研究直流无刷电机控制系统的软件设计--论文

1、 届本科毕业论文设计论文题目：研究直流无刷电机控制系统的软件设计学生姓名： 所在院系： 机 电 学 院 所学专业： 应用电子技术教育 导师姓名： 完成时间： 摘 要无刷直流电机是近年来开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

2、。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 DesignAbstract Brushless 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

3、 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 adve

4、rse 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.

5、 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 cur

6、rent 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开展趋势11.2.1 无刷直流电动机的现状11.2.2 无刷直流电动机的开展趋势22 无刷直流电机的工作原理32.1 无刷直流电机的根本组成及工作原理32.1.1 根本组成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根本类型及通电方式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

7、.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局部124.1 开关电源124.2 控制电路局部134.3.1 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241 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开展，所有这些都推动着电机控制技术的开展、进步。新材料技术的

8、开展，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泼。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，主要是开展无刷直流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开展更使得电机调速技术得到很快的开展。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

9、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本钱日益降低。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，取得了飞速的开展。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根底器件。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

10、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，智能化的开展方向。1.2 无刷直流电动机的现状及开展趋势1.2.1 无刷直流电动机的现状国外在无刷直流电动机开展的早期，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

11、低速运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开展，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开展而配套。由于数量少，由某些科研单位试制就能满足要求。经过20多年的开展，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

12、电子、控制、计算机等技术于一身的高科技产品，受到我国根底工业落后的制约，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，而且其中绝大局部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 无刷直流电动机的开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、大电流开展；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开展。无刷直流电动机性能的改良离不开高性能材料的应用，首先

13、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，价格更廉价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。为了改良性能，利用计算机进行模拟、分析、计算和比拟。研究气隙磁场形状、磁极形状结构和充磁技术，选择适宜的极

14、对数和槽数以及适宜的槽口尺寸。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。2 无刷直流电机的工作原理2.1 无刷直流电机的根本组成及工作原理2.1.1 根本组成图1 无刷直流电动机的

15、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局部组成。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

16、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。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因此，所谓无刷直流电动机，就其根本结构而言，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众

17、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

18、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、B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B相绕组管电源负极。当转子转过600电角度，到达图中3b位置时，位置传

19、感器输出信号，经过逻辑变换后使开关管截至，导通，此时仍导通。那么绕组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。当转子继续沿顺时针每转过600电角度时，功率开关管的导通逻辑为，那么转子磁场始终受到定子合成磁场的作用并沿顺时针方向连续转动。 在图3a到b的600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。可见定子电流产生的磁场在空间不是

20、连续旋转的磁场，而是一种跳跃式旋转磁场，每个步进角为600电角度。当转子每转过600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1200。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3600300024001800120060000导通顺序ABCBCABVT1VT2VT3VT4VT5VT62.2 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

21、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。3 无刷直流电机的控制策略3.1 无刷直流电机的主电路根本类型及通电方式图4 三相半控电路图5 三相半控电路中位置传感器信号波形3.1.1 三相半控电路 图6 绕组通电同转子磁钢位置的关系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MOSFET功率管，主要起开关作用。、和为来自转子位置传感器的信号。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/

22、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，和均处于低电平。导通，A相绕组通电，由左手定那么可知，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，和均处于低电平，导通，B相绕组通电，A相绕组断电。在转子磁钢同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，和均处于低电平， 导通，C相绕组通电。在C相绕组所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

23、所示。图7 三相半控电路恒电流下的转矩波形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1/3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。所以在要求比拟高的场合，一般均采用三相全控电路。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。、和为P沟道MOSFET,其栅极为低电平时导通，、和为N沟道MOSFET，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

24、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600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、。当功率管和导通时，电流从管流入A相绕组，再从C相绕组流出，经回到电源。如果认定流入绕组的电流所产生的转矩为正，那么从绕组流出的绕组所产生的转矩那么为负，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了600电角度，但大小始终保持不变，图9c示出了全部

25、合成转矩的方向。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c) 两两导通时合成转矩矢量图所以，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 全控桥输出波形图到。如将三只霍尔集成电路按相位差1200安装，那么他们产生的波形如图11a所示。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2三三通电方式 所谓三三通电方式，是指每一瞬

26、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，、，。当导通时，电流从流入A相绕组，经B相绕组和C相绕组这时B、C两相绕组为并联分别从和。经过600电角度后，换相到通电，即先关断后导通。这时电流分别从和流入，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，经流出，合成转矩如图12b所示。其方向与-C相同，转过了600。再经过600电角度后，换相到通电，而后以此类推。它们的合成转矩矢量图如图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

27、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到达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根本策略，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根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：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

28、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。此速度作为速度参考值的负反应，然后经过转速PI调节后，得到参考电流。另外，由霍尔电流传感器可以得到相电流信号，此信号作为的负反应，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

29、。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。速度反应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，

30、调整过程如下： 式1 式2其中 -为电流反应测量值。-为电流环比例系数；-为电流环积分系数；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；当过大即参考电流大于实际电流很多，那么计算所得的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；当过小为负值即参考电流小于实际电流很多，可能使PWM脉宽小于零，那么令PWM的脉宽为零，此时以较快的速度降低转速。3.2.3 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

31、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适宜的范围。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

32、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。4 无刷直流电机控制系统的硬件局部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： 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拟平滑的直流电压，为控制电路提供

33、电源。电源通过控制MOS管2SK1317的导通和关断的占空比来到达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。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转换电路LM358+24V-15V+15V-12V+12V+8V+5V开关电源DSP图15 电源分配图4.2 控制电路局部4.3.1 基于DSP56F803的控制电路电路原理框图如下：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

34、路数码显示键盘电路ADCDACPWMGPIO05SCIDECDSP56F803MC68HC908GP32单片机图16 控制电路原理框图系统工作过程如下：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

35、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，其根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，那么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。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；控制电流A；B磁感应强度T；d薄片的厚度m；材料电阻率·m；材料迁移率

36、。假设上式各常数项用代之，那么： 式5式中霍尔电势系数或称灵敏度。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： 式6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开展，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。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

37、息技术的飞速开展，数字信号处理技术应运而生并得到迅速的开展。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。DSPdigital 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

38、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

39、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。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：开始SDK初始化检测控制信

40、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。1SDK初始化SDK初始化子程序主要完成以下模块的初始化：Ø 相位检测模块的初始化；Ø ADC初始化；Ø DAC初始化；Ø 通用输入输出口GPIO初始化;Ø 串行外设接口SPI初始化；Ø 串行通信接口SCI初始化；Ø PWM模块初始化；Ø 定时器模块初始化；2斩波电流的初始化/* Initialize cur

41、rentmax,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 * )(&

42、currentmin), 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 * )(&currentmax),sizeof(currentma

43、x); gpioIoctl(PortE,GPIO_SET,gpioPin(E,7), BSP_DEVICE_NAME_GPIO_E); 5.4 子程序设计1ADC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结果存放器的值为Value，那么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拟，以判断电机是否过流或过载。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。设输出存放器的值为D_value，那么输出的模拟量由下式计算

44、所得： 式83PWM参数重载中断程序在PWM控制存放器中，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

45、。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。4PWM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PWM输出引脚的组合失效。出错是在任何一个FAULT输入引脚上出现的逻辑1产生的。每一个出错输入引脚都可以被映射为关断某一PWM输出引脚。5转速调节子程序通过PI算法进行转速调节：取给定值DesiredRatioValue和测量值MeasuredRatioValue.ErrorPk=DesiredRatioValue - MeasuredRatioValue开始PIoutputRk=PIoutputRk_1+Kp*

46、(ErrorPk-ErrorPk_1)+Ki *ErrorPkErrorRk_1=ErrorRk;PIoutputRk_1=PIoutputRk结束图20 转速调节子程序6 电流调节子程序通过PI算法进行电流调节：取给定值由转速环输出得DesiredCurrentValue和测量值MeasuredCurrentValue,ErrorCk=DesiredCurrentValue - measuredCurrentValuePIoutputk=PIoutputk_1+Kp*(ErrorCk-ErrorCk_1)+Ki*ErrorCkErrorCk_1=ErrorCk;PIoutputk_1=PIo

47、utput进入结束图21 电流调节子程序7显示子程序本程序将需要显示的各种数据先进行处理，将其各个位分开，再依次送入数码管，假设有故障，那么显示故障信息。进入根据键盘决定显示转速值或电流值将需要显示的值经过一定的转换送入14489驱动数码管显示结束图22 显示子程序8 定时中断子程序本系统共设有三个定时子程序，分别是：DSP定时给单片机传送数据子程序，速度计算定时子程序和电流斩波定时调整子程序。Ø DSP定时给单片机传送数据子程序每隔一定时间把检测到的电流值和转速值传送给单片机显示；Ø 速度计算定时子程序记录每秒钟捕捉到的转子脉冲数；Ø 电流斩波定时调整子程序电机

48、启动一定时间后调整电流斩波值。9 速度计算子程序常用的数字测速法有两种，一种是M法测速，即在相等的时间间隔内用读数步进角脉冲个数来算出转速，从而得到转速的测量值；另一种是T法测速，即测出相邻两个步进脉冲之间的间隔时间来计算转速。a、M法测速步进角脉冲信号由计数器计数，定时器每隔时间T向CPU发出一次中断请求，CPU响应中断后，从计数器读出计数值并立即将计数器清零。由计数值的大小即可求出对应的转速测量值。假设时间T内共发出m个步进角脉冲，那么转速按下式计算： 式9式中每转的步进角脉冲数。由此可见，转速与计数值m成正比，顾冠以M法测速。M法测速比拟适合于高速运行时测速，低速时测量精度较低。另外，由

49、式5-3可见，M法测速的分辨率值与、成反比，通常为了保证系统实现稳定的快速效应，改善系统的控制性能，速度检测时间即采样时间T不可过长，而每转步进角脉冲数一般不大，所以为了提高速度检测的分辨能力，采用M法时，需要将脉冲信号经倍频器倍频后再由计数器计数，这时式5-3中表示每转步进角脉冲数与倍频之积。b、T法测速T法测速是测出相邻两个步进脉冲之间的间隔时间来计算转速的一种测量方法。位置信号传感器每输出一步进脉冲，都向DSP发出一次中断请求，DSP响应中断后，从计数器读出计数值并清零，由计数值即可算出转速。设时钟频率为f，两个步进脉冲间的计数值为m，那么步进脉冲周期T为： 式10那么转速为： 式11式

50、中每转步进脉冲数。比照式11和式10不难看出T法测速和M法测速刚好相反，转速愈高，测量值m愈小，因此T法较适合于低速场合测速。事实上，与M法相比，T法测速的优势就在于低速对转速的变化具有较强的分辨能力，从而可望提高系统低速运行的控制性能。对于本系统来说，所用的无刷直流电机转速较低不超过200转/分,理论上应该用T法测速，但由于DSP总线频率非常高，使得T法测速时两个相邻脉冲间的计数器计数常溢出屡次，并且传感器的信号有尖峰干扰，这样会导致测得的两个脉冲沿有时并不是所希望的脉冲间隔，使速度计算错误。因此，选用了M法测速，通过检测一定时间内的脉冲数来计算转速。该法也受位置传感器尖峰信号的干扰，影响测

51、速精度。经过摸索，我在测速程序中插入了一段软件滤波程序，即如果两个相邻脉冲间的计数器值小于某个数，就认定该信号为尖峰干扰，不计入m值。滤波程序如下：/ *转速滤波程序* /FirstEdge = SecondEdge & 0x0000FFFF;SecondEdge=qtIoctl(TimerIC_A0,QT_READ_CAPTURE_REG,0, BSP_DEVICE_NAME_QUAD_TIMER_A_0 )|(UWord32)OverloadCounter << 16);measuredPeriod = SecondEdge - FirstEdge;OverloadCo

52、unter = 0; if(measuredPeriod<1000) n_CounterA=n_CounterA+0; else n_CounterA=n_CounterA+1;本设计中应用的是12对极的无刷直流电机，捕捉存放器设为双沿捕捉，且只捕捉一个位置传感器的信号，所以如得到1秒钟的m值，那么转速为： 式126 结束语本设计利用电子换向代替电刷换向，解决直流有刷电动机电刷环流而引起的磨损和电火花，不仅克服了机械换向电机的缺点，又具有交流电机的优点，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课题主要完成：1研究了无刷直流电动机的运行原理和控制策略。

53、2根据无刷直流电机的控制策略，完成了控制系统的软件设计，主要的程序模块有：主程序、定时中断、PWM参数重载中断、捕捉中断、A/D采集、D/A输出、速度计算、转速和电流环PI调节以及显示程序等。致 谢在毕业设计过程中，得到导师的悉心指导。特别是在课题的设计过程中，对论文的技术问题，导师都花费了大量的心血，付出了大量的劳动，并一直给予我无微不至的指导与多方面的帮助，使我的知识、能力等各方面都有了很大的进步，在此，谨向导师表示最衷心的感谢！在课题进行期间，学院为我们提供了良好的学习和设计环境。在课题的研究和进展中，同组同学也给予了很大的帮助，这里也一同表示感谢！由于时间和知识水平所限，论文中还可能会有许多纰漏或错误之处，恳请各位老师和同学批评指正。参考文献1汪海燕无刷直流电动机自适应模糊控制的研究：D，合肥工业大学，2004：12 2习贺勋基于DSP的无刷直流电动机双模控制及转矩波动研究D .天津大学，2004：14 3张琛编著直流无刷电动机原理及应用M机械工业出版社，2004：1423，1281364何希才编