研究直流无刷电机控制系统的软件设计

摘 要无刷直流电机是近年来发展起来的一种新型电机，它利用电子换相代替机械换向，既具有有刷直流电 机的体积小，重量 轻，转动惯 量小，不存在励磁损耗、调速性能优越的特点，又克服了有刷直流电机由于电刷环流而引起的磨损，产生火花而又引起噪音，及其对 周围电路带来恶劣影响。同时，无刷直流 电机既具备交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便的一系列 优点， 因此在许多领域得到了广泛的应用，如医疗器械、仪器仪表、化工、及计算机驱动器以及家用电器等方面得到了广泛的应用。无刷直流电机的研究包括: 电机本体的设计研究、换向逻辑的研究、位置检测方法的研究、控制系统的换相控制、正反转控制、制动控制、速度和电流调节等。关键词：无刷直流电机，控制系统， 调速 Study on Brushless DC Motor Control System Software DesignAbstractBrushless DC motor is developed in recent years a new type of motor, it is replaced by the use of electronic exchange of machine-for-to, we have a brush DC motor small size, light weight.small moment of inertia. there is no loss of excitation, speed control performance superior characteristics, but also to overcome as a result of brush DC motor brush wear and tear caused by circulation. producing sparks and noise. and its impact on the adverse effects brought about by the surrounding circuit, At the same time, brushless DC motor with AC motor is simple in structure. reliable operation and easy maintenance of a series of advantages. so in many areas has been widely used. such as medical equipment. Instrumentation. chemical engineering. and computer drives as well as household appliances, etc. receive a wide range of applications. BLDCM study include: the design of the electrical body. reversing the logic of research, methods of position detection and control system for phase control. positive control, brake control, speed and current regulation.Keywords: brushless DC motor, control system, speed 目 录1 绪论.11.1 课题背景.11.2 无刷直流电动机的现状及发展趋势.11.2.1 无刷直流电动机的现状.11.2.2 无刷直流电动机的发展趋势.22 无刷直流电机的工作原理.32.1 无刷直流电机的基本组成及工作原理.32.1.1 基本组成.32.1.2 无刷直流电机的工作原理.42.2 位置传感器.53 无刷直流电机的控制策略.63.1 无刷直流电机的主电路基本类型及通电方式.63.1.1 三相半控电路.63.1.2 三相 连接全控电路 .73.2 无刷直流电机的控制策略.103.2.1 无刷直流电机的 DSP 控制系统 .103.2.2 转速和电流调节.103.2.3 PWM 波控制策略 .113.2.4 无刷直流电机的正反转控制.114 无刷直流电机控制系统的硬件部分.124.1 开关电源.124.2 控制电路部分.13 4.3.1 基于 DSP56F803 的控制电路 .134.3.2 霍尔传感器.135 控制系统的软件设计.155.1 DSP 简介 .155.3 主程序设计.165.4 子程序设计.176 结束语.22致 谢.22参考文献.23附录程序清单.24 11 绪论1.1 课题背景近二十多年来，电力电子技术、 计算机技术、控制理论以及新材料技术都得到了迅速的发展，所有这些都推动着电机控制技术的发展、进步。新材料技 术的发展，例如稀土永磁材料Nd-Fe-B、磁性复合材料的出现，给电机设计插上了翅膀，各种新型、高效、特种电机层出不穷。近年来，永磁电机的研究十分活跃。采用永磁材料激磁，特别是采用高性能稀土永磁材料，可大大提高电动机效率， 缩小电机体积。据不完全统计，500W以下的直流微电机中，永磁电机占92%，而10W以下永磁电机占99%。而在无刷化方面，主要是发展无刷直流 BLDC (Brushless DC)电机，以提高产品的可靠性和寿命。而电力电子技术、计算机技术和控制理论的发展更使得电机调速技术得到很快的发展。新的电力电子器件，高性能的数字集成电路以及先进的控制理论的应用，使得控制部件功能日益完善，所需的控制器件数目愈来愈少，控制器件的体积也日益减小，控制器的可靠性提高而成本日益降低。从而使得电机的应用不再局限于传统的工业领域。而在商业，家用 电器、声像设备、电动自行车、汽车、机器人、数控机床、雷达和各种军用武器随动系统等 领域也得到广泛应用。当前，电子产品正经历着从模拟到数字的转化，在 这场数字化的革命当中，DSP(Digital Signal Processor)器件适时而动，取得了飞速的发展。今天，DSP己经成为通信、计算机、网 络、工业控制以及家用电器等电子产品中不可或缺的基础器件。由于 DSP具有较强的计算能力和较好的实时性，使得算法复杂的现代控制理论能够在实际中得到很好的应用，特别是实时性要求很高的系统，也可以通过DSP实现复杂的智能控制算法。在电力传动这个实时性要求很高的领域，DSP的应用越来越多，例如机器人，机械手等工 业自动化系统；火炮位置伺服等军用设备；洗衣机，空调等家用电器设备；电动自行车等交通工具都用到了DSP控制器电力传动 方案。DSP技术的提高和CPU相似，已经成为决定电子产品更新换代的决定因素之一。用DSP 进行电力传动系统的设计，是未来电力传动系统实现数字化，智能化的发展方向。1.2 无刷直流电动机的现状及发展趋势1.2.1 无刷直流电动机的现状国外在无刷直流电动机发展的早期，主要致力于将更加先进的电力电子器件和材料应用于无刷直流电动机以提高它的性能。但无刷直流电动机在低速运 2行时的转矩波动过大，这是采用优良的电动机设计和先进的器件所无法从根本上取得突破的瓶颈。在八十年代以后，随着磁性材料(尤其是高性能的稀土永磁材料)、电力电子器件和专用控制器的迅速发展，明显改善了无刷直流电动机特性的同时，人们又把对无刷直流电动机研究的目光转移到电子换向、稀土永磁材料以及智能控制三个方面，试图来抑制无刷直流电动机的转矩波动。我国无刷直流电动机的研制工作开始于70年代初期，主要是为我国自行研制的军事装置和宇航技术发展而配套。由于数量少，由某些科研单位试制就能满足要求。经过20多年的发展，虽然在新产品开发方面 缩短了与国际先进水平的差距，但由于无刷直流电动机是集电动机、微 电子、电 力电子、控制、计算机等技术于一身的高科技产品，受到我国基础工业落后的制约，因此无论产量、 质量、品种及应用与国际先进水平有着较大的差距，目前国内的研制单位虽不少，但形成一定批量的单位却屈指可数，而且其中绝大部分属于低档的无刷风机，产品的市场竞争能力不强。但无刷直流 电动机的应用前景十分广阔，我国的科研单位正致力于吸收国外先进的技术，开 发出具有市场竞争能力的产品。1.2.2 无刷直流电动机的发展趋势由于电子元器件已能做到高电压、大电流，所以目前电机正向高电压、大 电流发展；正弦波PWM电流驱动技术、新的控制方式和策略都使得无刷直流 电动机得到进一步发展。无刷直流 电动机性能的改进离不开高性能材料的应用，首先是永磁材料性能的提高，研制和采用磁性能更好，温度特性更佳，防腐防锈特性更佳，价格更便宜的稀土材料是一个关键。在 导电材料上，国外已经普遍采用了无氧铜线，它的电阻率小，更可贵的是硬度小，易整形，下线方便。另外，绝缘材料、新型导磁材料、高速运行时 的轴承以及结构材料的塑料化都是很有意义的课题。提高无刷直流电动机的性能， 应该进一步解决的问题首先是削弱或消除转矩的脉动，尤其是用于视听设备 、电影机械、 计算机中的无刷直流 电动机，要求运行平稳，无噪声。在 这些应用场合的电动机，大多数 为 小功率、小尺寸的电动机。为了改进性能，利用计算机进 行模拟、分析、计算和比 较。研究气隙磁场形状、磁极形状结构和充磁技术，选择 合适的极对数和槽数以及合适的槽口尺寸。为了满足各种要求，已开发了各种类 型的无刷直流电动机，如无槽电机，定子 铁芯无齿槽，定子绕组直接放置于定子铁芯上；盘式电机，具有两个轴向的气隙，在小容量的情况下，这种电机容易做到低噪声、低震动、低转矩脉 动、高效率和高功率密度。与有刷直流电动机相对应，新品种中还包括:无刷直流力矩 电动机、无刷直流直线电动机、无刷直流有限转角 电动机、低 惯量无刷直流 电动机、 电磁超微型电动机等。变结 构控制、无传感器控制、 遗传算法和模糊控制的复合控制都将使无刷直流电动机的系统性能更加优越。32 无刷直流电机的工作原理2.1 无刷直流电机的基本组成及工作原理2.1.1 基本组成图1 无刷直流电动机的结构原理 图无刷直流电动机的结构原理如图1所示。它主要由电动机本体、 位置传感器和电子开关电路控制器三部分组成。电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他起 动装置，其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相不等），转子由永磁钢 按一定极对数(2p=2，4, )组成，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连接。在图2-1中A 相、B相、C相绕组分别与功率开关管(VT1 ，VT4),(VT3，VT6),(VT5，VT2)相接，磁极位置传感器跟踪转子与电动机转轴相连接。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磁钢位置变换成电信号，去控制 电子开关电路，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 变化而按一定的次序换相。随着转子的转动，位置传感器不断的送出信号，以改变电枢绕组的通电状态，使得在某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变， 这就是无刷直流电动机的换流原理。由于电子开关电路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换相器的换相作用。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电路、永磁同步电动机以及位置传感器三者组成的“ 电动机系统”。其原理框图如图2所示。2.1.2 无刷直流电机的工作原理直流电 源 开关电 路 电动机位置传感器n图 2 无刷直流电动机的原理框图VT4 VT6 VT2VT1 VT3 VT5+-ABCMVT1 VT2 VT3 VT4 VT5 VT64众所周知，一般的永磁式直流电动机的定子由永磁磁钢组成，其主要作用是在电动机气隙中产生磁场，其 电枢绕组通电后产生电枢磁场。由于电枢的换向作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持相互垂直，从而产生转矩而驱动电动机不停地运转。无刷直流电动机为了实现无电刷换向，首先把电枢绕组放在定子上，永磁磁钢放在转子上， 这与 传统直流永磁电动机的结构刚好相反。但仅这样做还是不行的，因为用一般直流 电源给定子上各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子转动。所以，无刷直流 电动机除了由定子和转子组成电动机的本体以外，还要有位置传感器、控制 电路以及功率开关共同构成的换向装置，使得无刷直流电动 机在运行过程中定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁钢所产生的永磁磁场，在空间始终保持在 左右的电角度。下面以rad)2/(图2-1和 图2-3为例(两两导 通、 Y连接、三相六状 态) 加以简要说明:图3 永磁无刷直流电动机工作原理示意 图当转子永磁体位于图3a 所示位置 时，转子位置传感器 输出磁极位置信号，经过控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使功率开关管 、 导通，即 绕组A、B1VT6通电，A 进B出，电枢绕组在空间的合成磁势 ，如图3a 所示。此时定转子磁场相aF互作用拖动转子顺时针方向转动。电流流通路径为: 电源正极 管A相绕组1B相 绕组 管电源负极。当 转子转过60 0电角度，到达 图中3b位置时，位6VT置传感器输出信号，经过逻辑变换后使开关管 截至， 导通，此 时 仍导6VT21VT通。则绕组 A、C通电，A 进C出， 电枢绕组在空间合成磁场如图3b中 。此时定转aF子磁场相互作用使转子继续沿顺时针方向转动。电流流通路径为:电源正极管A相绕组C相绕组 管电源负极，依次类推。当转子继续沿顺时1VT2VT针每转过60 0电角度时，功率开关管的导通逻辑为 32VT45VT ，则转 子磁场始终受到定子合成磁场的作用并沿顺时针方向651连续转动。5在图3a到 b的60 0电角度范 围内，转子磁场顺时针连续转动 ，而定子合成磁场在空间保持图3a 的 的位置不 动，只有当 转子磁场转够 600电角度到达图3b中 的aF fF位置时，定子合成磁场才从图3a中 位置顺时针跃变 至 的位置。可见定子电aFfF流产生的磁场在空间不是连续旋转的磁场，而是一种跳跃式旋转磁场，每个步进角为60 0电角度。当转子每转过60 0电角度时，逆变器开关管之间进行一次换流，定子通电状态就改变一次。可见，电机有6个状态，每一状 态都是两两 导通，每相绕组中流过电流的时间相当于电角度120 0。两两导通、 Y连接、三相六状态无刷直流电动机的三相绕组与各开关管导通顺序的关系如表1。表1 两两导通Y连接三相六状 态时绕组合开关管导通顺序表电角度 00A B C导通顺序 B C A BVT2VT3VT4VT52.2 位置传感器位置传感器在直流无刷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，即将转子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相。位置 传感器种类较多，且各具特点。目前在直流无刷 电动机中常用的位置传感器有以下几种：电磁式位置传感器、光电式位置传感器和磁敏式位置传感器。VT1VT6600 1200 1800 2400 3000 36006图 5 三相半控电路中位置传感器信号波形3 无刷直流电机的控制策略3.1 无刷直流电机的主电路基本类型及通电方式3.1.1 三相半控电路常见的三相半控电路如图 4 所示。图中， 、 、 为电动机定子 A、B、C 三相绕组 ， 、 和 为三只aWbc 1VF23MOSFET 功率管，主要起开关作用。 、 和 为来自转子位置传感器的信号。1H23在三相半控电路中，要求位置 传感器的输出信号 1/3 周期为高电平，2/3 周期为低电 平，并要求各传感器信号之间的相位差也是 1/3 周期，如图 5 所示。当转子磁钢位置如图 6a 所示 时，要求 处于高电 平，1和 均处于低电平。 导通， A 相绕组通电，由左手定2H31VF则可知，在电磁力作用下，转子沿顺时针方向旋转。当 转子磁钢转到图 6b 所示的位置时， 处于高电平， 和 均处于2H13H低电平， 导通，B 相绕组通电，A 相绕组断电。在转子磁钢2VF同 B 相 绕组产 生的电磁力的作用下， 转子继续沿顺时针 方向旋转，到 图 6c 的位置时，位置 传感器 处于高电平， 和31均处于低电平， 导通，C 相绕组通电。在 C 相绕组所2H3产生的电磁力作用下，转子 继续沿顺时针方向旋转，而后回到图 6a 的位置，再 继续重复上述过程。在 电流恒定的情况下，三相半控电路转矩波形如图 7 所示。3.1.2 三相 连接全控电路三相半控电路的特点是简单。但电动机本体的利用率很低，每个绕组只通电图 4 三相半控电路图 7 三相半控电路恒电流下的转矩波形图 6 绕组通电同转子磁钢位置的关系71/3 时间，另外 2/3 时间处于断开状态，没有得到充分利用。由图 7 可知，在运行过程中其转矩的波动较大，从 到 。所以在要求比较高的场合，一般均采2/mT用三相全控电路。下面着重讨论下三相绕组 连接的情况。图 8 示出了一种三相全控电路，在该电路中， 电动机三相绕组为 连接。、 、 为六只 MOSFET 功率管，起绕组的开关作用。 、 和1VF26 1VF3为 P 沟道 MOSFET,其 栅极为低电平时导通， 、 和 为 N 沟道5 246MOSFET，其栅极为高电平时导通。它们的通电方式又可分 为两两导通方式和三三导通方式两种。图 8 Y 连接绕组三相全控桥式 电路（1）两两导通方式 所谓两两导通方式是指每一瞬间有两个功率管导通，每隔 1/6 周期（60 0电角度）换相一次，每次 换相一个功率管，每一功率管 导通 1200电角度。各功率管的导通顺 序是 、 、 、 、 、21VF34VF56VF。当功率管 和 导通时， 电流从 管流入 A 相绕组，再从 C 相绕16VF121组流出， 经 回到电源。如果认定流入绕组的电流所 产生的转矩为正，那么从2绕组流出的绕组所产生的转矩则为负，它们合成的转矩如图 9a 所示，其大小为，方向在 和 的角平分线上。当 电机转过 600 后，由 通电换成aT3acT 21VF通电。这时，电流从 流入 B 相绕组再从 C 相绕组流出，经 回到电2VF3VF源，此时 合成转矩如图 9b 所示，其大小同 样为 。但合成 转矩 的方向转过aT3bcT了 600电角度，但大小始终 保持 不变， 图 9c 示出了全部合成转矩的方向。a图 9 两两导通时合成转矩矢量图a) 和 导通 时合成转矩 b) 和 导通时合成转矩1VF2 2VF3c) 两两导通时合成转矩矢量图8所以，同样一台直流无刷电机，每相 绕组通过与三相半控电路同样的电流时，采用三相 连接全控电路，在两两换相的情况下，其合成转矩增加了 倍。每 3隔 600电角度换相一次，每个功率管导通 1200，每个绕组通电 2400，其中正向通电和反向通电各 1200，其 输出转矩波形如图 10 所示。图 10 全控桥输出波形图由图 10 可以看出，三相全控时的转矩波动比三相半控时小得多，仅从 0.87到 。如将三只霍尔集成 电路按相位差 1200 安装，则他们产生的波形如图mT11a 所示。（2）三三通电方式 所谓三三通电方式，是指每一瞬 间均有三只功率管同时通电，每隔 600换相一次，每个功率管通电 1800。他 们的导 通次序是 ，321VF， 、 ， ， 。当 导通时，432VF543654VF165216VF6电流从 流入 A 相绕组 ，经 B 相绕组和 C 相绕组（这时 B、C 两相绕组为并联）1分别从 和 流出。这时流过 B 相和 C 相绕组 的电流分别为流过 A 相绕组的62图 11 全控桥两两通电电路原理图a) 传感器输出波形 b) 原理 图9一半，其合成转矩如图 12 所示，方向同 A 相，而大小为 1.5 。经过 600电角度aT后，换相到 通电，即先关断 后导通 。这时电流分别从 和321VF6VF31VF流入，经 A 相和 B 相绕组（相当于 A 相和 B 相并 联）再流入 C 相绕组， 经3VF流出，合成转矩如图 12b 所示。其方向与 -C 相同，转过了 600，大小仍然是21.5 。再经过 600电角度后，换相到 通电，而后以此 类推。它们的合成aT 432转矩矢量图如图 12c 所示。图 12 三三通电时的合成转矩矢量图a) VF6VF1VF2导 通时合成转矩 b) VF1VF2VF3导通时合成转矩 c) 三三通电时的合成转矩3.2 无刷直流电机的控制策略控制策略指电动机运行是对哪些参数进行控制，如何进行控制使电动机达到规定的运行状况（如规定的转速、转矩），并使 电动 机保持较高的性能指标（如效率、温升等）。本节给出了无刷直流电动机控制的基本策略，包括无刷直流 电动机的转速调节、正反转控制及 PWM 波控制。3.2.1 无刷直流电机的 DSP 控制系统我们知道，在两两导通的情况下无刷直流电机的转矩基本上和相电流成正比。由这 个结论可以得到以下的BLDCM 的控制方案：S_PII_PPWM三 相 逆 变速 度 计 算SpedSped_ref+ +_ref- PositonI_phase BLDC图13 无刷直流电机的DSP控制系统在本系统中，三个霍尔传感器的信号分别连接到DSP56F803 的PHASEA0、PHASEB0 和 INDEX0端口。系统根据检测到的位置信号情况判断电机处于哪个区间，并根据两次捕获的时间差计算出电机运行速度。此速度作为速10度参考值 的负反馈，然后经过转速PI 调节后，得到参考电流 。refSpd_ refI_另外，由霍尔电流传感器可以得到相电流 信号，此信号作为 的负phaseI_反馈，经过电流PI调节后，调节PWM输出的占空比，这样可以根据电机运行情况而调节逆变器IGBT管的导通时间，使电机的速度满足设定的要求。为了获得良好的静动态性能，两调节器一般采用PI 调节器，并且两个调节器的输出都是带限幅的。转 速调节器的输出限幅决定了电流调节器给定电流的最大值， 电流调节器的输出限幅限制了功率管输出电压的最大值。3.2.2 转速和电流调节本设计中，我们采用了双闭环调速系统，即 对转速和电流都进行PI调节。其中，转速 环作为外环，电流环作为内环。（1）转速PI调节转速调节器是整个系统的外环，它使转速随给定转速变化,静态无误差，并且其输出限幅为允许的最大限幅，对负载的变化起抗干扰能力。本系统通过键盘设定电机给定速度。速度反馈 信号与给定的速度信号相减得到速度误差，经过一个简单的PI 算法即可得到新的电流参考值：（2）电流PI调整电流调节器使电流在速度调节中跟随给定转速变化，起动时获得最大的允许电流， 过载时限制电枢电 流最大值，同 时对电网电压 起抗干扰能力。其 实整个电流调整过程也就是PWM 输出信号的变化过程，通 过调整PWM 信号的占空比就可以调整电流的平均值。 PWM 波的脉冲宽度由参考电流与检测电流之间的误差决定，调整过程如下：（式1）measurdreferoIIerokikerokropoldnew IKIKcyutPWMcyldutPWM)(_ 1（式2）其中 -为电流反馈测量值。measurdI-为电流 环比例系数；pK-为电流环积分系数；i经过一个PI调节器产生一定的PWM波。电流误差 的大小正负决定eroI eroI了PWM 波脉宽的变化。当 等于零时，PWM的脉宽不变；当 过大即参考eroI电流大于实际电流很多，则计 算所得的PWM 脉宽可能超过PWM 周期，就令 PWM的脉宽为整个周期，此时输 出最宽的PWM 波，最快的增大转速；当 过小（为eroI负值）即参考电流小于实际电流很多，可能使PWM 脉宽小于零，则令PWM的脉宽为零，此 时以较快的速度降低 转速。113.2.3 PWM 波控制策略本系统采用PWM 波控制方式，通 过调整PWM 波的占空比调节绕组电压平均值，进 而能间接限制和调节绕组电流的大小， 实现转 速的调节。在 这里PWM 波频率是固定的，其占空比根据电流误差得到，因而在这种情况下电流与电流的变化率都是可控的。PWM 波频率越高，斩波得到的平均电压越均匀，电流的脉动越小，但频率的提高却使电路损耗增大，对 功率管的要求也越高，所以 PWM 频率应根据实际选择合适的范围。本系统 PWM 频率设定为 5kHz 左右， 实验证明，运行效果良好，噪声较低。3.2.4 无刷直流电机的正反转控制在一般直流电动机运行过程中，只要改变磁场方向或改变电枢电压的极性，均可改变其转向。但这些方法均不能适用于无刷直流电动机，因为无刷直流电动机的磁通量由永磁钢产生，无法改变方向。由于半 导 体的单向导通性， 电源电压反接很不方便，在这种情况下，可以通过控制定子绕组 的换相次序来改变其转动方向。124 无刷直流电机控制系统的硬件部分4.1 开关电源电源直接关系到控制系统是否能够正常工作，电源的品质也影响着 A/D 转换的精度。本系统使用了性能 稳定的开关电源。开关电源具有体积小、效率高、自身抗干扰性强、输出电压 范围宽等优点，其原理框图如下：斩 波电 路整 流电 路 变 压 器 降压 、 隔 离 滤 波 、 稳压 电 路控 制 电 路交 流 直 流 直 流图 14 开关电源原理图工作原理为：380V 的交流电经过整流电路得到一直流 电压，再由 电流控制型脉宽调制器芯片 LT1244 来控制大功率 MOS 管 2SK1317 不断的导通和关断，对直流电压进行斩波，然后通 过高频变压器的降压作用得到频率较低的矩形波电压，最后整流滤波后得到一比 较平滑的直流电压， 为 控制电路提供电源。 电源通过控制 MOS 管 2SK1317 的导通和关断的占空比来达到控制输出直流电压的目的。本系统的电源电路产生的电源电压等级有：15V、12V 、+24V 和+8V。每种电压对不同的模块进行供电。 电路转换如图 15 所示。图 15 电源分配图风扇 驱动电路霍尔电流传感器继电器IC电流采集电路+8V/+5V转换电路单 片机霍尔位置传感器+5V/+3.3V转换电路LM358+24V-15V+15V-12V+12V+8V +5V+3.3V开关电源DSP134.2 控制电路部分4.3.1 基于 DSP56F803 的控制电路电路原理框图如下：系统工作过程如下：上电后，数码管显示初步设定的转速，此 时数字处于闪烁状态，通 过键盘的“增加/减少”按钮将转速调 至要求值，按 “确认” 键后，数字停止闪烁，表示 设定完成；然后，选择“ 正转/反转”，按“确认” 键；最后，按“ 开机”键，电机启动。在电机运行过程中，DSP 实时检测相电流、霍尔传感器的信号，处理后将电流值和转速值传送给单片机进行显示，并根据霍尔位置信号决定 IGBT 的导通次序。同时 ，系 统检测母线电压，接受欠 压中断；根据程序 进行 D/A 输出，调整电流斩波量。另外，在运行中可直接通过“增加/减少” 键 来调整转速。按“停机”键或系统检测到有故障 发生，系 统封锁 IGBT 输出，电机进入制动状态，最 终停止转动。4.3.2 霍尔传感器对于大多数有位置传感器的永磁无刷电机来说，除了采用光电编码器之外，其位置信号通常采用霍尔（HALL）位置传感器。霍尔元件是一种半导体器件，它是利用霍尔效应制成的，其基本原理是将矩形半导体薄片置于磁场中，在薄片两侧通以电流（控制电流），则在薄片的另外两侧会产生一个电势（霍尔电势）,其原理如图17所示。电源电路相电流、母线电压霍尔位置传感器模拟量输出欠压保护继电器驱动IGBT 选通信号斩 波电路数码显示键盘电路ADCDACPWMGPIO05SCIDECDSP56F803 MC68HC908GP32单片机图 16 控制电路原理框图14图17 霍尔元件原理图对于一定薄片的霍尔电势E由以下式表示：（式 3）（式 4）式中： 霍尔系数（ ）；HRCm/3控制电流（A）；IB磁感应强度（T）；d薄片的厚度（m）；材料电阻率（m）；材料迁移率（ ）。sV/2若上式各常数项用 代之， 则： （式 5）HKBIKEH式中 霍尔电势系数或称灵敏度。HK当磁感应强度 B 和霍尔元件的平面法线成一角度 时，那么，实际上作用于霍尔元件的有效磁场是其法线方向的分量，即 。此时霍尔电动势为：cos（式 6）BIEH上述霍尔元件所产生的电动势很小，在应用时往往要外接放大器，很不方便。随着半导体集成技术的发展，将霍尔元件与半导体集成电路一起制作在一块硅片上，这 就构成了霍尔集成 电路。810dBIREH15图 18 霍尔元件内部原理图5 控制系统的软件设计5.1 DSP 简介DSP 数 字 信 号 处 理 (Digital Signal Processing，简 称 DSP)是 一 门 涉 及 许多 学 科 而 又 广 泛 应 用 于 许 多 领 域 的 新 兴 学 科 。20 世 纪 60 年 代 以 来 ，随 着 计算 机 和 信 息 技 术 的 飞 速 发 展 ，数 字 信 号 处 理 技 术 应 运 而 生 并 得 到 迅 速 的 发展 。数 字 信 号 处 理 是 一 种 通 过 使 用 数 学 技 巧 执 行 转 换 或 提 取 信 息 ，来 处 理 现实 信 号 的 方 法 ，这 些 信 号 由 数 字 序 列 表 示 。在 过 去 的 二 十 多 年 时 间 里 ，数 字信 号 处 理 已 经 在 通 信 等 领 域 得 到 极 为 广 泛 的 应 用 。DSP（digital signal processor）是 一 种 独 特 的 微 处 理 器 ，是 以 数 字 信 号 来处 理 大 量 信 息 的 器 件 。其 工 作 原 理 是 接 收 模 拟 信 号 ，转 换 为 0 或 1 的 数 字 信号 ，再 对 数 字 信 号 进 行 修 改 、删 除 、强 化 ，并 在 其 他 系 统 芯 片 中 把 数 字 数 据解 译 回 模 拟 数 据 或 实 际 环 境 格 式 。它 不 仅 具 有 可 编 程 性 ，而 且 其 实 时 运 行 速度 可 达 每 秒 数 以 千 万 条 复 杂 指 令 程 序 ，远 远 超 过 通 用 微 处 理 器 ，是 数 字 化 电子 世 界 中 日 益 重 要 的 电 脑 芯 片 。它 的 强 大 数 据 处 理 能 力 和 高 运 行 速 度 ，是 最值 得 称 道 的 两 大 特 色 。DSP 芯 片 ，也 称 数 字 信 号 处 理 器 ，是 一 种 特 别 适 合 于 进 行 数 字 信 号 处 理运 算 的 微 处 理 器 器 ，其 主 要 应 用 是 实 时 快 速 地 实 现 各 种 数 字 信 号 处 理 算 法 。根 据 数 字 信 号 处 理 的 要 求 ，DSP 芯 片 一 般 具 有 如 下 主 要 特 点 ： （1）在 一 个 指 令 周 期 内 可 完 成 一 次 乘 法 和 一 次 加 法 ； （2）程 序 和 数 据 空 间 分 开 ，可 以 同 时 访 问 指 令 和 数 据 ； （3）片 内 具 有 快 速 RAM，通 常 可 通 过 独 立 的 数 据 总 线 在 两 块 中 同 时 访 问 ；（4）具 有 低 开 销 或 无 开 销 循 环 及 跳 转 的 硬 件 支 持 ； （5）快 速 的 中 断 处 理 和 硬 件 I/O 支 持 ； （6）具 有 在 单 周 期 内 操 作 的 多 个 硬 件 地 址 产 生 器 ； （7）可 以 并 行 执 行 多 个 操 作 ； （8）支 持 流 水 线 操 作 ，使 取 指 、译 码 和 执 行 等 操 作 可 以 重 叠 执 行 。 当 然 ，与 通 用 微 处 理 器 相 比 ，DSP 芯 片 的 其 他 通 用 功 能 相 对 较 弱 些 。5.2 基于 DSP56F803 的系统软件设计本系统的软件设计采用 DSP56F803 的 C 语言编程，实行模块化设计，增加了程序的可读性和移植性。 对于本系统而言，控制 软 件应主要实现如下功能：根据位置信号的状态决定 IGBT 通断信号的时序；A/D 采集和 D/A 输出；启动时电16流斩波；转速和电流双闭环调节；DSP 与单片机通信功能。本软件中主要程序模块为：主程序、定时中断、 PWM 参数重载中断、A/D 采集、D/A 输出、捕捉中断、IRQA 和 IRQB 中断、速度计算、转速和电流环 PI 调节以及 DSP 与单片机通信等。5.3 主程序设计主程序流程图如下：主程序主要完成 SDK 的初始化，斩波电流的初始化以及根据位置信号和正反转信号输出相应的相通断信号。（1）SDK 初始化SDK 初始化子程序主要完成以下模块的初始化： 相位检测模块的初始化； ADC 初始化； DAC 初始化； 通用输入输出口（GPIO）初始化;开始SDK 初始化检测控制信号（启动/停止、正/反转）读取霍尔位置传感器的信号根据位置信号的不同组合状态决定 IGBT 的导通相序图 19 主程序流程图17 串行外设接口 SPI 初始化； 串行通信接口 SCI 初始化； PWM 模块初始化； 定时器模块初始化；（2）斩波电流的初始化/* Initialize currentmax,currentmin */currentset=0x1E; /电流 斩波基值Idelt=0x0C; /电流斩波偏移量currentmax=currentset+Idelt;currentmin=currentset-Idelt;gpioIoctl(PortE,GPIO_CLEAR,gpioPin(E,6), BSP_DEVICE_NAME_GPIO_E);write(SerialMaster,(UWord16*) (&dacontrolword), sizeof(dacontrolword); write(SerialMaster,(UWord16 * )(¤tmin), sizeof(currentmin); gpioIoctl(PortE,GPIO_SET,gpioPin(E,6), BSP_DEVICE_NAME_GPIO_E); gpioIoctl(PortE,GPIO_CLEAR,gpioPin(E,7), BSP_DEVICE_NAME_GPIO_E);write(SerialMaster,(UWord16*)(&dacontrolword),sizeof(dacontrolword); write(SerialMaster,(UWord16 * )( gpioIoctl(PortE,GPIO_SET,gpioPin(E,7), BSP_DEVICE_NAME_GPIO_E); 5.4 子程序设计（1）ADC 完成中断子程序ADC 完成中断子程序主要是计算采集到的三相相电流和直流母线电压。设 ADC 结果寄存器的值为 Value，则实际采集的模拟量的值由下式计算：（ 式 7） 式中，K 为常数，由 传感器的传输比例、采样电阻值和放大电路决定。另外，该子程序还将测得的电流值与设定值相比较，以判断电机是否过流或KValue3.2760alue_rl18过载。（2）模拟量输出子程序该系统 DAC 应用 MAX550 芯片， 该芯片可连续输出 05V 的模拟电压量。设输出寄存器的值为 D_value，则输出的模拟量由下式计算所得：（式 8）（3）PWM 参数重载中断程序在 PWM 控制寄存器中，参数重载频率可以设定，即每 1 到 16 个 PWM 可重载时机重载一次。在中心对齐 方式下，如果半周期参数重载允许，那么周期开 头和半周期处都属于可重载时机，这个半周期处就是计数值等于计数模值处。如果半周期参数重载不允许，那么 仅仅是在每个周期开始处属于可重载时机。在边对齐方式下，只允许整周期重 载。重载允许位 LDOK 允许重载 PWM 发生器的预分频因子、 PWM 计数周期、PWM 脉 宽。LDOK 可以防止 软件在计算好这些参数之前就重新 载入 PWM 发生器。将 LDOK 位置 1 后的下一次 PWM 参数重载时 ，这些参数被载入 PWM 发生器。当参数重载发生后，重载标志 PWMF 将被置位。如果 PWM 重载中断允许PWMRIE 置位，那么 PWMF 将产生 CPU 中断请求，使得软件可以实时更新PWM 参数。（4）PWM 错误中断程序PWM 模块具有出错保护功能。出错保护功能模块可以使任意 P