圖5.2為永磁同步馬達速度控制系統的發展平台，主要包括了一個12極的弦波型永 磁同步馬達、功率級電路、訊號偵測與回授電路、Altera之Cyclone系列中EP1C12F256 的晶片、與一台個人電腦，馬達的參數值如表5.3所示。FPGA為控制系統之核心，負 責讀取外部訊號、各項控制機制以及無感測轉子角度與速度估測。其中功率級電路以 及訊號偵測與迴授電路規劃於馬達介面實驗板，Cyclone晶片、類比數位電路…等電路 規劃於FPGA控制板，驅動訊號由FPGA控制板產生透過C BUS送至馬達介面實驗板的 功率級電路，而迴授訊號則先透過馬達介面實驗板的增益放大及濾波器電路處理後，
由C BUS送到FPGA控制板。此外透過ByteBlasterII，可在個人電腦利用Quartus II中的 Signaltap II Logic Analyzer[19]讀取Cyclone內部暫存器的數值，來得到馬達速度控制的 動態響應情形。
圖5.2 以FPGA為基礎之永磁同步馬達實驗發展平台實體圖
表5.3
永磁同步主軸馬達的參數值
3-phase permanent magnet synchronous motor
Type Y-connection, 12 poles
Rated voltage 12 V Stator resistance 0.6Ω Stator inductance 0.102 mH Back-EMF constant 0.595 mV/rpm Rotor inertia 1.056×10-6 kg⋅m2 Mech. time constant 0.27 sec
5.2.1 FPGA控制板介紹
本論文採用Altera Corp.所生產Cyclone系列型號為EP1C12F256的晶片，其容量大小 為百萬個邏輯閘，是一顆以SRAM為基礎之FPGA，具有可重複燒錄且價格低廉的優 點，方便在實驗發展階段使用，並使用以此顆晶片所設計之FPGA控制板，此控制板由 耀能科技公司所設計，其實體圖如圖5.3所示，主要功能特性包括：
(1) 提供一個8M*16bit的Flash Memory。
(2) 提供一個4M*32bit的SRAM。
(3) 提供2個10-pin接頭，使用者可由ALTERA公司的download cable--- ByteBlasterII 以JTAG模式直接對Cyclone晶片進行燒入或以AS模式對EPCS4進行燒入。
(4) 提供一個8通道12-bit的類比數位電路(ADS7844)。
(5) FPGA控制板的電源來源主要由馬達介面實驗板提供，藉由C BUS提供5V直流 電壓，透過控制板上的電源電路轉換成3.3V的直流電壓，供給所有FPGA控制 板所需的電源。
(6) C Bus 位 於 FPGA 控 制 板 的 背 面 ， 為 與 馬 達 介 面 板 連 結 之 匯 流 排 ， 其 上 有 PWM、ADC/DAC、LCD、SPI。
圖5.3 FPGA控制板實體圖 5.2.2 馬達介面實驗板介紹
由於FPGA的輸入輸出介面為數位介面，因此迴授訊號包括相電流、霍爾感測器訊 號等需要類比轉數位電路，才能將類比訊號轉成數位訊號。為了方便觀測控制IC內部 暫存器數值，需要數位轉類比電路。為了驅動馬達，需要驅動電路。因此，規劃了一 塊可同時應用於FPGA與DSP的馬達實驗介面板，FPGA或DSP控制板，藉由相同的 CBUS與實驗介面板做溝通，此實驗介面板由本人及圓創科技公司共同設計。圖5.4為 馬達介面實驗板的功能方塊圖，主要電路包含：類比數位介面電路、數位類比電路、
馬達驅動電路及通訊介面電路。
由以上說明可知，此馬達實驗平台結合了DSP發展系統與FPGA發展系統於一身，
因此使用者可先透過DSP驗證系統之可行性後，再將演算法透過FPGA系統以數位IC方 式實現，使得馬達發展系統的設計流程更趨於完整。
圖5.4 馬達實驗介面板功能方塊圖
馬達驅動電路如圖5.5，以BJT組成之B類放大器、IRF7404(P-channel)與IRF7301(N-channel)所構成之三相換流器，PWM1為上臂開關控制訊號，當其訊號為高準位時，
IRF7404則導通，相反地，當其訊號為低準位時，則關閉；PWM2為下臂開關控制訊 號，當其訊號為高準位時，IRF7301則關閉，相反地，當其訊號為低準位時，則導通。
而開關元件之Vds為20V，滿足DC Link Voltage為12V的需求，切換頻率也高達1MHz以 上。
圖5.5 馬達驅動電路
以TI Corp.生產之DAC7513[20]為核心的數位類比轉換電路如圖5.6，工作電壓在 2.7~3.6V，最快時脈頻率為20MHz，它有1個類比數位轉換單元，然後將 12-bit 暫存器 資料以串列傳輸送出，數位類比轉換單元的最快轉換時間為800 ns。
圖5.6 數位類比轉換電路
電流偵測電路如圖5.7，分成兩級前一級為差動放大，將電流訊號轉電壓訊號，後 級為增益放大與低通濾波電路，其直流增益為1.23，3dB頻率為1.76kHz，輸出的類比 訊號電壓範圍為0~3.3V，以滿足ADS7844的類比輸入訊號範圍。
圖5.7 電流偵測電路 另外，輸入輸出介面包括：
(1) Port 1：C BUS。
(2) Port 2：N BUS，主要是USB介面訊號。
(3) Port 3：DC Power Supply輸入。
(4) Port 4：為小功率馬達驅動電路與包含霍爾感測器的永磁同步馬達本體的連接 埠。
(5) Port 5：為小功率馬達驅動電路與永磁同步馬達本體的連接埠。
(6) Port 6：FPGA之JTAG模式燒入連接埠。
(7) Port 7：FPGA之AS模式燒入連接埠。
(8) Port 8：DSP燒入連接埠。
(9) Port 9：4組數位輸出、3組數位輸入、三相霍爾感測器訊號。
(10) Port 10：11組PWM訊號輸入、4組數位轉類比訊號輸入、16組類比轉數位訊號 輸出。
圖5.8為馬達實驗介面板的實體圖，為一個兩層電路板。
圖 5.8 馬達實驗介面板