（机械工程专业论文）fpga在电机控制器中的应用研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 随赣国民经济的飞速发展，传统的电机已无法满足当前工程的要求，其作用也由 过去简单的起停控制、提供动力上升到要求对其速度、位黼、转矩等进行精确的控制， 势戆实凌浃速趣遴、藏速、反转浚及漆臻箨壹等，镬被驱渤戆辍辍运霸德合予囊翡要 求。在集成电路、观代电予技术及控制理论飞速发展的今天，电机控制技术也得到了 飞快的发展，电机控制器也由模拟分立元件构成的电路向数模混合、全数字方向发展。 本论文芝要硬究tf p g a 蕊冀在旗凝控裁器中豹寝爱。 论文首先对无刷直流电机系统进行了综台性论述。对系统的组成、及系统中主礤 部分：如位置传感器、逆变器和功率器件、供电直流电源进行了较详细的说明；并且 挺出了与本磅变稿蓑豹蕴露l 瓠瑷秘实蓬方案。 其次，论文对f p g a 芯片的特点及配置电路、以及以f p g a - f l e x i o k i o 为核心的控 制器电路的组成进行了较详细的论述；同时对超高速集成电路硬件描述语言( v i i d l ) 戆褥点籁痤矮逶纷了疆突；并掇趱了应爱f p ( ；a 芯冀对恕秘速度逶季亍控麓黥系绞褥筏及 。【作原理。 论文还对f p g a 芯片与d s p 芯片共同完成电机控制的方察进行了论述，剥用a l t e r a 公司熬f p g a 芯片宠减了毫瓿控鞠爨静设诗、蠢造帮蠲试，并在魏基穗上分援磺究了捌 用此控制器对无刷随流电机进行凋速控制的方法；两种控制器共同工作，组合方便、 功能强大，适合在离糙度、高效、宽变速控制的应用场合下，可对电机察现精度更高、 策旗燹复杂兹控裁。 论文最后还对在具体产品中的应用效果及行了简单分析。 关键溺：电懿麓裁器瑗场可编程门簿列 硬锌搐逡语言数字镶号处理器 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e d i b l y f a s td e v e l o p m e n t so ft h en a t i o n a le c o n o m y ，t h o s et r a d i t i o n a l e l e c t r i c a la p p l i a n c e sw h i c h j u s tg or o u n da n dr o u n da r en ol o n g e ra b l et om e e tt h ed e m a n do f p e o p l e a sar e s u l t ，t h ea p p l i c a t i o no fe l e c t r i c a la p p l i a n c e sh a sm a d eg r e a tp r o g r e s ss u c ha s t h er e a l i z a t i o no fp r e c i s i o n c o n t r o la n dt h ea p p l i c a t i o no fn e w p o w e r ，w h i c hl e a dt oe a s ya n d e x a c to p e r a t i o no fs p e e d ，p o s i t i o na n dt o r q u e t h et e c h n o l o g yo fe l e c t r i c a lc o n t r o l l i n gh a s d e v e l o p e da st h eg r o w t ho fi c ( i n t e g r a t ec i r c u i 0 ，e l e c t r o n i c sa n dt h et h e o r yo fc o n t r o l l i n g t h ee l e c t r i c a lc o n t r o l l e ri sa l s oc h a n g i n gt oa na l l d i g i t a ls y s t e m a c c o r d i n gt ot h er e a s o n s a b o v e ，1h a v ec h o s e na st h er e s e a r c hs u b j e c tt h ea p p l i c a t i o no ff p g ai nc o n t r o l l i n gt h e e l e c t r i c a la p p l i a n c e s t h i sp a p e ri sf o c u s e do nt h es t u d ya n dd i s c o v e r yi nt h i ss u b j e c t i nt h ef i r s tp a r to ft h i sa r t i c l e ，t h ep a p e rd i s c u s s e st h et r a i t so ff p g ac h i pa n di t s c o l l o c a b l ec i r c u i ta n dt h e c o m p o n e n t o ft h ef p g a f l e x l 0 k i o c e n t e r e dc o n t r o l l e r c i r c u i t ，d i s c u s st h ea d v a n t a g e sa n da p p l i c a t i o n so fv h d l ，p u tf o r w a r dt h et h e o r yo fa s y s t e m u s i n gf p g a t oc o m r o t h es p e e do ft h em a c h i n e m e a n t i m e ，t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb l u ep f i n tt h a tt h ef p g aa n dd s pc h i pw o r k t o g e t h e rt oc o n t r o lt h ee l e c t r i c a la p p l i a n c e s im y s e l fh a v ed e s i g n e da n d m a n u f a c t u r e da n d a tl a s t ，e x p e r i m e n t e dt h ec o n t r o lo fe l e c t r i c a la p p l i a n c e su s i n gt h ef p g a c h i p r e s u l to ft h e e x p e r i m e n t ss h o w st h a tt w ok i n d so fc h i p sw o r kw e l lw i t he a c ho t h e r ：e n h a n c i n ga d v a n t a g e s a n dr e d u c i n gd i s a d v a n t a g e s a tl a s t ，t h ep a p e rc o m e su pw i t ht h ep e r s p e c t i v ee f f e c to ft h i s t h e o r yo n t h e u n d e r s t a n d i n gt h a ti ti si na p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：m o t o r c o n t r o l l e r f p g a ( f i e l dp r o g r a m m e dg a t ea r r a y ) v h d u v h s i c h a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g e ) d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o rc h i p ) 1 1 独创- 性声明 术人声i ，j 所吊交f n 学付论文足我个人祚导师i f j 桁导下进行f t j + j f 究一i i f l ：段j i ) ( 得i | ，j _ f i j f 究成果。尽我所知，除文f f l 已标n j j 弓l 用的内容外，本论文不包含仙何其他 人或集体已经发表或撰写过纳研究成果。对本文的硼f 究做贡献的个人和集1 木， 均已和文r i i 以i 明确方式标喇。本人究全意彭到本声l 刿的法徘结果小人承j ：u 。 学位论文作者签名：瑟p 枭 | l 期：2 0 0 5 年j dj - j 工7li 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完金了解学校有关保怿、使j 1 j 学位沦文的规定，叫：学校= 仃 权保留并| f i j 国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和 借阅。木人授权华巾科技大学可以将水学位论文的全部或 | ；分内容编入布关数批 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 仪密口，在j l ：解密后通川小授权二i5 。 木论文属于， 不保密向 ( 聃征以上方框内打“”) 学位论文作者签名警p 写、艚蝴龇锄军 l 几j 鲥：2 0 0 5 年d 月二 r |r 期：2 0 0 5 年，口月j 踏f i 。 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题的来源 l 绪论 在长期的工作实践中，本人从事了多种烟草行业专用仪器设备的研究开发，经常 涉及到电机控制系统的设计。在相关产品一吸烟机的研发过程中，遇到了要求电机精 确地完成快速启动、变速、减速和停止等动作，以便使仪器的动作精确的拟合一个已 给定的函数。 继承前一代吸烟机产品的电机系统模式，首先选用了步进电机系统，其开环控制 方式的优点使控制系统设计和产品的制造非常容易实现，但是，精确控制电机的运行 模式，就比较难解决。 在具体应用中，希望提高电机的快速性，要求电机的加速时间越短越好。在开环 控制中，须正确选择加速脉冲频律，使加速脉冲按最佳的脉冲间隔分布，切换各相绕 组，以使电机每步都是在获得最大平均转矩下运转，从而获得最大加速度。由于步进 电机的特性，以低频运行对转子的瞬间速度可能有振荡性质，频率较高时，瞬间速 度抖动很小，平均速度是恒定的，类似于一般同步电机。因此，电机再由静止状态直 接进入加速运行状态时，常有失步现象，即电机的步数和脉冲数不一致，从而失去了 位置精度，根本无法使用。减速时也有相同豹情况。 另外，随着控制脉冲频率的增加，如果电机本身的阻尼很小，当控制脉冲频率近 似等于电机自由振荡频率时。容易引起共振。这会引起电机运行的混乱，甚至失步。 而且存在若干个共振点。这是开环步进电机系统的一个主要障碍。 由于步进电机系统存在的问题，对我们的产品开发工作造成了较大影响，电机转 速与设定函数的拟合效果不理想。因此。我们试图重新设计电机系统，包括电机控制 器和电机本身。 通过调研，我们确定了无刷直流电机系统的解决方案，并着手对无刷直流电机控 制系统开展研究工作。在对资料充分研究的基础上，选择了基于现场可编程门阵列 华中科技大学硕士学位论文 f p g a ( f i e l dp r o g r a m m a b l eg a t ea r r a y ) 的电机控制器的课题。 目自u ，f p g a 主要应用于通信领域，将大量的电路集成在一片f p g a 上，并提出了片 内系统( s o c ) 的概念，而f p g a 用于控制领域特别是电机控制还是比较少的。本论文 将电机控制所使用的一些基本功能尽可能地集成在一片f p g a 上，在电机控制方面作一 些片内系统的初步研究。 本论文研究了利用a l t e r a 公司的f p g a 芯片一f l e xl o k l o 来控制无刷直流电机和 使用f p g a f l e x l o k l 0 和t i 公司的d s p 芯片- - t m s 3 2 0 c 3 1 共同控制无刷直流电机两种 情况，着重分析了f l e xi o k i o 控制电机时所要实现的功能，论述了f l e x1 0 k 1 0 发出 p w m 斩波信号的方法，并初步研究了f p g a 和d s p 芯片共同产生p w m 信号的方法。 1 2 国内外概况 电机是一种机电能量转换的装置，在国民经济中起着重要作用。在越来越多的应 用场合，只能旋转的电机已无法满足要求，而是要能够实现快速加速、减速或反转以 及准确停止等功能。这些功能的实现均要求对电机进行控制，所以，对电机的控制是 电机应用的重要分支。 电机在其实际应用中，已由过去简单的起停控制、提供动力为目的的应用，上升 到对其速度、位置、转矩等进行精确的控制，使被驱动的机械运动符合预想的要求。 在这种情况下，原先的“电机控制” “电气传动”已发展到“运动控制”的新阶段。 下面就电力电子技术和电机控制技术国内外的发展情况进行简要介绍。 1 2 1 国内外电力电子技术的发展 电力电子技术是电机控制技术发展的最重要的助摊器，电力电子技术的迅猛发展， 促使了电机控制技术水平有了突破性的提高。从2 0 世纪6 0 年代第一代电力电子器件 晶阐管( s c r ) 发明至今，已经历了第二代有鸟关断能力的电力电子器件g t r 、g t o 、 m o s f e t ，第三代复合场控器件一i g b t 、m c t 等，和如今正蓬勃发展的第四代产品一功率 集成电路( p i c ) 。每一代的电力电子元件也未停顿，多年来其结构、工艺不断改进， 2 华中科技大学硕士学位论文 性能有了飞速提高，在不同应用领域它们在相互竞争，新的应用不断出现。 在功率器件发展的同时，驱动电路也获得了飞速的发展，目前，对每一类功率器 件都有相应的专用驱动集成电路可供选用。现在已可以做到使用一片驱动电路，一路 驱动电源来驱动三相逆变器的六个开关管，而不必为每个开关元件单独提供电源、隔 离驱动等，大大简化了外围电路特别是驱动电路的设计。 由于功率器件工作在开关方式，所以特别适合于数字控制、驱动，即便是模拟p i d 闭环，也必须将最终的输出转化为数字电平。因此，在功率器件的控制中采用数字控 制技术明显优于模拟控制技术。 1 2 2 国内外电机控制器的发展 最初的电机控制都是采用分立元件的模拟电路，后来随着电子技术的进步，基础电 路甚至电机控制专用集成电路被大量在电机控制中引用，这些电路大多为数模混合电 路，它大大提高了电机控制器的可靠性、抗干扰能力，又缩短了新产品的开发周期，降 低了研制费用，因丽近年来发展很快。 当前电机控制的发展越来越趋于多样亿、复杂化，现有的专用集成电路难以能满 足苛刻的新产品开发要求，为此可考虑自己开发电机专用的控制芯片。现场可编程门 阵列( f p g a ) 可以作为一种解决方案。作为开发设备，f p g a 可以方便地实现多次修改。 出于f p g a 的集成度非常大，一片f p g a 少则几千个等效门，多则几万或几十万个等效 门。所以一片f p g a 就可以实现非常复杂的逻辑，替代多块集成电路和分立元件组成的 电路。它借助于硬件描述语言( v h d l 或v e r i l o gh d l ) 来对系统进行设计，硬件描述 语言摈弃了传统的从门级电路向上直至整体系统的设计方法。f p g a 在电机控制中，最 基本的要起三个作用：组合逻辑、计数器和状态机： 在电机调速、变频控制中，存在大量的逻辑与、或、非运算，这是f p g a 最基本运 算。利用f p g a 进行逻辑运算，无疑是非常方便的。 数字信号处理简称d s p ，可以将d s p 芯片理解为高性能的单片机。与单片机相比， d s p 芯片采用哈佛结构( 并行体系结构，不同于传统的冯一诺依曼结构) 、流水线操作、 专用硬件乘法器等技术，因此在寻址能力、计算速度等方面要求比较高的场合，可以 一 3 华中科技大学硕士学位论文 使用d s p 芯片。 在d s p 芯片和f p g a 共同对电机实施控制时，f p g a 进行逻辑运算并监视d s p 芯片的 运行状况，d s p 负责采样、计算和实施控制策略，它们共同工作能够更好的对电机进行 控制。 1 3 解决的主要问题 本论文提出了两种控制方法：一种针对于f l e xi o k i o 单独控制无刷直流电机，另 种是d s p - - - t m s 3 2 0 c 3 1 和f l e x i o k i o 共同控制无刷直流电机。本论文论述了利用f l e x 1 0 k i o 对无刷直流电机进行控制时所起的各部分功能一p w m 波的产生、速度检测、正反 向控制逻辑等，并利用硬件描述语言对p w m 波在f p g a 中进行组合逻辑变换，并进行仿 真。 在d s p 芯片和f p g a 共同工作时，论述了f p g a 如何利用接收的数据产生p w m 波并 进行逻辑变换，同时实施了更复杂的控制以褥到更好的控制效果。 4 华中科技大学硕士学位论文 2 无刷直流电动机系统综述 2 1 系统组成 无刷直流电动机的基本构成包括电动机本体、控制器和转子位置传感器三部分 如图2 一l 所示。“1 图2 一l 无刷直流电动机构成框图 其工作原理以图2 2 和图2 3 所示为例来说明。 图2 2 无刷直流电动机系统图 华中科技大学硕士学住论文 从图2 2 中可以看出，无刷直流电动机系统由以下部分组成：电机本体m 及位嚣 传感器p s 、驱动电路、直流电源、逆变器、控制电路等。在本论文中，逆变器v f 为6 个i g b t 构成的三相全桥逆变器，直流电源是反激式d c d c 电源，控制电路分别以f p g a 和d s p 芯片为核心，驱动电路以m 5 7 9 6 2 a l 驱动器件为核心，p s 为位于电动机本体同轴 联结的转予位置传感器，控制电路对转子位置传感器检测的信号进行逻辑变换后产生 脉宽调制p w m 信号，经过驱动电路放大送至逆变器各功率开关管，从而控制电动机各 相绕组按一定顺序工作，在电机气隙中产生跳跃式旋转磁场。1 f o x ( a ) f f ( b ) 图2 3 无刷直流电动机工作原理示意图 在二相导通星形三相六状态无刷直流电动机工作的过程中，当转子位于图2 3 ( a ) 所示位置时，转子位置传感器输出磁极信号位置，经过控制电路逻辑变换后驱动逆变 器，使功率开关管t h l 、t 1 2 导通，即绕组a 、b 通电，a 进b 出，电抠绕组在空间合成 磁势f a ，如图2 3 ( a ) 所示。此时定转子磁场相互作用拖动转子顺时针方向转动。 电流流通途径为：电源正极一一t h l 管一a 相绕组一一b 相绕组一一t 1 2 管一一电源 负极。当转予转过6 0 。电角度，达到图2 3 ( b ) 中位置时，位置传感器输出信号， 经逻辑变换后使开关管t 1 2 截止，t 1 3 导通，此时t h l 仍导通，则绕组a 、c 通电，a 进c 出，电枢绕组在空间合成磁场如图2 3 ( b ) 中f a 。此时定转予磁场相互作用使 转子继续沿顺时针方向转动。电流流通路径为：电源正极一一t h l 管一一a 相绕组一一 华中科技大学硕士学位论文 c 相绕组一一t 1 3 管一电源负极，依此类推。当转子继续沿顺时针每转过6 0 。电角度 时，功率开关管的导通逻辑为：t h 2 t 1 3 一一t h 2 t l l 一一t h 3 t 1 1 一一t h 3 t 1 2 t h l t l 2 ，则转子磁场始终受到定子合成磁场的作用并沿顺时针方向连续转动。 在图2 3 ( a ) 到( b ) 的6 0 。电角度范围内，转子磁场顺时针连续转动而定子 合成磁场在空间保持图2 3 ( a ) 中f a 的位置不动，只有当转子磁场转够6 0 。电角度 到达图2 3 ( b ) 中f f 的位置时，定予合成磁场才从图2 3 ( a ) 中f a 位置顺时针跃 变至( b ) 中f a 的位置。可见定子合成磁场在空间不是连续旋转的磁场，而是一种跳 跃式旋转磁场，每个步进角是6 0 。电角度。”1 当转予每转过6 09 电角度时，逆变器开关管之间就进行一次换流，定子磁状态就 改变一次。可见，电机有6 个磁状态，每一状态都是两相导通，每相导通中流过电流 的时阳j 相当于转子旋转1 2 0 。，故该逆变器为1 2 0 。导通型。两相导通星形三相六状态 无刷直流电动机的三相绕组与各开关管导通顺序的关系如表2 1 。 表2 1 两相导通星形三相六状态时绕组和开关管导通顺序表 电角度0 6 01 2 01 8 02 4 03 0 0 3 6 0 导通abc 顺序 bca b t h l导通截止 t 1 3 截止导通截止 t h 2 截止导通截止 t l l截止导通截止 曲3截止导通 t 1 2导通 截止导通 2 2 位置传感器 转子位置传感器是检测转子磁极相对于定子电枢绕组轴线的位置，并向控制器提 供位置信号的一种装置。 转子位置传感器是无刷直流电动机的关键部件。它对电机转子位置进行检测，其 输出信号经过逻辑变换后控制开关管的关断，使电机定子各项绕组按顺序导通，保证 电机连续工作。转子位置传感器也由定、转子组成，其转子与电机本体同轴，以跟踪 华中科技大学硕士学位论文 电机本体转子位置。其定子固定于电机本体定子或端盖上，以敏感和输出转子位置信 号。转予位置传感器种类包括：磁敏式、电磁式、光电式、接近开关式、正余弦旋转 变压器式以及编码器等。本论文使用霍尔元件式位置传感器和光电编码器。 2 2 1 霍尔元件式位置传感器 霍尔元件式位置传感器是磁敏式位置传感器的一种。它是一种半导体器件，是利 用霍尔效应制成的。当霍尔元件按要求通以电流并置于外磁场中，就输出霍尔电势信 号，当其不受外磁场作用时，输出端无信号。安装霍尔元件时应将霍尔元件粘贴于电 机端盖内表面，靠近霍尔元件并与之有一小间隙处，安装着与电机轴同轴的永磁体， 如图2 4 所示。 h a 2 2 2 光电编码器 1 2 3 b 图2 4 霍尔元件式位置传感器 l 一永磁体架2 一永磁体3 一霍尔元件 霍尔元件位置传感器是检测转子位置的器件，从转子位置可以计算出电机的转速。 但这种方式在电机高速转动时检测精度不高，无法完成高速高精度的速度调节。目前 调速系统速度和位置反馈控制中应用最多的是光电编码器，即码盘。它不仅可以检测 电机转速，而且还可以测定电机的转向及转予相对于定子的位置。转速输出信号可以 是数字量或模拟量，可满足各种调速系统的需要。 8 华中科技大学硕士学位论文 一种常见的增量光电编码器有三组输出信号，相应的有三组光电转换元件。当转 动盘上的槽( 光栅) 与固定盘上的槽相重合时，位于固定盘后面的光敏元件可接收到 来自转动盘侧相应发光元件的光，然后转变为电信号。当转动盘随电机轴转动时，该 编码器可输出三组电压信号，经过整形后三相输出波形如图2 5 所示。z 相信号是用 来定位的，因为z 相在转动盘上只有一个对应的槽，故每转一周仅有一个z 相脉冲， 对应于转子的一个固定位置。根据不同瞬时a 相或b 相输出信号相对于z 相定位脉冲 的相互关系，便可确定该瞬时转子相对于定子的位置。 z广 a广 厂 厂 几厂 b 厂 厂 厂 厂 厂 图2 5 增量光电编码器的输出波形 a 相和b 相输出信号可用于测定电机转速和转向。由于a 相和b 相输出信号的频率 与转速成正比，故可通过在给定时间内对输出脉冲计数而求得转速，通过对a 相脉冲 上升沿和下降沿的检测电路可得对应于上升沿和下降沿的脉冲信号a 和a 一，使其 分别于b 相信号相“与”，可分别获得反应正转的信号b a 和反转信号b a - - ， 如图2 6 所示。 ( a ) ( b ) 图2 _ 6 电机转向信号的产生 b a b a 9 华中科技大学硕士学位论文 2 3 逆变器和功率器件 1 功率器件的发展 随着电子生产技术的不断发展，功率器件的发展也越来越快。2 0 世纪5 0 年代末出 现了属于半控形器件的晶闸管，它可以控制导通，但不能有由门极控制关断。7 0 年代 以后，功率晶体管( g t r ) 、门极关断晶闸管( g t o 晶闸管) 、功率m o s 场效应晶体管( p o w e r m o s f e t ) 、绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 、m o s 控制晶闸管( m c t ) 等已先后问世，这些器 件都是即能控制导通又能控制关断的自关断器件，又称全控形器件。i g b t 由于兼有 m o s f e t 和g t r 的优点，是目前用于中小功率最为流行的器件。“1 2 i g b t 的构成 绝缘栅双极晶体管( i s o l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r i g b t ) ，也称绝缘门极 晶体管。由于i g b t 内置有寄生晶闸管，所以也可称作绝缘门极晶闸管。它将m o s f e t 和g t r 的优点集于一身，既具有输入阻抗高、速度快、热稳定性好和驱动电路简单的 优点，又有通态电压低、耐压高的优点。i g b t 相当于一个由m o s f e t 驱动的厚基区g t r ， 其简化等效电路如图2 7 所示。图中r d r 是厚基区g t r 的扩展电阻。i g b t 是以g t r 为主导体、m o s f e t 为驱动件的复合结构。”1 图2 7i g b t 的简化等效电路 3 i g b t 的工作原理 i g b t 的开通和关断是由栅极电压来控制的。当栅极加正电压时，m o s f e t 内形成沟 道，并为p n p 晶体管提供基极电流，从而使i g b t 导通，在栅极上加负电压时，m o s f e t 1 0 华中科技大学硕士学位论文 内的沟道消失，p n p 晶体管的基极电流被切断，i g b t 关断。 2 4 驱动电路及宣流电源 2 4 1 驱动电路的特性 驱动电路的作用是将控制电路输出的脉冲放大到足以驱动功率器件，所以单从原 理上讲，驱动电路主要起开关功率放大作用，即脉冲放大器。但其重要性在于功率器 件的开关特性与驱动电路的性能密切相关。同样的功率开关，采用不同的驱动电路将 得到不同的开关特性。设计优良的驱动电路能改善功率器件的开关特性，从而减小开 关损耗，提高整机的效率及功率器件工作的可靠性。因此，驱动电路的优劣直接影响 变换器的性能。随着开关工作频率的提高，驱动电路的优化设计显得越来越重要。 2 , 4 2i g b t 的集成驱动器m 5 7 9 6 2 a l 当前已经出现众多i g b t 的集成驱动器，各个电子元器件制造商都相继开发设计了 依据不同要求的专门系列驱动器元件。针对不同的性能要求的i g b t ，其主要驱动器件 存多种。例如i r 系列( 美国国际整流器公司i n t e r n a t i o n a lr e c t i f i e r c o m p a n y 生产) 、 e x b 系列( 闩本富士公司生产) 、u a a 系列( 法国汤姆森半导体公司t h o m s o n s e m i c o n d u c t o rc o m p a n y 生产) 、m 5 7 系列( 日本三菱公司生产) 、以及h l 系列等等。”1 m 5 7 9 6 2 a l 是驱动n 沟道i g b t 带有保护及定时复位功能的厚膜混合集成驱动器，内 置可在输入与输出之间实现良好电气隔离的光电耦合器，具有高达2 5 0 0 v a c m i n 的绝 缘强度，且与t t l 电平兼容。内藏定时的逻辑短路保护电路，并具有保护延时特性。 既可以单电源供电，又可以正负双电源供电，双电源供电避免了一般单电源供电时负 电压不稳定的缺点。m 5 7 9 6 2 a l 可用来直接驱动v c e s = 6 0 0 v 及v c e s = 1 2 0 0 v 系列的电流容 量在4 0 0 a 以内的功率i g b t 模块。 m 5 7 9 6 2 a l 的内部结构和工作原理框图如图2 8 所示。由图可知，在这种驱动器内 部具有锁存定时复位电路、门极封锁单元及检测环节几部分。 华中科技大学硕士学位论文 4 2 1 5 8 6 图2 8m 5 7 9 6 2 a l 内部结构及原理框图 m 5 7 9 6 2 a l 的工作原理如下：输入信号经高速光耦隔离，由接口电路传送到功放级， 产生正负栅压，驱动i g b t 。当发生直接短路时，集电极电压显著增大，1 端检出i g b t 的集一射极电压较高时，就判断为短路，定时器就启动，通过栅极关闭和降压电路将 短路电流钳制在较低值，同时发出故障信号：如1 端回到低电平，保护复位，电路恢 复常态。 2 4 3 驱动电路的供电电源 m 5 7 9 6 2 a l 进行双电源工作时，直流供电电源为正1 5 v 和负l o v ，这里采用开关式 直流电源。由于该电源的输入也是直流，所以称之为d c d c 电源。 直流电源电路( 简称电源) 按其调整管工作方式分类，可分为线性电源和开源。 在线性电源中，调整管工作在线性放大区。由于线性电源具有制作技术成熟、输出波 纹小、带载能力强等优点，因此它是一种应用广泛的电源。现在应用较多的是三端稳 压器，它有三个引出端，即不稳定电压的输入端、稳定电压的输出端和公共端。三端 稳压器使用十分方便，只需要根据手册进行接线，并配适当的散热器即可。尽管线性 电源具有上述优点，但设计这种电源时，通常需要体积大而又笨重的工频变压器进行 华中科技大学硕士学位论文 降压和隔离：由于线性电源的调整管工作在线性区，功耗大，需要较大体积的散热器。 开关稳压电源有很多种工作原理，这里采用反激式丌关电源，如图2 9 所示。反 激式是指开关管b g 被加在b e 极问的p w m 脉冲激励导通时，输入电压u i 加在高频变 压器b 的原边上，由于图中b 副边整流二极管d 2 反偏，副边上没有电流通过，所以能 量存储在变压器原边的电感l 1 上，而输出电压靠电容c o 放电维持。当b g 关断时，b 副边上的电压极性颠倒，使b g 导通期间存储在b 中的能量通过d 2 向负载输出，此时 电容c 0 释放。可以看出，反激式工作方式有两种导电模式：不连续导电模式和连续导 电模式。b g 截止期间，初级的存能全部释放给负载，电路工作在不连续导电模式；b g 导通期间，依靠输出端的电容维持电压，并且在原边存储能量，电路工作在连续导电 模式。 d 2 + ：y 朴 窆冉奄删u 2 。5 控制机理及实施 图2 9 反激式开关电源的工作原理 2 5 1 脉宽调制波形的产生 为了保持逆变器的输出电压稳定，通常采用占空比控制技术。改变占空比的调节 方式，由脉频调制( p f m ) 和脉宽调制( p w m ) 两种方式。脉频调制是采用恒定导通时 间、可变截止时间或恒定截止时间、可变导通时间来实现占空比的改变；脉宽调制是 华中科技大学硕士学位论文 指工作频率不变，通过改变功率器件导通时间或截止时间来改变占空比，应用较为普 遍。” 脉宽调制是用脉冲宽度不等的一系列矩形脉冲去逼近一个所需的电压或电流信 号。图2 一1 0 表示三角波调制法原理。它是利用三角波电压与参考电压相比较，以确 定各分段矩形脉冲的宽度。 。燃 。，卜皿 1 ” 出产杪”f 。岫0 0 皿8 图2 l o 三角波调制法原理 a ) 电路原理图 b ) p w m 脉冲的形成 三角波调制法原理如图2 1l a 所示。在电压比较器a 的两输入端分别输入正弦波 参考电压u r 和三角波电压u ，在a 的输出端使得到p w m 调制电压脉冲。p w m 脉冲宽度 的确定可由国2 一1 1 b 看出，由于u 和u r 分别接至电压比较器a 的“”和“+ ”输 入端。显然当u a u r 时，a 的输出为低电平。 图2 一1 1 b 中的u 与u r 的交叉点之间的距离随参考电压u r 的大小而变化，而交叉点 之间的距离决定了电压比较器输出电压脉冲宽度，因而可得到幅值相等而脉冲宽度不 等的p w m 电压信号u p 。 2 5 2 反馈信号的测量 各种p 州波的调速系统，离不开被控电机的电压、电流或转速等反馈信息。反馈 华中科技大学硕士学位论文 信号的测取对调速系统的性能有着重要的影响。反馈信号通常分为两类：一类是电压 和电流的反馈信号：另一类是转速和位置的反馈信号。“” 1 检测转速和位置 器件简介及检测原理如2 2 节所述。 2 电压和电流反馈信号的测取 电压和电流的检测一般有三种方法：电阻法、互感器法和霍尔传感器。对于直流 及非j 下弦的交流电压和电流信号的隔离传送，最好的方法是用霍尔电压和电流传感器。 霍尔传感器不仅可实现被测点路与反馈电路的可靠隔离，而且具有以下有点： 1 ) 可以测量任意波形的电压和电流信号。频带宽，可测量从直流到l o o k h z 的各 种信号。 2 ) 线性度好，测量区问宽，测量精度高。 3 ) 响应速度快，延迟和相应时间均小于0 1 u s 4 ) 过载能力强，使用安全。当被测量值大大超过额定值时，内部电路及磁路均有 饱和限幅作用，不会损坏传感器。 2 , 5 3 控制电路的功能 控制电路是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速功能的指挥中心，它主要完 成以下功能： 1 ) 对转子位置传感器输出的信号、p w m 调制信号、正反转和停车信号进行逻辑综合， 以给驱动电路提供各开关管的斩波信号和选通信号，实现电机的正反转及停车控制。 2 ) 产生p 州调制信号，使电机的电压随给定速度信号而自动变化，实现电机- 歼环调速。 3 ) 对电动机进行速度闭环调节和电流调节，使系统具有良好的动态和静态性能。 4 ) 实现短路、过流和欠压等故障保护功能。 专用集成控制电路克服了分立元件带来的弊端，使控制电路体积小，可靠性高， 对于特定环境下完成特定功能、并具有规模化生产的无刷直流电动机，是首选方案。 但其应用范围仅限于某类电机，难以扩展。 随着无刷直流电动机应用领域的不断扩大，对其性能也提出越来越高的要求，因 华中科技大学硕士学位论文 此其控制器由以硬件模拟电子器件为主，转向采用数字电路、微处理器、数字信号处 理器( d s p ) 方向发展，实现半数字化的数模混合控制电路和全数字化的控制电路。控 制规律由硬件实现转向以软件实现。对于高性能的无刷直流伺服系统，由于微机和d s p 的应用，在控制上由通常使用的p i ( 比例积分) 或p i d ( 比例积分微分) 控制规律， 开始转向应用现代控制理论，如引进模糊控制、神经网络等智能控制理论，发展智能 化的无刷直流电动机，从而实现复杂的控制算法和故障诊断。” 在本论文中，先后论述了使用现场可编程门阵列f p g a 和数字信号处理器( d s p ) 共同工作对直流无刷电机进行控制的情况。 华中科技大学硕士学位论文 3f p g a 及其所组成的控制器 3 1f p g a 芯片及配置电路 3 1 1f p g a 芯片的特点 现在随着微电子技术的发展，设计与制造集成电路已不完全由半导体厂商束独立 承当。系统设计师更愿意自己设计专用集成电路( a s i c ) 芯片，并希望周期尽可能短， 因而出现了现场可编程门阵列f p g a 。f p g a 是可编程逻辑器件，它们是在p a l ( p r o g r a m m a b l ea r r a yl o g i c ，可编程阵列逻辑) 、g a l ( g e n e r i ca r r a yl o g i c ，通用阵 列逻辑) 等逻辑器件的基础之上发展起来的。同以往的p a l 、g a l 等相比较，f p g a 的规 模比较大，适合于时序、组合等逻辑电路应用场合，它可以替代几十甚至上百块通用 i c 芯片，这样的f p g a 实际上就是一个子系统部件。” f p g a 芯片是1 c 厂家事先生产的半成品芯片，其内部成行成列等间距地排列着以门 为基本单元的阵列，只剩下一层或两层铝连线的掩膜霈要根据用户不同的电路而制。 f p g a 芯片大体上由三部分组成： 1 一个二维的逻辑块阵列，构成了f p g a 器件的逻辑组成核心。 2 输入输出块。 3 连接逻辑块的互连资源，连接资源由各种长度的连线线段组成，其中也有一些 可编程的连接丌关，它们用于逻辑块之间、逻辑块与输入输出块之间的连接。 p p g a 芯片有以下特点： 1 ) 随着超大规模集成电路工艺的不断提高，f p g a 芯片的规模越来越大，其单片逻 辑门数可以达到数百万甚至上千万门，它所能实现的功能也越来越强，同时也可以实 现系统集成。这样大幅度地减少了印刷电路扳的面积和接插件的数量，降低了装配和 调试费用。 2 ) 提高了产品的可靠性。大量分立式元器件在向印刷电路板上装配时，往往会发 华中科技大学硕士学位论文 生由于虚焊或接触不良而造成故障，并且这种故障常常难以发现，给调试和维修造成 极大的困难。f p g a 芯片使这种现象减少，而且f p g a 芯片在出厂之前都做过百分之百的 测试，不需要设计人员承担投片风险，设计人员只需要在自己的实验室里就可以通过 相关的软硬件环境来完成芯片的最终功能指定。 3 ) 大大减小了电子产品的体积和重量，降低了电子产品的功耗，提高了产品的工 作速度。f p g a 内部电路尺寸很小、互连线短、分布电容小，驱动电路所需的功耗就大 大降低。f p g a 芯片内部很短的连线能大大缩短延迟时间，并且不易受外部干扰，这对 提高速度非常有利。而且f p g a 规模越来越大，有时可以将整个( 子) 系统集成到块 芯片上，这比分立元件构成的电子系统的速度要快。 4 ) 提高了产品的竞争能力。f p g a 芯片和e p r o m 配合使用时，用户可以反复地编 程、擦除、使用或者在外围电路不动的情况下用不同的e p r o m 就可实现不同的功能， 所以，用f p g a 试制样片，能以最快的速度占领市场。再者，f p g a 芯片的电路设计周期 较短，设计人员在较短时间内可完成电路的输入、编译、优化、仿真，直至虽后的芯 片制作。当电路有少量改动时，更能显示出f p g a 的优势。它大大加快了新产品的试制 速度，减少了库存风险与设计错误所带来的危险，从而提高了企业在市场上的竞争能 力和应变能力。 经过十几年的发展，许多公司都开发出了多种类型的可编程逻辑器件，比较典型 的就是x i l i n x 公司的f p g a 器件系列和a l t e r a 公司的f p g a 器件系列，笔者采用a l t e r a 公司的f l e xi o k 系列，软件工具为a 1t e r a 公司的m a x + p l u s1 1 。f l e x1 0 k 系列是工 业界第一个嵌入式的p l d ，具有高密度、低成本、低功率等特点，它的逻辑功能和互连 关系是出c m o ss r a m 单元配置的。系统加电时，通过存储在一个a l t e r a 公司生产的串 行配置e p r o m 器件中的数据或由计算机提供的数据对f l e x1 0 k 器件进行配置，这就是 f l e x1 0 k 系列的配置“。 3 1 2f p g a - - f l e xi o k 系列器件的配置 当电路设计者利用软件工具将电路输入，并且经过编译、优化、仿真，从波形上 看已经完全达到最初的要求以后，就要进行f p g a 器件的配置。配置电路分为两部分： 华中科技大学硕士学位论文 一是器件的配置管脚至印制板的外接口，二是外接口至p c 机的并口。 l _ 器件的配置管脚至印制板的外接口 f l e xl o k 器件由四种常用配置方式，分别是：主动串行方式( a s ) ，主要应用于 e p c i ( e p r o m ) 配置，电路图如图3 一l ；被动串行方式( p s ) ，主要应用于串行同步c p u 接口，电路图如图3 2 ；被动并行同步方式( p p s ) ，主要应用于并行同步c p u 接口； 被动并行异步方式( p p a ) ，主要应用于并行异步c p u 接口。在这些配置方式中，第一 种配置由f p g a 器件引导配置操作过程，它控制着外部存贮器和初始化过程，而后三种 配置由计算机或控制器控制配置过程。 v r f 图3 一lf l e xi o k 器件的主动串行方式 图3 2f l e xi o k 器件的被动串行方式 1 9 华中科技大学硕士学位论文 2 并口下载电缆b y t e b l a s t e r f l e xi o k 器件j f 常工作时，它的配置数据存在s r a m 之中。由于s r b 4 的易失性， 所以每次加电期间，配置数据必须重新构造。这样，f l e x 器件可以通过在线配置的手 段来调整电路结构、延时信息等，这给电路设计人员调试电路带来极大的方便。并口 下载电缆b y t e b l a s t e r 正是将p c 机中的配嚣信息传送到印制板f l e x 器件中。 b y t e b l a s t e r 有两种配置方式：被动串行模式( p s ) 和边界扫描模式( j t a g ) 。 b y t e b l a s t e r 下载电缆由三部分组成： 1 b y t e b l a s t e r 与p c 机并口相连的2 5 针插座头，在p s 和j t a 6 两种模式下管脚 有不同的名称。 2 b y t e b i a s t e r 与印制版插座相连的1 0 针插头，在p s 和j t a g 两种模式下管脚有 不同的名称。 3 2 5 针到1 0 针的变换电路，由一个7 4 l s 2 4 4 和n 个电阻组成。 一个完整的f p g a 的配置电路，应含有e p c i ( e p r o m ) 配置，它的作用是将调试完毕 的程序固化到e p c i 中，并且