【正文】 MOSFET 的 S 極、下端、下橋臂 MOSFET 的 D極 28 CAPC C 相自舉電容的正端 29 GBB B 下橋 MOSFET 柵極驅(qū)動輸出 30 GTB B 相上橋臂 MOSFET 柵極驅(qū)動輸出 31 SB B 相輸出端。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 36 CAPA A 相自舉電容的正端 42 V+ 功率電源， 20～ 40V 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 17 頁 共 53頁 43 VDD 內(nèi)部邏輯和柵極驅(qū)動， 16V Si9979 外圍電路設(shè)計 本設(shè)計使用 120176。 Si9979 芯片通過外接 N 溝道 MOSFET 組成全橋驅(qū)動電路。 Si9979 芯片通過外接 N 溝道 MOSFET 組成全橋驅(qū)動。限流設(shè)計與電動機啟動加速時間、開關(guān)管開關(guān)能力和電源有關(guān)。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。為了限流，外接一個電流傳感電阻，電阻的兩端與內(nèi)部比較器的兩個輸入端相連。這種狀態(tài)持續(xù)一段時間后恢復(fù)輸出。這樣就形成了電流斬波，起到限流的目的。 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。 Cyclone‖系列 FPGA 特性見下表。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。通用時分復(fù)用，可以用較少的邏輯資源來實現(xiàn)所需要的功能。 Cyclone‖器件的差分信號提供更好的噪音容限，產(chǎn)生更低的電磁干擾，并降低了功耗。 表 23 Cyclone‖器件單端 I/O 標(biāo)準(zhǔn)支持 I/O 標(biāo)準(zhǔn) 性能 典型應(yīng)用 PCI 66 PC、嵌入式應(yīng)用 PCIX 100 PC、嵌入式應(yīng)用 Ⅰ 167 存儲器 Ⅱ 133/125 存儲器 Ⅰ 167 存儲器 Ⅱ 100 存儲器 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 19 頁 共 53頁 表 24 Cyclone‖器件差分 I/O 標(biāo)準(zhǔn)支持 I/O 標(biāo)準(zhǔn) 性能 /Mbit/s 典型應(yīng)用 LVDS 805（接收端） 622（發(fā)送端） 芯片到芯片接口應(yīng)用，背板驅(qū)動 MiniLVDS 170 通用 RSDS 170 通用 LVPECL 150 只用于時鐘輸入 差分 HSTL 167 存儲器 差分 SSTL 167 存儲器 控制芯片 EP2C8Q208C8 的外圍電路設(shè)計 1． FPGA 主芯片 EP2C8Q208C8 芯片，邏輯單元為 8256， M4KRAM 塊為 36，總比特數(shù)為 165888，嵌入式 1818 乘法器是 18， PLLs 為 2，最多用戶 I/O 管腳為 138，差分通路為 77。 圖 24 電路結(jié)構(gòu)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(shù)據(jù)。原理圖如下。 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(jìn)行相關(guān)設(shè)計，其原理圖如下 所示。外部電源經(jīng)過 LDO 芯片，轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的 為 FPGA 提供 VCCINT 電源、 電壓為 FPGA 提供 VCCIO 電源和其他的芯片及電路的工作電源。板保險絲為 ， TVS 為 5V，可根據(jù)自己的情況進(jìn)行更換。如果一旦超過芯片的限定值，會出現(xiàn)燒毀電路板的可能。在該系統(tǒng)存儲器設(shè)計中，除了各存儲器的片選信號不能復(fù)用之外，其他的地址線、數(shù)據(jù)線和信號線是 可以復(fù)用的。 SDRAM 即同步動態(tài)隨機存取存儲器。 SDRAM 的內(nèi)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(zhǔn)確的找到所需要的單元格 ，這就是 SDRAM 芯片尋址的基本原理。 SRAM 是一種具有精致存取功能的內(nèi)存，不需要刷新電路即能保存它內(nèi)部存儲的數(shù)據(jù)。 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。典型的 SRAM 的容量為 128Kbytes 到 10Mbytes 之間，設(shè)計者可以根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需求折中考慮性能與成本，選擇適宜的存儲器。不過閃存的物理特性與常見的內(nèi)存有根本性的差異。 作為一種非易失性存儲器， FLASH 被廣泛應(yīng)用于嵌入式系統(tǒng)中。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(dǎo)代碼以及其他一些需要在斷電的情況下保存的數(shù)據(jù)。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 23 頁 共 53頁 圖 29 EP2C8Q208 外接 FLASH 電路圖 verilog HDL 語言概述 Verilog HDL 是一種硬件描述語言，用于從算法級、門級到開關(guān)級的多種抽象設(shè)計層次的數(shù)字系統(tǒng)建模。數(shù)字系統(tǒng)能夠按層次描述，并可在相同描述中顯式地進(jìn)行時序建模。所有 這些都使用同一種建模語言。 Verilog HDL 語言不僅定義了語法，而且對每個語法結(jié)構(gòu)都定義了清晰的模擬、仿真語義。語言從 C 編程語言中繼承了多種操作符和結(jié)構(gòu)。但是， Verilog HDL 語言的核心子集非常易于學(xué)習(xí)和使用，這對大多數(shù)建模應(yīng)用來說已 經(jīng)足夠。 基本邏輯門，例如 and、 or 和 nand 等都內(nèi)置在語言中。這些方式包括：行為描述方式 —使用過程化結(jié)構(gòu)建模；數(shù)據(jù)流方式 —使用連續(xù) 賦值語句 方式建模；結(jié)構(gòu)化方式 —使用門和模塊實例語句描述建模。線 網(wǎng)類型表示構(gòu)件間的物理連線，而寄存器類型表示抽象的數(shù)據(jù)存儲元件。 設(shè)計的規(guī)模可以是任意的；語言不對設(shè)計的規(guī)模（大?。┦┘尤魏蜗拗?， 可作為 E D A 的工具和設(shè)計者之間的交互語言 ， 設(shè)計能夠在多個層次上加以描述，從開關(guān)級、門級、寄存器傳送級（ RTL）到算法級，包括進(jìn)程和隊列級， 能夠使用內(nèi)置開關(guān)級原語在開關(guān)級對設(shè)計完整建模。 本設(shè)計總結(jié)構(gòu)框圖 由于本設(shè)計中無刷直流電動機為 “兩兩導(dǎo)通三相六狀態(tài) ”，故采用三個霍爾傳感器即可，霍爾傳感器將轉(zhuǎn)子的位置傳送給 Si9979， Si9979 內(nèi)部分析后自己進(jìn)行換相，設(shè)計中將霍爾傳感器的輸入引入 FPGA 電路，通過觀察輸出可知曉電動機換相情況， FPGA 通過控制 PWM 占空比進(jìn)而控制電動機 的轉(zhuǎn)速。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(fù)脈沖，每 360176。該引腳為漏極開路輸出。具體反映是通過將該引腳接入 FPGA 的 I/O 口，判斷是否有負(fù)脈沖，當(dāng)有負(fù)脈沖到來時，首先判斷是否為抖動，進(jìn)而判斷該引腳確為低電平，本設(shè)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(jìn)而說明電動機正在換相，實現(xiàn)判斷換相功能。后者制動是在使能端有效的情況下，通過判斷是否過電流，進(jìn)而實行制動。當(dāng)電流傳感電阻的壓降達(dá)到 100mV 時，觸發(fā)限流制動。通過判斷 Is+的情況來判斷此時是否過流制動。 圖 35 LM339 連接示意圖 無刷直流電動機的設(shè)計 系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 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(guān)線路三部分組成。其定子繞組一般制成多相，轉(zhuǎn)子由永久磁鐵按一定的極對數(shù)組成。 在電子開關(guān)的作用下，定子繞組某一相通電，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鐵磁極所產(chǎn)生的磁場相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子位置變換為電信號去控制電子開關(guān)，從而使定子各相繞組按一定順序?qū)?，定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置變換也依中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 28 頁 共 53頁 次換相。因此，從結(jié)構(gòu)上看，直流無刷電動機可認(rèn)為是由一臺永磁式同步電動機、電子開關(guān)電路和位置傳感器三者組成的 “電動式系統(tǒng) ”。 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(jié)構(gòu)上不同之處在于：直流無刷電動機的永久磁鐵是裝在轉(zhuǎn)子上，兒直流電動機的永久磁鐵是裝在定子上。以產(chǎn)生單一方向的轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動轉(zhuǎn)子，故直流無刷電動機必須通過電子開關(guān)換相，使運行中的直流無刷電動機定子繞組所產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)子磁場 在空間始終保持在 90176。 無刷直流電動機的驅(qū)動方式為三相星形連接全橋驅(qū)動，其通電方式為兩兩導(dǎo)通三相六狀態(tài)。根據(jù) 如圖 38 所示的開關(guān)管命名關(guān)系，開關(guān)管的導(dǎo)通順序為 V1V V2V V3V V4V V5V V6V1。電角度改變一次導(dǎo)通狀態(tài)，每改變一次狀態(tài)更換一個開關(guān)管，每個開關(guān)管導(dǎo)通 120176。當(dāng) V1V2 導(dǎo)通時，電流的路線為電源 V1A 相繞組 C相繞組 V2地，其中 A 相和 B 相相當(dāng)于串聯(lián)，每相通電電流均為 I。與三相半橋式驅(qū)動方式相比較，三相全橋星形連接二二導(dǎo)通方式的每個開關(guān)管導(dǎo)通時間為120176。繞組的利用率增加了，輸出的轉(zhuǎn)矩也增加了。由于無刷直流電動機的每相繞組的感應(yīng)電動勢與氣隙磁密度成正比，所以感應(yīng)電動勢也是呈梯形分布的。因此，不同的選擇會使 電動機產(chǎn)生不同的性能和成本，這是系統(tǒng)設(shè)計需要考慮的問題，下面是對比情況。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。從這個角度來看，三相比四相好，四相比五相好，全橋比半橋好。無刷直流電動機的輸出轉(zhuǎn)矩波動比普通直流電動機的大，因此，希望盡量減小轉(zhuǎn)矩波動。全橋驅(qū)動比半橋驅(qū)動轉(zhuǎn)矩的波動小。相數(shù)越多，驅(qū)動電路所使用的開關(guān)管越多，成本越高。多相電動機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也高。 3. 無刷直流電動機的 PWM 控制 與直流電動機調(diào)速的方法一樣，通過調(diào)整 PWM 占空比的方法來調(diào)速，是無刷直流電動機最常用的調(diào)速方法。 （ 1） PWM_ON 方式 PWM_ON 方式是指每個開關(guān)管在 120176。進(jìn)行 PWM 控制，后 60176。這種方式的特點是上下橋臂開關(guān)管交替 PWM 控制， 每個 60176。 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)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(guān)管在 120176。保持常開，后 60176。這種方式的特點也是上下橋臂開關(guān)管交替 PWM 控制，每個 60176。 （ 3） H_PWML_ON 方式 H_PWML_ON 方式是指在 120176。這種方式特點是上橋臂開關(guān)管總負(fù)責(zé) PWM 控制。導(dǎo)通區(qū)間內(nèi)，下橋臂開關(guān)管進(jìn)行 PWM 控制，上橋臂開關(guān)管保持常開。 （ 5） H_PWML_PWM 方式 H_PWML_PWM 方式是指在 120176。 上述 5 種控制方式比較如下： ●從開關(guān)損耗和散熱角度來看， H_PWML_PWM 開關(guān)管損耗最大。 ●從換相過 程中的轉(zhuǎn)矩脈動角度來看， PWM_ON 方式的轉(zhuǎn)矩脈動最小， ON_PWM 方式次之， H_PWML_PWM 方式的轉(zhuǎn)矩脈動最大。 4. 電動機的正反轉(zhuǎn)控制 對于無刷直流電動機，只要改變勵磁磁場的極性或改變電樞電流的方向即可，但是由于開關(guān)管具有單向?qū)ㄐ裕詿o刷直流電動機又有其自身的反轉(zhuǎn)方法。 表 星形連接二二導(dǎo)通方式的正轉(zhuǎn)通電規(guī)律 通電順序 正轉(zhuǎn)（逆時針） 轉(zhuǎn)子位置（電角度） 0～ 60 60～ 120 120～ 180 180～ 240 240～ 300 300～ 360 開關(guān)管序號 2 3 4 5 6 1 A 相 + + B 相 + + C 相 + + 中北大學(xué) 2020 屆畢業(yè)設(shè)計說明書 第 31 頁 共 53頁 表 星形連接二二導(dǎo)通方式的反轉(zhuǎn)通電規(guī)律 通電順序 反轉(zhuǎn)（順時針） 轉(zhuǎn)子位置（電角度） 0～ 60 60～ 120 120～ 180 180～ 240 240～ 300 300～ 360 開關(guān)管序號 4 3 2 6 6 5 A 相 + + B 相 + + C 相 + + 在本設(shè)計中，對于電動 機的正反轉(zhuǎn)是通過軟件配合開關(guān)按鍵 key2 控制實現(xiàn)的，Si9979 本身即是集成芯片，內(nèi)部集成電路可控制電動機的正反轉(zhuǎn)，只需通過 FPGA 對Si9979 進(jìn)行軟件控制即可實現(xiàn)。 無刷直流電動機控制器的設(shè)計 無刷直流電動機的控制結(jié)構(gòu) 無刷直流電機是同步電機的一種，它是將同步電機加上電子式控制 (驅(qū)動器 )，控制定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率并將電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速回授至控制中心反 復(fù)校正，以期達(dá)到接近直流電機特性的方式。無刷直流驅(qū)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(zhuǎn)換輸入電源頻率。不論是直流電輸入或交流電輸入要轉(zhuǎn)入電機線圈前須先將直流電壓由換流器(invOrter)轉(zhuǎn)成 3 相電壓來驅(qū)動電機。但這只是用來作為速度控制并不能拿來作為定位