（电力系统及其自动化专业论文）基于dspic单片机的无刷直流电机控制系统.pdf

a b s t r a c t t h es t m c t u r eo fb l d c mi ss i m i l a rt ot r a d i t i o n a ld cm o t o r ， a tt h es a m et i m e ，i t h a st h ea d v a n t a g e so fh i g he f f i c i e n c ya n de a s i l ya d j u s t i n gs p e e d o fa cm o t o r i th a sb e e n w i d e l yu s e d f u r t h e r m o r e ，o u rc o u n t r yh a s r i c hr a r e e a r t hr e s o u r c e s ，a n dm a n u f a c t u r eo f 形鹏e a r t hm a g n e ts t e e l sh a sa l r e a d yr e a c hi n t e r n a t i o n a ls t a n d a r d s i th a ss t r a t e g i c s i g n i f i c a n c et h a tt h ec o m p e t i t i v ep o w e ro fo u rc o u n t r y s m e c h a n i c a la n de l e c t r i c a l p r o d u c t sw i l lb ee r 山a n c e di ni n t e r n a t i o n a lm a r k e t s ，i fm a k i n gf u l l b e n e f i to fa n dg i v i n g f u l lp l a yt oo u ra d v a n t a g e si n t h i sf i e l d a n dd e v e l o p i n gr a r e 。e a r t hp e r m a n e n t - m a g n e t m o t o r st of o r mas e r i e so fp r o d u c t so fb l d c m m i c r o c m po f i e r san e wd s p i c 3 0 fc o n t r o l l e rf a m i l yr e f e r e n c e dd s p i c 3 0 f , w h i c hi s s p e c i f i c a l l yd e s i g n e df o rt h en e e d s o fd i g i t a lm o t o rc o n t r 0 1 i nas i n g l ec h i pa p p l i c a t i o n ， t h i sd e v i c ec o m b i n e saf i x e dp o i n td s p c o r ew i t hm i c r o - c o n t r o l l e rp e r i p h e r a l s t h i sc h i p i sa b l et op e r f o r ms o p h i s t i c a t e dc o n t r o ls c h e m e s o nt h eb a s i so ft h es u m m a r yf o rt h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no fp e r m a n e n t m a g n e tb r u s h l e s sd cm o t o rs p e e d v a r i a b l es y s t e m ，t h i s t h e s i si n t r o d u c e sac o n t r o l s v s t e 1 w h i c hu s e sd s p i c 3 0 ft oc o n t r o lt h ec o m m u t a t i o na n ds p e e do fb l d c m t h e b a s i cs t r u c t u r e ，o p e r a t i o n a lp r i n c i p l ea n dd e s i g nm e t h o do ft h i ss y s t e ma r es e tf o r t hi n t h i st h e s i s t h et h o u g h to fh a r d w a r ed e s i g na n ds o f t w a r ep r o g r a m m i n gi si n t r o d u c e da s w e l l a tl a s t ，u s i n gm a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r es i m u l a t et h eb l d c m w h i c hp r o v e dt h a t t h ec o n t r o ls y s t e mw o r k sw e l la si tw a se x p e c t e d k e y w o r d s ：b r u s h l e s sd cm o t o r ( b l d c m ) ：d s p ；p u l s e - w i d t hm o d u l a t i o n 青岛大学硕士学位论文 学位论文独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文系本人在导师指导下独立完成的研究成果。文中 依法引用他人的成果，均已做出明确标注或得到许可。论文内容未包含法律意义上 已属于他人的任何形式的研究成果，也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成 果。 本人如违反上述声明，愿意承担由此引发的一切责任和后果。 论文作者签名： 璩阎 1 日期：沙降6 月叫日 学位论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的学位论文及相关的职务作品，知识产权归属学校。 学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权利。本人离校 后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成果时，署名单位仍然为 青岛大学。 本学位论文属于： 保密口，在年解密后适用于本声明。 不保密d 。 警作挚轹球丫虱 珈彳瓿：勰吆 日 2 月，d 年 寥 沙 期 铊 日 引言 引言 1 无刷直流电动机的发展及现状 无刷直流电动机( b r u s h l c s sd cm o t o r ，以下简称b l d c m ) 是近年来随着微处 理器技术、新型电力电子器件、新型控制理论的发展，以及低成本的永磁材料的出 现而发展起来的一种新型直流电动机。无刷直流电机是集交流电机和直流电机优点 于一体的机电一体化产品，它既具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等一 系列优点，又具备直流电机运行效率高、调速性能好的特点，同时无励磁损耗。无 刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动机一样，但它的电枢绕组放在定子上， 转子上安装永久磁钢，电枢绕组一般采用多相形式，经逆变器接到直流电源，定子 采用电子换相代替有刷电机的电刷和机械换相器，各相绕组逐次通电，在气隙中产 生跳跃式的旋转磁场，与转子磁极主磁场相互作用，产生电磁转矩，使电动机连续 运转。 个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围己遍及国民经济 的各个领域及人们的日常生活之中。电动机的类型主要有交流电动机与直流电动机 两种，其容量小到几瓦，大至上万千瓦。众所周知，直流电动机具有运行效率高和 调速性能好等诸多优点，但传统的直流电动机均采用电刷，以机械方法进行换相， 因而存在相对的机械摩擦，由此带来了噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命 弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而大大限制了它的应用范围，致使 目前工农业生产上，大多数均采用交流异步电动机【1 】【2 】。 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相 代替机械换相的直流无刷电动机。经过几十年的努力，终于在6 0 年代实现了这个愿 望。 表1 从机械特性、过载能力、可控性等9 个方面对交流异步电机、有刷直流电 机和无刷直流电机作了定性的比较。结果表明，无刷直流电机和其它电机相比具有 高可靠性、高效率、优良的调速性能等诸多优越性【3 】。 表13 种电机性能比较 性能 机械过载可控性平稳性噪声维护体积效率成本 蘑期 特性能力 交流异步电机软小难较差较大易大低低 一 有刷直流电机硬大易较好大难 较小 面较高 _ 一 无刷直流电机硬大易好小易小局较高 青岛大学硕+ 学位论文 在此之后，又相继出现了新型永磁材料衫钻、钦铁硼，它们具有高磁密度，高 矫顽力以及高磁能积等优异磁性能，使永磁电机有了较大发展。但是衫和钻的价格 昂贵，限制了永磁无刷电机的前进步伐。直到八十年代初期，价格较低的钦铁硼永 磁材料研制成功，开创了稀土永磁电机的新纪元，并为其在民品工业中的应用开辟 了广阔前景，现己在医疗器械、仪器仪表、化工、纺织及家用电器等领域日益普及1 4 j 。 进入九十年代以后，随着电力电子工业的飞速发展，许多高性能半导体功率器 件，如g t r m o s f e t , i g b t , m c t 等相继问世，微处理器、大规模集成电路技术的 发展，逆变装置也发生了根本性的变化。这些开关器件本身向着高频化、大容量、 智能化方向发展，并出现集半导体开关、信号处理、自我保护等功能为一体的智能 功率模块( i p m ) 和大功率集成电路，使无刷直流电动机的关键部件逆变器的成本降 低，且向高频化、小型化发展。同时，永磁材料的性能不断提高和完善，特别是钦 铁硼永磁材料的热稳定性和耐腐蚀性的改善，加上永磁电机研究和开发经验的逐步 成熟，稀土永磁无刷直流电机的应用和开发进入一个新阶段，目前正朝着超高速、 高转矩、高功能化、微型化方向发展。 无刷直流电动机因其具有显著的节能、低噪声和优良的调速性能等优点，特别 适合于电冰箱、空调器、洗衣机等家用电器。传统的b l d c m 需要通过转子位置监 测器来检测转子的位置，然后由控制器控制给定子绕组供电的逆变器换相，这对降 低家用电器的成本、缩小装置的体积、提高运行可靠性都是不利的，需要研制无位 置传感器的b l d c m 控制，但其控制算法的复杂性、监控软件的编写难度及硬件成 本偏高等实际问题，限制了其发展。目前国内推出的若干种b l d c m 的变频电冰箱 等产品中控制器和压缩机都依赖于国外进口，这相应的增加了产品的成本【5 】【6 。 2 无刷直流电机的控制系统发展概况 2 1 控制系统硬件电路的发展 传统的无刷直流电动机控制系统主要是由模拟器件构成的模拟系统，虽然成本 低，使系统易于实现，但模拟系统存在着器件易于老化，随温度变化产生参数漂移， 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。 数字控制系统能够很好地解决模拟系统存在的这些问题，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，将成为无刷直流电动机控制系统发展的主流。但传统的无刷直流电动机数字控 制系统大多数采用m c s 5 1 9 6 系列微处理器，这些处理器存在指令功能不强，处理 速度慢( 雕) ，乘、除法所用指令周期过长，外围电路数据转换速度慢等缺点，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【7 】【8 】8 。 引言 8 0 年代出现了高性能处理器，如通用数字信号处理器( d s p ) ，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d s p 需要专用门列组合以及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。由于这种微处理器组成的控制系统难以实用化，因此m i c r o c h i p 公司推出了d s p i c 3 0 f 系列单片机，这是一种将1 6 位单片机的控制特点同d s p 高速 运算的优点结合在一起的数字处理芯片，它在异步事件处理、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 的强大的性能，并且缩小了单片机同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，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。因此 在本设计中选择了d s p i c 3 0 f 4 0 1 1 作为控制芯片，目的是为了提高无刷直流电机控制 性能。d s p i c 单片机具有以下的优越的控制性能 ( 1 ) 数字控制器集成化高，成本低，可靠性高； ( 2 ) 数字控制软件实现灵活，可以按需求编写、更换软件，可替换性强； ( 3 ) 可以实现复杂的逻辑判断、数字运算，使得新型、复杂的控制策略能得以 实现。 f 4 ) 可以实现系统保护、自动报警、故障诊断等功能【1 0 】。 目前，智能功率集成电路得到了广泛使用。智能功率集成电路是电力电子技术 与微电子技术相结合的产物，它将半导体功率器件与驱动电路，逻辑控制电路、检 测和诊断电路、保护电路集成在块芯片上，使功率器件含有某种智能功能。在本 设计中，采用了i r 公司的i r a m s l 0 u p 6 0 a 这一智能功率集成电路。使控制系统结 构简单、设计方便。 2 2 控制算法的研究 首先，是关于无刷直流电动机的驱动方式的研究。采用电子换相取代机械换相 的b l d c m ，绕组电流除了与传统的直流电机一样接近方波以外，还可以是正弦波 【l l 】。二种驱动方式的机械特性和转矩特性相接近，但运行平衡性，调速范围和噪声 等都很不一样。正弦波驱动要好得多。目前正弦波驱动b l d c m 多用于要求较高的 伺服系统价格也较高，正弦波驱动应是b l d c m 驱动方式研究的重要发展方向【l2 1 。 其次，采用现代控制理论和智能控制理论策略改进控制算法。无刷直流电机是 一个多变量、非线性、强偶合的对象，因此利用模糊控制、神经网络控制、自适应 控制、专家系统等具有自学习、自适应、自组织功能的智能控制来进行无刷直流电 机的控制是较有效的手段【1 3 】【1 4 】，控制器的计算和存储能力的不断增强也为这些先进 控制算法的实现提供了有利条件。t z u e n l i l lc h e m 提出了基于d s p 技术的变结构控 青岛大学硕士学位论文 制方法。贾东耀、曾智刚，采用p i d 控制与模糊控制相结合的f u z z y p i 控制对电机转 速环进行控制，克服了简单模糊控制和传统p i d 控制的缺点，都取得了良好的效果。 另外，关于无刷直流电机的转子位置检测问题的研究。包括两个方面，一是有 位置传感器，二是无位置传感器的研究。无刷直流电机通过位置传感器检测转子位 置信号，产生一定的控制逻辑，去控制功率开关器件的通断，使电动机电枢绕组中 的电流随着转子位置的变化按次序换相，形成气隙中步进式的旋转磁场，驱动永磁 转子连续不断地旋转。因此，能否正确而准确检测转子位置对整个永磁无刷直流电 机传动系统至关重要。霍尔传感器是无刷直流电机中采用较多的一种。该传感器由 静止部分和转动部分两部分组成。静止部分由一组霍尔元件及永磁块组成，固定在 电机座上；转动部分为一个开有齿、槽的遮光盘f 其齿、槽数分别与电机转子极对数 相等) 固定在电机转轴上，随转子同步旋转。通过遮光盘的齿部的遮挡与否使霍尔元 件产生高、低电平信号，从而提供了无刷直流电机的转子位置信息【1 5 】。但是由于位 置传感器会增加电机的体积和成本，降低电机运行的可靠性，而且在有些特殊场合 下电机根本无法安装位置传感器，因此，无刷直流电机的无位置传感器技术近年来 日益受到人们的关注【1 6 】，国内外研究人员在这方面进行了积极的研究。无刷直流电 机的无位置传感器控制的关键在于转子位置信号的获得，现在比较流行的方法有反 电动势法、电感法、磁链法、旋转坐标法、卡尔曼滤波器法等。陈瑜、黄玉、王兴 华在无刷直流电机转子位置检测的新方法一文中研究了采用p l l 锁相技术来进 行转子位置检测的新方法。刘庆福、刘刚、房建成在无位置传感器无刷直流电动 机的高速驱动系统一文中对无刷直流电机的无位置传感器控制做了相应的研究， 讨论了反电动势法检测转速带来的电机起动问题。 3 论文主要研究的内容 ( 1 ) 研究无刷直流电机的工作原理、驱动方法、运行特性及控制规律。 ( 2 ) 对单片机和数字信号处理器的发展现状和特点进行探讨，对本课题中将使用到 的m i c o r c h i p 公司的d s p i c 3 0 f 系列控制芯片的结构特点，功能实现，系统接口等 问题进行了研究。 ( 3 ) 设计无刷直流电机调速系统的硬件电路，对系统各主要部分的设计进行详细的分 析和研究，包括微处理器的选择、主电路的设计、控制电源的设计、驱动逆变电 路和保护电路的设计。 一一 ( 4 ) p c b 排板的电磁兼容性问题研究： 一 二： ( 5 ) 针对无刷直流电机的调速特点，进行数字双闭环控制策略的研究，并对所设计的 控制方法进行了m a t l a b 仿真，对仿真结果进行分析。 ( 6 ) 根据设计的无刷直流电机调速系统硬件电路，编写相应的系统的控制软件包括开 4 引言 环控制和速度闭环控制。 青岛大学硕士学位论文 第一章直流无刷电机的结构及其运行原理 1 1 无刷直流电机的结构组成 永磁无刷直流电动机主要由永磁电动机，电子换相器和转子位置传感器三部分 组成【1 7 】【1 引，如图1 1 所示。 电子换相器 ! 。： 图1 1 无刷直流电机结构原理图 1 1 1 无刷直流电动机简介 永磁无刷直流电机的电机本体由定子和转子两部分组成。定子绕组一般分为三 相且多采用整距集中式绕组；转子则由永磁钢按一定的极对数组成，转子磁钢的形 状呈弧形，磁极下定转子气隙均匀，气隙磁通密度呈梯形分布。本系统所用的电机 为三相五对极稀土永磁电机。采用稀土永磁材料做磁钢具有很高的剩余磁通密度和 很大的矫顽力，此外，稀土永磁材料的磁导通率与空气磁导通率相仿，对径向结构 的电动机交轴和直轴磁路的磁阻均较大，可以最大限度的减小电枢反应。通常在额 定负载内，气隙磁场密度和电枢电流无关，转矩和电流呈线性关系。无刷直流电动 机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 线性结构等新型结构形式。伴随着新型永磁材料钦铁硼的实用化，电机转子结构越 来越多样化，使无刷直流电机正朝着高力矩、高精度、微型化和耐环境等多用途方 向发展。 1 1 2 转子位置传感器 在b l d c m 中，位置传感器与电动机同轴安装，起着测定转子位置的作用，为 逆变器提供正确的换相信息。由于逆变器的导通次序是与转子转角同步的，因而与 第一。章直流无刷电机的结构及其运行原理 逆变器一起，起着与有刷直流电机的机械换相器和电刷相类似的作用。位置传感器 种类较多，特点各异【l 引。 ( 1 ) 电磁式位置传感器 电磁式位置传感器是利用电磁效应来测量转子位置的，有开口变压器、铁磁谐 振电路、接近开关电路等多种类型，在b l d c m 中，用的较多的是开口变压器。电 磁式位置传感器具有输出信号大、工作可靠、寿命长、对环境要求不高等优点，但 这种传感器体积较大，信噪比较低，同时，其输出波形为交流，一般需经整流、滤 波方可使用。 ( 2 ) 光电式位置传感器 光电式位置传感器是利用光电效应，由跟随电动机转子一起旋转的遮光部分和 固定不动的光源等部件组成。有绝对式编码器和增量式编码器之分，增量式编码器 精度很高，多用于精密控制中，价格昂贵，且需要附加初始位置定位装置；绝对式 编码器价格低廉，不需要初始定位，但精度不高，可用于对调速精度不高的速度控 制中。总之，光电式位置传感器性能比较稳定，体积小、重量轻，但对环境要求较 - o r i 司o ( 3 ) 磁敏式位置传感器 磁敏式传感器是利用某些半导体敏感元件的电参数按一定规律随周围磁场变化 而变化的原理制成。其基本原理是霍尔效应和磁阻效应。目前，常见的磁敏式传感 器由霍尔元件或霍尔集成电路、磁敏电阻和磁敏二极管等组成。世界上第一台 b l d c m 的位置传感器用的就是用霍尔元件。一般来说，这种器件对环境适应性很 强，成本低廉，同样，精度不高。 此外，还有正、余弦旋转变压器等多种位置传感器，它们一般较复杂，目前在 b l d c m 中采用的还很少。 1 1 3 电子换相器 电子换相器是由功率开关和位置信号处理电路构成，主要用来控制定子各绕组 通电的顺序和时间。无刷直流电动机本质上是自控同步电动机，电机转子跟随定子 旋转磁场运动，因此，应按一定的顺序给定子各相绕组轮流通电，使之产生旋转的 定子磁场。无刷直流电动机的三相绕组中通过的电流是1 2 0 。电角度的方波，绕组 在持续通过恒定电流的时间内产生的定子磁场在空间是静止不动的。而在开关换相 期间，随着电流从一相转移到另一相，定子磁场随之跳跃了一个电角度。而转子磁 场则随着转子连续旋转。这两个磁场的瞬时速度不同，但是平均速度相等，因此能 保持“同步”。无刷直流电动机由于采用了自控式逆变器即电子换相器，电机输入电 流的频率和电机转速始终保持同步，电机和逆变器不会产生震荡和失步，这也是无 青岛大学硕士学位论文 刷直流电机的优点之一。 1 2 无刷直流电动机的工作原理 当定子绕组的某一相导通的时候，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场 相互作用产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子位置转换成电信号，去 控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定顺序导通，定子相电流随转子位置 的变化而按一定的次序换相。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，就其基本结构而言， 可以认为是一台由电子开关线路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者构成的电 动机系统。无刷直流电动机电子开关线路是用来控制电动机定子上各相绕组通电的 顺序和时间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两部分组成。功 率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定的逻辑关系分配 给无刷直流电动机定子各相绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。而各相绕组 导通的顺序和时间主要取决于来自传感器的信号。但位置传感器所产生的信号一般 不能直接用来控制功率逻辑单元，往往需要经过一定逻辑处理后才能去控制逻辑开 关单元。 为了更加清晰的阐述无刷直流电动机的换相原理，下面以三相星形全控桥电路 为例，配合前面所述的霍尔位置传感器的换相信号来加以简要说明。 三相桥式y 接电动机，理想状况下任意时刻有两相导通，形成电流通路。霍尔 传感器在电动机转子转动一周的过程中输出6 种状态。以图1 1 的逆变桥为例，位 置传感器输出状态1 下t 6 和t 1 导通，状态2 下t 1 和t 2 导通，状态3 下t 2 和t 3 导通，状态4 下t 3 和t 4 导通，状态5 下t 4 和t 5 导通，状态6 下t 5 和t 6 导通， 表1 1导通功率管与定子合成磁势对应关系表 定子合成磁势f a lf a 2f a 3f a 4f a 5f a 6 导通的功率管t 6t 1 t 1t 2t 2t 3 t 3t 4 t 4 t 5t 5 t 6 f 躬 图1 2定子磁势向量图 f 拍 第一章直流无刷电机的结构及其运行原理 如表1 1 所示。每个状态持续n 3 电角度，这样就在空间上分成6 个区间如图1 2 所 示，与之相对应转子在相应的区间转动，图1 3 是在表1 1 的功率管开关逻辑作用下 三相绕组的导通示意图。 可以看出在一个周期里，每个功率管导通n 3 电角度。逆变桥为横向换相方式。 定子绕组每周期正、反导通各兀3 电角度，正、反电流间隔n 3 电角度。任一时刻定 子有两相绕组通电并产生定子磁动势，随着转子位置信号的变化，定子合成磁动势 以n 3 为步长，步进式地旋转，转子磁场在定子磁动势的作用下与之同步旋转【2 0 1 。 图1 3无刷直流电动机相电流波形图 青岛大学硕士学位论文 第二章d s p i c 3 0 倩性能1 6 位数字信号控制器简介 微电子技术中，大规模甚至超大规模集成电路技术的发展日新月异，计算机芯 片技术获得了高速发展，单片机也不断更新换代，朝着高速化、通用化、专用化和 高性价比以及模拟数字混合集成等方向发展。m i c r o c h i p 公司推出了一款性价比介于 1 6 位单片机和d s p 中低档机之间的电机控制专用芯片d s p i c 3 0 傈列。 2 1d s p i c 3 0 f ，系列单片机的特点 对于电机控制系统，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，m i c r o c h i p 公司推出的d s p i c 器件( 主要产品为d s p i c 3 0 傈列) 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适 合单芯片、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。 由于d s p i c 3 0 f - - - 兼容了单片机和d s p 芯片这两类产品的优点，因此它具有下列特点： 丰富的外围部件，完整的d s p 引擎，改进的中断能力，f l a s h 存储器，灵活的重编程 能力，强大的开发环境，引脚数少，使用优化的高级语言( 方便p i c 系列单片机用户 移植现有的代码) ，类似单片机的用户开发平台。 此外，d s p i c 3 0 f 还可以支持4 m 2 4 位的可寻址f l a s h 程序存储体，以及3 2 k 1 6 位的数据存储空间。相对于其它许多单片机的5 v 供电及d s p 的3 3 v 供电，d s p i c 3 0 f 的供电电压是2 5 5 5 v 。 2 2d s p i c 3 0 f l 驹结构 d s p i c 3 0 繇列芯片采用1 6 位f 数据) 改进型非流水线的哈佛r i s c 结构，同时 具备高性能1 6 b i t 微控制器的控制优点和全面执行d s p 的高运算速度，为嵌入式系统 设计提供紧密耦合的单芯片单指令流。芯片具体结构如图2 1 所示。程序计数器( p c ) 为2 4 位宽，可以寻址4 m 2 4 位的程序存储器空间。 d s p l c 3 0 f 有1 6 个1 6 位的工作寄存器( w 0 - - 一w t 5 ) 。每个工作寄存器都可以作为数 据、寻址或移位寄存器来操作。其中，第1 6 个工作寄存器f 即w 1 5 ) 作为中断和程序调 用的堆栈指针。d s p l c 3 0 f 指令字是2 4 位的，其指令系统有很大的增强，最大特点就 是包含了对d s p 的支持。因为这种d s p 引擎具有1 个高速的1 6 位与1 6 位相乘的乘法 器、1 个4 0 位的a l u 、2 个4 0 位的饱和累加器fs a t u r a t i n ga c c u m u l a t o r ) 以及1 个- 4 0 位的双 向移位器，因而能够明显提高芯片算法能力和周期。因此，这种芯片的指令系统就 分成两大类单片机类和d s p 类。这种指令系统基于高效的c 编译器，支持固有寻 址( 无操作数) 、相对寻址、立刻寻址、存储器寻址、寄存器直接寻址、间接寻址和 移动寻址7 种方式。每条指令都同预先定义的寻址方式有关，而这些预定义的寻址方 第二章d s p i c 3 0 f 高性能16 位数字信号控制器简介 式是由特定功能需求决定的，且每条指令都支持这7 种寻址方式。对于大多数指令， d s p i c 3 0 , f 芯, 片在每个指令周期能够执行数据( 或程序数据) 存储器读操作、工作寄存器 ( 数据) 读操作、数据存储器写操作和程序( 指令) 存储器读操作。因此，它可以支持3 操作数的指令，比如，在一个周期内可以完成a + b = c 的操作。 图2 1d s p i c 系列框图 d s p i c 3 0 , f 芯, 片的数据空间被一分为二分别以x 和y 数据存储器进行引用，可以作 为3 2 k 字( w o r d ) 或6 4 k b ( b y t e ) 进行寻址。每个存储器块都有自己独立的地址产生单元 f a g u ) 。单片机类的指令仅单独通过x 存储器的a g u 单元进行操作，把整个存储器 作为一个线性的数据空间进行寻址。而d s p 类指令的乘法累加器( m a c l 是通过x 和y 的a g u 共同操作的，这样就将数据地址空间分成相对独立的两部分。不过，这样的 x 和y 的数据空间边界是任意的，且是由芯片自身特性决定的。数据空间存储器高位 f l 勺3 2 k b 通过定义8 位程序空间可见页面寄存器p s v p a g ( p r o g r a ms p a c ev i s i b i l i t y p a g e ) ，任意的1 6 位程序字边界中随意地被映射到的程序空间低位( 用户空间1 ，这样 就使得任何指令能够像访问数据空间一样访问程序空间。不过，采用这种方式访问 的执行时间比一般的访问方式要多一个周期。而且，只有每条指令字的低1 6 位才可 以使用这种方法访问。 d s p i c 3 0 , f 芯 片不支持多级指令流水线，而采用单级指令预取机制，就是在可利 用的最大执行时间前的一个周期访问指令。因此，d s p i c 3 0 f i 芯, 片大多数指令是单周 期的。此外，d s p i c 3 0 保列芯片还有一个特征，就是含有由6 1 个区分优先级的向量 青岛大学硕十学位论文 组成的矢量异常处理结构，这些异常情况包括复位( r e s e t ) 、6 个捕捉以及5 4 个中断。 2 3d s p i c 3 0 f l 的接口功能及应用 因为d s p i c 3 0 俱有动态重新配置数据存储器结构，在保留数字信号处理操作所 需的数据存储器接入带宽的同时，还可保持单片机指令通常的数据空间，因此单片机 的外设和使用方式依然不变，并可提供有效的编译性能。 d s p i c 3 0 傈列的p i c m i c r o 结构提供了许多单片机高性能外设，包括单循环指令 和容错振荡器，具有8 种捕获功能和8 种比较功能，以增强脉宽调制的灵活性。 在通信功能方面，d s p i c 3 0 繇列还提供r s 4 8 5 类型的u a r t 、1 2 c 、s p i 、a c 9 7 和c a n ，以扩展外设功能。d s p i c 3 0 俱有一个专用马达控n 电源转换脉宽调制和正 交编码器接口，还具有多达5 个1 6 位计时器、一个看门狗计时器和6 8 个双向输入输 出端口。模拟外设包括1 0 位4 信道高速同步抽样( 每秒钟5 0 0k 采样) 模数转换器、1 2 位模数转换器、可编程节电检测器和可编程低压检测器。在c p u 和外设关闭状态下 或者在c p u 关闭但外设继续运行状态下，看门狗计时器和实时时钟会自动生效，此 时有多种低功率操作模式可选择。锁向环路选项、时钟分频( 分隔) 器、3 2k h z 模式和 一个快速启动内部r c 振荡器模式都可管理功耗。 d s p i c 3 0 f 数字信号单片机还具有m i c r o c h i p 的在线串行编程fi c s p ) 技术，可在器 件安装到主板之后再对其进行编程。这样一来，就提供了极大的灵活性、缩短了开 发和生产周期，加快了产品面市速度。i c s p ( 技术还可降低升级成本，以及制造系统 校准、系统唯二识别码和系统校准的成本。m i c r o c h i p l 拘大多数器件只需两个输入 输出管脚便可进行外插入编程。d s p i c 3 0 f 器件主要应用于三种产品系列：电源变换 和电机控制系列，低管脚数和高处理能力的传感器应用系列，2 8 - - 一1 0 0 管脚封装的 通用器件系列。 马达控制和电源转换系列均具有一个功能全面的p w m 单元和1 0 位高速模数转 换器( a d c l ，适用于无传感无刷直流( d c ) 马达、开关磁阻马达、感应马达、不间断 电源和逆变器。 传感器系列采用1 8 - - 一2 8 管脚封装，主要针对管脚数目少、处理能力高的低成本 应用。一般产品系列的管脚数目为6 4 - 8 0 管脚，针对了众多的大批量应用。d s p i c 3 0 f 器件为众多高性能1 6 位单片机和中等性能的数字信号处理器应用提供了理想的解决 方案。这些应用包括：电动机控制f 无传感器无刷直流电动机、开关磁阻电动机和感 应电动机) ；因特网接入器件：汽车产品( 气囊、车载电脑、线路传动、抗噪音装置 和有源减振控制等) ；功能电话( 来电显示、回音噪声消除、双频多音拨号d t m f 等) ； 数字应答机( 话音压缩) ；低速软件调制解调器；线卡( 回音消除) ：p o s 终端( 加密器、 拨号软件调制解调器) ；自动售货机( 加密、拨号软件调制解调器、事件识别) ：生物 12 第二章d s p i c 3 0 f 高性能16 位数字信号控制器简介 测定安全装置( 指纹识别) ；不问断电源；电源管理和自然语音输入输出( 话音识别合 成系统) 。m i c r o c h i p j e 在开发更多系列支持以上应用。 软件开发与应用上，m i c r o c h i p 的m p l a bc 3 0 编译器完全兼容a n s ic 编译器，支 持d s p i c 3 0 瞄构标准库。它经过高度优化，充分汲取了众多d s p i c 3 0 f 的优点，可提供 有效的软件代码生成。m p l a b c 3 0 的其它功能还包括提供出色的硬件支持，如中断 和外设等。此外，它还能进行源代码级调试，并得至u m p l a b 集成开发环境( i d e ) 的 支持。因此熟知的为p i c l 8 单片机用户设计的现有代码能够转移。 m p l a b 集成开发环境( i n t e g r a t e dd e v e l o p m e n t e n v i r o n m e n t ，i d e ) 可免费使用。 m p l a bi d e 允许用户通过同一个用户界面进行编辑、编译和仿真。可以在与设计 p i c m i c r o 单片机所使用的相l 司环境中为d s p i c 器件设计和开发代码。m p l a bi d e 是 一款3 2 位w i n d o w s 应用程序，它通过一个现代、便利的界面为工程师们提供了许 多高级的功能。 m p l a bi d e 集成了： 功能齐全的用颜色区分代码功能的文本编辑器； 带可视化显示的易于使用的项目管理器； 源代码调试功能； 增强的源代码调试功能，可用于调试c 语言( 结构和自动变量等) ； 可定制的工具栏和键映射； 动态显示处理器状态的状态栏； 上下文关联的互动在线帮助； 集成的m p l a bs i m 3 0 指令模拟器； p r om a t ei i 和p i c s t a r tp l u s 器件编程器( 单独销售) 的用户界面； m p l a bi c e4 0 0 0 在线仿真器( 单独销售) 的用户界面； m p l a bi c d2 在线调试器( 单独销售) 的用户界面m p l a bi d e 可以让工程师： 用汇编语言或c 语言编辑源文件 点击鼠标一次即可编译代码并将其下载蛰 d s p i c 仿真器或模拟器中。 使用以下各项进行调试： 源文件 机器码 混合的源代码和机器代码 13 青岛大学硕士学位论文 第三章控制系统的硬件电路设计 3 1 硬件电路整体设计 通过对无刷直流电机控制系统的分析，进行了基于d s p i c 3 0 f 4 0 11 的无刷直流电 动机高性能实用数字控制系统设计，控制系统硬件结构框图如图3 1 所示。 图3 1控制系统硬件结构框图 其中，d s p i c 3 0 f 4 0 11 通过捕获单元捕捉电机转子位置传感器上的脉冲信号，计 算转子位置，并向智能功率模块i 删s 1 0 u p 6 0 a 输出合适的驱动逻辑电平，再由 其驱动电机旋转。d s p i c 3 0 f 4 0 1 1 根据捕获的霍尔位置传感器脉冲信号的宽度计算出 电机的当前速度，与电机的设定速度比较后，产生转速偏差信号。该偏差信号经p i 调节产生电流参考给定；将该给定参考与实际电流再作比较，产生电流偏差信号， 经p i 算法产生适当的p w m 信号控制电机的转速。d s p i c 3 0 f 通过a d 、i 0 口采集 电机转速设定值和电机的起停、正反转、制动命令来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。 3 2 系统整流电路的设计 整流电路可分为单相桥式和三相桥式两种形式，这主要是由后级逆变器所驱动 的三相交流电动机的额定电压决定。若电动机的额定线电压是3 8 0 伏，需采用三相整 流桥式整流；若额定线电压是2 2 0 伏，则采用单相整流即可。采用整流模块可降低系 统的复杂程度和减小体积，提高了系统运行的稳定性。模块的选型主要是由逆变器 所驱动无刷直流电动机的功率和额定电流决定的，在各整流模块中选择合适的型号 并一定注意两倍左右的裕量1 2 1 】。 该课题选用的电机其额定功率为3 0 0 w ，额定电压为2 2 0 v ，额定电流为1 6 a 。则 l4 第三章摔制系统的硬件设计 所需采用单相桥式整流模块，整流电路如图3 2 ，参数选择如下： ( 1 ) 额定电压：单相整流输出电压的平均值u o = o 9 u 2 ，考虑两倍裕量， u n = 2 u o = 3 9 6 v 其中u 2 = 2 2 0 v 。 ( 2 ) 额定电流：i d = 2 i m = 2 宰芝奉1 6 = 4 5 2 6 a ， - f 根据以上计算，我们选用单相整流模块g s i b l 5 8 0 ，额定电流为1 5 a 。 f u s e l 图3 2整流电路 3 3 智能功率驱动 功率驱动部分是控制系统的个重要组成部分，在我的设计中，采用t i r 公司 的i 删s 1 0 u p 6 0 a ，这一款智能功率集成电路。其特点如下【2 2 】： 集成了门极驱动器和自举二极管； 温度监视； 过温过流停机； 全隔离封装； 欠压锁定所有通道； 所有通道传送延时匹配； 低压侧输出引脚为电流控制； 5 v 史密特触发器输入逻辑； 直通预防逻辑； 较好噪声抑制； 电极功率范围：0 4 0 7 5 k w 8 5 - - - 2 5 3 v a c ； 绝缘电压2 0 0 0 v 。 智能功率集成电路i r a m s l 0 u p 6 0 a 部集成了多种功能电路，大大地简化了系 15 青岛大学硕士学位论文 统硬件电路，而且同分离元件组成的功率驱动电路相比，它的安全性、稳定性和可 靠性都要更好。模块的自举电路和过温过流保护电路需要外围电路协同工作，其它 电路都为内置电路，下面主要说明由内外部电路一起实现的自举电路和过温过流保 护电路，这是该模块正常使用的关键，也是保证闭环速度调节控制系统功能实现的 重要电路。 3 3 1 自举电路 对于每个给高端i g b t 提供门极的3 个高端电路，高端和低端驱动器需要1 个 浮动的电源供电，自举电路是一种非常方便地获得浮动电源的方法，图3 3 给出了 三相开关逆变器驱动电路的其中一相的实现方法，并在下面阐述自举工作的原理， 该电路适用于每一相。当低端i g b t 导通时，自举电容c b 。( 外置) 通过自举二极管 d b 。，电阻如。和低端开关s 2 进行充电，因为s 7 的发射极接近地电位，自举电容c b 。 上的充电电压接近1 5 v 。当低端开关断开时，s ，的发射极电位上升，由于自举电容 c b 。上的充电电压接近1 5 v ，因而自举二极管d b 。反向截止，自举电容c b 。上的电压 为s 7 提供静态电压，对输入的开关脉冲信号进行放大，在使用i r a m s l 0 u p 6 0 a 时， 首先要看3 个外加的自举电容是否都能正常充电，这是自举电路正常工作的关键。 自举电路的功能保证了功率部分可以由单一电源供电，简化了硬件电路，增加了功 率电路的安全性【2 3 】。 3 3 2 过温过流保护电路 图3 3 自举电路 由内外电路构成的过温过流保护电路如图3 4 所示，i r a m s l 0 u p 6 0 a 的2 1 脚 们，仞有双重功能输入引脚为过流触发，热敏电阻所感应出的模拟温度信号是输 出引脚。rn t c 为热敏电阻，过温电路一直有效；过流控制晶体管是常开的。正常工 作时，2 l 脚加5 v 输入；过温时，2 1 脚自动从5v 下降，外控器工作；过流时，过流 控制晶体管工作，集电极为0 v ，2 1 脚无外电源工作，电压自动下降，外控器工作。 过温过流保护电路避免了功率模块因温度过高或电流过大而引起的故障【2 4 1 。 第三章控制系统的硬件设计 3 4 检测电路的设计 图3 4过温，过流保护电路 3 4 1 位置传感器的设计 位置传感器的主要作用有两个：一是检测电机定、转子的相对位置并提供电机 相绕组的换相信号；二是与控制器一起构成转速的反馈环节。 本课题采用的无刷直流电机自带霍尔元件式的位置传感器。该传感器由静止部 分和转动部分两部分组成。静止部分由一组霍尔元件及永磁块组成，固定在电机机 座上；转动部分为一个开有齿、槽的遮光盘( 其齿、槽数分别与电机转子极对数相等) 固定在电机转轴上，随转子同步旋转。通过遮光盘的齿部的遮挡与不遮挡，使霍尔 元件产生高、低电平信号，从而提供了无刷直流电动机的转子位置信息。图3 。5 为位 置传感器安装示意图【2 5 1 。 当电机转轴逆时针转动时，遮光盘的齿部进入霍尔传感器定子内，此时由于永 磁块的磁力线被齿部所短路，磁力线不穿越霍尔元件，霍尔元件输