【《直流无刷电机控制器硬件和软件设计案例》8800字】

直流无刷电机控制器硬件和软件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u27757直流无刷电机控制器硬件和软件设计案例 123095第一章直流无刷电机控制器硬件设计 2166761.1三相直流无刷电机三相星形连接全桥驱动 2104171.2控制芯片 5218881.2.1主控 5151991.2.2电源引脚 6165851.2.3电源 6224441.2.4启动模式 6309941.2.5时钟 741921.2.6复位电路 738131.3驱动芯片及电路 7248941.4霍尔传感器接口电路 9283921.5采样电阻放大电路 10113851.6过流保护电路 1087131.7电源电路 11206771.8总体电路 111975第二章BLDC软件设计部分 1113082.1PID控制原理 1290072.1.1开环控制系统 12203252.2.2闭环控制系统 1271432.1.3PID控制原理和特点 12219222.1.4模拟PID控制 13211492.1.5数字式PID 1413672.1.6控制器参数整定 15142302.1.7采样周期选择 16133242.2定时器实现PWM输出 1696042.3总体控制程序设计 19184002.3.1主函数 19279512.3.2换向函数 21179302.3.3增量式PID函数 21223552.3.4系统滴答定时器回调函数 22116142.3.5定时器输出比较中断服务 23136262.3.6定时器触发中断服务 24185892.3.7过流保护 25直流无刷电机控制器硬件设计1.1三相直流无刷电机三相星形连接全桥驱动在充分了解全桥驱动之前，先来了解H桥驱动原理。图1.1H桥模型如图当开关A和D闭合，B和C断开时直流电机正常旋转，记为正旋转；A和D断开，B和C闭合时直流电机正常旋转，记为反旋转；如果开关A和C关闭，开关B和D打开，或者反之，直流电动机就不会转动。这时电机处于制动状态，由电机惯性旋转产生的电势被短路，形成一个相反的电势，防止运动并产生制动效果。当所有四个开关都关闭时，电机处于静止状态，由电机惯性旋转产生的电位不能形成回路，防止形成反电势，在实际设计中我们可以选择三极管或者MOS管代替开关。图1.2顺转对应上述开关控制旋转，此时Q1和Q4导通，电机正转。图1.3逆转相反，Q2和Q3导通，电机反转。有了H桥控制电路还要保证位于同侧的两个三极管不会同时导通，如果Q1和Q2同时导通此时电流会直接穿过两个三极管，可能会烧毁两个三极管，所以需要对电路进行改动。图1.4H桥逻辑电路在原电路基础上增加4个与门和2个非门。4个与门同一个使能导通信号相接，此时这个导通信号可以控制整个电路开关。而2个非门提供一种方向输入，保证位于同侧的三极管不会同时导通。采用这个改进电路后，电机运转需要三个信号，两个方向信号和一个使能信号。如果DIR-L信号为0，DIR-R信号为1，并且使能信号为1，三极管Q1和Q4导通。如果DIR-L信号为1，DIR-R信号为0，并且使能信号为1，三极管Q2和Q3导通。基于H桥的原理和霍尔传感器提供位置信息，然后控制每相的通电，就可以对BLDC进行初步的正反转控制：图1.56步通电原理表1.1正转霍尔1霍尔2霍尔3A+A-B+B-C+C-方向101关闭开通关闭关闭开通关闭↓001关闭开通开通关闭关闭关闭↓011关闭关闭开通关闭关闭开通↓010开通关闭关闭关闭关闭开通↓110开通关闭关闭开通关闭关闭↓100关闭关闭关闭开通开通关闭↓表1.2反转霍尔1霍尔2霍尔3A+A-B+B-C+C-方向101关闭关闭开通关闭关闭开通↑001开通关闭关闭关闭关闭开通↑011开通关闭关闭开通关闭关闭↑010关闭关闭关闭开通开通关闭↑110关闭开通关闭关闭关闭开通↑100关闭开通开通关闭关闭关闭↑当检测到霍尔传感器信号时，控制六个桥臂的开关状态，假设当前霍尔传感器反馈信号为1、0、1，对应驱动芯片输出PWM信号驱动A-和C+桥臂导通，其他桥臂关断，此时转子会旋转一定角度，在到达旋转角度前，霍尔传感器信号会发生改变。总体设计电路图如下。图1.8总体设计1.2控制芯片1.2.1主控STM32F103ZET6：集成了64KSRAM、512KFLASH、2个基本定时器、四个通用定时器、2个高级定时器、2个DMA控制器、3个SPI、2个IIC、5个串口、1个USB、1个CAN、3个12位ADC、1个12位DAC、1个SDIO接口、1个FSNC接口、112个通用IO口。图1.9F103ZET61.2.2电源引脚STM32F103ZET6的典型电压为3.3V，每个电源可接接上0.1uf的高频滤波电容。ADC的参考电压我们直接接在3.3V上，ADC的电源则是通过一个电感后与3.3V连接。1.2.3电源在开发面板上，不同的组件所要求的供电电压分别为+5V和+3.3V。5V的供电方式有两种，一种是在发展板卡上留有两个MINIUSB插槽，通过USB线可以把5V的电压直接输入到开发板上。第二个方案是从外面供给7-36V的电源，通过板载式DC-DC的电源芯片将其转化为5V的电源。开发板使用了LM2596S-2.0芯片，它可以输出高达3A的电流，通常情况下，只有在开发板上安装了大量的组件时，才会采用这样的方式。采用AMS1117-3.3将5V转化为3.3V。1.2.4启动模式STM32F103的起动方式有很多种。启动模式的理解：单片机可以根据“不同地址”，例如最常用的Flash,RAM，系统代码，读写程序的命令，然后进行操作，而“不同地址”的设置是在给芯片提供电源（上电）后，芯片将会从BOOT0和BOOT1管脚读取电平进行判断。在此，“不同地址”其实是由一个地址引脚映射来完成的，芯片通常会在启动存储器区中开始运行程序。比如说，存储区0对应于大厅其内部存放一个房号，而BOOT0和BOOT1的引脚就会确定房号是多少。房号1对应于内部Flash,房号2与RAM相匹配，房号3与系统代码相匹配，当芯片通电时，会在大厅中获得一个房号，再找到房号执行程序。默认情况下，开发板通过两个大电阻将BOOT0和BOOT1的两个引脚电平拉低，也就是说，默认从内部Flash启动。1.2.5时钟时钟是微控制器的脉动，每个微控制器都必须有一个基本的时钟节拍，也就是一个参考时钟，否则会造成时间混乱，使程序不能正常工作。一般情况下，STM32F103芯片都要采用8MHz的无源石英晶体，其实STM32F103的核心核心也是8MHz，为了保证稳定性采用外部晶振。为使用RTC（实时时钟、万年历）还需要提供32.768KHz的时钟源。1.2.6复位电路微控制器一般有软件复位和硬件复位两种方法。STM32F103ZET6的复位引脚是低电平有效，当NRESET输入低电平时MCU处于复位状态。重设内部所有的寄存器和SRAM。电阻和电容可以构成RC重置电路。在系统供电时，电容上的电压是0,CPU复位，电源通过电阻给电容充电，在C5的电压上升到CPU的高电平门槛值时，CPU从复位状态进入工作状态。一般复位电路带有按钮，按下按钮时电容短路接地，可以实现人工复位。为了使NRESET的低电平持续时间达到CPU最低复位脉冲宽度的要求，需要选择合适的R、C。1.3驱动芯片及电路首先是六个桥臂的驱动，本设计采用的MOS管为IRFS3607，导通阻抗极低，转换速率极快。导通电阻9mΩ,阈值电压为4V。图1.10阈值电压MOS管的驱动芯片为IR2110S，体积小(SOIC-16)，集成度高(可驱动同一桥臂两路)，响应快(ton/tof=120/94ns)，偏值电压高(<600V)，驱动能力强，内设欠压封锁，而且易于调试，并设有外部保护封锁端口。其内部结构由逻辑输入、电平平移和输出保护，输入端LIN和HIN是全桥中位于同一桥臂的两个MOS管驱动信号输入端，SD为保护信号的输入端，三个输入端接下拉电阻，高电平有效，当SD接受高电平信号时，输出自锁，恒为低电平，如时序图所示，输出HO接非门输出VB或VS，LO接互补电路输出VCC或公共端电平。HO连接上桥臂，LO连接下桥臂。图1.11IR2110S内部结构图图1.12IR2110S输入输出时序图NMOS管的导通基本条件就是VGS大于一定的阈值电压VGS(th)，IRFS3607的VGS(th)是4V(最大值)。为IR2110S设计的电源电压为11V，IR2110S的低端驱动，即驱动Q2的IRFS3607，可以保持对Q2的导通条件。对于高端驱动，即驱动Q1的IRFS3607，D2保证MOS管快速关断，R10限流保护。当Q1导通时，VD=VS这会导致VGS变小，直到MOS管关断，关断后VG会大于VS，再次导通，这种状态称为半导通状态，这时需要自举升压电路来抬升VG，自举升压电路由D1和C8构成，Q1关断Q2导通时，HO=VB，此时C8一端通过Q2接地一端经悬空的VB通过二极管D1接VCC充电。当Q1导通Q2关断时，HO连接VB输出高电平，C8放电使得VG恒大于VS使得由此保证VGS大于阈值电压。一个典型的增压放大器电路使用一个电容器和一个二级管。电容器储存电荷，二极管防止反向电流。在较高的频率下，自举电路的电压等于电路的输入电压加上电容的电压，起到放大的作用。自举电容必须根据开关频率选择一个合适的电容。自举电路的目的是允许控制IR2110S的高端，即IR2110S第8脚的输出信号可以达到高于VGS（th）的电压。图1.13驱动电路IR2110S芯片是以光为媒介传输电信号的元件，内部封装了一个发光二极管和一个光敏三极管，能起到信号隔离保护和升压的作用。其输出VCC或者GND。输出VCC为IR2110S提供电压，把3.3V的PWM信号转换成12V的信号，这样就可以很好的适配IR2110s。表1.3TLP715输入输出真值表输入LEDTr1Tr2输出高电平亮开通关断高电平低电平不亮关断开通低电平1.4霍尔传感器接口电路图1.14霍尔传感器接口电路D14/15/16:保护电路。

R24/25/26:上拉电阻。

R29/30/31:限流电阻。

C15/16/17:滤波电容。1.5采样电阻放大电路图1.15采样放大电路采样电阻经过MCP6024同向放大，C16滤波，R34连接1.65V提供偏置电压拉升输出电压到1.65V，1.65V电压通过电压跟随器输入端分压得到。放大倍数UO=Ui×1.02。BAS70-04LT1为保护措施，限制电压0-3.3V。1.6过流保护电路图1.16过流保护电路采样电阻接运放反相输入端，Vref为参考电压，参考电压通过电阻分压获得。当采样电阻的电压超过0.5V时输出低电平，输出到光耦PC817进行驱动芯片的关断。1.7电源电路图1.17电源电路三部分降压电路将输入电源降至12V、5V和3.3V。12V为驱动电路供电，5V和3.3V为运放供电。1.8总体电路图片1.18总体电路为了增加电路可靠性，我给关断管设计了一个跳帽用来保护电路。下半部分开关电路三极管AOD2610源极接地，此时当栅极接高电平时电路才会导通，外接跳帽通过光耦控制高电平信号，电源接口的二极管防止电源反接。BLDC软件设计部分2.1PID控制原理自动控制系统分为开环控制系统和闭环控制系统。控制器的输出经过输出接口、执行机构输送到被控系统；被控量经过传感器，变送器和输入接口输送到控制器。2.1.1开环控制系统开环控制系统是被控对象的输出（被控量）对控制器的输出没有影响。没有被控量回馈以形成闭环回路。2.2.2闭环控制系统与开环的一个重要区别是，闭环控制系统中被控对象（被控变量）的输出信号被反馈给控制器进行参数调整，而且可能有一个或多个闭环。反馈信号可以是正的，也可以是负的；正反馈或负反馈意味着反馈信号与给定的系统值信号具有相同或相反的极性。一般闭环控制系统采用负反馈将输出反馈到控制器计算误差然后进行PID参数调整输出，构成负反馈控制系统。2.1.3PID控制原理和特点PID是把偏差的比例P、积分I和微分D以线性组合的方式构成控制量，再由控制器反馈给受控目标，PID结构简单，稳定性好，调整方便。当受控目标的结构参数不能被充分把握，不能建立准确的数学建模，则不能应用其它的控制原理，这时PID控制器就可以应用到这一领域。如果一个系统仅具有一定的比例控制，则会产生稳态误差。积分控制（I)：系统进入稳定状态后，存在稳态误差，引入了一个积分项，该项的积分值随着时间的推移而变化，该值随着时间的推移而变得越来越大，从而使得控制器的稳态偏差不断降低，直到为0。微分控制（D)：输出与输入误差的微分（误差变化率）之间存在正比的关系。在解决校正偏差时，会发生振荡和不稳定现象。产生这种问题的主要原因在于，由于在系统中有大量的惯性组件（环节）或者带有延迟的组件，这些组件自身会产生对误差的抑制，其变化始终比误差的变化慢，因此，要想克服这种影响，必须提前进行误差控制，在误差接近于零时抑制误差的作用也为零。因此，如果只有一个比例控制的话，还不能保证一个系统的稳定性，应该增加一个微分，这个微分控制可以预测出误差的变化，因此，这个比例+差分控制可以超前使抑制误差作用为零，从而防止了被控量的超调率。对于具有大惯性器件或带有滞后的被控系统，采用比例+差分控制可以改善系统调节时的动态性能。2.1.4模拟PID控制图2.1PID模拟PID控制系统原理如上图，r（t）是给定值，y（t）为输出值，给定值与输出值构成偏差e（t）。e(t)=r(t)-y(t)；e（t）为PID控制器的输入，u（t）为PID控制器的输出和被控对象的输入。 (5-1)Kp-比例系数；Ti-积分系数；Td-微分系数。=1\*GB2⑴比例调节比例调节：Kp*e（t），比例环节反应对偏差反应速度，因此，当偏差发生时，比例环节最好能产生一个控制动作，这样控制变量就会改变，以减少偏差。比例越高，控制越强，过渡越快，静态偏差越低；但是，比例越高越好，因为太强的振荡会破坏系统的稳定性。因此，选择正确的比例系数是很重要的。=2\*GB2⑵积分调节积分调节：，只要偏差一直存在，积分值就会一直增大，控制作用也就一直增加，只有偏差e（t）=0时积分结果就为定值。积分调节的好处是可以消除静态偏差，但缺点也很明显，会降低系统反应速度，增加超调量。一个很好避开缺点的方法就是增大Ti积分系数。但是Ti较小时也有一定优点，虽然可能产生震荡但是消除偏差也更快。所以需要根据实际情况来选取Ti。=3\*GB2⑶微分部分微分调节：，通过PI调节消除静态偏差的同时，用PI控制消除静态偏差还需要更快的控制。当偏差发生时，不仅需要对偏差做出即时反应（比例结合），还需要由于偏差的趋势而进行修正，这种修正就是差动结合的任务。偏差趋势越快，差动连接的输出就越大，在偏差变得更大之前进行修正的可能性也就越大。这减少了过冲量，克服了振荡，在高阶系统中特别有用，因为差分链接加速了跟踪。然而，差分相位对噪声特别敏感，所以在嘈杂的系统中通常不使用它，或者在差分相位之前添加一个滤波器来过滤输入信号。差分系数Td是差分连接的决定因素，Td越大抑制偏差变化作用越强。2.1.5数字式PID计算机的出现使得PID进一步发展，将模拟PID的控制规律引入到计算机中，对PID控制规律进行适当变换，就可以用软件来进行PID控制。数字PID又分为位置式PID和增量式PID。=1\*GB2⑴位置式PID计算机控制采用取样的原则，计算取样时间的误差，相比模拟控制，则采用的是持续的输出控制量，因此不能用于位置PID。需要进行离散化处理。离散化处理的步骤是：将k作为取样序号，T作为取样周期，这样就可以把连续的时间t转换成离散取样时间kT，用矩形法的数值积分取代积分，用一次后向差分取代微分，则可以进行离散变化：(5-2)将上式代入到模拟PID控制规律的表达式中：(5-3)k-采样序号；uk-第k次采样时刻计算机输出值；ek-第k次采样时刻输入量的偏差值；ek-1-0-0第k-1次采样时刻输入量偏差值；采样周期足够小的时候，离散控制过程与连续过程十分相似。这也称为全量式PID控制算法，有着一个显著的缺点，每次输出量都与过去状态相关，计算时还要对ek累加，这增加了计算量，同时计算机输出uk对应执行机构的实际位置，如果计算机故障将会导致执行机构大幅变化，又可能造成大的事故。=2\*GB2⑵增量式PID增量式是指数字控制器的输出为控制量的增量Δuk。增量式PID算法的公式可以由位置式推出： (5-4) (5-5)因此，采用恒定采样周期T，再确定ABC，加上前后三次测量的偏差值就可以求控制量。2.1.6控制器参数整定基于以上PID控制理论，目前有以下几个参数需要调整：比例系数Kp，积分时间Ti，微分时间Td，采样周期Ts。对这几个参数进行调节改变，使得系统特性与过程特性相符合，以提高系统的静态和动态特征。=1\*GB2⑴凑试法按照比例积分微分的顺序进行参数调整。将调节器积分时间设定为∞，微分时间Td设置为0，按照经验设置Kp初值，将系统投入运行，从小到大调整比例系数，得到合适的1/4衰减度过渡过程曲线。然后将Kp设定为5/6kp，从小到大调Ti。如需要微分，将Td设定为经验值，从小到大调Td。=2\*GB2⑵临界比例法在闭环控制系统中，将调节器设置为纯比例调节，从小到大逐渐改变调节器的比例系数，等系统到达等幅震荡过程，得到临界比例系数Ku，取相邻两个波峰间的时间间隔，得到临界振荡周期Tu。临界比例度法步骤：1设置调节器的积分时间Ti=∞，微分时间为0，比例系数根据经验设置，操作系统达平衡运行。2逐渐增大比例系数Kp，直到等幅振荡过程，记录临界比例系数Ku和临界振荡周期Tu值。3根据Ku和Tu值，采用经验公式计算Kp、Ti、Td。2.1.7采样周期选择除了适应上述规格外，采样周期对于良好的结果也是至关重要的。如果系统定期对模拟信号进行采样，其频率至少是信号最大频率的两倍，那么原始模拟信号就可以从采样过程中获得的离散值中完全重建。采样时间的上限可以根据采样规律来设定。有效的选择也必须与实际情况相适应。在实际采样过程中，根据有关样品中干扰的大小和过程的特点，如反应速度、过程中对干扰敏感的波动，可以选择较短的采样时间；相反，如果过程延迟较大，反应较慢，可以采用较长的采样时间。2.2定时器实现PWM输出高级控制定时器（TIM1及TIM8）是在基本计时器的基础上加上外接引脚，既能完成输出比较，又能获得输入捕捉，而高级控制定时器除了一般的定时器有的功能之外，还增加了一个可编程的死区互补输出、中断刹车、重复计数器等。它的内部包括16位计数器，16位的预分频器，一个16位向上、向下或向上/向下自动装载计数器和一个16位重复次数寄存器，共48位计数定时器。图2.2高级定时器输出PWM逻辑高级控制定时器的时钟源很丰富，一般只需选用其内部时钟源（CK_INT）即可。下边介绍PWM模式。图2.3PWM两种模式调整占空比用到两个器件，TIMx_ARR寄存器（确定频率）TIMx_CCRx寄存器（确定占空比）。输出包含两种模式：PWM1模式：当计数器向上计数时，小于比较值输出高电平，大于比较值输出低电平。PWM2模式：当计数器向上计数时，小于比较值输出低电平，大于比较值输出高电平。这两种模式由TIMx_CCMRx寄存器中的OcxM来确定：110为模式一，111为模式二。根据TIMx_CR1寄存器中CMS位的状态，定时器可以产生边沿对齐的PWM信号或者中央对齐的PWM信号，本设计为边沿对齐模式。边沿对齐模式：此模式下计数器CNT只能工作在递增或者递减的一种模式下，比如如图ARR=8，CCR=4，计数器开始从0计数，CNT＜CRR时，OCxREF为高电平，比较重大寄存器CCxIF置位，当CCR≤CNT≤ARR时，OCxREF为低电平，然后计数器CNT再次从0开始计数。图2.4边沿对齐模式当PWM信号在进入MOS管的控制级时，会因为各种各样的原因而造成延时，使某个半桥元件无法在关断时关闭，从而烧掉元器件，死区是指当上半桥被切断后，它会延迟一段时间，然后再打开下半桥，这样可以防止元件烧毁。死区时间被寄存器TIM1的BDTR位控制，如图此时寄存器已被设置好，并且死区发生器的输出信号以及参考信号OCxREF、OCx同输出信号相同，则OCxN和参考信号的上升沿之间有延迟，并且同样地，下降沿也存在延迟。图2.5死区死区时间计算方式：UTG[7:0]:死区发生器设置(Dead-timegeneratorsetup)这些位定义了插入互补输出之间的死区持续时间。假设DT表示其持续时间：DTG[7:5]=0xx=>DT=DTG[7:0]×Tdtg，Tdtg=TDTS；DTG[7:5]=10x=>DT=(64+DTG[5:0])×Tdtg，Tdtg=2×TDTS；DTG[7:5]=110=>DT=(32+DTG[4:0])×Tdtg，Tdtg=8×TDTS；DTG[7:5]=111=>DT=(32+DTG[4:0])×Tdtg，Tdtg=16×TDTS。产生6步PWM输出：前面已经介绍过，STM32高级控制定时器有互补输出的功能，我们便可以利用定时器TIM1来产生3对6路的互补PWM输出。首先，我们从COM事件开始。在通道采用补偿输出的情况下，预定的载位被设置在OCxM,CCxE,CCxNE。当COM通信事件发生时，这些预装位被转移到空闲位。用户可以预设下一个配置步骤，并同时改变所有通道的状态。COM可以在TIMx_EGR寄存器的COM1位置以编程方式创建，也可以通过硬件在TRGI的上升沿创建。COM事件同时控制所有通道的输出和切换，三相电动机通常都要同时进行换向，例如，三相同步转向时，无刷电动机才能完成转向，而软件设定时，只能一次设定一个相位，这样就无法实现三相同步换向。利用COM事件，将各相换向逐一设定，再由COM事件使三相同步换向。COM事件在STM32高级控制计时器“6步PWM”中扮演了关键角色，它可以被应用到三相电动机的驱动，对应直流无刷电机六步换向。霍尔传感器的接口：如果使用正向驱动器来产生PWM信号并控制电机，第二个通用定时器可以作为"接口定时器"来连接霍尔传感器，如图所示，三个定时器的输入基准（CH1、CH2、CH3）通过一个异步端口连接到TI1输入通道，根据霍尔的6种状态，TI1输出010101。形成低高低高低高的方波信号，任意一个霍尔元件电平变化都会改变TI1输出，而后经过滤波器和边沿检测器输出到TI1F_ED，而TI1F的每一次转变都会使TI1F_ED输出一个脉冲，然后输出到TRC而TRC会输出IC1（通道1）的一个捕获信号从而触发捕获事件，捕获之后计数器数值赋值给比较1寄存器。TRC还会触发复位模式清零计数器。直到计数器溢出，一直循环。TRC还会输出TRGO触发COM事件。图2.6触发COM事件下边将具体用CUBEMX软件实现H库编程：设置定时器1的四个通道和三个互补输出通道。配置PWM输出：我们将计数周期设置为1000，将电平跳变值“Pulse”四个通道分别设置不同的值，前三个通道是互补输出，极性相反，通道1的电平跳变值为900，意味着它从0~900都是高电平，900~1000都是低电平，这样周期循环，实现PWM的输出。此时就可以编译形成KIEL文件。接下来时具体编程流程。1)使能定时器通道每个引脚端口时钟。2)对于高级控制定时器TIM1的各个通道引脚进行初始化，配置