實時性和精度要求高時，單片機往往不能滿足要求，使用單片機及各種接口電路來控制電機會使硬件較為復雜，難以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的數(shù)字化控制，此時， FPGA 芯片和 Si9979 組合燈方案來實現(xiàn)無刷直流電動機控制顯得尤為適合。 1．電磁式位置傳感器。它由轉(zhuǎn)子和定子兩部分構成，轉(zhuǎn)子是一個用非導磁材料制成的圓盤，其上面鑲嵌有扇形的導磁材料，扇形導磁片的個數(shù)與無刷直流電動機轉(zhuǎn)子磁極的極對數(shù)相等。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。雖然電磁式位置傳感器輸出信號強，工作可靠，適應性強，但它的信噪比較低，體積大，輸出是交流信號，需要 經(jīng)整流和濾波后才能使用，所以，它在早期應用較多，現(xiàn)在已逐漸退出。該傳感器是利用光電效應進行工作。光敏三極管獲光敏二極管的輸出較弱，需要整形放大，經(jīng)過中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 8 頁 共 53頁 放大整形輸出的是脈沖信號，易于與數(shù)字電路接口 [5]。該 傳感器是利用 “霍爾效應 ”進行工作的。通過感知轉(zhuǎn)子上的磁場強弱變化來辨別轉(zhuǎn)子所處的位置。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(zhuǎn)子的磁場，對霍爾半導體通入直流電，當轉(zhuǎn)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(zhuǎn)子位置而發(fā)生變化，從而起到檢測轉(zhuǎn)子位置的作用 [6]。 CycloneⅡ 芯片內(nèi)部的 RAM 塊只有 M4K 塊一種，它可以實現(xiàn)簡單雙端口、單端口的 RAM 和真正雙端口通信，可以支持移位寄存器和ROM 方式，該芯片內(nèi)部有 8 個內(nèi)部全局時鐘網(wǎng)絡，可以由全局時鐘引腳 CLK0~CLK復用的時鐘引腳 DPCLK0~DPCLK鎖相 環(huán)（ PLL）或者是內(nèi)部邏輯來驅(qū)動。 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）。 在 CycloneⅡ 器件中，一個 LAB 中有 16 個 LE，增加了乘法模塊，因此大大增強了DSP 處理能力。 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(xiàn)在線編程、擦除、使設計更靈活，可靠程度更大，且系統(tǒng)結構極為緊湊。在一些對控制成本和空間要求嚴格的應用中，復雜的控制算法可以通過 FPGA 來實現(xiàn)，這不 但可以提高無刷直流電動機控制系統(tǒng)的可靠性，也為其朝接口的通用化和控制的數(shù)字化方向發(fā)展提供和堅實的基礎。 設計的總體方案 根據(jù)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(qū)動電路模塊以及逆變電路模塊組成。 采用 CycloneⅡ 作為控制核心，由霍爾位置傳感器采集電動機轉(zhuǎn)子的位置，并將信息以數(shù)字信號的形式傳送給 CycloneⅡ 芯片進行處理，驅(qū)動電路即 Si9979 將信號放大處理后控制逆變電路不同支路的導通進而實現(xiàn)對電動機的控制。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。 轉(zhuǎn)向控制：只要改變換相的通電順序就可以實現(xiàn)電動機的正、反轉(zhuǎn)控制。 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(jù)此題目的要求，經(jīng)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(zhuǎn)子位置， 經(jīng) FPGA 芯片 CycloneⅡ 分析后輸出合適信號， 經(jīng)以 Si9979 為基礎的驅(qū)動電路放大 后傳遞至 全橋逆變電路 ， 將直流轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣鬟M而控制電動機的旋轉(zhuǎn) 、轉(zhuǎn)速和正反轉(zhuǎn) 。用它們可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用。霍爾位置傳感器通過它對磁場變化的測量，將許多非電、非磁的物理量轉(zhuǎn)變成電量來進行測量和控制，因而有著廣泛的用途。 霍爾集成電路圖 圖 21 霍爾集成電路圖 中北大學 2020 屆畢業(yè)設計說明書 第 11 頁 共 53頁 根據(jù)霍爾效應，人們用半導體材料制成的元件叫 霍爾元件 。霍爾電流傳感器是根據(jù)霍爾原理制成的?；魻栯娏鱾鞲衅饕话阌稍呺娐?、聚磁環(huán)、霍爾器件、（次級線圈）和放大電路等組成 。 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。 本設計綜合設計需求采用開關型，一下詳細介紹一下開關型霍爾器件的工作原理。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? 對于開關型霍爾器件而言，當磁感應強度由零開始增大到某一數(shù)值 Bop 的點被稱之為 “磁工作點 ”。磁工作點與磁釋放點之差，即數(shù)值（ BopBRP） =BHYS被稱之為開關型器件的 “磁滯區(qū) ”。開關型霍爾器件的磁滯回線相對于零磁場縱坐標是不對稱的，它的導通和截止過程只和外界磁場的大小有關，不需要磁場記性的變換 [10]。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。對于由硅半導體制作的霍爾器件而言，溫度變化 177。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。不同類型的霍爾器件因采用的半導體材料和制造工藝不同，因此其靜電靈敏度也不同。 使用者在設計和制造產(chǎn)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，在設計和生產(chǎn)制造過程中，要把人體靜電控制在一定程度之內(nèi)，這對減少霍爾器件損壞、降低產(chǎn)品成本。 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(chǎn)出來的不同霍爾器件具有不同的頻帶寬度。在高速微處理器時代，10～ 100Hz 的頻帶寬 度是算相當?shù)偷摹? 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(shù)。 6．功率損耗 霍爾器件的損耗功率由兩部分所組成，一是器件集成電路本身所消耗的功率；二是器件輸出級晶體管中的功率損耗，其數(shù)值等于晶體管的飽和管壓降 Vsat 乘以上拉電阻中的負載電流。 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。 2. 由于環(huán)境溫度過高時會損壞霍爾器件內(nèi)部的半導體材料，從而造成性能偏差或功能失效。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。彎曲時，必須采用工具把引腳根部 3mm 以內(nèi)部分固定住，再彎曲其余部分，避免彎曲操作將霍爾器件的內(nèi)部引線折斷進而影響其的使用，降低元件的使用可靠性。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(tǒng)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(chǎn)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]?；魻柶骷墓╇婋娫措妷翰粦^說明書中規(guī)定的 VDD數(shù)值。負載電阻 RL 的數(shù)值過小時，出現(xiàn)過載運行，將使晶體管中的功率損耗增大；負載電阻 RL 的數(shù)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。當電動機運行時，霍爾器件的周圍存在著很強的電磁場，相關導線會將空間的電磁場能量耦合下來轉(zhuǎn)換成電路中的電壓值，并作用于霍爾器件；同時，負載電路中的導線存在分布電感，當霍爾器件的輸 出晶體管導通和截止時，也會由于電流瞬時變而在電路中產(chǎn)生過沖電壓。 本設計中采用三個霍爾器件，他們沿定子圓周相互間隔 120176。每旋轉(zhuǎn) 60176。這樣開關狀態(tài)變化六次就完成一個電氣周轉(zhuǎn)。該設計中采用電動機的磁極數(shù) 2p=2，額定轉(zhuǎn)速 nH=3000r/min，我們把電動機正常運行時逆變器內(nèi)開關狀態(tài)每秒鐘變化的次數(shù)稱之為無刷直流永磁電動機的頻率 fm，則 fm可以按下式計算 ZHm Hs pnf 3006030001660 ????? （ 21） Si9979 專用集成芯片 Si9979 芯片是 Vishay Siliconix 公司生產(chǎn)的。要求無刷直流電動機帶有霍爾傳感器，可選擇相位差為 60176。電角度的傳感器位置關系?？奢敵龅目刂菩盘栍泄收闲盘柡娃D(zhuǎn)速信號。集成自舉電路和充電泵電路。保護功能包括：直通保護、電流限制和欠壓 保護。內(nèi)部集成上拉電阻 4 60/120 兩種位置關系的傳感器選擇引腳： 160℃ ；0120℃ 。內(nèi)部集成上拉電阻 6 RF/ 正反轉(zhuǎn)控制引腳： 1正轉(zhuǎn)； 0反轉(zhuǎn) 。高電平有效，上橋臂全部關斷，下橋臂全部開通，電機三相繞組短接，制動，其制動轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速有關。每次換相輸出一個至少 300ns 脈寬的負脈沖，每 360176。該引腳為漏極開路輸出 11 FAULT 故障輸出引腳： 0有故障。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。連接自舉電容的負端，上橋臂