【汽车水泵电机控制系统的硬件和软件设计案例分析3800字】

24汽车水泵电机控制系统的硬件和软件设计案例分析目录TOC\o"1-3"\h\u3348汽车水泵电机控制系统的硬件和软件设计案例分析 1714921第1章控制系统硬件设计 17214001.1控制芯片设计 18284381.2电源电路设计 19183811.3驱动电路设计 20224651.4CAN总线接口电路设计 21180661.5电流采样保护电路 2259611.6反电势位置检测电路 2387251.7本章小结 2419853第2章控制系统软件设计 25244462.1主程序设计 25176182.2子程序设计 25314402.3PWM输出 27第1章控制系统硬件设计无刷直流电机控制系统基于STM32

微处理器，包括主电路模快、功率驱动模块、逆变电路模块、反电动势检测模块、电流检测模块，电源电路模块以及上位机实时监控模块。图1.1控制系统总体结构框图控制系统通过微控制器把各个模块的控制参数和系统状态等信息进行信号采集和处理,电源给主电路供电，逆变电路输出信号控制电机的转速。STM32芯片自带CAN2.0，通过CAN总线接口电路它可以和上位机通信，使上位机能实时监测电机的当前转速。利用反电动势检测法可以检测到电机的转子位置信号，将其反馈给STM32，然后通过STM32微处理器内部的AD转换和转速计算。电机控制系统整体结构框图如图1.1

所示，主要实现电机驱动控制以及运行状态实时监测功能。1.1控制芯片设计目前，常用的电机控制芯片主要有ASIC、单片机和数字信号处理器(DSP)。专用集成电路ASIC可以一些功能的许多通用集成电路的功能集成在一块芯片上，这样能够减少整个电路的元件数，体积和重量减小，改善了系统可靠性。ASIC是针对用户的要求而特别设计的，可以增强保密性，别人难于仿造。因为专用集成电路控制芯片是针对特定算法设计的，一旦芯片设计生产出来，其所应用的算法就固定下来了。如果要适用的算法发生变化，用户可能将会无法使用原来的芯片，就需要另外再定制芯片。但是ASIC投片价格高，若生产批量就比较小，单位成本低，而且从设计，生产到使用要花很久时间。另外，因为ASIC芯片是专门设计,也不能编程，用户在芯片上无法进一步进行其他功能扩展，在使用范围上受到很大限制。目前，51系列单片机应用最为广泛。由于单片机运算能力较弱，处理速度无法达到电子开关速度的要求，电机就会产生较大的转矩波动。另外单片机的数据处理能力也比较低，控制系统的精度比较差。如果要实现AD、EEPROM等功能，需要与其他功能芯片连接,这样就增加了硬件和软件负担。单片机的耐流值和耐压值比较低，保护能力很差，电路的电流过大时很容易烧坏芯片。虽然I/O脚使用简单，但高电平时无输出能力。图1.3微处理器及外围电路与单片机相比，DSP具有更快的处理速度，更大容量的存储器，还设计有高速、标准异步和同步串口，能够同时存取程序和数据。DSP拥有高速的数据运算能力，能够以更短的时间实现更复杂的算法。与ASIC芯片相比，DSP能够满足用户个性化的需求，能适用于不同的控制系统；与单片机相比，控制效率更高，成本更低。考虑到系统的性能和成本因素，本文使用TM32F103C8T6芯片作为主控芯片。图1.2为STM32F103C8T6及其外围电路。该芯片的工作频率为72MHz，内部有64K字节的闪存存储器和32K字节的SRAM，包含12位的ADC、16位定时器和一个PWM定时器，能进行SPI、USART、CAN通信。1.2电源电路设计由于各模块电压的不同需求，电源电路主要提供分层电压。控制系统由12V电源供电，12V经过电源电路模块分别转换为10V、5V和1.3V工作电压。图1.3电源电路AMS117-5和AMS117-1.3电源芯片内含限流保护和过温保护的功能；12V电源电压经过XL7035芯片降压得到10V，给驱动电路提供电压。5V电压是10V电压经过AMS117-5芯片降压得到的，5V电压为电流检测采样部分电路提供所需的电压。5V电压流入ASM1117稳压芯片，经过降压转换输出得到1.3V，为STM32芯片和CAN总线通信模块供电。1.3驱动电路设计控制电路输出控制信号，其驱动负载能力比较低，电路中的电流比较小，无法驱动电机，所以需要设计驱动电路来产生较大的电流。本设计中电机的驱动方式采用的是全桥驱动方式。IR2101S芯片内置了死区时间和上下管直通保护，可以有效地保护半桥电路器件。每个IR2101S芯片能够同时控制2个MOS管的导通和开关，从而驱动控制电机转动，因此总共需要6个MOS管3个控制芯片。驱动电路如图1.4所示。图1.4电机驱动电路逆变电路产生的三对互补PWM控制信号，分别输入到3个IR2101S芯片的HIN和LIN引脚，其打开或关闭的反应时间只有约150ns，打开和关闭时间分别为100ns和50ns。功率管选择IRF540N芯片，它是一种N沟道增强型MOS管。IRF540N在打开时内阻只有50mΩ，所以当通过大电流时，不仅功率管发热少，损耗的功率少。控制信号经过IR2101S芯片进行功率放大以后，通过限流电阻分别和两个IRF540N芯片的栅极连接，从而实现对功率管通断的控制。1.4CAN总线接口电路设计STM32中自带的CAN支持协议2.0a和2.0b[22-23]。CAN2.0a是CAN标准报文格式，CAN2.0b是CAN标准报文格式和扩展报文格式。CAN收发器SN65HVD230可以广泛应用在较高干扰环境下，该器件的收发能力还可以继续维持良好的工作状态，能够应用ISO11898标准;高输入阻抗，低电流等待模式；该芯片信号的传输速率最高可达1Mb/s，抗干扰能力强。图1.5CAN总线接口电路利用芯片SN65HVD230来设计STM32的CAN总线接口电路。将STM32CAN_ＲX引脚连接到SN65HVD230的ＲXD引脚，CAN_TX引脚与和SN65HVD230芯片的TXD引脚相连[24]。1.5电流采样保护电路在电机带负载运行时，如果增加电路中的负载，电机内部中的电流也随之升高。当负载增大到一定值时，电路中如果没有过流保护模块，母线电流就会超过STM芯片的耐流值大小。过大的电流会烧坏电路中耐流值比较小的器件，因此电路中需要加入过流保护电路，如图1.6所示。图1.6电机过压过流保护电路电流信号经过1K采样电阻流入LM358芯片，从双运算放大器流出，与之前流入的电流值产生电压差[25]。该电压差经过LM358芯片放大后，送入I-U,I-V,I-DC引脚，然后通过ADC模块将电压信号转换成数字信号。ADC数字信号的大小可以反映出电流的大小，从而可以判断电流是否超过电路的最大值。当电机带负载运行过程中，如果电流超过了耐流值，控制系统中的过流保护电路会对母线电流进行限制，可以有效保护了电机和电路器件不会烧坏。1.6反电势位置检测电路反电势位置检测电路采用端电压检测法，通过对非导通的三相绕组的端电压进行检测，利用硬件和软件电路获得反电势过零点。电路图如图1.7所示，选用响应时间为1.3us的LM193芯片。图1.7反电势位置检测电路定子三相绕组端电压U、V、W经滤波和分压电路，输入送至检测电路LM193芯片的输入端，将输出电压和输入电压进行数值比较，从而可以获得各相反电势的过零时刻点。反电势过零点延时30°电角度后的信号用来控制电机的换相，从而控制电机的转动，具体元件器列表如表1.1所示。

表1.1主要元器件列表名称型号描述CPUSTM32F103LQFP48ICIRF540NMOS驱动芯片ICIR2101驱动器ICLM358运算放大器ICMAX232串口通信芯片ICLM193比较器ICSN65HVD230CAN通讯芯片1.7本章小结本章主要分析了无刷直流电机控制系统的硬件设计，首先提出了硬件电路的总体方案，还介绍了所选择的主控芯片STM32F103C8T6的功能与结构。然后对电源模块、功率驱动模块以及检测模块等电路进行解释，完成了控制系统硬件电路的设计。第2章控制系统软件设计2.1主程序设计整个系统是由软件、硬件两个大部分共同构成。本文BLDC控制系统的软件组成部分以STM32处理器为设计核心，STM32处理器上来进行研究开发。该系统的软件主要具备了转速调节，流调节，子换相位置计算,上位机通信等功能。主要程序的内容有各个模块的初始化,各个系统正常变量的说明和边界进行了定义。其中模块的初始化主要包含有以下几个组成部分:I/O端口配置的初始化，A/D转换，系统模块的初始化，PWM波的模块初始化。主程序流程图如图2.1示。图2.1程序流程图系统针对STM32微处理器系统中的各个系统模块变量进行了系统的明确初始化，同时针对各个模块变量的系统常数和值进行了明确声明和系统界限性的明确定义。2.2子程序设计STM32有7个定时器，有高级定时器和普通常规定时器两种。一般把一个TIM1和一个TIM8分别用来作为高级别的定时器，其余的则分别作为一般低级定时器。TIM1主要是用来处理输出BLDC的六路PWM输出脉冲的信号，定时器的中断子程序的主要功能是捕获外部的信号输入值。当一个微控制器在系统中断发现外部有中断信号进行输入时TIM2就很有可能会捕捉到一个相应的中断信号进行输出；再写入定时器中断服务子程序，将通过捕捉信息得到的信号输入值和信号输出变换为该子程序命令中的中断命令。TIM3主要用途是专门用于捕捉所需要检测的两个转子不同位置上的信号。中断子程序主要包括了过载直流保护取样子程序、ad中断采样子程序、定时器保护中断取样子程序等部分组成。其中，过载直流保护子程序主要是对电机转子的驱动电流电压溢出异常情况进行了中断检测；AD中断采集子程序主要是专门为了实现驱动电流反馈采样，以及获得与电机转速和驱动电流数据；中断定时器中的指示子程序主要是为了完成不同的中断时间和周期。中断定时器的中断指示子程序主要是用来完成不同中断时间周期的中断指示。软件设计的子程序流程图如图2.2所示。图2.2子程序流程图通过三段启动方法读取电机换相信号，完成转子预定位，然后利用定时器中断从启动电机并进行换相，开启捕获中断。在程序进行捕获中断后，检测线电压差值过零比较信号，再启动定时器计数，在进入下一次定时中断前，定时器可以捕获到两次过零点60°的电压值，最终得到了换相延迟时间。接下来进行电机转速计算和PWM信号输出，任务结束后跳出中断。图2.3CAN通信模块流程图在CAN通信模块里，对控制系统CAN2.0接口和变量进行初始化，设置STM32芯片内部定时器的定时中断时间为500ms，然后将定时器的标志位置为0。控制系统通过CAN接口通信模块与上位机软件进行数据传