带CAN总线的直流无刷驱动器毕业论文

1、武汉理工大学毕业设计（论文）带CAN总线的直流无刷驱动器学院（系）： 信息学院 专业班级： 信息工程专业0902班 学生姓名： 肖文名 指导教师： 周 伟 学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选

2、机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密囗，在 年解密后适用本授权书2、不保密囗 。（请在以上相应方框内打“”）作者签名： 年 月 日导师签名： 年 月 日本科生毕业设计（论文）任务书学生姓名： 肖文名 专业班级： 信息0902班 指导教师： 周 伟 工作单位： 信息工程学院 设计(论文)题目：带CAN总线的直流无刷驱动器设计（论文）主要内容：熟悉和了解直流无刷电机及其驱动技术，并掌握如何通过CAN通信来驱动直流无刷电机及用STM32作为CPU来控制直流无刷电机方法，根据带CAN总线通信的直流无刷驱动器

3、实际需求，进行该驱动器的设计。要求完成的主要任务:1、 查阅不少于15篇的相关资料，其中英文文献不少于2篇，完成开题报告；2、 完成不少于20000英文字符的英文文献翻译；3、 带CAN总线通信, 调试界面或界面就在本机上；4、 完成硬件电路的设计及软件的编写并对整个系统进行软硬件调试；5、 完成不少于12000字的毕业设计论文的撰写和修订。必读参考资料：1 周严主编.测控系统电子技术.科学出版社，2007.72 彭刚,秦志强. 基于ARM Cortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器应用实践.电子工业出版社.2011.13 Meijer，Gerard C. M.Smart sensor

4、systems .John Wiley& Sons,2008.8 指导教师签名： 系主任签名： 院长签名（章）武汉理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）直流电动机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用，但普通的直流电动机由于需要机械换相和电刷，可靠性差，需要经常维护；换相时产生电磁干扰，噪声大，影响了直流电动机在控制系统中的进一步应用。为了克服机械换相带来的缺点，以电子换相取代机械换相的无刷电机应运而生。1955年美国DHarrison等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利，标志着现代无刷电动机的诞生。而电子换相的无刷直流电动机真正进

5、入实用阶段，是在1978年的MAC经典无刷直流电动机及其驱动器的推出。之后，国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究，先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。20多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展。无刷直流电机驱动控制过程中，不但要完成高速的数据采集计算，还要完成多个控制环的复杂计算以及PWM调制、换相控制，需要完成的计算量较大，并且对实时性和精度要求较高。而单片机由于其内部体系结构和计算功能等条件限制，在需要处理数据量大和实时性要求高时，往往不能满足要求；另外，受芯片制造工艺限制，在现有的电机专用控制芯片

6、中所实现的算法一般比较简单，也难以应用在高性能、高精度的应用场合。传统的数字控制系统一般以单片机作为其控制核心，采用DSP作为无刷直流电机的控制核心则有单片机无法比拟的优势：运算速度快、精确度高、存储量大，并且具有逻辑控制功能以及各种中断处理能力，丰富的数字输入输出端口，以及电机专用的PWM输出口。无刷直流电动机不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性，且结构简单、运行可靠、易于控制。其应用从最初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家电以及工业自动化领域迅速发展。因此，本课题主用任务是利用现代电力电子技术来解决无刷电机换向的问题,从而解决直流无刷电机的驱动问题。2、基本内容和技术方案本论

7、文的基本内容包括： 本文针对DSP在无刷直流电机控制系统中的应用趋势，通过对多种DSP芯片进行比较，采用ST公司的STM32F103作为控制器，设计了基于STM32的无刷直流电机控制系统，实现了对无刷直流电机的速度控制。本设计的技术方案： 无刷直流电机控制系统主要包括硬件部分和软件部分。硬件部分又包括主电路、微处理器控制电路以及保护电路。软件部分主要由主程序和定时中断服务子程序组成。直流无刷电机驱动电路微处理器上位机霍尔传感器霍尔信号检测电路系统总体方案框图 无刷直流电机控制系统的原理图如图所示，该系统的控制器主要负责处理霍尔传感器电路送来的反馈信号，并发送控制命令产生电机驱动波形。通过捕获单

8、元捕捉电机转子位置传感器上的脉冲信号，从而判断转子的位置，然后输出合适的驱动逻辑电平给驱动电路，再驱动电路驱动电机旋转。控制器捕获位置传感器的脉冲信号后，计算电机的当前转速，并且与设定的转速对比，通过控制程序控制电机的转速跟随设定的转速。控制器经AD及电流检测电路采集电机的电流，结果经PID算法产生合适的调制信号控制电机的电流，当出现过载、低电压或者驱动时序异常等情况时，驱动保护电路则可实现故障保护。3、进度安排13周：查阅CAN总线以及直流无刷电机驱动的相关资料，完成开题报告。45周：分析各种方案的优缺点和可行性，并最终确立方案。69周：根据拟定的方案设计电路，编制CAN程序及相关的底层驱动

9、程序， 并进行调试。1014周：通用板上调好的系统布成PCB板，再进行整个系统的软硬件调试，进一步优化设计。1517周：完善毕业设计论文，并答辩。4、指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日目 录摘 要IAbstractII1 绪论31.1 课题的研究背景31.2 研究的目的和意义31.3 研究的主要内容42 无刷直流电机系统的工作原理和控制方法52.1 无刷直流电机的基本工作原理52.2 无位置传感器无刷直流电机的控制方法62.3 力矩的控制62.4 速度的控制73 无刷直流电机驱动器的整体设计83.1 电机驱动电路设计9 3.1.1 三相全桥驱动电路93.2辅助电源设计93.3传感器信号放

10、大电路设计11 3.4模拟量输出电路设计123.5数字量输入电路设计133.6 CAN通信总线设计144 系统软件设计154.1直流无刷电机驱动程序算法设计154.2 CAN通信程序设计19 4.2.1 CAN通信初始化19 4.2.2 CAN通信接发数据204.3 DMA输出PWM波214.4 A/D采样235 系统调试266 结论与展望28参考文献29附 录30致 谢30摘 要无刷直流电机驱动是当前节能领域的研究热点。无刷直流电机控制器的性能决定了电机转换效率,同时也决定了电机工作的稳定性和可靠性。本课题就是以无刷直流电机为控制对象，采用无位置传感器检测技术，开发基于 STM32 微处理器

11、的无刷直流电机控制器。文章展开了无刷直流电机控制系统采用位置传感器方式控制电机的研究,无刷直流电机控制技术难点是恒转速输出,提高控制系统稳定性可靠性同时提高电机转换效率。主要研究内容如下:首先阐述了电机换相基本原理和无刷直流电机三全桥逆变电路驱动原理,然后介绍了 PWM波脉宽调制调速原理,并在此基础上提出了无刷直流电机系统控制总体设计方案。在理论分析及仿真研究的基础上进行了智能节点的软硬件设计包括上位机与CAN接口设计、CAN控制器与CAN控制器接口设计和直流无刷电机控制器设计。经过比较分析DSP与STM32两种芯片优缺点后,选用了 STM32F103作为主控芯片。进行了以高性能的STM32为

12、核心的硬件平台设计,具体设计了三相全桥逆变电路、驱动电路、恒转速调节电路等电路,并分析了电路的设计原理以及参数选择依据。同时基于STM32的软件开发平台Realview MDK设计了系统初始化程序、PWM波输出程序、AD转换程序、中断程序,并在程序调试过程中修改系统参数。在电机控制板调试完成之后,进行了空载和带载实验。关键词：无刷直流电机；STM32；CAN通信；PWM波AbstractBrushless dc motor drive is current research hotspot in the field of energy saving. The performance of th

13、e brushless dc motor controller determines the electric conversion efficiency, but also determines the stability and reliability of electrical work. This topic is for brushless dc motors as control object, the sensorless detection technology, the development of brushless dc motor based on STM32 micr

14、oprocessor controller.Articles on brushless dc motor control system using position sensor control, brushless dc motor control technology difficulty is constant speed output, improve control system stability, reliability and improve the electric conversion efficiency.Main research contents are as fol

15、lows:First expounds the basic principle and brushless dc motor commutation motor three full bridge inverter circuit drive principle, then introduced the PWM wave pulse width modulation speed control principle, and based on this, advances the brushless dc motor control system and the overall design s

16、cheme. On the basis of theoretical analysis and simulation study for the software and hardware design of intelligent node including PC and CAN interface design, the CAN controller and CAN controller interface design and brushless dc motor controller design. After a comparative analysis of DSP and ST

17、M32 two chip after the advantages and disadvantages, choose the STM32F103 as main control chip. The high-performance STM32 as the core of hardware platform design, concrete design of three-phase full bridge inverter circuit, drive circuit, constant speed regulating circuit, circuit, and analyzed the

18、 design principle of the circuit and parameter selection. At the same time, based on the STM32 software development platform Realview MDK designed the system initialization procedures, the PWM wave output program, A/D conversion program, interrupt program, and modify the system parameters in the pro

19、cess of program debugging. In the motor control board debugging is completed, the no-load and load test. Key Words：Brushless dc motor; STM32 ; CAN bus communication ; PWM wave1 绪论1.1 课题的研究背景目前无刷直流电机在技术上逐渐趋于成熟和完善，现代无刷直流电机控制系统在硬件上将向数字化、总线化方向发展。采用 DSP（Digital Signal Processor）为控制核心的直流无刷电机控制器并结合 CAN 总线通

20、讯技术，再引入一些先进的智能控制算法来提高控制性能，已成为了国内外的主流设计方法。并且借助 DSP 高速的实时运算与处理能力，可以较为容易地实现这些复杂的控制算法。基于 DSP 的无位置传感器无刷直流电机控制器的相关产品已经趋向成熟。所不利之处在于 DSP 芯片的成本相对较高，而且设计复杂，研发成高且研发周期长。随着 ARM 公司在 2007 年推出了最新的 32 位闪存微控制器STM32 系列芯片，它使用了突破性的 Cortex-M3 内核，集高性能、低功耗、具有竞争性价格于一体的极大的满足了现代嵌入式系统的要求。并特别为永磁无刷电机提供了 6 路脉宽调制信号（PWM）输出。基于 STM32

21、 的无刷直流电机控制器，在保持高性能的控制需求的同时，很好的降低成本和缩短研发周期。逐渐成为了现代电机控制开发的核心。本文就是设计的水泵驱动器就是基于 STM32 芯片，并带有 CAN 通信的无刷直流电机控制器。1.2 研究的目的和意义随着科学技术的迅速发展,尤其是电力电子、材料技术的发展,人们开始采用各种各样的大功率电子器件,有刷直流电机的电刷换向器逐渐被位置传感器和功率器件开关电路取代。无刷直流电机既具有直流电机优点,还具有交流电机特性。无刷直流电机结构简单,这使得电机的维护保养变得方便,电机工作的可靠性高;无刷直流电机的转速不会受到换向器的制约,高速转动应用场合,可以改用高速轴承,这样使

22、得电机的转速可以达到每分钟几十万的惊人速度。无刷直流电机逐渐应用在工业自动化生产中,其规模越来越大,它取代有刷直流电机是未来发展的必然趋势。此外无刷直流电机也越来越多的应用在高新技术领域,例如化工医疗领域、航天航空机器人技术、先进电子设备等领域。无刷直流电机由于其高扭力、紧凑、高效性,正越来越多的使用在汽车、工业自动化、军工、计算机、家用产品上。无刷直流电机控制技术将电机驱动与电子线路融为一体,不断推动新的电力电子技术应用于无刷直流电机驱动设计上。随着半导体开关技术和低成本微处理器的不断开发,无刷直流电机控制技术已经发生了革命性的改变,一方面电机驱动从注重引进新型电机硬件配置转移到控制算法的结

23、构和软件上,另一方面降低了成本同时提升电机驱动系统的整体性能。1.3 研究的主要内容通过查阅无刷直流电机驱动设计相关资料, 学习无刷直流电机驱动基本原理,比较带位置传感器控制方式和无位置传感器控制方式两种控制方式优缺点,虽然后者能够减小体积,但其可靠性和稳定性相对较低,适用于小功率无刷直流电机,带位置传感器的控制方式可用于驱动大功率无刷直流,其可靠性高,可以满足电机驱动设计性能要求。因此决定采用霍尔位置传感器方式实现无刷直流电机控制系统设计。本文的安排如下:(1)首先介绍了无刷直流电机换相的基本原理,然后分析了无刷直流电机调速方法,比较电机开环控制和闭环控制的转速特性,最后对电机闭环恒转速控制

24、方法展开深入研究。(2)采用STM32最小系统板作为控制板,设计了三相逆变桥电路、MOS管驱动电路、位置检测电路等电路。(3)软件设计主要介绍了电机软启动方式,选用PID增量式控制算法实现电机转速调节。然后介绍了主程序流程图,具体讲解了 DMA方式输出PWM波程序以及A/D采样程序。(4)电机控制板调试完成后,对其进行空载和带载测试,测试表明该电机控制板能够平稳启动,电机的正反转能够平稳切换。2 无刷直流电机系统的工作原理和控制方法2.1 无刷直流电机的基本工作原理无刷直流电机，别名电子换相电机，是一种电气旋转式机械，具有类似于感应电机经典的三相定子。其转子表面装有永磁体，转子上没有电刷，换相

25、需要通过在某些转子位置上以电子方式完成，这也即是电子换相电机别名的由来。其定子通常由磁铁薄片制作而成，定子的相位绕组插入凹槽中（即分布式绕组），或是可以做成绕在磁极上的线圈。因为气隙磁场是依靠永磁体产生的，所以转子的磁场恒定。永磁体的磁化以及它在转子上的分布经由选择后，能使定子绕组上反电动势的波形变成梯形，从而可以采用这种矩状波形的直流电压来生成低转矩纹波的旋转磁场。此种电机的每个相位可有多对磁极，而每个相位的磁极对数决定了电气旋转与机械旋转的比率。其数学模型是：经典的无刷直流电机的三相桥式驱动电路设计等效电路如图 2-1 所示。图2-1 直流无刷电机等效电路图因为转子相当于永磁体，要想让转子

26、转起来，需要用定子产生旋转的磁场吸引转子转。旋转磁场的产生是靠定子上三相绕组的电流方向的改变而产生的。由于绕组电流方向不同时，产生的磁场方向不同，如果让三相绕组按照一定的顺序改变电流的方向就可以产生旋转的磁场。要产生旋转的磁场，三相绕组要遵循六步通电顺序，每步三个绕组中一个绕组流入电流，一个绕组流出电流，一个绕组不导通。通电顺序如下：1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C-，如下图所示，左图为通电步骤，右图为每一步对应的磁场方向：图2-2 通电顺序图每步磁场旋转60度，每6步旋转磁场旋转一周；每步仅一个绕组被换相。随着磁场的旋转，吸引转子磁极随之旋转

27、。磁场顺时针旋转时电机顺时针旋转，通电顺序为：123456；磁场逆时针旋转时电机逆时针旋转，通电顺序为：654321。2.2 无位置传感器无刷直流电机的控制方法无刷直流电动机的位置检测主要分为采用霍尔传感器检测方法和无位置传感器检测两大类。目前，无位置传感器检测技术由于无需安装传感器，就可以采集到位置信号。省去了霍尔传感器成本的同时使电机体积也得以缩小；而且少了传感器的干扰大大增强了电机的抗干扰性、稳定性和可靠性，寿命得到了延长。成为了无刷电机位置检测的主流方法。国内的研究表明，大多数方法都是采用测量定子的电压、电流方法来估算转子位置，从而确定换相时刻。归纳总结后可以分为反电势过零检测法、反电

28、势积分法、电感检测法、续流二极管法、状态观测器法、电动机方程计算法、人工神经网络法等。2.3 力矩的控制按照电机统一规律，必须保证s-r为90度，才能取得最大转矩。因旋转磁场是60度增量，看来无法实现这个关系。但通过适当的安排可实现平均90度的关系。如果每一步都使离转子磁极120度的定子磁势所对应的绕组导通，并且当转子转过60度后换相，如此重复每一步，则可使定子磁势与转子磁势相差60-120度，平均90度。每一个定子绕组回路与DC电机电枢回路是类似的。但其电压和电流都是在每半个电周期中仅导通120度。电机制作时保证其绕组内反电势为梯形波，但平顶部分与电压和电流同时出现，其极性也与电压和电流一致

29、。从功率平衡的角度考虑T=EaIa+EbIb+EcIc又因为E=Ke,且在所有的时间都有两相绕组流过相同电流， T=2KeIa可见，力矩与定子绕组电流成正比，改变电流即改变力矩。图 2-3 力矩的波动换相转矩脉动：每次换向时，由于绕组电感的作用电流不能突变，电流的过渡过 程 产生力矩波动。由于转矩存在波动，限制了它在高精度的速度、位置控制系统中的应用。2.4 速度的控制改变定子绕组电压的幅值即能改变电机速度。在BLDC电机中，力矩正比于电流，速度正比于电压，反电势正比于电机转速，因此其控制特性与机械特性均与直流电机基本相同。图2-4 BLDC电机的机械特性曲线在连续工作区，电机可被加载直至额定

30、转矩Tr。在电机起停阶段，需要额外的力矩克服负载惯性。这时可使其短时工作在短时工作区，只要其不超过电机峰值力矩Tp且在特性曲线之内即可。为了使BLDC 电机速度可变，必须在绕组的两端加可变电压。利用PWM控制技术，通过控制PWM 信号的不同占空比，则绕组上平均电压可以被控制，从而控制电机转速。在控制系统中采用DSP或单片机时，可利用器件中的PWM产生模块产生PWM波形。根据转速要求设定占空比，然后输出6路PWM信号，加到6个功率管上。当下桥臂的功率管由导通到关断时，上桥臂的功率管延时一段时间再由关断到导通，以防止桥臂直通。这个延时时间称为”死区”，死区可通过编程改变。3 无刷直流电机驱动器的整

31、体设计无刷直流电机三相逆变桥驱动模块位 置检 测信 号PWM产生ADC0 I/O1ADC1 I/O2ADC2 MCU I/O3速度设定图3-1 直流无刷电机驱动器系统框图如图3-1所示，无刷直流电机驱动器系统采用三相逆变桥式电路,主控芯片采用ARM芯片STM32F103RBT6。系统上电时,霍尔传感器检测到转子位置信号,编码后送到STM32芯片,STM32单片机产生6路PWM送到IR2103驱动芯片,电机进入软启动阶段。该阶段PWM波占空比逐渐增加,电机的转速逐步提高,同时对主回路电流进行实时检测。一旦检测电流过大则减小PWM波占空比,去除过流保护后继续工作,达到设定转速后完成软启动。电机工作

32、时,当电枢上电压过高或者过低时,STM32卑片机就停止输出PWM波,电机停止工作,从而实现了电机的过压、欠压保护,防止了电机因电流过大而烧坏驱动板和电机。3.1 电机驱动电路设计3.1.1 三相全桥驱动电路本文无刷直流电机驱动采用三相全桥逆变电路。驱动桥电路由6个N沟道的MOS管IRF3205组成,该MOS管的导通内肌小,仅8毫欧,耗散功率小,适用于低压大电流的功率变换器。电路中QB1、QB3、QB5作为上臂,QB2、QB4、QB6作为下臂。通过外加驱动信号控制MOS管的导通与截止,在驱动过程屮应避免上卜管直通,为了减小MOS管发热,提高系统效率,必须为MOS管提供足够的驱动能力,使MOS管上

33、升沿与卜降沿时问短,MOS导通时工作在饱和区,在此本设计屮使用专用驱动芯片IR2103来驱动三相全桥电路。三相全桥电路图如图3-2所示。电机通过自身配带的霍尔传感器将其转子位置通过霍尔信号检测电路反馈给CPU，CPU根据其转子位置产生相应的驱动波形，经过驱动电路驱动三相桥臂，使电机的三相电源产生相应的相序，从而使电机内部产生旋转的磁场，拖动转子转动。电机驱动电路要驱动的电机为48V/400W,那么功率管至少选用48V/10A的，但为了电路的可靠性，功率管的电压电流都要留有足够的余量，所以本设计选用MOS管型号为75NF75，其Vdss=75V，Id25=75A，Rds（on）=13.0m。驱动

34、芯片选用IR2103，其Voffset最大到600V，Io+/-=130mA/270mA，Vout=10-20V，本设计中电机三相电源设计电路相同，其中一相电源的具体电路如下图所示：图3-2 直流无刷电机单相驱动电路 3.2辅助电源设计 本设计中控制器内辅助电源主要用于各种驱动芯片、运放、液晶屏、数码管、单片机等，考虑到一定的余量，设计总功率约需30W。为了兼顾24V和48V电机，输入电压20V-50V要都能工作，本设计选用工作电压范围较宽的电源管理芯片UC3843做反激式开关电源，具体电路如下图3-3 所示。 图3-3 辅助电源主电路反激式开关电源设计中，初级绕组和次级绕组的极性相反。在反激

35、电源工作过程中，MOS管截止的时候，变压器处于储能的阶段，在MOS管导通的时候，变压器向副边提供能量。在功率允许的前提下，我们可以设计多路辅助绕组来产生我们需要的隔离电源。本电路的工作频率设计为四十几KHZ，该参数由电阻R8和电容C4决定，本设计R8选取为47k，C4选取为102。由于输入电压范围为20V到50V，而UC3843工作电压在8.5V到36V之间，所以本电路通过功率电阻RE1和稳压管DP1将UC3843工作电压稳定在18V。RE1的选取需要计算最高输入电压时自身的功率，以及最小输入电压时UC3843的工作电压。阻值太大将导致芯片不能工作，太小的话自身和稳压管消耗的功率都将增大，本电

36、路选取RE1为1K/2W。由于本设计功率约为30W，所以最大工作电流为输入电压在20V时的电流，为1.5A。为了留一定余量，本电路选取限流值为2A，由于3843的限流电压为1V，所以检流电阻选取0.5/2W的功率电阻。辅助电源要稳定输出电压，需要有电压闭环来采集副边电压。做反馈的电压只能有一路，而副边绕组一般有多路，此时选取功率较大的一路作为反馈电压，这样其他绕组的电压不会随负载的变化浮动很大。由于本设计中15V给大多数驱动芯片供电，所需功率最大，所以选取15V电压为反馈，反馈电路如图3-15所示。当输出电压高于15V时，TL431的1脚电压高于2.5V导通，所以光耦UT1导通，使VFB电压升

37、高，3843检测到后减小驱动波形占空比，从而输出电压减小，如此形成一个动态稳定的电压。反馈电路参数与下图电阻R3，电容C1以及图3-3中电阻R7和电容C2有关，调节这些值可以调整输出波形。图3-4 辅助电源电压反馈电路如图3-5所示辅助电源电路图,STM32F103型芯片工作电压是3.3V,外设端口耐压值可达到5V。控制板的电源输入的12V直流电源经滤波后作为直流电机电枢电源。为了防止反接,在输入端加了一个驱动电压12V,最大电流40A的继电器。然后通过7805将12V电源稳压为5V,它作为电伍比较器LM393和运算放大器LM258的电源。控制板上有1117-3.3将5V的直流电滤波后稳压到3

38、.3V为控制板STM32芯片供电。图3-5 STM32控制板供电电源3.3传感器信号放大电路设计本系统中采用位移传感器测量张力，为了提高灵敏度，设计其输出电压为-3V3V，本来可以直接送给CPU进行采样，但是为了方便参数调整，同时在使用市场上张力传感器时改动个别器件的参数便可通用，而且需要增加传感器输出信号的驱动能力，我们在送给CPU之前加了放大电路。本设计采用了三运放仪表放大电路，如下图3-5所示。仪表放大电路和普通单端放大器相比，仪表放大电路可以有效的抑制输入信号中的共模干扰和地线电平电压浮动对电路的影响，因此可以传输的更远，在工业控制场合，得到了很广泛的应用。但是一般的仪表放大器比如AD

39、620价格比较贵，所以本设计采用多个运放搭建此放大电路。图3-5 传感器信号放大电路由于整个传感器的放大倍数为1，而仪表放大电路分为2级，第一级的最小放大倍数大于1，第二级放大倍数一般为1，因为第二级一般叠加电压。所以本电路先将输入信号分压一半，然后经第一级放大两倍，第二级不放大，所以整体放大倍数为1。第一级放大倍数为(RL5+RL6+RG)/RG，要使放大倍数为2，取RL5+RL6等于RG，为了对称抑制共模干扰，取RL5=RL6=0.5RG，本电路去RL5=RL6=10k，RG=20K。对于第二级电路，AIN0=Vadj+(L+-L-)。Vadj是经过TL431稳压并通过两个电阻分压得到的参

40、考电压，可以根据实际需要进行适当调节。3.4模拟量输出电路设计模拟量输出电路需要通过DAC模块实现连续的模拟量输出。DAC的基本原理是把数字量的每一位按照权重转换成相应的模拟分量，然后根据叠加定理将每一位对应的模拟分量相加，输出相应的电流或电压。STM32F103RCT6中包含有DAC模块。STM32的DAC模块是一个12位DA。它是一个将电压输出数字量转化为模拟量的模块。DAC可以工作在8位或者12位模式，可以与DMA控制器一起使用。在12位模式下，数据可以向左或者向右对齐。DAC有两个输出通道，每个通道都有自己单独的转换器。我们使用的是12位模式，12位的DAC的精度为1/4096。由于D

41、AC输出的电压范围是0-3.3V，并且带负载能力差。为了模拟量输出0-10V，需要一定的处理电路来实现。下图3-6 是DAX0输出转化为0-10V输出的电路。图3-6 0-10V输出驱动电路图DAX0经过电阻RA1输入到运放LM258的输入端。如果采用单电源供电，LM258输出的零点电压通常到不了绝对的零点，通常要比0V电压高，为了使Vout1的输出能够到达0V，LM258采用正负电源供电，正电源是+15V，负电源是-5V。为了使LM258的同相输入端电压能够到达零点，所以在输入的地方-5V经过RA1/240K电阻连接到LM258 的同相输入端。因为RA1/240K比RA2/5.1K电阻大很多

42、，所以在下面的计算中忽略-5V带来的影响。Vout1=(RA3+RA5)*DAX0/RA2，结合实际电路的电阻取值可以得到输出Vout1和DAX0的关系Vout1=(5.1+15)*DAX0/5.1=4*DAX0；因为DAX0的输出范围可以是0-3.3V，可以满足Vout1输出0-10V的要求。3.5数字量输入电路设计 本设计中有五路数字量输入，分别是DIR，FREQ，ENA，LIMU，LIMD，主要用于手动控制模式下控制电机方向，速度等。数字量输入电路较为简单，主要起到电平转换、电平隔离的作用，常用光耦来实现。工业上用的数字量一般为24V，本设计采用工业标准，将输入的24V高低电平转换为单片

43、机能识别的3.3V，具体的电路如下图3-13所示。图3-7 数字量输入口线路图五路数字量转换电路相同，下面以FREQ为例。光耦内部发光二极管一般通过电流3mA以上，但过大会影响光耦寿命，本设计选取光耦导通电流为4mA，由于输入电压高电平为24V，所以限流电阻RP1选取5.6k，为了防止误导通在光耦原边并联一个分压电阻，分得的电压要大于光耦原边的导通压降，所以选取分压电阻RP6为1k，分得的电压为3.6V左右。FREQ经过限流电阻，输入到光耦，当FREQ为高电平(24V)时，光耦导通，此时PCM1信号为低电平，当FREQ为低电平时，光耦不导通，此时PCM1信号为低电平，PCM1信号输入到单片机的

44、I/O口线，从而单片机可以识别数字量输入端口的状态。由于GND1是24V输入的地，DGND是单片机的地，两者不是同一个地，是隔离的。这样可以更好的保护单片机不被烧坏。3.6 CAN通信总线设计通信总线采用了屏蔽双绞线，因而具有极高的抗干扰能力，能够防止周边大功率用电设备所产生的电磁干扰，提高了系统通信的可靠性。下面介绍的是具体的通信设计：1) CAN通信收发器本设计中采用的TJA1040为高速CAN收发器，它是CAN协议控制器与物理总线间的接口，主要用来完成客车中的高速应用，波特率最高可达1 MBaud。TJA1040具有良好的EMC表现。TJA1040的引脚图如图2-4所示。图3-3 TJA

45、1040引脚图其中STB引脚用于控制TJA1040的工作模式，STB为低时，TJA1040工作在正常模式，STB为高时，TJA1040工作在待机模式。本设计中在硬件上将STB直接拉低，因此TJA1040的工作模式固定为正常模式。SPLIT引脚本设计中未使用，故不再赘述。CAN通信收发器主要完成了5V CMOS电平到CANH和CANL的差分信号的转换，也是最终直接与CAN总线相连的器件。2) CAN总线收发电路设计CAN的硬件电路如图2-5所示。图3-4 CAN总线收发电路4 系统软件设计4.1直流无刷电机驱动程序算法设计由以上分析可知，定子的三相绕组按一定的顺序通电便可产生旋转的磁场，从而带动

46、转子转动，但是绕组每次换相时不能随便换相，要根据转子磁极的位置换相，并在换相时满足定子磁极方向和转子磁极方向相互垂直的条件，才能取得最大转矩，这样电机的性能才能很好地发挥出来。要想根据转子磁极的位置换相，换相时就必须知道转子的位置，但并不需要连续的位置信息，只要知道换相点的位置即可。在直流无刷电机中，一般采用3个开关型霍尔传感器测量转子的位置，三个霍尔传感器一般按120度或60度圆周分布。本系统选取的电机霍尔传感器间隔120度，其的输出波形相差120度电角度；输出信号中高、低电平各占180度电角度。如果规定输出信号高电平为“1”，低电平为“0”，则输出的三个信号可用3位二进制编码表示，如下图所

47、示，由其输出的3位二进制编码可以确定转子磁极位置。按照电机统一规律，必须使定子磁极方向和转子磁极方向相互垂直，才能取得最大转矩。因旋转磁场是60度增量，看来无法实现这个关系。但通过适当的安排可实现平均90度的关系。如果每一步都使离转子磁极120度的定子磁势所对应的绕组导通，并且当转子转过60度后换相，如此重复每一步，则可使定子磁势与转子磁势相差60-120度，平均90度。如下图所示为电机逆时针时定子磁极方向和转子磁极方向的关系： 由于当转子N极靠近霍尔传感器时，传感器输出为低电平，经过霍尔信号检测电路时将其进行了反向。所以上图左边霍尔传感器输出编码为110，绕组通电方向为B+A-；图二中霍尔传

48、感器输出编码为010，绕组通电方向为C+A-。同理可得到其他编码对应的通电方向，于是得到直流无刷电动机通电换相表，如下表所示表一 直流无刷电动机通电换相表旋转方向霍尔传感器通电方向ABC正转110A+B-100C+B-101C+A-001B+A-011B+C-010A+C-反转101A+C-100B+C-110B+A-010C+A-011C+B-001A+B-单片机口线配置如图3-16所示，用TIM1的CH1(PA8)和CH1_N(PB13)控制U相电源，用TIM1的CH2(PA9)和CH2_N(PB14)控制V相电源，用TIM1的CH3(PA10)和CH3_N(PB15)控制W相电源，霍尔传

49、感器的HA，HB，HC分别反馈到单片机口线PA7，PC4，PC5。本设计中当某相电源为正时，让其对应的一对MOS管工作在开关状态，其控制信号为PWM波。当某相电源为负时，让其对应的一对MOS管中下管一直处于导通状态，其控制信号为电平信号。本设计中MOS管开关频率选定为20K。对TIM1的程序配置如下：void TIM1_Configuration(void) TIM_BaseInitStructure.TIM_Period = 4000-1; /20K; TIM_BaseInitStructure.TIM_Prescaler = 0; /预分频 TIM_BaseInitStructure.TI

50、M_ClockDivision = 0; TIM_BaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;/向上计数 TIM_BaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0; /周期计数器 TIM_TimeBaseInit(TIM1, &TIM_BaseInitStructure);/启用ARR的影子寄存器（直到产生更新事件才更改设置） TIM_ARRPreloadConfig(TIM1, ENABLE);/TIM1_OC1模块设置（设置1通道占空比） TIM_OCInitStructure.TIM_

51、OCMode = TIM_OCMode_PWM1; TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; TIM_OCInitStructure.TIM_OutputNState = TIM_OutputNState_Enable; TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; /TIM1输出比较极性 高 TIM_OCInitStructure.TIM_OCNPolarity = TIM_OCNPolarity_High;/TIM1互补输出极性 高 TIM

52、_OCInitStructure.TIM_Pulse =10; /150max 待装入捕获比较寄存器的脉冲值 TIM_OC1Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure);TIM_OC1PreloadConfig(TIM1, TIM_OCPreload_Enable); /启用CCR1寄存器的影子寄存器（直到产生更新事件才更改设置） TIM_OC2Init(TIM1, &TIM_OCInitStructure);TIM_OC2PreloadConfig(TIM1, TIM_OCPreload_Enable);TIM_OC3Init(TIM1, &TIM_OCInitStruc

53、ture);TIM_OC3PreloadConfig(TIM1, TIM_OCPreload_Enable); TIM1-CR2|=0x3f00;TIM1-CCER&=0; TIM1-CCER|=0XDDD;TIM1-CCER&=0XDDD;TIM_BDTRInitStructure.TIM_OSSRState = TIM_OSSRState_Enable; TIM_BDTRInitStructure.TIM_OSSIState = TIM_OSSIState_Enable; TIM_BDTRInitStructure.TIM_LOCKLevel = TIM_LOCKLevel_OFF; TI

54、M_BDTRInitStructure.TIM_DeadTime = 10; /这里调整死区大小0-0xff TIM_BDTRInitStructure.TIM_Break = TIM_Break_Disable; TIM_BDTRInitStructure.TIM_BreakPolarity = TIM_BreakPolarity_High; TIM_BDTRInitStructure.TIM_AutomaticOutput = TIM_AutomaticOutput_Enable; TIM_BDTRConfig(TIM1, &TIM_BDTRInitStructure);TIM_DMACmd(TIM1, TIM_DMA_Update, ENABLE); TIM_Cmd(TIM1, ENABLE); TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1, ENABLE);由于电机的换相要不停地检测霍尔信号，时间响应要快，所以电机的换相程序放在单片机滴答时钟的中断里，每250us中断一次。下面是正转时，当霍尔信号编码为011时的换相程序：if(!PIN A7)&( PINC4)&( PIN C5) /霍尔信号编码011 if(nomalAflag)/当nomalAflag为1时正转GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9