基于PIC的无刷电机控制系统算法设计

1、 毕 业 设 计中文题目 基于PIC的直流无刷电机控制系算法设计英文题目Brushless Motor Control System Algprithm Design Based On PIC系 别： 电子与电气工程系专业年级： 06级电气工程及其自动化姓 名： 黄小龙学 号： 20060621119指导教师： 张辑老师 职 称： 助教2010年5月20 日毕业设计（论文）诚信声明书本人郑重声明：在毕业设计（论文）工作中严格遵守学校有关规定，恪守学术规范；我所提交的毕业设计（论文）是本人在张辑指导教师的指导下独立研究、撰写的成果，设计（论文）中所引用他人的文字、研究成果，均已在设计（论文）中加

2、以说明；在本人的毕业设计（论文）中未剽窃、抄袭他人的学术观点、思想和成果，未篡改实验数据。本设计（论文）和资料若有不实之处，本人愿承担一切相关责任。学生签名： 年 月 日基于PIC的无刷电机控制系统算法设计摘要：本文介绍了一种基于PIC单片机的带位置传感器的直流无刷电机控制系统的算法设计。控制系统以PIC16F877A单片机为核心，并外加输入和输出电路，主要用于电机转向和速度大小的设定和电机速度的显示；主回路功率开关器件采用MOSFET，以IR2132芯片作为驱动核心，实现了PWM全桥式调制方式的电机数字控制。系统采用速度闭环的控制策略，采用PID控制算法实现。本设计完成了控制系统的硬件、软件

3、的设计和系统的调试。硬件控制系统的设计包括控制电路、转子位置检测电路、驱动电路和逆变电路等；对各功能模块（转子位置的识别、速度的计算、PWM调速、速度闭环调节等）的软件实现、数字PID算法进行了详细的论述。经过实验论证，证明本文提出的控制策略正确可行。系统硬件简单、可靠性高、控制性能良好。关键字：PIC16F877A 霍尔位置传感器 直流无刷电机 PID PWM调速Brushless Motor PIC-Based Control System Algorithm DesignAbstract: This article introduces the algorithm design of b

4、rushless DC motor PIC-Based control system with position sensor. The core of control system is a PIC16F877 Microcontroller, and additional input and output circuits which mainly used to control the motor direction of rotation, set the speed of motor and display the speed of motor. Main circuit power

5、 switching devices using MOSFET, to IR2132 driver chip as the core, achieved full-bridge PWM motor digital control modulation. System uses speed closed-loop control strategy, using PID control .This article design the control system hardware, software and complete the system debug. Hardware control

6、system including control circuit, the rotor position detection circuit, driver circuit and inverter circuit. Of each function module (rotor position identification, the speed of calculation, PWM speed control, speed adjustment, etc) software function, the digital PID algorithm in detail. Experimenta

7、l results demonstrate, that the proposed control strategy is feasible. System hardware is simple, reliable, good control performance. Key word: PIC16F877A Hall Position Sensor Brushless DC Motor PID PWM Speed Control 目录摘要：3第一章 绪论71.1课题背景71.2直流无刷电机发展状况及特点71.3直流无刷电机的发展前景及研究方向81.3.1减小转矩脉动81.3.2最佳换相的确定9

8、1.3.3无位置传感器的转子位置检测91.3.4控制算法101.4研究意义和内容11第二章 永磁直流无刷电机及其驱动原理132.1永磁无刷直流电动机的结构132.1.1直流无刷电机本体132.1.2电子换相电路142.1.3转子位置传感器142.2永磁无刷直流电动机的运行原理162.3永磁无刷直流电动机的数学模型182.4永磁无刷直流电动机的调速原理19第三章 控制系统的硬件设计213.1.PIC16F877A概述213.1.1 PIC16F877A的特点213.1.2 PIC16F877A的硬件结构233.1.3 PWM模块介绍及其使用243.2人机界面电路253.3基于IR2132的驱动电

9、路263.4全桥驱动电路273.4.1二二导通方式273.4.2三三导通方式273.5位置传感器电路273.6 PWM调速电路28第四章 控制系统的软件设计304.1编程与调试环境MPLAB IDE简介304.2基于PIC16F877A直流无刷电机启动和转动的实现。304.3直流无刷电机正反转的实现314.4直流无刷电机测速的实现。344.5直流无刷电机速度闭环的实现。354.5.1直流无刷电机调速的实现354.5.2直流无刷回馈制动的实现354.5.3 PID控制原理364.5.4数字PID控制算法37第五章 系统调试415.1实验平台415.2实验结果436.1总结466.2展望46致谢4

10、7参考文献48附录49第一章 绪论 1.1课题背景在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。无论是在工农业生产、交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、商务与办公设备中，还是在日常生活中的家用电器中，都大量地使用着各种各样的电动机。据资料统计，现在有90%以上的动力源来自于电动机。我国生产的电能大约有60%用于电动机。可见，电动机与人们的生活息息相关、密不可分。 由于直流电动机具有非常优秀的线性机械特性、宽的调速范围、大的启动转矩、简单的控制电路等优点，长期以来一直广泛地应用在各种驱动装置和伺服系统中。但是，直流电动机的电刷和换向器却成为阻碍它发展的障碍，机械电刷和换向

11、器因强迫性接触，造成它结构复杂、可靠性差，并且机械换相装置易产生火化、电磁干扰、不适用恶劣环境以及需要定期维护等不足，严重影响了直流电动机的调速精度和性能。因此，长期以来人们一直在寻找一种不用电刷和换向器的直流电动机。 随着电子技术、功率元件技术和高性能的磁性材料制造技术的飞速发展，这种想法已成为现实。无刷直流电动机利用电子换向器取代了机械电刷和机械换向器，因此，使这种电动机不仅保留了直流电动机的优点，而且又具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，使它一经出现就以极快的速度发展和普及1。近年来电机的控制逐渐以单片机为主的微处理器控制，模拟控制已经慢慢退出历史的舞台。PIC单片机是由

12、微芯(Microchip)公司生产的一种单片机，它以其精简的指令集、哈佛总线结构、流水线取指方式、抗干扰能力强、性价比高等特点获得了广泛的应用。1.2直流无刷电机发展状况及特点 一百多年来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活之中，电动机主要类型有同步电动机、异步电动机与直流电动机三种，其容量小到几瓦，大至上万千瓦。众所周知，直流电动机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，但传动的直流电动机均采用电刷，以及机方法进行换向，因为而在相对的机械摩擦，由此带来的噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而无刷直流电动机

13、应运而生了。 1917年，Boiliger就提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷， 从而诞生了无刷直流电动机的基本思想。1955年，美国的D.Harrison等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷电动机的机械电刷的专利，标志着现代无刷直流电动机的诞生。 直流无刷电机保持着有刷直流电机的优良机械特性，在电磁结构上和有刷直流电机一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子上放置永久磁铁。直流无刷电机的电枢绕组像交流电机的绕组一样，采用多相形式，经过逆变器接到直流电源上，定子采用位置传感器实现电子换相代替有刷直流电机的电刷和换向器，各相逐次通电产生电流，和转子磁极主磁场相互作角，产生转矩。和有刷直流电

14、机相比，直流无刷电机由于革除了电的滑动接触机构，消除了故障的主要根源。转子上没有绕组，也就没有了电的损耗。又由于主磁场是恒定的，铁损也是极小的 ( 在方波电流驱动时，电枢磁势的轴线是脉动的，会在转子铁心内产生一定的铁损) 。总的说来，除了轴承旋转产生磨损外，转子的损耗很小，因而进一步增加了工作的可靠性2。1.3直流无刷电机的发展前景及研究方向1.3.1减小转矩脉动转矩脉动是BLDCM存在的突出问题，特别是在低转速、高精度、调速范围广的情况下，更要求尽量减少转矩脉动。在直接驱动应用的场合，转矩脉动使得电机速度控制特性恶化。尤其用于视听设备、电影机械、计算机中的无刷直流电动机，更加要求能运行平稳、

15、没有噪声。因而抑制或消除转矩脉动成为提高伺服系统性能的关键所在。引起转矩脉动的主要因素有：齿槽效应引起气隙合成磁场发生畸变，影响电磁转矩；绕组电感的影响使得输入定子绕组的相电流不可能是理想的矩形波，使反电动势与理想波形的偏差加大；相电流在换相时的电枢磁场呈现步进性，导致气隙合成磁场波动，对于功率较大的无刷直流电动机，电枢反应的影响更加明显。 目前，国际国内的研究人员正通过各种途径来解决这个问题，提出了各种抑制或削弱转矩脉动的方法，从不同程度上提高了无刷直流电动机的性能。但是这些研究均是在原有结构、方案上提出了一些削弱或补偿的方法，没有从原理上或者根本上削除转矩的脉动，因而转矩的脉动还有待于进一

16、步的研究。 1.3.2最佳换相的确定最佳换相是指为了使无刷直流电动机的输出转矩最大、脉动最小，实现效率最高的机电能力转换。最佳换相包括最佳逻辑换相和最佳位置换相。最佳逻辑换相是解决如何换相；最佳位置换相是解决什么时候换相。在最佳逻辑换相的研究中，大都采用一条固定的有关转子位置信号和功率开关管导通状况的真值表，而没有概括性更强的理论研究。有参考文献介绍关于永磁方波无刷直流电动机最佳逻辑解析结构的研究，在这方面迈出了重要的一步。尽管在理想状况下的最佳换相位置己经研究得比较透彻，但是在电机实际工作过程中最佳位置换相的研究还有待深入。实际运行的电机不同于理想电机，在理想电机中所忽略的次要素在实际中都会

17、不同程度上的影响到最佳位置换相。 1.3.3无位置传感器的转子位置检测 无刷直流电动机以电子换相器取代了常规的机械换相器，依靠位置信号来控制电子换相器。在永磁无刷直流电动机系统中，位置信号对整个系统的正常工作起着非常重要的作用，直接影响系统能否正常换相，电机出力能否达到最大。获得位置信号的方法基本方法分为两类，一类是依赖位置检测元件检测转子位置角，另一是无位置传感器方式，依靠其他方法获得转子位置信号。采用位置传感器来检测转子的位置，由于受环境条件影响很大，如振动、潮湿和温度变化都会使位置传感器工作性能下降，使整个传动系统的可靠性难以得到保证。此外，传感器还大大增加了电气连接线数目，给抗干扰设计

18、带来一定困难。在精确的位置伺服系统中，位置传感器也占了整个系统成本的一大部分：有些传动系统由于空间有限，没有安装传感器的余地。基于这些原因，研究无位置传感器检测转子位置控制无刷直流电动机成为了一个研究热点方向，并取得了一些成果。 近年来国内外文献介绍的无位置检测方法主要包括反电动势过零点检测方法、反电动势三次谐波积分检测法、续流二极管监测法、反电动势积分法、磁链估计法、扩展卡尔曼滤波法、电感测量法、电流法、涡流效应检测法等。这些方法中，端电压检测法技术成熟、工作可靠，是目前最常用也是最实用的无刷直流电动机无位置传感器转子位置检测方法。但这种方法的基本原理是建立在忽略电枢反应影响的前提下的，这本

19、身在原理上就存在一定误差。近年来，随着实现手段(如单片机和DSP)的功能不断强大，各种智能控制方法得以容易的实现。这种方法利用模糊控制或神经网络控制策略来建立相电压、电流和转子位置之间的相互关系，基于检测到的电压和电流信号来估算出转子位置信息。如直接检测电机相电压和相电流，通过神经网络的训练后可以估计出磁链向量，从而获得转子磁极位置。随着控制理论的发展和控制芯片功能的强大，无位置传感器检测方式必将得到更为广泛的应用。 1.3.4控制算法 采用单片机为数字控制电路将是无刷直流电动机中控制系统的设计与实现的发展方向。以单片机芯片为核心的控制系统配合软件系统实现对无刷直流电动机的控制，通过软件系统对

20、BLDCM进行控制这使设计更加灵活、有效。软件的设计实际上就是对控制算法的实现。无刷直流电动机中电流、转速必须由硬件系统配合具有正确控制算法的软件系统才能得到良好的闭环控制效果。因此，研究与利用先进的控制算法成为设计与实现无刷直流电动机控制系统的一个重要方面。高性能单片机的应用使得复杂控制算法的实现成为可能。随着现代控制理论的发展，出现了许多先进的控制方法，比如神经网络控制、自适应控制、模糊控制等得到了不同程度的应用。以下简要介绍几种基于现代控制理论的控制算法： (1)变结构控制 变结构控制具有响应速度快、对控制对象参数变化及对外部扰动不敏感、物理实现简单等特点，无刷直流电动机位置伺服方式下的

21、运行大都采用变结构控制。由于无刷直流电动机结构与永磁同步电动机相似，同步电动机具有稳速精度高，又是开环控制，简单方便；而永磁直流无刷电机具有起动和调速方便的特点。所以，当电动机处于起动和调速过程中，采用无刷直流电动机的运行模式，实现动态响应的快速性，进入到转速给定值附近，转为同步电机运行模式，以保证稳速精度。变结构控制的开关模式可由系统的传递函数导出，也可根据系统参数来设计。(2)模糊控制和PID相结合的Fuzzy-PID控制 如何在较宽的调速范围内提高电流调节特性及减小力矩波动一直是交流伺服系统研究的焦点。现有的高性能交流伺服系统大多采用模拟控制，仅做到速度闭环，速度调节器大部分采用数字PI

22、D调节器，只不过有些系统对其进行了一定程度的改进，如变系数等。这对多变量、非线性、强耦合的交流伺服系统来说有局限性。模糊控制一直是近年来研究的热点，它不依赖于被控对象精确的数学模型，对系统动态响应有较好的鲁棒性，但难以消除调节终了时系统的稳态误差，而PID控制方法可很好地解决这一不足，若将两者结合起来则系统同时兼有两种方法的双重优点。 (3)神经网络和模糊控制相结合的复合控制 神经网络即具有非线性映射的能力，可逼近任何线性和非线性模型，又具有自学习、自收敛性；神经网络控制即可用于线性对象，也可用于非线性对象，对被控对象无须精确建模，对参数变化有较强的鲁棒性。神经网络一般和模糊控制相结合，通常有

23、两种结合方式：一种是在大误差范围内采用模糊控制器来改善性能提高快速性，同时在小误差范围内采用神经网络控制器达到精确定位的目的；另一种是利用神经网络来实现模糊控制规则的映射。模糊控制利用人脑的直觉经验推理出一系列控制规则，无须对被控对象精确建模，对伺服系统存在的未知因素和参数漂移不敏感，只是定位精度不高，易发生超调和振荡，但在误差大范围内收敛速度比神经网络控制器快。经实验验证，采用这种结合方式的伺服系统定位精度高、无超调。 (4)遗传算法和模糊控制的结合 近年来，遗传算法受到了国内外的重视，成为研究的热点之一。遗传算法是一种模仿生物进化过程的最优化方法，具有不需要求梯度、能得到全局最优解、算法简

24、单、可并行处理等优点而模糊控制具有一些局限性，由于模糊控制器的设计参数很多(模糊控制规则及规则可信度、输入/输出的比例因子、输入输出变量各模糊子集的隶属度函数)以及模糊控制器本身的非线性等原因，至今仍缺乏有效通用的模糊控制器设计和调整方法，而只能依靠设计者的经验和反复调试。最近出现了一些用遗传算法优化模糊控制器设计参数的研究成果。若这一思想应用于交流伺服系统，即把用遗传算法优化隶属度参数后的模糊控制器应用于无刷直流电动机交流伺服系统，或这种模糊控制与其它算法相结合应用于交流伺服系统，从理论上来说，是完全切实可行的3。1.4研究意义和内容由于直流无刷电机具有非常优秀的线性机械特性、宽的调速范围、

25、大的启动转矩、简单的控制电路等的特点，使其在工业、交通、航空航天、军工、伺服控制领域以及家用电器领域得到广泛的应用。直流无刷电机在工业上的广泛应用，能够显著的提高我国现在能源利用水平和改善环境污染，提高能源利用的效率。在电机制造技术方面我国和国外的差距不大， 但是在电机控制系统的研究和开发和国外仍然有不小的差距，所以电机控制方面研究仍需要加大力度。另一方面，我国的稀土资源特别丰富，占世界总储量的75 % ，永磁直流无刷电动机产业的发展对发展我国的经济有特殊的意义。本课题主要研究基于PIC的无刷电机控制系统算法设计，通过PID控制算法实现直流无刷电机的速度闭环控制。第二章 永磁直流无刷电机及其驱

26、动原理直流无刷电机的设计思想来源于利用电子开关电路代替有刷直流电机的机械换向器。普通有刷直流电机电刷起换向的作用，使主磁场和电枢磁场的方向在电机运行过程中始终保持互相垂直，从而产生最大转矩，驱动电机不停的运转。直流无刷电机为了实现无机械换相，取消了电刷，将电枢绕组和永磁磁钢分别放在定子和转子侧，成为“倒装式直流电机”结构5。为了实现对电机转速和转动方向的控制，直流无刷电机必须具有转子位置传感器、控制电路及功率逆变桥共同构成的换相装置。本章主要先从介绍直流无刷电机的基本组成及工作原理开始，再由后续的章节详细介绍具体的实现方案。2.1永磁无刷直流电动机的结构直流无刷电机本体结构与稀土永磁同步电机相

27、似。其总体结构如图2-1所示。5图2-1直流无刷电机总体结构图1转轴 2轴承 3前端盖 4螺钉5定子铁心6转子铁心 7后端盖 8传感器支架直流无刷电机的结构原理如图2-2所示。无刷电机就基本结构而言，可以认为由电机本体、转子位置传感器和电子换相电路三部分组成。2.1.1直流无刷电机本体电机的本体由定子和转子两部分组成，定子结构与普通同步电机或感应电机相似。直流无刷电机常用的绕组形式有整距集中绕组、整距分布式绕组、短距分布式绕组等。绕组形式不同将影响电机的反电势波形，进而影响到电机的性能。转子由一定极对数的永磁体组成，目前永磁体多采用钕铁硼等高矫顽力、高剩磁感应密度的稀土永磁材料制作而成。常见的

28、转子结构有三种形式：（1）表面粘贴式磁极（2）嵌入式磁极（3）环形磁极。本文所用的电机为三相直流无刷电机。2.1.2电子换相电路电子换相电路主要由转子位置检测处理电路和功率开关电路两部分组成，主要的功能是根据检测回来的转子位置信号去控制各绕组的通断电和通断电的时间。逻辑控制开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定的逻辑关系分配给直流无刷电机定子上各相绕组，以便使电机产生持续不断的转矩。而各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。早期的直流无刷电机的开关电路大多由晶闸管组成，由于其关断要借助于反电动势或电流过零，而且晶闸管的开关频率较低，使得逆变器只能工作在较低频率范围

29、内。随着新型可关断全控型器件的发展，在中小功率的电机中换向器多由功率MOSFET或IGBT构成，具有控制容易、开关频率高、可靠性高等诸多优点6。2.1.3转子位置传感器在BLDCM中，位置传感器与电动机同轴安装，起着测定转子位置的作用，为逆变器提供正确的换相信息。由于逆变器的导通次序是与转子转角同步的，因而与逆变器一起，起着与有刷直流电机的机械换相器和电刷相类似的作用。位置传感器种类较多，特点各异7。(1)电磁式位置传感器电磁式位置传感器是利用电磁效应来实现位置的测量的，它由转子和定子两部分组成。虽然电磁式位置传感器输出的信号大、工作可靠、适应性强；但它的信噪比较低，体积大，输出是交流信号，需

30、要经整流和滤波后才能使用，所以它在早期的时候应用比较多，现在已退出历史舞台。(2)光电式位置传感器光电式位置传感器是利用光电效应进行工作。它由发光二极管、光敏接收元件、遮光板组成。光电式位置传感器性能比较稳定，由于光敏三极管或光敏二极管的输出较弱，需要整形放大，经过放大整形输出的是脉冲信号，易于与数字电路接口。(3)霍尔式位置传感器霍尔式位置传感器是利用“霍尔效应”进行工作的。霍尔式位置传感器的转子是直流无刷电机的永磁转子。通过感知转子上的磁场强弱变化辨别转子所处的位置。当一块通有电流的金属或半导体薄片垂直地放在磁场中时，薄片的两端就会产生电位差，这种现象就称为霍尔效应。两端具有的电位差值称为

31、霍尔电势U，其表达式为 U=K·I·B/d 其中K为霍尔系数，I为薄片中通过的电流，B为外加磁场（洛伦慈力Lorrentz）的磁感应强度，d是薄片的厚度。由此可见，霍尔效应的灵敏度高低与外加磁场的磁感应强度成正比的关系。所以利用永磁转子的磁场，对霍尔半导体通入直流电，当转子的磁场强度大小和方向随着它的位置不同而发生变化时，霍尔半导体就会输出霍尔电动势，霍尔电动势的大小和相位随转子位置而发生变化，从而起到检测转子位置的作用。常用开关型霍尔集成电路作为传感元件，集成电路原理如图2-2所示。图2-2霍尔集成电路原理图霍尔式位置传感器由于结构简单，性能可靠，成本低，因此是目前在直流

32、无刷电机上应用做多的一种位置传感器。图2-3霍尔集成电路接线图综上所述，组成直流无刷电机各主要部件的框图，如图2-4所示。图2-4电机各主要部件的框图2.2永磁无刷直流电动机的运行原理普通直流电机的电枢在转子上，而定子产生固定不动的磁场。为了使直流电动机旋转，需要通过换向器和电刷不断的改变电枢绕组中电流的方向，使两个磁场方向始终保持互相垂直，从而产生恒定的转矩驱动电动机不断旋转。无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，而转子做成永磁体，这样的结构正好与普通直流电动机相反。然而即使这样改变还不够，因为定子上的电枢通入直流电以后，只能产生不变的磁场，电动机依然转不起来。为了使电动机转起来，

33、必须使定子电枢各绕组不断地换相通电，这样才能使定子磁场随着转子位置在不断地变化，使定子磁场与转子永磁磁场始终保持90°左右的空间角，产生转矩推动转子旋转8。下面以三相无刷直流电动机，来分析它的转动过程。图2-5三相星型联结全桥驱动电路图2-5是三相直流无刷电机星形联结全桥驱动方式。下面以两相导通星形三相六状态无刷直流电动机来说明其工作原理。当转子永磁磁极位于图2-6(a)所示位置时，转子位置传感器输出磁极位置信号，经过驱动电路逻辑变换后驱动逆变器，使功率开关管Q1、Q4导通，即绕组A，B进B出，电枢绕组在空间的合成磁势为Fa，如图2-6(a)所示。此时定、转子磁场相互作用，拖动转子顺

34、时针方向转动。电流流通路径为：电源正极Q1管A相绕组B相绕组Q4管一电源负极。当转子转过60°电角，到达图2-6(b)中位置时，位置传感器输出信号，经逻辑变换后使开关管Q4截止、Q6导通，此时Q1仍导通。这使绕组A，C通电，A进C出，电枢绕组在空间合成磁场如图2-3(b)中Fa。此时定、转子磁场相互作用，使转子继续沿顺时针方向转动电流的流通路径为：电源正极Q1管A相绕组C相绕组Q6管一电源负极，依此类推。当转子继续沿顺时针每转过600电角时，功率开关管的导通逻辑为：Q1Q4Q1Q6Q3Q6Q3Q2则转子磁场始终受到定子合成磁场的作用并沿顺时针方向连续转动。9图2-6无刷直流电动机工作

35、原理示意图2.3永磁无刷直流电动机的数学模型由于无刷直流电动机的气隙磁场是非正弦分布的，因此不能用空间矢量来描述，也就不能用空间矢量来建立数学模型。由于气隙磁场是非正弦采用双轴理论来分析也是困难的。但是，可以采用更一般的方法，即状态变量法来研究它的动态特性。为简化数学模型的建立，假定直流无刷电机三相绕组为Y联结，无中线引出，永磁转子为面装式结构，无阻尼绕组。忽略铁芯磁耗和涡流损耗，不计磁路饱和影响10。电动机电压平衡方程： (2-1)根据电机学的知识，直流无刷电机三相定子电压平衡方程式如下：=+Ki+ (2-2)式中：，为三相定子电压； ，为三相定子反电动势； ，为定子间互感； Ki为微分系数

36、。其等效电路如图2-7所示：图2-7电机等效电路图在电机运行过程中，电磁转矩的表达式为： (2-3)电机的机械运动方程为： (2-4) 式中，Te和TL分别为电磁转矩和负载转矩（Nm）；J为转子的转动惯量（kg·2m）；f为阻尼系数（N·m·s）。电机设计反电动势为梯形波，其平顶宽度为120°电角度，梯形波的幅值与电机的转速成正比。2.4永磁无刷直流电动机的调速原理对于星形连接的三相无刷直流电动机，在理想条件下，任何时刻只有两相定子绕组通电。令加在两相通电绕组上的平均电压为，则电压平衡方程式为： (2-5)可以得到转速为： (2-6)式中：为电动机各相反

37、电动势；为各相相电流；n为无刷直流电动机转速；R为回路等效电阻，包括电动机两相电阻和管压降的等效电阻。由式(2-5)可知，无刷直流电动机的转速调节可以通过改变外施平均电压来实现。调节电压需要有专门的可控直流电源。常用的可控直流电源有三种：旋转变流机组、静止可控整流器、脉宽调制变换器。通过脉宽调制变换器进行调制的方法又称为PWM调制方法。它是用恒定直流电源或不可控整流电源供电，利用开关器件来实现通断控制，将直流电压断续加到负载上，通过通、断电时间的变化来改变负载上直流电压的平均值，将固定直流电源变成平均值可调的直流电源。受到器件容量限制，PWM直流调速只能用于中、小功率系统。本文所控电机为小功率

38、电动机，所以就采用PWM调制方法来控制电动机11。第三章 控制系统的硬件设计3.1.PIC16F877A概述3.1.1 PIC16F877A的特点PIC系列单片机是由美国Microchip公司生产的单片机产品，目前在世界8位单片机中销量第一。PIC系列单片机具有较好的抗干扰性能、简洁的指令集，所需硬件配置较少，因此，在电脑的外设、家电控制、电信通信、智能仪器、汽车电子以及金融电子等各个领域得到了广泛的应用。PIC16F877单片机是Microchip公司开发的新产品，具有Flash编程的功能，用户可以直接在单片机上进行如暂停CPU执行、观察寄存器内容等操作，所以非常适合用于教学和进行新产品的开

39、发。PIC16F877单片机是目前应用最广泛的一种PIC单片机，有40个引脚，其内部资源为ROM共8K、512字节RAM、8路A/D、3个8位定时器、2个CCP模块、三个串行口、1个并行口、11个中断源、33个I/O脚，它有如下特点：(1) PIC最大的特点是不搞单纯的功能堆积，而是从实际出发，重视产品的性能与价格比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求。就实际而言，不同的应用对单片机功能和资源的需求也是不同的。比如，一个摩托车的点火器需要一个I/O较少、RAM及程序存储空间不大、可靠性较高的小型单片机，若采用40脚且功能强大的单片机，投资大不说，使用起来也不方便。PIC系列从低到高有几十个

40、型号，可以满足各种需要。 图3-1 PIC16F877A芯片(2) 精简指令使其执行效率大为提高。PIC系列8位CMOS单片机具有独特的RISC结构，数据总线和指令总线分离的哈佛总线（Harvard）结构，使指令具有单字长的特性，且允许指令码的位数可多于8位的数据位数，这与传统的采用CISC结构的8位单片机相比，可以达到2:1的代码压缩，速度提高4倍。 (3) 产品上市零等待（Zero time to market）。采用PIC的低价OTP型芯片，可使单片机在其应用程序开发完成后立刻使该产品上市。 (4) PIC有优越开发环境。OTP单片机开发系统的实时性是一个重要的指标，象普通51单片机的开

41、发系统大都采用高档型号仿真低档型号，其实时性不尽理想。PIC在推出一款新型号的同时推出相应的仿真芯片，所有的开发系统由专用的仿真芯片支持，实时性非常好。 (5) 其引脚具有防瞬态能力,通过限流电阻可以接至220V交流电源,可直接与继电器控制电路相连,无须光电耦合器隔离，给应用带来极大方便。 (6) 彻底的保密性。PIC以保密熔丝来保护代码，用户在烧入代码后熔断熔丝，别人再也无法读出，除非恢复熔丝。目前，PIC采用熔丝深埋工艺，恢复熔丝的可能性极小。 (7)自带看门狗定时器，可以用来提高程序运行的可靠性。 (8) 睡眠和低功耗模式。虽然PIC在这方面已不能与新型的TIMSP430相比，但在大多数

42、应用场合还是能满足需要的。3.1.2 PIC16F877A的硬件结构PIC16F877A的内部功能方框图如图3-1所示。图3-2 PIC16F877A内部功能方框图由图3-2，易知PIC16F877A可分为三部分：核心区、存储器、外围区。PIC内核是PIC的核心，它负担数据的运算、信号的处理任务。它包括工作寄存器、算术逻辑ALU、状态寄存器STATUS等。存储器包括了8K14的Flash的程序存储器、512字节RAM和8K的ROM。外围区是指PIC芯片中集成的除内核以外的功能模块，习惯上称之为外设。它包括A/D转换器、定时器模块、捕捉/比较/脉宽调制CCP1和CCP2模块、IO端口模块等。本设

43、计中主要借助于PIC16F877A的PWM模块实现转速和电流的双闭环调速，所以以下特别介绍下PIC16F877A的PWM模块。3.1.3 PWM模块介绍及其使用PIC16F877A的捕捉/比较/脉宽调制CCP(Capture/Compare/PWM)模块包含一个16位的可读可写的寄存器，这个寄存器既作为16位的输入捕捉寄存器，又作为16位的输出比较寄存器，还可以作为脉宽调制PWM输出信号的占空比设置寄存器。CCP1和CPP2两个模块的结构、功能以及操作方法基本完全一样，区别在于各自有独立的外接引脚分别为RC1和RC2，有自己独立的16位寄存器CCPR1和CCPR2，并且寄存器的地址也不相同；最

44、重要的是只有CCP2模块可以被用于触发启动模/数转换器（ADC）。当CCP工作于PWM模式时，RC1或者是RC2的输出分辨率最高可以达到10位的PWM信号波形。CCP的引脚和RC端口的引脚是复用的，所以使用前必须事先配置好TRISC寄存器，将引脚设置成输出状态。PWM信号的周期取决于寄存器PR2的写入数值。周期的计算公式如下： （3-1）其中，为系统时钟周期，为指令周期，的值可以是1、4、16。在时基定时器TMR2不断递增的过程中，8位比较器也不停地把TMR2的内容与设定好的PR2数值进行比较。当它们相等的时候且下次增量发生时，进行以下操作：(1) TMR2定时器复位清0(2) CCP对应的引

45、脚输出变高(3) PWM信号的脉宽值重新装载。 PWM输出信号的脉宽，取决于写入10位脉宽寄存器的脉宽预定值，分辨率高达10位，8位寄存器CCPRXL(X为1或2)作为高8位；CCPXCON(X为1或2)控制寄存器的4和5位作为低两位。PWM信号的脉宽计算公式如下： （3-2） 其中，代表由两个寄存器拼装组合得到的10位数据，为系统时钟周期， 的值可以是1、4、16。在时基定时器TMR2不断递增的过程中，8位比较器也不停地把TMR2的内容与设定好的10位数值进行比较，当它们相等的时候，CCP对应的引脚输出低电平，一直等到TMR2增量到与PR2内容匹配时，这10位脉宽值才会被装载到从属脉宽寄存器

46、里。3.2人机界面电路人机界面的输出采用PCD8544 ，48 × 84 点矩阵 LCD，用于显示电机的转速，工作参数等。PCD8544 是一块低功耗的CMOS LCD控制驱动器，设计为驱动48 行84 列的图形显示。所有必须的显示功能集成在一块芯片上，包括LCD 电压及偏置电压发生器，只须很少外部元件且功耗小。PCD8544 与微控制器的接口使用串行总线。图3-3人机界面PCD8544电路图人机界面的输入采用两位键盘输入方式和A/D，分别定义为电机正转输入信号和电机反转输入,A/D用于设定电机转速。图3-4人机界面AD转换电路图图3-5键盘输入电路3.3基于IR2132的驱动电路I

47、R2132是一种高压、高速度的功率MOSFET和IGBT驱动器，外围电路中的电流检测电位器提供全桥电流的模拟反馈值。如果超出设定或调整参考电流值，IR2132驱动器的内部电流保护电路就启动，关断输出通道，实现过流保护。IR2132芯片内部有电流比较电路，可进行电机比较电流的设定。设定值可以作为软件保护电路的参考值，使电机能适用于不同功率的电机控制。图3-6 IR2132驱动主电路PIC单片机的六路开关信号经过光耦隔离后，与驱动器IR2132的2、3、4、5、6、7脚连接，驱动器IR2132接收的开关信号与PIC单片机输出的开关信号同相。本设计中IR2132的FAULT引脚，经过光耦隔离后，直接

48、接入PIC16F877A引脚用于采集故障信号。整个驱动电路只需要外接+15V电源和直流无刷电机所需的电源。整个驱动电路的保护功能有驱动器IR2132来实现。驱动电路的保护电路主要有两部分：自保护电路和过电流欠电压保护电路。外围电路中的电流检测电阻通过引脚Vso的设定值与流入CA-引脚的电流在反馈电阻上产生的电压相比较，如果超出设定值或调整的Vso参考值，IR2132驱动器的内部电流保护电路启动，关断输出通道，实现电流保护的作用，驱动电路上的D1点亮。IR2132芯片内部也有硬件保护电路。如果负载或驱动电路出现过流或欠压的情况，IR2132驱动器的FAULT引脚会输出制动信号，通常这个输出信号连

49、接到PIC单片机外部引脚上用于故障信号的采集。3.4全桥驱动电路本设计中的全桥驱动电路图如图2-5中所示，开关管Q1-Q6是N沟道MOSFET功率管，驱动信号是高电平时管子导通。PIC单片机采集3个位置传感器的输入信号，经过查表输出6路控制信号控制这些开关管的导通和截至，其控制方式有2种：二二导通方式和三三导通方式。3.4.1二二导通方式二二导通方式是每次只使2个开关管同时导通。开关管的导通顺序为：Q1、Q4Q1、Q6Q3、Q6Q3、Q2Q5、Q2Q5、Q4一共有六种导通状态，每隔60°改变一次导通的状态，每改变一次状态变换一个开关管，每个开关管导通120°。三相全桥星形联

50、结二二导通方式和三相半桥式驱动方式相比较，合成的转矩大小增加了倍，每隔60°的空间分布，每个开关管导通120°，每相绕组通电240°，绕组的利用率增加了，转矩的波动大大减小了。3.4.2三三导通方式三三导通方式指的是每次有3个开关管同时工作在导通状态，开关管的导通顺序为：Q1、Q3、Q6Q3、Q2、Q6Q2、Q3、Q5Q2、Q4、Q5Q1、Q4、Q5Q1、Q4、Q6。三三导通方式也有6种导通状态，同样也是导通60°改变一次导通状态。每改变一次状态更换一个开关管，但是每个开关管导通180°，导通时间增加了。3.5位置传感器电路图3-7霍尔位置传感

51、器接线图霍尔式位置传感器的工作原理前面已经介绍过了，在此就不重复了。本设计中共有A、B、C三个位置信号传感器，图3-7是A相的位置传感器处理电路，PIC通过三个位置传感器采集回来的位置信号，经过逻辑变换后输出对应的六路开关信号，通过这种方式来实现电子换相。3.6 PWM调速电路 由于PIC16F877单片机只有两路PWM输出，显然满足不了调速所需的3路PWM信号，为了解决这个问题，本设计共设计了两种方案：方案一：采用了与非门芯片74LS00和三极管开关电路实现一路PWM控制三路上桥臂驱动信号的逻辑变换，图3-8为PWM调速电路。图3-8 PWM调速电路图方案二：利用软件编程实现与门功能，设置电

52、平变换中断在中断中实现PWM调制实现调速功能。方案一的优点是减轻了PIC单片机的负担，但是由于增加了外部级联电路增加了成本也降低了系统的稳定性。方案二增加了单片机的运算负担，但是减少了硬件电路提高了系统了稳定性。对于一个控制系统而言，系统的稳定性至关重要，所以本设计最终采用方案二。图3-9 系统硬件框图第四章 控制系统的软件设计4.1编程与调试环境MPLAB IDE简介MPLAB IDE 是一种在 PC 机上运行的软件，用来为Microchip 单片机开发应用程序。由于它提供了一种单一的集成环境来为嵌入式单片机开发程序代码，因此被称为集成开发环境或 IDE。其基本的界面如图4-1所示，有关MP

53、LAB IDE详细使用方法，可以参考文献12。图4-1 MPLAB IDE界面4.2基于PIC16F877A直流无刷电机启动和转动的实现。本设计中的无刷电机采用的是三相星形联结，其控制方式有2种：二二导通和三三导通方式。本设计采用二二导通方式，RB6 、RB5、 RB4作为A、B、C三相霍尔位置传感器的输入端口，RC7、RC6、RC5、RC4、RC3、RC2分别作为A相上、下桥臂，B相上、下桥臂， C相上、下桥臂的控制端口，程序首先检测三相霍尔位置信号的输入判断电机转子的位置，然后查表找到对应的6路控制信号输出，三路位置信号采用电平变化中断方式，当三个中有一个电平发生变化时，进入中断服务子程序

54、根据当前的位置信号进行换相，由于IR2132在输出驱动信号时有自带死区可以保证MOSFET有效关断和开通，所以程序不在额外多加死区时间。图4-2 电机启动和转动主程序流程图 图4-3 电机启动和转动中断程序流程图4.3直流无刷电机正反转的实现对于直流无刷电机，虽然实现电动机的反转的原理和普通直流电动机一样（即只要改变励磁磁场的极性或改变电枢电流的方向）；但是由于开关管的单向导通性，因此做起来就不像普通的直流电动机那样简单。下面以三相半桥驱动为例，介绍直流无刷电机的正反转方法。 (A) 正转 (B）反转图4-4 A相通电时转子在正、反转中受转矩最大位置图4-4（A）、(B)分别表示A相通电时，电

55、动机的转子在正、反转中受转矩最大位置。我们可以比较下它们的区别：第一，在同样是A相通电，并且电流方向不变的情况下，两者的转子位置相差180°，这说明位置传感器的输出信号不能直接去控制电动机的反转；第二，由图可见，如果正转的通电顺序是A-B-C，则反转的通电顺序应为C-B-A13。本设计采用的是三相星形联结全桥驱动的方式，由上面的直流无刷电机正反转原理可知，只要改变开关管的通电顺序就可以实现电动机的正反转。 表4-1 霍尔位置信号与换相的对应关系AHBHCH正转通电顺序反转通电顺序101A+、B-B+、A-001A+、C-C+、A-011B+、C-C+、B-010B+、A-A+、B-110C+、A-A+、C-100C+、B-B+、C-表中AH、BH、CH分别代表A、B、C三相绕组对应的霍尔位置传感器。直流无刷电机的回馈制动，图4-5 电机正反转主程序流程图图4-6 电机正反转中断程序流程图4.4直流无刷电机测速的实现。直流无刷电机速度的检测主要借助于三路霍尔位置信号，我们都知道当电机只有一个磁极时，一个机械转有6次换相，也就是说转子每转