第五章 晶片功能模組設計與模擬驗證
5.2 模組模擬與驗證
如圖 5.18，當 clk_4 正緣觸發時，先判斷 restart 訊號是否為高準位，若是則將 此模組的參數重致歸零，若 restart 訊號為低準位時，則偵測 closed_en 訊號，判斷 是否進入閉迴路程序。若 closed_en 訊號為高準位時，則依據閉迴路模組輸出的 FG_c 訊號來計算出目前的轉速。計算轉速的方法為利用此模組內的計數器 qfout 不斷計數十個週期的 FG_c 訊號，然後將 qfout 值套入 (3.8)式 的 N 中，即可得知 目前的轉速。
5.2 模組模擬與驗證
由於有些模組時脈較大，需要較多的時間量來跑模擬，但模擬只是為了驗證 其模組的功能性，所以為了其方便與效率性，除了閉迴路模組與轉速計算模組外，
模擬時將各模組的時脈皆設定為 20ns。
5.2.1 開關控制模組模擬
以圖 5.19模擬結果驗證圖 5.3的流程圖，當 sw 為低準位且計數器數到 011111 時，ao_en 則轉為高準位；當 sw 與 reset 同為低準位時，ao_en 則轉為低準位。
圖 5.19: 開關控制模組模擬圖
5.2.2 定位與開迴路模組模擬
將 clk_count1 的訊號縮減 2 倍，以 2014 ns當作模組時脈來跑模擬，模擬圖如
第五章 晶片功能模組設計與模擬驗證 圖 5.20，當 ao_en 為高準位時，經過定位與開迴路程序後，則將 closed_en 設定為 高準位。若是 restart 為高準位時，則將 closed_en 轉為低準位及將輸出旗標設定為 0110。流程圖見圖 5.7。
圖5.20: 定位與開迴路模組模擬圖
為了能夠更仔細的觀察輸出旗標的狀態，我們將模擬圖放大如圖 5.21。當啟 動定位與開迴路啟動程序時，flag1=0100 導通 42.72(0.7×2−14) sμ 後完成定位程 序。之後flag1=0000 導通 2.32(0.038×2−14) sμ ，再將flag1=0001 導通 0.92 (0.015×2−14) sμ 完成開迴路啟動程序。
圖 5.21: 定位與開迴路模組模擬放大圖
5.2.3 閉迴路模組模擬
1. 150 度十二步方波驅動
如圖 5.22，當 restart 為低準位且 closed_en 為高準位時，則開始驅動 150度十 二步方波驅動。利用計數器計數 emf 訊號的高準位與低準位，高低準位的時間各 佔 60 度電氣角時間，輸出旗標以 30 度電氣角時間作切換，在 360 度電氣角時間 內總共切換了十二步，與圖 3.2相符合。為了防止 PWM 訊號影響到零交越點的偵
第五章 晶片功能模組設計與模擬驗證 測，在要產生時交越點的區域，設定 dead_out 為低準位。當零交越點偵測完畢之 後，再把 dead_out 訊號恢復到高準位，使 PWM 訊號輸入到六橋電路。
圖 5.22: 閉迴路模組 - 150 度十二步方波驅動模擬圖 1
當 restart 為高準位且 closed_en 為低準位時，則將此模組的參數歸零，flag2 保 持不變，如圖 5.23。比較圖 5.22與圖 5.23可得，當馬達轉速與 emf 頻率增快時 (圖 5.23)，FG_c 的週期會變小，驗證了馬達轉速與 FG_c 訊號成反比的關係。
圖 5.23: 閉迴路模組 - 150 度十二步方波驅動模擬圖 2
2. 180 度九步方波驅動
如圖 5.24，當 restart 為低準位且 closed_en 為高準位時，則開始驅動 180 度九 步方波驅動。利用計數器計數 emf 訊號一個週期的電氣角時間，約為 120 度電氣 角時間。當偵測到零交越點後開始導通 180 度六步方波驅動，分別導通 60 度電氣 角與 30 度電氣角時間。之後再換相導通 120 度驅動以便零交越點的偵測。輸出旗 標以 60 度電氣角與 30 度電氣角時間作切換，在 360 度電氣角時間內總共切換了 九步，與圖 3.4相符合。
第五章 晶片功能模組設計與模擬驗證
圖 5.24: 閉迴路模組 - 180 度九步方波驅動模擬圖
3. 180 度六步方波驅動
如圖 5.25，當 restart 為低準位且 closed_en 為高準位時，則開始驅動 180 度六 步方波驅動。利用計數器計數 emf 訊號，計數直到偵測到零交越點，約為 120 度 電氣角時間。當偵測到零交越點時，計數 30 度電氣角時間後作換相，導通 60 度 電氣角時間的 240 度三步方波驅動的其中一相之後，再導通 120 度驅動以便做零 交越點偵測。其中輸出旗標以 60 度電氣角時間作切換，在 360 度電氣角時間內總 共切換了六步，與圖 3.6相符合。
圖 5.25: 閉迴路模組 - 180 度六步方波驅動模擬圖
4.210度六步方波驅動
如圖 5.26，當 restart 為低準位且 closed_en 為高準位時，則開始驅動 210 度六 步方波驅動。利用計數器計數 emf 訊號一個週期的電氣角時間，約為 120 度電氣 角時間。當偵測到零交越點後開始導通 240 度三步方波驅動的其中一相，計數 90
第五章 晶片功能模組設計與模擬驗證 360 度電氣角時間內總共切換了六步，與圖 3.8相符合。
圖 5.26: 閉迴路模組組 - 210 度六步方波驅動模擬圖
5.2.4 錯誤偵測模組模擬
圖 5.27為錯誤偵測的模擬結果，當轉速過慢時會造成 FG_c 訊號週期變大，所 以 FG_c 訊號在高準位或低準位持續時間太久時，則將 error_r_out 訊號拉升為高準 位，告知系統馬達旋轉似乎出現問題需要將系統重致。
圖 5.27: 錯誤偵測模組模擬圖
5.2.5 模式切換模組
如圖 5.28，reset 訊號為低準位或是 error_r 訊號為高準位時，將 flag 設定為 0110 使外部六橋開關關閉，並且將 restart 訊號拉升為高準位，使系統重致。最後 依據 flag 為何來適當選擇未激發相與中心相電壓比較後的 u、v、w 訊號作為零交 越點訊號 emf。由於偵測零交越點訊號的任務是在閉迴路部份執行，所以只有在 closed_en 為高準位時，才是我們所要的訊號，至於在 closed_en 為低準位的 emf 訊
第五章 晶片功能模組設計與模擬驗證 號則不理會之。
圖 5.28: 模式切換模組模擬圖
模式切換模組另一功能為選擇 flag_out 為定位與開迴路六橋開關輸出旗標 flag1 或閉迴路六橋開關輸出旗標 flag2。為了能夠清楚看出 flag_out 訊號，所以將 模擬圖放大，如圖 5.29。若 closed_en 訊號為低準位時，代表此時為執行定位與開 迴路程序，flag_out 為 flag1。否則代表此時為執行閉迴路程序，flag_out 為 flag2。
圖 5.29: 模式切換模組模擬放大圖
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5.2.6 六橋輸出與脈波寬度調變模組
為了方便觀察六橋開關上的 PWM 訊號，所以使用 120 度六步方波驅動做模 擬。如圖 5.30，我們可觀察到在 dead_out=0 的區域與定位與開迴路程序 (closed- _en=0) 時，PWM 訊號停止輸入至各上橋電路，但六橋開關依然隨著 flag 的不同 而作切換。
圖 5.30: 當 dead=0 與 closed_en=0 時，六橋輸出與脈波寬度調變模組模擬圖
而 PWM 的 duty cycle 可藉由不同的電壓控制命令 cv 來改變，此模組的三角 波擺動振幅為 0 至 2000，所以當輸入 cv 為 500 時，PWM 的 duty cycle 約為 25%，
如圖 5.31；若 cv為 1000 時，PWM 的 duty cycle 約為 50%，如圖 5.32；若 cv為 1500 時，PWM 的 duty cycle 約為 75%，如圖 5.33。
圖 5.31: 當 PWM 的 duty cycle 約為 25% 的模擬圖
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圖 5.32: 當 PWM 的 duty cycle 約為 50% 的模擬圖
圖 5.33: 當 PWM 的 duty cycle 約為 75% 的模擬圖
5.2.7 轉速計算模組
如圖 5.34， restart 訊號為高準位時，則將參數重致歸零，而 closed_en 訊號為 低準位時，不計算轉速。若 restart 訊號為低準位且 closed_en 訊號為高準位時，依 據閉迴路模組輸出的 FG_c 訊號來計算出目前的轉速。設定 FG_c 週期為 2ms，利 用 (3.5)式 計算轉速為 5000 rpm 與模擬結果相符合。
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圖 5.34: 轉速計算模組模擬圖