毕业设计（论文）-无刷直流电机控制系统设计.docx

目录1绪论21.1课题背景及意义21.1.1直流电机的发展及其意义21.1.2国内外相关情况研究综述31.2国内外相关情况研究综述31.2.1带位置传感器的控制方法31.2.2无位置传感器的控制方法41.2.3带位置传感器控制方式和无位置传感器控制方式的比较51.3论文主要内容及结构安排62无刷直流电机的工作原理和数学模型72.1无刷直流电机的基本结构72.2无刷直流电机工作原理72.3无刷直流电机数学模型102.4本章小结113反电势过零点检测电路设计113.1概述113.2反电势过零检测方法分析比较123.3反电势过零检测电路的设计133.4本章小结144控制系统硬件设计144.1总体硬件结构144.1.1 DSP的选择及简介144.1.2控制系统硬件结构174.2 DSP TMS320F2812的最小系统设计184.2.1电源电路设计184.2.2时钟电路设计194.2.3复位电路设计194.2.4 JTAG接口电路设计204.2.5外扩存储器电路设计204.3驱动方案及逆变电路设计214.3.1驱动芯片的选取214.3.2驱动电路设计224.3.3逆变电路设计234.4通信电路设计244.5显示电路设计254.6信号采样电路设计264.7保护电路设计284.8本章小结285总结与展望29参考文献29附录 1 控制系统原理图29附录 2 控制系统PCB29致谢291绪论1.1课题背景及意义直流电机具有良好的机械性能，线性结构以及较为宽广的调速范围，而且启动转矩大，控制线路简单，在伺服系统和换向装置中得到了广泛应用，已经成为工业生产中不可或缺的一部分。然而机械电刷和换向器由于强迫性接触，导致其结构复杂，可靠性差，容易造成接触电阻变化，产生火花、噪音等问题，影响直流电机的速度和性能。因此，人们一直在寻找一个性能更加，无机械换向的直流电机。随着时代的变迁，科技的发展，功率半导体技术和高性能的磁性材料的制造技术的应用，使直流电机成功的实现了从有刷到无刷的跨越。使无刷电机不仅保留了直流电机的优点，而且兼具交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等特点。在此之后，无刷直流电机以惊人的速度发展和推广，自从1962年以来，特别是近二十年的发展，无刷直流电动机已广泛应用于计算机外围设备（如软盘，硬盘，光盘等）、办公设备（打印机，复印机，扫描仪，绘图仪、复印机等）、家用电器（如洗衣机、空调、风扇等）、电教设备（如VCD摄像机、录像机等）、汽车、电动自行车、机床、机器人、医疗设备等方面和领域。为了满足社会发展的需求，对无刷直流电机控制系统作进一步的研究具有重要意义。无刷直流电机的主要由电机本体，电子开关线路以及位置传感器组成。而我们对无刷直流电机的研究也主要集中在这几个方面，对于电机本体的研究主要集中在定子和转子方面，主要就是对绕组的形式和制作材料的研究，要在无刷直流电机的成本和性能优化之间寻找一个平衡点；在电子开关线路的研究中，使用观测电量代替位置传感器是一个主流趋势，通过将电势或电流进行适当的采样处理，通过控制电路和正常的逻辑操作来实现功能；对于位置传感器则主要集中在传感器的性能研究方面，现在最常用的就是霍尔传感器。1.1.1直流电机的发展及其意义第十九世纪中叶，直流电机在工业生产中重大进展。在今后相当长的一段时间，它是凭借高速性能好，控制简单，体积小，成本低的优势取得工业发展的青睐。以直流电机的发展阶段为依据，主要可以分为以下几个阶段：1、实验阶段（18211839）：1821年9月 法拉第进行水银杯转动实验，首次利用电流磁效应将电能转变为旋转运动的机械能。而后在1831年亨利引入“电动机”(electricmotor)这个名词，提出了制造电动机的设想，亨利制成首台摆动式直流电动机。1834年达文波特制成一台直流电动机，并尝试用直流电动机作为原动机，驱动轮子前进，开电动机应用之先河。雅可比在1839年进行的电动轮船实验，进一步推动了电动机的实际应用趋势，它打开了电动机应用的大门。2、初始应用阶段（18731917）：1 873年方丹在维也纳世界博览会上用直流发电机发出的电使直流电动机运转，解决了困扰多年的直流电动机的电源问题(在此以前，直流电动机采用电池作为电源)，推动了直流电动机的应用。工业化的需要使直流电机在理论方面日益完善，逐渐成熟；在结构方面不断改进，走向统一；在产品方面，由小到大，从实验室全面进入实际应用领域。3、推广应用阶段（19551978）：1955年，直流电机的技术得到突破，永磁材料和电子技术的发展，使直流电机换向问题得到解决，并且研制出了没有机械换向结构的无刷直流电机，极大地推动力直流电机的商业化发展。4、智能化阶段：小型化、模块化、高效化是当今电力电子产品的一个主流趋势，电子开关线路的改进、无位置传感器无刷直流电机的出现，印证了直流电机正在顺沿历史的潮流不断发展。1.1.2国内外相关情况研究综述1.2国内外相关情况研究综述无刷直流电机比传统的直流电机更具有竞争力，是因为它的许多优势，它不仅保留了传统的直流电机的诸多优点，还因其应用领域的不断扩大，赋予了无刷电机的新的定义。无刷直流电机已从单一的直流电机的电子换向，发展到具有有刷直流电动机外部特征的换向器。通过永磁材料和电力电子技术的不断进步和发展，尤其是高频率、高功率的开关器件的应用，使直流无刷电机的控制技术也得到了突破。现在，许多电机控制策略，凭借简单的算法、紧凑、运行可靠，控制器可被广泛用于模拟电路的优点，得到广泛使用。当然，现代控制技术的发展对电机控制性能的改善也发挥了不可替代的作用，但随着人们对具有多样性和高精度的无刷直流电机需求的不断提高，使无刷直流电机面临着日益严峻的挑战。因此，对无刷直流电机的控制方法，作进一步的研究具有非常重要的意义。1.2.1带位置传感器的控制方法有位置传感器控制的方法是使用传感器来检测永磁无刷直流电动机的转子位置并且转换成一个电信号传送给控制器，产生正确的换向信号，以确保电机运行良好。常用的位置传感器主要有可变磁阻传感器、霍尔传感器、光电传感器等，目前使用最广泛的是霍尔传感器。图 1.1 有位置传感器的BLCDM控制系统构造框图无刷直流电动机的有位置传感器的控制方法算法简单，且对DSP等控制芯片的性能需求较低，而且控制电路也相对简单，在一定程度上也降低了控制系统的成本。虽然该控制方法具有上述优点，但使用的位置传感器，如霍尔元件等的缺点也日益突出。首先，位置传感器需要在无刷直流电动机的内部安装，它不仅增加了无刷直流电机的体积，也会增加制造过程的难度；其次，当无刷直流电动机运行在具有较高的温度和压力，湿度等恶劣环境中，会降低传感器的可靠性，如果传感器出现故障，不仅维护困难，更可能导致整个系统失效,造成更大的事故；最后，位置传感器的安装精度等对无刷直流电机的性能也有较大影响的。1.2.2无位置传感器的控制方法无位置传感器控制方法是指在无刷直流电动机的定子上不直接安装检测转子位置的信号的位置传感器，但在实际操作过程中，使电机换向的转子位置信号还是需要的。故而，无位置传感器的控制研究核心和关键是设计一个转子位置信号的检测电路，使控制系统可以通过检测电流、电压等物理量，间接获得转子的位置。图 1.2无位置传感器的BLCDM控制系统结构框图无位置传感器控制方法是通过在电机的运行过程中，实时检测电流、电压等物理量,并使用相关算法计算，从而间接获得转子位置信号，使驱动电机正确的换向运行。同有位置传感器控制方法相比，该方法省去了位置传感器，降低了直流无刷电机的尺寸，有相对宽的应用范围，特别是在一些特殊场合，如空调的压缩机电机等，其内部的温度超过120 ，并且充满了高压制冷剂，因此，不能通过传感器来检测转子的位置，只用无位置传感器控制的方法来控制无刷无刷直流电动机。为此,国内和国外的研究人员提出了多种位置信号的检测方法,它们都是利用检测定子的电压、电流等物理量间接获得转子的位置信号,检测方法主要有以下几类:1 、 “反电势法”，顾名思义，该方法通过检测转子位置的反电动势信号来判断转子过零的位置，依据判断方法的不同可以分为以下几类：（1）反电动势过零检测法该方法是反电动势的检测方法之中最简单的，其原理是当永磁无刷直流电动机稳定工作时，每一个时刻通过电机的三相相绕组的，只有两相绕组导通，利用检测不导通相产生的反电势的过零点，再滞后30 就可以得到电机的换向点，从而使反电动势信号可以代替霍尔传感器检的测信号，来对电动机进行相位控制。反电动势过零检测方法，虽然简单，但是这种方法也有它是不可避免的的缺点。首先，需要的滤波电路，从而使得到的反电动势有相位滞后，所以有必要的对其进行相位补偿；其次，重构的电动机中点和直流母线电压的中点的电位并不是在任何情况下都是相等的，它也给反电动势的过零检测带来的误差；最后，电动机处于静止或低速运转时，反电动势的值非常小，并且很难精确地检测到，所以这个方法的低性能差经常需要使用开环起动控制策略。（2）反电动势积分法该方法的原理是将当不导通的反电动势过零与它的绝对值进行积分，并把积分值与预设的阈值进行比较，当达到该阈值时积分停止，那么此时就是绕组的换向点，也就获得了无刷直流电动机的转子位置，并且反电动势积分法对开关信号不是很敏感，因此可以根据电机的转速自动的调整换向的时间，而且还通过调整阈值实现对无刷直流电机的超前或滞后的控制，但因积分累计误差的存在，该方法的低速性能表现较差。2 续流二极管法该方法通过判断反并联续流二极管的导通情况，确定转子过零点的位置，以此通过DSP控制电机的正确换向。当它检测到一个续流二极管的导通状态时，就可以知道反电动势过零点，并进行适当的延时，依次触发功率管的下一个状态。这种方法使电动机的转速的下限可以被加宽，即无刷直流电机获得了更大的调速范围，但是这种方法需要在三相绕组上下2个功率管轮流导通的模式下才可实现，增加了控制的难度，且不易于干扰信号的去除，更重要的是这增加了转子位置检测的误差，无法实现精确控制。由于上述缺点，所以这种方法并未得到很广泛的使用，技术也不是很成熟，但作为无刷直流电机发展的一个趋势值得关注。通过上面的描述和分析可以看出，在无位置传感器控制的检测方法中，反电动势法拥有结构简单、控制方便、成本低的特点，特别是反电动势过零检测法，它最为成熟可靠，而且应用范围也较广，是一种理想的无位置传感器的检测方法。本设计采用的就是这种反电动势过零检测法，在下文中将详细介绍。1.2.3有位置传感器控制方式和无位置传感器控制方式的比较无刷直流电机通过检测转子的位置信号来控制功率晶体管的导通与截止，从而实现无刷直流电机的正确换向运行。有位置传感器的BLCDM控制是利用位置传感器来检测转子运行过程中位置方向，实现各相绕组的正确换向运行，且该控制方法具有结构简单，运营成本低的特点，得到电动车、洗衣机等家电行业的青睐。但是，它也带有不可逆转的缺陷，理由如下所示：(1)妨碍了电机的小型化，安装有位置传感器的无刷直流电机结构复杂，维修成本增加，且过多的机构使体积增大，与电机的小型化发展背道而驰。(2)制造成本增加，在小容量的无刷直流电机中，霍尔传感器的成本所占有的比例过大。类似地，在小容量的正弦电机中使用类似传感器的光电编码器，也将使制造成本增加。( 3 )使用性能差，一台使用霍尔传感器的无刷直流电机将极大地增加电机的引线数量，这使系统的可靠性变差，且给维护和检修带来了极大地不变。(4)信号不精确，控制电路中电子元件都是带弱电的，传感器也不例外，在极端环境条件下，如高温、高压等都会降低传感器的精确度，更糟糕的是如果传感器损坏，将会引起连锁反应，损坏电机和其它设备甚至威胁人生安全。(5 )安装精度高，在有限空间内的，过于复杂的机构，对传感器的安装精度带来极大的挑战，增加了制作工艺难度，使制作成本增加。因此，尽管有位置传感器的驱动模式简单和方便，但其冗余的部件，复杂的结构却限制了有位置传感器无刷直流电动机的发展。相对来说，无位置传感器的无刷直流电机相在这些方面却有诸多优势，在某些恶劣条件下，必须采用无位置传感器的控制方式。所以，对无刷直流电机的控制系统作进一步的研究具有深刻的现实意义。1.3论文主要内容及结构安排本文以无刷直流电机的发展概况为先导，并对有无位置传感器的无刷直流电机的控制方法做了简要的介绍和比较，然后通过对无刷直流电机原理的介绍，建立无刷直流电机的数学模型，并设计了一套兼顾有无位置传感器的无刷直流电机控制系统，并在此基础上对硬件电路进行了设计。本文将采用TMS320F2812作为控制处理器的核心，并以此建立控制系统，其中主要包括：主处理器部分、功率驱动部分、输入输出接口部分、通信接口部分、过压欠压保护部分等，使系统能够实现无刷直流电机控制系统的功能。第1章：通过对无刷直流电机的介绍，使读者对无刷直流电机控制系统有初步的了解，而后以无刷直流电机位置传感器的控制方式为例，引出本论文的研究的研究方向和重点。第2章：描述了BLCDM的各种组件、操作原理和数学模型。第3章：通过对反电动势过零检测法的研究给出无位置传感器的BLCDM的控制系统的设计方法，并引入滤波电路延迟校正。通过比较一些常用设计方案，结合本系统的控制要求，设计了一套无位置传感器BLCDM的转子位置检测电路。第4章:设计了以TMS320F2812为控制核心的无刷直流电机控制系统，并对在设计过程中的芯片的选型，硬件电路设计的原理做了详细介绍。第5章：总结全文。2无刷直流电机的工作原理和数学模型2.1无刷直流电机的基本结构无刷直流电机由永磁同步电机、位置传感器以及逆变器等主要部件组成，实际上可以看做是一台用电子换相装置取代机械换相的直流电动机。从组成部件上看，无刷直流电机和有刷直流电机有很多相同的地方，它的区别在于用装有永磁体的转子取代有刷直流电动机的定子磁极，用具有多相绕组的定子取代电枢，由固态逆变器和轴位置检测器组成电子换相器和电刷，这样就得到了无刷直流电动机，其结构模型如下图所示：无刷直流电机定子是由定子冲片和放置在各个槽中的绕组组成。通常无刷直流电机的定子布局和异步电动机是一样的，不同的只是绕组的组成方式。每相绕组都是由多个线圈组成，每极下的绕组数目都是均等的。根据其定子绕组的反电动势波形，有梯形波和正弦波两种。反电动势波形为梯形波的是无刷直流电机，反电动势为正弦波的就是我们通常讲的永磁同步电动机。无刷直流电机的转子需要根据磁场密度选择合适的永磁体，而铁氧体是很常用的永磁体，它和稀土永磁体相比价格低廉，唯一不足的是磁通密度较小。由第一章的介绍可以知道，无刷直流电机正常工作的关键是依靠转子上的位置传感器，它的检测精确度将直接影响到点击的正常运行。对于众多位置传感器使用最多的就是霍尔传感器，它凭借结构简单，安装方便的特点得到众多厂家的青睐。根据无刷直流电机的众多特点，其原理图如下所示：直流电源开关线路电动机位置传感器输出2.2无刷直流电机工作原理永磁无刷直流电机采用 120方波电流驱动模式,其反电动势为平顶宽 120的梯形波,为了保证电机产生的转矩恒定并且最大,这就要求定子方波电流的通电时刻与反电动势波形有准确的对应关系,并且定子磁场与转子磁场始终保持 90电角度左右的空间角。 为了更加清楚地阐述永磁无刷直流电机的运行原理,下面以两极、三相星形绕组永磁无刷直流电机为例,来分析其换相过程。图 2.2 为永磁无刷直流电机的系统原理图,它采用的是三相全控两两导通的控制方式,即每一时刻有两个功率管导通,每60电角度更换其中的一个功率管,完成电机绕组的一次换相导通,每个功率管每次导通 120电角度。图中 Udc为直流电源,VT1 至 VT6 为功率管,VD1 至 VD6 为相应功率管的反并联二极管,AX、BY、CZ 为电机三相绕组,定义 A、B、C 为三相定子绕组电流的流入端,X、Y、Z 为流出端,并且 XYZ 与电机中点连接在一起。图2.21 无刷直流电机的控制框图当永磁无刷直流电机的转子位于图 2.3a)所示位置时,由转子位置检测电路给出此时转子位置信号,经过位置信号处理器的处理来驱动功率管 VT1 和 VT6 导通,此时绕组 a 相和 b 相通电,电流从 a 相绕组的 A 端流入,从 b 相绕组的 B 端流出。根据电磁感应定律可知,a、b 相的绕组中电流产生的合成磁势为 Fab,转子永磁体的磁势为 Fr,此时 Fab和 Fr的夹角是 120电角度。在定子绕组合成磁势和转子磁势相互作用下,拖动转子向顺时针方向旋转,此时两磁势的夹角逐渐减小,而产生的转矩增大,当夹角达到 90电角度时,此时转矩最大。然后,转子继续按顺时针旋转,夹角和所产生的转矩就会随之减小,当夹角到达 60电角度时,此时所产生的转矩和夹角为 120时的转矩大小相同。 为了避免转矩进一步减小,就必须改变定子绕组合成磁势的方向,从而保证转子继续同方向的旋转。因此,此时需要对定子绕组进行换相,以使定子绕组的合成磁势和转子永磁体磁势夹角恢复120电角度。即关断 VT6,导通 VT2,使绕组 a 相和 c 相通电,电流就会从 a 相绕组的 A 端流入,通过 c 相绕组的 C 端流出,如图 2.3-2所示。此时 a、c 相绕组中的电流产生的合成磁势为 Fac,和之前的 Fab相比就向前进了 60电角度,然后转子继续顺时针旋转,当 Fac与 Fr的夹角减小到 60电角度时,就进行下一次换相。以此类推,使电机正确运行,图 2.3 为电机转子旋转一个电周期内的转子位置及磁势的示意图。 电机转子顺时针旋转一个周期,就需要进行6次换向，换相角度为600。绕组导通的顺序为 ab、ac 、bc 、ba 、ca、cb ,则对应的功率管导通顺序是 VT6VT1、VT1VT2、VT2VT3、VT3VT4、VT4VT5、VT5VT6,在这种控制模式下,得到如图 2.4 所示的理想相电流和反电动势的波形。图 2.22 电机的反电动势与相电流关系2.3无刷直流电机数学模型为了简化数学分析，假定：1. 不考虑齿槽效应和磁路；2. 不计电枢反应，且电枢导体均匀分布在电枢表面，气隙磁场为理想的梯形波；3. 功率管、续流二极管有很好的开关特性。定子绕组的感应电势，如式（2-1）(2-1)式中，电枢感应线电动势；绕组的匝数；电机极对数； 每极磁通；极弧系数；转速。由式（2-1）可知，其它参数不变的情况下，可以通过改变绕组的匝数进行调速。若采用星形连接方式，则数学模型方程如式（2-2）所示：(2-2)、三相端电压和中点电压（V）；、三相绕组电流（A）；电枢绕组电阻（）；、电枢绕组电感、互感（H）；、和三相反电势（V）；中点电压（V）。电磁力矩的方程为（2-3）对上式也可进一步简化成：（2-4）转子角速度；绕组相电流； 各相绕组磁链的最大值；转矩系数； 磁极对数。电机的机械运动方程为：(2-5)其中电磁转矩；负载转矩；粘滞摩擦系数；转子转动惯量。无刷直流电机数学数学模型的等效电路如图2-9所示：图2-9 无刷直流电机数学等效电路2.4本章小结本章主要介绍了无刷直流电动机的构成成分、工作原理，并以此建立了数学模型。通过对运行原理的分析，详细阐述了换相的过程，了解了无刷直流电机的工作过程，为后面控制系统的硬件设计作了准备。3反电势过零点检测电路设计3.1概述“反电动势法”是一款简单实用的BLDCM无位置传感器检测方法，通过对过零点的检测得到转子的位置，这对控制系统运行的稳定性有很大影响，但是，在绕组中的反电动势不能直接测试得到，只能通过间接地方法得到反电势过零信号。现有的研究中提到了多种检测方法，最常用的是通过低通滤波的办法和虚拟中性点比较，从而获得移相90的反电势过零点信号 。由于该方法使用了低通滤波器，会产生移相，影响电机的性能。为了消除这方面的不足， 提出了一种不使用低通滤波器的方法。该方法利用在PWM关断的时刻，检测它的未导通相来获得过零点信号。本节内容主要通过对常用的过零点比较，分析其利弊，设计一种适合本系统的反电势过零点检测电路。3.2反电势过零检测方法分析比较为了解决无位置传感器无刷直流电机的换向问题，研究人员提出各种反电动势过零检测电路，它们各有自己的特性，下面就典型两种反电势过零点检测电路进行分析和比较。我们将上图的设计方法称为方案一。该电路在将相电压经分压后，通过RC滤波电路，将其输出和参考电压的对照，获得反电势过零信号。此外，在比较器的输入端与输出端需要接入反馈电阻。该检测电路中的电阻R110、R101、R102；R110、R111、R112；R120、R12I、R122阻值相等，电容C100、C101、C102的值也相等。参考电压是VDC经过分压后得到。其中，R130和R110，R132和R131的阻值相等，且R132和R131的阻值为R110阻值的12。电容C130的C100的大小也相同。如上所述，电源电压的一半和三相绕组的中性点电压相等，不难得出参考电平等于电机三相绕组中心点电压。根据前面的分析，我们知道其电压等于电机三相绕组中心点电压时，即为反电动势的过零点，所以可以通过和参考电平的比较可以得到反电势的过零点信号。这种检测电路，方法简单而且相移范围小，且对反电势过零点检测的影响较小。但对PWM等低频干扰的抑制不是很理想的。对于方案二，我们这里只画出一相做重点分析。该电路在将相电压经分压后进行积分，由于积分电路的起到滤波和隔直作用，去除了电压信号中绕组中心点的电压。通过比较器把整形后的电平信号和参考电平进行比较，以此得到反电势过零点的位置信号。通过上图，我们可以看出该电路结构较方案复杂，且元件使用较多，增加了干扰。而且，滤波电路使电机凋速范围内的移相角度较大，但对低频信号的抑制效果较好。3.3反电势过零检测电路的设计根据控制系统的控制要求，本课题设计了一种反电势过零点检测电路，如下图图所示。将端电压信号分压，利用滤波电路滤除干扰后，将得到的信号和虚拟中性点的电压信号进行比较获得方波信号，经过光耦隔离把信号传给DSP，再根据得到的信号控制电机换向。以下将详细地描述了各部分电路的作用并进行相应的理论推导。这里取其中一相电路来做具体分析，如图所示，电阻R1 和R2组成的分压电路，把强电信号转换为比较器可以接受的弱电的信号，利用电容器C1滤除高频干扰信号。它们共同构成无源低通滤波器电路的第一级。该信号的直流分量通过电容器C2屏蔽，为避免信号的悬浮，这里引入电阻R3。为了使检测电路产生是90 的移相时，引入电容C3。同时为了防止突变电压损坏比较器，确保电路的稳定性和可靠性，引入二极管D1。光耦隔离电路是为了将强电电路与控制电路有效地隔离，确保系统的稳定性。3.4本章小结本章首先介绍的反电势过零检测电路的一般方法，而后对常用的两种设计方法进行比较，使读者进一步加深对反电势检测法的了解。最后参照案例设计了一套适合本控制系统的反电势过零检测的路，并对其设计原理做了详细介绍。4控制系统硬件设计4.1总体硬件结构4.1.1 DSP的选择及简介DSP作为控制系统的核心，对整个系统的正常运行有至关重要的作用。所以，在控制系统的设计之前，必须选择一个合适的控制芯片。通常来说， DSP根据如下因素选择。1、DSP 芯片的运算速度；2、DSP芯片的价格；3、DSP芯片的硬件资濒；4、DSP芯片的运算精度；5、DSP芯片的开发工具；6、DSP芯片的功耗。 本课题选择的是TMS320F28x系列的32位的定点数字信号处理器，也是目前使用最常见的定点DSP芯片。它承袭了数字信号处理的很多独到之处，精简了指令集，使CPU能够周期地快速执行控制运算操作。其系统框图如下所示： 模拟信号输出D/A模拟信号输入A/DDSP芯片在控制系统中，模拟信号通过A/D转换送给DSP，DSP将经过处理D/A信号转换输出，其中DSP为控制系统的核心环节。F28x系列主要片种为TMS320F2810和TMS320F2812。两种芯片的主要差别是F2812不仅含有128Kx16位的内部存储器，且带有外部存储器接口；而F2810无外部存储器接口，且自带的内部存储器较小。其硬件特征如下表。表4-1 硬件特征TMS320F2812主要性能指标如下：(1) 高性能静态CMOS集成技术 150MHz（6.67ns周期时间） 省电设计（1.8VCore，3.3VI/O） 3.3V 快取可程序电压(2) JTAG扫描支持(3) 高效能32BitCPU 1616 和3232MAC Operations 1616Dual MAC 哈佛总线结构 快速中断响应 4M线性程序寻址空间 4M线性数据寻址空间 TMS320F24X/LF240X程序核心兼容(4) 芯片上(On-Chip)的内存 128K16 Flash(4 个8K16，6 个16K16) 1K16OTPROM(单次可程序只读存储器) L0 和L1：2 组 4K16 SARAM H0：1组 8K16SARAM M0 和M1：1K16 SARAM ,18K16 SARAM (5) 外部内存接口 支持1M 的外部内存 可程序的Wait States 可程序的 Read/Write StrobeTi 三个独立的芯片选择(Chip Selects)(6) 频率与系统控制模块(PLL)进行初始化频率设置 On-Chip振荡器 看门狗定时器模块(7) 三个外部中断(8) 外围中断扩展方块(PIE)，具有多个外围中断(9) 128位保护密码 保护Flash/ROM/OTP 及L0/L1SARAM 防止韧体逆向工程(10) 三个32 位CPU Timer(11) 电动机控制外围 两个事件管理模块(EVA、EVB) 与240ADSP 相容(12) 通讯接口 串行外围接口：SPI模块异步串行通讯接口：SCI模块，标准UART eCAN McBSP(13)数字转换模块(ADC) 28通道的输入多任务采样保持电路 可单一或同步转换 快速的转换率：80ns/12.5MSPS4.1.2控制系统硬件结构本系统的硬件部分由DSP微处理器电路，驱动控电路，光藕隔离电路，显示电路，保护电路等组成。 本系统选用F2812作为无刷直流电机控制系统的核心，它能够高速的进行信号处理、数字控制，为无刷直流电机控制系统提供了可靠的硬件基础，并通过外设扩展实现对电机控制要求。其控制结构如下图所示。DSP2812电平转换霍尔位置传感器BLDC逆变桥信号调理驱动电路液晶显示控制A/DSPIPWM信号发生器信号捕获光耦合电源模块外部扩展转子位置信号电流/压采样图4-1 控制系统硬件结构图直流电4.2 DSP TMS320F2812的最小系统设计4.2.1电源电路设计为了TMS320F2812芯片能够正常有效的工作，对芯片的上电顺序有严格的要求，故本文选用了专门的电源管理芯片TPS767D301。TPS70351系列是TI公司专门为DSP和FPGA等芯片供电而设计的LDO线性稳压器。它提供双路独立稳压输出，且具备电压监测复位(SVS)、手动复位、使能控制以及可编程上电顺序等功能，特别适用于DSP芯片的供电。其引脚功能如下图所示。TPS767D301为双输出可控电源转换芯片，能够控制电压输出顺序。TPS767D301具体硬件电路图，如下图所示。图4.3 TPS767D301电路原理图TMS320F2812的供电电压为3.3V和1.8V，其中核心为1.8V，I/O接口电压为3.3V。设计的基本思想是先使能3.3V输出，利用分压电路，从而获得芯片产生1.8V，实现上电顺序功能，主板上其他芯片所用的+3.3V直流电源也都是由该电路提供。4.2.2时钟电路设计时钟电路保证时序逻辑电路正确运行重要关键部分，必须为系统提供精准的时钟源，从而保证TMS320F2812控制电路的正常工作。TMS320F2812内部有倍频的PLL电路，利用技术资料可确定锁相环滤波器PLLF1和PLLF2之间的电阻电容参数，注意C48、C49必须为无极性电容，PLLVCCA接3.3V电压（旁路陶瓷电容C7取值0.01uF0.1uF接地，同时串联电感进行低通滤波）。在此我们利用锁相环能够，改善系统抗干扰特性，选择30M有源晶振电路为外部时钟，通过PLL可倍频至150MHz，时钟电路如图下图所示。图4.4 时钟电路原理图4.2.3复位电路设计复位电路通常DSP正常工作时重要基本部分，本设计采用简单的手动复位电路如图4-2-3所示，当按下按钮S1时，keydown输出低电平，2812芯片进行复位动作, R16和C16起延时作用，确保复位的可靠性。复位电路如图4.5所示。4.2.4 JTAG接口电路设计DSP仿真器选用合众达的XDS5.10，利用DSP 芯片上扫描仿真引脚实现仿真功能。通过设计去掉引脚6，来解决反插问题，从而避免硬件电路或其他元件的烧坏。在线仿真给调试带来极大方便，JTAG标准接口为4线制：TMS、TCK、TDI、TDO，其功能为选择控制端、时钟控制端、测试数据输入引脚及测试数据输出。定义如表4.2，接口电路设计图见图4.6。图4.6 JTAG 接口电路原理图4.2.5外扩存储器电路设计在视频处理过程中，需要大量的内存空间来存储中间数据，为此就必须在电路中增加SRAM；况且TMS320F2812的内部存储空间很小，许多程序要求有外扩的SRAM，故而应在电气应用中应加上SRAM。TMS320F2812中为用户提供丰富外部存储空间，可扩展1M16b的存储空间。表4.2针引脚及定义引脚名引脚功能定义113VCC 接电源2、4、6、8、10、14GND 接地3nTRST 测试系统复位信号5TDI 测试数据串行输入7TMS 测试模式选择9TCK 测试时钟11TDO 测试数据串行输出12NC 未连接本文选用CYC1021的RAM进行扩展，其容量为64K16bit。通过与门电路使其可以同时存储数量和程序。图4-2-5所示，CYC1021的数据总线和2407数据总线（D0-D15）相连，地址总线和2812的地址总线（A0-A18）对应相连；高位使能BHE和低位使能BLE共地；、分别与DSP读写使能、相连。 图4.7 CYC1021扩展电路电路图4.3驱动方案及逆变电路设计4.3.1驱动芯片的选取 在功率变换装置中，直接驱动和隔离驱动是常见的两种方式功率开关器件的驱动方式。所谓隔离驱动就是将控制电路和驱动电路、主电路等互相隔离。按照他们作用的方式不同，又可以分为光电隔离和电磁隔离两种形式。它们的功能特点如下表所示：光电隔离电磁隔离结构简单复杂响应速度慢快抗干扰能力弱强由上表可知光电隔离和电磁隔离两种方式存在它们各自的优缺点，在实际应用中我们通常需要兼顾着两方面。为此， 美国IR公司设计了IR2110S 这一款驱动芯片，它结合了光电隔离和电磁隔离的优点。在本课题中将选择该种芯片，作为控制系统的驱动芯片。 IR2110S是高电压、高放大率的MOSFET 场效应管。它最大可以驱动500-600V的大功率管。Vcc工作电压为15V，有2个专为PWM信号传递的转换接口，可以方便地和2812进行匹配工作。输出端电压可以达到10-20V,且最大工作频率0.5MHZ。其具体参数如下表所示：参数最小值/ V最大值/ VVBVS + 10VS + 20VS- 4500HOVSVBVCC1020LO0VCCVDDVCC + 4. 5VCC + 20VSS- 5+ 5HIN ,SD ,LINVSSVDD表3-2 IR2110S 工作参数 IR2110S 的内部结构如图所示。它主要由三个部件组成：逻辑输入、电平平移和保护输出电路组成。利用所示驱动芯片的特点，可以为DSP的控制系统设计带来跟多便利。首先利用IR2110S可以极大地减少驱动电源的数量。图3-2 IR2110S内部框图4.3.2驱动电路设计在三相全桥电路中需要3 片IR2110S，即通过 6 路 PWM 信号来控制驱动输出。下面以其中的一相电路来说明它的驱动原理。芯片IR2110S引脚”LIN”与“HIN”和TMS320F2812输出的其中2路PWM脉冲控制信号相连接，PWM触发脉冲控制信号经过芯片IR2110S功率放大后，通引脚“HO”和“LO”来控制功率管的导通和截止。为了防止外界干扰，在芯片输入端的电源引脚“Vdd”和参考地引脚“Vss”之间加入去藕电容。在“SD”端输出高电平时，就会被锁定无法输出，达到保护DSP引脚的功能。而当该“SD”输出低电平时，IR2110S的输出信号就会随着输入信号的变化而变化。在实际电路中需要在电源和参考地之间加入去藕电容，其中“7”和“3”号引脚需要接+12V的外部电源，同时为了能够同时输出HO和LO两路信号，就需要利用自举方式得到悬浮电源。在外部电源与“7”号引脚之间应加入充电二极管，且该管的耐压能力必须大于电路的峰值电压，同时为了最大限度的减小电荷损耗，应使用一个反向漏电流小的快速二极管。4.3.3逆变电路设计 随着电机工作，传感器不断的将转子位置信号传递给DSP，DSP通过处理这些信号获得当前转子位置，再通过改变PWM信号的来控制电机的正常运转。电机驱动电路通过控制桥臂上的功率管导通来控制电机换相，导通顺序V6V1V1V2V2V3V3V4V4V5V5V6。下图为逆变电路原理图。 4.4通信电路设计虽然TMS320F2812的MCB串口有多种工作方式，但是通过串口相应的寄存器并不能直接匹配出符合RS232标准的通信串口，而RS通信串口是自动化控制设备的一种基本通信方式，如PC机或者其他各种基于位处理器的控制装置。通信串口主要与外围设备进行数字通信。由于SCI采用双级缓冲模式，因此提高了传输效率，我们可以根据实际需要选择合适的通信模式。 本控制系统选择德州仪器的MAX232作为通信部件。MAX232与RS-232基准相符，但是因为微机串口RS-232电平是-10V，+10V，而一般的TTL电平是0-5V，MAX232使用时需要作电平转换。MAX232芯片含有两套驱动器/接收器，其中包含一个电容式电压电压发电机，提供TIA/EIA-232-F的5V的电源，且TIA/EIA-232-F的输入输出电压都是5V的TTL/COMOS电平。MAX232的通信电路如下所示： 图4.8 RS-232硬件电路原理图实际应用中，MAX232器件对电源噪声很敏感，因此MAX232的电源端务必要对地加0.1uF去耦电容。而且，为了去除干扰需要在C1+、C1-;C2+、C2_;V+；V-、GND之间加入4个大小为1uf的电容，一提高系统的抗干扰能力。芯片的T1OUT,R1IN引脚分别接到串行插槽的第7、2引脚；T1IN、R1OUT引脚接DSP的SCITXDA1,SCIRXDA1引脚。 另外，MAX232是5V供电，而DSP输出电源是3.3V，因此需要考虑电平转换，否则将无法正常收发数据。如图6所示。4.5显示电路设计使用何种LED芯片对显示系统来说是十分重要的，本设计选取HD77279A作为控制元件，它可同时控制8位共阴极数码管，单片即可完成LED显示、键盘接口的全部功能。HD7279A的内部结构如