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1、基于SOOPC的的无位置置传感器器直流无无刷电动动机远程程监控系系统顾春阳，万鹏，陈宇，刘冰电气工程程及自动动化学院院指导教师师：杨春春玲（教教授/博导）一、课题题研究目目的本课题研研究了一一种基于于SOPPC的无无位置传传感器直直流无刷刷电动机机远程监监控系统统，充分分发挥硬硬件设计计的可移移植性，具具有较高高的可靠靠性和抗抗干扰能能力，在在换相精精度和通通用性方方面可达达到较优优的水平平，将能能够满足足无位置置传感器器无刷直直流电机机在高精精度领域域应用的的要求；可以在线线升级，缩缩短开发发时间；具有高高度的空空间开放放性，顺顺应电机机驱动系系统开放放式、智智能化的的发展潮潮流。二、研究究
2、背景22/22常用的无无刷直流流电机无无位置传传感器位位置检测测方法中中，反电电动势过过零检测测法由于于检测电电路结构构简单，算算法亦不不复杂，因因此发展展最成熟熟，应用用最为广广泛。以以软件方方式实现现过零检检测及驱驱动控制制会引入入一定的的执行延延时，还还会增加加CPUU的负担担，限制制电机其其它控制制任务的的完成。另另外，传传统的反反电势过过零检测测法仅能能在额定定转速220%以以上以上上才能使使用，调调速范围围受到很很大制约约。随着科学学技术的的不断发发展，生生产规模模的不断断扩大，现现代机电电控制系系统越来来越趋向向于高精精度、微微型化及及大规模模化发展展，网络络化控制制已成为为其必
3、然然的发展展趋势。基基于Innterrnett的远程程控制技技术将使BLDDCM控控制系统统通过网网络实现现对设备备的远程程控制、管管理和维维护，同同时也实实现资源源和技术术的共享享。它可以以拓宽人人们的作作业空间间和范围围，；不需要要人们铺铺设专门门的通讯讯线路；有利于于减少远远程控制制的成本本、扩大大远程化化距离、实实现对任任意节点点的访问问。三、研究究主要内内容31 总体方方案设计计基于SOOPC的的无位置置传感器器直流无无刷电动动机远程程监控系系统总体体方案如如图3.1所示示，由FFPGAA核心处处理器、驱动隔离电路、AD检测电路、网络接口、电机本体等部分构成。图3.11 总体体方案框
4、框图32 FPGGA电机机控制IIP核设设计3.2.1电机机控制IIP核概概述根据无刷刷直流电电机控制制方法的的分析结结果设计计电机驱驱动IPP核结构框框图如图图3.22所示。图3.22 电机机驱动IIP核结结构设计计框图电机驱动动IP核主主要由AAD7333600驱动接接口、反反电势过过零检测测单元、三三段式同同步起动动模块、转转速电流流双环负负反馈调调节器和和PWMM控制器器五大部部分组成成。3.2.2三段段式同步步启动模模块在无刷直直流电机机启动时时不能根根据反电电动势进进行换流流。需要要采用包包括预定定位、加加速和自自动切换换三个环环节实现现电机的的开环软软起动，克克服反电电势过零零检
5、测算算法不能能够自起起动的缺缺陷。图图3.3为三段段式同步步启动模模块在MModeelsiim中的的仿真结结果。图3.33 三段段式同步步启动MModeelsiim仿真真结果3.2.3 AAD7333600驱动接接口单元元AD7333600是ADII公司生生产的新新型166位AD转换换器，具具有六个个独立的的模拟量量输入通通道,每个通通道可同同时采样样，使用六六线工业业标准同同步串行行接口，所所以特别别适合于于三相制制电力运运行参数数测控类类应用（三三个相电电压和三三个相电电流同时时采样）系系统。图图3.4为AD7733660接口口I/OO结构图图。图3.44 AAD7333600接口I/O图
6、3.2.4反电电势过零零检测单单元反电势过过零检测测单元由由四部分分组成。时钟分分频模块块将500MHzz的系统统时钟分分频得到到1000kHzz的时钟钟信号送送入相位位延迟模模块。反反电势相相位转换换模块将将3路端电电压信号号计算得得到反电电势信号号。再由由反电势势信号的的过零点点得到初初步的换换相信号号。相位位延迟模模块实现现了由pphasse_ii到phaase_c信号号的转换换，同时时向速度度信号生生成模块块提供频频率与电电机转速速成比例例的脉冲冲信号fflagg6。速度信信号生成成模块利利用fllag66对电机机进行MM/T法法测速。图3.55为反电电势过零零检测内内部结构构（RTT
7、L级）。图3.55反电动动势过零零检测内内部结构构图（RRTL级级）3.2.5转速速电流双双闭环调调节器在此模块块中，AASR和和ACRR都采用用限幅的的增量式式数字PPI算法法。此外外，转速速调节器器同时还还融合了了改进的的分段式式的数字字PI算法法。3.2.6 PPWM控制制器PWM控控制器部部分包括括电机开开闭环切切换模块块和PWWM信号号生成模模块，用用于将上上述各模模块生成成的占空空比和相相位转化化成为电电机驱动动所需的的脉冲信信号。3.2.7电机机驱动IIP核综综合结构构电机驱动动IP核内内部结构构如图33.6所示。图3.66电机驱驱动IPP核内部部结构图图（RTTL级）33 FP
8、PGA-DM990000A组件件控制器器及电机机驱动IIP核接接口设计计DM90000AA控制器器与电机机控制器器均为用用户自定定义NIIOS系统的的外部设设备，均均以自定定义组件件的形式式添加到到SOPPC BBuillderr中。DM90000AA控制器器和电机机驱动IIP核接接口添加加到SOOPC Buiildeer中后后，生成成的顶层层原理图图如图33.7所示。图3.77 NNIOSS系统顶顶层原理理图34 硬件电电路设计计3.4.1 FFPGAA最小系系统板本设计使使用的主主控芯片片是CyyclooneIII系列列EP2CC20QQ2400C8NN。FPGGA最小小系统板板包括六六部
9、分：电源部部分、EEPCSS配置电电路部分分、SRRAM与与FLAASH部部分、FFPGAA芯片及及其周边边元件、FPGA通用IO部分和UART电路部分。具体原理图见附录1。3.4.2 DDM90000AA网络接接口电路路DM90000AA的功能能和控制制方法已已在3.3节中介绍绍。其硬硬件电路路主要包包括：电电源电路路、RJJ45网网络接头头和DMM90000A芯芯片及外外围配置置电路。原原理图详详见附录录2。3.4.3驱动动隔离电电路驱动隔离离电路主主要由光光耦器件件、IRR21330芯片片与IRRF5440组成成。控制制电路输输出六路路PWMM调制波波，经过过高速双双路光耦耦芯片HHCP
10、LL26331进行行光电隔隔离后，送送入到功功率器件件中，实实现对无无刷直流流电机的的驱动控控制。其其电路原原理图见见附录33。3.4.4 AAD检测电电路AD采样样电路使使用ADD733360模模/数转换换芯片。该该芯片自自身的优优良特性性和独到到的外围围电路设设计使其其能很好好的适用用于本系系统的信信号采集集工作。本设计使使用交流流耦合方方式，极极大改善善了采样样电路性性能。交交流耦合合滤掉了了无用的的直流分分量，使使反电势势的过零零点与AAD基准准电压重重合，简简化了FFPGAA对反电电势过零零点的检检测算法法；采样样信号以以基准源源为对称称中心，最最大限度度的降低低了基准准不稳对对精度
11、的的影响，提提高了采采样精度度。该设设计是一一次创新新性的尝尝试。AAD采样样的详细细原理图图见附录录4。35 嵌入式式服务器器设计系统的软软件设计计由本地地嵌入式式操作系系统下WWEB服服务器、远远程浏览览器与控控制界面面构成一一个完整整的远程程监控控控制系统统。嵌入式操操作系统统结构图图如图33.8所示。图3.88嵌入入式操作作系统结结构图3.5.1操作作系统下下的嵌入入式WEEB服务务器设计计网络通信信必须建建立在多多任务实实时操作作系统上上。因此此我们采采用操作作系统，其其特点为为：n 小巧(最最小内核核2K)；n 公开源代代码，详详细的注注解；n 可剥夺实实时内核核；n 可移植性性强
12、，可可裁剪；n 实时多任任务。这些特点点有利于于网络通通信在FFPGAA中的实实现。WEB服服务器框框图如图图3.9所示。图3.99 WEEB服务务器框图图3.5.2 WWEB服服务器工工作程序序流图本服务器器是基于于套接字字建立连连接的，程程序流图图如图3.100。图3.110用套套接字建建立连接接的程序序框图3.5.3网络络控制界界面控制界面面是用HHTMLL语言编编写的网网页，以以压缩文文件的形形式烧写写在FPPGA的的Flaash上上，客户户端通过过IE浏览览器进行行访问。控制网页页的截图图如图33.111、3.122、3.133所示。（1）主主页进入系系统图3.111进入入系统-网页
13、截截图（2）控控制页面面图3.112控制制页面-网页截截图（3）提提交成功功图3.113提交交成功-网页截截图四、结论论经过近一一年的研研究，我我们设计计出了基基于SOOPC的的无位置置传感器器直流无无刷电动动机远程程监控系系统，主主要成果果有：研究了反反电势过过零检测测原理及及其补偿偿算法，实实现了基基于FPPGA的的直流无无刷电机机控制系系统；提提出了基基于交流流耦合方方式的反反电势信信号检测测方式，并由实实验证明明可提高高采样精精度和抗抗扰性，提提高调速速范围；构建了了嵌入式式服务器器，实现现远程控控制；完完成了基基于SLLBLDDCM控控制系统统实体，实实现了双双环数字字化控制制，达到
14、到以下指指标： 可控制电电机转速速1255r/mmin25000r/minn（5%额定定转速额定转转速），调调速范围围D220； 低于0.5%的的转速误误差。系统具有有以下创创新点：（1）采采用SOOPC技技术，具具有自主主知识产产权，具具有良好好的通用用性与可可移植性性；（2）可可并行无无延迟地地驱动多多路电机机；（3）开开发一种种无等待待的过零零检测硬硬件逻辑辑电路，避避免软件件检测运运行延迟迟；（4）采采用专用用三相电电量测量量AD器器件ADD733360及及交流耦耦合方式式，提高了了系统的的调速范范围和稳稳定性；（5）构构建了基基于FPPGA的的嵌入式式服务器器，编写写了兼容容TCPP
15、/IPP协议的的精简版版网络应应用层协协议，为为嵌入式式远程控控制提出出了一种种新的实实现方案案。五、体会会与收获获在此次国国家大学学生创新新性实验验计划项项目中，我我们研究究了反电电势过零零检测原原理及其其补偿算算法，实实现了基基于FPPGA的的直流无无刷电机机控制系系统；进进行了网网络通信信的研究究，构建建了嵌入入式服务务器，实实现了电电机的远远程控制制；达到到并超过过了立项项的各种种指标要要求。在本系统统的设计计和制作作过程中中，我们们从理论论学习到到动手实实践，遇遇到了很很多问题题，同样样积累了了很多经经验。在在整个制制作过程程，我们们的实际际动手能能力得到到了很好好的锻炼炼，进行行了
16、FPPGA方方面的设设计应用用，学习习了网络络通信协协议，研研究了电电机控制制技术，探究了Protel DXP软件的使用，PCB板的制作，在实践中进一步加深了对理论知识的理解。在今后的学习中，我们会继续努力，争取更大的进步！附录1 FPPGA最最小系统统板原理理图图f1.1 顶层原原理图图f1.2 电源电电路原理理图图f1.3 SRAAM及FFLASSH原理理图图f1.4 FPGGA芯片片及周边边元件图f1.5 FPGGA通用用IO原原理图图f1.6 UARRT电路路原理图图附录2 DMM90000A电电路原理理图图f2.1 DM990000A原理理图附录3 驱动动隔离电电路原理理图图f3.1 IR221300驱动电电路原理理图附录4 ADD采样电电路原理理图图f4.1 AD采采样电路路原理图图