基于dsp的无刷直流电机调速系统设计

1、安徽工程大学机电学院毕业设计（论文）基于 DSP 的直流电机调速系统设计摘要无刷直流电机（简称BLDCM ）是一种新型的机电一体化产品，它既具备异步电机结构简单、运行可靠和维护方便的特点，又具备直流电机调速性能好的特点，因此实现无刷直流电机自动控制技术具有相当大的理论研究价值和实际应用意义。本文在掌握无刷直流电机工作原理，并比较分析目前关于无刷直流电机控制系统研究成果的基础上，对无刷直流电机调速控制系统进行了重点研究。利用无刷直流电机的相变量建立其数学模型，提出具体的调速控制方法，并在此基础上设计出想关的控制算法和系统软、硬件。本文首先论述了无刷直流电机的基本工作原理、组成环节、运行特性和传递

2、函数。根据无刷直流电机的特点和DSP芯片的功能，设计了一种基于DSP的无刷直流电机调速控制系统。整个直流控制系统的设计采用的双闭环控制，系统外环为转速环，内环为电流环，速度环和电流环都采用PI 控制算法。在理论分析的基础上，本文以TI 公司的TMS320F2812DSP为主控制芯片，完成了无刷直流电机调速系统硬件和软件的设计。其中硬件部分包括DSP主控电路，功率变换电路、 IGBT 驱动电路、电流采样电路、转子位置信号检测电路、按键和显示电路。软件部分包括主程序模块、初始化模块，速度环模块、电流环模块等设计。最后，为了验证控制算法的精度，本文在MATLABSimulink 仿真平台上进行了仿真

3、，仿真结果表明其算法能满足一般情况下无刷直流电机的控制精度。关键词 ： 无刷直流电机；DSP； PID；仿真The Design of Direct Current MotorSpeed-adjusting System Based on DSPAbstractBrushless direct current motor(BLDCM) is a new kind of electromechanical products.It has not only the characteristics of asynchronous motors simple structure,operational

4、 reliability and convenient maintain but also the characteristics of good adjusting performance of DC motor. So there is important theoretical research value and practical significance in using the technology of automation to accomplish the control of BLDCM.Based on the BLDCM working principle,compa

5、ring and analyzing of the current research achievement of BLDCM control system,this paper mainly focuses on speed adjustment of the BLDCM control system. The mathematical model of BLDCM is established with the phase variable, and presents the specific method of speed adjustment, making a feasible pr

6、oposal, then design the hardware and software that used in the system.This paper first discusses the basic working principle of the brushless DC motor, integral aspect of the operating characteristics and transfer function.According to the characteristics of brushless DC motor and functions of the D

7、SP chip, a DSP-based brushless DC motor speed control system is designed.The DC control system designed with dual closed-loop control system, the outer ring is speed loop, the inner is current loop, the speed loop and current loop both are PI control algorithm.On the basis of theoretical analysis， t

8、he software and hardware of the brushless DC motor control system based on TMS320F2812 Digital Signal Processor(DSP) are designed.The hardware includes TMS320F2812 main control circuits, power converting circuits, IGBT driving circuits, current sampling circuits, detecting circuits of the motor'

9、s position signal， speed display and keyboard processing circuits ; the software includes the main program module, initialization program module, speed closed-loop program module, and current closed-loop program module.Finally, to verify the accuracy of the algorithm, this paper has used the MATLAB

10、Simulink simulation platform for simulating, the simulation result shows that the algorithm can meet the general brushless DC motor control accuracy.KEYWORDS: BLDCM; DSP; PID; simulation第 1 章 绪论 11.1 课题提出的技术背景21.2 主要研究内容 31.3 研究的意义 31.4 实现的主要思路 31.5 研究工作与成果 31.6 论文后续部分的组织和安排 41.6.1 第2 章总体技术方案 41.6.2

11、 第3 章系统硬件设计 41.6.3 第4 章系统软件设计 41.6.4 第5 章数学建模 41.6.5 第6 章总结 4第 2 章 总体技术方案52.1 系统功能的确定 52.2 方案的确定 52.2.1 方案的选择 52.2.2 控制系统的组成 52.3 本章小结 6第 3 章系统硬件设计 73.1 DSP 外围电路设计 73.1.1 电源转换电路 73.1.2 复位电路 83.1.3 时钟振荡电路 93.2 功率变换及功率驱动电路设计 93.2.1 功率变换电路 93.2.2 驱动电路设计 103.3 电流检测电路 113.4 位置信号检测电路 113.5 按键和显示电路 123.5.1

12、 按键电路 123.5.2 显示电路 133.6 本章小结 15第 4 章 系统软件设计164.1 主程序设计 164.2 初始化子程序的设计 174.3 按键与显示子程序设计 174.3.1 按键子程序 174.3.2 显示子程序 184.4 速度环程序194.4.1 速度环子程序 194.4.2 速度计算子程序 204.5 电流环程序设计 214.6 数字 PI 调节控制程序214.7 位置检测和换相子程序 224.7.1 位置检测子程序 224.7.2 换相子程序 234.8 故障保护程序设计 244.9 本章小结 25第5章数学建模 265.1 系统性能指标 265.2 系统数学模型建

13、立 265.2.1 无刷直流电机的数学描述 265.2.2 系统数学模型 295.3 主要参数的确定 305.4 系统仿真研究 32第6章总结 346.1 技术原理、方案先进性评价 346.1.1 技术原理 346.1.2 方案先进性 346.2 研究工作进展评价 346.3 研究需要解决的遗留问题 346.4 研究中存在的不足 35结论与展望 36致谢37参考文献 38附录 A 系统硬件接线图 见纸质图附录B 外文翻译 391 、外文原文 392、中文译文 43附录C主要参考文献摘要 43插图清单2-1 双闭环控制系统框图 63-1 无刷直流电机调速系统框图 73-2 电压转换电路 83-3

14、 复位电路 83-4 时钟振荡电路 83-5 功率变换电路 103-6 IGBT驱动电路 103-7 电流检测电路 113-8 位置信号检测电路 123-9 按键电路 133-10 8 段LED 结构图 143-11 显示电路 144-1 主程序流程图 164-2 初始化程序流程图 174-3 按键处理子程序流程图 184-4 速度显示子程序流程图 194-5 速度闭环子程序流程图 204-6 测速子程序流程图 20-V -安徽工程大学机电学院毕业设计（论文）4-7 电流闭环子程序流程图214-8 数字 PI 调节流程图224-9 位置检测流程图 234-10换相子程序流程图 244-11保护

15、中断子程序流程图 255-1 A 相反电动势和电流波形图 275-2无刷直流电机三相模型等效电路图 285-3无刷直流电机动态结构图 285-4系统数学传递函数图 305-5控制算法仿真框图 335-6仿真示波器显示结果图 33插表清单表 3-1 按键值与各引脚电平值对应表13表 3-2 显示数值与通用I/O 口输出状态对应表15-VII-安徽工程大学机电学院毕业设计（论文）引言随着国民经济的发展和生活质量的提高，电机的使用已经深入到大家生活的每一个方面。我们通常所使用的直流电机在进行电刷换相控制时是通过机械刷来进行的，这样就很容易产生电磁干扰、噪声和火花等，并且机械刷的磨损也降低了电机的稳定

16、性，同时维护困难，成本较高，限制了其发展。因此采用机械刷进行换相工作的直流电机己经不能满足人们的需求，从而使大量电子刷换相电机即无刷直流电机开始出现在人们的生活中。从1978 年，前联邦德国M 叭凶 NESM 趟州公司在汉诺威贸易展览会上正式推出MAC 永磁无刷直流电机及其驱动系统，意味着运用电子刷进行换相操作的电机开始进入到实际应用阶段。近些年来永磁材料，计算机技术，智能控制技术以及电子电力技术尤其是大功率开关元件技术得到了飞速的发展，因此无刷直流电机也得到了实质性的发展。无刷直流电机不仅具有工作效率高，无电磁磨损，控制品质提升，体积和重量小等优点，还具有组成简单，工作稳定，修理方便和低噪音

17、等优点。现今的无刷直流电机控制系统正在向着集驱动元件、检测元件、控制程序和电子电路于一身的机电一体化设备迈进，因此根据无刷直流电机的这些性能优势，它已经广泛应用在军事军工、航空航天领域，工业生产和人民生活中。例如在自动化控制领域，如焊接行走设备，数控机床，智能流水线，智能机器人等。目前在实际生产和应用中，无刷直流电机的调速控制一般都采用数字PID 控制，这种控制方法算法简单，结构简易，应用方便，本文采用的就是这种控制方法。在研究了无刷直流电机的结构和调速原理的基础上，本设计选用了速度、电流双闭环控制系统，用DSP 作为主控制芯片，能够得到较好的控制效果。希望本论文能对无刷直流电机控制系统设计的

18、发展有一定的积极推动作用。-1 -安徽工程大学机电学院毕业设计(论文)第 1 章 绪论1.1 课题提出的技术背景当前无刷直流电机调速系统的研究方向主要体现在硬件和软件上。在硬件上主要是对电机控制器的选择和使用，软件主要的研究领域在控制算法上。20 世纪 70 年代以来，通用单片机开始在电机控制系统中广泛使用。在单片机控制系统中，单片机作为系统的硬件核心，主要用来完成一些控制算法，同时还要处理一些输入输出、显示任务等。单片机的使用使电机控制系统的性能得到了很大提高。然而，受单片机本身结构的限制，以单片机为核心的控制系统仍然需要较多的外围元器件，例如需要外部扩展存储器以保存用户程序、需要外接模拟/

19、数字 （A/D） 转换器来实现模拟信号输入等。系统中元器件的增加使得系统的可靠性、可维护性降低，增加了印制电路板的尺寸，同时也增加了系统的成本。另外由于单片机的处理速度比较慢，使得高系统性能的复杂控制算法，如模糊控制、神经网络控制等，很难做到实时执行。此外，现代电机广泛采用PWM 控制方法，而在一般的单片机中都没有可产生PWM 脉冲的硬件设备。为了产生PWM 脉冲，需要在单片机中通过软件编程来实现，这从另一个侧面限制了系统性能的提高。因此，基于单片机的电机控制系统主要适用于那些控制精度、性能要求不太高的场合。在单片机控制系统发展的同时，电机控制专用芯片也开始出现。电机专用芯片不具有用户可编程的

20、特点，它以硬件方式对电机的各类传感器信号（如转子位置信号、光电编码器的输出信号等）进行检测，根据外部的输入命令，输出相应的控制信号给电机的功率逆变电路。该类芯片价格便宜，执行速度快。然而，这些芯片所实现的控制作用非常简单（受芯片内部硬件电路决定），且难以做到将来的升级。因此，基于专用电机芯片构成的电机控制系统可以很好地满足一些要求简单、实时性要求高的场合。为了使电机控制系统既可以适用于一般的应用场合，又可以满足一些高精度、高性能的控制要求，美国德州仪器（TI）公司推出了而向运动控制、电机控制的TMS320x28xx 系列 DSP 控制器。 该系列 DSP 控制器， 具有20/30/40MIPs

21、（每秒百万条指令）的执行速度，32 位字长；同时配合专用的PWM 脉冲发生电路、A/D 转换器、数字I/O 接口等用于控制的片上外设，使得它们从硬件机制上可以较好地满足电机控制系统的要求。它们可以实时地执行一些高精度的复杂控制算法，减少传感器信号采样到控制命令输出之间的延迟，改善速度控制中的动态行为。随着电子技术的不断发展，DSP 控制器芯片的成本也在不断降低。这些都使得基于DSP 的控制系统逐渐成为应用的主流。根据自动控制理论，高质量的调速系统必须为带有负反馈的闭环系统。控制精度、稳定性和抗干扰能力是衡量系统整体性能高低的重要因素，而要使系统有较高的控制精度和稳定性，较强的抗干扰能力，采用合

22、适的控制方法至关重要。传统的电机调速系统的控制算法大多采用PID 控制算法，该算法简单、鲁棒性好、结构简单，对模型依赖程度小等优点，广泛应用于工业过程控制中，尤其适用于可建立精确数学模型的确定性控制系统。1.2 主要研究内容本设计以2 对极 3 相星形联接无刷直流电机为被控对象，以TMS320F2812 定点DSP 芯片为主控芯片，采用PI 控制算法，实现了速度、电流双闭环的无刷直流电机调速系统。具体研究内容如下：(1)阅读相关参考文献，分析直流电机的基本结构，工作原理，建立数学模型并确定速度控制方法。(2)PID 电机速度控制算法的设计：本文采用的是基于PI 算法的速度、电流双闭环控制。(3

23、)电机调速系统的硬件和软件的设计：硬件电路包括控制电路部分，功率转换电路，驱动电路和检测电路；软件部分包括初始化模块、按键模块、显示模块、速度环模块和电流环模块。(4)使用MATLAB 对控制算法进行仿真。1.3 研究的意义随着科学技术的发展，在航天航空随着科学技术的发展，在航天航空、国防、民用工业等多种领域，对无刷直流电机调速系统的性能要求越来越高。同时由于无刷直流电机是一个非线性、多变量的系统，传统的控制方法无法满足控制精度的要求，在此基础上本文提出了基于DSP 的电流、速度双闭环控制系统，有效地提高了系统的鲁棒性和系统的静态性能，对于提高无刷直流电机的调速精度和稳定性有着重要的意义。TM

24、S320F28XX 系列 DSP 是 TI 公司近年来推出的面向电机数字控制的32 位定点数字信号处理器，其具有高速信号处理和数字控制所必须的体系结构特点，有为电机控制应用提供较多的外围设备。另外，DSP 的高速数据处理能力，使它可以执行一些高性能的复杂控制算法，减少传感器信号采样到控制命令输出之间的延迟，改善速度控制中的动态行为。本文将 PI 控制算法和DSP 的数字处理器相结合，应用在无刷直流电机的调速系统中，采用理论分析、基于MATLAB 的算法仿真相结合的方法开展研究，希望能对无刷直流电机调速系统开发工作的发展，起到积极作用。1.4 实现的主要思路本文的设计思路是以DSP芯片 TMS3

25、20F2812为控制核心，通过外加外围电路以及驱动电路、检测电路等来实现对无刷直流电机的调速控制，对调速精度和稳定性影响较大的除了硬件结构外还有软件结构，其中控制方法直接关系到控制效果的好坏，传统的开环或速度单闭环系统在调速时精度和稳定性都不是很理想，所以本文采用了基于PI算法的速度和电流双闭环控制系统，大大提高了系统的精度和鲁棒性。1.5 研究工作与成果本文设计的是基于DSP 的无刷直流电机调速系统，前期的研究工作集中在对无刷直流电机的结构和工作原理的学习，在了解了电机的基础上进一步学习了控制算法以及其实现方法，最终研究了DSP的结构和工作原理，为做好整个设计打下了基础。本文的工作成果主要分

26、为以下几个板块：（ 1）熟悉了无刷直流电机的结构和工作原理；（ 2）对PID 控制算法有一定的了解，熟悉了DSP的部分芯片；（ 3）完成了对控制系统软、硬件的设计；（ 4）使用Proteus绘制了整个系统硬件图；（ 5）使用MATLAB 对控制算法进行了仿真，并分析了仿真结果；（ 6）完成了毕业设计论文的编辑。1.6 论文后续部分的组织和安排1.6.1 第 2章 总体技术方案本章主要列出了对设计系统的基本要求以及需要实现的功能，然后基于这些要素设计了几种方案，并比较分析各种方案的利弊，最后选择最优方案并构思了基本系统框架，画出系统组成图。1.6.2 第 3章 系统硬件设计本章首先介绍了硬件结构

27、的整体框图，然后对硬件进行了分块，并对各个模块进行1.6.3 第 4章 系统软件设计本章主要是软件分析，逐一针对各个硬件结构给出了系统的软件流程图，以图形和 文字描述的方式阐述了其工作过程。1.6.4 第 5章 数学建模本章通过对系统进行建模，并在MATLAB 软件的 simulink 平台上对控制算法进行仿真，验证了控制算法的精度能够满足一般情况下的需求。1.6.5 第 6章 总结本章是对全文的一个总结，首先对所选方案进行了一个简单的评估，然后对自己研究工作的进展进行了一个客观的评价，最后展示了亟待解决的遗留问题和在工作中存在的不足之处。-5-安徽工程大学机电学院毕业设计（论文）第 2 章

28、总体技术方案2.1 系统功能的确定普通的直流电机由于有电刷的存在，在换相时会产生电火花，从而影响其精度，而无刷直流电机成功解决了这个问题，所以一般都应用于精度要求较高的场所，这就要求其控制系统的控制精度和稳定性也要好，从而可以确定设计系统时应具备以下功能和要求：（ 1）能够实现正、反转和停止，并能够手动控制；（ 2）能够实现给定速度运行，且调整时间要比较短；（ 3）能够显示给定速度和实际速度，并能相互切换；（ 4）控制精度要高，稳定性要好。2.2 方案的确定2.2.1 方案的选择传统的开环调速系统的控制作用直接由系统的输入量产生，由于没有反馈量的引入，系统的自动校正偏差的能力和抗干扰能力差。所

29、以在调速要求较高的领域，常采用闭环调速系统。当仅有速度环，速度给定发生突变时，逆变桥的输出电压很大，这可能引起电机电枢电流剧增，使电枢绕组或功率变换电路损坏，因此，在调速系统中还需引入电流环以限制电机的最大电流。在电机的控制方面可以选用单片机控制或者是选用DSP芯片作为主控制芯片。单片机因其结构简单，调节和控制方便，控制精度高而广泛第运用于小型的控制系统中，而DSP的结构相对要复杂，控制精度更高，其运算速度快，运算量大，被广泛用于控制算法比较复杂的高精度系统中，本设计中由于控制无刷直流电机的精度要求较高，其控制算法也比较复杂，采用单片机控制时难免会产生计算延迟或溢出，对控制精度产生很大影响，所

30、以本文是基于DSP芯片的基础上设计了控制系统。2.2.2 控制系统的组成本设计采用的是转速、电流双闭环调速系统，系统框图如图2-1 所示。为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，速度环和电流环实行串联连接。首先，根据所检测到的电机速度信号，计算出当前转动速度，然后与速度给定值比较，得到速度误差信号，作为转速控制器（ASR）的输入。转速控制器的输出就是相应的电流参考信号，该信号与实际的电机相电流信号比较，得到的误差值作为电流控制器（ACR）的输入。电流控制器的输出经转化后将适当的PWM（脉冲宽度调制）信号施加到电机功率变换模块上，通过控制功率晶体管的开通关断顺序和时间，改变电机定子绕组中电流的大

31、小和绕组的导通顺序，从而实现对无刷直流电机转速和输出转矩的控制。系统的速度环和电流环均采用PI 控制算法。给定速度2- 1 双闭环控制系统框图2.3 本章小结本章首先分析了设计系统时需要保证的一些功能和对系统的要求，然后基于这些功能分别给出了几种系统方案的选择，并分析了其利弊，最终选择了采用DSP控制的速度、电流双闭环系统控制方案。在确定方案后进一步构思了系统的总体结构，并绘制了调速系统框图。-23-第 3 章 系统硬件设计基于 DSP 的无刷直流电机调速系统的硬件框图如图3-1 所示， 主要有控制电路部分，功率转换电路，驱动电路和检测电路。主控制电路部分，以TMS320F2812DSP 为核

32、心的电路，其作用为：测量转速和相电流反馈值，完成速度环和电流环控制器的运算，产生控制电机的PWM 信号，控制IGBT 开关；功率变化电路部分由六个IGBT 搭建而成，它的作用是在PWM 信号的控制下，将工作电压按规律加到电机的三相绕组上，使电机工作；检测电路主要检测电机的位置信号和电流反馈信号，并送到DSP 中。具体电路在以下章节中将逐一介绍。3-1 无刷直流电机调速系统框图3.1 DSP 外围电路设计3.1.1 电源转换电路TMS320F2812 的工作电压是3.3V，内核工作电压是1.8V。而目前许多外围电路所用器件的主要工作电压通常是5V，因此需要将5V 的电压转换成3.3V 和 1.8

33、V。将5V的电压转换成3.3V 和 1.8V 通常有以下几种方案：电阻分压法，利用线性稳压电源转换芯片。 利用电阻分压的方法比较简单，但是随着负载的变化，输出的电压会产生波动，而且电阻的功耗也比较大，对于低功耗的系统和对电源要求高的系统，不适合采用这种方案。本设计采用第二种方案，选用LM1117 芯片来转换电压。LM1117 芯片是一种能够固定输出3.3V 和 1.8V 电压的电源转换芯片，正好满足TMS320F2812的电压需要。它使用 MOS 晶体管传送电流，MOS 元件的栅极由电压驱动，工作电流较低且在全负载范围内不变。LM1117 还具有内部电流限制和过热保护的特点，把输出电流限制到大

34、约1A。当发生电流限制时，输出电压按线性规律反比例变化，直到过流状态结束为止。具体电路如图3-2 所示。 +5V 电源经过两块LM1117 芯片后被转换成3.3V 和 1.8V,然后直接送到 DSP的相应电源引脚即可。3-2 电压转换电路3.1.2 复位电路在系统中，复位电路主要实现系统的上电复位和系统运行时用户的按键复位功能。复位电路可由简单的RC 电路构成，也可以使用专用的复位芯片电路。本设计中采用简单的 RC 复位电路，经使用证明，其复位逻辑是可靠的，复位电路如图3-3 所示 ,复位信号由按键产生，经过三级非门后送入TMS320F2812的复位引脚。图 3-3 复位电路复位电路工作原理如

35、下：在系统上电时，电源通过电阻R1 向电容 C9 充电，当C9两端的电压未达到高电平的门限电压时，RESET 端输出高电平，系统处于复位状态；当 C9 两端的电压达到高电平门限电压时，RESET端输出低电平，系统进入正常工作状态。当用户按下按钮RESET 时， C9 两端的电荷被泄掉，RESET 端输出高电平，系统进入复位状态。非门电路用于按钮的去抖动和波形整形。通过调整R1 和 C9 的参数，可以调整复位状态的时间，本设计中复位时间RC 0.1s， 大于系统的最小复位时间两个机器周期，所以符合设计要求。3.1.3 时钟振荡电路TMS320F2812 片内有一个基于锁相环（PLL）的时钟模块。

36、锁相环（PLL）模块主要用来控制DSP 内核的工作频率，外部提供一个参考时钟输入，经过PLL 倍频或分频后提供给DSP 内核。 TMS320F2812 有 4位倍频位，能够实现0.5到几十倍的倍频。基于 PLL 的模块有两种工作方式：1） 晶振工作方式该模式下， 外部无源晶振连接到DSP的 X1/CLKIN 和 X2 脚， DSP内部的振荡电路和无源晶振一起运行产生时钟，提供给DSP 作为时间基准。2）外部时钟源工作方式该模式下，内部振荡器不再使用，DSP 的时钟来自于输入到 X1/CLKIN 脚的外部时钟信号X2脚悬空。本设计采用晶振工作方式，选用的外部晶振为12MHz， TMS320F28

37、12的工作频率为 150MHz，经倍频后很轻松达到其频率要求。具体电路如图3-4 所示，时钟信号接到DSP 相应时钟引脚即可。3.2 功率变换及功率驱动电路设计3.2.1 功率变换电路功率变换电路是无刷直流电机调速系统的重要部分，本设计的功率变换电路采用三相桥式星型连接电路。功率变换电路如图3-5 所示A、 B、 C 各相绕组分别连接到功率变换电路的输出端。驱动电路控制着IGBT 的导通和关闭。从图中可以看出功率管的导通组合有六种，分别是 T1T4， T1T6， T3T6， T3T2， T5T2和 T5T4，功率管的导通和关闭顺序决定了绕组的通断顺序。3.2.2 驱动电路设计3-5 功率变换电

38、路由于 DSP输出的 PWM 波形不能直接驱动大功率IGBT， 所以要在DSP和 IGBT 之IGBT。具体电路如图3-6所示， IR2132S的工作电压取为15V，其电源引脚VCC 接 15V3-6 IGBT 驱动电路电源。VCC 同时与三路高端浮动供电引脚VB1 ， VB2， VB3 之间分别接入三个快恢复二极管D1 ， D2， D3；高端浮动供电引脚VB1 ， VB2， VB3 与高端浮动偏置电压引脚VS1， VS2， VS3 之间分别接入三个电容C1， C2， C3。 IR2132S的三路 HIN 引脚和三路 LIN 引脚与 TMS320F2812的六路 PWM 输出引脚连接。IR21

39、32S的三路 HO 引脚和三路 LO 引脚分别和逆变电路上的IGBT 栅极连接。TMS320F2812输出的 PWM 信号经过 IR2132S控制 IGBT 的通断，进而控制电机的转动。结合图 3-5 简单叙述一下IR2132S的驱动原理。当T2 导通， T1 关断时，IR2132S的 VCC 经过快速恢复二极管D2 和 T2 给自举电容C13充电，以保证当T2 关断而要开通 T1 时， T1 管的栅极能够依靠自举电容上足够的储能来驱动其开通，从而实现自举式驱动。另外由于IR2132S 的 3 路上桥臂具有驱动信号的欠压自锁功能，自举电容在为IGBT 提供导通所需要的全部能量后，还必须维持至少

40、8.3V 的电压， 以避免 IGBT 关闭。3.3 电流检测电路采样电流信号一般情况下有两种方式:采样电阻和电流传感器。采样电阻可以直接将主电路的电流信号转化为电压信号送给控制电路，输出电压直接正比于主电路流过的电流。因此在本设计方案中，根据电机的小功率、低直流电压的具体情况，采用一个旁路采样电阻来检测电机相电流的大小，电阻位于三相全控功率变换电路的下端功率桥臂和地之间，如图3-7 所示。3-7 电流检测电路3.4 位置信号检测电路在调速系统中，位置传感器是一个不可缺少的重要组成部分。它的主要作用有两个：一是检测电机定子，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

41、环节。无刷直流电机的轴上已经安装了3 个霍尔效应传感器，其输出的转子位置信号送到位置检测电路，然后送往DSP 芯片的捕获单元进行处理。图3-8 中HA、 HB、 HC 为三相霍尔信号，通过光耦，送到DSP的捕获端口。由于霍尔传感器的输出信号为5V电平， 为了与 DSP的 3.3V电平逻辑相匹配，必须把输出信号转换为DSP可接收的电压级别，本系统采用光耦TLP521 进行光电隔离和电平逻辑转换。3-8 位置信号检测电路3.5 按键和显示电路在控制系统中，人机对话功能会大大改善系统的直观性和可控性。通过显示输出，能实时知道系统的工作状态；通过人工输入，能随时和系统交换信息，以方便系统的控制策略和参

42、数的更改。所以，本系统添加了按键输入和转速显示环节。3.5.1 按键电路按键电路如图3-9 所示，总共有15 个按键，分别为电机正、反转按钮，速度给定按钮，停止按钮以及数字按钮，采用4 行线、 4 列线方式接到单片机的两组通用I/O 口上，使用时可以很方便地给电机指定一预期速度。结合图 3-9 简单分析一下按键的工作流程，以输入1 键为例：首先，将所有的行线接高电平，在初始时刻将所有的列线接低电平，然后扫描所有行线状态，当发现有行线被置低电平时，就说明该行有键被按下，然后对列线采取逐一置低电平的措施，如先将45 列线置低电平，其它列线依旧置高电平，再扫描行线状态，发现所有行线仍是高电平，说明被

43、按下的键不在这一列；再将46 列线置低电平，其它列线都置高电平，扫描行线状态时发现49 行线是低电平，这就说明了按键1 被按下，其它情况可依此类推，其对应关系可见表3-1，如下所示：3-9 按键电路表 3-1 按键值与各引脚电平值对应表按键名4555 引脚的状态按键名置高电平引脚正转11101101401111011反转01111110510111011停止10111110611011011速度给定11011110711101011001110111801111101110110111910111101211010111小数点（.）110111013111001113.5.2 显示电路（ 1）

44、 LED 显示器的结构常用的 LED 显示器为8 段。每一个段对应一个发光二极管。这种显示器有共阳极和共阴极两种。如图3-10 所示。共阴极LED 显示器的发光二极管的阴极连在一起，通常此共阴极连接地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。为了使 LED 显示器显示不同的符号或数字，就要把不同段的发光二极管点亮，这样就要为LED 显示器提供代码，图中有八个代码段，分别为a、 b、 c、 d、 e、 f、 g 和小3-10 8 段 LED 结构通用 I/O 口+5V1 段 LED 显示图数点dp，使用时将其连接到DSP 芯片的 1 组通用 IO 口，接收芯片的输出信号

45、，而其中com 是片选口，接到DSP 的另一组通用IO 口，用来选定该显示器芯片。（ 2）显示电路显示电路的首要设计要求是要保证其显示效果，其次要考虑到DSP 芯片的通用IO口数量是否足够，基于这两个因素，本设计采用动态显示的方式，既能确保显示效果清晰， 又能减少通用IO 口的使用数量。显示电路如图3-11 所示， 实测转速由DSP芯片计3-11 显示电路算得出。显示器由4 个 LED 显示芯片组成，可以显示0 9999 的转速数字，足以满足本设计的使用需求。该显示器4 位数码 LED 显示芯片接线采用共阴极接法。当需要显示输出时，DSP 的 8 位通用 I/O 将信号输入到2 个 7407同

46、向驱动器，该驱动器可以驱动 LED 显示芯片，产生数码数字。显示器的4位片选接口通过反向驱动器接到DSP的4 位通用 I/O 口上，当需要显示多位数字时，采用循环扫描的方式进行动态显示，显示数字与通用输出口对应关系如表3-2 所示。表 3-2 显示数值与通用I/O 口输出状态对应表数值5772 I/O 口状态数值5772 I/O 口状态011111100610111110100001100711100000211011010811111110311110010911110110401100110.（小数点）000000015101101103.6 本章小结本章首先介绍了整个系统的硬件组成，画出

47、了整个硬件组成图；并进一步将总体硬件电路拆分成各个模块，分别详细地介绍了各个模块的结构，并逐一分析了其组成和作用，并简单分析了其工作原理。安徽工程大学机电学院毕业设计(论文)第 4 章 系统软件设计控制系统要正常工作，仅有硬件部分是不够的，还需要软件部分的配合才能构成一 个完整系统。本章将设计出系统所需软件的流程图，主要包括以下几个模块：初始化模 块、按键模块、显示模块、速度环模块和电流环模块。接下来章节将逐一介绍。4.1 主程序设计主程序的功能是通过调用各个子程序，使程序循环运行,以实现所要求的各种控制要求。在本系统中参数的设置、参数的输入、速度的计算、数字PI 算法的实现等，都是通过调用子

48、程序和中断程序来实现的。其流程图如图4-1 所示。4-1 主程序流程图4.2 初始化子程序的设计DSP芯片 TM320F2812 是一款电机控制的专用芯片，其内部集成了许多外围功能器件，如模数转换电路(A/D) 、定时器、事件管理器等，在系统工作之前，需要对硬件进行初始化，同时还要程序中的变量，算法中的参数等进行初始化设置，以保证各功能单元按设计要求工作。其流程图如图4-2 所示。4-2 初始化子程序流程图4.3 按键与显示子程序设计4.3.1 按键子程序根据按键硬件电路的设计，本系统按键控制主要包括电机正转、反转、停止、速度设定和数字键，所有按键通过采用行线与列线扫描的方式与TMS320F2

49、812 的两组通用I/O 口引脚相连，TMS320F2812通过读取引脚值来判断按键的情况，执行相应中断程序，完成相应的功能。按键处理程序如图4-3 所示。4-3 按键处理子程序流程图4.3.2 显示子程序显示子程序分为两个部分，分为静态转速显示和动态转速显示。静态显示是按键给定显示程序；动态显示是电机的实时速度显示。其中速度显示子程序流程图如图4-4 所-27-安徽工程大学机电学院毕业设计（论文）4-4 速度显示子程序流程图4.4 速度环程序4.4.1 速度环子程序转速闭环的目的主要在于使转速跟随给定值变化，无静态误差，使系统具有抗干扰能力。速度环有两个输入，一个是给定速度，另一个是电机的转

50、速反馈值，输出的是电流参考信号，作为电流闭环输入。程序首先计算出当前电机的转速，然后与给定速度值进行比较，得出一个速度误差值，再根据这个速度误差值进行数字PI 控制调节。程序流程框图如图4-5 所示。4-5 速度闭环子程序流程图4.4.2 速度计算子程序计算实测速度子程序对于电机转速的调节是非常关键的，通过它可以得出实际的转4-6 测速子程序流程图速，进一步可以得到速度误差，进行数字PI 调节。程序如图4-6 所示。4.5 电流环程序设计电流环的调节目的是限制电机的最大电流，调节对象的动态结构。电流环的输入有两个，分别是电流参考值和电流反馈值。电流的参考值由速度环计算的结果给出；电流的反馈值经

51、A/D 转换后变为数字量，送入电流环。参考值与检测值求差之后为电流环的误差。本设计采用数字PI 控制算法进行调节，电流环控制程序流程如图4-7 所示。4-7 电流闭环子程序流程图4.6 数字 PI 调节控制程序速度环采用的是数字PI 算法，具体的设计参考第三章的相关内容。软件流程图如4-8 所示。-73-4.7 位置检测和换相子程序4.7.1 位置检测子程序位置检测子程序主要作用是根据位置传感器的输入信号，作为电机的换相依据。无刷直流电机自带有3 个霍尔位置传感器，用来检测位置信号。位置检测程序流程图如图4-9 所示。4-8 数字 PI 调节流程图4-9 位置检测程序流程图4.7 .2 换相子

52、程序换相子程序主要是通过位置信号，并综合电机的正/反转来判断下一个时刻电机需要开通的相绕组，图4-10 为换相子程序的流程图。4-10 换相子程序流程图4.8 故障保护程序设计故障保护程序主要处理系统故障，保护系统。当各种故障信号送到DSP的 PDPINT管脚时，故障保护中断程序要立即将事件管理单元的引脚设置成高阻状态，停止PWM的输出，使电机立即停止运行同时还要输出相应故障的代码，让用户知道是哪里产生了故障。具体软件流程框图如图4-11 所示。4.9 本章小结本章在基于系统硬件的基础上，主要设计出了所需软件的流程图，在画出流程图的4-11 保护中断子程序流程图第 5 章 数学建模本章节将对控制系统进行数学建模，以实现对控制算法的仿真，验证其控制的精度、稳定性和调节速度是否能满足要求。5.1 系统性能指标系统的性能主要包括控制精度、稳定性和调节速度，其中控制精度和稳定性尤为重要，是保证一个系统正常工作的基本要求。本设计