单片机毕业设计论文—无刷直流电机控制方案设计（论文+外文翻译）

单片机毕业论文—无刷直流电机控制设计（论文+外文翻译） 无刷直流电机具有高速度、高效率、高动态响应、高热容量和高可靠性等优 点的同时，还具有低噪声和长寿命等特点。在计算机系统、家用电器、工业、交 通工具、医疗机械等领域有广泛应用。目前国内对无刷直流电机的研究以及成为 了重要的课题。DSP是在数字信号处理的各种理论和算法的基础上发展起来的， 对于完成各种实时数字信息处理。在无刷直流控制系统中引入DSP技术，对采集的信号直接进行实时处理，提高了系统控制放入自动化程度、精确和可靠性。本 文研究的主要内容是基于DSP的无刷直流电机控制系统的研究与设计，实现全数 字化双闭环控制系统。论文主要研究了无刷直流电机的控制眼里，给出了系统的 整体方案，设计了硬件电路，编写了软件程序。 无刷直流电机；PIC单片机；控制系统；位置传感器 BLDC has advantages of high speed,high efficiebncy,high dynamic response,high temperature bearing capacity and reliability. It also behaves a long life and low noise characteristics. There are extensive applications in many field, such as computer system,electrical house appliances, Industry,traffic and the medical equipment and so on. The research of brushless DC motor is an important topic now in china, DSP is developing in the foundation of variable theories and arithmetic,used for completing real-time digital information processing.Bringing the DSP technique to the brushless DC motor control system makes the collected signal directly carried on in real time and improves the autormation degree,the accuracy and the credibility of the control system. The thesis studied and designed the brushless DC motor control system based on DSP.It realized fully digital-controlled and double closed-loop control system. The thesis mainly discusses and control principle of the brushless DC motor,gives the whole plan of the system, designs the hardware circuit, and programs the software. : BLDC, PIC MCU, Control System, position sensor ..................................................................................................................................- 1 - 1.1无刷直流电机的现状 ........................................................................................................... - 1 - 1.2无刷直流电机控制器概述 ................................................................................................... - 2 - 1.3论文研究内容 ...................................................................................................................... - 3 - ...................................................................................................- 4 - 2.1电机的基本原理 .................................................................................................................. - 4 - 2.1.1 ............................................................................ - 4 - 2.1.2 ................................................................................................... - 5 - 2.1.3................................................................. - 6 - 2.2电机的特性分析 .................................................................................................................. - 8 - 2.2.1 ................................................................................................... - 8 - 2.2.2 .......................................................................................... - 11 - 2.2.3 ............................................................................................................. - 11 - 2.3直流电动机的PWM调速原理 .......................................................................................... - 12 - 2.4霍尔传感器 ........................................................................................................................ - 13 - 2.4.1 ............................................................................................. - 14 - 2.4.2 .......................................................................... - 14 - ...................................................................................... - 15 - 3. 1单片机选择 ....................................................................................................................... - 15 - 3.1.1 ........................................................................................................ - 15 - 3.1.2 PIC......................................................................................................... - 15 - 3.1.3 PIC16F72 ................................................................................ - 17 - 3.1.4 PWMPIC .......................................................................... - 18 - 3. 2微控制器电路 ................................................................................................................... - 18 - 3.3三相全桥逆变电路和驱动电路 .......................................................................................... - 21 - 3.3.1 ................................................................................................. - 22 - 3.3.2 .................................................................................................................... - 24 - 3.3.3 ............................................................................................................ - 25 - 3.3.4 ............................................................................................................ - 25 - ................................................................................................................ - 26 - 4.1系统软件设计概述............................................................................................................. - 26 - 4.2主程序介绍 ........................................................................................................................ - 27 - 4.2.1 ............................................................................................................... - 28 - 4.3中断 ................................................................................................................................... - 29 - 4.3.1 ........................................................................................................ - 29 - 4.3.2 ........................................................................................................ - 30 - 4. 4 PWM(脉冲宽度调制) ........................................................................................................ - 31 - 4.5欠压保护、过流保护和堵转保护 ...................................................................................... - 32 - 4.5. 1 ................................................................................................ - 32 - 4.5.2 ............................................................................................................ - 32 - 4.6数字PI速度调节 ............................................................................................................... - 33 - 4.6.1 ........................................................................................................................... - 33 - 4.6.2 P I D ........................................................................................................... - 33 - 4.6.3PID..................................................................................... - 35 - 4.6.4PI ........................................................................................... - 36 - ..................................................................................................... - 38 - 5.1系统软、硬件部分调试 ..................................................................................................... - 38 - 5.1 .1 ........................................................................................................... - 38 - 5.1.2 ............................................................................................................ - 39 - 5.2实验结果分析与建议 ......................................................................................................... - 40 - 5.2.1 ............................................................................................................ - 40 - 5. 2. 2....................................................................................................... - 40 - ................................................................................................................................ - 42 - ................................................................................................................................ - 43 - ............................................................................................................................................. - 45 - .......................................................................................................................... - 46 - 有刷直流电动机作为最早的电动机广泛应用于工农业生产的各个领域，由于 其宽阔而平滑的优良调速性能，在需要调速的应用领域占有重要地位，但机械换 向装置的存在，限制了其发展和应用范围。直流电动机的机械电刷和换向器因强 迫性接触，造成其结构复杂、可靠性差、火花、噪声等一系列问题，影响了直流 电动机的调速精度和性育旨。 科学技术的飞速发展，带来了半导体技术的飞跃，开关型晶体管的研制成功 为创造新型的无刷直流电动机带来生机。1955年，美国人首次提出用晶体管换向线路代替机械换向装置，经过反复实验，人们终于找到了用位置传感器和电子 换相线路来代替有刷直流电动机的机械换相装置，出现了磁电藕合式、光电式及 霍尔元件作为位置传感器的无刷直流电动机，以后人们发现电量波形和转子磁场 的位置存在着一定的对应关系，因此又出现了通过观测电枢绕组中不同电量波 形，监测转子位置的无位置传感器的电动机。 80年代初，无刷直流电机进入了实用阶段，方波和正弦波无刷直流电机先 后研究成功。“无刷直流电机”的概念已由最初的具有电子换相器的直流电机发 展到泛指一切具有传统直流电机外部特性的电子换相电机。现今，无刷直流电机 集电机、变速机构、检测元件、控制软件和硬件于一体，形成为新一代的电动调 速系统。 无刷直流电机具有最优越的调速性能，主要表现在:调速方便(可无级调速)， 调速范围宽，低速性能好(启动转矩大，启动电流小)，运行平稳，噪音低，效率高，应用场合从工业到民用极其广泛。如电动自行车、电动汽车、电梯、抽油烟 机、豆浆机、小型清污机、数控机床、机器人等等。由于无刷直流电机具有这些 优点，因此在2004年的国际电机会议上提出了有刷电机将被无刷电机取代这一 发展趋势。美、日、英、德在工业自动化领域中已经实现了以无刷直流电机代替 有刷电动机的转换。 美国福特公司率先把无刷直流电机应用于汽车20世纪80年代以来，随着微 - 1 - 机控制技术的快速发展，出现了各种称为无位置传感器控制技术的，是当代 无刷直流电机控制研究的热点之一。各国知名半导体公司如Allegro, Philips, Micro Linear, Toshiba等，先后推出了许多无刷直流电机无传感器控制集成电 路。 2004年12月我国电机制造业共1167家生产企业，全部从业人员388282人， 资产972亿。我国生产的微特电机已经占世界60%以上，目前是全球最大的永磁体(生产无无刷直流电机控制系统设计刷电机的主要原)生产供应基地，中国还将会成为全球最大的无刷电机生产国。随着汽车工业的快速发展，车用小功率 电机的需求增长带动了以永磁无刷直流电机为主体的车用小功率电机的兴起，我 国正在成为世界电动汽车制造业的主要供应商。 无刷直流电动机兼有直流电动机调整和起动性能好以及异步电动机结构简 单无需维护的优点，因而在高可靠性的电机调速领域中获得了广泛应用。在电机 转速控制方面，绝大多数场合数字调速系统已取代模拟调速系统。目前，数字调 速系统主要采用两种控制方案:一种采用专用集成电路。这种方案可以降低设备 投资，提高装置的可靠性，但不够灵活。另一种是以微处理器为控制核心构成硬 件系统。这种方案可以编程控制，应用范围广，且灵活方便。 电机控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中 心，它主要完成以下功能:对各种输入信号进行逻辑综合，为驱动电路提供各种 控制信号;产生PWM脉宽调制信号，实现电机的调速;对电机进行速度环和电流环调节，使系统具有较好的动态和静态性能;实现短路、过流、欠压等故障保护功 能。像MOTOLORA公司研制的专用集成电路MC33035，其针对无刷电机的控制要求，无刷直流电机控制系统设计将控制逻辑集成在芯片内，一般该类控制器称为 模拟式控制器，其工作原理是用电子装置代替电刷控制电机线圈电流换向，根据 电机内的位置传感器(霍尔传感器)信号，决定换相的顺序和时间，从而决定电机 的转向和转速。该控制系统的缺点是智能性差，保护措施有限，系统升级空间小。 本文采用单片机做为主控芯片，用编程的方法来模拟无刷电机的控制逻辑， 其特点是使用灵活，通过修改程序可适应不同规格的无刷电机，增加系统功能方 - 2 - 便，如电机缺相保护、堵转保护、添加力矩传感器等等，可根据不同结构的电机 进行控制的优化以达到良好的匹配，通常将此类控制器称为数字式控制器。 近几年，国外一些大公司纷纷推出较MCU性能更加优越的DSP(数字信号处理器)芯片电机控制器，如ADI公司的ADMC3xx系列，TI公司的TMS320C24系列 及Motorola公司的DSP56F8xx系列，都是由一个以DSP为基础的内核，配以电机控制所需的外围功能电路，集成在单一芯片内，使体积缩小，结构紧凑，使用 便捷，可靠性提高。但是这些专用芯片价格昂贵，外围电路设计复杂，在广大的 民用市场无法大规模推广应用。 无刷电机控制方法主要分为有位置传感器控制和无位置传感器控制两种。在 有位置传感器的控制方法中，现今，由于霍尔传感器性价比高，安装方便，被广 泛应用作为无刷直流电机的位置传感器。当前，国内外对无刷直流电机无位置传 感器的控制方法主要有反电势法、定子三次谐波法、续流二极管检测法、脉冲检 测法神经网络控制法等。 本课题主要基于TMS320LF2407 DSP芯片对无刷直流电机控制系统进行设计。 本文详细分析了直流无刷电机的工作原理和数学模型，控制过程和实现方法，进 行了系统硬件的研究和设计，实现了机遇TI公司的TMS320LF2047无刷直流电动机芯片的软件控制，主要工作包括： ?熟悉直流刷电机的工作原理和运行特性 ?熟悉TMS320LF2407的结构原理 ?设计系统控制方案，有位置传感器 ?设计制作和调试控制系统硬件电路 ?设计控制系统软件流程图 - 3 - 直流电机具有响应快速、起动转矩较大，以及从零转速至额定转速具备可提 供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额 定负载下恒定转矩，则电枢磁场与转子磁场须恒维持90?，这就需要碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉，因此除了会造成组件损坏 之外，使用场合也受到限制。 交流电机没有碳刷及整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相 当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能实现。现今半导体发展迅速，功率组 件切换频率加快许多，提升了驱动电机的性能。微处理机速度亦越来越快，可实 现将交流电机控制置于一旋转的两轴直交坐标系统中，适当控制交流电机在两轴 电流分量，可达到类似交流电机的控制并有与直流电机相当的性能。无刷直流电 机即是以电子方式控制交流电机换相，得到类似直流电机特性且结构上优于直流 电机的一种电机。 2.1.1 稀土永磁无刷直流电动机的基本构成包括电动机基体、开关电路、位置传感 器三部分，如图2.1所示。 直流电源 开关电路 电动机 位置传感器 图2.1无刷直流电动机的组成 (1)电机基体 稀土永磁电动机基体是由带有电枢绕组的定子和永磁转子组成。常用的有三 种结构形式:转子铁心外圆粘贴瓦片形稀土永磁体;转子铁心中嵌入矩形板状稀 - 4 - 土永磁体:转子外套上一个整体粘结稀土磁环的环形永磁体。还有一种外转子式 结构，即带有稀土永磁极的转子在外，嵌有绕组的定子在里。电机运行时，外转 子旋转。 (2)开关电路 开关电路由逆变器和驱动电路组成。逆变器将直流电机换成交流电向电动机 供电，其输出频率受制于转子位置信号，逆变器主要有桥式和非桥式两种。电枢 绕组与逆变器联接形式多种多样，但应用最广泛的是三相星形六状态。驱动电路 将控制电路的输出信号进行功率放大，并向各开关管送去能使其饱和导通与关断 的驱动信号。 (3)转子位置传感器 转子位置传感器是检测转子磁极相对于电枢绕组轴线的位置，向控制器提供 位置信号的一种装置。它由定、转子组成，其转子与电动机同轴，以跟踪电机本 体转子位置;其定子固定于电机本体定子或端盖，以感应和输出转子位置信号。 2.1.2 一般永磁直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要作用是在电动机气隙中 产生磁场，其转子-电枢绕组通电后产生反应磁场，由于电刷的换相作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机的运行过程中始终保持相互垂直，从而产生最大 转矩驱动电动机不停地运转。直流无刷电动机为了实现无刷换相，首先要求把一 般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永久磁钢放在转子上，这与传统直流永 磁电动机的结构正好相反，而且还要由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关 共同组成换相装置，使得直流无刷电动机在运行过程中由定子绕组所产生的磁场 和转动中的转子磁钢产生的永久磁场，在空间中始终保持在90?左右的电角度， 从而产生转矩推动转子旋转。 无刷直流电动机按驱动方式可以分为半桥驱动和全桥驱动，按绕组接法又可 分为星形连接和角形连接。不同的绕组接法和驱动方式的选择将会使电动机产生 不同的性能并且成本也不同，主要从以下三个方面来进行分析: (1)绕组利用率 无刷直流电动机的绕组是断续通电的，适当的提高绕组通电利用率将可以使 - 5 - 同时通电导体数增加，使电阻下降，提高效率。从这个角度来看，三相比四相好， 四相比五相好，全桥比半桥好。 (2)转矩的波动 无刷直流电动机的输出转矩波动比普通直流电动机大，因此希望尽量减小转 矩波动。一般相数越多，转矩的波动越小，全桥驱动比半桥驱动转矩的波动小。 (3)电路成本 相数越多，驱动电路所使用的开关管越多，成本越高，全桥驱动比半桥驱动 所使用的开关管多一倍，因此成本要高。多相电动机的结构复杂，成本也高。 综合上述分析，三相电机星形连接全桥驱动方式综合性能最好，应用最多， 本系统即是选择的这种控制方式，下面介绍三相无刷直流电动机星形连接全桥驱 动的基本原理。 2.1.3 无刷直流电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数的影响，在 转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。无刷直 流电机控制器包括电源部分和控制部分，如图2.2所示。电源部分提供三相电源给电机，控制部分则按照需求转换电源频率。电源部分可以直接以直流电输入， 送入电机线圈前须先将直流电压由逆变器(inverter)转成三相电压来驱动电机。逆变器一般由六个功率晶体管，分为上桥臂和下桥臂，连接电机作为控制流经电 机线圈的开关。控制部分则提供PWM脉冲宽度调制信号决定功率晶体管开关频率 及逆变器换相的时机。对于无刷直流电机，当负载变动时，一般希望速度可以稳 定于设定值而不会有太大的变动，所以电机内部装有霍尔传感器(hall-sensor)， 作为速度的闭回路控制，同时也作为相序控制的依据。 电机转动由霍尔传感器感应到的电机转子所在位置，决定开启或关闭逆变器 中功率晶体管的顺序来控制，如图2.3所示，逆变器中的AH, BH, CH(上桥臂功 率晶体管)及AL, BL, CL(下桥臂功率晶体管)，使电流依序流经电机线圈，产生顺向或逆向旋转磁场，并与转子磁铁产生的磁场相互作用，使电机顺向或逆向转 动。当电机转子转动到霍尔传感器感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启 下一组功率晶体管，如此循环，电机就可以实现转动。功率晶体管的开启方法举 - 6 - 例如下:AH, BL一组?AH, CL一组?BH, CL一组?BH, AL一组?CH, AL一组?CH, BL一组，但不能使AH, AL或BH, BL或CH, CL，即同相上下桥臂同时导通。 此外，因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间 要将零件的响应时间考虑进去，否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭，下臂(或上臂)就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。设电机转子位置 传感器采集的位置信号为Ha, Hb, He，分别对应于逆变器的A相、B相、C相，则当前位置与下一位置电子开关导通相的对应关系如表2.1所示。 在电机转动时，控制部分会根据系统设定的速度决定功率管的导通时间。若 系统要求加速，则增长功率管导通的时间，若要求减速，则缩短功率管导通的时 间，此部分工作由PWM脉宽调制信号控制。 图2.2三相无刷直流电机工作原理 图2.3逆变器原理图 表2. 1霍尔位置信号与换相的关系 - 7 - 正向 当前位置（Ha,Hb,Hc） 下一位置导通相 100 AH,CL 110 BH,CL 010 BH,AL 011 CH,AL 001 CH,BL 101 AH,BL 反向 当前位置（Ha,Hb,Hc） 下一位置导通相 001 CH,AL 011 CH,BL 010 AH,BL 110 AH,CL 100 BH,CL 101 BH,AL 2.2.1 电动机是一种输入电功率、输出机械功率的原动机械，因此我们最关心的是 它的转矩、转速，以及转矩和转速随电压、负载变化的规律。据此，电动机的运 行特性可分为:起动特性、电动运行特性、机械特性及调速特性。对于无刷直流 电机，其电势平衡方程式为: UEIrU,，，, (2.1) acpacp 式中 ——电源电压(V); U ——电枢绕组反电势(V); E I——平均电枢电流(A); acp r——电枢绕组的平均电阻; acp ——功率器件的饱和管压降(V)。 ,U 对于不同的电枢绕组形式和换向线路形式，电枢反电势均可表示为: EKn,, (2.2) e KnrminVrmin式中——电动机转速(); ——反电势系数() 。 e 由式2.1, 2.2可知 - 8 - UUIr,,,Eacpacp (2.3) n,,KKee 在转速不变时，转矩平衡方程式为: TTT,， l0 式中——电磁转矩(N?m); T T ——输出转矩(N?m); l T ——摩擦转矩(N?m)。 0 这里 TKI, (2.4) Tacp KNmA,——转矩系数()。 T 在转速变动情况下，则有 dw (2.5) TTTJ,，，l0dt 式中系数: 2——转动部分的转动惯量(); NmS,,J dw2radS——转子的机械角加速度()。 dt 下面从这些基本公式出发，来讨论无刷直流电动机的各种运行特性。 (1)起动特性 由式2.1, 2.4, 2.5可知，电动机在起动时，由于反电势为零，因此电枢电 流(即起动电流)为 UU,,I, (2.6) nracp 其值可为正常工作电枢电流的几倍到十几倍。所以起动电磁转矩很大，电动 机可以很快起动，并能带负载直接起动。随着转子的加速，反电势E增加，电磁 转矩降低，加速力矩也减小，最后进入正常工作状态。 (2)电动机运行特性 - 9 - 在电动运行状态下，6只开关管任意时刻只有2只开关管导通，分别属于上桥臂和下桥臂。 图2.4电动运行等效电路图 由图2.4的运行等效电路图可得，在电动运行时AH管和CL管导通时通电回路的回路电压方程如下: dididididiABABA (2.7) UeiRLMiRMLLe,，，，,,,,,dAAAAABBBBABBBdtdtdtdtdt Uee式中, ——相电势，电动运行最大幅 E, AB2 RRR,,RR,——相电阻，; ABAB LLLLL,,, ——相电感， ; ABAB MMM,,MM, ——两相互感，; ABBAABBA U——蓄电池电压; d LL,——相电流; AB III,,,设，上式可改写为: AB di1 (2.8) ()[()]LMRUee,，,,,idABdt2 1在电动运行时，换相前电路电流为零，换相后于[()]0Uee,,,。由于dAB2R很小，可以忽略，故在电路接通后过渡过程结束前，正向增加，电路工作在i吸收电功率状态，吸收的电功率为: PU, (2. 9) Idi 对AH管和CL管进行脉宽调制，改变占空比，就可控制电流的平均值，从i 而控制平均转矩。 - 10 - 2.2.2 机械特性是指外加电源电压恒定时，电动机转速和电磁转矩之间的关系。由 式2.1,2.2, 2.3可知，式2.11等号右边的第一项是常数(当不计?U的变化和电枢反应的影响时)。所以电磁转矩随着转速的减小而线性增加。当速度为零时， 即为起动电磁转矩。当式2.10右边两项相等时，电磁转矩为零，此时的转速即 为理想空载转速。实际上，由于电动机损耗中可变部分及电枢反应的影响，输出 转矩稍稍偏离直线变化。又因为功率晶体管的饱和管压降随着集电极电流的变化 而变化，在基极电流不变时，功率晶体管的饱和压降和集电极电流之间成正比的 关系。所以，随着转速的减小，电动机的反电势也减小，电枢电流增加，AU增大，到一定值以后，增加较快。所以其机械特性是在接近堵转(即转速很低)时，加快下跌。 nKUU,,EI,, (2.10) acprracpacp nKUU,,ETKIK,,,() (2.11) TacpTrracpacp 若假定外加直流电压一定，减小电机负载，转速升高，逆变器的触发频率也 会提高，同时反电势增加，电流减小，电磁转矩也减小。当电磁转矩和负载转矩 平衡时，电机就维持在一个较高的转速下运行。如果负载不变，提高外加直流电 压，则转速升高，逆变器的频率提高，反电势增大，使电流减小，电磁转矩又呈 现减小趋势，这样就使电机维持在一个较高的转速下运行。由此可见，由于无刷 直流电动机的自同步性，其调速方法与有刷直流电动机非常相似，可通过调节直 流电压来实现。又从式2.11可见，改变电源电压，可以很容易地改变输出转矩(在同一转速下)或(在同一负载下)。所以在电子换相线路及其它控制线路保持不变 的情况下，无刷直流电动机调速性能很好，可以利用改变电压来实现平滑的调速。 2.2.3 无刷直流电机的基本物理量有电磁转矩、电枢电流、反电动势和转速等。这 些物理量的表达式与电机气隙磁场分布、绕组形式有十分密切的关系。对于稀土 - 11 - 永磁无刷直流电机，其气隙磁场波形可以为方波，也可以是正弦波或者梯形波， 本文主要研究方波无刷直流电机的特性及其控制策略，其气隙磁场的理想波形如 图2.5所示。为气隙磁感应强度。 对于二相导通星形三相六状态无刷直流电机，方波气隙磁感应强度在空间的 宽度应大于120?电角度，在定子电枢绕组中感应的梯形波反电势的平顶波宽度 应大于120?电角度。这种具有方波气隙磁感应强度分布、梯形波反电势的无刷 直流电机称为方波电机。方波电机通常采用方波电流驱动，即与120?导通型三相逆变器相匹配，由逆变器向方波电机提供三相对称的、宽度为120?电角度的 图2.5方波气隙磁场分布 图2.6梯形波反电势与方波电流 方波电流。方波电流应与电势同相位或位于梯形波反电势的平顶波宽度范围内， 如图2.6所示。其中B为磁通密度，ea和ia分别为一相的反电势和相电流。 直流调速系统中应用最广泛的一种调速方法就是调节电枢电压。改变电枢电 压调速的方法有稳定性较好、调速范围大的优点。为了获得可调的直流电压，利 用电力电子器件的完全可控性，采用脉宽调制（PWM)技术，直接将恒定的直流电 - 12 - 压调制成可变大小和极性的直流电压作为电动机的电枢端电压，实现系统的平滑 调速，这种调速系统就称为直流脉宽调速系统。它被越来越广泛的应用在各种功 率的调速系统中。 本系统利用开关驱动方式使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制 (PWM)来控制电动机电枢电压，实现调速。图2.7是对电机进行PWM调速控制时 的电枢绕组两端的电压波形。当开关管的栅极输入高电平时，开关管导通，直流 电动机电枢绕组两端有电压Us, t秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电1 动机电枢两端电压为0, t秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复2 前面的过程。 图2.7输入输出电压波形 电动机电枢绕组两端的电压平均值U为: 0 tU，0t1S1UUU,,,, (2.13) 0SSttT，12 ,,式中占空比表示在一个周期T里，开关管导通的时间与周期的比值，变 化范围为0-1之间。所以当电源电压不变时，电枢的端电压的平均值U取决U0S ,于占空比的大小，改变值就可改变端电压的平均值，从而达到调速的目的。理 ,想空载转速与占空比成正比。 霍尔器件是一种磁传感器。按照霍尔器件的功能可将它们分为:霍尔线性器 件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者输出数字量，可用于磁场的测量和控 制。霍尔器件具有许多优点，它们的体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗 小，频率高(可达1 MHz) ,耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐 蚀。霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复 oo精度高。此外，其工作温度范围宽，可达一55C~150C。 - 13 - 由无刷直流电机控制系统工作原理可知，电机位置传感器在无刷直流电动机 中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息。考虑传 感器的体积和性能通常采用的传感器是磁敏式开关式传感器，目前使用最广泛的 是开关型霍尔集成传感器。 2.4.1 开关型集成霍尔元件，简称霍尔开关，是由电压调整器、霍尔元件、差分放 大器、施密特触发器和输出级组成的集成电路。输入是磁感应强度，输出是数字 信号。其内部结构与引脚以及输出特性如图2.8所示。 图2.8开关集成霍尔传感器原理图 由此可见开关集成霍尔传感器可与数字电路直接配合使用，直接满足控制系 统的需要。 2.4.2 当霍尔传感器用作无刷直流电机转子位置信息检测装置时，将其安放在电机 定子的适当位置，霍尔器件的输出与控制部分相连。当无刷直流电机的永磁转子 经过霍尔器件附近时，永磁转子的磁场令霍尔器件输出一个电压信号，该信号被 送到控制部分，由控制部分发出信号使得定子绕组供电电路导通，给相应的定子 绕组供电，从而产生和转子磁场极性相同的磁场，推斥转子继续转动。当转子到 下一位置时，前一位置的霍尔器件停止工作，下一位置的霍尔器件输出电压信号， 控制部分使得对应定子绕组通电，产生推斥场使转子继续转动，如此循环，维持 电机运转。 - 14 - 无刷直流电机控制器在控制方式上主要有以专用集成芯片、单片机和DSP芯片控制三种方式。以专用集成芯片为核心的控制器，系统结构简单，价格较便宜， 但是系统灵活性不足，保护功能有限;以DSP芯片为核心的控制器，控制精度较 高，但是算法较复杂，开发周期长，成本较高，不易在市场上推广。本设计使用 单片机作为主控芯片可以弥补上述两方案的不足。 目前，市场上有很多无刷电机专用控制芯片，大部分电机生产厂商采用 Motorola公司的MC3303无刷电机专用控制芯片，它具有无刷直流电机控制系统 所需要的基本功能。本设计采用PIC16F72单片机作为主控芯片，不仅可以实现 专用控制芯片MC33035的全部功能，而且容易实现系统扩展，通过软硬件设计， 实现多功能的电机控制。 3.1.1 (1)价格因素。考虑到该设计要与市场接轨，因此价格问题尤为重要，要选 择一个性价比较高的单片机，包括单片机的单片价格和开发系统的造价。 (2)性能因素。通过对该系统分析，8位单片机可以满足系统控制精度的要 求。由于整个系统有多种模拟参数需要转换成数字量，因此选用的单片机应该有 多通道九心转换模块。在无刷电机控制中，脉宽调制PWM ( PulseWidth Modulation)技术广泛应用，因此所选单片机应具有脉宽调制输出端口。 (3)安全因素。电子产品的安全性是一个非常重要的环节，作为控制系统的 核心，单片机的安全性必须达到系统要求。 3.1.2 PIC PIC (Periphery Interface Chip)系列单片机是美国Microchip公司生产的 - 15 - 产品。PIC单片机以其独特的硬件系统和指令系统的设计，逐渐被广大工程设计 人员采用。 Microchip公司是一家集开发、研制和生产为一体的专业单片机芯片制造商， 其产品综合应用系统设计的思路，具有很强的技术特色。产品采用全新的流水线 结构，单字节指令体系，嵌入Flash以及10位A/D转换器。使之具有卓越的性 能，代表着单片机发展新的潮流。PIC系列单片机具有高，中，低3个档次，可以满足不同用户开发的需求，适合在各个领域中的应用。PIC系列单片机具有如下特点: (1)单片机种类丰富 PIC最大的特点是不搞单纯的功能堆积，而是从实际出发，重视产品的性能 与价格比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求。就实际而言，不同的应 用对单片机功能和资源的需求也是不同的。 (2)哈佛总线结构 PIC系列单片机在普林斯顿体系结构和哈佛体系结构的基础上采用独特的哈 佛总线结构，彻底将芯片内部的数据总线和指令总线分离，为采用不同的字节宽 度，有效扩展指令的字长奠定了技术基础。图3.1描述了PIC单片机的结构。 图3. 1 PIC系列单片机哈佛总线结构 (3) RISC技米 RISC (Reduced Instruction Set Computer)是指精简指令集计算机。RISC技术并非只是简单地去减少指令，而是着眼于如何改善计算机的结构，更加简单 合理地提高计算机的运算速度。PICF877单片机指令集系统只有35条指令，全部采用单字节指令，而且除4条判断转移指令发生间跳外，均为单周期指令，执 行速度较高。 (4)指令特色 PIC系列单片机的指令系统具有寻址方式简单和代码压缩率高等优点。 - 16 - (5)功耗低 由于PIC系列单片机采用CMOS结构，使其功率消耗极低。 (6)驱动能力强 PIC系列单片机I/O端口驱动负载的能力较强，每个输出引脚可以驱动多达 20-25mA的负载，既能够高电平直接驱动发光二极管LED、光电祸合器、小型继电器等，也可以低电平直接驱动，这样可以大大简化控制电路。 (7)同步串行数据传送方式 可以满足主控/从动和主控总线要求。 (8)应用平台界面友好，开发方便 Microchip公司为用户提供了周全的技术方案，不管是对初学者还是后续的 应用开发，都提供了完善的硬件和软件支持，包括各种档次的硬件仿真器和编程 器。 (9)程序存储器版本齐全 Microchip公司提供的产品是一个单片机系列，可供选择的存储器类别和产 品封装工艺的形式较多，为产品的不同试验阶段和不同应用场合可提供一个全方 位的选择内容和不同的性能档次。 3.1.3 PIC16F72 (1)功能部件特性 ?带8位A/D转换输入 ?高驱动电流，I/O脚可直接驱动数码管(LED)显示每个I/O引脚最大灌电 流25mA;每个I/O引脚最大拉电流25mA ?双向可独立编程设置I/O引脚 ?8位定时器/计数器TMRO，带8位预分频 ?有1路捕捉输入/比较输出/PWM输出(CCP) ?16位定时器/计数器TMR 1，睡眠中仍可计数 ?8位定时器/计数器 TMR2,?带有8位的周期寄存器及预分频器和后分频器 - 17 - (2)微控制器特性 ?内置上电复位电路((POR) ?上电定时器，保障工作电压的稳定建立振荡定时器，保障振荡的稳定建 立 ?断电复位锁定，即当芯片电源电压下降到某一值以后时，使芯片保持复 位，当电源电压恢复正常后恢复运行 ?内置自振式(RC振荡)看门狗 ?程序保密位，可防程序代码的非法拷贝 ?掉电保护电路 ?在线串行编程 3.1.4 PWMPIC 改变直流电动机转速的方法分为励磁控制法(控制磁通)与电枢电压控制法(改变电枢端电压)。在众多的电枢电压控制方法中，脉宽调制PWM( PulseWidth Modulation)技无刷直流电机控制系统设计术因为需用的大功率可控器件少、线 路简单、调速范围宽、电流波形系数好、附加损耗小、功率因数高的优点，从而 得到广泛应用。 CCP(捕捉输入/比较输出//PWM输出)模块是PIC16F72芯片的重要组成部分，它有3种工作方式:捕捉方式、输出比较方式和脉宽调制方式。当处于脉宽调制 工作方式时，可以在引脚输出分辨率高达10位的PWM信号。用程序语句控制PWM信号的周期和高电平持续时间，从而控制电机电枢电压，达到调速目的。 微控制器电路由微控制核心PIC16F72单片机、逻辑保护门74LS00和+SV电源电路构成，附加电路包括电源滤波电路、位置传感器信号采集电路、电池电压 降压监测电路、微控制器时钟振荡电路和上电复位电路构成;同时电路向外提供各种输入和输出接口:助力传感器接口fSensor、速度传感器接口SP、速度限定接口SE, a相位传感器输无刷直流电机控制系统设计入接口aSensor, b相位传 - 18 - 感器输入接口bSensor, c相位传感器输入接口。Sensor、一个模式开关接口KMOD、刹车开关接口kBRK、面板接口Panel. (1)转子位置信号采集电路 ?R60, D5, R63和C11构成a相转子位置信号采集电路; ?R61, D6, R64和C12构成b相转子位置信号采集电路; ?R62, D7, R65和C13构成c相转子位置信号采集电路。 本系统采用的是开关型霍尔传感器作为电机转子位置传感器，此霍尔传感器 是集电极开路输出，所以要在检测环节加上拉电阻。此外，电路中对检测波形采 取了硬件滤波措施。经过电阻上拉和滤波后的信号被送到单片机的1/O口。以a相转子位置信号采集电路为例，当转子位置传感器输出为低电平，二极管D5导通，单片机aSensor端口采集到数字0;当转子位置传感器输出为高电平，二极 管D5截止，VCC使得单片机aSensor端口采集到数字1，电路如图3.2所示。 图3.2转子位置信号采集电路 (2)速度控制电路 速度控制电路由电位器JP 1, JP2、电阻R9一R12构成了，JP 1外接电位器，通过改变电位器2和3端口的阻值，改变单片机adSPD端口采集到的电压值， 通过AID转换，转化为数字量，控制单片机输出的PWM信号的占空比，从而实现 调速控制。JP2是限速用电位器，限制单片机AD输入口adSPD的上限，从而限制电动自行车的速度上限。 - 19 - 图3.3速度控制电路 (3)逻辑保护电路 U2为四输入与非门74LS00，用于控制底端输出，其作用是硬件逻辑保护， 从硬件上杜绝同一桥臂的两个MOSFET管同时导通的状况发生;aTOP, bTOP和。TOP为三相顶端驱动接口，在电路中，定义该接口为低电平有效。aBOT, bBOT和。BOT为三相底端驱动接口，在电路中，定义该接口为高电平有效。aBTM, bBTM和cBTM为经过逻辑保护后的三相底端驱动接口，在电路中，定义该接口为低电平 有效。 图3.4逻辑互锁保护电路 图3.5与非门真值表 - 20 - YAB, 图3.5为与非门真值表，以A相为例，输入端A连接aTOP，输入端B连接aBOT,输出端Y连接aBTM，由真值表可见，当顶端驱动接口aTOP处于有效的低电平状态时:经过逻辑保护后的底端驱动接口aBTM为无效的高电平状态;只有当顶端驱动接口aTOP处于无效的高电平状态，并且底端驱动接口aBOT处于有效的高电平状态时，经过逻辑保护后的底端驱动接口aBTM才会为有效的低电平状态。 可见，硬件逻辑保护使得aTOP和aBTM不可能同时inputs outputs A B Y 有效，从而避免了同相桥臂同时导通的危险。 L L H L H H H L H H H L 逆变电路和驱动电路是主控芯片与被控电 机之间联系的纽带，其传输性能的好坏直接影响着整个系统的运行质量。其功能 是将电源的功率以一定逻辑关系分配给无刷直流电动机定子上各相绕组。功率场 效应晶体管具有开关速度快、高频特性好、输入阻抗高、驱动功率小、热稳定性 优良、无二次击穿问题、安全工作区宽和跨导线性度高等显著特点，因而在各类 中小功率开关电路中得到了广泛的应用。 在本控制系统中就采用了MOSFET组成的逆变器变换电路。根据第二章所述， 半桥逆变器的控制比较复杂，需要六组控制信号，电机三相绕组的工作也相对独 立，必须对三相电流分别控制。而全桥逆变器的控制比较简单，只需三组独立控 制信号，且任一时刻导通的两相电流相等，只要对其中一相电流进行控制，另外 一相电流也得到了控制。因此本设计采用全桥逆变电路来控制各相位的导通，如 图2.4所示。 本设计中逆变器上下桥臂都采用N沟道MOSFET管，如图3.9所示。P型MOSFET - 21 - 管由于工艺的原因，参数一致性较差，价格较贵，而且其内阻比N沟道的MOSFET管大，损耗也大。因此，当前的无刷控制器一般都采用两个N沟道MOSFET管组成逆变器的一相。 当功率MOSFET管用作开关，被驱动饱和导通，即在它的两极之间压降最低 时，其栅极驱动要求可概括如下: (1)栅极电压一定要比漏极电压高10-15V，用作高压侧开关时其栅极电压必 定高于干线电压，常常可能是系统中的最高电压。 (2)栅极电压从逻辑上看必须是可控的，它通常以地为参考点。 (3)栅极驱动电路吸收的功率不会显著地影响总效率。 本系统中功率MOSFET的漏极电压为36V，本系统的最高电源电压也为36V。为满足栅极高于漏极lOV-15V的要求，需要采用升压电路。 3.3.1 (1)驱动电路 如图3.9所示，由于受到匹配电压的限制，顶端驱动电路无法直接与TTL器件匹配，因此在电路中通过LM339用来间接匹配电压，匹配后的LM339输出端((a相2脚、b相1脚、c相14脚)电平分别为12V的有效状态或大于25V的无效状态。 当某相顶端驱动电路有效时，场效应器件VF1(或VF3, VF5 )的栅极电压不低于46V，才能保证场效应管的充分导通。导通后，X1(或X2, X3电压与电池电压相同)。 由于MOSFET管的栅极绝缘栅易被击穿破坏，因此栅源间电压不得超过正负 20V.栅源间并联电阻或齐纳二极管，以防止栅源间电压过大。本设计中，顶端驱 动电路中的15V稳压二极管DZ2, DZ4和DZ6为保护二极管。漏源间也要加保护 电路以防止开关过程中因电压的突变而产生漏极尖峰电压损坏管子，可用齐纳二 极管籍位。当电机意外突然停转时，电机绕组产生瞬间的反向高压可能会损坏功 率管，所以在直流母线上并联一只耐高压电容，意外停机时，母线上产生的瞬间 高压会由于电容两端电压不能突变而得到抑制。 - 22 - 底端电压驱动电路采用NE555内部的推挽电路，利用单片机产生的PWM信号调制底端驱动信号，调制后的信号通过电阻祸合至底端驱动场效应管的栅极，控 制场效应管的导通状态。因为底端驱动电路中NE555功耗较大，因此，需要为 U8, U9和U10配上祸合电容C37, C39和C43. 底端电压驱动电路中的R22, R30, R38为串联栅电阻，是场效应管底端驱动 的保护电路，可消去由MOSFET电容和栅一源电路在任何串联绕组感应而生的高 频振荡。 以A相为例，顶端驱动，当LM339的2口输出为低时，VZ1正端接地，使得Q1基极电压为22V, Q1开通，电流流过R19，电流方向为左正右负(从而保证Q1开通时Q2关断)，VF1栅极电压为50V左右，源极电压为36V左右，VF1开通;当LM339的2口输出为高时，Q1关断，这时VF1截止。Q2与R18, R19, C26组成有源滤波器。底端驱动，当经过逻辑保护的A相底端控制信号aBTM输入为1时，经过底端驱动电路产生12V有效信号，使得VF2导通。同时，单片机输出的 PWM信号送到NE555的RST端，对底端控制信号进行调制。 (2)电流采样 由于负载的变化可能会产生很大的冲击电流，以致超过器件的额定峰值电 流，所以要通过电流采样电阻反应主回路的电流变化，在微秒级的时间内将MOs管关断。因此，驱动电路地端通过电流采样电阻Ri(康铜丝)与系统地相连，Ri值的选取一方面要考虑LM339保护电路和微控制器的控制和采样精度，应当比较 大;另一方面要从系统的工作效率和采样电阻上的功耗考虑，应当比较小。因此， 系统中兼顾了两方面的问题，将瓦上面的电压降控制在0.2V以内，在该点附近设置了硬件保护电路的极限电压。由于Ri上的电流是通过PWM信号调制的，所以当对Ri上的电压作采样时，应当通过滤波电容C36(见图3.11)对包含大量PWM信号的电压作平滑处理。 - 23 - 图3.9 MOSFET驱动逆变电路 3.3.2 驱动电路的电源部分包含两部分电路:一部分是将电池电源36V，通过三端稳压器LM7915产生相对电源电压的一15V电压，即36V-15V=21 V，用于倍压电路产生高驱动电压;另一部分是通过三端稳压器LM7812产生的++12V电压，用于顶端驱动匹配和底端驱动电路。如图3.10所示，电源电路中，根据各个部分的 电流，合理的选择分流电阻**R14和**R45的阻值和功率，减小直接流过三端稳 压器件的电流，降低其发热量，提高电路稳定性。 - 24 - 图3.10 +21V和+12V电源电路 3.3.3 如图3.11所示，NE555的电源接+36V电压，地端接+21V电压。NE555D和外围电路组成振荡电路，振荡电路产生的振荡频率约为4-5KHz，振荡信号从NE555D的3脚输出后，通过陶瓷电容C23和C24、二极管D3和D4构成的倍压电路，将输出电压提升到50V左右，送到MOS管的栅极。NE555D的RST脚能够控制振荡电路的起停。 倍压电路的工作原理是:当NE555D的3脚为GND电压(+21V)时，电源36V通过二极管D4给电容C24充电，如果时间常数合适，C24上的电压近似等于 36V-21 V=15V，方向为左负右正;当NE555D的3脚为高时，电容C24左侧为36V，右侧为36V+15 V=51 V，因为二极管D4反偏截止，产生的51V电压就通过二极管D3给C23, C25充电，这样经过若干周期的反复充电，电容C25上的电压就升到后部驱动所需要的51V恒定电压。 3.3.4 为了增加控制系统的可靠性和安全性，设计了纯硬件制动保护电路，如图 3.11所示。制动电路通过控制振荡电路的RST端的电平状态，间接控制顶端驱 动电路导通所需的电压源。通过LM339的保护功能，当系统正常工作时，测试点 - 25 - 1处的电压通过上拉电阻，电平为12V，经过22V稳压二极管，测试点2处的电平在34V左右，振荡电路正常工作;当系统过流时，纯硬件的保护电路U7D反向输入端的电压将高于正向输入端的参考电压，U7D内部的三极管导通，测试点1处电平约0.7V,测试点2处电压为21V左右，RST有效，振荡电路停止振荡，顶 端驱动电路将不再输出驱动电压，从而实现硬件制动。R47和C36组成电流波形尖峰抑制器，可抑制电流波形的前导峰缘，增强系统稳定性。 图3.11振荡倍压电路和纯硬件保护电路 硬件是控制系统的气体，软件是控制系统的灵魂。系统的控制策略和控制方 法都是通过软件实现的。在上一章介绍了系统的硬件结构的基础上，下面对软件 - 26 - 系统做详细的介绍。用汇编语言进行编程具有程序代码效率高的特点，所以本系 统用汇编语言进行编程。在写好的汇编语言程序之后，调试程序需要连接调试环 境。本系统的软件设计采用DSP的汇编语言编程，并进行了模块化设计。对于系 统基于TMS320LF2407 DSP控制器的元件设计所uao实现的功能主要包括： 1. 根据外部输入实现电机正反转、启动和停止功能 2. 检测无刷直流电机转子位置 3. 实现电机速度、电流双臂环反馈控制，通过速度、电流调节，输出PWM 波，使得无刷直流电机运转连续、平稳。 4. 过流保护作用。 要完成以上功能，本软件设计的主要模块程序为：主程序和中断服务程序两 部分。主程序包括初始化子程序，启动子程序、键盘子程序。中断程序包括捕捉 中断程序子程序、A/D中断子程序。其中，在A/D转换中断服务子程序中实现电流调节和速度调节。以下针对主程序和中断服务子程序设计加以详细论述与说 明。 在控制系统主程序中完成的主要功能有：初始化、转子初始位置检测、控制 键盘扫描、显示电机实时转速和给定转速等，系统主程序图如图4-1所示。主程 序各部分的具体内容如下： 1. 系统初始化：主要是对DSP芯片TMS320LF2407的某些系统控制寄存器和IO空能设置，如时钟倍频，一些管脚定义为输入IO还是基本功能管脚。 2. 变量初始化：该部分对使用到得变量赋值，并对一些需要初始值的变量 赋初值。 3. 液晶显示初始化：该部分主要完成对现实期间的初始化设置，如清显示、 输入模式、逛遍位置等。 4. 键盘子程序：该部分根据键盘设定参考转速启动子程序，获得位置传感 信号对电机进行启动。 5. 显示子程序：显示设定速度和转速。 - 27 - 主程序模块入口 系统初始化 内设单元初始化 液晶显示初始化 键盘子程序 启动子程序 主程序等待中断 子程序与中断 服务程序模块 主程序模块结束 图4-1 主程序流程图 4.2.1 无刷直流电机采用电子换向，需要不断检测转子位置，确定逆变器功率管的 开关状态，电机启动和霍尔信号中断捕获模块就是用来读取三个霍尔信号的状 态，以确定逆变器的换向顺序。当点击处于运行状态时，DSP捕获模块可以捕获 到霍尔信号的跳变沿，就可确定出电机所处的状态。当电机在停止状态时，三个 霍尔信号都不可能产生跳变，从而也不可能产生捕获中断，因此电机由停止状态 开始运行时，必须首先让电机运动起来以产生捕获中断，在软件中由电机启动模 块实现，子程序流程图4-2.在电机的启动阶段程序中，使能定时器T4，设置 CAP4-6引脚为IO功能，通过查询霍尔输入信号得到电机转子的位置，来确定功 率管的导通状态。当电机转动到一定得角度，霍尔信号一定会改变，通过恢复 - 28 - CAP4-6为捕获功能引发一个捕获中断。在中断程序中又会根据当前霍尔信号的 状态改变PWM引脚状态，使电机持续旋转起来，实现电机连续转动。 开始 使能定时器4 设置CAP4-6为IO口 读取霍尔信号 判断电机所在区域改 变PWM输出模式 恢复CAP4-6为捕捉口 返回 图4-2 启动子程序 4.3.1 本设计中应用到的PIC单片机的中断源有:外部触发中断INT，定时器TMRO溢出中断，定时器TMR1溢出中断，定时器TNIR2溢出中断，AID转换中断，CCP中断。其中外部触发中断INT, TMRO溢出中断为第一级中断，TMR1溢出中断，TNIR2溢出中断，AID转换中断，CCP中断为第二级中断。所有中断源都受全局 中断屏蔽位(也可以称为总屏蔽位)GIE的控制;第一级中断源不仅受全局中断屏 蔽位的控制，.还受各自中断屏蔽位的控制;第二级中断源不仅受全局中断屏蔽位 和各自中断屏蔽位的控制，还要额外受到一个外设中断屏蔽位PEIE的控制。 PIC单片机只有一个中断向量，没有中断优先级别之分，也没有类似51系列、AVR系列单片机的PUSH和POP指令。当总中断允许位GEE有效时，任何一 - 29 - 个中断标志位有效都会将PC指针指向中断向量0004H处。因此中断处理一般分 为以下几步: (1)保存临时寄存器W、状态寄存器STATUS、指针寄存器PCLATH的值; (2)逐个判断可能产生中断的中断标志位和中断允许位，只有二者同时有效 时才执行相应的中断服务程序; (3)中断返回时恢复这三个寄存器的值。 4.3.2 定时器/计数器的作用:检测外部电路送来的一系列方波信号的脉宽、周期或 者频率;对外部事件产生的触发信号进行准确地计数计时。PIC16F72配置了3个定时器/计数器模块:TMRO，TMR 1，TMR2。 (1) TMRO : 8位宽，有一个可选的预分频器，用于通用目的。 (2) TMR1: 16位宽，有一个可编程的预分频器和一个可选的低频时基振荡 器。适合与CCP(捕捉/比较/脉宽调制)模块配合使用来实现输入捕捉或输出比较 功能。 (3) TMR2: 8位宽，有一个可编程的预分频器和一个可编程的后分频器，还 附带一个周期寄存器和比较器，适合与CCP模块配合使用来实现PWM脉冲宽度调制信号的产生。这时，应通过将中断使能位TMR2IE清0，把TMRZ的中断功能屏蔽掉，同时也把后分频器的作用屏蔽掉;通过向周期寄存器PR2中写入不同的值，以及给预分频器设定不同的分频比，来灵活调整TMR2输出端的信号周期。 根据三个定时器的特点，在程序中将资源分配如下: (1) TMRO:计算助力传感器送出的高低电平持续时间;用做欠压保护5秒钟的定时器;计算电机换相时间。 (2) TMR1:做为跳出自检模式2秒钟时间的定时器;通过改变定时时间，控制 PWM占空比输出;用于模式转换按键的时间判断;用于堵转保护的时间判断。 (3) TMR2:控制自检模式下LED SPEED闪烁的频率;用做周期可调的时基发生 器，为PWM提供周期可调的时基信号。 - 30 - PIC16F72系列单片机配有输入捕捉/输出比较/脉冲宽度调制COPC Capture/Compare/PWM)模块。其中脉宽调制输出工作模式，适合用于从引脚上输 出脉冲宽度随时可调的PWM信号，例如实现直流电机调速、步进电机的变频控制 等。 当CCP工作于PWM模式时，CCP引脚可以输出分辨率达10位的PWM信号波形。产生如此波形需要确定两个基本参数:一个是周期(高电平和低电平持续时间 之和);另一个是脉宽(高电平持续时间)。 图4.4脉宽调制器输出波形 当CCP工作于PWM模式时，确定PWM信号周期所用到的定时器就是8位宽的时基定时器TMR2，而确定PWM信号脉宽所用到的定时器则是10位宽的时基定时器(由定时器TMR2的8位和其低端扩展的两位共同构成)o PWM信号的周期可以通过向PRZ中写入数值来人为设定。该周期计算公式如下: PWMPRTTMR周期预分频比）,，,,,[(2)1]4(2 (4.1) osc T4,T其中，为系统时钟周期: 为系统指令周期:TMR2预分频比可以是oscosc 1, 4或16.PWM信号的脉冲宽度预定值，可以通过写入10位脉宽寄存器来设定。计算公式如下: PWMCCPRILCCPICONTTMR高电平时间预分频比）,,,,,(:5:4)(2 osc (4.2) 其中，代表由2个寄存器拼装组合得到的10位CCPRILCCPICON:5:4,, 数据;Tos。为系统时钟周期;TMRZ预分频比可以是1, 4或16。 PR2值的确定:因为系统所需要的PWM的频率约为20kHz，根据式4.1和式4.2,当PR2为41时，PWM的频率为19.84 kHz，达到要求，Tosc为1.2us 。 - 31 - 对于无刷直流电机控制器，由于输入控制变量比较多，控制器可以利用各种 输入信号对控制系统完成相当完善与灵活的保护，这些保护功能可以大大提高无 刷直流电机控制器的可靠性。 4.5. 1 欠压保护电路通过检测电池电压，当电池电压降到阂值时关闭电机，使电池 不至因过度放电造成不必要的损坏，保护电池。对电源电压进行AID转换之后，如果欠压，当次欠压标志位置一，使能定时器0中断，开始定时，欠压满5秒之后停机，跳到自检工作模式。 过流保护电路可以对MOSFET进行保护，将最大电流控制在设定范围内，当 达到阐值时关闭电机，避免了MOSFET上通过大电流烧毁的危险。过流保护是控 制器的最后防线，过流保护电阻用的是康铜丝，当系统电流超过最大保护电流值 时，康铜丝会烧断，从而起到保护作用。 在驱动电机运行的过程中，系统还会对电机进行“速度—电流”相关控制， 控制器判断电机电流与电动车车速是否在相关范围内，如果在相关范围内，控制 器以不超过限流设定值为依据控制电动车车速;当电机电流与电动车车速严重不 相关时，即使电机电流没有达到限流设定值，如果电机电流大于8A，控制器首先减流到8A供电，然后再次判断车速与电机电流的相关性，在相关范围内，进 入正常供电模式;如果没有相关性，控制器进一步减流供电。控制器每否定一次 相关判断，电机电流减小一半，直到控制器停止对电机的供电。 4.5.2 堵转主要是当使用者将速度给定值设定较高，控制器有PWM输出时，电机由于换相顺序错误无法正常旋转，在两个相位之间震动的现象。由于没有正确换相， 换相电流无法释放，所以在该相的电流会非常大，对于控制器是一种非常危险的 故障现象。如果没有堵转保护设计，控制器容易发生因电流过大而产生大量热量， - 32 - 烧毁控制器等情况。通过堵转保护设计，当速度设定值较高而电机又无法转动的 状态持续1秒左右时，关闭电机。只有当将速度给定归零重新设定时，电机才再 次启动。 经过实验得知，当给电机最小转把电压时，电机转得最慢。以稍大于此时电 机换相时间作为标准，当电机换相时间大于此最长换相时间并持续1秒，即认为 堵转发生，停机，跳到自检。 4.6.1 自动控制系统可分为开环控制系统和闭环控制系统。一个控制系统包括控制 器、传感器、变送器、执行机构、输入输出接口。控制器的输出经过输出接口、 执行机构，加到被控系统上;控制系统的被控量，经过传感器、变送器，通过输 入接口送到控制器。不同的控制系统，其传感器、变送器、执行机构是不一样的。 比如压力控制系统要采用压力传感器;电加热控制系统的传感器是温度传感器。目前，PllD控制及其控制器或智能Pm控制仪表已经很多，产品已在工程实际中得到了广泛的应用，各大公司均开发了具有PID参数自整定功能的智能调节器(intelligent regulator)，其中PID控制器参数的自动调整是通过智能化调整或自校正、自适应算法来实现的。 随着单片机控制技术不断发展，软件P1D算法控制代替了原来很多的硬件PID调节器，在工业控制系统和嵌入式系统中得到了更加广泛的应用。基于软件 PD)算法控制器和硬件PWM技术的直流电机测控技术正向数字化、智能化、高可 靠性发展。 4.6.2 P I D 将偏差的比例(P)、积分((I)和微分(D)通过线性组合构成控制量，用这一控 制量对被控对象进行控制，这样的控制器称为PID控制器。PID控制器最先 出现在模拟控制系统中，传统的模拟控制器是通过硬件来实现它的功能。将原来 硬件实现的功能用软件来代替，称作数字PID控制器，所形成的一套算称为 - 33 - 数字PID算法。数字PID控制器与模拟PID控制器相比，具有非常强的灵活性，可以根据试验和经验在线调制参数，因此可以得到更好的控制性能，模拟PlD控 制系统原理图如图4.6所示。 图4.6模拟PID控制系统原理图 比例、积分和微分环节的作用如下: (1)比例环节的作用: 比例环节对偏差瞬间作出快速反应。偏差一旦产生，控制器立即产生控制作 用，使控制量向减少偏差的方向变化。控制作用的强弱取决于比例系数Kp, Kp 越大，控制越强，但过大的Kp会导致系统振荡，破坏系统的稳定性。对大部分 被控制对象，要加上适当的与转速和机械负载有关的控制常量u0，否则，比例 环节将产生静态误差。 (2)积分环节的作用: 积分环节把偏差的积累作为输出。只要有偏差存在，积分环节的输出就会不 断增大。直到偏差e (t) =0，输出的u (t)才可能维持在某一常量，使系统在给定值r (t)不变的条件下趋于稳态。积分环节虽然会消除静态误差，但是也会降 低系统的响应速度，增加系统的超调量。积分常数Ti越大，积分的积累作用越弱。增大积分常数Ti会减慢静态误差的消除过程，但可以减少超调量，提高系 统的稳定性。 (3)微分环节的作用: 微分环节阻止偏差的变化。根据偏差的变化趋势进行控制，偏差变化得越快， 微分控制器的输出就越大，并能在偏差值变大之前进行修正。微分作用的引入， 将有助于减小超调量，克服振荡，使系统趋于稳定，特别对高阶系统非常有利。 但是，微分作用对输入信号噪声非常敏感，对那些噪声较大的系统一般不用微分， 或者在微分作用之前先对输入信号进行滤波。 - 34 - 4.6.3PID 在模拟系统中，PD:)算法的表达式为 1()detPtketetdtT()[()(),，， (4.3) pD,Tdtf 式中，p(t)调节器的输出信号;e(t)调节器的偏差信号，它等于测量值与给 kTT定值之差; 为调节器的比例系数; 为调节器的积分时间; 为调节器的微pDf分时间。 由于用PIC单片机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值来计 算控制量。因此，在单片机控制系统中，必须首先对式4.3进行离散化处理，用 数字形式的差分方程代替连续系统微分方程，此时积分项和微分项可用求和及增 量式表示: 0nn (4.4) etdtEjtTEj()()(),,,,,,,,fj00n 0nn (4.5) etdtEjtTEj()()(),,,,,,,,jn00n 将式4.4、式4.5代入式4.3，则可得离散的PLD表达式: nTTDPKEkEjEtEk(){()()[()(1)]}k,，，,, (4.6) p,TTji,0 式中，采样周期，必须使T足够小，才能保证系统有一定的精度;E(k),,tT 第k次采样时的偏差值;E(k-1)第(k-1)次采样时的偏差值;k采样序号，k=0, 1, 2„;P(k)第k次采样时调节器的输出。 根据递推原理，可写出(k-1)次的Pm输出表达式: k,1TTDPKEkEjEkEk(){(1)()[(1)(2)]}k-1,,，，,,, (4.7) p,TTj,0i 用式4.6减去式4.7，可得: PkPkKEkEkKEkKEkEkEk()(1)[()(1)]()[()2(1)(2)],,，,,，，,,，, PD1(4.8) - 35 - TTDKK,式中积分系数；微分系数。 KK,1PDPTT1 由式4.8可知，要计算第k次输出值P (k)，只要知道P (k-1)，E (k)，E (k-1)， E (k-2)即可，比式4.6计算要简单得多。 由式4.6可写出第k次采样时PID的输出表达式: k PkKEkKEjKEkEk()()()[()(1)],，，,, (4.9) PD,1j0, PkKEk()(),设比例项输出: pP kk,1 PkKEjKEkKEjKEkPk()()()()()(1),,，,，,积分项输出: 111111,,jj,,00 PkKEkEk()[()(1)],,,微分项输出: 1D PkPkPkPk()()()(),，，所以式4.9可改写为: (4.10) PD1 4.6.4PI 对无刷直流电机速度的控制即可采用开环控制也可采用闭环控制。与开环控 制相比速度控制闭环系统的机械特性有以下优越性:闭环系统的机械特性与开环系统机械特性相比，其性能大大提高，理想空载转速相同时，闭环系统的静差率 (额定负载时电机转速降落与理想空载转速之比)要小得多。当要求的静差率相同时，闭环调速系统的调速范围可以大大提高。 速度调节器是实现调速的核心环节，它的设计好坏对系统动、静态性能关系 很大。本系统中的速度闭环控制，主要有测速、给定值计算、比较、输出限幅等 环节。电机转速通过测量霍尔传感器输出连续两个高电平的时间间隔获得，为了 简化硬件，采用单片机内部定时器测速。 nn假设测量的转速为，转速的给定值为，根据式4.10，不考虑微分项，fref PkPkPk()()(),,算法如下: (4.11) D1 为了保证流过电机的电流不超过最大限度，需要对电流调节器的输出进行限 幅处理，即 - 36 - PkU(),PkU(),IF , THEN ； mm 转速调节器的作用如下: (1)使转速of跟随给定电压变化，稳态无静差。 (2)对负载变化起抗扰作用。 (3)其输出限幅值决定允许的最大电流。 在速度闭环调制系统中，对采样频率的要求不是很高，本设计中速度环程序 的采样周期设定为40ms。本程序设置SPEED_ COUNT为速度环的计数器，进入AD 中断之后，首先判断延时是否已到，如果延时到，调用PI子程序，同时计数器 清O。 此外，可以将本设计的速度闭环调制进一步改进为电流、速度双闭环调制。 双闭环调速的特点是速度调节器的输出作为电流调节器的给定来控制电机的转 矩和电流。好处是可以根据给定速度与实际速度的差额及时控制电机的转矩，在 速度差值比较大时电机转矩大，速度变化快，以便尽快地把电机转速拉向给定值， 在转速接近给定值时，又能使转矩自动减小，这样可以避免过大的超调，以利于 调速过程的快速性。并且，电流环的等效时间常数比较小，当系统受到外来干扰 时它能比较快速的作出响应，抑制干扰的影响，提高系统的稳定性和抗干扰能力。 而且双闭环系统以速度调节器的输出作为电流调节器的给定值，对速度调节器的 输出限幅就限定了电枢中的电流，起到了保护逆变桥的作用。由于时间原因，本 设计没有完成双闭环设计，在这里不多赘述。 - 37 - 5.1 .1 硬件电路的安装与调试过程应按照模块进行，安装和测试步骤为: 相对-15V电源部分，测试输出电压，为36V-15V=21V; 振荡和升压电路，测试无负载状态下输出为50V左右; a相顶端驱动电路，测试a相顶端驱动输出; b相顶端驱动电路，测试b相顶端驱动输出; c相顶端驱动电路，测试c相顶端驱动输出; 安装++12V电源部分，测试输出电压; 安装LM339和NE555D驱动输出部分元件; 安装十5V电源部分，测试输出电压; 安装微控制器和逻辑保护部分; 安装场效应驱动器件 完成上述模块安装与测试后，进行整机调试，整机加电后，进行整机静态调 试，用于观察待机状态下的稳定性，其中主要观察各个场效应器件有无发热、三 端电压调整器件的发热状况，当发热严重时，在不提升输出电压前提下，应当适 当减小分流电阻的阻值，由分流电阻来提供一定的电流;当分流电阻发热严重时，应当适当选择更大功率的电阻，提高电路稳定性。 动态调试过程，主要测试传感器的输入和场效应器件的输出状态，场效应器 件应与传感器的输入逻辑相对应。当换相精确时，从示波器上观察，传感器输入 不会受到PWM信号的干扰，否则应从软件上作调整。整机动态调试过程中，电源 器件发热量较静态调试时会有增加。动态调试应观察各个器件有无不稳定状况发 生，尤其是a, b,。三相场效应驱动器件的发热情况，应当不存在个别器件严重 发热的情况。 对于控制器整体，发热器件主要集中在场效应器件和三端稳压器件上。当温 度上升时，MOSFET管的性能下降很快，例如MOSFET管参数耐流值Id，在25? - 38 - 时为60A,当温度为100?时为42A，而MOSFET管在大电流下温度上升速度也是 很快的。所以在测试和运行情况下，必须加散热片和绝缘片，并采取加入硅胶、 注入膨胀橡胶等.散热措施。必须对场效应器件作散热核绝缘处理，对于三端电 压调整器件和分流电阻，发热量非常大的，应该作散热和绝缘处理。 场效应器件的开关效应对于系统供电会有较大的影响，除了基本的稳压滤波 电路外，在本设计中采用了双36V电源设计，驱动部分使用一路电源，微控制部 分使用另一路电源，从而避免驱动部分造成的线上压降对微控制器造成影响。 5.1.2 由Microchip公司推出的MPLAB集成开发环境(IDE )是综合的编译器、项目管理器和设计平台，适用于使用Microchip的PIC系列单片机进行嵌入式设计的 应用开发。 软件运行环境MPLAB如图5.2所示。首先，在仿真环境中通过输入源程序、 编译、修正、单步执行、断点执行、全速执行等过程观察程序执行到指定位置的 结果，将软件的逻辑结构调试正确。 接着，调试面板显示模块，只有正确的显示，才能够明确后续调试过程的正 确与否。 其次，调试模数转换模块。调模数转换子程序时，要对每个通道逐一调试。 先调试0号通道:将通道号置为0，并给0号通道的入口接上稳压源，电压在0-5V之间。调用模数转换子程序，在寄存器中读出转换结果，并与理论值比较，判断 转换结果是否准确。对其余通道的调试方法与0号通道的调法相同。调试中发现 模数转换有时不准确，因此延长转换的等待时间，问题得以解决。调试中发现电 量指示灯不随采集的电压信号改变，后发现是电压等级定义的不准确。 调试PWM输出模块时，用示波器观察CCP模块输出是否正确。然后调试INT中断，试验中发现首次模式转换时会有问题，电动模式转换到定速模式或助力模 式不定，延长从电动模式转到定速模式所要求的时间，问题解决。加上刹把信号， 当在定速模式下按下刹车时，灯全亮正确，但当刹车解除时，仍显示为定速模式， 而此时观察寄存器已转为电动模式，经检查发现是由于显示更新不及时造成，在 - 39 - 此处调用显示子程序。调试电动及定速模式，确定转把给定值与转速的关系。调 试中发现有时在没有给定转把电压的情况下，电机发生运转，此时应在初始化中 对脉宽值清零。 5.2.1 本课题经过理论研究、硬件设计、软件编程和系统调试，完成了控制器的设 计。利用额定功率为350W，额定电压为36V，额定转速为30r/m的稀土永磁有位置传感器无刷直流电机为驱动的电动自行车作为被控对象。利用示波器和逻辑分 析仪对电机的空载运行进行了检测。 霍尔传感器信号是三路180度脉宽的空间互差120度电角度的矩形波。 A相上、下桥臂的MOs管驱动信号，图5.4是A相下桥臂MOs导通期间驱动信号PWM波形。MOS管驱动信号为单极性PWM控制，上桥臂MOS管导通期间为常开状态，下桥臂MOS管导通期间为PWM控制状态;由于设计了硬件逻辑保护电路， 因此严格避免了上下桥臂同时导通的情况。上臂驱动波形中，上升与下降的过程 与电流换相有关。 5. 2. 2 通过实验和分析，可得到以下结论: (1)本文提出的基于PIC单片机控制的电动自行车控制系统的设计方案是可 行的，能实现快速、精确的调速，且系统可靠性强，调试方便。 (2)实验样机起动时比较平稳，在起动和运行中过载时，没有出现因大电流 而损坏电子器件或电机的现象。 (3)系统的过流保护值为10A、欠压保护值为31V，并且堵转和自检保护工作正常，运行时的面板显示部分工作正常。 (4)控制电路的对称半桥调制能实现电压电流波形对称，转矩脉动和开关损 耗都小，是理想的调制方式。 - 40 - 进一步研究的建议: (1)可采用Matlab/Simulink模块建立无刷直流电动机控制系统仿真模型，仿真数据对实际设计有重要的参考意义。 (2)可利用软件检测电机的反电动势，实现电机的无位置传感器控制，降低 硬件成本，提高可靠性。 (3)可采用专用控制芯片和单片机相结合的方式实现无刷直流电机的控制， 该系统会具有单片机的灵活性和专用控制芯片的稳定性双重优点。 - 41 - 本文所设计的基于PIC单片机的无刷直流电机控制器具有硬件结构简单、保 护功能完善、软件采用模块化设计易于用户二次开发等特点。主要实现了如下功 能: (1)采用PIC16F72单片机作为主控芯片，加强了电动车的智能控制，实现了 电动运行、定速运行和助力运行三种工作模式; (2)安全控制电机系统，实现了系统的自检保护、欠压保护、过流保护、堵 转保护; (3)设计了逆变器驱动电路、硬件逻辑互锁电路和硬件过流保护电路，提高 系统的可靠性; (4)应用数字PI控制理论实现了系统速度的闭环控制; (5)提出了一种电机的模式自识别设计方案。能够自动识别电机的换相角度、 霍尔相位和电机输出相位。保证电机在接线错误的情况下可以进行自动纠正; (6)系统软件采用模块化设计，为二次开发提供了非常便利的条件。 由于时间与能力有限，本文所设计的控制系统还有待于进一步的改进，比如 可采用无位置传感器的控制方法，利用软件检测电机的反电动势，从而省去位置 传感器，降低硬件成本，提高可靠性;还可采用专用控制芯片和单片机相结合的 方式实现无刷直流电机的控制，使系统具有更好的灵活性和稳定性。 - 42 - [1]王益全.电动机原理与实用技术.北京:科学出版社，2005. 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DSP-based motor control system with the traditional single-chip motor control system and a dedicated chip motor control system, that is, a dedicated motor control mechanisms, user-programmable, scalable, and powerful, and so on; at the same time, overcome their respective shortcomings, such as peripherals and memory integrated into the chip to reduce circuit board area, reducing the number of system components to improve the CPU processing capacity, improve system reliability. System, the ultimate aim is the application of high-speed flywheel system brushless DC motor, therefore, very high speed processors, from the real-time performance to consider, Need to select the highest possible processing speed of the chip. 2199x series and ADI's speed reached 160 M, and then to adapt to take into account their poor working environment, in this paper, we have chosen the ADSP-21992 as a core control chip. (A) hardware 1. Control circuit - 46 - Mainly by the control circuit and its corresponding external ADSP21992 expansion circuit. Including the crystal oscillator circuit, extend outside the FLASH, JTAG interface, power supply voltage conversion circuit, PWM interface, 1 / 0 interface and A / D interface circuit modules. ADSP21992 for the 160 M high-performance mixed-signal DSP chips, the chip in addition to a powerful data-processing capabilities, for motor control, but also to provide 6-channel PWM output, 8-channel 14-bit A / D conversion channels, 16 general-purpose I / 0 I, as well as three 32-bit dedicated hardware resources, such as counting unit. 2. Power circuit Drive circuit from the diode rectifier bridge, filter capacitor and the IGBT inverter constituted; drive circuit using IR's I82130 dedicated MOs power device gate drive dedicated chip, the chip can not only achieve the optimal IGBT driver, and has a perfect protection, can significantly improve system integration and reliability; isolated part of the use of high-speed optocoupler HCPL4504, isolation from the role of potential. 3. Rotor position and current detection circuit Due to current high-speed motor, back-EMF waveform distortion is more serious, it is not suitable for position sensorless control for easy installation, the use of small size, convenient installation and electromagnetic Hall sensor mounted on the end of stator windings, the output signal by the partial pressure , filter the buffer. PI current regulator current aim is to achieve fast and accurate tracking of a given value, the incremental selection of PI regulator; speed PI regulator related to the system dynamic and static performance, it is separated from the use of integral PI regulator. Encountered in software design PI regulator design that is the proportion coefficient - 47 - and integral coefficient kP selection of ki. System uses a factor of AD and Industrial standard procedures set forth in PI coefficient (Kp = 25, Wpi = kp / ki = 50Hz), and use the normal input in order to achieve DSPI / 0 I. LEM sensor module DC bi-directional high-frequency detection, And the corresponding current signal directly to the sensor signal input voltage DSP A / D port for digital-to-analog conversion. 4. Protection Circuit Under-voltage protection circuit by detecting the battery voltage, when the battery voltage down to the closure of motor threshold, the battery does not over-discharge to cause unnecessary damage, to protect the battery. AID voltage power conversion, if the under-voltage, under-voltage when the second location of a sign so that it can interrupt timer 0 to start from time to time, under-voltage shutdown over after five seconds, jump to self-test mode. MOSFET over-current protection circuit can protect the most current control will set the framework, illustrates the value reached when the motor shut down to avoid a high current through the MOSFET on the risk of burning. Over-current protection is the controller of the last line of defense, over-current protection resistor is used in wire and Culture, current when the system exceeds the maximum protection of current value, the wire will be blown, Culture and Sport in order to play a protective effect. Drive motor in the process of running the system on the motor will "speed - the current" relevant control, the controller to determine the electrical current and electric vehicles is in the relevant range of speed, if in the relevant context, the controller should not exceed current limiting settings based on speed control of electric vehicles; when the - 48 - motor current and speed of electric vehicles is not related to serious, even if the electric current does not meet current limiter settings, if the motor current is greater than 8A, the controller 8A first cut into the power supply, and then again with the motor speed to determine the relevance of current in the relevant context, into the normal power supply mode; If there is no relevance, Further reduce the power flow controller. A negative correlation for each controller to determine the electrical current to reduce by half until (B) software strategy The system software by the main program and interrupt service routine pose. Main program to initialize the main complete system, including the register, variable initialization and the initialization of the external devices, as well as detection of I / O port status. Interrupt service routine are mainly synchronous PWM interrupt service routine, each current sampling A / D conversion after the end of interruption. Software processes as shown in Figure 2. Optimization of the selection coefficient for further experiments and research. Fourth, the conclusions High-performance brushless DC motor with high-speed real-time digital control system for speed control devices consisting of devices, hardware and software, and control the whole system is relatively simple, low cost, speed of a smooth, low noise. Experiments show that the control system has good control performance, has good practical value. 永磁无刷直流电机体积小、重量轻，它既具有类似普通直流电动机的良好调速性能，又不存在机械换向装置，电磁噪声与干扰小，维护要求低，可靠性好； - 49 - 而且由于不需电励磁，效率相对较高，因此得到了迅速的发展。介绍一种基于 ADI公司ADSP-21992芯片的高速无刷直流电机的控制系统，该系统具有高速、 大转动惯量负载，电机有较大起动转矩等特点。 基于DSP的电机控制系统具有传统的单片机电机控制系统和专用芯片电机 控制系统的优势，即专用的电机控制机制、用户可编程、扩展能力强、功能强大 等；同时又克服了它们各自的缺点，如外设和存储器集成在芯片内，可减少电路 板面积、减少系统中元器件个数、提高CPU处理能力、提高系统的可靠性等。系 统最终的目标是应用于飞轮系统中的高速无刷直流电机，因此，对处理器的速度 要求极高，从实时性能方面考虑，需要选取处理速度尽可能高的芯片。而ADI的2199x系列速度达到了160 M,再考虑到其适应恶劣工作环境的能力，在本文中， 我们选择了ADSP-21992作为核心控制芯片。 （一）硬件构成 1．控制电路 控制电路主要由ADSP21992及其相应的外围扩展电路构成。其中包括晶振电 路，外扩FLASH,JTAG接口，电源电压转换电路，PWM接口，1/0接口以及A/D接口等电路模块构成。ADSP21992为160 M的高性能混合信号DSP芯片，该芯片除具有强大数据处理能力外，针对电机控制，还提供有6路PWM输出、8路14位A/D转换通道、16路通用I／0口以及3个32位专用计数单元等硬件资源。 2．功率电路 驱动电路由二极管整流桥、滤波电容以及IGBT逆变器构成；驱动电路采用 IR公司的I82130专用的MOs功率器件专用门极驱动芯片，该芯片不仅可以实现 对IGBT的最优驱动，且具有完善的保护功能，可显著提高系统的集成度和可靠 性；隔离部分采用高速光耦HCPL4504,起电位隔离作用。 3．转子位置及电流检测电路 由于高速电机工作电流、反电势波形畸变较为严重，因此不适合采用无位置 传感器控制，为安装方便，采用体积小、安装方便的电磁霍尔传感器并安装于定 子绕组端部，输出信号经分压，滤波缓冲。 电流PI调节器目的是实现电流快速、准确地跟踪给定值，故选用增量式PI - 50 - 调节器；速度PI调节器关系到系统的动、静态性能，故采用积分分离PI调节器。软件设计中遇到的PI调节器设计问题即比例系数kP和积分作用系数ki选取问题。系统采用系数为AD工公司标准PI程序中规定的系数（Kp= 25,Wpi＝kp／ki＝50Hz），并使用正常，为了达到系统的输入DSPI/0口。传感器LEM模块进行高频双向直流检测，并直接将电流信号相应的感应电压信号输入DSP A/D口进行数模转换。 4. 保护电路 欠压保护电路通过检测电池电压，当电池电压降到阂值时关闭电机，使电池 不至因过度放电造成不必要的损坏，保护电池。对电源电压进行AID转换之后，如果欠压，当次欠压标志位置一，使能定时器0中断，开始定时，欠压满5秒之后停机，跳到自检工作模式。 过流保护电路可以对MOSFET进行保护，将最大电流控制在设定范围内， 当达到阐值时关闭电机，避免了MOSFET上通过大电流烧毁的危险。过流保护是 控制器的最后防线，过流保护电阻用的是康铜丝，当系统电流超过最大保护电流 值时，康铜丝会烧断，从而起到保护作用。 在驱动电机运行的过程中，系统还会对电机进行“速度—电流”相关控 制，控制器判断电机电流与电动车车速是否在相关范围内，如果在相关范围内， 控制器以不超过限流设定值为依据控制电动车车速;当电机电流与电动车车速严 重不相关时，即使电机电流没有达到限流设定值，如果电机电流大于8A，控制器首先减流到8A供电，然后再次判断车速与电机电流的相关性，在相关范围内， 进入正常供电模式;如果没有相关性，控制器进一步减流供电。控制器每否定一 次相关判断，电机电流减小一半，直到控制器停止对电机的供电 （二）软件策略 本系统软件由主程序和中断服务程序构成。主程序主要完成系统的初始化， 包括各寄存器、变量的初始化以及外部器件的初始化以及检测I/O口状态。中断服务程序主要有PWM同步中断服务程序，每次电流采样A/D转换结束后产生中断。软件流程如图2所示。最优化，系数的选取有待进一步的实验与研究。 - 51 - 四、结论 无刷直流电机配以高性能高速实时数字控制系统器构成的调速控制装置，硬 件软件化，整个系统控制相对简单、成本低、转速平稳、噪音低。实验证明该控 制系统方案具有良好的控制性能，具有较好的实用价值。 - 52 -