基于直流电机的精确定位系统设计 毕业设计

1、xx大学本科毕业论文（设计、创作）题目：基于直流电机的精确定位系统设计 学生姓名： 学号： 院（系）： 电子信息工程学院 专业：电子信息工程 入学时间： 二00八 年 九 月导师姓名： 职称/学位： 导师所在单位： 完成时间： 二0一二年 五月基于直流电机的精确定位系统设计 摘 要 为达到某医疗控制系统安全、快速、精确定位的技术要求 ，并保证系统的稳定和可靠性，专门采用内部资源丰富的msp430f149为主控芯片，配合使用高性能带有光电编码器的直流电机。从数字式直流电机定位系统的数学模型出发，选取电流，和电机转速作为反馈信号，采用pwm调制作为系统的输出信号，控制电机的转速，形成一个双闭环反馈

2、直流脉宽调速系统。并以工程控制中广泛应用的pi算法作为系统的核心控制方案，从而实现系统的高速，精确定位。 关键字：msp430f149；直流电机；光电编码器；pwm ；pi控制 design of precise positing system based on dc motor abstract in order to keep an medical control system operating safely,fastly, position accurately, and ensure the stability and reliability , we specifically us

3、e the internal resources msp430f149 as the main chip, in conjunction with high-performance dc motor with optical encoder. base on the mathematical model of the digital dc motor positioning system, we choose the current and the motor speed as feedback signals, using the pwm as the system output signa

4、l, forming a double closed loop feedback speed regulation system to control the motor speed. in order to realize the system of thigh speed and accurate location, we use the extensive application in project the pi algorithm as the core control theory. keywords: msp430f149 ;dc motor; pi ;double closed

5、 loop 目 录1 引言.11.1 开发背景.11.2 选题的目的与意义.12 系统的设计方法研究.22.1 执行电机的选择.22.1.1 伺服电机.32.1.2 步进电机.42.1.3 综述.52.2 位置和速度传感器的选择.62.2.1 光电编码器.62.2.2 霍耳式传感器.82.3 直流定位系统的数学模型分析.82.3.1 直流电机调速方法概述.82.3.2 转速、电流双闭环直流调速系统.103 硬件电路设计.133.1 直流电机精确定位系统总体方案设计.133.2 msp430f149单片机系统.133.3 隔离与驱动电路.143.3.1 隔离单元模块.143.3.2 电机驱动模块

6、.153.3.3 过流保护模块.163.4 反馈电路.173.4.1 速度检测电路.173.4.2 电流反馈电路.184 控制软件设计.184.1 总体程序模块.184.2 控制算法模块.195 结束语.20主要参考文献.21致谢.22 引 言 1.1 开发背景 现代工业生产中，电动机是主要的控制执行部件，目前在直流电机拖动系统中已大量采用晶闸管(即可控硅)装置向电动机供电的kzd拖动系统，取代了笨重的发电动一电动机的fd系统，又伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步由模拟化向数字化转变，特别是运动控制芯片的应用，使直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋

7、势。直流电机调速基本原理是比较简单的（相对于交流电机），只要改变电机的电压就可以改变转速了。改变电压的方法很多，最常见的一种pwm脉宽调制，调节电机的输入占空比就可以控制电机的平均电压，控制转速。pwm控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，pwm控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，pwm控制技术获得了空前的发展，到目前为止，已经出现了多种pwm控制技术。1.2 选题的目的与

8、意义对于直流调速系统转速控制的要求有稳速、调速、加速或减速三个方面，而在工业生产中对于后两个要求已能很好地实现，但工程应用中稳速指标却往往不能达到预期的效果，稳速要求即以一定的精度在所需要的转速稳定运行，在各种干扰不允许有过大的转速波动。传统的控制系统采用模拟元件，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。目前，直流电动机调速系统数字化已经走向实用化，伴随着电子技术的高度发展，促使直流电机调速逐步从模拟化向数字化转变，特别是单片机技术的应用，使

9、直流电机调速技术又进入到一个新的阶段，智能化、高可靠性已成为它发展的趋势。 所以本系统在以前的研究背景下，结合实际的工程应用，我们采用适应性较强的双闭环反馈直流脉宽调速系统，合理选用系统的各个执行单元，使系统能在负载、模型参数的大范围变化以及非线性因素的影响下均可以满足控制稳定转速精度要求的直流电机控制器。 2.系统的设计方法研究 一个完整的运动控制系统一般是由硬件和控制软件组成的。一个典型的运动控制系统的硬件主要由电机、传动机构、功率驱动器、传感器和运动控制器构成，运动控制系统的组成如图所示，整个系统好比人体。电机是产生运动的元件，功率控制器是产生电机所需的电流；运动控制是智能元件，整个系统

10、的运动指令由运动控制器给出；位置传感器检测电机的位置并将结果告知控制器，形成闭环。图1： 运动控制系统的基本组成图 设计一个性能良好的运动控制系统，其中控制精度是衡量系统水平的最重要的尺度。一个高质量的系统，在整个运行过程中，被控量与给定值的偏差应该很小。考虑到动态过程y(t)在不同阶段中的特点，工程上常常从稳定性、响应速度和稳态精度三个方面来评价运动控制系统的总体要求。 所以要想设计一个满意的运动控制系统，应从硬件和软件综合考虑。其中硬件构成由为重要，对硬件构成中的每一部分选择的好坏，都将决定整个运动控制系统的性能。2.1执行电机的选择 电机在运动控制系统中的主要作用是作为执行元件和检测元件

11、。执行元件是用来驱动被控对象的；而检测元件是将输出量变换成和输入量相同的物理量，以便与输入量进行比较。先进的运动控制系统中，电机主要用做执行机构。执行机构的作用是将控制作用转换成被控负载的位移信号。随动系统的执行机构通常由各种类型的伺服电机和减速器构成。 控制用电机广泛用于办公自动化、工厂自动化相关机器、机器人、数字控制工具机、产业机械、量测机器、医疗机器等，具有良好的响应性、可靠性、小型化、高效率，可说是与近年代迅速发达的电子式驱动电路相匹配的“特殊电机”.控制电机为了提高响应性，必须以增加转矩。其对策为转子构造采用细长化的铁心、使用高性能磁铁以增加转矩，减少惯性力矩等。常用的控制电机有步进

12、电机、直流伺服电机、交流伺服电机等。 表1: 控制用电机定位控制性能比较 控制用电机 优 点 缺 点步进电机（开环控制）驱动控制电路简单；可靠性高、维护容易动作慢；振动大、效率低dc伺服电机驱动控制电路不太复杂，效率高，动作快碳刷需要保护步进电机（闭环控制）驱动控制电路比无刷dc伺服电机简单；响应速度快；保养容易效率稍低无刷dc伺服电机（ac伺服电机）响应速度与dc伺服电机一样快；可靠性高；效率高因控制电路复杂，价格稍贵 2.1.1伺服电机 无论是位置控制系统还是速度控制系统，均由系统的伺服电机带动被控对象做机械运动。被控对象能否达到预期的运动状况，完全取决于系统的静态和动态性能，其中伺服电机

13、和被控对象相联系的动力学特性对其影响极大。一般根据整机的设计要求和控制方案，分析负载特性和运动性质，并以此作为依据，来选择伺服电机和伺服驱动器。具体的做法是由整机的能力指标和运动状态初步确定伺服电机的功率和力矩，并且负载折算到电机转轴上的转动惯量一般小于电机本身转动惯量的5倍，最好是差不多相等。然后根据电机的电流来决定伺服驱动器的容量，其中伺服驱动器所能提供的最大电流要不小于电机的峰值电流，而且调整中切不可使输入电流大于伺服电机的退磁电流。电机和负载的惯量之和要小于伺服驱动器所允许的最大惯量。 选择伺服电机应符合下列基本要求： （1）具有宽广而平滑的调速范围 （2）具有较硬的机械特性和良好的调

14、节特性 （3）具有快速响应特性 （4）空载始动电压和转动惯量小 （5）高解析度：定位时为0.36 对位置型伺服驱动器的基本技术要求是：在系统的定位精度上，位置控制系统一般为无静差系统，因为系统测量元件的分辨率有限和系统的死区均可造成系统的定位误差；对速度型伺服驱动器来说，基本要求有速度控制精度、速度范围和阶跃特性。 目前主要的伺服电机包括直流有刷伺服电机、交流伺服电机和无刷直流伺服电机。其中直流有刷电机的应用最为广泛，种类也最多。具体有传统型直流伺服电机、低惯量无槽直流电机、宽调速直流伺服电机、和直流力矩电机。这些电机中主要的技术指标是选择它们的主要依据，有以下几项：（1） 额定功率：电机在额

15、定状态下运动时，从其轴上输出的机械功率。（2） 额定电压：电机在额定状态下运行时，励磁绕组和电驱绕组上应加的电压。永磁式直流伺服电机只有额定电驱电压。（3） 额定电流：电机在额定电压运行下，输出额定功率时绕组中的电流。额定电流一般就是电机长期连续运行所允许的最大电流。（4） 额定转速：电机在额定电压下，输出额定功率时的转速。（5） 额定转矩:电机在额定状态下运行时输出的转矩，额定转矩可以由额定功率和额定转速求出。（6） 最大转矩：电机在短时间内可输出最大转矩，它反映了电机的瞬时过载能力。最大转矩一般是额定转矩的5倍10倍。（7） 机电时间常数j和时间常数d：分别反映了电机的两个过渡时间。j通常

16、小于20ms，d通常小于5ms,令两者之比大于3.（8） 转动惯量j(kg):电机电枢转子上的转动惯量。（9） 最大电流：对应于可能允许最大输出转矩时电枢电流。 2.1.2步进电机 步进电机是将电脉冲信号转换成角位移或线位移的一种机电式数模转换器。其转子的转角或位移与输入的电脉冲数成正比，它的速度与脉冲频率成正比，而运动方向是由步进电机通电的顺序所决定的。步进电机是常用的控制用电机，分为转子使用永久磁铁的pm型、利用磁阻变化产生吸力的vr型，以及兼具以上两者的复合型、直线动作的线性型等。 步进电机的选择主要考虑步距角、静力矩及电流三大要素。一旦这三大要素确定，步进电机的型号便确定下来了。（1）

17、 步矩角的选择：电机的步矩角取决于负载的精度要求，将负载的最小分辨率换算到电机轴上，每个当量应走多少角度。电机的步矩角应等于或小于此角度。（2） 静力矩的选择：步进电机的状态力矩一下子很难确定，我们往往先确定电机的静力矩。静力矩的选择的依据是电机的工作负载，而负载可分为惯性负载和摩擦负载两种单一的惯性负载和摩擦负载是不存在的。直接启动和直接加速的时候两者都有考虑，恒速运行时只要考虑摩擦负载。（3） 电流的选择：静力矩相同的电机，由于电流参数不同，其运行特性差别很大。可以依据矩频特性曲线图，判定电机的电流。 2.1.3综述 综上所述，在世界当中是选择步进电机还是伺服电机，主要视具体应用情况而定，

18、简单地说要确定：负载的性质（如水平负载还是垂直负载等），转矩、惯量、转速、精度、加减速度等要求，上位控制要求（如对端口和通信方面的要求），主要控制方式是位置、转矩还是速度方式，供电电流是直流、交流电源、还是电池供电、电压范围、据此以确定电机和配用驱动器和控制器的型号。 表2:步进电机系统和伺服电机系统的性能比较性能指标步进电机系统伺服电机系统 力矩范围中小力矩（一般在20nm以下）小中大，全范围 速度范围低（一般在2000r/min以下，大力矩电机小于1000r/min）高（可达5000r/min）,直流伺服电机更可达 控制方式主要是位置控制多样化、可能化的控制方式、位置/转速/转矩方式 平滑

19、式低速时有振动好，运行平滑 精度一般较低，细分型驱动时较高高（具体要看反馈装置的分辨率） 矩频特性高速时，力矩下降快力矩特性好，特性较硬 过载特性过载时会失步可3倍-10倍过载 反馈方式大多数为开环控制，也可接编码器，防止失步闭环方式，编码器反馈 编码器类型 光电型旋转编码器（增量型/绝对值型），旋转变压器型 响应速度 一般 快 耐振动 好 一般 从以上的分析可以得知，该系统电机的选型，从功率控制到定位精度等综合方面的考虑，直流电机都是最好的选择。因为它满足了小型化、定位精度高、机械性好等优点。2.2位置和速度传感器的选择 在运动控制系统中有许多不同的物理量（如位移、加速度、速度、电流等）需要

20、控制和监测。如果没有传感器对原始的各种参量进行精确而可靠的监测，那么对机电的各种控制都无法实现。因此，能把各种不同的非电量转化成电量的传感器，便成为机电一体化系统中不可缺少的组成部分。 在运动控制系统的闭环控制中，被控变量要么是速度要么是位置，一个运动控制系统的整体性能，在很大程度上将取决于用来产生反馈信号的传感器类型极其质量。 电机反馈传感器在很大的测量范围内决定了一个运动控制系统的整体能力。传感器误差限制了位置或速度的稳态精度，反馈传感器中的不完美，如粗糙的分辨率以及周期性误差引起力矩扰动。 在本系统中主要用的传感器有光电编码器和霍尔式传感器 2.2.1光电编码器光电编码器是一种旋转式位置

21、传感器，光电编码器主要是通过读取光电码盘上的图案或编码信息来表示与光电编码器相连的电机转子的位置信息。根据光电编码器的工作原理可以把光电编码器分为绝对式编码器与增量式编码器两种类型。增量式光电编码器具有结构简单，体积小，价格低，精度高，响应速度快，性能稳定等优点，应用更为广泛。在高分辨率和大量程角速度/位移测量系统中，增量式光电编码器更具优越性。绝对式编码器能直接给去对应的每个转角的数字信息，便于计算机处理，但当给进数大于一转时，须作特殊处理，需要多级检测装置，使其结构复杂，成本提高。 1）绝对式编码器 绝对式编码器如图2所示，他通过读取编码盘上的二进制的编码信息来表示绝对位置信息。 编码盘按

22、照一定的编码形式制成码盘。图2为二进制的编码盘，图中白色的是透过的,用“0”表示，黑色的是不透光的，用“1”表示。通常将组成编码的圈称为码道，每个码道表示二进制中的一位，其中最外侧的是最低位，最里侧是最高位。如果编码盘有4个码道，就形成4位16进制的编码，因此可将码盘划分为16个扇区，每个扇区对应一个4位二进制数，如0000，0001.,1111。 按照码盘上形成的码道配置相应的的光电传感器，包括光源、透镜、码盘、光敏二级管和驱动电子电路。当码盘转到一定的角度时，扇区中的透光的码道对应的光敏二极管导通，输出低电平“0”，遮光的码道对应的光敏二极管不导通，输出高电平“1”。这样形成与编码方式一致

23、的高，低电平，从而获得扇区的位置信息。 图2: 绝对式编码器码盘 2）增量式编码器 增量式编码器是指随转轴的码盘给出一系列的脉冲，然后根据旋转方向用计数器对这些脉冲进行计数，以此算出转过的角位移量。增量式光电编码器的结构示意图如图3所示。 图3: 增量式编码器结构 图4：增量式编码器原理图 光电码盘和转轴连在一起。码盘可用玻璃材料制成，表面镀上一层不透光的金属铬，然后在边缘制成向心的透光狭缝。透光狭缝在码盘圆周上等分，数量从几百条到几千条不等。这样，整个码盘圆周上被等分成n个透光的槽。 增量式编码器的工作原理如图4所示，它由主码盘、鉴向盘、光学系统和光电变换器组成。在图形的主码盘周边上刻有节距

24、相等的辐射状窄缝，形成均匀分布的透明区和不透明区。鉴向盘与主盘平行，并刻有a，b两组透明检测窄缝，它们彼此错开1/4节距，以使a、b两个光电变换器的输出信号在相位上相差90。工作时，鉴向盘静止不动，主码盘与转轴一起转动，光源发出的光投射到主码盘与鉴向盘上。当主码盘上的不透明区正好与鉴向盘上的透明窄缝对齐时，光线被全部遮住，此时光电变换器输出的电压最小；当主码盘上的透明区正好与鉴向盘的透明窄缝对齐时，光线全部通过，此时光电变换器输出的电压最大。主码盘每转过一个刻线周期，光电变换器将输出一个近似的正弦波电压且光电变换器a、b的输出电压相位差为90。2. 2.2霍耳式传感器 霍耳式传感器是基于霍耳效

25、应的一种磁敏式的传感器。霍耳效应应用于1879年首次被美国物理学家霍耳在金属材料中发现。目前霍尔式传感器在运动控制系统中主要可以用来测量电流和磁场，有时也用做位置信号的传感器。 此系统中我们采用霍尔传感器作为电流反馈信号的数据采集单元，运用的原理是，在一定的温度下，对于一个确定的霍耳元件，当磁感应强度b保持恒定时，电流i的变化可引起霍耳电势uh相应的线性变化，则可通过测量霍耳电势uh来测得电流i或者跟电流i有关的其他物理量。2.3直流定位系统的数学模型分析直流电动机在电力拖动系统中具有两个突出的优点。首先直流电动机具有良好的启动、制动性能，调速性能和控制性能，这个优点使直流电动机运动控制系统在

26、需要调速的高性能电力拖动系统中得到了广泛的应用。另外，它的电枢电压、电枢电流、电枢回路电阻、电机输出转矩、电机转速等各参数、变量之间的关系几乎都是近似的线性函数关系，这使直流电动机的数学模型较为简单、准确，相应地使得直流调速控制系统的分析、计算及设计也较为容易，且经过较长时间的实践，直流拖动控制系统在理论和实践上都比较成熟、经典，而且从反馈闭环控制的角度来看，它又是交流调速控制系统的基础。2.3.1直流电机调速方法概述直流电动机具有良好的起、制动性能，宜于在大范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。直流电动机转速和其他参量之间的稳态关系可表示为： (公式1

27、) 式中 转速（r/min）； 电枢电压（v）； 电枢电流（a）； 电枢回路总电阻（ w ）； 励磁磁通（wb）； 由电机结构决定的电动势常数。在上式中，是常数，电流是由负载决定的，因此调节电动机的转速可以有三种方法：（1）调节电枢供电电压； （2）减弱励磁磁通；（3）改变电枢回路电阻。这三种调速方法性能比较如下：1调压调速调压调速特性曲线如图5所示。工作条件：保持励磁；保持电阻； 调节过程：改变电枢电压，；调速特性：转速下降，机械特性曲线平行下移。2调阻调速调阻调速特性曲线如图6所示。工作条件：保持励磁；保持电压；调节过程：增加电阻，不变；调速特性：转速下降，机械特性曲线变软。3调磁调速调磁

28、调速特性曲线如图7所示。工作条件：保持电压；保持电阻；调节过程：减小励磁；，调速特性：转速上升，机械特性曲线变软。图5： 调压调速特性曲线图6：调阻调速特性曲线图7：调磁调速特性曲线4三种调速方法的性能与比较 对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以调节电枢供电电压的方式为最好。改变电阻只能有级调速；减弱磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，往往只是配合调压方案，在基速（即电机额定转速）以上作小范围的弱磁升速。因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主。 2.3.2 转速、电流双闭环直流调速系统采用转速负反馈和pi调节器的单闭环直流调速系统可以在保证系统稳定的前提下实现转速无静差。但

29、是，如果对系统的动态性能要求较高，例如：要求快速起制动，突加负载动态速降小等等，单闭环系统就难以满足需要。这是因为在单闭环系统中不能随心所欲地控制电流和转矩的动态过程。 在单闭环直流调速系统中，电流截止负反馈环节是专门用来控制电流的，但它只能在超过临界电流值idcr以后，靠强烈的负反馈作用限制电流的冲击，并不能很理想地控制电流的动态波形。带电流截止负反馈的单闭环直流调速系统起动过程，在起动电流达到最大值idm后，受电流负反馈的作用降低下来，电机的电磁转矩也随之减小，加速过程延长。 而我们期望达到的理想起动过程是，在电机最大允许电流和转矩受限制的条件下，应该充分利用电机的过载能力，最好是在过渡过

30、程中始终保持电流（转矩）为允许的最大值，使电力拖动系统以最大的加速度起动，到达稳态转速时，立即让电流降下来，使转矩马上与负载平衡，从而转入稳态运行。为了实现在允许条件下的最快起动，关键是要获得一段使电流保持为最大值idm的恒流过程。按照反馈控制规律，采用某个物理量的负反馈就可以保持该量基本不变。那么，采用电流负反馈应该能够得到近似的恒流过程。因此，我们希望能实现控制：起动过程，只有电流负反馈，没有转速负反馈；稳态时，只有转速负反馈，没有电流负反馈。 1) 转速、电流双闭环直流调速系统的组成为了实现转速和电流两种负反馈分别起作用，可在系统中设置两个调节器，分别调节转速和电流，即分别引入转速负反馈

31、和电流负反馈。二者之间实行嵌套（或称串级）联接如图8所示。asr转速调节器 acr电流调节器 tg测速发电机ta电流互感器 upe电力电子变换器图8: 转速、电流双闭环直流调速系统结构tgnasracru*n+.unuiu*i+.uctavm+.udidupel.mtg+图中，把转速调节器的输出当作电流调节器的输入，再用电流调节器的输出去控制电力电子变换器upe。从闭环结构上看，电流环在里面，称作内环；转速环在外边，称作外环。这就形成了转速、电流双闭环调速系统。2 )稳态结构图和调节器的限幅作用 1. 系统稳态结构图图9: 直流调速系统的稳态结构图a转速反馈系数; b 电流反馈系数 ks a

32、1/ceu*nucidenud0un+.asr+u*i. r b acr.uiupe 2调节器的限幅作用为了获得良好的静、动态性能，转速和电流两个调节器一般都采用pi调节器，可采用模拟实现或数字实现。而且，两个调节器的输出都是带限幅作用的。转速调节器asr的输出限幅电压u*im决定了电流给定电压的最大值；电流调节器acr的输出限幅电压ucm限制了电力电子变换器的最大输出电压udm。限幅作用存在两种情况：饱和输出达到限幅值。当调节器饱和时，输出为恒值，输入量的变化不再影响输出，除非有反向的输入信号使调节器退出饱和；换句话说，饱和的调节器暂时隔断了输入和输出间的联系，相当于使该调节环开环 不饱和输

33、出未达到限幅值。当调节器不饱和时，pi作用使输入偏差电压在稳态时总是零。 3) 转速和电流两个调节器的作用 转速调节器和电流调节器在双闭环直流调速系统中的作用可以分别归纳如下： 1. 转速调节器的作用（1）转速调节器是调速系统的主导调节器，它使转速 n 很快地跟随给定电压变化，稳态时可减小转速误差，如果采用pi调节器，则可实现无静差。 （2）对负载变化起抗扰作用。 （3）其输出限幅值决定电机允许的最大电流。 2. 电流调节器的作用（1）作为内环的调节器，在外环转速的调节过程中，它的作用是使电流紧紧跟随其给定电压（即外环调节器的输出量）变化。（2）对电网电压的波动起及时抗扰的作用。（3）在转速动

34、态过程中，保证获得电机允许的最大电流，从而加快动态过程。 （4）当电机过载甚至堵转时，限制电枢电流的最大值，起快速的自动保护作用。一旦故障消失，系统立即自动恢复正常。这个作用对系统的可靠运行来说是十分重要的3. 硬件电路设计3.1 直流电机精确定位系统总体方案设计 系统结构框图如图10所示，本系统采用msp430f149作为主控芯片，利用msp430f149自带的pwm发生模块、和adc模块等资源，组成一个双闭环反馈控制系统。具体的工作流程如下：直流电机的电枢电流经过电流传感器反馈给msp430f149，电机转速经过光电编码器测速反馈到msp430f149的高速入口。通过msp430f149对

35、反馈信号的预处理，于给定值进行比较，通过pi控制算法给出合适的控制量到高速输出口。高速输出口输出不同占空比的脉冲信号经过光耦隔离和驱动器来调节直流电机的转速。 图 10: 系统结构框图3.2 msp430f149单片机系统 msp430系列单片机是美国德州仪器(ti)公司生产的一种16位的、具有精简指令集(risc)的超低功耗的混合信号处理器(mixedsignal processor)。它将各种外围资源集中在片上, 实现了片上系统,从而大大简化了系统的设计, 具体特点如下：1) 低电压、超低功耗。工作电压仅为1.83.6v,在1mhz时钟条件下运行,工作电流视工作模式不同在0.1400a变化

36、。2) 强大的处理能力. 采用了高效16位risc结构,具有丰富的寻址方式,简洁的27条内核指令,在8mhz晶体驱动下,指令周期为125s。3) 系统工作稳定。上电复位后,首先由dcoclk启动cpu,以保证程序从正确的位置开始执行,保证晶体振荡器有足够的时间起振及稳定时间。如果晶体振荡器在用作cpu时钟mclk时发生故障,dco会自动启动,以保证系统正常工作；如果程序出错,可用看门狗将其复位。4) 具有较丰富的片内外设。 本设计采用msp430f149,它的片内外设包含: 60kb flash-rom和2kbram, 12位200kb/ s的a/ d转换器,高精度比较器,1个硬件乘法器,具有

37、3个捕获/ 比较寄存器的16位定时器time_a和time_b,1个看门狗时钟,2通道串行通信接口可用于异步或同步,有68个可实现方向设置的并行输入/ 输出端口,其中p1口和p2口具有中断功能。5) 方便高效的开发环境. 包含了jtag技术和plash在线编程技术,开发语言有汇编和c语言。 图 11: msp430f149内部结构 3.3 隔离与驱动电路 3.3.1隔离单元模块 为防止电机驱动单元对电机控制单元的干扰，必须在两者之间加上隔离电路，来防止干扰。因为电机驱动单元需要大电流，而控制单元为数字信号，如果不加入隔离单元，会影响到控制模块的正常工作。目前最常用的隔离模块为光耦隔离模块，利用

38、光信号的具有很好的抗电磁干扰特性，起到很好的隔离作用。由于msp430f149产生的pwm信号的频率较高，因此采用高速光耦合器tlp521-1.由图12所知tlp521-1的输入端为高电平时，对应的输出端为低电平。因此为了保证msp430f149的输出的pwm的极性，在tlp521-1的输出端接一个反相器，同时也起到整形信号防止输出去信号畸变的作用。 图 12: 光耦隔离模块 3.3.2电机驱动模块 电机驱动模块采用专业的芯片lmd18200，lmd18200是美国国家半导体公司(ns)推出的专用于直流电动机驱动的h桥组件。同一芯片上集成有cmos控制电路和dmos功率器件，它将4个dmos管

39、构成的h桥及其控制逻辑电路均包含在1个11脚的t- 220封装中,与由分立元件构成的桥式驱动电路相比,lmd18200构成的驱动电路结构简化,性能更加可靠。lmd18200可采用2种不同类型的pwm信号,本系统的pwm信号分别由方向信号和幅值信号组成,幅值由pwm信号的占空比决定,零脉冲时代表零电压。在实际使用时,脚3接方向信号输入,脚5接pwm信号,脚6接停止信号,lmd18200外形结构如图13所示，内部电路框图如图14所示，lmd18200的控制信号工作原理如表3所示。 图13 : lmd18200外部结构图 图 14 : lmd18200内部结构 表3:lmd18200的控制信号与电机

40、转动状态 图15 驱动模块电路图3.3.3过流保护模块 任何情况，不论是正常工作还好遗产，都有保障电机或是驱动电路的电流保持在正常范围内，否则会烧坏电机和驱动芯片。由于长时间的强电流都会损耗驱动芯片和电机，所以在选取元器件的适合要充分考虑到其损耗裕量，同时还要有必要的过流保护措施。由于电机有额定的工作电流，为了防止电机因为过流而烧坏，这里需要一个过流保护装置，这里用比较器lm339构成。由于lmd18200电流检测输出引脚8提供电流取样信号，典型值为377ua/a。取lm339基准电压为ur=5v，可得lmd18200电流检测输出引脚8下拉电阻值:r=100klm339的输出uo接msp430

41、f149的p1.0脚连接，以负跳变模式触发。当电机过流时向msp430f149发出中断，从而单片机就会调用中断服务程序通过p2.0关断lmd18200，从而达到过流保护的作用。电路图如下所示： 图 16： 过流保护模块3.4 反馈电路 反馈电路在系统的控制领域起到了核心的作用，正是由于实时的反馈机制才使系统运行在可控的范围内，而作为反馈系统中的核心部件，反馈采集电路就显得尤为重要了，它直接决定了反馈信息的精确度进而影响系统的稳定性和精确性。3.4.1速度检测电路测速反馈电路采用一个增量式光电编码器来反馈电动机的实际转速。该光电编码器由码盘、检测光栅、光电转换电路、机械部件等组成。当码盘随着被测

42、电机转轴转动时,检测光栅不动,光线透过码盘和检测光栅上的缝隙照射到光电检测器件,光电检测器件就可以输出2组相位相差的信号,通过检测a,b两相的相位就可以判断转轴是正转还是反转,通过记录a或b相变化的次数,就可以得出转抽旋转的次数。本设计中不需要检测转轴转动方向,故只需通过msp430f149的捕捉功能,捕捉a相输出脉冲的上升沿,从而记录脉冲的个数,本系统采用的是m法测速。具体的m法测速原理如下： （公式2）在一定的时间tc内测取旋转编码器输出的脉冲个数m1，用以计算这段时间内的平均转速，称作m法测速。把m1除以tc就可以得到旋转编码器输出的脉冲频率f1=m1/tc。电机每转一圈共产生z个脉冲（

43、z=倍频系数*编码器光栅数），把f1除以z就得到电机的转速。3.4.2 电流反馈电路要实现电流的负反馈检测，需要对电流进行检测，控制系统采用csm050ap型的霍尔传感器作为电流检测器。csm050ap传感器将采样的电流信号经过精密采样电阻转化成电压信号，然后经过电压调理电路将电压信号调整为满足msp430的输入要求，最后msp430对adc口的调理信号进行采样。msp430f149自带了12位ad转换器。msp430f149通过p6.0/a1采样直流电机的电流反馈值。4. 控制软件设计4.1 系统程序模块 要实现速度反馈和电流反馈的精确控制，需要在控制系统中引入速度调节器和电流调节器，组成电

44、流负反馈控制环和速度负反馈控制环，其中电流反馈环为内环，速度反馈环为外环。为了获得良好的静态和动态性能，电流环和速度环均采用pi调节器。速度环根据给定速度与检测到的实际速度差值，经过速度pi调节器对相应的差值进行处理，处理的结果作为电流环的给定值；同样电流调节器通过给定值与检测值的差值比较，再通过电流pi调节器处理差值，将差值按一定的算法输出一定占空比的pwm波，该pwm波作为驱动器的输入信号。电机启动时电流环起决定作用，当电机速度稳定时速度环起主要作用。电流环的主要功能为：（1）启动过程的加速（2）对反拉时的电流保护（3）对电压波动时的抗干扰；速度环的主要功能为：（1）实现转速调节无静差（2）对负载变化起抗扰作用，（3）能对电流环进行饱和非线性控制 。具有系统流程框图如下： 图17： 双闭环调速系统框图 系统程序流程图如下所示： 图18： 主程序流程图4.2 控制算法模块本系统中核心的算法模块就是pi调节器模