高压三相无刷直流电机驱动器的软硬件设计

目录第1章 概述21.1无刷直流电机国内外发展现状21.2无刷直流电机的结构21.3无刷直流电机的应用与研究动向31.4本章小结4第2章 方案选择52.1高压三相无刷直流电机驱动器构成52.2方案比较和确定52.2.1人机界面的选择52.2.2单片机的选择62.2.3控制器方案选择62.2.4驱动器方案选择62.2.5位置检测模块选择72.3本章小结7第3章 系统的硬件组成83.1单片机模块83.1.1 STC12C5A08S2单片机简介83.1.2人机界面简介113.2 控制器和驱动器143.2.1 JY01A简介143.2.2 IRAMS10UP60B芯片简介153.2.3 LM339简介193.2.4硬件电路203.3电源电路213.4本章小结22第4章 程序设计234.1 组态软件234.2 系统各部分功能在程序中的实现254.3 程序流程图274.2.1主程序流程图274.2.2子程序流程图284.3 本章小结31第5章 软件运行与调试325.1 ET070与单片机通信程序调试与运行325.2系统联调335.3 本章小结33结束语34致谢34参考文献35附录1系统原理图37附录2 主要元器件清单39I附录3系统程序清单40附录4系统实物图50I概述第1章 概述1.1无刷直流电机国内外发展现状无刷直流电机按工作特征可以分为两类：一是具有直流电机特点的无刷直流电机，反电动势波形和供电电流波形均为矩形波，称为无刷直流电机。这类电机使用直流电机电源供电，由位置传感器来检测主转子位置，利用所检测出的信号去触发相应电子换相线路并实现无接触式换相。二是具有交流电机性质的无刷直流电机，反电动势波形和供电电流波形均为正弦波，称为正弦波同步电机。这类电机同样使用直流电源供电，但通过逆变器将直流电变换成交流电，然后去驱动电机。本毕业设计所用的无刷直流电机属于第一大类。无刷直流电机的研制开发在我国起于20世纪70年代初期，主要是为我国自主研制的军事装备和宇航技术发展而服务。由于需要量少，只需由某些科研单位试制提供即可。经过20多年的发展，虽然在产品开发方面缩短了与国际先进水平的差距，但由于无刷电机产品是综合了控制、微电子、电机、计算机等技术于一身的高技术产品，受限于我国基础工业，因此无论在产量、品种、质量及应用上与国际先进水平差距甚大。当今台湾、德国、日本是无刷电机主要生产国和地区，台湾主要生产档次较低无刷电机，年产量超过1000万台，德国年产量约3000万台，日本的年产量超过8000万台，其中约50%出口海外。此外，美国也有一定量的生产，大量属高档精密型，而一般产品则从国外进口，是无刷电机最大的进口国，年需求量几千万台，价值近10亿美元。西欧各国每年也需从国外进口，满足其计算机、机床等工业的需要。目前国内无刷电机市场仍处在待开发的状态，但发展前景良好，主要的市场大致有：试听设备、办公自动化设备、各类记录仪、绘图仪、宇航自动机器、自动化仪器仪表、计算机设备、工业自动化设备、汽车工业、高档家用电器等。目前我国已有很多单位正在积极开发，引进国外先进技术，进一步促进无刷电机开发和生产。1.2无刷直流电机的结构无刷直流电机属于三相永磁同步电机之列，永磁同步电机磁场来自电机转子上的永久磁铁。在这里，永久磁铁的特性，在很大程度上决定电机本身。目前采用的永磁材料主要有铝镍钴、铁淦氧、钕铁硼等。根据几种的磁感应强度和磁场强度均为线性关系的特点，钕铁硼应用最为广泛。在转子上安置永磁铁的方式有两种：一种是将成型的永久磁铁装于转子表面，为凸极式；另一种是把永久磁铁埋入转子里面，为内嵌式。 根据永久磁铁的安装方法差异，永久磁铁又分为扇形和矩形。扇形磁铁结构的转子特点是电枢电感小且齿槽效应转矩小，缺点是易受电枢反应的影响，而且电极呈现出凸的特性。而矩形磁铁结构的转子为凸极特性，且电感大和磁通可集中，能形成高磁通密度，因此适于大容量的电机。因为电机呈现凸极的特性，故可利用磁阻转矩，而且这种转子结构的永久磁铁，不易飞出，故可作高速电机使用。1.3无刷直流电机的应用与研究动向如今虽然各种交流电机和直流电动机在传动应用中占主导地位，但无刷直流电机正受到普遍关注。自20世纪中后期以来，随着人们质量的提高及现代化生产和办公自动化的快速发展，使得家用电器、工业机器等设备均朝着高效率化、高智能化及小型化方向发展，而执行元件的组成部分电机也必须具有速度快、精度高、效率高的特点，无刷直流电机的使用也随之迅速增长。特别在环保节能已成为当今主题的时候，无刷直流电机高效率的优点更显示出了巨大的应用前景。目前，无刷直流电机主要研究的是以下方面：（1）无机械式转子的位置传感器控制。转子位置传感器为整个驱动系统之中最为脆弱的部分，不仅仅增加了系统成本以及复杂性，而且降低了系统的可靠性以及抗干扰能力，此外还要占据一部分空间位置。在一些应用场合，例如空调、计算机外设等都要求无刷直流电机运行于无转子位置传感器方式之下。无转子位置传感器的运行事实上是要求在不采用机械传感器的方式下，利用电机的电流和电压信息以得到转子磁极位置.目前使用比较多的无转子位置传感器的运行方式有：反电动势法、续流二极管电流通路检测法。（2）转矩脉动控制。转矩脉动为无刷直流电机的一大缺点，尤其是随着转速上升，换相会导致转矩脉动上升，且会导致平均转矩明显下降。减小转矩脉动可以提高无刷直流电机的性能。（3）智能控制。信息技术和控制理论的发展使得在运动控制领域，一个新的发展方向就是先进控制理论，尤其是智能控制理论的应用。如今，模糊逻辑控制、专家系统、神经网络控制是三种最主要的理论。其中，模糊控制是将一些具有模糊性的成熟经验和规则适当地融入到传动控制策略之中，现已成功应用于许多方面。1.4本章小结本章主要介绍了无刷直流电机在国内外的发展，分析了无刷直流电机的在国内发展的现状和未来几年的发展趋势，同时讨论了无刷直流电机发展的瓶颈和解决方法。33常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书第2章 方案选择2.1高压三相无刷直流电机驱动器构成高压三相无刷直流电机驱动器的整体设计思路是由人机界面发出控制信号给单片机，经驱动模块转换成相应的驱动信号来驱动电机，从而实现控制驱动。此处，有关电源模块要加以说明，电源模块中，通过将市电经全桥整流得到高压直流电直接输出给驱动模块，此处的做法主要是考虑到直接用高压直流电减少了降压的部分，从而实现节能高效的目的。图2-1 高压三相无刷直流电机驱动器结构图2.2方案比较和确定2.2.1人机界面的选择人机界面选择有多种方案，其中最常用的由三种：方案1：按键和液晶显示屏：通过按键给控制器输入各种控制信号并在液晶屏上显示各种电机信息；方案2：普通触摸屏：通过软件编程设置界面，包括显示界面和按键等控制界面，然后通过串口、USB口、以太网口等通信接口和控制器通信；方案3：自带专用组态软件的特殊触摸屏：此类触摸屏由特定公司设计制作，并开发与之配套的组态软件制作人机界面，同样通过串口、USB口、以太网口等通信接口和控制器实现通信。以上三种方案各有利弊。方案1：没有灵活性可言，一旦硬件电路焊接完成，难以修改；对于复杂的控制系统，可能需要多个控制端口，这样对于资源紧缺的单片机等控制器可能导致引脚不够使用的情况，增加了硬件电路的设计成本和复杂度。方案2：普通的触摸屏通常有20个左右的引脚接线，和单片机等控制器的引脚也要10多个，这些对于资源有限的控制器也会造成一定的负担；对于普通的触摸屏最致命的缺点是程序过于复杂，每一个界面，界面上的每一条线，每一个点都要通过软件来实现，对编程者的要求较高且程序复杂，程序占用ROM较大，这对微处理器的程序存储空间要求较高，经常需要外扩ROM；价格也不便宜，通常在300-500之间。方案3：自带组态软件的触摸屏:与微处理器的通信仅需要使用微处理器的接受和发送两个引脚，使用串口实现所有的控制和显示信息，占用资源极少；控制界面完全由组态软件实现，节约了不少ROM空间；相较于方案2而言，编程极其简单；此类触摸屏一般为彩色屏而且价格和普通触摸屏差不多，从美观经济和使用角度来看，更具选择性；由于组态软件功能多，此类屏保密性能更好，对于工程安全和技术保护更有利。综上所述，从长远的开发和节约成本等多种因素考虑，方案3不失是明智之选，故本毕业设计采用了上海步科自动化股份有限公司研发的ET070触摸屏和该公司配套的组态软件来实现人机界面的设计。2.2.2单片机的选择由于本毕业设计的人机界面选择了ET070，采用MODBUS RTU协议实现通信，而此协议要求单片机要和ET070进行实时通信。此外本设计中电机的调速采用PWM调速方式，而实现PWM调速一般采用定时器中断实现，这样和串口中断会出现资源利用冲突，故采用带有PWM模块的单片机将是明智之举，最终决定使用STC12C5A08S2单片机，该单片机处理速度是普通单片机的5-12倍，自带PWM模块。2.2.3控制器方案选择关于控制器选择，通常有两种方案可供选择。方案1：直接使用单片机实现控制信号的输入，然后运用软件编程实现控制极驱动信号的生成；方案2：使用单片机实现控制信号的给定，然后将信号输出给控制极驱动处理，生成所需信号。以上两种方式各有优缺。方案1硬件电路简单经济，但增加了程序编写的难度，而且由于程序运行的可靠性欠缺，所以不利于稳定控制；方案2需要控制器和控制极驱动两个模块，硬件电路较为复杂，但降低了程序编写的难度且可靠性更高。综合以上两种方案的优缺，最终决定选择方案2作为此次毕业设计的方案，并选用JY01A作为控制极驱动。2.2.4驱动器方案选择关于驱动器的选择，通常有两种思路可供参考。方案1：使用具体公司设计生产的专用集成芯片；方案2：分立元件设计电机驱动电路。下面对两种方案进行优缺比较。方案1：专用集成芯片可靠性高，参考使用手册即可设计电路，电路简单，绘图制板方便简单；但灵活性较差。方案2：使用分离元件设计驱动电路会使电路变得复杂，而且对设计者硬件知识掌握的要求很高，难度较大，但其灵活性好，可根据使用的要求设计电路。由于本毕业设计只要实现电机的启停，正反转，加减速等简单功能，故使用专用集成芯片即可达到设计要求，故选择难度系数较低的方案1作为首选方案，并选择IR公司的IRAMS10UP60B作为功率驱动模块。2.2.5位置检测模块选择由于本毕业设计采用的是无霍尔元件的无刷直流电机，若要是电机比较平稳地工作，必定要构成闭环控制，所以对位置检测模块的选择也至关重要。综合单片机的资源利用和电路的可靠性，本毕业设计最终选择LM339电压比较器作为位置检测模块，通过单片机定时中断实现对当前电机转速的测量。2.3本章小结本章主要讨论了高压三相无刷直流电机驱动器的各个模块构成和各模块的器件选择，并最终确定了本毕业设计的方案，即：人机界面选用上海步科自动化股份有限公司研发的ET070触摸屏和该公司配套的组态软件；单片机选用STC12C5A08S2；控制器选用JY01A；功率驱动器选用公司的IRAMS10UP60B；位置检测模块选择LM339；电机为三相无霍尔无刷直流电机。系统的硬件组成第3章 系统的硬件组成高压三相无数按直流电机驱动器的硬件设计主要有：单片机最小系统设计、人机界面模块设计、控制器模块设计、驱动模块设计、电源模块设计。3.1单片机模块3.1.1 STC12C5A08S2单片机简介1 STC12C5A08S2的特点STC12C5A08S2单片机是宏晶技术生产的单时钟/机器周期（1T）的单片机，是高速/低功耗/超强干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，针对电机控制，强干扰场合。本毕业设计使用了STC12C5A08S2单片机的几个模块，分别具有以下特点：1.增强型8051 CPU，1T，单时钟/机器周期，指令代码完全兼容传统8051；2.PWM/PCA 可用做2路D/A使用 可用做再实现2个定时器 可用做再实现2个外部中断； 3.全双工异步串口(UART)，由于该系列是高速8051，能再用定时器或PCA软件 ，能再用PCA软件或定时器实现多串口；4.STC12C5A60S2系列单片机有双串口，RxD2 (能通过寄存器使之设置于P4.2)，TxD2(能通过寄存器使之设置于P4.3)；5.封装：本毕业设计选用LQFP44封装。2 STC12C5A08S2引脚介绍STC12C5A06S2单片机引脚如图3-1所示：图3-1 STC12C5A08S2系列单片机引脚图其中，部分引脚介绍如下：引脚44（ADC4CCP1/SS）：PWM调速控制输出口；引脚14（XTAL1）、15（XTAL2）：接11.0592MHz晶振；引脚4（RST）：复位引脚，接按键；引脚37（P0.0）：输出控制电机正反转信号；引脚5（RXD）、引脚7（TXD）：串口中断输入输出口；引脚38（VCC）、引脚16（GND）；电源接口。3.PWM调速模块脉宽调制(PWM，Pulse Width Modulation)是一种使用程序来控制波形占空比、周期、相位波形的技术，在三相电机驱动、D/A转换等场合应用广泛。PWM模式的结构如下图所示。由于本毕业设计采用了特殊触摸屏作为人机界面，并采用了MODBUS RTU协议作为通信协议，要与触摸屏进行非严格意义上的实时通信，这就要求一直使用通信中断；若采用定时器中断实现PWM调速，在很大程度上会造成硬件资源的冲突，同时程序编写难度较大，而STC12C508S2系列单片机的PCA模块可以通过程序设定，使其工作于8位PWM模式，故采用的STC12C5A08S2型号的自带PWM调速模块的单片机，其中PWM模式的内部结构如下图3-2。图3-2 PWM模式的内部结构图所有PCA模块都可用作PWM输出。输出频率由PCA定时器的时钟源决定。由于所有模块均公用仅有的PCA定时器，故其输出频率一致。各模块输出的占空比均独立变化，和使用的捕获寄存器EPCnL,CCAPnL有关系。当寄存器CL的值小于EPCnL,CCAPnL时，则输出为低，当寄存器CL的值等于/大于EPCnL,CCAPnL时，则输出为高。当CL的值由FF变为00溢出时，EPCnL,CCAPnL的内容装载到EPCnL,CCAPnL中。这样即能实现无干扰地更新PWM。要使能PWM模式，那么模块CCAPMn寄存器的PWMn和ECOMn位必须置位。由于PWM是8位的，所以：PWM的频率=。PCA时钟输入源可以从以下8种中选择一种：SYSclk，SYSclk/2，SYSclk/4，SYSclk/6，SYSclk/8，SYSclk/12,定时器0的溢出，ECI/P3.4输入。4.单片机的硬件电路图有关单片机的硬件电路，本毕业设计用到的单片机资源为单片机最小系统和串口电路，其中单片机最小系统是单片机能够正常运作的前提，由于本毕业设计对通信要求很高，故选用11.0592MHz的晶振；此外，单片机最小系统的电路国语简单，此处就不在较易介绍。单片机的串口电路的功能是实现触摸屏和单片机的连接和通行。有关单片机的硬件电路主要是单片机的P3.1和P3.0分别接电平转换芯片MAX23211脚和12脚，再将MAX232的13脚和14脚分别接9针串口的2脚和3脚。硬件接线图见图3-3。图3-3 串口通信单片机接线图3.1.2人机界面简介1 ET070简介常用的人机界面有：键盘、显示屏、触摸屏等，这里用的是上海步科自动化股份有限公司研发的触摸屏：ET070。ET070触摸屏是由上海步科自动化股份有限公司研发的一款人机界面产品，通过使用该公司开发的专用界面编辑软件Kinco HIMware组态编辑软件可以实现各种人机界面的设计和制作，一方面使硬件电路设计变得简单同时节约了成本，另一方面利用软件可以制作各种控制界面，灵活性大，使用方便。图3-4 ET070实物图ET070人机界面和单片机的通讯电路方便简单，只需通过串口实现和中断传输信息，即可实现双向通信和控制，只是软件编程有点困难。ET070人机界面有以下几个特点：1.高性能：采用400MHz高速CPU，让数据处理能力更强，通信传输速度更快，多页切换速度更流畅；2.高性价比：低价值，满足低成本客户的需求；3.背光：LED背光，高亮可以随意调节，节能更环保；4.时尚宽屏：16:9的时尚宽屏，TFT液晶显示，色彩65536色，显示更丰富多彩；5触屏灵敏：无视窗面膜的新技术运用，触控灵敏度更高；6.方便易用：系统参数，固件更新，触控校准设置更方便，不需要频繁的打开电气柜调节拨码开关来设置工作模式，直接在软件上就可方便快捷的完成；7.免费软件：免费提供功能强大的状态软件。图3-5 ET070内部电路图2 ET070和单片机接口ET070支持多种通信协议，典型的是MODBUS协议，其中包括MODBUS RTU、MODBUS RTU Slave和MODBUS TCP Slave等多个协议格式；接口方式也有串口，以太网，CAN总线，现场总线等多种方式可供选择。由于本毕业设计主要是通过人机界面发出各种控制信号，以实现电机的正反转和启停，基于这些功能的实现，本毕业设计选择MODBUS RTU协议，来实现通信。此外，串口通信是单片机常用的通信方式，且单片机有串口中断可供了使用，所以通信方式就选用串口通信；而且还可以利用各种串口调试助手实现在线调试。ET070和单片机串口模块的连接主要是通过9针串口线实现的，通常的连接方式均是通过一根2、3交叉的串口线，由于2、3交叉的通信线市场上不易购买，本毕业设计在设计单片机电路时已改变引脚连接，使得使用2、3直连的数据线即可实现数据通信。ET070和单片机的通信连接见图3-7。图3-6 ET070和单片机接口电路3.2 控制器和驱动器3.2.1 JY01A简介1 JY01A特点JY01A是一多功能无刷电机驱动芯片，可用于无霍尔、有霍尔无刷电机驱动，具备正反转，调速，短路保护，过流保护，欠压保护，军工级品质，工作稳定，抗干扰能力强等优点。图3-9为JY01A的管脚图，具有以下特点。1.军工品质，工作稳定；2.用于无霍尔有霍尔无刷电机驱动；3.正反转控制，软切换功能；4.转速线性调节；5.过流保护；6.短路保护；7.欠压保护；8.DSP核PWM驱动低噪声；9.JYKJ特有技术，保证了在任何工况下电机都能正常运转；10.有霍尔和无霍尔应用自动识别功能；11.外围电路简单，使用方便。2 Y01A的引脚介绍JY01A的引脚图如图3-8所示：图3-7 JY01A的管脚图其中，部分引脚介绍如下：引脚1（LVD）：欠电压保护输入，接驱动器14脚；引脚2（Is）：电流检测输入，接驱动器22脚； 引脚5（F/R）：电机正反转控制脚，接单片机37脚；引脚6（Fault）：错误指示输出；引脚7(AT)、9(BT)、11(CT)：上臂驱动信号输出，分别接驱动器15、16、17脚；引脚8(AB)、10(BB)、12(CB)：下臂驱动信号输入，分别接驱动器18、19、20脚引脚13(Ha)、14(Hb)、15(Hc)：转子位置信号输入，分别接LM339的2、1、19脚；引脚16(VR) 转速调节，PWM输入口，接单片机44脚。3.2.2 IRAMS10UP60B芯片简介1.IRAMS10UP60B的特点国际整流器公司的IRAMS10UP60B是用于开发和优化的集成电源模块，可用于家用电器控制，例如洗衣机和冰箱。在一个相对独立的封装中以一种非常简单的设计，PN驱动技术提供了一种极其紧凑，高性能的交流电机驱动。内部分流也包括在内，并为精确，安全的操作提供电流反馈和过电流监视器。内置温度监视、过温/过电流保护及具有短路保护能力的IGBT和欠电压锁定功能。该模块还集成了高压侧驱动器所需的自举二极管，以及为驱动内部电路的单极性电源，简化了对模块的使用，具有降低成本的优势。图3.2为IRAMS10UP60B实物图，具有以下特点：1.符合危害性物质限制指令；2.内置分流电阻；3.集成门驱动和自举二极管；4.温度监控器；5.完全隔离封装；6.低压Vce(on）非穿透IGBT技术；7.低压锁定所有通道；8.用于所有通道的匹配传播延时；9.施密特触发输入逻辑；10.跨导预防逻辑；11.更好的di/dt栅极驱动器实现低噪声；12.电机驱动范围0.40.75kW/85253 Vac；13.隔离2000V/1min，CIT600V；14.UL认证申请（UL编号：E78996）。3-8 IRAMS10UP60B实物图2.IRAMS10UP60B的引脚介绍IRAMS10UO60B驱动器的内部电器原理图如图3-9所示：图3-9 内部电气原理图-IRAMS10UP60B其中，引脚介绍见下表：表3-4 模块管脚说明表引脚符号说明1高侧浮动电源电压32W,输出3 - 高压侧浮动电源偏置电压3NA空引脚4高侧浮动电源电压25V,输出2 - 高压侧浮动电源偏置电压6NA空引脚7高侧浮动电源电压18U,输出1 - 高压侧浮动电源偏置电压9NA空引脚10正总线输入电压11NA空引脚12负总线输入电压13温度反馈14+15 V主电源15逻辑输入高边栅极驱动器 - 第1相16逻辑输入高边栅极驱动器 - 第2相17逻辑输入高边栅极驱动器 - 第3相18逻辑输入低边栅极驱动器 - 第1相19逻辑输入低边栅极驱动器 - 第2相20逻辑输入低边栅极驱动器 - 第3相21故障输出和使能引脚22电流检测和ITRIP引脚23负主电源3.2.3 LM339简介1 LM339简介芯片LM339内部电路由四个独立的电压比较器构成，是常见的集成电路。利用LM339可以便利的组成振荡器电路和各种电压比较器电路，本毕业设计使用LM339构成电压比较电路，实现位置检测的功能。LM339电压比较器的特点和一些参数：1）电压失调小，一般是2mV；2）共模范围大，为0v到电源电压减1.5v；3）对比较信号源的内阻限制很宽；4）LM339 VCC电压范围宽，单电源为2-36V，双电源电压为1V-18V；5）输出端电位可以灵活方便选用。6）差动输入电压范围很大，最大值等于VCC。2.LM339的引脚介绍LM339芯片内部有四个三极管组成，内部结构图如图3-10所示：图3-10 LM339内部电路图其中，LM339引脚介绍如下：引脚4、6、8、10：负输入端，本毕业设计接参考电压端：引脚5、7、9、11：正输入端，本毕业设计接由IRAMS10UO60B驱动器的引脚1、4、7的电压经电路降压后的输入端：引脚1、2、13、14：经各电压比较器比较后的输出端，分别接JY01A的13、14、15脚。此处可以利用1、2、13、14引脚之一连接至单片机，可以用来测出电机的位置，做位置检测。3.2.4硬件电路本毕业设计控制器和驱动器的硬件电路图见图3-11，主要芯片为JY01A、IRAMS10UP60B和LM339，次控制器和驱动器的电路时参照IR公司生产的IRAMS10UP60B的典型电路设计的；其中LM339实现电压比较的目的，并将电路连接构成闭环，是控制更加稳定可靠；此外JY01A的5脚和16脚分别接单片机的44脚和37脚，分别控制直流电机的速度和正反转。图3-11 控制器和驱动器连接电路图3.3电源电路本毕业设计的电源分两块，一方面使用+24V开关电源给ET070供电，这一块的解决方案是购买市场上销售的开关电源；另一方面是采用图3-12的电源模块实现供电。其中利用全桥整流将市电直接转换成高压直流电给驱动板，要实现高效的目的，然后通过交流变压器，将直流电转换成+15V直流电和+5V直流电供单片机、控制器和驱动器使用，图3-14为市电转换成高压直流电、+15V和+5V直流电的电路图。图3-12 电源模块3.4本章小结本章主要介绍了高压三相无刷直流单机驱动器的各重要器件的功能、引脚和特点等。以重要硬件的介绍为线，引出这些器件的周边电路图，从而完成硬件电路的介绍。本毕业设计单片机模块和功率驱动模块是分开设计的，故将有两张原理图，完整的电路图见附录1。常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书第4章 程序设计4.1 组态软件1 Kinco HMIware组态编辑软件Kinco HIMware组态编辑软件是由上海步科自动化股份有限公司开发的一款组态软件，主要有以下几个特点：1. 可用于多个型号的触摸屏的人机界面的绘制；2. 支持对当下多种主流型号的PLC和单片机的连接控制；3. 支持MODBUS RTU、MODBUS RTU Slave和MODBUS TCP Slave等多种协议；4. 触摸屏和下位机的通信可使用串口，以太网，CAN总线，现场总线等多种方式进行连接；5. 有丰富的PLC元件和功能元件可供选用；6. 支持工程数据库；7. 支持直接在线模拟和离线模拟等多种模拟方式；8. 较于其他组态软件更容易掌握，易学易用，支持中、英、俄、韩四种语言。图4-1 Kinco HIMware组态编辑软件编辑界面总体来说，Kinco HIMware组态编辑软件是一款功能强大的组态软件。2 MODBUS通信协议简介MODBUS协议是应用在电子控制器上的通用语言。通过该协议，控制器相互之间、控制器经由网络（例如以太网）和其它设备之间可以通信。现今，MODBUS协议已经被作为一种通用的工业标准，通过它，不同厂家生产的控制设备均可以连接成工业网络，从而实现集中监控的功能。MODBUS是一个请求/应答协议，并且提供功能码规定的服务。MODBUS协议包括ASCII、RTU、TCP等，并没有规定物理层。协议定义了控制器能够认识和使用的消息结构，二不管它们是经过何种网络进行通信的。MODBUS的ASCII、RTU协议规定了消息、数据的结构、命令和对答的方式，数据通讯采用Master/Slave方式，主站发出数据请求消息，从站接收正确消息后就可以发送数据至主站来响应请求；主站也能直接发送消息修改从站数据，实现双向读写。MODBUS规定，只有主站具有主动权，从站只能被动的响应，包括回答出错信息。ET070 HIM实现MODBUS协议通信时，遵循标准的MODBUS通信过程：表3-1 MODBUS协议通用数据帧格式表地址码功能码数据区错误校验码8bits8bitsN*8bits16bits1.地址码：消息帧地址域包含有两个字符（ASCII）或8Bits（RTU）。从设备地址范围是0247（十进制）。单个设备地址范围为1247。主设备通过将联络的从设备地址放入消息中的地址域选择从设备。当从设备发送回的消息时，它把自己的地址放入回应的地址域中，以便主设备知道是哪个设备作出回应。地址0是用作广播地址，以使所有的从设备都能认识。2.功能码：表3-2 常用功能码表功能码名称功能地址类型01读线圈状态读位（N Bits）0x02读输入离散量读位1x03读多个寄存器读整型等(N Words)4x04读输入寄存器读整型等3x05写单个线圈写位（1 Bit）0x06写单个寄存器写整型等（1 Word）4x15写对个线圈写位（N Bits）0x16写多个寄存器写整型（N Words）4x3.数据区：数据区包含了终端执行特定功能所需要的数据或者终端响应查询时采集到的数据。这些数据的内容可能是数据、参考地址或者设置值。4.错误校验码：MODBUS协议需要对数据做校验，串行协议中除了奇偶校验外，还有RTU模式使用16位CRC校验，而TCP模式不使用额外规定的校验。使用RTU模式，消息包括了基于CRC方法的错误检验域。CRC域检测了整个消息的内容。由于本毕业设计使用的是MODBUS RTU通信协议，所以使用CRC校验。4.2 系统各部分功能在程序中的实现ET070和单片机的通信硬件上是通过串口双向传输数据实现的，软件上是通过Kinco HMIware组态编辑软件编辑单片机控制界面，用软件取代硬件实现界面设计，图4-1为本毕业设计的界面设计。图4-2 电机控制界面该界面的制作较为简单，只要掌握了组态软件的基本操作即可完成，主要注意点是各元件的地址设置，其中升速、减速、启动、停止、正转、反转按键的地址分别是：0X01、0X02、0X03、0X04、0X05、0X06；给定速度和电机实速的显示口地址分别是3X1023和3X1024。例如SB0是一个按键，功能是升速，每按一次按要求加速。升速按键的制作过程是：1.在软件左侧的PLC元件中选择位状态切换开关，拖至界面区；2.设置按键属性，地址设置为0X01，位状态设定为开；便签主要是设置按键的显示；图形主要是按键的形状，见图4-2。图4-3 元件属性设置本毕业设计主要有两大模块的程序设计。模块一：触摸屏和单片机之间的程序设计，此处的设计思路是采用串口中断实现功能。单片机和ET070之间采用MODBUS RTU通信协议，首先是设计控制界面，分配界面上的各种元件地址，然后通过串口调试程序得到各元件的通信内容编写串口接收程序，其次结合MODBUS RTU协议的具体格式编写相应的处理程序，最后将处理好的数据送触摸屏显示或回答实现整个通信过程，例如：图4-1中升速按键的地址是0x00,那么当按键按下时，触摸屏会连续三次发送指令，格式为：01 05 00 00 FF 00 8C 3A，单片机接收后，根据该指令进行分析并分别给触摸屏发送湖大信息同时更新相因变量值和端口状态，实现对控制器的信号给定。模块二：PWM调速程序，考虑到使用定时器中断可能和串口中断之间存在冲突，所以直接使用单片机的PWM模块，这部分程序简单，只要设置好各寄存器的参数，定义全局变量speed，通过程序改变变量并保存，经过数学运算实现一定的占空比，即可实现调速。主程序中必须先进行PWM调速程序的处理，然后才能进行串口中断的处理，不然电机上电不转动，会存在隐患。4.3 程序流程图4.2.1主程序流程图主流程图为一死循环，主要通过对各种标志位和控制字的判断，来调用相应的子程序和中断处理程序，以实现设计功能。本注程序流程图包括定时中断和串口中断，其中定时中断的优先级高于串口中断，此外还有PWM调速模块和分析处理数据模块，对数据的分析处理模块主要通过判断标志位（flag）是否为1来实现。图4-4 主程序流程图4.2.2子程序流程图1发送接收中断子流程图该流程图所代表的中断子程序实现的是ET070和单片机之间的数据接受和发送，当ET070向单片机发送数据时，SBUF寄存器满时，会使RI硬件置1，这时程序进入串口中断接收数据，然后软件复位RI；当单片机给ET070回答数据时，SBUF寄存器满时，会使TI硬件置1，这时程序进入串口中断发送数据，然后软件复位TI。 图4-5发送接收中断子流程图2数据分析程序子流程图该流程图遵循MODBUS RTU协议和CRC校验运算，对接受的数据进行CRC校验和处理，给单片机相关口置复位和刷新对应变量的值。 图4-6 数据分析程序子流程图 3定时中断子流程图该流程图实现对电机当前速度的检测，主要是通过用定时器设定一定的时间，然后检测LM339的输出引脚，再经过计算得出当前转速。 图4-7 定时器中断流程图 4.3 本章小结本章主要介绍了本毕业设计有关程序编程的问题，该程序主要包括ET070和单片机之间的通信程序及处理数据、发送数据程序，并根据程序进行相应的驱动板控制信号的输出；其次就是利用单片机PWM模块实现调速，由于使用PWM硬件模块，程序简单，此处并未制作流程图；最后是主程序的设计，要将各子程序的调用顺序，执行先后进行合理设计，从而实现程序正确无误的运行和在合理误差范围内对电机的有效控制。软件运行与调试 第5章 软件运行与调试5.1 ET070与单片机通信程序调试与运行有关ET070和单片机的通信是本毕业设计的难点之一，因为这类触摸屏产品一般都是用于和各种PLC通信的，和单片机通信的参考资料基本上没有完整的。对于这一模块，基本上都是自己摸索实验的成果，无论是硬件、程序还是连接。整个调试分以下几步：第一步：要解决的是ET070是可以使用的。因为ET070和单片机的通信基本上是空白，所以为了测试，我使用了三菱FX2N PLC进行测试，编一个简短的PLC程序，并少写进PLC；编写一个简单的并与程序功能一直的触摸屏界面；用专用PLC连接线连接进行测试，结果很理想，控制的非常好，故ET070事可用的。第二步：上网找资料，看论文，最终确定使用MODBUS RTU协议作为通信协议。第三步：程序编写，该程序主要实现的是接受发送一串数据，由于单片机和ET070并未实现通信，故我先使用串口调试工具进行程序测试。根据MODBUS协议格式发送数据给单片机，并接收数据，与手册实例的数据进行比较，直到收发无误。第四步：设计控制界面，根据本毕业设计控制要求绘制人机界面，设置每一个元件的单片机对应地址，烧写进ET070触摸屏中。第五步：根据编写的界面，改写程序，在第三步原有程序基础上，结合具体界面改写与之相对应的程序，烧写进单片机，并与触摸屏连接，进行测试，结果并不成功。后经分析，肯能存在两个问题，一方面数据线的问题，另一方面程序的问题，因为触摸屏没有问题，单片机串口可以烧写程序，程序运行无误，故也没问题。经过系统的分析和调试，主要是因为程序中的一个在数码管上显示的程序占用太长时间，从而导致触摸屏一直报错（PLC no response），该了程序后两者间的通信效果就比较好了。以上的过程看似简单，但它是一个从无到有的过程，花费了近四周的时间才最终成功，其中触摸屏和单片机之间的连线实验件做了很多，因为我们并不知道触摸屏和单片机的连接时何种方式，再加上笔记本没有9针串口，要使用USB转串口，所以数据线2和3是否要交叉、USB口、串口、单片机、ET070、在线模拟等之间的连接实验就有很多，最终的结论是实物ET070和单片机2、3脚直连即可。5.2系统联调由于控制器和驱动器的电路是典型电路，技术比较成熟，所以PWM调速调试的完成，即为系统联调的成功。PWM调速程序很简单，进行相关寄存器的设置，定义speed变量，保存速度值，根据速度值进行占空比的设置即可。有关占空比的设置和整个周期的时间长短要根据电机型号来调节，通常是通过实验调节，本毕业设计就是通过改变程序中的数据来进行调节的，最终实现较优的调速效果。5.3 本章小结本章主要是整个毕业设计的调试过程，从部分调试，到最终联调成功以及遇到各种问题的解决方案。结束语结束语本毕业设计四在广泛的查阅各种资料的基础上完成的，同时经历了一段非常艰难的时期，最终完成了对高压三相无刷直流电机驱动器的软硬件设计。设计的思想是功能稳定，高效节能，故所设计的驱动器使用各种集成元件，功能可高稳定，使用高压直流电直接给驱动器，从而减少了降压的环节，实现节能环保的目的。本设计主要实现触摸屏控制电机启停，正反转和加减速。由于能力和时间有限，本文所设计的控制器无论从软件还是硬件上都有进一步提升的空间。致谢从硬件电路的设计，元器件资料的查阅，DXP的使用，各种元器件封装的绘制，触摸屏和单片机的通信，程序的编写，单片机资源的利用和PWM调速的编写。每进行一步，都要解决很多困难，有时候会因为一个细节问题是毕业设计的进度延后好多天，每当我想放弃的时候，王老师总会给我提出正确的解决思路，节省了我很多时间。在我设计触摸屏和单片机模块时，遇到了很多问题，当我想放弃的时候，王老师说：“做设计做出来容易，做好很难”，我知道自己错了，继续认真潜心的摸索。每当有问题时，我会主动找老师聊聊，每次都有不同的收获，毕业导师设计的完成很重要，但在这过程中学到的东西更重要，感谢王雁平老师的无私帮助和细心指导。毕业设计之余，王老师经常和我们聊聊天，给一些生活、工作、学习上的指导，使我们对于自己的发展和未来有更清楚的认识。借此机会，也十分感谢我大学的各位老师的教导和指引。参考文献1 郭清军，王俊峰，张冰峰，李昕。混合集成三相无刷直流电机驱动器的设计与实现。西安徽电子技术研究所 陕西 西安 710054 2孟德钧。基于TMS320F240的高压无刷电机驱动器设计。上海交通大学硕士论文，2003。3李成学，杨大柱，丁磊（安徽蚌埠解放军汽车管理学院 233011）。基于IRAMS10UP60A的无刷直流电机控制器设计。4唐永哲，庞振岳（西北工业大学，西安 710072）。基于IRAMS10UP60B的功率驱动板。电机与控制应用2005，32（8）5龚华生，龚博，丁浩，李玲。集成电路知识与应用易学通。中国电力出版社，2010：2436。6 张强，吴红星，谢宗武。基于单片机的电动机控制技术。中国电力出版社，2008:294332。7日谷腰欣司 著 王益全 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