【導(dǎo)讀】點(diǎn)的同時(shí)，還具有低噪聲和長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)。在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、家用電器、工業(yè)、交。通工具、醫(yī)療機(jī)械等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)對(duì)無刷直流電機(jī)的研究以及成為。DSP是在數(shù)字信號(hào)處理的各種理論和算法的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，對(duì)于完成各種實(shí)時(shí)數(shù)字信息處理。在無刷直流控制系統(tǒng)中引入DSP技術(shù)，對(duì)采集。的信號(hào)直接進(jìn)行實(shí)時(shí)處理，提高了系統(tǒng)控制放入自動(dòng)化程度、精確和可靠性。字化雙閉環(huán)控制系統(tǒng)。論文主要研究了無刷直流電機(jī)的控制眼里，給出了系統(tǒng)的。整體方案，設(shè)計(jì)了硬件電路，編寫了軟件程序。

　　

【正文】 Y AB? 圖 為與非門真值表，以 A 相為例，輸入端 A 連接 aTOP，輸入端 B 連接aBOT,輸出 端 Y 連接 aBTM，由真值表可見，當(dāng)頂端驅(qū)動(dòng)接口 aTOP 處于有效的低電平狀態(tài)時(shí) :經(jīng)過邏輯保護(hù)后的底端驅(qū)動(dòng)接口 aBTM 為無效的高電平狀態(tài) 。只有當(dāng)頂端驅(qū)動(dòng)接口 aTOP 處于無效的高電平狀態(tài)，并且底端驅(qū)動(dòng)接口 aBOT 處于有效的高電平狀態(tài)時(shí)，經(jīng)過邏輯保護(hù)后的底端驅(qū)動(dòng)接口 aBTM 才會(huì)為有效的低電平狀態(tài)?？梢?，硬件邏輯保護(hù)使得 aTOP 和 aBTM 不可能同時(shí)有效，從而避免了同相橋 臂同時(shí)導(dǎo)通的危險(xiǎn)。 三相全橋逆變電路和 驅(qū)動(dòng)電路 逆變電路和驅(qū)動(dòng)電 路是主控芯片與被控電機(jī)之間聯(lián)系的紐帶，其傳輸性能的好壞直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行 質(zhì)量。其功能是將電源的功率以一定邏輯關(guān)系分配給無刷直流電動(dòng)機(jī)定子上各相繞組。功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有開關(guān)速度快、高頻特性好、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)寬和跨導(dǎo)線性度高等顯著特點(diǎn)，因而在各類中小功率開關(guān)電路中得到了廣泛的應(yīng)用。 在本控制系統(tǒng)中就采用了 MOSFET 組成的逆變器變換電路。根據(jù)第二章所述，半橋逆變器的控制比較復(fù)雜，需要六組控制信號(hào)，電機(jī)三相繞組的工作也相對(duì)獨(dú)立，必須對(duì)三相電流分別控制。而全橋逆變器的控制比較簡(jiǎn)單，只需三組獨(dú)立控制信號(hào)，且任一時(shí)刻導(dǎo)通的兩相電流相等，只 要對(duì)其中一相電流進(jìn)行控制，另外一相電流也得到了控制。因此本設(shè)計(jì)采用全橋逆變電路來控制各相位的導(dǎo)通，如圖 所示。 本設(shè)計(jì)中逆變器上下橋臂都采用 N溝道 MOSFET管，如圖 。 P型 MOSFETinputs outputs A B Y L L H L H H H L H H H L 22 管由于工藝的原因，參數(shù)一致性較差，價(jià)格較貴，而且其內(nèi)阻比 N 溝道的 MOSFET管大，損耗也大。因此，當(dāng)前的無刷控制器一般都采用兩個(gè) N 溝道 MOSFET 管組成逆變器的一相。 當(dāng)功率 MOSFET 管用作開關(guān)，被驅(qū)動(dòng)飽和導(dǎo)通，即在它的兩極之間壓降最低時(shí)，其柵極驅(qū)動(dòng)要求可概括如下 : (1)柵極電壓一定要比漏極電壓高 1015V，用作高壓側(cè)開關(guān)時(shí)其柵極電壓必定高于干線電壓，常?？赡苁窍到y(tǒng)中的最高電壓。 (2)柵極電壓從邏輯上看必須是可控的，它通常以地為參考點(diǎn)。 (3)柵極驅(qū)動(dòng)電路吸收的功率不會(huì)顯著地影響總效率。 本系統(tǒng)中功率 MOSFET 的漏極電壓為 36V，本系統(tǒng)的最高電源電壓也為 36V。為滿足柵極高于漏極 lOV15V 的要求，需要采用升壓電路。 頂端、底端驅(qū)動(dòng)電路 (1)驅(qū)動(dòng)電路 如圖 所示，由于受到匹配電壓的限制，頂端驅(qū)動(dòng)電路無法直接與 TTL器件匹配，因此在電路中通過 LM339 用來間接匹配電壓，匹配后的 LM339 輸出端 ((a相 2 腳、 b相 1腳、 c相 14腳 )電平分別為 12V 的有效狀態(tài)或大于 25V 的無效狀態(tài)。 當(dāng)某相頂端驅(qū)動(dòng)電路有效時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)器件 VF1(或 VF3, VF5 )的柵極電壓不低于 46V，才能保證場(chǎng)效應(yīng)管的充分導(dǎo)通。導(dǎo)通后， X1(或 X2, X3 電壓與電池電壓相同 )。 由于 MOSFET 管的柵極絕緣柵易被擊穿破壞，因此柵源間電壓不得超過正負(fù)，以防止柵源間電壓過大。本設(shè)計(jì)中，頂端驅(qū)動(dòng)電路中的 15V 穩(wěn)壓二極管 DZ2, DZ4 和 DZ6 為保護(hù)二極管。漏源間也要加保護(hù)電路以防止開關(guān)過程中因電 壓的突變而產(chǎn)生漏極尖峰電壓損壞管子，可用齊納二極管籍位。當(dāng)電機(jī)意外突然停轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)繞組產(chǎn)生瞬間的反向高壓可能會(huì)損壞功率管，所以在直流母線上并聯(lián)一只耐高壓電容，意外停機(jī)時(shí)，母線上產(chǎn)生的瞬間高壓會(huì)由于電容兩端電壓不能突變而得到抑制。 23 底端電壓驅(qū)動(dòng)電路采用 NE555 內(nèi)部的推挽電路，利用單片機(jī)產(chǎn)生的 PWM 信號(hào)調(diào)制底端驅(qū)動(dòng)信號(hào)，調(diào)制后的信號(hào)通過電阻禍合至底端驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管的柵極，控制場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通狀態(tài)。因?yàn)榈锥蓑?qū)動(dòng)電路中 NE555 功耗較大，因此，需要為U8, U9 和 U10 配上禍合電容 C37, C39 和 C43. 底端電壓 驅(qū)動(dòng)電路中的 R22, R30, R38 為串聯(lián)柵電阻，是場(chǎng)效應(yīng)管底端驅(qū)動(dòng)的保護(hù)電路，可消去由 MOSFET 電容和柵一源電路在任何串聯(lián)繞組感應(yīng)而生的高頻振蕩。 以 A 相為例，頂端驅(qū)動(dòng)，當(dāng) LM339 的 2口輸出為低時(shí)， VZ1正端接地，使得Q1基極電壓為 22V, Q1 開通，電流流過 R19，電流方向?yàn)樽笳邑?fù) (從而保證 Q1開通時(shí) Q2 關(guān)斷 )， VF1 柵極電壓為 50V 左右，源極電壓為 36V 左右， VF1 開通 。當(dāng) LM339 的 2 口輸出為高時(shí)， Q1 關(guān)斷，這時(shí) VF1 截止。 Q2與 R18, R19, C26 組成有源濾波器。底端驅(qū)動(dòng)，當(dāng)經(jīng)過邏輯 保護(hù)的 A 相底端控制信號(hào) aBTM 輸入為 1時(shí)，經(jīng)過底端驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生 12V 有效信號(hào)，使得 VF2 導(dǎo)通。同時(shí)，單片機(jī)輸出的PWM 信號(hào)送到 NE555 的 RST 端，對(duì)底端控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。 (2)電流采樣 由于負(fù)載的變化可能會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，以致超過器件的額定峰值電流，所以要通過電流采樣電阻反應(yīng)主回路的電流變化，在微秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)將 MOs管關(guān)斷。因此，驅(qū)動(dòng)電路地端通過電流采樣電阻 Ri(康銅絲 )與系統(tǒng)地相連， Ri值的選取一方面要考慮 LM339 保護(hù)電路和微控制器的控制和采樣精度，應(yīng)當(dāng)比較大 。另一方面要從系統(tǒng)的工作效率和采樣電 阻上的功耗考慮，應(yīng)當(dāng)比較小。因此，系統(tǒng)中兼顧了兩方面的問題，將瓦上面的電壓降控制在 以內(nèi)，在該點(diǎn)附近設(shè)置了硬件保護(hù)電路的極限電壓。由于 Ri 上的電流是通過 PWM 信號(hào)調(diào)制的，所以當(dāng)對(duì) Ri 上的電壓作采樣時(shí)，應(yīng)當(dāng)通過濾波電容 C36(見圖 )對(duì)包含大量 PWM信號(hào)的電壓作平滑處理。 24 圖 MOSFET驅(qū)動(dòng)逆變電路 電源電路 驅(qū)動(dòng)電路的電源部分包含兩部分電路 :一部分是將電池電源 36V，通過三端穩(wěn)壓器 LM7915 產(chǎn)生相對(duì)電源電壓的一 15V 電壓，即 36V15V=21 V，用于倍壓電路產(chǎn)生高驅(qū) 動(dòng)電壓 。另一部分是通過三端穩(wěn)壓器 LM7812 產(chǎn)生的 ++12V 電壓，用于頂端驅(qū)動(dòng)匹配和底端驅(qū)動(dòng)電路。如圖 所示，電源電路中，根據(jù)各個(gè)部分的電流，合理的選擇分流電阻 **R14 和 **R45 的阻值和功率，減小直接流過三端穩(wěn)壓器件的電流，降低其發(fā)熱量，提高電路穩(wěn)定性。 25 圖 +21V和 +12V電源電路 振蕩倍壓電路 如圖 所示， NE555 的電源接 +36V 電壓，地端接 +21V 電壓。 NE555D 和外圍電路組成振蕩電路，振蕩電路產(chǎn)生的振蕩頻率約為 45KHz，振蕩信號(hào)從 NE555D的 3 腳輸 出后，通過陶瓷電容 C23 和 C2二極管 D3和 D4構(gòu)成的倍壓電路，將輸出電壓提升到 50V 左右，送到 MOS 管的柵極。 NE555D 的 RST 腳能夠控制振蕩電路的起停。 倍壓電路的工作原理是 :當(dāng) NE555D 的 3腳為 GND 電壓 (+21V)時(shí)，電源 36V通過二極管 D4給電容 C24 充電，如果時(shí)間常數(shù)合適， C24 上的電壓近似等于 36V21 V=15V，方向?yàn)樽筘?fù)右正 。當(dāng) NE555D 的 3腳為高時(shí)，電容 C24左側(cè)為36V，右側(cè)為 36V+15 V=51 V，因?yàn)槎O管 D4反偏截止，產(chǎn)生的 51V電壓就通過二極管 D3 給 C23, C25 充電，這樣經(jīng)過若干周期的反復(fù)充電，電容 C25 上的電壓就升到后部驅(qū)動(dòng)所需要的 51V 恒定電壓。 硬件保護(hù)電路 為了增加控制系統(tǒng)的可靠性和安全性，設(shè)計(jì)了純硬件制動(dòng)保護(hù)電路，如圖 所 示。制動(dòng)電路通過控制振蕩電路的 RST 端的電平狀態(tài)，間接控制頂端驅(qū)動(dòng)電路導(dǎo)通所需的電壓源。通過 LM339 的保護(hù)功能，當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，測(cè)試點(diǎn) 26 1處的電壓通過上拉電阻，電平為 12V，經(jīng)過 22V 穩(wěn)壓二極管，測(cè)試點(diǎn) 2處的電平在 34V 左右，振蕩電路正常工作 。當(dāng)系統(tǒng)過流時(shí)，純硬件的保護(hù)電路 U7D 反向輸入端的電壓將高于正向輸入端的參考電壓， U7D 內(nèi)部的三極管導(dǎo)通，測(cè)試點(diǎn) 1處電平約 ,測(cè)試點(diǎn) 2處電壓為 21V 左右， RST有效，振蕩電路停止振蕩，頂端驅(qū)動(dòng)電路將不再輸出驅(qū)動(dòng)電壓，從而實(shí)現(xiàn)硬件制動(dòng)。 R47和 C36 組成電流波形尖 峰抑制器，可抑制電流波形的前導(dǎo)峰緣，增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。 圖 振蕩倍壓電路和純硬件保護(hù)電路 第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)概述 硬件是控制系統(tǒng)的氣體，軟件是控制系統(tǒng)的靈魂。系統(tǒng)的控制策略和控制方法都是通過軟件實(shí)現(xiàn)的。在上一章介紹了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，下面對(duì)軟件 27 系統(tǒng)做詳細(xì)的介紹。用匯編語言進(jìn)行編程具有程序代碼效率高的特點(diǎn)，所以本系統(tǒng)用匯編語言進(jìn)行編程。在寫好的匯編語言程序之后，調(diào)試程序需要連接調(diào)試環(huán)境。本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用 DSP 的匯編語言編程，并進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)。對(duì)于系統(tǒng)基于 TMS320LF2407 DSP 控制器的元件設(shè)計(jì)所 uao 實(shí)現(xiàn)的功能主要包括： 1. 根據(jù)外部輸入實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)、啟動(dòng)和停止功能 2. 檢測(cè)無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置 3. 實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度、電流雙臂環(huán)反饋控制，通過速度、電流調(diào)節(jié)，輸出 PWM波，使得無刷直流電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)連續(xù)、平穩(wěn)。 4. 過流保護(hù)作用。 要完成以上功能，本軟件設(shè)計(jì)的主要模塊程序?yàn)椋褐鞒绦蚝椭袛喾?wù)程序兩部分。主程序包括初始化子程序，啟動(dòng)子程序、鍵盤子程序。中斷程序包括捕捉中斷程序子程序、 A/D 中斷子程序。其中，在 A/D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)子程序中實(shí)現(xiàn)電流調(diào)節(jié)和速度調(diào) 節(jié)。以下針對(duì)主程序和中斷服務(wù)子程序設(shè)計(jì)加以詳細(xì)論述與說明。 主程序介紹 在控制系統(tǒng)主程序中完成的主要功能有：初始化、轉(zhuǎn)子初始位置檢測(cè)、控制鍵盤掃描、顯示電機(jī)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速和給定轉(zhuǎn)速等，系統(tǒng)主程序圖如圖 41所示。主程序各部分的具體內(nèi)容如下： 1. 系統(tǒng)初始化：主要是對(duì) DSP 芯片 TMS320LF2407 的某些系統(tǒng)控制寄存器和IO空能設(shè)置，如時(shí)鐘倍頻，一些管腳定義為輸入 IO 還是基本功能管腳。 2. 變量初始化：該部分對(duì)使用到得變量賦值，并對(duì)一些需要初始值的變量賦初值。 3. 液晶顯示初始化：該部分主要完成對(duì)現(xiàn)實(shí)期間的初始化設(shè)置 ，如清顯示、輸入模式、逛遍位置等。 4. 鍵盤子程序：該部分根據(jù)鍵盤設(shè)定參考轉(zhuǎn)速啟動(dòng)子程序，獲得位置傳感信號(hào)對(duì)電機(jī)進(jìn)行啟動(dòng)。 5. 顯示子程序：顯示設(shè)定速度和轉(zhuǎn)速。 28 圖 41 主程序流程圖 啟動(dòng)子程序 無刷直流電機(jī)采用電子換向，需要不斷檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，確定逆變器功率管的開關(guān)狀態(tài)，電機(jī)啟動(dòng)和霍爾信號(hào)中斷捕獲模塊就是用來讀取三個(gè)霍爾信號(hào)的狀態(tài)，以確定逆變器的換向順序。當(dāng)點(diǎn)擊處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)， DSP 捕獲模塊可以捕獲到霍爾信號(hào)的跳變沿，就可確定出電機(jī)所處的狀態(tài) 。當(dāng)電機(jī)在停止?fàn)顟B(tài)時(shí)，三個(gè)霍爾信號(hào)都不可能產(chǎn)生跳變，從而也不可能產(chǎn)生捕獲中斷，因此電機(jī)由停止?fàn)顟B(tài)開始運(yùn)行時(shí)，必須首先讓電機(jī)運(yùn)動(dòng)起來以產(chǎn)生捕獲中斷，在軟件中由電機(jī)啟動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)，子程序流程圖 ，使能定時(shí)器 T4，設(shè)置CAP46 引腳為 IO 功能，通過查詢霍爾輸入信號(hào)得到電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，來確定功率管的導(dǎo)通狀態(tài)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)到一定得角度，霍爾信號(hào)一定會(huì)改變，通過恢復(fù)主程序模塊入口 系統(tǒng)初始化 內(nèi)設(shè)單元初始化 液晶顯示初始化 鍵盤子程序 啟動(dòng)子程序 主程序等待中斷 子程序與中斷 服務(wù)程序模塊 主程序模塊結(jié)束 29 CAP46 為捕獲功能引發(fā)一個(gè)捕獲中斷。在中斷程序中又會(huì)根據(jù)當(dāng)前霍爾信號(hào)的狀態(tài)改變 PWM 引腳狀態(tài)，使電機(jī)持續(xù)旋轉(zhuǎn)起來，實(shí)現(xiàn)電機(jī)連續(xù) 轉(zhuǎn)動(dòng)。 圖 42 啟動(dòng)子程序 中斷 單片機(jī)中斷資源 本設(shè)計(jì)中應(yīng)用到的 PIC 單片機(jī)的中斷源有 :外部觸發(fā)中斷 INT，定時(shí)器 TMRO溢出中斷，定時(shí)器 TMR1 溢出中斷，定時(shí)器 TNIR2 溢出中斷， AID 轉(zhuǎn)換中斷， CCP中斷。其中外部觸發(fā)中斷 INT, TMRO 溢出中斷為第一級(jí)中斷， TMR1 溢出中斷，TNIR2 溢出中斷， AID 轉(zhuǎn)換中斷， CCP 中斷為第二級(jí)中斷。所有中斷源都受全局中斷屏蔽位 (也可以稱為總屏蔽位 )GIE 的控制 。第一級(jí)中斷源不僅受全局中 斷屏蔽位的控制， .還受各自中斷屏蔽位的控制 。第二級(jí)中斷源不僅受全局中斷屏蔽位和各自中斷屏蔽位的控制，還要額外受到一個(gè)外設(shè)中斷屏蔽位 PEIE 的控制。 PIC 單片機(jī)只有一個(gè)中斷向量，沒有中斷優(yōu)先級(jí)別之分，也沒有類似 51 系列、 AVR 系列單片機(jī)的 PUSH 和 POP 指令。當(dāng)總中斷允許位 GEE 有效時(shí)，任何一開始 使能定時(shí)器 4 設(shè)置 CAP46 為 IO 口 讀取霍爾信號(hào) 判斷電機(jī)所在區(qū)域改變 PWM 輸出模式 恢復(fù) CAP46為捕捉口 返回 30 個(gè)中斷標(biāo)志位有效都會(huì)將 PC 指針指向中斷向量 0004H 處。因此中斷處理一般分為以下幾步 : (1)保存臨時(shí)寄存器 W、狀態(tài)寄存器 STATUS、指針寄存器 PCLATH 的值 。 (2)逐個(gè)判斷可能產(chǎn)生中斷的中斷標(biāo)志位和中斷允許位， 只有二者同時(shí)有