无刷直流电机控制系统

论文题目：无刷直流电机控制系统目录TOC\o"1-2"\h\u1绪论 绪论课题背景以及研究意义起始于上个世纪八九十年代，我国对汽车的购买力度以及我国特有的庞大汽车市场使中国成为世界最大的汽车市场。但是据我国汽车工业协会的数据估计，2019年却迎来汽车销量的负增长，这不仅不代表中国汽车市场从此落寞走向低谷，正相反据专家估计2019将会是中国汽车市场的新起点。中国汽车销售增长量在2018年底首次迎来负增长，且一直到2018年12月底，中国汽车销售量同比已经下降了近六个百分点。然而造成这样的原因是什么呢？可能也在于中国汽车市场已经接近饱和，而且随着国家对新能源战略的不断推进，正值老的燃油车与氢能源车、电动车等新能源车的交界点，原本的燃油汽车市场有一定的波动是不可避免的。据专家称，2019之后，中国的汽车市场将迎来进一步下滑，但随着新能源战略的推进，这不仅不代表中国汽车市场从此衰弱，而是从此由大变强，中国汽车市场高速增长的时代已经过去，如今迎来的是汽车总量下降、汽车质量上升的新能源汽车时代。普通的燃油车大多利用汽油作为能源，随着全球的这几十年对石油需求越来越大，石油作为一种不可再生的天然矿物能源储量正在不断减少终有枯竭的一天，发展新能源汽车就成为迫在眉睫的重要课题。然而电动车作为一种主要的新能源汽车具有以下优点：能够节约世界的石油资源：石油作为一种不可再生资源，随着人们对储存在石油产物的需求不断增大，对于石油的开采量也不断增加。科学技术始终在不断向前发展，与此同时对于能源的要求及需求量也越来越高。机动车作为石油消耗的主要因素，随着机动车销量的不断加大对于石油的消耗量也不断加大，石油储量的锐减、枯竭将引起是世界恐慌。于是将电能作为驱动能源的电动车，就将会成为未来汽车市场的主要领头者。电能作为我们生活中随处可见的能源，而且随着新能源战略的推进，电能的获取除了火能之外，风能、太阳能或者水能等可再生清洁能源也成为主要的获取途径，是能源的利用更加多元化且实现可持续。减少大气污染：随着科学技术以及工业技术的不断发展，为我们的日常生活带来便利的同时也带来的大量的污染。汽车尾气作为大气污染的主要来源，直接导致了我们居住环境的空气质量的恶化。因此，为了降低汽车尾气对大气的污染，发展新能源汽车成为至关重要的新课题。然而，电动车是以电能为动力的新能源汽车，在车辆行驶过程中只消耗电能，几乎零排放。电机以及其驱动器作为电动车系统的控制驱动组件，是其最关键的组件。其中电机种类一般根据电能形式、工作原理以及机械机构的不同可以分为交流电机、永磁同步电机、直流有刷电机以及永磁无刷直流电机等。因为BLDC将有刷电机的机械换向方式换成了电子换向，所以使得工作效率提高、损耗减小、减小故障率且更加可靠，并且其寿命相对于直流有刷电机提高了近六倍。对于电动车来说BLDC是一种高效率的控制电机。对于一个完整的电动车运行系统的开发来说，电机控制系统的设计是最关键的部分，控制系统的好坏直接影响了电动车的性能优越。本文基于DSP对电动车直流无刷电机控制系统进行设计。永磁无刷直流电机的发展与应用BLDC是在BDC研究应用的基础上发展起来的。1840年以后，有刷电机因为其造价以及维修费较低、原理结构简单并且容易控制，成为控制运动机械主要的应用电机。但是其机械的电刷换向器，易损且不稳定，成为有刷直流电机无法克服的致命缺陷。因此，为了替代这种应用了数十年的传统机械换向形式，人们通过艰难地探索，在20世纪中期利用电子换相器取代了机械换向器的无刷直流电机终于真实意义上的诞生了。直到1978年MAC的DC无刷电机和控制系统问世，直流无刷电机才真正进入应用阶段。整个世界对于电机技术的不断研究发展又迎来了BLDCM和PMSM的诞生。与此同时，因为利用方波去驱动负载较为容易且所造成的的误差和干扰问题较少，所以利用方波驱动的BLDC应用更为普遍。随着新型永磁材料、微电子技术、自动控制技术和电子技术的发展，特别是大功率切断系统的发展，无刷直流电动机得到了广泛的发展，无刷直流电机不仅保留了传统直流电机优良的静态和动态调速特性，而且结构简单，从军事工业到医疗、信息、航天、电力和工业部门的自动化应用迅速发展。电动车永磁无刷直流电机控制系统发展因为无刷直流电动机对永磁材料有很高的要求，所以价格远远高于有刷直流电动机，但是性能以及电子换相技术的优越性使得其性价比高于有刷直流电机。早期大多数电机都利用单片机或者多片微处理器共同工作作为控制手段，大致可以分为这几个发展阶段：根据系统的要求利用大量分立的单个元件组合成的模拟电路，以实现电机控制、调速或者换向等功能。这种控制方式的优点就是实时性高，但是这种使不同功能元件组合在一起的控制方式使得电路结构过于复杂，体积大，且其可靠性和耐久性都比较差，难以实现较为复杂的计算方式。随着电力电子技术的发展，各大公司纷纷推出了适用于各个场合的芯片，组成适用于特定系统的专用集成电路，使得可靠性大大提高，但是其可拓展性仍然较差，可适用于一些基本场合的应用，但是仍旧不适用于大规模应用。利用单片机加上一些附加元件和部分集成电路可以组成精度高、适应性强的控制系统，并且也可以初步实现复杂运算。但是随着时代的发展对于控制系统的计算能力以及数据处理能力的要求越来越苛刻，需要控制的对象也越来越复杂，如从普通的微型电动车到二轮电动车又到如今的电动汽车，原始的控制系统处理硬件的策略已经远远达不到要求。因此，随着技术的不断革新，TI公司与ADI公司相继研制出了适合各种不同的电机的数字信号处理系统，简称DSP（DigitalSignalProcessing)。目前国内外学者对于无刷直流电机除了研究其电机本体外，重点还是集中在对其控制手段的研究上，且大多集中在一下几个方面：无位置传感器控制无刷直流电机取得转子位置信号的方法是非常重要的部分。当然，也能使用位置传感器取得，但是电机的运作环境极其恶劣，位置传感器在其中将会是其最脆弱的环节，会造成其稳定性、经济性低。无位置检测作为一种全新的检测方法，其原理使利用硬件的信号以及软件的算法来得到转子的位置信号，从而通过转子的位置信号完成电子换相器的转向。而无位置传感中最常用的检测方法就是通过摸清电机反电动势和电流的规律关系得出其转子的位置。这种方法不需要位置传感器，只需要检测电机相电压和电流就可以确定电机转子的具体位置。转矩脉动控制电机转矩脉动就是电机运行转矩大小上下抖动。应用于电机中，大转矩脉动会是其运行不稳定。当转矩抖动很大时，对电机速度影响很大。当电机旋转时，其瞬时输出扭矩不能是一个固定值，而是在平均值附近波动，所以如何抑制转矩脉动就成为直流电机控制系统设计上绕不过去的热点问题。故障诊断以及容错控制电机的运行环境常常伴随着很多复杂恶劣的因素，容易造成控制系统故障，这对于电机的正常运行造成了严峻的考验。所以，精准的故障诊断以及容错控制是对电机优越性重要的衡量指标。电动车无刷直流电机控制系统总体设计BLDC和BDC机械结构相同，区别在于BLDC采用电子换相，这既克服了传统电机易产生损耗的缺点，也提高了直流电机的稳定性和精确性，并且使得一些复杂的数学模型得以利用。可以通过改变定子和绕组的缠绕结构来改变磁场波形，根据磁场的分布，永磁电机又可分为永磁同步电机和直流无刷电机。当磁场波形为正弦波时，永磁同步波为发动机；当磁场波形为方波或梯形波时，永磁同步波为直流无刷发动机。本章主要介绍了无刷直流电动机的结构和原理，并建立了数学模型。无刷直流电机的基本构成无刷直流电动机由四部分组成：机体、电子换相电路、轨道检测电路和控制电路，在发动机运行过程中，转子位移信号是转子缸位置传感器的结果，输入到控制电路中，将其转换成逻辑信号，然后发送到摆锤路径。使得换相电路中的开关元件以一定的逻辑规律工作，使得直流电源以一定规律给定子上的三相绕组供电，得到不间断的电磁转矩。以下是无刷直流电机组成控制系统原理框图：图1系统组成框图电机本体发动机主体由定转子组成，定转子与电刷直流发动机的基本结构相反。转子为永磁体，定子为电枢恢复。在气隙间能产生一定量的磁通。此外，因为电机的工作环境恶劣且往往伴随着不稳定的因素，为了电机本体能够承受一定的外界干扰，电机本体必须具有牢固的机械结构。定子是由很多硅钢片冲击压制而成，当电机工作室定子静止不动。定子上由一定数量的齿槽，其数量与电枢绕组的极对数和相数有关。电枢绕组缠绕子啊齿槽上，采用硅钢片可以降低定子的铁耗。无刷直流电机的转子是其最特别的地方，转子为永磁体，多采用稀土材料构成，加之我国稀土资源丰富使其在我国具有良好的应用前景。转子经特定的磁路设计可以产生不同波形的气隙磁场，当磁场波形为梯形波或者矩形波时为无刷直流电机，为正弦波时为同步电机。电机本体机构示意图如下：图2电机结构图转子位置检测电路BLDC利用电子换相取代原始的机械换相，如何确定转子的位置是BLDC控制器需要解决的问题。所以无刷直流电机在定子上需要额外添加转子位置检测电路，通过比较电枢绕组产生的直流电动势和电流关系得到转子位置信号输出给控制电路。转子位置检测电路磁敏式、电磁式、光电式、开关时等，霍尔传感电路作为磁敏式电路，体积小，价格较低且稳定性较好准确度较高，并且本文是关于低速电动车直流无刷电机控制系统的设计，电机环境较为稳定，不易造成位置传感装置的损坏，所以本文将霍尔传感器作为转子位置检测装置。控制电路控制电路在得到转子位置检测电路输出的转子位置信号后，将转子位置信号经过逻辑处理后转化为逻辑开关信号在经过光电隔离和功率放大处理输出给电子换相电路。所以转子位置检测电路和控制电路也可以合起来成为转子位置传感器。电子换相电路电子换相电路实质上是一种逆变电路，将三相直流电转化为交流电为负载供电。控制电路输出的逻辑信号经光电隔离和功率放大后输出给电子换相电路，使得电子换相电路的开关元件能够以一定的逻辑顺序导通或者关断，使得电枢绕组三相按一定的逻辑顺序通电，从而得到不间断的电磁转矩，保证电机的正常稳定运行。永磁无刷直流电机的基本工作原理BLDC有着直流电机的优良特性，并用电子换相取代传统的机械换相，省去了电刷，从而降低了电机的损耗，利用电子换相器电枢绕组中电流的换相。在BLDC运作时，从转子位置传感器输出转子位置信号，输入给控制电路转化为逻辑信号，该逻辑信号再传输给换相电路，在电子换相电路中通过光电隔离和功率放大对电子换相电路中的开关器件进行一定逻辑规率的通断状态的转化，使得定子上的电枢绕组三相以特定的时序规律通有直流电，在定子周围产生旋转的磁场，产生不间断的电磁转矩。当定子上产生的旋转磁场与转子周围的磁场在空间上相差九十度时电磁转矩最大，当两个磁场相互平行时电磁转矩最小。因为磁场间相互排斥或者相互吸引的关系，电机转子的旋转跟随着定子产生的旋转磁场的旋转而跟着旋转。在转子不断运作的情况下，转子位置检测电路不断给出转子位置信号，从而使定子电三相枢绕组中不断规律性地通有直流电，形成了控制系统的循环运行。永磁直流无刷电机通过电子换相装置实现定子上电枢绕组中电流的通断和方向的变化，从而改变电枢绕组电流在不同极下时的方向得到固定方向的直流无刷电机转矩。带转子位置传感器的控制基本原理本文选择三相桥式逆变电路作为电子换相电路，电机本体定子上的电枢绕组以星型方式连接。以下给出无刷直流电机和三相桥式逆变电路的等效电路图：图3逆变电路图当给永磁无刷电机的定子电枢绕组的其中两相通电时，定子在气隙中所产生的气隙磁场时固定的，固定的磁场并不能带动永磁体转子转动起来，所以要利用电子换相电路控制电路中的开关管的导通和关断来控制电枢绕组中在任一时刻都有两相通电导通，且在任一时刻只能有两相绕组导通，另一只开关管保持关断，三项桥式逆变全控桥式电路同一桥臂上的两个功率开关器件在同一时刻只能有一个触发导通。根据转子位置检测电路输出的转子位置信号控制电子换相电路上的功率开关管通断状态的转变，转子每旋转60°转子位置检测电路就需要改变一次工作状态，转子每个旋转周期检测电路工作转台改变六次，定子电枢绕组通电状态也相应地换向六次，当永磁无刷电机正转时导通顺序如下：VT1-VT6,VT3-VT6,VT3-VT2,VT5-VT2,VT5-VT4,VT1-VT4六个导通状态，当电机反转时，顺序相反：VT1-VT6,VT1-VT4,VT5-VT4,VT5-VT2,VT3-VT2,VT3-VT6,VT1-VT6。每两个导通状态所形成的磁场在空间上是跳跃的，在开关状态的高速变化下近似于形成了旋转的磁场，两个导通状态之间相隔120°，每个开关管导通60°，电磁转矩旋转一周一共换向六次，每次换向使转子转动60°，转子因此跟随磁场的转动而持续转动。建立数学模型本文采用同一时刻有两相导通负载电机采用星型连接的方式，转子位置检测电路采用三个霍尔电路在空间上每两个霍尔元件之间相隔120°对称安装在定子上。因为永磁无刷直流电机在实际工作中还收到制作工艺、工作环境、所用材料等因素的影响，不可能建立完全贴合实际的数学模型，所以对永磁无刷直流电机进行如下理想化的假设：电子换相电路中的开关元件在开关过程中均为理想开关状态，即不产生开关损耗也没有延迟角。转子周围分布的磁场和电枢绕组通电后产生的气隙磁场分布波形均为平顶宽度为120°的方波。电机所产生的磁导分布均匀，不考虑磁场饱和以及电机内部的齿槽效应、换向过程、电枢反应对电机产生的影响。不考虑涡流效应、磁滞效应产生的影响，即不计涡流损耗和磁滞损耗。三相电枢绕组在定子上的缠绕方式完全相同，在空间上分布完全均匀堆成。在此理想化的基础上建立理想化的数学模型以简化计算达到理想的实际应用效果。电压方程同步电机的电压平衡方程为：（2-1）可以推导出，同步电机的一般电压公式均可写作：（2-2）式中：Ua、Ub、Uc为定子电枢绕组的相电压（V）；Ra、Rb、Rc为定子电枢绕组的等效电阻（Ω）；Ia、Ib、Ic为通过各相电枢绕组的相电流（I）；La、Lb、Lc为各相绕组的自感（H）；Lab、Lac、Lba、Lbc、Lca、Lcb为两相绕组间的互感（H）；ea、eb、ec为各相绕组上所产生的反电动势（V）；P为微分算子，即P=d/dt；因为BLDC是一种气隙磁场波形为梯形波的特殊同步电机，并且三相电枢绕组在定子上是等分分布的，因此三相绕组的自感和绕组之间的互感是恒定且相等的，即La=Lb=Lc=L，Lab=Lac=Lba=Lbc=Lca=Lcb=M。又因为直流无刷电机电枢绕组负载为星型连接方式且无中性线，所以有基尔霍夫电流定律可知，Ia+Ib+Ic=0，由此得到电压平衡公式：(2-3)由（2-3）式可以得到永磁无刷直流电机负载等效电路图如下：图4电机负载等效电路图转矩方程和状态方程BLDC的电磁转矩是定子电枢绕组阶段性换相通电后产生的旋转磁场和永磁体周围的磁场相互作用形成的，若负略转子转动所产生的机械损耗以及其他一系列额外的损耗，其实质就是电功率完全转化为机械功率的过程，所以可以得到无刷直流电机的电磁转矩表达式为：（2-4）其中ω为转子转动的角速度。BLDC在120°导电状态下运行时，定子绕组是星形连接的，因此BLDC的定子绕组只在同一时刻通电，流经各相的电流相等且相反，E为每个导通相反电动势的最大幅值，Ip为每个导通相流过电流的最大幅值。无刷直流电机反电动势与电机的机械角速度成正比，所以：（2-5）其中ke为反电动势系数；np为电机的极对数。电机的运动状态方程为：（2-6）其中Tl为转子机械转矩；J为转动惯性；f为阻尼系数。转速n、极对数np、以及供电频率fH的关系：（2-7）为了使得永磁无刷直流电机得到固定的电磁转矩，必须保持输入给电枢绕组的电流为稳定的方波，三相输出恒定且幅值相等。流过三相的方波电流每次导通能维持120°，使其导通的相应时间正好与反电动势平顶宽度相符合，这样就可以使得转子在各相持续导通和关断的条件下持续旋转。为了方便数值的代入和电机状态的显现，可以将（2-3）式转化导出以下状态方程：（2-8）永磁无刷直流电机转矩脉动电机转矩脉动就是电机运行转矩大小上下抖动。应用于电机中，大转矩脉动会是其运行不稳定。当转矩抖动很大时，对电机速度影响很大。当电机旋转时，其瞬时输出扭矩不能是一个固定值，而是在平均值附近波动，转矩脉动是电机低速运转时的一个重要指标，所以如何抑制转矩脉动就成为直流电机控制系统设计上绕不过去的热点问题。永磁无刷直流电机转矩脉动产生的原因理论上，微型电动车用的方波型永磁无刷直流电机用同相位的方波电流输入电枢绕组驱动电机，得到的转矩应该是平滑的或者是脉动较小的。但是电机生产或者运行时产生的实际工作环境会让转矩脉动增大，永磁无刷直流电动机产生转矩波的原因，本质上是由于电磁干扰、电流换向、电枢反应和机械技术不足引起的转矩波，其中电流换向引起的换向延迟角是产生转矩波的主要原因。在电机实际工作中，永磁无刷直流电机转矩脉动有以下几种原因：在实际电机生产过程中，对于电机各机械零件和电路结构机械加工过程产生的误差造成定子电枢上产生的感应电动势不同；定子齿槽使转子旋转时产生的气隙磁阻产生变化；转子所用的永磁材料电磁性能不同从而产生的永磁磁场在空间上不完全对称；电枢效应引起的气隙磁场畸变；定子通电后所产生的磁场不连续而是跳跃式旋转；电枢缠绕的不完全对称；实际工作中电机工作环境和参数的变化等。转矩脉动分析和抑制方法对于BLDC转矩脉动的抑制方法大多分为两类，第一类就是对直流电机的本体进行优化，尽可能地是电机的机械加工、齿槽分布设计、绕组缠绕的加工过程更加精准使得通电后各相生成的反电动势波形相同且接近理性波形。或者通过合理设计制造永磁体转子时使压片分布尽可能完全对称以得到对称的永磁磁场随着现代控制理论的诞生以及近年来逐渐兴起的智能控制理论，对于如何减小或者消除转矩脉动有很多办法。虽然在现用的数学模型中大多是将BLDC近似等效成一个线性的系统，但是在实际工作中BLDC是一个多变量、非线性并且具有强耦合性的系统，因此很难用数学模型准确地表达出来。基于现代控制理论和智能控制理论的基础，大多采用基于自适应控制原理的电磁转矩估计器来减小转矩脉动。自适应控制器根据电流和电磁转角检测数值通过自适应控制得出转矩脉动的主要谐波参数来得到直流电机电磁转矩的估计值，通过控制器将估计值和指定值不断地进行比较得出来的误差来调整输入电枢绕组的电流波形，是转矩脉动尽可能接近于零。这种控制方法基本上能将转矩脉动下降到2％以下，且控制的精确度与电枢绕组所产生的反电动势分布情况相关，电机参数和环境的变化对这种控制方式有较大的影响。介于微型电动车运行环境平稳，电机运行较为稳定，这种自适应控制器的控制方式可以有效地降低微型电动车的转矩脉动。然而随着技术的发展，智能化控制方法中的神经网络控制可以不依赖复杂的数学模型，具有较强的适应和学习能力，能够选取所以比较适应于多变量、非线性的系统，所以智能化的研究方向是一个重要课题。控制系统总体方案设计控制系统的主要部件有：控制电路、电源模块、永磁无刷直流电动机（带霍尔位置传感器）及其充电设备测功机、霍尔电流传感器、霍尔电压传感器，以数字信号处理器TMS320F2812为核心的上位机和仿真器，电源模块由驱动电路和逆变电路组成，主要功能是根据数字信号处理器的六个PWM信号将电源转换成相应的三相电压，驱动发动机运转，逆变电路由六个mostet和一个连续流二极管组成并联。驱动循环主要由ir2136驱动芯片及其相应的外围电路组成。霍尔中的位置传感器位于无刷直流电机中，用于将转子的位置信号传回。数字信号处理器将根据得到的位置信号发送6-PWM信号。在光计算器电路处理完脉宽调制信号后，检查ir2136引脚的电平，然后ir2136操作6档管的开闭，根据来自测试位置传感器的数字信号处理器脉冲信号，通过控制转速电路进一步实现发动机转速，系统控制图如图5所示：图5无刷直流电机系统控制原理图系统硬件设计BLDC有着直流电机的优良特性，并用电子换相取代传统的机械换相，省去了电刷，从而降低了电机的损耗，利用电子换相器电枢绕组中电流的换相。在BLDC运作时，从转子位置传感器输出转子位置信号，输入给控制电路转化为逻辑信号，该逻辑信号再传输给换相电路，在电子换相电路中通过光电隔离和功率放大对电子换相电路中的开关器件进行一定逻辑规率的通断状态的转化，使得定子上的电枢绕组三相以特定的时序规律通有直流电，在定子周围产生旋转的磁场，产生不间断的电磁转矩。当定子上产生的旋转磁场与转子周围的磁场在空间上相差九十度时电磁转矩最大，当两个磁场相互平行时电磁转矩最小。因为磁场间相互排斥或者相互吸引的关系，电机转子的旋转跟随着定子产生的旋转磁场的旋转而跟着旋转。在转子不断运作的情况下，转子位置检测电路不断给出转子位置信号，从而使定子电三相枢绕组中不断规律性地通有直流电，形成了控制系统的循环运行。永磁直流无刷电机通过电子换相装置实现定子上电枢绕组中电流的通断和方向的变化，从而改变电枢绕组电流在不同极下时的方向得到固定方向的直流无刷电机转矩。主芯片选择随着科学和工业技术的发展，永磁材料的选择越来越多，加之自动控制技术、电力电子技术、电力电子功率开关器件的发展，永磁无刷直流电机及其控制技术也随之得到发展，材料质量的提高使得更复杂的数学模型能应用在电机的控制系统中。电机控制技术已经经历了经典控制技术一直到现代控制技术阶段，现代控制技术已经发展到可以对多变量线性系统进行控制。线性系统的控制技术已经有了一套完整的体系，然而永磁无刷直流电机的控制系统是多变量、非线性的。但是在类似于本文设计四轮低速电动车用的控制系统，该类电机对控制系统的精度和性能要求较低，所以可以将该类控制系统在一定条件和范围内近似为线性的系统，或者在系统内部使其局部线性化，以满足一定的控制要求。在实际应用中，因为PID控制运行可靠，算法简单所以应用最广泛。PID控制器即比例、积分、微分控制器，对系统的响应进行调节。永磁无刷直流电机控制系统需要对转子位置信号做出响应来调节转速和方向，所以该控制系统为一个含负反馈的闭环系统。闭环控制系统都是利用反馈来反复调节减少系统中的不稳定性，将电机输出的实际值于期望值作比较进行反复调试，利用实际与期望值之间的偏差来纠正系统响应，使电机精确地得到所期望的转速。PID控制器作为一种典型的反馈控制回路部件，其基础是比例控制，积分控制可以消除稳态运行中的误差，但是会增加超调，而微分控制恰巧在提高控制系统响应速度的同时可以使超调降低。PID控制技术的关键就是如何准确的测量和比较，以纠正系统的运行得到精确的运行结果。电子换相电路利用PWM控制技术，即脉冲宽度调制技术来等效得到正弦波信号来对功率开关器件进行通断控制。脉冲宽度调制技术就是通过等幅不等宽的调制波信号与三角载波信号进行比较，利用面积等效原理来得到具有相同效果的正弦脉宽调制信号，让调制信号控制功率开关器件的通断。TMS320C2000系列是专门用于电机控制和电源控制的数控芯片，其中应用最为广泛的就是TMS320F335以及TMS320F2812，因为TMS320F2812在电机控制中的应用最为广泛，所以本文选用TMS320F2812作为主控制芯片。TMS320F2812虽然是一款定点的CPU，但其工作方式是满足发动机控制液点工作要求的液点，如图6所示，DSP芯片按照RS232标准通过PCI接口与PC机通信，通过上位机控制参数切换和运行状态监测。与数字信号处理器的标准FTAG接口通过仿真器连接到计算机，利用霍尔指令信号传感器采集电流信号并送回DSP进行闭环控制，DSP根据插座的位置信号发出6-PWM信号。通过控制转速电路进一步获得发动机转速。图6系统硬件组成框图DSP最小系统电路电源电路选用电压相对准确的电源芯片tps767d318。它可以产生+3.3V和+1.8V的电压，为数字信号处理器的核心和外围模块供电，但第2个复位引脚i被tps767d318拔出并连接到TMS320F2812复位节点，通电后，数字信号处理器程序无法运行。输出到数字信号处理器的指针始终处于低电平，每220毫秒有一个上顶，但无法填充，同时3.3V每220米有一个下顶，两个上顶对称，然后tps767d318的2个复位针被提起，数字信号处理器复位信号飞到1个复位点，2812已成功开启，如果仅提升2复位引脚，则2812重启将暂停并正常工作。2812的特别之处在于它外围电路先上电后给核心，这就使得I/O在输出或者输入态之间来回变化，变得不稳定。这种不稳定的状态使得I/O在连接到其他芯片上的时候二者输出不平衡而造成短路。这种短路的情况会使得电路的损耗增大，这种异常的功耗一下子把3.3V拉低在复位完成时出现尖峰。除非TMS320F2812的I0未连接到其他芯片，否则几乎不可避免地会在复位结束时将3.3V拉低。但是，在实际应用中几乎不可能连接到其他芯片。由于具有延迟功能，TPS767D318的复位信号尖峰周期为220ms，这使得复位信号在TPS767D318的每次复位时继续被拉低220ms。220ms后，复位信号结束，TMS320F2812的3.3V再次开始上电，再次出现异常功耗。3.3V再次下拉，TPS767D318再次输出复位信号。为了使得1.8V发生异常时2812能够及时复位，将DSP芯片的复位引脚与TPS767D318的1RESET引脚相连，从而起到监视作用。虽然3.3V仍旧为出现向下的尖峰但是1.8V是稳定的，因此系统能够正常上电运转。晶体振荡器电路是处理器芯片的核心，这是芯片正常工作中不可或缺的部分。选择30MHz无源晶体振荡器，两个外部电容器的电容为22pF。复位电路必须具有两个功能：上电复位和手动复位。控制芯片复位为低电平。上电复位可以通过TPS767D318芯片的RESET引脚实现。手动复位由按钮开关控制。2812的最小系统如图7所示：TMS320F图7TMS320F2812最小系统JTAG标准接口JTAG标准接口通过仿真器与计算机相连，可以完成DSP程序的在线调试与烧写。JTAG接口示意图如图8所示：图8JTAG接口示意图电动车速度设定电动车的行驶速度以及启动、刹车信号的呼出都通过RS232与上位机的交互来实现，将DSP芯片的PCI总线按照RS232标准与上位机相连，完全通过上位机来设定小车运行的参数，控制小车启动和刹车，并且对小车速度等数据进行实时监控。RS232接口如图9所示：图9RS232接口示意图驱动电路和电子换相电路为了放大DSP产生的PWM信号功率来驱动电子换向电路，使用IR公司生产的驱动器专用功率芯片IR2136驱动电路。IR2130是驱动IGBT的主要芯片。该芯片易于使用，仅需少量外围设备即可实现驱动功能。它有六个输入端口和六个输出端口，只需一个12V即可驱动逆变桥中的六个功率晶体管。DSP输出6个PWM信号，然后访问IR2130。功率放大后，可直接控制变频器的六个MOSFET管，然后驱动电机。IR2136特点如下：IR2136浮动通道设计用于自举操作，完全可以工作到+600V，耐负瞬态电压免疫过电压。门极驱动电源范围从10V到20V，所以通道欠压锁定，过电流关闭所有六个驱动程序。IR2136有三个独立的半桥控制器，都具有匹配的传播延迟。对于交叉传导防止逻辑，低端输出与输入异相，高端输出与输入同相。IR2136具有3.3V逻辑支持，低di/dt门控制器提供更好的噪声容量。（4）具有外部可编程延迟的自动故障排除，且所有零件都是无铅的。IR2136是一款专为MOSFET高速高压电源和IGBT控制器设计的控制器芯片。它具有三个独立的高侧和低侧参考通道，适用于三相应用。获得专利的HVIC技术使其整体结构更加坚固。LSTTL的逻辑输入是低至3.3V的CMOS输出。外部电流检测电阻允许激活所有六个输出，当功能激活时，所有六个输出可以同时终止。当提供漏极开路故障信号时，表示发生了过流或欠压而将其关闭。外部编程延迟通过连接到RCIN输入的RC网络自动清除过流故障。输出控制器具有高电流电流缓冲级，旨在实现控制器的最小交叉传导。简化高频参考中的传输延迟匹配。浮动通道可用于控制工作电压高达600V的N沟道功率MOSFET或高端IGBT配置。如图10所示，HIN1，2，3上的芯片IR2136是上臂，LIN1，2，3的三个输入端的下臂，HO1,2,3和LO1,2,3的三个输入上臂和下臂的三个输出端分别。其中，HIN1,2,3和LIN1,2,3是逆输出波形的表面是输出保护系统，低电平有效。另外，由于MOSFET的源极之间的阻抗高，源极漏极电压突然变化可能通过极间耦合到栅极引起过大的过电压对于正过电压电压，MOSFET误导，导致桥臂通过。因此，为了充分地降低栅极激活电路的阻抗，可以在门和源之间并联连接大电阻以从门卸载负载，并且不会产生负载。在图中，R7至R12被选为20KΩ电阻。如图10所示，当IR2136正常工作时，由TMS320F2812生成的发送信号PWM6通道由隔离电路的输入信号进行处理以成为PWM波5通道6通道。IR2136的引脚LO1,2,3通过单个引脚。无感电阻连接到每个下臂的MOSFET门。IR2136的引脚HO1,2,3通过无感电阻连接到MOSFET相的完整桥式反相器的每个相MOSFET的门。R1-R6是MOSFET的门控电阻。无感电阻为200Ω/0.5W。U，V，W分别连接到无刷直流电动机的三相绕组，C1~C3是启动电容器，启动电容器的功能是为断路器提供浮动电源。在上臂中，启动电容两端的电压超过阈值（MOSFET栅极的激活电压），高端MOSFET导通。本文中选择的启动电容为1uF/20v电容。D1~D3的功能是当上臂的MOSFET导通且电路烧毁时，防止电源电压直接施加到IR2136。如果引擎过电流或者过电压超过0.5V，IR2136会使输出为低时，从而保护电源开关，FAULT引脚提供故障指示。图10驱动电路和电子换相电路结合电机的功率，成本和功能的考虑，在逆变电路中，我们选择了大部分的功率传输管组成六相三相桥，MOFETi是一种输入阻抗高、电源低、噪声低、热稳定性好、过载和干扰强的电压器件，MOSFET型号为75n75。s系列电阻与门75n75的最大变化率可以改变，这里选择门与电阻10串联。V10-v15分别代表六个电流晶体管（MOSFEST），如图10所示，二极管D4至D9可作为发动机将功率返回直流侧的道路，并在发动机流量连续时发挥作用，因此它们被称为连续电流二极管。转速信号采集及调理电路采集转速信号，通过霍尔传感器检测电机转速，输出电压模拟信号，经过同相放大电路输出0~3.3v电压信号，输入到DSP的AD端口。图11转速信号采集及调理电路电流电压检测及调理电路霍尔电流传感器是光电隔离的，用于检测交流和直流，因此在电流检测模块中我们利用CSM006NPT霍尔电流传感器检测的相电流和总线电流。芯片输入的标称电流仅需要6A，可以检测0~±19.2A的电流。系统的标称电动机电流为7.2A，因此足以用作电路检测模块的主芯片。该电路收集三相电流，电流传感器连接到精密电阻器，将电流信号转换为电压信号，以便在后续阶段处理信号。信号调节电路的功能是将收集的电流信号转换并收集到可由模拟DSP端口识别的电压信号中。根据以上分析，调整电路包括以下模块：电流电压转换电路，运算放大电路，加法电路和钳位电路。电流检测及其调理电路原理图如图12所示：图12电流信号采集及调理电路原理图基于同样的道理，本文采用霍尔电压传感器作为电压接收器，采用vss025a系列霍尔电压传感器，该系列霍尔电压传感器具有精度高、线性度高、成本效益高、PCB安装舒适、工作温度低、宽频带等特点。该芯片同样输出的是电流信号，我们仍旧需要通过调理电路将该信号转化为DSP芯片可识别的电压信号，电压信号采集及其调理电路原理图如图13所示：图13电压信号采集及调理电路电压电流检测以及转子检测得到的信号经过调理后输出给DSP的AD口，DSP检测模块部分引脚图如下：图14检测模块DSP部分引脚示意图

系统软件设计本文涉及的无刷直流电机控制系统是基于DSP而设计的，所以系统软件必须采用TI公司芯片专用的CCS6.0的开发环境下进行系统软件的开发与调试，主要使用C语言进行编程。本文所设计的系统软件采用模块化的设计方式，系统软件所需完成的功能流程图15所示：图15控制系统功能流程图无刷直流电机控制系统软件部分可以分为主程序和中断服务子程序两大模块。主程序作为整个控制系统程序的框架，其应当具有预置系统参数、硬件系统初始化、捕获转子位置、设置中断逻辑等主要功能。主程序设计对于DSP芯片来说，初始化是DSP芯片正常运行的第一要务，初始化程序应当包括DSP系统控制的初始化、I/O端口初始化、AD以及EVA模块的初始化。在初始化后还需要设置定时器以得到系统采样所需的采样周期。主程序必须具有捕获转子当前位置的模块，以确保精准地得到转子位置信号输出响应。最后设置中断逻辑，在得到中断信号响应后直接进入中断服务子程序。系统主程序流程图如图16所示：图16主程序流程图初始化子程序设计初始化子程序主要包含CPU使能位和标志位的清除、PIE和中断向量表、GPIO端口、ADC模块、中断的初始化。初始化子程序流程图如图17所示：图17初始化子程序流程图捕获中断子程序在无刷直流电动机运行过程中，由DSP芯片对霍尔位置传感器发送的转子位置信号进行恢复。当霍尔位置传感器电流信号升降时，由DSP芯片产生切断信号，截取中断子程序对切断信号做出反应，得到电子换相，截取的切断程序电流图如图18所示：图18捕获中断子程序流程图A/D采样中断子程序无刷直流电机控制系统中A/D采样中断子程序的主要功能是获取直流母线电