基于fpga的无刷直流电动机控制器设计

基于fpga的无刷直流电动机控制器设计内容摘要：

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 CycloneⅡ 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。 器件 介绍及 连接 电路 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。 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 55℃ ~150℃。 霍尔集成电路图 图 21 霍尔集成电路图 中北大学 2020 届毕业设计说明书 第 11 页 共 53页 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]。 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。 图 22 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，横坐标中北大学 2020 届毕业设计说明书 第 12 页 共 53页 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（ BopBRP） =BHYS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]。 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 177。 60℃ 时，温度漂移一般不应大于 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 2020V 以上的静电电压；采用 CMOS硅基工艺制作的霍尔器件可耐 500~1000V 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 10～ 100Hz。 在高速微处理器时代，10～ 100Hz 的频带宽 度是算相当低的。 但是，驱动系统的频带宽度更低，因此在实际使中北大学 2020 届毕业设计说明书 第 13 页 共 53页 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。 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。 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 10Ω，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]。 霍尔传感器的外围电路 1．合适的电源电压和负载电流 中北大学 2020 届毕业设计说明书 第 14 页 共 53页 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RL≈VDD/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 100Ω 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 120176。 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 60176。 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 ZHm Hs pnf 3006030001660  （ 21） 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 60176。 或 120176。 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_PWMH_ON方式和 H_PWML_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。 中北大学 2020 届毕业设计说明书 第 15 页 共 53页 该芯片内部集成电压调节器，允许使用 20～ 40V 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 21 所示： 表 21 Si9979 引脚功能 引脚号 符号 功能 1～ 3 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： 160℃ ；0120℃。 内部集成上拉电阻 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： 1L_PWMH_ON 方式； 0H_PWML_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 360176。 电角度输出 6 个脉冲。 该引脚为漏极开路输出 11 FAULT 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 中北大学 2020 届毕业设计说明书 第 16 页 共 53页 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 21 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 12～ 1 21～ 2 37～4 44～ 48 GND 逻辑和栅极驱动地 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。