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基于FPGA的无刷直流电动机控制器设计.doc

发布时间：2022-06-08 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.37M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    1 引言
    1.1 研究背景及意义
    1.2 国内外研究现状
    1.3 所需要研究的内容及安排
    1.4 设计的总体方案
    2 主芯片的选型及外围电路的设计
    2.1 器件介绍及连接电路
    2.1.1 霍尔位置传感器的概述
    2.1.2 霍尔位置传感器的性能特点
    2.1.3 霍尔集成电路图
    2.1.4 霍尔器件的分类
    2.1.5 霍尔器件选用时注意事项
    2.1.6 霍尔器件的安装工艺
    2.1.7 霍尔传感器的外围电路
    2.1.8 Si9979专用集成芯片
    2.1.9 Si9979外围电路设计
    2.1.10 控制芯片EP2C8Q208C8介绍
    2.1.11 控制芯片EP2C8Q208C8的外围电路设计
    2.2 verilog HDL语言概述
    3 硬件电路的设计
    3.1 本设计总结构框图
    3.2 霍尔传感器在设计中的工作情况
    3.3 电动机换相输出
    3.4 电动机的制动BRK
    3.5 无刷直流电动机的设计
    3.5.1 系统结构
    3.5.2 工作原理
    3.6 无刷直流电动机控制器的设计
    3.6.1 无刷直流电动机的控制结构
    3.6.2 无刷直流电动机的数字控制
    3.6.3 开环控制
    3.6.4 带电流负反馈的速度闭环控制器的设计
    4 软件控制程序及仿真
    4.1 刹车、报错的实现
    4.2 正反转的实现
    4.3 换相的实现
    4.4 转速控制的实现
    4.5 程序对应硬件电路图
    4.6 小结
    5 结论
    5.1 工作总结
    5.2 不足与展望
    附录A Verilog HDL程序语言
    附录B PCB图
    参 考 文 献
    致 谢
    中北大学 2013 届毕业设计说明书 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、办公自动化和家用电器 等领域中得到了较好的应用。 第 1页 共 47 页
    1.2 国内外研究现状 中北大学 2013 届毕业设计说明书 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， 第 2页 共 47 页
    中北大学 2013 届毕业设计说明书 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 CycloneⅡ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 QuartusⅡ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，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 第 3页 共 47 页
    放大整形输出的是脉冲信号，易于与数字电路接口[5]。 中北大学 2013 届毕业设计说明书 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θ角时，霍尔电动势的大小改为 E=KHIBcosθ，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，CycloneⅡ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。CycloneⅡ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 CLK0~CLK3、 复用的时钟引脚 DPCLK0~DPCLK7、锁相环（PLL）或者是内部逻辑来驱动。CycloneⅡ 芯片中的锁相环（PLL）只能由全局时钟引脚 CLK0~CLK3 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 CycloneⅡ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-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。 第 4页 共 47 页
    中北大学 2013 届毕业设计说明书 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 CycloneⅡ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 CycloneⅡ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。 第 5页 共 47 页
    中北大学 2013 届毕业设计说明书 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 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。 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-55℃~150℃。 2.1.3 霍尔集成电路图 图 2.1 霍尔集成电路图 第 6页 共 47 页
    中北大学 2013 届毕业设计说明书 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。 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 第 7页 共 47 页
    中北大学 2013 届毕业设计说明书 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（Bop-BRP）=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]。 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 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 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， 第 8页 共 47 页
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