基于MC9s12DG128無刷直流電機(jī)控制設(shè)計(jì)

PAGEII目錄摘要……………..……..ⅠAbstract……………..…II1緒論 ………………….………………..11.1課題研究的背景和意義 ………11.2直流無刷電機(jī)的研究現(xiàn)狀 ………...11.3主要內(nèi)容 …………...22無刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和原理 ………...42.1無刷直流電動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)………...42.1.1電動(dòng)機(jī)本體………………………42.1.2位置傳感器………………………52.1.3電子換向電路……………………62.2無刷直流電動(dòng)機(jī)的原理與運(yùn)行特性……………...62.2.1無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理……………………62.2.2系統(tǒng)方程式………………………92.2.3運(yùn)行特性分析………………...………………...103無刷直流電動(dòng)機(jī)控制方法…………………….…...143.1直流無刷電機(jī)控制分類 ………….143.1.1三相半橋電路…………………..143.1.2三相Y連接全控電路…………..143.2直流無刷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制…………………….153.3直流無刷電機(jī)的雙閉環(huán)控制...…………………..164直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)………………174.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)…………………….174.2逆變主電路設(shè)計(jì)………………….184.2.1功率開關(guān)主電路………………..184.2.2逆變開關(guān)元件選擇和計(jì)算……………………184.3逆變開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)……….194.3.1IR2110功能介紹……………...194.3.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)…………………214.4控制單元………….224.4.1飛思卡爾單片機(jī)的簡(jiǎn)介………...224.4.2位置信號(hào)檢測(cè)…………………..244.4.3速度檢測(cè)………………………..254.5電檢測(cè)與保護(hù)電路………………..254.6鍵盤與速度設(shè)定電路 ……………..265系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)………………………275.1直流無刷電機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)概況……………275.2主程序設(shè)計(jì)………………………..275.3子程序設(shè)計(jì)………………………..285.3.1脈沖捕捉中斷子程序…………...285.3.2A／D轉(zhuǎn)換完成中斷子程序………………….285.3.3PI調(diào)節(jié)子程序………………...296結(jié)論………………..30總結(jié)與體會(huì)……………31謝辭…………………..32【參考文獻(xiàn)】…………33附錄1…………………….……………36附錄2……………………..…………...37PAGE33基于飛思卡爾的無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要電動(dòng)機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換的主要裝置，其主要類型有直流電動(dòng)機(jī)、異步電動(dòng)機(jī)和同步電動(dòng)機(jī)三種。由于傳統(tǒng)的直流電動(dòng)電動(dòng)機(jī)使用電刷以機(jī)械方法換相，因而存在相對(duì)的機(jī)械摩擦，帶來了一系列的問題，從而大大限制了它的應(yīng)用。本文利用飛思卡爾但單片機(jī)對(duì)直流無刷電機(jī)的控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，主要做了以下幾個(gè)方面的工作。設(shè)計(jì)直流無刷電機(jī)控制器的硬件電路，包括電源電路、電流檢測(cè)電路、電壓檢測(cè)電路、位置檢測(cè)電路、驅(qū)動(dòng)電路、飛思卡爾外圍電路。研究直流無刷電機(jī)的電動(dòng)運(yùn)行的控制方法，在此基礎(chǔ)上完成了軟件設(shè)計(jì)。軟件設(shè)計(jì)主要包括：換相控制程序、電流和電壓采集程序、PWM占空比重載程序、轉(zhuǎn)速計(jì)算程序、轉(zhuǎn)速和電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié)程序和鍵盤程序等。通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證硬件電路的可行性，根據(jù)控制要求修改軟件設(shè)計(jì)，提高控制性能。關(guān)鍵詞：直流無刷電動(dòng)機(jī)；飛思卡爾單片機(jī)；軟件吉林建筑工程學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)畢業(yè)論文AbstractAsthemainconversionaldeviceofmechanicalenergytoelectricalenergy，themotorhasmainlythreetypes,suchas,theDCmotor,theasynchronousmotor.Becauseofhavinglotsofdisadvantages,theapplicationoftheDCmotorhasbeenlimitedstrongly.

ThethesisstudiedthecontrolsystemoftheBLDCMcombinedwithfreescalemicrocomputer.Theworkofthisthesisincludesthefollowingaspects：

Thehardwarecircuitincludingpowersupplycircuit，powerinvertioncircuit，currentdetectioncircuit，voltagedetectioncircuit，positiondetectioncircuit，currentchoppercircuit，drivingcircuit，freescaleperipheralcircuit.ThecontrolstrategyofBLDCMwhichprovidesabasisforthesoftwaredesignincludingcommutationprogram，currentandvoltagesamplingprogram，PWMdutyratioreloadprograrn，speedcalculationprograrn，speedandcurrentdouble—loopregulationprograrnandkeyboardprograrnetcwerestudied．Throughbyexperiments，thehardwarefeasibilityweretested，thesoftwaredesignwasmodifiedaccordingtocontrolrequirementandthecontrolperformancewasimproved．Keywords:thebrushlessDCmotor；freescalemicrocomputer；Software1緒論1.1課題研究的背景和意義直流無刷電機(jī)是一種高性能電機(jī)，它具有效率高、可靠性好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于維護(hù)和體積小等優(yōu)點(diǎn)。與直流電機(jī)相比，無刷電機(jī)沒有電刷和換相器，而采用電子電路進(jìn)行換相，換相時(shí)不會(huì)產(chǎn)生電火花，不存在機(jī)械換向損耗。與異步電機(jī)相比，無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)子與定子磁場(chǎng)同步旋轉(zhuǎn)，因此不存在轉(zhuǎn)子損耗。與同步電機(jī)相比，無刷電機(jī)控制方法簡(jiǎn)單，便于工程應(yīng)用的特性，使其被廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。

直流無刷電機(jī)的控制方案有多種，如文獻(xiàn)采用DSP作為主控制器的控制系統(tǒng)，文獻(xiàn)采用FPAG控制無刷電機(jī)，文獻(xiàn)選用MEGA8單片機(jī)控制方案。這些控制方法都能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)、啟停等控制，但在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本、控制精度、運(yùn)行穩(wěn)定性和外圍電路的能源消耗等方面上卻有較大的差別。使用DSP和FPAG的控制方案，系統(tǒng)的控制精度高、穩(wěn)定性好，可以應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中，不足之處在于成本過高，無法大量用于日常生活中。而采用MEAG8控制方案雖然成本低，與DSP、FPAG相比，系統(tǒng)的性能相差很大，無法滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。針對(duì)上述問題，提出設(shè)計(jì)以MC9S12DG128單片機(jī)為核心的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)。該控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)成本低，而電機(jī)的控制性能上與DSP和FPGA等高端控制方案上相差不大，可以在工業(yè)生產(chǎn)中廣泛應(yīng)用。文中所選擇的主控芯片有豐富A／D轉(zhuǎn)換和PWM通道，適合電機(jī)的控制。為減少能源消耗和降低電路的復(fù)雜性、電路成本，提高控制系統(tǒng)的可靠性，同時(shí)也為了便于系統(tǒng)維護(hù)和功能擴(kuò)展，系統(tǒng)硬件電路采用模塊化設(shè)計(jì)的原則，每個(gè)模塊電路盡可能使用集成芯片。1.2直流無刷電機(jī)的研究現(xiàn)狀八十年代以后，隨著磁性材料(尤其是高性能的稀土永磁材料)、電力電子器件和專用控制器的迅速發(fā)展，明顯改善了直流無刷電動(dòng)機(jī)特性的同時(shí)，目前人們又把對(duì)直流無刷電動(dòng)機(jī)研究的目光轉(zhuǎn)移到電子換相、稀土永磁材料以及智能控制三個(gè)方面，試圖來抑制直流無刷電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。在電子換相方面，主要分為對(duì)電流的控制和對(duì)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)兩個(gè)方面，對(duì)電流的控制一般采用穩(wěn)頻兩態(tài)和電流分時(shí)反饋等技術(shù)，而對(duì)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)，傳統(tǒng)的方法是采用位置傳感器，為了減輕系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，國外的一些學(xué)者提出無位置傳感器法。在永磁材料方面，人們采用了杉鉆、釹鐵硼等新型永磁材料。在智能控制方面，1984年，美國的通用電氣公司推出了一種所謂的智能電動(dòng)機(jī)，其實(shí)這種電動(dòng)機(jī)是一種以微處理器作為控制芯片的直流無刷電動(dòng)機(jī)。。除直流無刷電機(jī)的發(fā)展外，隨著專用集成電路、微處理器、晶體管、傳感器等電路原器件的發(fā)展電子換相電路、驅(qū)動(dòng)電路和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)電路也迅速發(fā)展。目前，應(yīng)用到直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)的控制技術(shù)主要有：1．PID控制技術(shù)PID控制是一種技術(shù)最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的控制算法。傳統(tǒng)的直流無刷電機(jī)調(diào)速通常采用PI控制，它算法簡(jiǎn)單，PID控制參數(shù)相互獨(dú)立，使用時(shí)根據(jù)對(duì)象特性和負(fù)載情況可以合理選擇，參數(shù)調(diào)整方便，具有較好的控制精度。2．模糊控制技術(shù)模糊控制技術(shù)是在控制方法上應(yīng)用模糊集理論、模糊語言變量及模糊邏輯推理來模擬人的模糊思維方法，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)與操作者相同的控制。模糊控制技術(shù)不依賴于精確的數(shù)學(xué)模型，對(duì)參數(shù)變換不敏感，適用性強(qiáng)，具有很好的魯棒性，它通過把專家的經(jīng)驗(yàn)或手動(dòng)操作人員長(zhǎng)期積累的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)成若干條規(guī)則以完成的自動(dòng)化和智能化的目標(biāo)。3．神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是模擬人腦神經(jīng)細(xì)胞的神經(jīng)元廣泛互連而成的網(wǎng)絡(luò)。由于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)辨識(shí)電機(jī)參數(shù)不依賴于精確的數(shù)學(xué)模型，具有很高的控制精度，因而在模式識(shí)別、參數(shù)辨識(shí)領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。1.3主要內(nèi)容本課題是自選研究課題，旨在研制一套基于飛思卡爾的直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，主要工作如下：(1)研究直流無刷電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行原理和控制方式。(2)設(shè)計(jì)直流無刷電機(jī)控制器的硬件電路，包括電源電路、功率電路、電流檢測(cè)電路、位置檢測(cè)電路、電流斬波電路、驅(qū)動(dòng)電路、飛思卡爾單片機(jī)外圍電路。(3)根據(jù)直流無刷電機(jī)的控制策略，完成控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集；跟蹤轉(zhuǎn)子位置，輸出相通斷信號(hào)至功率變換器決定對(duì)應(yīng)的開關(guān)器件的開斷；根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)計(jì)算速度值；進(jìn)行轉(zhuǎn)速環(huán)和電流環(huán)PI調(diào)節(jié)；實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)運(yùn)行等。(4)通過實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證硬件電路的可行性，根據(jù)控制要求修改軟件設(shè)計(jì)，提高控制性能。2無刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)和原理本章將討論無刷直流電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和工作原理，著重介紹位置傳感器以及電子換向電路的組合方式和換流方式的無刷直流電動(dòng)機(jī)。2.1無刷直流電動(dòng)機(jī)基本結(jié)構(gòu)眾所周知，有刷直流電動(dòng)機(jī)具有旋轉(zhuǎn)的電樞和固定的磁場(chǎng)。因此，有刷直流電動(dòng)機(jī)必須有電刷和換向器，通過它們把電流給旋轉(zhuǎn)著的電樞。無刷直流電動(dòng)機(jī)卻與前者剛好相反，它具有旋轉(zhuǎn)的磁場(chǎng)和固定的電樞。這樣，電子換向線路中的功率開關(guān)元件，如晶體管或可控硅等直接與電樞繞組連接。電動(dòng)機(jī)內(nèi)還裝有一個(gè)位置傳感器，它與電子換向線路一起代替了有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向裝置。綜上所訴，無刷直流電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是由電動(dòng)機(jī)本體和驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。圖2-1無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖驅(qū)動(dòng)器組成：a.作為控制中樞的單片機(jī)；b作為電子換向的由IGBT或MOSFET構(gòu)成的逆變橋；c.作為電壓型交—直—交主電路的整流、濾波單元；d.作為人機(jī)接口的鍵盤和數(shù)字顯示單元;e.作為控制、驅(qū)動(dòng)電源的開關(guān)電源。2.1.1電動(dòng)機(jī)本體電動(dòng)機(jī)的本體主要是有主定子和主轉(zhuǎn)子構(gòu)成.主定子是電動(dòng)機(jī)本體的靜止部分。它是由導(dǎo)磁的定子鐵芯、導(dǎo)電的電樞組及固定鐵芯和繞組用的一些零部件、絕緣材料、引出部分等組成。主轉(zhuǎn)子是電動(dòng)機(jī)的本體轉(zhuǎn)動(dòng)部分，產(chǎn)生激磁磁場(chǎng)的部件。它是由三部分組成：永磁體、導(dǎo)磁體和支撐零部件。永磁體和導(dǎo)磁體是產(chǎn)生磁場(chǎng)的核心，由永磁材料和導(dǎo)磁材料組成。機(jī)械支撐零部件主要是指轉(zhuǎn)軸、軸套和壓圈等，它們起固定永磁體和導(dǎo)磁作用。2.1.2位置傳感器位置傳感器可分為接觸式和無接觸式兩種。接觸式傳感器出現(xiàn)的較早，它的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，緊湊，用于比較簡(jiǎn)單的場(chǎng)合。當(dāng)強(qiáng)烈震動(dòng)，高真空及腐蝕性介質(zhì)中工作時(shí)，運(yùn)行不可靠，甚至有危險(xiǎn)，不能維修，不宜采用。無接觸式位置傳感器則能彌補(bǔ)上述不足。因此本次畢業(yè)設(shè)計(jì)則采用霍爾位置傳感器來檢測(cè)主轉(zhuǎn)子的位置。（1）位置傳感器的結(jié)構(gòu)位置傳感器核電動(dòng)機(jī)的本體一樣，也是靜止部分和運(yùn)動(dòng)部分組成，即位置傳感器的定子和位置傳感器的轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)動(dòng)部分和電動(dòng)機(jī)本體中轉(zhuǎn)子同軸連接(轉(zhuǎn)動(dòng)部分通常由電機(jī)轉(zhuǎn)子代替),固定部分與定子相連。(2)霍爾元件位置傳感器工作原理霍爾元件是一種半導(dǎo)體器件，利用霍爾效應(yīng)制成，屬于磁敏感元件?；魻栐邪雽?dǎo)體材料做成的霍爾片(如鍺霍爾片、硅霍爾片等)和化合物半導(dǎo)體材料做成的霍爾片(如銻化銦、砷化銦霍爾片等)兩種。其基本原理敘述如下。將矩形半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，在薄片兩側(cè)通以電流(控制電流)，則在薄片的另外兩側(cè)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電勢(shì)(霍爾電勢(shì))，這一效應(yīng)就是霍爾效應(yīng)。其原理圖示于圖2-2。利用霍爾效應(yīng)產(chǎn)生電壓輸出的元件稱為霍爾元件。圖2-2圖2-3霍爾集成電路特性曲線2.1.3電子換向電路電子換向電路的任務(wù)是將位置傳感器的輸出信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，預(yù)放大，功率放大，然后去觸發(fā)末級(jí)功率晶體管，使電樞繞組按一定的邏輯程序饋電，保證電動(dòng)機(jī)的可靠運(yùn)行。2.2無刷直流電動(dòng)機(jī)的原理與運(yùn)行特性設(shè)計(jì)無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制系統(tǒng)時(shí)了解其工作原理，了解其換向，換流過程，這對(duì)設(shè)計(jì)有著極為重要的意義，下面將對(duì)以上內(nèi)容做具體的分析。2.2.1無刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理由于無刷直流電動(dòng)機(jī)沒有電刷和換向器,它的繞組里電流的通、斷是通過電子換向電路及功率放大器實(shí)現(xiàn)的。要在電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩,就應(yīng)使電樞電流隨磁場(chǎng)位置的變化圖隨無刷直線電動(dòng)機(jī)原理示意圖而變化。為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn),就需要確認(rèn)磁極與繞組之間的相對(duì)位置信息。一般采用位置傳感器來完成,由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào),然后去驅(qū)動(dòng)功率器件,控制相應(yīng)繞組電流的通、斷。圖2-4無刷直流電動(dòng)機(jī)工作原理示意圖如圖2-4所示，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（順時(shí)針）到圖a所示的位置時(shí)，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動(dòng)逆變器，使T1、T6導(dǎo)通，即A、B兩相繞組通電，電流從電源的正極流出，經(jīng)T1流入A相繞組，再從B相繞組流出，經(jīng)T6回到電源的負(fù)極，此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過60電角度，到達(dá)圖b所示位置時(shí)，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動(dòng)逆變器，使T1、T2導(dǎo)通，A、C兩相繞組通電，電流從電源的正極流出，經(jīng)T1流入A相繞組，再從C相繞組流出，經(jīng)T2回到電源負(fù)極。此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過60電角度，逆變器開關(guān)就發(fā)生一次切換，功率開關(guān)管的導(dǎo)通邏輯為T1、T6—T1、T2—T3、T2—T3、T4—T5、T4—T5、T6—T1、T6。在此期間，轉(zhuǎn)子始終受到順時(shí)針方向的電磁轉(zhuǎn)矩作用，沿順時(shí)針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過60電角度，定子繞組就進(jìn)行一次換流，定子合成磁場(chǎng)的磁狀態(tài)就發(fā)生一次躍變?？梢?，電機(jī)有6種磁狀態(tài)，每一狀態(tài)有兩相導(dǎo)通，每相繞組的導(dǎo)通時(shí)間對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)120電角度。無刷直流電動(dòng)機(jī)的這種工作方式叫兩相導(dǎo)通星型三相六狀態(tài)，這是最常用的一種工作方式。無刷直流電動(dòng)機(jī)的位置一般采用三個(gè)在空間上相隔120電角度的霍爾位置傳感器進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)位于霍爾傳感器位置處的磁場(chǎng)極性發(fā)生變化時(shí)，傳感器的輸出電平將發(fā)生改變，由于三個(gè)霍爾傳感器位檢測(cè)元件的位置在空間上各差120電角度，因此從這三個(gè)檢測(cè)元件輸出端可以獲得三個(gè)在時(shí)間上互差120度、寬度為180度的電平信號(hào)，分別用A、B、C來表示，如圖2-5所示，以信號(hào)A為例，A相位置寬度為180電導(dǎo)角：在0-60度，T1必須導(dǎo)通，故T1狀態(tài)為1，而C相還剩下60度通電寬度，所以此段時(shí)間為T1和T6等于1，（此時(shí)下部可供導(dǎo)通的管子為T4、T6和T2，而為避免橋臂直通，T4不能導(dǎo)通；T2的導(dǎo)通時(shí)間未到，故只能是T6導(dǎo)通）；而在60度—120度，此時(shí)只有A相通電，B和C相處于非導(dǎo)電期，故導(dǎo)通的開關(guān)管為T1和T2（T1和T2等于1），其中T2是為B相導(dǎo)電作準(zhǔn)備；而在120度—180度時(shí)，由于每一相只有120電導(dǎo)角導(dǎo)電時(shí)間，故此時(shí)T1關(guān)斷（T1=0），T2仍然導(dǎo)通（B相開始進(jìn)入導(dǎo)電期），此時(shí)可知，T1關(guān)斷，T5不能開通（防止橋臂直通），則此時(shí)只能開通T3，所以T3信號(hào)此時(shí)間段為1。其他時(shí)間段的開關(guān)管導(dǎo)通情況與此類似。為了簡(jiǎn)化控制電路，每個(gè)霍爾傳感器的起始安裝位置在各自相繞組的基準(zhǔn)點(diǎn)（r0=00）上.那么在r0=00的控制條件下，A相繞組開始通電的時(shí)刻（即該相反電勢(shì)相位30度位置）恰好與A相位置傳感器輸出信號(hào)A的電平跳變時(shí)刻重合，此時(shí)應(yīng)將T1開關(guān)管驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通。同理，其他開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)刻也可以按同樣方法確定。本設(shè)計(jì)選用的是三相無刷永磁直流電動(dòng)機(jī)，其額定電壓UH=24V,電樞額定電流IaH=0.1A,電樞峰值電流IaP1.5A,轉(zhuǎn)速nH=550--20000r/min,額定功率PH=5W。圖2-5無刷電動(dòng)機(jī)位置檢測(cè)及開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)2.2.2系統(tǒng)方程式無刷直流電動(dòng)機(jī)由直流電源供電，三相無刷電動(dòng)機(jī)的繞組按Y接法，梯形控制電路供有直接輸送到無刷直流電動(dòng)機(jī)定子上的電流，為矩形電流，電機(jī)電磁結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生梯形波反電動(dòng)勢(shì)(但為梯形控制電路設(shè)計(jì)的大部分無刷直流電動(dòng)機(jī)所產(chǎn)生的反電動(dòng)勢(shì)波形，更像正弦波而不是梯形曲線，因?yàn)榇盆F磁通密度分布不可能完全是矩形，定子繞組的電感部位使其兩角變得有些圓)，無刷直流電動(dòng)機(jī)在具有梯形波反電動(dòng)勢(shì)和矩形波定子電流條件下，所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩從理論上說是恒定不變的，其公式由下式推出[2]：T=1/ω（e1i1+e2i2+e3i3）=3/ΩiaE=KtIA式中Kt轉(zhuǎn)矩常數(shù)故電磁轉(zhuǎn)矩T按幅值進(jìn)行控制，并與定子電流成正比。(2)電勢(shì)平衡方程式由于傳統(tǒng)的直流電機(jī)和無刷直流電動(dòng)機(jī)采用了相同的基本原理，所以似乎相同：其電動(dòng)平衡方程式是[2]：L線圈電感M互感R——繞組電阻2.2.3運(yùn)行特性分析無刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性是指電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)、正常工作和調(diào)速等情況下，電動(dòng)機(jī)外部分可測(cè)物理量之間的關(guān)系。因此我們最關(guān)心的是它的轉(zhuǎn)距、轉(zhuǎn)速，以及轉(zhuǎn)距和轉(zhuǎn)速隨輸入電壓、電流、負(fù)載變化而變化的規(guī)律，據(jù)此，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性可分為：起動(dòng)特性、工作特性、機(jī)械特性和調(diào)速特性。對(duì)于無刷直流電動(dòng)機(jī)，其電勢(shì)平衡方程式為（2-1）對(duì)于不同的電樞繞組形式和換向線路形式，電樞繞組反電動(dòng)勢(shì)有不同的等效表達(dá)式，但不論那一種繞組和線路結(jié)構(gòu)，均可表示為[12]（2-2）由式（2-1）、（2-2）可知（2-3）在轉(zhuǎn)矩不變時(shí)，轉(zhuǎn)矩平衡方程式為[12]（2-4）這里[12]（2-5）在轉(zhuǎn)速變動(dòng)情況下，則[12]（2-6）下面從這些基本公式出發(fā)，來討論無刷直流電動(dòng)機(jī)的各種運(yùn)行特性。(1)起動(dòng)特性由方程（2-1）、（2-5）和（2-6）可知，電動(dòng)機(jī)只起動(dòng)時(shí)，由于反電動(dòng)勢(shì)為零。因此電樞電流（即起動(dòng)電流）為(2-7)其值可為正常工作電樞繞組電流的幾倍到十幾倍。所以起動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩很大，電動(dòng)機(jī)可以很快起動(dòng)，并能帶負(fù)載直接起動(dòng)。隨著轉(zhuǎn)子的加速，反電勢(shì)E增加，電勢(shì)轉(zhuǎn)矩降低，加速力矩也減小，最后進(jìn)入正常工作狀態(tài)。在空載起動(dòng)時(shí)，電樞電流和轉(zhuǎn)速的變化如下圖所示。圖2-6空載起動(dòng)時(shí)電樞電流和轉(zhuǎn)速曲線需要說明，無刷直流電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩，除了如上所訴與起動(dòng)電流有關(guān)外，尚與轉(zhuǎn)子相對(duì)與電樞繞組的位置有關(guān)。轉(zhuǎn)子位置不同時(shí)，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩是不同的。這是因?yàn)樯厦嫠懻摰年P(guān)系式都是平均值間的關(guān)系，而實(shí)際上，由于電樞繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)是跳躍的。當(dāng)轉(zhuǎn)子所處位置不同時(shí)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與電樞磁場(chǎng)之間的夾角在變化。因此，所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也是變化的。(2)工作特性在無刷直流電動(dòng)機(jī)中，工作特性主要包括如下幾方面的關(guān)系：電樞電流和電機(jī)效率與輸出轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。電樞電流和輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系由式（2-5）可知，電樞電流隨著負(fù)載轉(zhuǎn)矩的增加而增加，如下圖所示。電機(jī)效率和輸出轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系這里僅考察電動(dòng)機(jī)部分的效率與輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系，電動(dòng)機(jī)效率沒有輸出轉(zhuǎn)矩時(shí)，電動(dòng)機(jī)的效率為零，隨著輸出轉(zhuǎn)矩的增加，電動(dòng)機(jī)的效率也增加。當(dāng)電動(dòng)機(jī)的可變損耗等于不變損耗時(shí)，電動(dòng)機(jī)效率達(dá)到最大值，隨后，效率又開始下降，如下圖所示。圖2-7工作特性圖(3)機(jī)械特性和調(diào)速特性機(jī)械特性是指外加電源電壓恒定時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系，由方程式（2-1）、（2-2）和（2-3）可知(2-8)我們知道，式（2-8）等號(hào)右邊的第一項(xiàng)是常數(shù)（當(dāng)不計(jì)ΔU的變化和電樞反映的影響時(shí)）。所以，電磁轉(zhuǎn)矩隨轉(zhuǎn)速的減小而線性增加，如下圖所示圖2-8機(jī)械特性曲線當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時(shí)，即為起動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)式（2-8）右邊二項(xiàng)相等時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為零，此時(shí)的轉(zhuǎn)速即為理想空載轉(zhuǎn)速。實(shí)際上，由于電動(dòng)機(jī)損耗中可變部分及電樞反應(yīng)的影響，輸出轉(zhuǎn)矩稍稍偏離直線變化。又因?yàn)楣β示w管的飽和管壓降隨集電極電流的變化而變化，在基極電流不變時(shí)，功率晶體管的飽和壓降和集電極電流之間的關(guān)系，如下圖所示圖2-9△U與集電極電流的關(guān)系示例所以，隨著轉(zhuǎn)速的減小，電動(dòng)機(jī)的反電勢(shì)也減小電樞電流增加，ΔU增大，到一定值以后增加較快所以機(jī)械特性曲線在接近堵轉(zhuǎn)（即轉(zhuǎn)速很低）時(shí)，加快下跌，如機(jī)械特性曲線所示。又從式（2-8）可見，改變電源電壓，可以容易地改變輸出轉(zhuǎn)矩（在同一轉(zhuǎn)速下）或改變轉(zhuǎn)速（在同一負(fù)載下）。所以無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能很好，可以用改變電源電壓實(shí)現(xiàn)平滑的調(diào)速。但此時(shí)電子換向線路及其他控制線路的電源電壓仍應(yīng)保持不變。綜上，無刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行與有刷直流電動(dòng)機(jī)極為相似，有著良好的伺服控制性能。3無刷直流電動(dòng)機(jī)控制方法3.1直流無刷電機(jī)控制分類據(jù)直流無刷電機(jī)定子繞組與換相開關(guān)之間聯(lián)結(jié)方式的不同以及換相開關(guān)結(jié)構(gòu)的不同，可以把對(duì)直流無刷電機(jī)的控制分為兩類：一類是半橋型控制結(jié)構(gòu)，另一類是全橋型控制結(jié)構(gòu)。三相電機(jī)的半橋型控制結(jié)構(gòu)如圖3-1所示，電機(jī)的三相繞組直接與三只開關(guān)管相連，主電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是對(duì)電機(jī)繞組利用率低。而全橋型控制結(jié)構(gòu)，電路相對(duì)復(fù)雜，但是對(duì)電機(jī)根據(jù)電機(jī)繞組利用率較高，提高了電機(jī)的效率3.1.1三相半橋電路圖3-1三相半橋主電路圖3-2三相半橋連接對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)常見的三相半橋電路及對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)如圖3-1和圖3-2所示。圖中A、B、C為電動(dòng)機(jī)定子三相繞組，Tl、T2和T3為三只IGBT功率管，主要起開關(guān)作用。H。、Hb和Hc為來自轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號(hào)。在三相半控電路中，要求位置傳感器輸出信號(hào)的1／3周期為高電平，2／3周期為低電平，并要求各傳感器信號(hào)之間的相位差也是l／3周期。3.1.2三相Y連接全控電路三相半橋電路雖然簡(jiǎn)單，但電動(dòng)機(jī)本體的利用率很低，每個(gè)繞組只通電1／3周期時(shí)間，另外2／3周期處于斷開狀態(tài)，沒有得到充分利用。在運(yùn)行過程中其轉(zhuǎn)矩從Tm／2變化到Tm，波動(dòng)較大。所以在對(duì)轉(zhuǎn)矩要求比較高的場(chǎng)合，一般采用三相全控電路。如圖3-3所示，在該電路中，電動(dòng)機(jī)三相繞組為Y連接。T1、T2、……T6為六只功率管，起繞組的開關(guān)作用。它們的通電方式可分為兩兩通電方式和三三通電方式兩種。本次設(shè)計(jì)選擇兩兩通電方式，主要是比較簡(jiǎn)單，容易控制。(1)兩兩通電方式：所謂兩兩通電方式是指每一瞬間有兩個(gè)功率管導(dǎo)通，每隔1／6周期(60。電角度)換相一次，每次換相一個(gè)功率管，每一功率管導(dǎo)通120。電角度。各功率管的導(dǎo)通順序是TlT2、T2T3、T3T4、T4T5、T5T6、T6Tl。當(dāng)功率管Tl和T2導(dǎo)通時(shí)，電流從T1管流入A相繞組，再從C相繞組流出，經(jīng)T回到電源。圖3-3Y連接繞組三相橋式主電路3.2直流無刷電機(jī)的正反轉(zhuǎn)控制在直流無刷電機(jī)電動(dòng)運(yùn)行的過程中，它的通電始終與電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)是分不開的，因此不能簡(jiǎn)單地通過改變定子繞組導(dǎo)通順序來改變電機(jī)轉(zhuǎn)向。具體的電機(jī)轉(zhuǎn)向與轉(zhuǎn)子位置信號(hào)以及定子繞組之間的換相關(guān)系如表3-1所示。當(dāng)位置信號(hào)的上升沿產(chǎn)生中斷時(shí)，進(jìn)入中斷服務(wù)子程序。通過將脈沖捕捉單元的脈沖捕捉口設(shè)置成普通的I／O口，并且檢測(cè)這三個(gè)口的電平狀態(tài)，就可以確定是電機(jī)的哪個(gè)位置傳感器的電平發(fā)生變化，從而確定出電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極現(xiàn)在所處的位置，然后按照電機(jī)正轉(zhuǎn)的相序查找數(shù)據(jù)表來確定電機(jī)換相的順序以及比較單元的控制字，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)的正確換相。表3-1無刷電動(dòng)機(jī)直流通電控制方式開關(guān)切換表旋轉(zhuǎn)方向位置傳感器逆變橋開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)ABCT1T2T3T4T5T6正轉(zhuǎn)0011PWM00000100PWM1000011001PWM00100000PWM1010110001PWM11010000PWM反轉(zhuǎn)00110000PWM01000001PWM011000PWM10100001PWM001010PWM10001101PWM00003.3直流無刷電機(jī)的雙閉環(huán)控制圖3-4雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)框圖雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)如圖3-4，在兩兩導(dǎo)通的控制方式下，根據(jù)直流無刷電機(jī)數(shù)學(xué)模型的分析可知，直流無刷電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩基本上和相電流成正比。所以在本課題中采用電流內(nèi)環(huán)和轉(zhuǎn)速外環(huán)的雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，為了獲的較好的靜、動(dòng)態(tài)性能，雙閉環(huán)的兩個(gè)調(diào)節(jié)器都采用PI調(diào)節(jié)器，并且兩個(gè)調(diào)節(jié)器的輸出都帶有限幅。4直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)圖4-1電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制框圖（1）微控制器主要功能是根據(jù)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向和來自霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器的三個(gè)輸出信號(hào)，將它們處理成功率驅(qū)動(dòng)單元的六個(gè)功率開關(guān)器件所要求的驅(qū)動(dòng)順序。微控制器的另一個(gè)重要作用是根據(jù)電流和轉(zhuǎn)速等反饋模擬信號(hào)，以及隨機(jī)發(fā)出的制動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過AD變換和必要的運(yùn)算后，借助內(nèi)置的時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)帶有上述各種信息的脈寬調(diào)制信號(hào)。（2）功率驅(qū)動(dòng)單元主要包括功率開關(guān)器件組成的三相全橋逆變電路和自舉電路。自舉電路由分立器件構(gòu)成的，也可以采用專門的集成模塊等高性能驅(qū)動(dòng)集成電路。（3）位置傳感器位置傳感器在無刷直流電動(dòng)機(jī)中起著測(cè)定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息。（4）周邊輔助、保護(hù)電路4.2逆變主電路設(shè)計(jì)4.2.1功率開關(guān)主電路圖4-2功率開關(guān)主電路原理圖逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電向電機(jī)供電。與一般逆變器不同，它的輸出頻率不是獨(dú)立調(diào)節(jié)的，而是受控于轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，是一個(gè)“自控式逆變器”。由于采用自控式逆變器，無刷直流電動(dòng)機(jī)輸入電流的頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持同步，電機(jī)和逆變器不會(huì)產(chǎn)生振蕩和失步，這也是無刷直流電動(dòng)機(jī)的重要優(yōu)點(diǎn)之一。4.2.2逆變開關(guān)元件選擇和計(jì)算

近年來由于MOSFET元件的性能逐漸提升，除了傳統(tǒng)上應(yīng)用于諸如微處理器、微控制器等數(shù)位訊號(hào)處理的場(chǎng)合上，也有越來越多類比訊號(hào)處理的積體電路可以用MOSFET來實(shí)現(xiàn)。表4-1對(duì)IGBT、GTR、GTO和電力MOSFET的優(yōu)缺點(diǎn)的比較器件優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)

IGBT開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小，具有耐脈沖電流沖擊的能力，通態(tài)壓降較低，輸入阻抗高，為電壓驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率小開關(guān)速度低于電力MOSFET,電壓，電流容量不及GTO

GTR耐壓高，電流大，開關(guān)特性好，通流能力強(qiáng)，飽和壓降低開關(guān)速度低，為電流驅(qū)動(dòng)，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，存在二次擊穿問題

GTO電壓、電流容量大，適用于大功率場(chǎng)合，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強(qiáng)電流關(guān)斷增益很小，關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流大，開關(guān)速度低，驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，開關(guān)頻率低

電力MOSFET開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，工作頻率高，不存在二次擊穿問題電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過10kW的電力電子裝置通過上述的比較，我選擇MOSFET。電樞額定電流IaH=8.5A，因?yàn)槊總€(gè)控制元件導(dǎo)通120o,所以控制元件的峰值電流可以由以下方程算出。，通過計(jì)算可得I=25.5A額定電壓UH=36V，峰值電壓應(yīng)有一個(gè)百分之40的余量UM=UH*1.4=36*1.4=50.4V通過以上計(jì)算，可得出選擇的MOSFET峰值電流為25A,峰值電壓為50V。4.3逆變開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)4.3.1IR2110功能介紹(1)IR2110的特點(diǎn)有：輸出驅(qū)動(dòng)隔離電壓可達(dá)500V；芯片自身的門輸入驅(qū)動(dòng)范圍為10~20V；輸入端帶施密特觸發(fā)電器；可實(shí)現(xiàn)兩路分立的驅(qū)動(dòng)輸出，可驅(qū)動(dòng)高壓高頻器件，如IGBT、功率MOSFET等，且工作頻率高可達(dá)500KHz，開通、關(guān)斷延遲小，分別為120ns和94ns；邏輯電源的輸入范圍（腳9）5~15V，可方便的與TTL，CMOS電平相匹配。(2)IR2110主要功能及技術(shù)參數(shù)IR2110采用CMOS工藝制作,邏輯電源電壓范圍為5V～20V,適應(yīng)TTL或CMOS邏輯信號(hào)輸入,具有獨(dú)立的高端和低端2個(gè)輸出通道。由于邏輯信號(hào)均通過電平耦合電路連接到各自的通道上,容許邏輯電路參考地(USS)與功率電路參考地(COM)之間有-5V和+5V的偏移量,并且能屏蔽小于50ns的脈沖,這樣有較理想的抗噪聲效果。采用CMOS施密特觸發(fā)輸入,以提高電路抗干擾能力。IR2110浮置電源采用自舉電路,其高端工作電壓可達(dá)500V,工作頻率可達(dá)到500kHz。兩路通道均帶有滯后欠壓鎖定功能。其推薦典型工作參數(shù)如表3-2所示。表4-2IR2110工作參數(shù)參數(shù)最小值/V最大值/VVBVS+10VS+20VS-4500HOVSVBVCC1020LO0VCCVDDVCC+4.5VCC+20VSS-5+5HIN,SD,LINVSSVDD(3)IR2110內(nèi)部功能如圖4-3所示：圖4-3IR2110內(nèi)部框圖LO（引腳1）:低端輸出COM（引腳2）:公共端Vcc（引腳3）:低端固定電源電壓Nc（引腳4）:空端Vs（引腳5）:高端浮置電源偏移電壓VB(引腳6):高端浮置電源電壓HO（引腳7）:高端輸出VDD（引腳9）:邏輯電源電壓HIN（引腳10）:邏輯高端輸入SD（引腳11）:關(guān)斷LIN（引腳12）:邏輯低端輸入Vss（引腳13）:邏輯電路地電位端，其值可以為0V功能概述IR2110驅(qū)動(dòng)器將邏輯輸入信號(hào)送到相應(yīng)的低阻抗輸出。高端輸出HO和低端基準(zhǔn)輸出LO分別以浮置電位VBS和固定電位Vcc為基準(zhǔn)。邏輯電路為兩路輸出提供相應(yīng)的控制脈沖。HO和LO輸出分別與HIN和LIN輸入同相位。當(dāng)SD輸入高電平時(shí)兩路均關(guān)閉。當(dāng)VDD低于欠電壓閥值時(shí)，欠電壓UV檢測(cè)電路關(guān)閉兩路輸出。同樣，當(dāng)VBS低于規(guī)定的欠電壓點(diǎn)時(shí)，欠電壓檢測(cè)電路也會(huì)使高端輸出中斷。低端延時(shí)電路可簡(jiǎn)化控制脈沖定時(shí)要求，兩路輸出的傳播延時(shí)匹配的。當(dāng)Vs為500V或接近500V時(shí)，高端功率MOSFET關(guān)斷。4.3.2驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)圖4-4驅(qū)動(dòng)電路系統(tǒng)采用三相六拍控制方式，驅(qū)動(dòng)回路采用一種單極半調(diào)制的PWM控制方式，驅(qū)動(dòng)器件采用IR2110，只需一路電源即可同時(shí)驅(qū)動(dòng)上、下橋臂2個(gè)開關(guān)器件，大大簡(jiǎn)化了驅(qū)動(dòng)電源設(shè)計(jì),功率器件采用T1～T6的6路MOSFET實(shí)現(xiàn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)。以一相為例，如圖4-4所示。而無刷直流電動(dòng)機(jī)的三相繞組的驅(qū)動(dòng)控制共需3組這樣的驅(qū)動(dòng)控制，每組控制2個(gè)MOSFET，3組共有6種M0SFET導(dǎo)通狀態(tài)，轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過60°就變換一種狀態(tài)，控制信號(hào)從主控制器PB和PWM口輸出，輸入到IR2110的上橋臂控制端10引腳和下橋臂控制端12引腳，控制本路信號(hào)高端7引腳和低端1引腳的導(dǎo)通與截止,導(dǎo)通順序依次為VT1、VT2導(dǎo)通；VT2、VT3導(dǎo)通；VT3、VT4導(dǎo)通；VT4、VT5導(dǎo)通；VT5、VT6導(dǎo)通；VT6、VT1導(dǎo)通信號(hào)，每次只有一相繞組的上橋臂和另一相繞組的下橋臂進(jìn)行導(dǎo)通，這樣轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一轉(zhuǎn)，VT1～VT6及按固定組合成的6種狀態(tài)依次導(dǎo)通，保證電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在此部分電路布線時(shí)一定要注意C1的位置是在緊靠VCC電源的部分，確保濾去電源上的毛刺干擾，保證SD端不受干擾。功率器件的柵源極的驅(qū)動(dòng)電壓一般為CMOS電平(5V~20V),因此要在柵極增加保護(hù)電路,電路中D7、D8穩(wěn)壓二極管限制了所加?xùn)艠O電壓。為了更加安全,在電路中,功率管的柵極上分別串聯(lián)電阻R1、R2以及二極管D3、D4。4.4控制單元4.4.1飛思卡爾單片機(jī)的簡(jiǎn)介MC9S12DG128B屬于FreescaleMC9S12系列微控制器[19]，是飛思卡爾半導(dǎo)體公司的汽車電子類產(chǎn)品。其內(nèi)核為CPU12高速處理器。MC9S12DG128B擁有豐富的片內(nèi)資源，flash達(dá)128kb，加入裁減過的μC/OS都沒有問題，所以對(duì)于中等復(fù)雜程度的控制系統(tǒng)它不用擴(kuò)充片外存儲(chǔ)器。1、FreescaleMC9S12系列微控制器FreescaleMC9S12系列MCU是以高速CPU12內(nèi)核為基礎(chǔ)的微控列，簡(jiǎn)稱S12系列。典型的HC12總線頻率為8MHz，而典型的S12總線頻率為25MHz。HC12與S12指令完全兼容，故統(tǒng)稱為HCS12系列微控制器。S12系列微控制器主要有A、B、C、D、E、F、G、H、L等系列，分為以下幾大類：（1）MC9S12A系列和B系列16位微控制器；（2）帶CAN總線的MC9S12D系列16位微控制器；（3）帶液晶驅(qū)動(dòng)的MC9S12H系列和MC9S12L系列16位微控制器；（4）低供電電壓的MC9S12E128和MC9S12E64系列16位微控制器；（5）帶USB接口的MC9S12UF32系列16位微控制器；（6）帶以太網(wǎng)接口的MC9S12NE系列16位微控制器。S12系列微控制器有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）S12系列具有FLASH存儲(chǔ)器；（2）S12系列采用的C語言已進(jìn)行了最優(yōu)化設(shè)計(jì)，編碼方式效率高；（3）S12系列具有低成本調(diào)試功能。2、MC9S12DG128B微控制器的組成MC9S12DG128B有16路AD轉(zhuǎn)換，精度最高可設(shè)置為10位；有8路8位PWM并可兩兩級(jí)聯(lián)為16位精度PWM，特別適合用于控制多電機(jī)系統(tǒng)。它的串行通信端口也非常豐富，有2路SCI，2路SPI此外還有IIC，CAN總線，增強(qiáng)型捕捉定時(shí)器等端口，并且采用了引角復(fù)用功能，使得這些功能引角也可設(shè)置為普通的I/O端口使用。此外它內(nèi)部還集成了完整的模糊邏輯指令，可大大簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)。MC9S12DG128的封裝有兩種，一種為80引角的QFP-8封裝形式，它沒有引出擴(kuò)展總線，且AD轉(zhuǎn)換只引出了8路；一種為112引角的LQFP-112封裝形式，兩種都采用了表面貼片式封裝。從下面的引角圖我們可以看到MC9S12DG128的引角復(fù)用情況，一個(gè)引角往往有雙重或多重功能，而這些功能的設(shè)置大部分是通過編程來實(shí)現(xiàn)的，非常方便。在單片模式下，A口、B口和部分E口都可以用作通用I/O接口，如果所有接口工作在通用I/O方式下，那么I/O口將達(dá)到63個(gè)。這些雙重功能的I/O口本身及控制邏輯完全集成在MCU內(nèi)部，其體積、功耗、可靠性、應(yīng)用簡(jiǎn)單方便程度都與用戶自行擴(kuò)充的I/O口有著重要區(qū)別。LQFP-112封裝的MC9S12DG128B引腳圖如圖4-5。圖4-5MC9S12DG128B引腳圖4.4.2位置信號(hào)檢測(cè)位置傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)濾波后分別輸入到單片機(jī)的脈沖捕捉單元三個(gè)引腳PT0、PT1和PT2上。當(dāng)檢測(cè)到三個(gè)霍爾傳感器輸出的信號(hào)發(fā)生上升沿與下降沿電平跳變時(shí)，便為直流無刷電機(jī)的換相時(shí)刻，此時(shí)將脈沖捕捉口設(shè)置成普通的I／o口，然后讀這三個(gè)引腳PT0、PT1和PT2組成的電平邏輯狀態(tài)，便可以得到轉(zhuǎn)子所處的位置。位置信號(hào)捕捉電路如圖4-6。圖4-6位置信號(hào)捕捉電路4.4.3速度檢測(cè)位置檢測(cè)不但用于換相控制，而且還用于轉(zhuǎn)速的測(cè)量。一對(duì)磁極無刷直流電機(jī)機(jī)械角度每轉(zhuǎn)過一圈，就產(chǎn)生兩個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)速可以用兩脈沖產(chǎn)生的間隔寬度TP來決定。TP可以通過捕捉中斷發(fā)生時(shí)讀定時(shí)器TC0寄存器中的值來獲得。定時(shí)器采用連續(xù)增計(jì)數(shù)方式。定時(shí)器對(duì)時(shí)基脈沖(頻率為fc)進(jìn)行計(jì)數(shù)定時(shí)，在TP內(nèi)計(jì)數(shù)值若為m2，則計(jì)算公式為：n=即：（4-1）fc-為硬件產(chǎn)生的基準(zhǔn)時(shí)鐘脈沖頻率：?jiǎn)挝唬℉z）；n-轉(zhuǎn)速單位：（轉(zhuǎn)/分）；m2-時(shí)基脈沖；P-為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)一周脈沖發(fā)生器產(chǎn)生的脈沖數(shù)。4.5電檢測(cè)與保護(hù)電路電流采樣電路是用來檢測(cè)電機(jī)工作電流的。如圖4-7所示，R7和R8是串接在H橋上的電流采樣電阻。電機(jī)的工作電流跟R10上的電壓成正比，這個(gè)電壓經(jīng)U5B同相放大16倍后，再經(jīng)R12和C15低通濾波在輸出。電機(jī)正常工作時(shí)，電流很小，在R7、R8上產(chǎn)生的電壓降也??；當(dāng)電機(jī)堵轉(zhuǎn)時(shí)，流過線圈的電流是正常時(shí)的好幾倍，在經(jīng)過16倍放大，輸出電壓就很高。圖4-7電流采樣電路過流保護(hù)電路的輸入是電流采樣端輸出的電壓，只要根據(jù)電機(jī)的特性，設(shè)置好基準(zhǔn)電壓。當(dāng)輸入電壓大于基準(zhǔn)電壓時(shí)（即電機(jī)過流時(shí)），通過U5A構(gòu)成的同相比較器，輸出高電平；當(dāng)輸入電壓小于基準(zhǔn)電壓時(shí)（即電機(jī)正常工作），輸出低電平，我們可以把該電路的輸出接到MC9S12DG128的PT3引腳，該引腳設(shè)置為高電平觸發(fā)，就可以檢測(cè)電機(jī)是否堵轉(zhuǎn)，從而即時(shí)的進(jìn)行過流保護(hù)，如圖4-8所示。圖4-8過流保護(hù)電路4.6鍵盤與速度設(shè)定電路鍵盤操作與速度設(shè)定如圖4-9所示。K1停止，K2正傳，K3反轉(zhuǎn)。調(diào)節(jié)滑動(dòng)變阻器設(shè)定速度值。圖4-9按鍵電路及速度設(shè)定電路5系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)5.1直流無刷電機(jī)控制程序的設(shè)計(jì)概況該程序在設(shè)計(jì)的過程中,首先要上電復(fù)位,然后初始化時(shí)鐘和中斷源,再打開中斷,當(dāng)檢測(cè)到轉(zhuǎn)把的輸人電壓時(shí),將該電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后按算法計(jì)算出PWM的占空比輸出PWM波。隨后采樣位置傳感器產(chǎn)生霍爾信號(hào),將該信號(hào)的狀態(tài)與電機(jī)固定的相位序列進(jìn)行比較,判斷電機(jī)的相位是否正確。若正確,輸出波PWM,否則,重新復(fù)位。限流保護(hù)檢測(cè)是把電壓傳感器康銅絲上的電壓經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換后與設(shè)定的電流限定值進(jìn)行比較,若高于最高限定值,則關(guān)閉輸出,反之,則正常運(yùn)行。5.2主程序設(shè)計(jì)主程序的控制流程圖如圖5-1所示。各模塊初始化各模塊初始化讀取轉(zhuǎn)子位置電機(jī)反傳子程序讀取轉(zhuǎn)子位置電機(jī)正傳子程序開始啟動(dòng)電機(jī)？電機(jī)正傳？停止鍵按下？YESYESYESNONONO圖5-1主程序流程圖5.3子程序設(shè)計(jì)5.3.1脈沖捕捉中斷子程序捕獲單元使能之后輸入引腳產(chǎn)生跳變信號(hào)，只要該信號(hào)持續(xù)的時(shí)間能超過兩個(gè)時(shí)鐘周期，該信號(hào)就能被捕捉單元捕獲到，相應(yīng)的中斷標(biāo)志位被置位，外設(shè)中斷將產(chǎn)生一個(gè)中斷請(qǐng)求信號(hào)。由于脈沖捕捉單元的輸入引腳和普通的I／O口是共用的，所以這三個(gè)口可以分時(shí)復(fù)用。將位置傳感器的三個(gè)輸出引腳經(jīng)過電平轉(zhuǎn)換電路之后，連至脈沖捕捉單元三個(gè)輸入口PT0、PT1和PT3。設(shè)置輸入電平的跳變檢測(cè)方式為上升下降沿檢測(cè)，并且在程序初始化中將三個(gè)捕捉口設(shè)置為脈沖捕捉功能。開始開始讀取讀取TC0寄存器清零標(biāo)志位關(guān)閉脈沖捕捉功能關(guān)閉脈沖捕捉功能 檢測(cè)脈沖捕捉口電平狀態(tài)檢測(cè)脈沖捕捉口電平狀態(tài)調(diào)用換向控制子程序調(diào)用換向控制子程序恢復(fù)脈沖捕捉功能恢復(fù)脈沖捕捉功能恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)退出恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)退出圖5-2脈沖捕捉子程序流程圖5.3.2實(shí)時(shí)中斷子程序?qū)崟r(shí)中斷子程序主要是計(jì)算采集到的直流母線電流和變阻器的值，直流側(cè)電流為其三相電流的疊加，對(duì)其采樣相對(duì)比較容易。在ADC模塊中轉(zhuǎn)化的結(jié)果是左對(duì)齊的，十位的