基于FPGA的无刷直流电动机控制器设计

中北大学 2013 届毕业设计说明书第 1 页 共 53 页基于 FPGA 的无刷直流电动机控制器的设计摘要：随着永磁材料和功率电子元器件的不断进步，无刷直流电动机得到了快速的发展，且因其结构简单、运行可靠、维修方便等优点，使得它的应用越来越广泛，如在工业、农业、国防、航空航天、现代科技和日常生活的各个领域，因此，在电机技术领域内，合理正确的设计无刷直流电动机就成为一个越来越重要的课题。本设计旨在运用 FPGA（可编程逻辑器件）丰富的内部配置及外部接口方面的有点，设计一套有位置传感器的无刷直流电动机控制器，意在实现对电动机的刹车、报错、转速、转向以及换相的控制。设计了控制器中的硬件电路，包括控制板的外围电路，控制板与驱动板之间的电路连接，过流保护等。并根据设计要求，采用 Altium Designer 软件绘制了原理图，Quartus 软件进行程序编制与仿真。设计了基于 PWM 技术的转速控制，调节占空比实现对电动机平均电压的控制，进而控制电动机的转速，值得说明的是，本设计中采用的驱动电路板即 Si9979 芯片，内部实现对速度的双闭环 PID 控制，为整个电路的设计减少了工作量。通过编程以及按键的使用，设计完成了电动机的手动刹车、正反转的控制。通过对霍尔开关型位置传感器的使用，实现了对无刷直流电动机人为换相的控制。系统设计完之后，将所编程序载入 Quartus 软件中进行了调试仿真，通过观察波形实现了一个基于 FPGA 的无刷直流电动机简单工作的控制器功能。关键词：无刷直流电动机，可编程逻辑器件，Si9979，霍尔传感器中北大学 2013 届毕业设计说明书第 2 页 共 53 页DESIGN OF BRUSHLESS DC MOTOR CONTROLLER BASED ON FPGAAbstract: Along with the permanent magnetic materials and power electronic compo- nents advances, brushless dc motor obtained fast development, and because of its sim- ple structure, reliable operation, convenient maintenance, makes it used more widely, such as industry, agriculture, national defense, aerospace, modern science and techno- logy and the daily life in all areas, therefore, in motor technology field, reasonable co- rrect design of brushless dc motor (BLDCM) has become a more and more important issue.The design aims to use FPGA (programmable logic device) rich internal config- uration and the advantages of the external interface, design a set of a position sensor brushless dc motor controller, to realize the brake, error of motor, speed, turn and the commutation control.I had designed the hardware circuit of the controller, including the periphery cir- cuit of the control, control panel and drive board between circuit connection, over cur- rent protection, etc. And according to the requirements of the design, I had used Altiu- m Designer software to draw the principle diagram,and the Quartus software to progr- amming and simulation.The design is based on the PWM technology speed control, use the regulation of empty than implement average voltage to take the motor control, and then control the motor speed, and that this design use the driver circuit board Si9979 chip, internal to achieve speed of double closed loop PID control for the whole circuit design reduces the workload.Through the programming and the use of buttons, the design completed the mot- or manual brake, and reversing control. Through to use the position sensor of the Hall switch mode , it has realized the brushless dc motor for the control of commutation.After the system designed, I took the compiled programs load to the Quartus sof- tware for the debugging simulation, through the observation waveform implements,I achieve the simple function of the brushless dc motor controller based on FPGA.Keywords: Brushless DC Motor, Programmable logic devices, Si9979, Hall sensors中北大学 2013 届毕业设计说明书第 3 页 共 53 页目 录1 引言 .11.1 研究背景及意义 .11.2 国内外研究现状 .21.3 所需要研究的内容及安排 .31.4 设计的总体方案 .52 主芯片的选型及外围电路的设计 .62.1 器件介绍及连接电路 .62.1.1 霍尔位置传感器的概述 .62.1.2 霍尔位置传感器的性能特点 .62.1.3 霍尔集成电路图 .62.1.4 霍尔器件的分类 .72.1.5 霍尔器件选用时注意事项 .82.1.6 霍尔器件的安装工艺 .92.1.7 霍尔传感器的外围电路 .102.1.8 Si9979 专用集成芯片 .102.1.9 Si9979 外围电路设计 .132.1.10 控制芯片 EP2C8Q208C8 介绍 .142.1.11 控制芯片 EP2C8Q208C8 的外围电路设计 .152.2 verilog HDL 语言概述 .193 硬件电路的设计 .213.1 本设计总结构框图 .213.2 霍尔传感器在设计中的工作情况 .213.3 电动机换相输出 .22TACH3.4 电动机的制动 BRK.233.5 无刷直流电动机的设计 .233.5.1 系统结构 .233.5.2 工作原理 .24中北大学 2013 届毕业设计说明书第 4 页 共 53 页3.6 无刷直流电动机控制器的设计 .273.6.1 无刷直流电动机的控制结构 .273.6.2 无刷直流电动机的数字控制 .283.6.3 开环控制 .283.6.4 带电流负反馈的速度闭环控制器的设计 .294 软件控制程序及仿真 .334.1 刹车、报错的实现 .334.2 正反转的实现 .344.3 换相的实现 .354.4 转速控制的实现 .374.5 程序对应硬件电路图 .384.6 小结 .395 结论 .405.1 工作总结 .405.2 不足与展望 .40附录 A Verilog HDL 程序语言 .41附录 B PCB 图 .44参 考 文 献 .45致 谢 .47中北大学 2013 届毕业设计说明书第 5 页 共 53 页1 引言1.1 研究背景及意义随着永磁材料性能的不断提高，永磁交流同步电机的发展越来越引人注目。这种电机的转子是永磁体，定子是线圈绕组。如果把这种电机的正弦波供电改为直流方波供电，便是无刷直流电机。直流方波电压的提供，依赖于随机配备的电子换向器。只要给电机提供直流电源，通过电子换向器，直流电可以转换成为需要的直流方波。在工业应用中，把电机本体和电子换向器部分合称为无刷直流电机,即 BLDCM(Brushless DC MOTOR)。直流电动机按结构及工作原理可分为无刷直流电动机和有刷直流电动机。无刷直流电机具有和有刷直流电机类似的优良控制特性，在电磁结构上和有刷直流电机一样，但它的电枢绕组安放在定子上，绕组采用多相形式，转子安放永磁体。通常，无刷直流电机的定子上装有位置传感器，以实现电子换向，而像有刷直流电机那样需要电刷和换向器。无刷直流电机的电枢绕组由驱动电路供电，各相逐次通电产生电流，该电流和转子磁极主磁场相互作用产生转矩。和有刷直流电机相比，无刷直流电机由于革除了滑动接触机构，因而消除了机械故障的主要根源。由于转子上没有绕组，因此转子铜损忽略不计，又由于转子和主磁场同步旋转，因此铁损极小(在方波电流驱动时，电枢磁势的轴线是脉动的，会在转子铁心内产生少量的铁损)。总的来说，除了轴承旋转产生摩擦损耗外，转子的损耗很小，因而进一步增加了工作的可靠性。无刷直流电机除了具有像有刷直流电机那样的调速性能好、运行效率高等特点外，同时还具备交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等优点。随着电子技术的进步，电子工业的发展，稀土永磁材料和电力电子器件性能价格比的不断提高，无刷直流电机作为中小功率高性能调速电机和伺服电机在工业中的应用越来越广泛。而且在工业应用中，无刷直流电机在快速性、可控性、体积、重量、节能、效率、耐受环境和经济性等方面具有明显的优势。无刷直流电机是功率半导体和永磁材料一体化的新型电机，具有串励直流电机启动特性和并励直流电机调速特性的梯形波/方波无刷直流电机，其控制系统是集电机技术、电力电子技术、控制理论和计算机技术等现在科学技术于一身的机电一体化系统。无刷直流电机由于其具有结构简单、易于控制，运行可靠、出力大和效率高等特点，已在精密车床、国防、工业过程控制、航空航天、汽车电子、机器人、办公自动化和中北大学 2013 届毕业设计说明书第 6 页 共 53 页家用电器等领域中得到了较好的应用。1.2 国内外研究现状 目前，在民用和军用的机器臂驱动电机应用中，无刷直流电机所占比例较大，已开始出现替代步进电机和传统直流伺服电机驱动机器人的发展趋势。大功率的无刷直流电机在低速、环境恶劣和有一定调速性能要求的场合也有很好的应用前景，如无齿轮曳引机电梯驱动、抽水蓄能、钢厂轧机传动等，具有调速动态响应快、跟踪误差小、静差率小贺调速范围宽等特点。经济实用型的无刷直流电机控制器可采用多种单片机来实现且价格相对便宜，然而，处理能力有限，特别是当需要处理的数据量大，系统实时性和精度要求高时，单片机往往不能满足要求，特别是在要求多台电机协同工作的一些工业应用场合，使用单片机及各种接口电路来控制电机会使硬件较为复杂，难以实现转速的数字化控制。此时，一般可利用 DSP 芯片和 FPGA 芯片或者“DSP+FPGA”组合等方案来实现无刷直流电机控制系统的设计。FPGA 是英文 Field Programmable Gate Array 的简写，汉语专业术语称之为现场可编程门阵列，是数字电子技术的一门引申技术。它是作为专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件们电路数有限的缺点。FPGA 的容量比较大，包含大量的逻辑单元、内嵌存储器以及一些其他的高级特性元件，如锁相环、LVDS 等，适合一些比较复杂的时序逻辑应用之中。FPGA 最早由 Xilinx 公司推出，多为 SRAM 架构或查表（Look Up Table）架构，需外接配置用的 EPROM 下载。由于 Altera 公司的 FLEX/ACEX/APEX 系列也是SRAM 架构，所以通常把 Altera 公司的 FLEX/ACEX/APEX 系列芯片也叫做 FPGA。用户可以根据不同的配置模式，采用不同的编程方式。加电时，FPGA 芯片将 EPROM 中数据读入片内编程 RAM 中，配置完成后，FPGA 能够反复使用。FPGA 的编程无需专用的 FPGA 编程器，只须用通用的 EPROM、PROM 编程器即可。当需要修改 FPGA功能时，只需换一片 EPROM 即可。这样一片 FPGA，不同的编程数据，可以产生不同的电路功能。因此，FPGA 的使用非常灵活。直流电动机具有非常优秀的线性机械特性、宽的调速范围、大的启动转矩、简单的控制电路等优点，长期以来一直广泛的应用在各种驱动装置和伺服系统中。然而，机械电刷和换向器因强迫性接触，造成结构复杂、可靠性差、接触电阻变化、产生火花、噪声等一系列问题，影响了直流电动机的调速精度和性能。随着技术和高性能的中北大学 2013 届毕业设计说明书第 7 页 共 53 页磁性材料制造技术的飞速发展，无刷直流电动机利用电子换向器取代看机械电刷和机械换相器，因此，这种电动机不仅保留了直流电动机的优点，而且又具有了交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，目前该项技术已经应用在广泛的领域里 1。1.3 所需要研究的内容及安排在本设计中的核心为 FPGA 控制部分，选用 Altera 公司的 Cyclone芯片，用FPGA 控制无刷直流电动机，能将大量逻辑功能继承于一个单片 IC 中，节省资源，实现在线编程、擦除、使设计更灵活，可靠程度更大，且系统结构极为紧凑。FPGA 用Verilog HDL 来编程，灵活性强，具有静态可重复编程和动态在线系统重构的特性，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改，并能按照用户需求来定义接口功能 3。本设计系统主要分为控制部分和驱动部分。控制部分主要由 FPGA 组成，包括数据采集和 PWM 波形的产生以及电机电枢电流的采样。驱动电路由 Si9979 和 MOSFET功率转换电路组成。电机的位置信号由霍尔元件采集。选择 PID 控制算法，对数字PID 控制器进行设计并在 FPGA 控制器上实现对电动机进行控制，方案设计与实施过程中，在 Quartus环境下对个环节及系统进行了仿真和验证。在以往一些无刷直流电机控制研究中，常采用单片机控制，然而处理能力有限，特别是当需要处理的数据量大，系统实时性和精度要求高时，单片机往往不能满足要求，使用单片机及各种接口电路来控制电机会使硬件较为复杂，难以实现转速的数字化控制，此时，FPGA 芯片和 Si9979 组合灯方案来实现无刷直流电动机控制显得尤为适合。无刷直流电动机控制系统的位置检测部分主要是由位置传感器实现的，通常有以下三种。1电磁式位置传感器。该传感器是利用电磁效应来实现位置测量的。它由转子和定子两部分构成，转子是一个用非导磁材料制成的圆盘，其上面镶嵌有扇形的导磁材料，扇形导磁片的个数与无刷直流电动机转子磁极的极对数相等。转子与电动机轴连在一起，随电动机同步转动。定子是由高频导磁材料的铁心制成，一般有 6 个极，等间距分布，每个极上都缠有线圈。其中互相间隔的 3 个极为同一绕组，接高频电源，作为励磁；另外 3 个极各有自己的独立绕组，作为感应极，是传感器的输出端。虽然电磁式位置传感器输出信号强，工作可靠，适应性强，但它的信噪比较低，体积大，中北大学 2013 届毕业设计说明书第 8 页 共 53 页输出是交流信号，需要经整流和滤波后才能使用，所以，它在早期应用较多，现在已逐渐退出。2光电式位置传感器。该传感器是利用光电效应进行工作。它由发光二极管、光敏接受元件、遮光板组成。光敏三极管获光敏二极管的输出较弱，需要整形放大，经过放大整形输出的是脉冲信号，易于与数字电路接口 5。3霍尔式位置传感器。该传感器是利用“霍尔效应” 进行工作的。利用霍尔式位置传感器工作的无刷直流电动机的永磁转子，同时也是霍尔式传感器的转子。通过感知转子上的磁场强弱变化来辨别转子所处的位置。 “霍尔效应” 是在长方形半导体薄片上通入电流 I，当在垂直于薄片方向上施加磁感应强度为 B 的磁场时，则在与电流 I 和磁场强度 B 构成的平面相垂直的方向上会产生一个电动势 E，称其为霍尔电动势，其大小为 E=KHIB，式中 KH 为灵敏度系数，这种效应称为霍尔效应。当磁场强度方向与半导体薄片不垂直而是成 角时，霍尔电动势的大小改为 E=KHIBcos，所以利用永磁转子的磁场，对霍尔半导体通入直流电，当转子的磁场强度大小和方向随着它的位置不同而发生变化时，霍尔半导体就会输出霍尔电动势，霍尔电动势的大小和相位随着转子位置而发生变化，从而起到检测转子位置的作用 6。综合本设计的情况，选用霍尔位置传感器最适合，霍尔器件将转子的位置以数字信号传送给 FPGA，Cyclone芯片器件经过分析后传将信号传送给驱动电路（ Si9979芯片和外围电路组成） ，将信号传送给由功率开关组成的全桥逆变电路，进而实现对电动机的旋转，转速以及正反转达的控制。Cyclone 芯片内部的 RAM 块只有 M4K 块一种，它可以实现简单双端口、单端口的 RAM 和真正双端口通信，可以支持移位寄存器和 ROM 方式，该芯片内部有 8 个内部全局时钟网络，可以由全局时钟引脚CLK0CLK3、复用的时钟引脚 DPCLK0DPCLK7、锁相环（PLL）或者是内部逻辑来驱动。Cyclone 芯片中的锁相环（ PLL）只能由全局时钟引脚 CLK0CLK3 来驱动。CLK0 和 CLK1 可以作为 PLL 的两个可选的时钟输入端，也可以作恶日一堆 LVDS 的时钟输入引脚，CLK0 作为正端输入（LVDSCLK1p） ，儿 CLK1 作为负端输入（LVDSCLK1n） 。同样，CLK2 和 CLK3 可以作为 PLL2 的两个可选用的时钟输入端，也可以作为一对 LVDS 的时钟输入引脚。在 Cyclone 器件中，一个 LAB 中有 16 个 LE，增加了乘法模块，因此大大增强了 DSP 处理能力。该器件支持单端 I/O 标准，例如 LVTTL、LVCMOS、SSTL-中北大学 2013 届毕业设计说明书第 9 页 共 53 页2、SSTL-18、HSTL-18、HSTL-15、PCI 和 PCIX。在目前的无刷直流电动机的发展中，控制部分是最重要的环节，用 FPGA 控制无刷直流电动机，能将大量逻辑功能继承与一个单片 IC 中，节省资源，实现在线编程、擦除、使设计更灵活，可靠程度更大，且系统结构极为紧凑。FPGA 的使用，使得硬件的功能可以像软件一样通过编程来修改，并能按照用户需求来定义接口功能。在一些对控制成本和空间要求严格的应用中，复杂的控制算法可以通过 FPGA 来实现，这不但可以提高无刷直流电动机控制系统的可靠性，也为其朝接口的通用化和控制的数字化方向发展提供和坚实的基础。控制器的全数字化将使系统的硬件结构更加简化，促使柔性控制算法在电动机控制中的应用，同时还易与上层和和远程控制系统进行数据传输通信，便于系统故障的检测与诊断 7。1.4 设计的总体方案根据题目要求，基于 FPGA 的无刷直流电动机控制器的设计是由电动机模块、霍尔位置传感器采集模块、控制电路模块、驱动电路模块以及逆变电路模块组成。对于元器件的选型以及所设计无刷直流电动机控制器设计的可行性，设计出以下方案。采用 Cyclone作为控制核心，由霍尔位置传感器采集电动机转子的位置，并将信息以数字信号的形式传送给 Cyclone芯片进行处理，驱动电路即 Si9979 将信号放大处理后控制逆变电路不同支路的导通进而实现对电动机的控制。基于 FPGA 的无刷直流电动机控制器的设计主要有以下功能：1、换向控制：对于有位置传感器的系统，要根据位置传感器的信号进行有规律的换相正确选择哪些相通电、哪些相断电；对于无位置传感器的系统，要根据感应电动式信号计算换相点，判断哪些相应该通电、哪些相应该断电。在此设计中，明显属于前者，通过判别位置传感器的位置信号来进行有规律的换向操作。2、转速控制：无刷直流电动机的转速控制原理与普通直流电动机一样，可以通过PWM 的方法来控制电枢的平均电压，实现转速的控制。3、转向控制：只要改变换相的通电顺序就可以实现电动机的正、反转控制。4、制动、报错的反映。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 10 页 共 53 页2 主芯片的选型及外围电路的设计我的毕业设计题目是基于 FPGA 的无刷直流电动机控制器的设计，根据此题目的要求，经查阅相关资料后，我的思路如下：以 FPGA 为核心控制单元控制相关模块电路的导通和运行，用霍尔位置传感器采集电动机的转子位置，经 FPGA 芯片 Cyclone分析后输出合适信号，经以 Si9979 为基础的驱动电路放大后传递至全桥逆变电路，将直流转变为交流进而控制电动机的旋转、转速和正反转。2.1 器件介绍及连接电路2.1.1 霍尔位置传感器的概述霍尔位置传感器是一种检测物体位置的磁场传感器。用它们可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔位置传感器以霍尔效应原理为其工作基础。霍尔位置传感器通过它对磁场变化的测量，将许多非电、非磁的物理量转变成电量来进行测量和控制，因而有着广泛的用途。2.1.2 霍尔位置传感器的性能特点霍尔位置传感器开关型输出无触点、无磨损、输出波形清晰、位置重复精度高；耐振动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀；频率最高可达 1MHZ，应用范围广；结构紧凑，体积小，重量轻，寿命长；安装方便易学，功耗小，不会影响相关电机的正常运行；工作温度范围可道道-55150 。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 11 页 共 53 页2.1.3 霍尔集成电路图图 2-1 霍尔集成电路图根据霍尔效应，人们用半导体材料制成的元件叫霍尔元件。它具有对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等优点，因此，在测量、自动化、计算机和信息技术等领域得到广泛的应用。霍尔电流传感器是根据霍尔原理制成的。它有两种工作方式，即磁平衡式和直式。霍尔电流传感器一般由原边电路、聚磁环、霍尔器件、 （次级线圈）和放大电路等组成。霍尔位置传感器包括：霍尔位置基准传感器、霍尔灵位传感器、霍尔行程传感器、霍尔齿轮传感器、霍尔接近开关等等 9。2.1.4 霍尔器件的分类1按结构分类霍尔器件按结构可以分为三大类：霍尔元件、霍尔集成电路和霍尔功能组件。2按功能分类霍尔器件按功能可分为三类，线性型、开关型和锁定型等三类。本设计综合设计需求采用开关型，一下详细介绍一下开关型霍尔器件的工作原理。中北大学 2013 届毕业设计说明书第 12 页 共 53 页图 2-2 开关型霍尔器件的工作原理图如图所示，其中 BOP 为工作点“开”的磁感应强度，BRP 为释放点“关”的磁感应强度。当外加的磁感应强度超过动作点 Bop 时，传感器输出低电平，当磁感应强度降到动作点 Bop 以下时，传感器输出电平不变，一直要降到释放点 BRP 时，传感器才由低电平跃变为高电平。Bop 与 BRP 之间的滞后使开关动作更为可靠。对于开关型霍尔器件而言，当磁感应强度由零开始增大到某一数值 Bop 的点被称之为“磁工作点 ”。当磁感应强度从 “磁工作点”开始继续增大时，霍尔器件一直保持开通状态，即一直输出低电平；当磁感应强度由一个大于 Bop 的数值开始见效返回时，在磁感应强度减小返回到达“ 磁工作点 ”数值的情况下，霍尔器件仍然保持开通状态，输出低电平；只有当磁感应强度减小至某一数值 BRp 时，霍尔器件才关闭，输出高电平，横坐标上对应 Brp 的点被称之为“磁释放点”。磁工作点与磁释放点之差，即数值（B op-BRP）=B HYS 被称之为开关型器件的“磁滞区”。不同设计的开关型霍尔器件具有不同的磁滞区 BHYS，外加磁场的大小不会改变某一开关型霍尔器件的磁滞区的数值大小。开关型霍尔器件的磁滞回线相对于零磁场纵坐标是不对称的，它的导通和截止过程只和外界磁场的大小有关，不需要磁场记性的变换 10。2.1.5 霍尔器件选用时注意事项1主要技术规格电压等级和磁灵敏度范围是霍尔器件的两项主要性能指标。对于线性型霍尔器件而言，还需考虑输出信号对输入信号的线性工作区的最大磁场范围。2温度范围霍尔器件是一种对温度敏感的器件，它的磁灵敏度在高低温度下有一定的漂移。对于由硅半导体制作的霍尔器件而言，温度变化60时，温度漂移一般不应大于中北大学 2013 届毕业设计说明书第 13 页 共 53 页30Gs。因此，磁路设计时应使作用于霍尔器件表面的磁通密度要比该霍尔器件的实际需要值高 50Gs 左右，以便确保磁灵敏度有一定的余量。3静电灵敏度根据静电理论，任何半导体电子器件都有自身的静电灵敏度。不同类型的霍尔器件因采用的半导体材料和制造工艺不同，因此其静电灵敏度也不同。通常，采用双极型硅基工艺和 BICMOS 硅基工艺制作的霍尔器件可耐 2000V 以上的静电电压；采用CMOS 硅基工艺制作的霍尔器件可耐 5001000V 的静电电压；分立霍尔元件可耐800V 左右的静电电压。使用者在设计和制造产品时，一方面要选用静电灵敏度地的霍尔器件；另一方面在设计和使用过程中应采取防静电措施，以免静电影响带来不必要的损失。在干燥的季节，人体静电电压可高达几千伏，甚至几万伏，将危及霍尔器件甚至于整个系统和使用者的生命安全。因此，在设计和生产制造过程中，要把人体静电控制在一定程度之内，这对减少霍尔器件损坏、降低产品成本。提高产品质量和生产效率具有非常重要的意义。4频带宽度不同的制造商采用不同结构和不同制作工艺生产出来的不同霍尔器件具有不同的频带宽度。一般情况下，开关型器件的频带宽度为 10100Hz。在高速微处理器时代，10100Hz 的频带宽度是算相当低的。但是，驱动系统的频带宽度更低，因此在实际使用中可以不必过多地关注霍尔器件的频带宽度 13。5通电后的输出信号的上升时间通电后，霍尔器件输出信号的上升时间取决于器件的设计参数。对于具有斩波设计的霍尔器件而言，达到稳定后的数字信号的上升时间小于 1.5。6功率损耗霍尔器件的损耗功率由两部分所组成，一是器件集成电路本身所消耗的功率；二是器件输出级晶体管中的功率损耗，其数值等于晶体管的饱和管压降 Vsat 乘以上拉电阻中的负载电流。霍尔器件损耗率的大小将直接影响到它在电动机中的安装位置、安装方式和最大允许的工作温度等。2.1.6 霍尔器件的安装工艺为了消除或减小静电应力、热应力和机械应力对霍尔器件的影响，除了合理设计中北大学 2013 届毕业设计说明书第 14 页 共 53 页外，还必须实施严格的安装工艺。1. 由于机械应力会造成霍尔器件的磁性敏感度的漂移，在使用和安装过程中应尽量减少施加到霍尔器件外壳和引线上的机械力。2. 由于环境温度过高时会损坏霍尔器件内部的半导体材料，从而造成性能偏差或功能失效。因此，必须严格规范焊接点温度和焊接时间。焊接时，要采用功率小于35W 和温度低于 260的低温烙铁及焊锡丝，焊接时间应小于 3 秒，焊接点与霍尔器件引脚根部的距离至少相隔 3mm，霍尔器件在焊接时，引脚必须要平直，尽量避免弯曲。若必须弯曲时，则应在距离引脚根部 3mm 以上处弯曲。弯曲时，必须采用工具把引脚根部 3mm 以内部分固定住，再弯曲其余部分，避免弯曲操作将霍尔器件的内部引线折断进而影响其的使用，降低元件的使用可靠性。3. 防止静电损坏霍尔器件，从而控制静电的产生和消除静电两方面入手，焊接工具采用内热式电烙铁，接地要好，接地电阻要小。在干燥季节，操作人员要带防静电环；操作时应尽量不要触摸静电敏感的霍尔器件管脚；组装所用品焊接设备及成型工装都必须接地；测试电源系统采用隔离变压器，接地线要可靠，接地电阻应小于10，防止悬浮电线；产品测试时，在电源接通的情况下，不能随意插拔器件，必须在关掉电源静置一段时间后方可插拔，霍尔器件的引线接插件应选用金属引线夹，不得外露 14。2.1.7 霍尔传感器的外围电路1合适的电源电压和负载电流合适的电源电压和负载电流是霍尔器件正常工作的先决条件。霍尔器件的供电电源电压不应超过说明书中规定的 VDD 数值。大多数霍尔器件的输出是集电极输出，输出级内功率晶体管的集电极电阻，即负载电阻 RL 的数值取决于负载电流 IL 的大小，即RLVDD/IL。负载电阻 RL 的数值过小时，出现过载运行，将使晶体管中的功率损耗增大；负载电阻 RL 的数值过大时，将使输出电压下降，极端情况时将有可能抑制正确的逻辑功能。2适当的保护电路当霍尔器件内部没有反向电压保护时，可以在输出晶体管的集内接入一个 100的电阻和反向二极管，通过阻止反向电流反向电压来避免过电应力造成的损坏。当电动机运行时，霍尔器件的周围存在着很强的电磁场，相关导线会将空间的电磁场能量耦中北大学 2013 届毕业设计说明书第 15 页 共 53 页合下来转换成电路中的电压值，并作用于霍尔器件；同时，负载电路中的导线存在分布电感，当霍尔器件的输出晶体管导通和截止时，也会由于电流瞬时变而在电路中产生过冲电压。因此，必须在霍尔器件的周边配置稳压及吸收高频信号等的保护电路。本设计中采用三个霍尔器件，他们沿定子圆周相互间隔 120电角配置，电动机工作为“两相导通三相星形六状态” ，无刷直流电动机中霍尔器件的输出信号、饭电动势和相电流之间的相互关系，显示了霍尔转子位置传感器的六个开关状态与电动机运行过程中的六个磁状态的一致性。每旋转 60电角度，就有一个霍尔器件改变其状态，逆变器内与之相对应的某一相的开关状态也将更新变化一次。这样开关状态变化六次就完成一个电气周转。一个电气周转内开关状态的变化次数可以用 s 来标记。该设计中采用电动机的磁极数 2p=2，额定转速 nH=3000r/min，我们把电动机正常运行时逆变器内开关状态每秒钟变化的次数称之为无刷直流永磁电动机的频率 fm，则 fm 可以按下式计算（2-1 ）ZHmspnf 306102.1.8 Si9979 专用集成芯片Si9979 芯片是 Vishay Siliconix 公司生产的。它可用于控制三相活单相无刷直流电动机。要求无刷直流电动机带有霍尔传感器，可选择相位差为 60或 120电角度的传感器位置关系。可接受的外部控制信号有 PWM 控制信号、转向控制信号、 L_PWM-H_ON 方式和 H_PWM-L_PWM 方式选择信号、制动信号、使能信号。可输出的控制信号有故障信号和转速信号。该芯片内部集成电压调节器，允许使用 2040V 范围直流功率电源。集成自举电路和充电泵电路。可以为上桥臂开关管驱动电路供电，因此允许三相逆变桥的开关管全部使用 N 沟道的 MOSFET。保护功能包括：直通保护、电流限制和欠压保护。Si9979 芯片功能列表如下 2-1 所示：表 2-1 Si9979 引脚功能引脚号 符号 功能13 INA INB INC 输入引脚。内部集成上拉电阻4 60/120两种位置关系的传感器选择引脚：1-60；0-120。内部集成上拉电阻中北大学 2013 届毕业设计说明书第 16 页 共 53 页5 EN 使能引脚：1-使能；0-关闭全部输出。内部集成上拉电阻6 RF/正反转控制引脚：1-正转；0-反转。内部集成上拉电阻7 QS PWM 方式选择引脚：1-L_PWM-H_ON 方式；0-H_PWM-L_PWM 方式；内部集成上拉电阻8 PWM PWM 输入引脚9 BRK 制动控制引脚。高电平有效，上桥臂全部关断，下桥臂全部开通，电机三相绕组短接，制动，其制动转矩与转速有关。10 TACH转速输出引脚。每次换相输出一个至少 300ns脉宽的负脉冲，每 360电角度输出 6 个脉冲。该引脚为漏极开路输出11 FUL故障输出引脚：0-有故障。该引脚为漏极开路输出17 RT/CT 连接限流延时电阻和电容引脚。当过流时，输出被关断 18 RT 连接电阻 RT 的另一端引脚19 IS+ 电流传感电阻与比较器正输入端连接。电流传感电阻的压降达到 100mv，出发限流动作续表 2-1引脚号 符号 功能20 IS- 电流传感电阻与比较器负输入端连接1216、2124、3741、4448GND 逻辑和栅极驱动地中北大学 2013 届毕业设计说明书第 17 页 共 53 页25 GBC C 下桥 MOSFET 栅极驱动输出26 GTC C 相上桥臂 MOSFET 栅极驱动输出27 SC C 相输出端。连接自举电容的负端，上桥臂MOSFET 的 S 极、下端、下桥臂 MOSFET 的D 极28 CAPC C 相自举电容的正端29 GBB B 下桥 MOSFET 栅极驱动输出30 GTB B 相上桥臂 MOSFET 栅极驱动输出31 SB B 相输出端。连接自举电容的负端，上桥臂MOSFET 的 S 极、下端、下桥臂 MOSFET 的D 极32 CAPB B 相自举电容的正端33 GBA A 下桥 MOSFET 栅极驱动输出34 GTA A 相上桥臂 MOSFET 栅极驱动输出35 SA A 相输出端。连接自举电容的负端，上桥臂MOSFET 的 S 极、下端、下桥臂 MOSFET 的D 极36 CAPA A 相自举电容的正端42 V+ 功率电源，2040V43 VDD 内部逻辑和栅极驱动，16V2.1.9 Si9979 外围电路设计本设计使用 120电角度相位差的位置传感器，采用 L_PWM-H_ON 的 PWM 控制方式。Si9979 芯片通过外接 N 沟道 MOSFET 组成全桥驱动电路。本设计采用 24V 功率电压。 Si9979 芯片通过外接 N 沟道 MOSFET 组成全桥驱动。本设计采用 24V 功率电压，电动机工作的额定电流为 2A，最大启动电流为 5A，加速到额定转速需要 5s。限流设计与电动机启动加速时间、开关管开关能力和电源有关。本设计中，峰值电流设置为 5A，所以 5A 电流流过传感电阻时，要产生 100mV 电压降，由此可以计算出电流传感电阻的阻值为 20m，功率为 0.5W。如果缩短电流斩波时间，则在同样条件下中北大学 2013 届毕业设计说明书第 18 页 共 53 页可以提高电动机的启动速度。图 2-3 无刷直流电机控制器 SI9979 的典型控制电路 Si9979 采用内部的延时电路防止直通，它使每个 MOSFET 延时 250ns 开通。为了限流，外接一个电流传感电阻，电阻的两端与内部比较器的两个输入端相连。如果电阻上的电压降达到 100mv，就会使比较器产生输出，触发单稳态触发器 ,从而使电动机的驱动输出关断。这种状态持续一段时间后恢复输出。当电压降又达到 100mv，则上述过程重复进行。这样就形成了电流斩波，起到限流的目的。FPGA 对 Si9979 的控制，FPGA 通过自身 pin11 号 I/O 口的发出 PWM 波给 Si9979芯片，来控制电动机的转速；通过 pin8 号 I/O 口引脚控制 Si9979 芯片的使能；通过pin10 号 I/O 引脚控制电动机的转向；通过 pin12 号 I/O 引脚控制电动机的制动；通过pin13 号 I/O 口捕捉口检测电动机的转速。2.1.10 控制芯片 EP2C8Q208C8 介绍EP2C8Q208C8 是 Cyclone系列芯片，其增加了硬的 DSP 模块，在芯片总体性能上要优于 Cyclone 系列器件。它延续了 Cyclone 的低成本定位，在逻辑容量、 PLL、乘法器和 I/O 数量上都较 Cyclone 有了很大提高。Cyclone系列 FPGA 特性见下表。表 2-2 Cyclone系列 FPGA特性 EP2C5 EP2C8 EP2C20 EP2C35 EP2C50 EP2C50LE 4608 8256 18752 33216 50528 68416M4K RAM 26 36 52 105 129 250中北大学 2013 届毕业设计说明书第 19 页 共 53 页锁相环 2 2 4 4 4 4乘法器 13 18 26 35 86 150在 Cyclone的器件中，一个 LAB 中有 16 个 LE。与 Cyclone 器件相比，在Cyclone器件中，增加了乘法器模块，因此，大大增强了 DSP 处理的能力。锁相环还可以实现对一个应用进行时分复用的功能，这样对某些特定的电路就可以在一个时钟周期内运行多次。通用时分复用，可以用较少的逻辑资源来实现所需要的功能。Cyclone器件支持单端 I/