（电机与电器专业论文）基于dspic的无刷直流电机控制器设计及齿槽转矩削弱方法研究.pdf

生奎盔兰堡土兰垡笙銮 a b s tr a c t t h i sm e s i sf i r s t l ye x p l a i n st h ec o m p o s i n gs t m d u ”a n do p c r a t i l l gp d n c i p l e so f b m s h l e s sd cm o t o ra n dt h e nd i s c u s s e st h er e l e v a n tc o n t r o ls t r a t e 西e so fi t t h e b m s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) i ss e t 勰t h ec o n t r o l t a r 鲇t t h ed e s i 辨o fh 鲫d w a r eo f c o n t m ls y s t e mi sc o n d u 咖巴d0 nt h cb 硒i so fd s p i c 3 0 f 2 0 1 0m i c r o p r o c e s s o la n da d i 西t a lp r o c e s s i n gi sr e a l i z e db yt h ec o m b i n a t i o no fd i 百t a ls j 印a lp r o c c s s i n gw i t h r e l e v a n tc i r c u i t t h eb a r d w a r cs y s t e mc o n t a i n sd s p i ce x t e m a lc i r c u i l ，p o s “i o n d e t e c t i o nc i r c u “，b r i d g ep o w e rd r i v ec i r c u i t ，p m t e c t i v ec i r c u i t ，e t c s o f t w a r cs y s t e m w h i c hi s m p i l e db ycp m 孕锄m i n gl a l l g i l a g cc o n t a i 邶m a i nr o u t i n c ，r v i c c s u b m u t i n ea n di n t e r n l d ts u b r o u t i n e t h em a i l lr o u t i n ei su s c df b ri n i t i a l i z a t i o f s l u g 柚dt h ev a r i a b l e ，w h i i es e f v i c cs u b r o u t i n ei su s e df o f dt m s i t i o n ，f 咐a r e p h a s cc o n v e r s i 伽，p w mp r o d u c i o n ，卸d 1 n h ei n t e 肌p ts u b r o u t i l l ei s 仃i g g e r e d b vh a up o s i t i s i 妒a 1 b 勰e d t l l e 锄a i y t i c a lm e t h o do fe n e r g ya p p r o a c ha n df o u r i e re x p a n s i o n ，t i i e 柚a l y s i s o f c o g 百n gt o r q u e o f p e 彻柚锄tm a 驴e t m o t o re q u i p p e dw i t 圭l p 删l e l m a 印e t i z e ds u r f a c c dm o u n t c dm a g n e t sh 勰b e e nc o n d u c t e d af i l n h e rs t u d v s e v e m l 虹n d so fw e a k e n i n gm c t h o d so f g 百n gt o r q u eh a sb e e nm a d e ，i n d u d i n g c o g 酉n gt o r q u ew e a k c n e db yc h o o s j i l gp r o p e rp o l ea r cc o e f f i c i e n t ，b ya s y m m e t r i c d i s t r i b u t i o no fp e 珊a n e mm a 目皿e t ，b yc o m b i n a t i o no fd i 任e r e n tp o l a ra r cc o e 伍d e n t s ， o rb yc h 觚g i n gt h es h 印eo fp c 珊a i i c n tm a 印e t m e 锄w h i l e ，d e t e 咖i n a t i o nm e t h o d s o fm 咖rp a 姗e t e r si nd i f f e r e n tw a y s0 ft o r q u ew e a k e n i n ga r cd e d u c t e d f i n a l l v ，t h e r c s u l t si nd i f ! f b f e n tm o t o rm o d e l sa r ec a l c u l a t e da n dt e s t e dw i t hf i n i t ee l e m e n t m e t h o d ，w h i c hp r o v e st h ev a l i d i t yo ft h em e n t i o n e dd e t e m i i i l a t i o nm e t h o d sa b o v e a tl a s tt l l e2 4 v5 0 0 wb l d cp r o t o t ”eb 髂e do nd e s i 髓疵e n l i o ni sm a d e n e p r o t o t y p ei st h e nu s e df o rt h ee x p e r i n i e n t0 fc o n t r o ls v s t e md e s i 鲫e di nt h i st h e s i s i t i sp m v e db yt h cc x p e r i m e n tt l l a tt h cs y s t e mi ss t a 西l e 柚de f f i c i e ma i i dt h cp m t o t y p e m n s w e u k e yw o r d s ：b l d c ， d s p i c ， c o n t r o l ，觚a l ”i c a lm e t h o d ，c o g g i n gt o r q u c 山东大学硕十学位论文 齿槽转矩 气隙储存的能量 玩气隙磁密 尻永磁体剩磁密度 占0 耳的傅立叶分解系数 鳓真空磁导率 g ( 口) 有效气隙长度 _ j l 。永磁体充磁方向长度 a ，极弧系数 口：计算极弧系数 z 电机槽数 p 电机极对数 见电枢直径 l 电枢计算长度 a 线负荷 p 电磁功率 胛电机转速 ，。相电流 以相反电动势 e f f 电机效率 符号说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：兰巨 一 日期：竺! ! ：竺 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：銎筌 导师签名： 日 期： 工- 争牛” 山东大学硕十学位论文 1 1课题的研究背景 1 1 1 无刷直流电机发展概况 第一章绪论 直流电动机具有起动和调速性能好等诸多优点，但采用电刷一换向器结构 以机械方式进行换向，存在机械摩擦，由此带来了噪声、火花、无线电干扰以 及寿命短等缺点，再加上制造成本高、维修困难等，限制了它的应用范围。 随着社会生产力的发展和人民生活水平的提高，一些新型电动机被不断地 开发出来。针对传统直流电动机的弊病，早在2 0 世纪3 0 年代，就有人开始研 制以电子换向来代替机械换向的直流无刷电动机，并取得一定效果，但由于当 时的大功率电子器件仅处于初级发展阶段而无法推广使用。1 9 5 5 年，美国 d h a r r i s o n 等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专 利，标志着现代无刷直流电机的诞生。此后经过人们多年的努力，借助于霍尔 元件来实现换向的无刷直流电机终于在1 9 6 2 年问世。1 9 7 8 年，原联邦德国的 m a 加e s m a 蚰公司的h d r 姗a t 分部在汉诺威贸易展览会上正式推出了m a c 永磁 无刷直流电机及其驱动，标志着永磁无刷直流电机真正进入使用阶段。2 0 世纪 7 0 年代以来，随着电子工业的飞速发展，许多新型的高性能半导体功率器件， 如g t r 、m o s f e t 、i g b t 等相继出现，以及高性能永磁材料钕铁硼等的问世， 均为直流无刷电动机的广泛应用奠定了坚实的基础【”】。 永磁无刷直流电动机按其空间气隙磁场的分布形式不同，可以分为方波型 永磁无刷直流电动机( b m s h l e s sd cm o t o r ，简称b u ) c m ) 和正弦波型永磁无刷 直流电动机【”i 。习惯上常常将正弦波型的无刷直流电机称为永磁同步电机 ( p e n i i a n tm a 弘e ts y n c h r o n o u sm o t o r ，简称p m s m ) 。 与永磁无刷直流电机相比，永磁同步电机( p m s m ) 结构较复杂、成本较高， 需要提供连续的转子位置信息，一般借助价格较昂贵的光电编码盘检测转子位 置。永磁无刷直流电机电流波形为方波，电机一般工作于1 2 0 。导通方式，控制 简单，一个电周期内只需要知道转子的六个位置即可，对位置传感器要求低， 因此成本也低。在定位精度要求不商的传动领域，永磁无刷直流电机因其控制 简单、运行效率高、无励磁损耗、调速性能好、体积小，又具备交流电动机的 结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点而在各行各业得到了广泛的应用 1 6 l 。 1 1 2 无刷直流电机控制技术的发展概况 在无刷直流电机控制系统中，m o t o r o l a 第二代电机控制专用芯片 m c 3 3 0 3 5 的出现，给永磁无刷直流电机调速装置的设计带来了一定的便利。其 成本低，使系统易于实现，但模拟系统存在着器件易于老化，器件随温度变化 造成参数漂移，系统可靠性下降及系统升级困难等缺点，成为制约其发展的瓶 颈【7 “。 数字控制系统则能很好地解决模拟控制系统控制性能的不稳定和设计上的 复杂性，它消除了系统参数的漂移，而且在保持较低成本的同时，实现了系统 的数字化处理和控制算法的可靠升级。成为无刷直流电动机控制系统发展的主 流。传统的数字控制系统大多数采用m c s 5 1 、9 6 系列微处理器，这些处理器 控制系统性能较为稳定。但是，单片机的结构和复杂的指令系统造成其运算速 度较慢，处理能力有限。指令功能不强，乘、除法所用指令周期过多，外围电 路数据转换速度慢，使无刷直流电动机的性能得不到充分发挥，难以构成高性 能的控制系统。因此，单片机越来越不能满足实时性和精度要求较高的控制场 合。 8 0 年代出现了高性能处理器，如通用d s p 【”。d s p ( d i 西t a ls i g i l a lp m c c s s o r ) 即数字信号处理器，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。 d s p 器件的出现，使褥各种数字信号处理的算法得到了实现，拓宽到了系统控 制领域。其处理速度快，弥补了传统微处理器的不足，使无刷直流电动机的转 速控制能够达到很高的精度，大大提高了无刷直流电动机控制系统的性能。但 是无刷直流电动机控制系统除了高性能的处理器，还需要相应的存储器和外围 芯片，这就使得芯片数量增加，价格提高。针对这一问题，美国t i 和a d 公司 2 山东大学硕士学位论文 相继研制成功以d s p 为内核的集成专用电机控制芯片一一1 1 公司的 1 m s 3 2 0 c 2 4 x 系列，a d 公司的a d m c 系列。这些控制器不但具有高速信号处 理和数字控制功能所必须的体系结构特点，而且有专为电机控制应用的单芯片 解决方案所必需的外围设备。采用电机专用d s p 为核心的全数字电机控制系统， 系统硬件得到极大简化，提高了系统的可靠性，减小了体积。 d s p 器件的数字信号处理大致有如下特点：可程控，可以只设计一个硬 件配置，然后设计各种软件来执行多样的信号处理任务；稳定性好，没有时 漂、温漂；可重复性好；易于实现自适应算法；基于大规模的集成电路。 这样就不难看出，单片机和d s p 各有特点。前者控制功能强，后者数字信号处 理能力强，因而，将高性能1 6 位单片机加上d s p 功能，就产生了d s p l c 芯片。 d s p i c 是一种将单片机的特征同数字信号处理器( d s p ) 的能力结合在一起的器 件。它在异步事件处理能力、精密仿真、常见的开发环境以及外围部件等方面 都表现出d s p 强大的性能。 为了缩小单片机同d s p 之间的性能差异，使客户能方便地将单片机的功能 转移到d s p 上，m i c r o c h l p 公司推出了d s p i c 3 0 d ( x x 系列【”“1 产品。考虑 到d s p 和单片机的内部区别，d s p i c 器件将高性能1 6 位单片机的控制特点和 d s p 高速运算的优点相结合，为嵌入式系统设计提供了单芯片、单指令流的解 决方案。它消除了目前类似设计中所需求的额外组成部分，从而减小了印制板 空间，也降低了系统成本。d s p i c 兼容了单片机和d s p 芯片这两类产品的优点。 本文使用m i c r o c h i p 公司的d s p i c 3 0 f 2 0 1 0 进行无刷直流电机的控制。 d s p i c 3 0 f 2 0 1 0 是一款低成本的d s c ( d i 百t a ls i 印a lc o n t r o l l e r 数字信号控制器) ， 它内含6 通道1 0 位a d 、6 通道p w m 输出、输入捕获、s p l 、r t c 、啪等 模块，融合了高性能1 6 位单片机的控制优势和全功能数字信号处理器( d s p ) 的 高速运算能力，成为嵌入式系统设计中将二者紧密结合的单芯片解决方案。 1 2齿槽转矩研究的意义 随着永磁材料性能的不断提高，永磁电机越来越广泛地应用于高性能的速 度和位置控制系统。然而永磁电机中，永磁体和有槽电枢铁心相互作用，产生 齿槽转矩，进而产生振动和噪声，齿槽转矩的存在影响了电机在速度控制系统 山东大学硕士学位论文 中的低速性能和在位置控制系统中的高精度定位呻“l 。 在永磁直流电机、表面式永磁同步电机和无刷直流电机中，平行充磁瓦片 型磁极应用最为广泛。因此研究平行充磁瓦片形永磁电机齿槽转矩的削弱方法 具有重要意义。 表面式永磁电机的齿槽转矩削弱方法，可归纳为三大类，即改变永磁磁极 参数的方法【“”。、改变电枢参数的方法【1 7 4 ”、合理选择电枢槽数和极数的方 法。在工程实际中，可根据实际情况采用合适的削弱方法，既可以是一种方 法，也可是几种方法的组合。本文主要研究的是改变永磁磁极参数的方法，改 变磁极参数方法的目的在于改变对齿槽转矩起主要作用的b 。的幅值，达到削 弱齿槽转矩的目的。这类方法主要包括：选择合适的磁极磁弧系数、磁极不对 称放置( 磁极偏移) 、磁极内外径不同心( 磁极偏心) 、不等的磁极极弧系数组 合等。 1 3 本文所进行的研究工作 本文主要研究了基于d s p i c 的无刷直流电机的控制系统设计以及无刷直流 电机卤槽转矩的抑制方法，并进行了样机设计。 本文的研究内容主要包括： 第一章在参考大量文献资料的基础上，阐述了无刷直流电机和电机控制的 发展概况。 第二章详细阐述了无刷直流电机的运行和控制原理。 第三章详细介绍了基于d s p i c 的b l d c 控制器的硬件及其软件设计。 第四章研究了无刷直流电机齿槽转矩的抑制方法。在阐述齿槽转矩的产生 机理之后，确定使用解析法作为本文基本的分析方法，分别对极弧系数选择、 极弧系数组合、磁极偏移、磁极偏心等抑制方法进行了深入研究，最后应用有 限元法对结果进行验证。 第五章进行了2 4 v 、5 0 0 w 无刷直流电动机样机设计和试验。 在最后一章里对本文的工作进行总结并且对今后的工作提出一些建议。 4 第二章无刷直流电机的工作及控制原理 2 1无刷直流电机的基本结构 2 1 1 工作原理 无刷直流电动机的结构原理图如图2 1 所示。它主要由电动机本体、位置 传感器和功率驱动线路三部分组成。电动机本体在结构上与永磁同步电机相似， 但没有笼形绕组和其它起动装置。其定子绕组一般制成多相( 三相、四相、五相 不等) ，转子由永久磁钢按一定极对数( 2 p = 2 ，4 ，6 ) 组成。图中的电动机本体为 三相两极结构。三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件相连 接，在图2 1 中的a 相、b 相、c 相绕组分别与功率开关管v 1 、v 2 、v 3 相接。 位置传感器负责检测转子位置并与电动机的转轴同轴连接。 位置 电动机 龟手 开关电路 图2 1 三相绕组无刷直流电动机 当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场 相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子位置信号变换成 电信号，控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电 流随转子位置的变化按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转 子转角同步的，因而起到了机械换向器的作用。因此，所谓无刷直流电动机， 山东大学硕士学能论文 就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路，永磁同步电动机以及位 置传感器三者组成的“电动机系统”。 图2 1 中，在转子旋转过程中的某一位置，位置传感器发出信号使v 1 截止、 v 2 导通，电流从绕组a a 断开而流入绕组b b ，使得转子磁极继续转动，当 转子磁极再次转过1 2 06 以后，位置传感器给v 3 输入信号，v 2 截止v 3 导通， 电流流入c c ，于是驱动转予磁极继续旋转，转过1 2 0 4 以后，重新开始下次 的3 6 09 旋转。 b u ) c m 的转子结构既有传统的内转子结构，又有近年来出现的盘式结构、 外转子结构和直线电机结构等新型结构形式。电动机转子的永久磁钢与永磁有 刷电动机中所使用的永久磁钢作用相似，均为在电动机气隙中建立足够的磁场， 其不同之处在于：无刷直流电动机中永久磁钢装在转予上，而直流有刷电动机 的永久磁钢装在定子上“。 2 1 2 位置传感器 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，为功率开 关电路提供正确的换向信息，即将转予磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然 后去控制定子绕组换向【“。 电动机的位置传感器有很多种，目前常用的主要分为：电磁式、磁敏式、 光电式。电磁式位置传感器输出信号幅值较大、工作可靠、寿命长，一般不需 要经过放大便可以直接驱动开关管，并且对环境要求不高，但是它的信噪比比 较低，体积较大；光电式位置传感器是根据光电效应原理制成，由跟随电动机 转子一起旋转的遮光板和固定不动的光源及光电管等部件组成。光电式位置传 感器性能比较稳定，轻便可靠、安装精度高、调整方便，应用较为广泛；磁敏 式位置传感器是某些电参数按一定规律随周围磁场变化的半导体敏感元件，其 基本原理为霍尔效应和磁阻效应，目前霍尔位置传感器应用最为广泛。 6 山东大学硕+ 学位论文 2 1 3 电子驱动电路 无刷直流电动机电子驱动电路【3 1 4 1 用来控制电动机定子上各相绕组通电 的顺序，主要由功率开关单元和位置传感器信号处理单元两部分组成。功率开 关单元是控制电路的核心，其功能是将电源功率以一定的逻辑关系分配给直流 无刷电动机定子上的各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。而各相绕 组导通顺序和时间主要取决于转子位置传感器信号。但位置传感器所产生的信 号一般不能直接用来控制功率开关单元，往往需要经过一定的处理。 电子功率驱动电路用于给电动机定子各相绕组在一定时刻通以一定时间的 恒定电流，以便与转子永磁磁场相互作用产生持续不断的恒定转矩。逆变器的 开关器件可以采用g i 0 、m 0 s f e t 和i g b t 等可关断器件。逆变器的结构有半 桥和桥式两种，但多采用桥式结构，对于三相b u ) c m 来说，其三相桥式逆变 器和普通的三相直一交逆变器结构十分相似，但各桥臂元件一般只在一个输出 频率周期内开、关一次。 各相绕组通电顺序、通电时刻和通电时间长短取决于转子磁极与定子绕组 空间的相对位置，传统的b l ，d c m 通过位置传感器来获得转子位置信号，并经 过逻辑处理，功率放大后形成逆变器的触发信号，再去控制定子绕组的通、断， 实现换相。 2 2无刷直流电机的数学模型卅 卧胁旺簪h 撇 ( 2 - ， 式中，l 为定子每相绕组的自感；聊。为定子任意两绕组间( 1 2 0 。) 的互 山东大学硕士学位论文 由于三相定子绕组对称，一般采用y 型连接，有+ + t - o ，代入式( 2 - 1 ) ， 定义。l 一所。，整理后得： 毫 ( 毫主兰 睡) + ( 专丢兰 p i + 圣 g - 2 ， p 盼 土oo l o 三。 厶 oo 土 t 雌飘 ( 2 3 ) 电磁转矩为 r 一去o 。+ + e 。t ) ( 2 4 ) 式中q 转子机械角速度。 三相无刷直流电动机的等值电路图如图2 2 所示。 如 如 图2 2 电机等效电路图 由以上各式可知，无刷直流电动机的电磁转矩与普通直流电动机相似，大 小与磁通和电流成j f 比，所以控制逆变器输出的电流即可达到控制电动机转矩 的目的。为产生恒定的电磁转矩，要求定子电流为方波，反电动势为梯形波， 且在每半个周期内，方波电流的持续时间为1 2 0 。电角度。 8 山东大学硕士学位论文 2 3无刷直流电动机的控制策略 无刷直流电机的控制方式按照有无转子位置传感器来划分，可以分为：有 位置传感器控制方式和无位置传感器控制方式。 有位置传感器控制方式，指在无刷直流电机定子上安装位置传感器来检测 转子在运转过程中的位置，将转予磁极的位置信号转换成电信号，为电子换相 电路提供正确的换相信息，来控制电子换相电路中的功率开关管的开关状态， 保证电机各相按顺序导通，驱动转子连续不断地旋转i ”勰】。 无位置传感器无刷直流电机的控制是指不依赖位置传感器，通过另外的方 式得到转子的位置信号、角速度等状态量，确定逆变器功率管的切换，进而对 定子绕组进行换相，保持定子电流和反电势在相位上的严格同步的一种控制方 式【”。4 “。在无位置传感器的控制方式中，研究的核心问题主要是如何通过软件 和硬件的方法，构建一种转子状态量的检测电路。由于可以直接测量到的一般 只有相电压和相电流这两个量，因此，国内外研究成果所提出的无位置传感器 控制方法中，绝大部分都是基于以上两个观测量的，其中较为成熟的有以下几 种方法： ( 1 ) 反电动势法。这种方法是通过检测反电动势的过零点来判断转子磁极 的位置，从而确定逆变器中功率器件的切换时间。用电机的端电压和功率器件 的开关顺序，可以获得电机的反电动势，有许多方法可以得到逆变器功率器件 的合适的开关顺序，如：“零交点逼近法”，基于检测不通电相的反电动势零 点或是否达到某一预定电平。“相锁定回路技术”，在每个激励区间，锁定不 通电线圈的反电动势。“反电动势整体逼近法”，当完全被整定的反电动势波 形达到某一预定的阀值时，提供一换向脉冲。“反电势积分法”，是通过对电 机不导通相绕组反电动势的积分信号检测获得转子位置信息。 由于反电动势叠加有逆变器输出的脉宽调制波形和功率器件开关过程产生 的尖峰干扰，使如何滤除混于反电动势中强干扰脉冲的问题变成了检测反电动 势过零点的难点， ( 2 ) 用定子三次谐波分量提供位置信息。通过对电机三相端电压简单叠加 可以获得三次谐波信号，这种检测方法适用于反电动势为梯形波、电枢绕组为 9 山东大学硕士学位论文 y 连接的无刷直流电机，能使无刷直流电机在较大的转速范围内保持最大每安 培转矩数及最大效率。 ( 3 ) 检测与功率器件并联的续流二极管的导通区间获得位置信息。这种方 法适用于1 2 0 。导通、三相六拍方波驱动的永磁无刷直流电机。 ( 4 ) 用电机参数、端电压和电流获得位置信息。针对反电势检测带来的问 题，如速度变化、电机换向、低通滤波以及定子电阻电感的存在，使得依赖端 电压的测量估算转子位置信号的准确性和精确性都受到不同程度的影响。而这 些因素对电流的影响相对较小，且相电流和霍尔信号理想情况下是同相位的， 与之对应出现了根据电机相电流信号来估计转子位置信息，进而控制无刷直流 电机的换向方法。 2 4本章小结 随着工业的发展，无刷直流电机在社会生产中的应用越来越广泛。相应的， 无刷直流电机更完善、更高标准的控制思想也在不断的被提出和应用。本章从 无刷直流电机的工作原理入手，介绍了无刷直流电机的结构组成和数学模型， 并介绍了最常见的有位置传感器和无位置传感器的电机控制策略。本文控制器 的设计对象是有位置传感器的无刷直流电机。 1 0 山东大学硕士学位论文 第三章无刷直流电动机的控制系统设计 3 1系统的总体结构 在本文设计的无刷直流电机控制系统中采用了m i a o c h i p 公司推出的将数 字信号处理器( d s p ) 技术与微控制器相结合的数字信号控制器( d i 班a ls i 印a l c o n 们l l e “简为d s c w s p i c 3 0 f 2 0 1 0 。d s p i c 3 0 f 系列器件综合了1 6 位单片机和 d s p 功能，其性能优于3 2 位单片机，而且可降低成本。丰富的外围模块以及 w i 设备必然使d s p i c 3 0 f 在未来的d s p 市场中占有重要地位。d s p i c 3 0 f 2 0 1 0 是专为电机控制设计的d s c ，特别适合无刷直流电机的控制。基于 d s p i c 3 0 f 2 0 1 0 的无刷直流电动机控制系统的原理框图如图3 1 所示。 d s p l c 3 0 f 2 0 1 0 负责处理采集到的数据和发送控制命令，完成以下功能：1 通过捕获单元捕捉电动机转子位置传感器上的脉冲信号，判断转子位置，输出 合适的驱动逻辑电平给m o s n 玎驱动器i r 2 1 1 0 ，再由m 0 s n t 功率驱动电路 驱动电机旋转。2 d s c 根据电机的设定速度，产生合适的脉宽调制信号( p w m ) 控制电机的转速。3 d s c 经a ，d 及怕口采集电机转速的设定值和电机的起停、 正反转、制动命令，控制电机的运转状态；驱动保护电路可完成电机的过流、 低电压、驱动时序异常等故障保护。 电 电机状态控制信号输入 幽3 1 基于d s p i c 3 0 f 2 0 1 0 的b l d c 电机控制系统框幽 山东大学硕士学位论文 3 2控制芯片d s p i c 3 0 f 2 0 1 0 概述 d s p i c 3 0 f 2 0 l o 是美国m i c r o c h i p ( 微芯) 公司于2 0 0 4 年推出的第一代 d s c ( d 培i t a ls i 龃a lc o n t r o l l e f ) 三相电机专用控制芯片“删( 如图3 2 所示) 。在 一片1 6 位m c u 的基础上内部集成了d s p 内核，有着相当丰富的内部和外设资 源，其中模拟模块、电动机控制p w m 模块和增量式编码器接口模块是专门为 三相电动机控制所优化设计的。这里先介绍其特性，然后描述其内核。 m c l r 曰 m u d 3 a n o 7 r e f ，c n 2 艉b od2 m u c 3 州1 非e f c n 拼r b lr 13 a n z s s1 ，c h 4 撒8 2 广14 a n 朝n d x ，c n 副8 3 口5 a m o e a ，l c w c n 6 艉b 4 6 a n 5 昭e 8 n c e ，c n 7 艉8 5r 17 v s s 口8 o s c l ，c l k f 一9 0 8 c 2 ，c l k 0 婀c 5 广11 0 e m u d l ，s o s c i ，t 2 c k 删1 a ) ，c n l r c1 3 口 e m u c l ，s o s c o 玎1 c k ，u ，a r x ，c n 0 ，r c l 4 口2 v 口1 3 e 轴u d = 批到蚴n t 抛1 口，4 3 2 1 特性介绍 图3 22 8 引脚d s p l c 3 0 f 2 0 1 0 1 ) 高性能改良的r l s cc p u ( 精简指令集c p u ) ： 改良的哈佛体系结构； c 编译器优化的指令集体系； 2 4 位宽度指令，1 6 位宽度数据通道； 1 2 k b v t c s 片载f 1 a s h 程序空间； 5 1 2 b v t e s 片载数据r a m ； 1 k b v t e 不可变的数据e e p r o m ； 最高达3 0 m i p s 运行： 多达4 2 个中断源； 三个外部中断源： 2 ) d s p 引擎特性： 模寻址和位翻转寻址模式； a v a v s s p w m l l ，r e o p w m 仆艉e 1 r 腓 2 u r e 2 p w m 2 h ，r e 3 p w m 3 l ，r e 4 p w m 3 h r e 5 v d d v s s p g c 芷m u e ，r x ，s d ，s o 脓f 2 p g d 正m u d 仃) ( ，s 0 0 1 ，s e u r f 3 f l l a ，l n t 0 ，s c k l 帕c f r e 8 e m u c 丑o c l ，i c ，l n t l 承d o 嚣盯嚣符孔篮玉加伯协仃佑任 a，icoom拿o 山东大学硕士学位论文 两个4 0 位宽带可选饱和逻辑的累加器； 1 7 位17 位单周期硬件浮定点乘法器； 单周期乘法- 累加( m a c ) 操作； 4 0 级桶形移位寄存器； 双数据通道； 3 1 外设特性； 高电流流入拉出l 管脚：2 5 m a 2 5 i i 徂； 四个1 6 位捕捉输入功能模块； 两个1 6 位比较p w m 输出功能模块； 3 线s p i 模块； 带f i f 0 缓存的可寻址u 舢玎模块； 电动机控制p w m 模块特性： 6 p w m 输出通道； 互补或者单独输出模式； 边沿或者中心对齐模式； 互补模式下死区控制； 同步a d 转换触发器； 增量式编码器接口； 4 ) 模拟特性： 1 0 位模数转换器( a d ) 具备以下特性： 5 0 0 l ( s p s 转换速率； 六个输入通道； 休眠模式下可进行转换： 可编程欠压探测和复位发生； 5 ) 特别的单片机特性： 在软件控制下可自行再编程； 上电复位( p q r ) ，上电延时和振荡器起振定时器； 使用片载低功耗r c 振荡器； 灵活的看门狗定时器( w d d ，使得运彳亍可靠； 山东大学硕七学位论文 故障保护时钟监测器； 可编程代码保护； 可选的电源管理模式； 3 2 2 内核概述 内核的指令字长为2 4 位。程序计数器( p c ) 为2 3 位宽，其最低有效位( l s b ) 始终为0 ，最高有效位( m s b ) 在正常的程序执行期间被忽略，某些专用指令 除外。因此，p c 能够寻址最大为4 m 指令字的用户程序空间。使用指令预取机 制来帮助维持吞吐量。 内核支持固有( 无操作数) 寻址、相对寻址、立即数寻址、存储器直接寻 址、寄存器直接寻址、寄存器间接寻址、寄存器偏移量寻址以及立即数偏移量 寻址模式。指令与预定义的寻址模式相关联，这取决于其功能需求。对于大多 数指令，内核能够在每个指令周期内执行数据( 或程序数据) 存储器读取、工 作寄存器( 数据) 读取、数据存储器写入以及程序( 指令) 存储器读取操作。 内核包含d s p 引擎，这极大地提高了内核的运算能力和吞吐能力。它具有 一个高速1 7 位1 7 位乘法器、一个4 0 位a i 、两个4 0 位饱和累加器和一个 4 0 位双向桶形移位寄存器。累加器或任何工作寄存器中的数据，可以在单个周 期内右移1 6 位或左移1 6 位。指令可以无缝地与所有其他指令一起操作，且设 计为能获得最佳实时性能。内核不支持多级指令流水线。不过，为了最大限度 地获得可用的执行时间，使用了单级指令预取机制，在指令执行的前一个周期， 存取并译码部分指令。 1 4 山东大学硕士学位论文 3 3 控制器的设计 3 3 1d s p i c 系统部分电路设计 了fj r 图3 3d s p i c 3 0 f 2 0 加控制b u ) c 时的引脚功能图 图3 3 详细说明了d s p i c 3 0 f 2 0 1 0 在控制无刷直流电机时各个引脚的功能。 6 个p w m ( p w m 0 ，p w m 5 ) 输出连接到3 对m o s h t 的驱动器，最终连接 到6 个m o s h t 。这些m o s n t 以三相桥式接法连接到3 相b l d c 电机绕组。 三个霍尔位置传感器输出信号分别连接h a i i ，a ，h a ilb ，h a iic 引脚，若 这3 个引脚中的任何一个发生了电平变化，芯片就会产生中断，改变驱动电路 m o s 肿的通断。为了提供速度给定，将一个电位计连接到一路a d c 输入 ( r b 2 ) 。引脚r c l 4 连接了一个按钮开关，控制电机的起动和停止。 o s c l 、o s c 2 连接系统的5 m 晶振，为控制系统提供时钟频率。d s p i c 3 0 f 系列芯片本身具备了两个定时器提供了上电时必需的延时。一个是振荡器起振 定时器( 0 s t ) ，用来使芯片保持复位，直到晶体振荡器稳定为止；另一个是上 电延时定时器( p w r t ) ，仅在上电时提供延时，用来在电源稳定过程中使器件 山东大学硕十学位论文 保持在复位状态。有了这两个片内定时器，芯片不再需要外部复位电路。 m c l r 用来主复位输入或编程电压输入，本引脚为低电平有效的器件复位 输入端。它的连接如图3 4 所示。 + 5 r 图3 4m c u t 引脚外部电路图 驱动电路的供电电压为2 4 v ，控制电路的供电电压分为1 5 v ，5 v 两种电压 等级。d s p i c 3 0 f 2 0 1 0 和光耦是5 v 电源供电，驱动芯片琅2 1 1 0 为1 5 v 电源供 电。+ 1 5 v 和+ 5 v 电压可以采用三端稳压控制芯片7 8 1 5 ，7 8 0 5 来获得，其电路如 图3 5 所示。 3 3 2p 删波形产生 图3 5 系统的电源电路设计 p w m 信号用来控制功率器件的导通与截止，从而改变加在电动机绕组上 的平均电压，达到控制电机转速的目的。 d s p i c 3 0 f 2 0 1 0 有六路p w m 输出，如图3 3 所示。通过使用六个开关i g b t 或m o s 肿，可以将三相绕组驱动为高电平、低电平或根本不通电。例如，当 绕组的一端连接到高端驱动器时，就可在低端驱动器上旎加占空比可变的p w m 信号。这与将p w m 信号加在高端驱动器上，而将低端驱动器连接到v s s 或 1 6 山东大学硕十学位论文 g n d 的作用相同，一般是对低端驱动器施加p w m 信号。 p w m 信号由d s p i c 3 0 f 2 0 1 0 的电机控制( m o t o rc o n t r 0 i ，m c ) 专用p w m 模块提供，p w m 产生流程如图3 6 所示。m c p w m 模块是专为电机控制应用 而设计的。m c p w m 有一个专用的1 6 位p 1 1 m r 时基寄存器。此定时器每隔一 个由用户定义的时间间隔进行一次递增计数，该时间间隔最短可以为t c r 。通 过选择一个值并将它装入p r p e r 寄存器，可以决定所需的p w m 周期。每个 t 。中，p 1 m r 与盯p e r 作一次比较。当两者匹配时，开始一个新的周期。控 制占空比的方法与此类似，只需在三个占空比寄存器中装入一个值即可。与周 期比较不同，每隔t c r 2 就将占空比寄存器中的值与p n 很进行一次比较( 即 比较的频率是周期比较的两倍) 。如果盯m r 的值与p d c k 的值相匹配，那么 对应的占空比输出引脚就会根据选定的p w m 模式驱动为低电平或高电平。通 过占空比比较产生的三个输出将被分别传输给一对互补的输出引脚，其中一个 引脚输出为高电平，而另一个引脚输出为低电平，反之亦然。这两个输出引脚 也可以被配置为独立输出模式。当驱动为互补输出时，可以在高电平变低与低 电平变高之间插入一段死区。死区是由硬件配置的，最小值为t c y ，插入死区 可以防止输出驱动器发生意外的直通现象。 山东大学硕十学位论文 图3 6p w m 产生流程图 在周期开始时，所有输出均驱动为高电平。随着盯m r 中值的递增，一旦 该值与占空比寄存器中的值发生匹配就会导致对应的占空比输出变为低电平， 从而表示该占空比结束。盯m r 寄存器的值与盯p e r 寄存器的值匹配导致一个 新的周期开始，所有输出变为高电平以开始一个全新的周期。对于b l d c 的控 制，本设计采用边沿对齐输出模式。 改写是p w m 模块的一个重要特征。改写控制是p w m 模块的最后级。它 允许直接写入0 v d c o n 寄存器并控制输出引脚。o v d c o n 寄存器中有两个6 位字段。这两个字段中的每一位对应于一个输出引脚。0 v d c o n 寄存器的高字 节部分确定对应的输出引脚是由p w m 信号驱动( 当置为1 时)，还是由 o v d c o n 寄存器低字节部分中的相应位驱动为有效无效( 当置为0 时) 。此功 能允许使用p w m 信号，但是并不驱动所有输出引脚。对于b l d c 电机，相同 的值被写入所有p d c x 寄存器。 山东大学硕士学位论文 根据o v d c o n 寄存器中的值，可以选择哪个引脚获得p w m 信号以及哪 个引脚被驱动为有效或无效。控制带传感器的b l d c 时，必须根据由霍尔传感 器的值所指定的转子位置对两相绕组通电。在c n 中断服务程序中，首先读霍 尔传感器，然后将霍尔传感器的值用作查找表中的偏移量，以找到对应的将要 装入o v d c o n 寄存器的值，从而确定需要对哪些绕组通电。 刚m 3 h1 n f n t 1 1 1 1 l ll i 。n n n1 1 | 川 il i 1 兀n 兀1 1 1 10 i i 砌f l：f 1 i lp ! 1 n f n 删 1 n n n h l l l0 1i 图3 7 高低端均p w m 驱动类型的波形示意图 数字电平上下跳变时，集成电路耗电发生突变，引起电源产生毛刺。数字 电路越复杂，数据速率越高，累计的电流跳变越强烈，高频分量越丰富，而普 通印刷电路板不能完全吸收逻辑电平跳变产生的电压毛刺，这种噪声会严重干 扰a d 转换和模拟电路。为了实现模拟电路和数字电路的隔离，提高信噪比， 有效的抑制噪声对模拟电路的干扰，在6 路p w m 信号从d s c 引出之后，需要 经过光电隔离，才能送入电予驱动电路。 图3 8 光电隔离电路 d s c 1 9 眦 洲 山东大学硕士学位论文 光电隔离器是电子线路中隔离电压冲击及噪声串扰的器件，具有体积小、 隔离效果好、价格便宜等优点，以6 n 1 3 7 为典型芯片，连接电路如图3 8 所示。 其中3 5 0 q 电阻为限流电阻，以减小对内部光电二极管和输入5 v 电源的冲 击，如果不加限流电阻，6 n 1 3 7 中的限流二极管导通电流很大尤其是数字波形 较抖时会造成相当大的尖峰脉冲噪声。输出端0 1 i 矿的电容是一个高频特性好 的钽电容，这个电容可以吸收电源线上的波纹，又可以减少光电隔离器开关工 作时对电源的冲击。输出端4 7 k 的电阻为上拉电阻。 3 3 3 转子位置检测电路的设计 位置传感器的主要作用是检测电机定、转子的相对位置并提供电机相绕组 的换相信号。本系统所采用的无刷直流电机带有三个霍尔磁极位置传感器。霍 尔位置传感器和电动机本体一样，也是由静止部分和运动部分组成，即位置传 感器定予和位置传感器转子。其转子与电机主转子一同旋转，以指示电机主转 子的位置，既可以直接利用电动机的永磁转子，也可以在转轴其他位置上另外 安装永磁转子。在定子上是由若干个霍尔元件，按一定的间隔，等距离地安装 在传感器定子上，以检测电机转子的位置。 霍尔传感器的输出信号( 5 v t r l ) 经过光电隔离输入给d s c 限b 3 ，r b 4 ，r b 5 引脚) ，输出信号电平的改变会触发中断服务子程序，确定转子任意时刻的实际 位置。d s c 通过检测到的转子位置信息来选择功率管的导通或截止，并通过