Fakultat InformatikInstitut fur Technische InformatikProfessur fur VLSI-Entwurfssysteme, Diagnostik und Architektur

Masterarbeit

Entwicklung und Inbetriebnahme einesCoprozessors zur Ansteuerung von BLDC-Motorenmit einem leistungsschwachen Prozessorkern

Roman Reichel

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Ubersicht

1 Einleitung

2 Literaturrecherche

3 Hardware

4 Erste Implementierung

5 Zusammenfassung und Ausblick

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Einleitung

Jjmontero9, Wikimedia Commons, lizenziertunter CC BY-SA 3.0

Sebastian Koppehel, Wikimedia Commons,lizenziert unter CC BY 3.0

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Uberblick

Mikrocontroller Coprozessor Treiber

· 8-Bit-Mikrocontroller

· Motorregelung

· Steuerung desMotors

· Positionsbest.Rotor

· ErzeugungPWM, Kommu-tierungssignale

· elektr.Ansteuerungder Leistungs-elektronik

· Messung vonSpannungenund Stromen

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Aufgaben

Einarbeitung in die Thematik, Literaturstudium zuEC-Motorsteuerungen und BLDC-Motoren.

Implementierung der Gesamtarchitektur in ein FPGAfur Evaluierungszwecke.

Evaluierung des Systems bezuglich seiner Performanceund Dokumentation der Ergebnisse.

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Literaturrecherche

HSU

LSU

HSV

LSV

HSW

LSW

100

110010

011

001 101

-10

1-0

10-

-01

0-1

01-

111000

• Diskrete Halbbruckenansteuerung

• Betriebszustande:

• Geregelter Betrieb (Normalfall)• Motorstart• Aufsynchronisierung auf bereits drehenden Motor

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Blockkommutierung

1 2 3 4 5 6

U

V

W

t

• Jeweils nur zwei Phasenaktiv geschaltet, entspricht6 Zustanden

• Kommutierung(Umschaltung derHalbbrucken) erfolgt nur beiIntervallubergang

• Ermittlung der Rotorpositionwahrend inaktivem Intervallper EMK

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EMK-Messung

Kommutierung Kommutierung

Nulldurchgang

t

U

VBA

TG

ND

BA

t

U

VBA

T/2

GN

D

• Varianten:

• Vergleich mit halberVersorgungsspannung

• Vergleich mitSternpunktspannung

• direkte Messung

• PWM-Synchronisierung:

A zum Ende der inaktivenPhase

B wahrend aktiver Phase

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Erzeugen der Kommutierung

Kommutierung Kommutierung

Nulldurchgang

t

Cn

tTO

P0

fruhere Kommutierung

Kommutierung Kommutierung

Nulldurchgang

t

USc

hw

ellw

ert

0

fruhere Kommutierung

• Mittels Zahler

• direkt

• geregelt

• Integrationsmethode

• SymmetrischesSchwellwertverfahren

• Grenzfall: Nulldurchgangausserhalb des Intervalls

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Hardware

Gate Driver ICFPGAADC

Mikrocontroller

Coprozessor

Treiber

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Hardware

ADC FPGA Gate Driver IC und Messverstarker Leistungsteil

Motor

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FPGA

Introduction

The Micromodule series are OEM modules, based on Xilinx Spartan-3 platform FPGA. Many compo-nents like USB 2.0 transceiver, configuration Flash, power supply and optionally SDRAM are available on a tiny footprint of only 50,7 x 43,6 mm. A large number of configurable I/Os are pro-vided via B2B mini-connectors. Designed as a ready-to-use plug-in module for carrier boards, they integrate perfectly in battery-powered, hand-held or USB-powered applications.

The Micromodules can easily be modified on cus-tomer request and are available in versions with and without SDRAM and with different FPGA sizes.

Features

■ High-density plug-in Spartan-3 module

■ USB 2.0 interface

■ Platform Flash for in-system configuration

■ 16 Kbit serial EEPROM

■ Power supply via USB or external 5 Volt input

■ Low cost and flexible

■ Multiple micromodules are stackable

■ Flexible expansion via high-density board-to-board connectors

■ Prototyping-Carrier board available for evalua-tion

Applications

■ USB 2.0 Device development

■ IP development

■ Digital signal processing

■ General-purpose prototyping platform

■ OEM Module on custom Hardware

Figure 2: Micromodule with SDRAM Figure 1: Micromodule without SDRAM

Spartan-3 Micromodule

• Xilinx Spartan-3• XC3S1000

• 432 KBit BRAM

• 30(60) MHz Systemtakt

• Entwicklungsumgebung:ISE 14.7

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Erste HDL-Implementierung

Mikrocontroller

PWM Konfigurationsregister SPI

Kom

mut

ieru

ng

SMMotorstart

Taktgen.Kommutierung

Nu

lldu

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t.

AD

CIn

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AD

C

PC

zum Driver IC

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Motorstart

• Zwangskommutierung mit ansteigender Frequenz

• Start mit festem Parameterset (experimentell bestimmt)

• Parallel: Erkennung von Nulldurchgangen

• bei erfolgreicher Detektion Ubergang zu geregeltemBetrieb

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Nulldurchgangserkennung

• Im Abtastfenster kontinuierlicher Vergleich vonSternpunktspannung und Phasenspannung

• Ergebnisse durchlaufen 6-Bit-Schieberegister

• Majoritatsbasierte Zustandswahl fur obere und untere 3Bit

• bei Ubergang von 0 nach 1 Signalisierung anTaktgenerator

• inharente Erkennung von Fruh-/Spatkommutierungdurch geeignete Initialisierung

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Bisherige Ergebnisse

• Literaturrecherche

• Einarbeitung in die Thematik Motoransteuerung

• Inbetriebnahme der Entwicklungsplattform

• Erste Implementierung als Basis fur weitereUntersuchungen

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Ausblick

• Ausbau des Motorstart-Algorithmus

• Aufsynchronisierung auf drehenden Motor

• Erkennung des Motorzustandes (Blockierung,fehlerhafte Kommutierung)

• Implementierung weiterer Verfahren zurNulldurchgangsdetektion und Kommutierung,Bewertung und Vergleich hinsichtlichRessourcenbedarf und Leistungsfahigkeit

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LiteraturAVR493: Sensorless Commutation of Brushless DC Motor(BLDC) using AT90PWM3 and ATAVRMC100, AtmelCorporation, 12/2006

Jianwen Shao, Direct Back EMF Detection Method forSensorless Brushless DC (BLDC) Motor Drives, MasterThesis, Virginia Polytechnic Institute and State University,9/2003

AN1946: Sensorless BLDC Motor Control and BEMFSampling Methods with ST7MC, STMicroelectronics, Rev.2, 07/2007

Padmaraja Yedamale, AN885: Brushless DC (BLDC)Motor Fundamentals, Microchip Technology Inc.,07/2003

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