直流无刷电机

1、毕 业 论 文题目：基于ARM技术的无刷直流 电机控制器软件设计院（系） 计算机科学与信息工程学院 专业年级 测控技术与仪器 学生姓名 程 楠 学号 2005134202 指导教师 李昔华 职称 讲 师 日 期 基于ARM技术的无刷直流电机控制器软件设计重庆工商大学 测控技术与仪器 2005级2班 程楠指导教师 李昔华目 录中文摘要：3Abstract：3第一章绪论41.1直流无刷电动机的应用和发展现状41.2 课题的研究内容和意义4第二章 直流无刷电动机工作原理52.1 直流无刷电动机基本组成52.2 基本工作原理6第三章 控制系统的硬件设计73.1 系统总体结构73.2 以ARM芯片LPC

2、2210为核心的控制单元设计73.3 主电路以及驱动单元设计83.4 母线电压及母线电流检测单元设计93.5 转子位置检测单元设计103.6 故障检测和保护单元设计11第四章 系统的软件设计114.1 ARM软件介绍114.2 控制算法124.2.1 PI控制算法124.2.2 数字PI调节的程序实现124.3 系统软件总体结构及设计134.3.1 系统软件总体结构13主程序设计144.3.3 中断程序设计164.5 系统软件的调试19结 论20参考文献21中文摘要：本文对直流无刷电动机的基本组成环节、基本工作原理作了详细的介绍，分析了直流无刷电动机的换相过程和PWM信号的分配情况，然后介绍了

3、ARM LPC2210芯片的具体特点。在此基础上，提出了基于ARM技术的有位置传感器控制方案，并且根据方案进行了硬件电路和系统软件的设计与调试。针对直流无刷电动机的控制特点，充分利用了ARM芯片的硬件资源，设计了以LPC2210为核心的控制系统，并设计了相应的外围硬件检测、保护电路，使控制系统结构紧凑、可靠性高；系统的控制软件设计，采用模块化的程序设计方法，增强了系统的可读性及可维护性，实现了一种PWM调速控制系统，并结合系统的硬件设计，开发了相应的故障保护软件模块，使系统具有较完善的保护和控制性能。最后，对实际系统的整体调试以及调试中出现的问题作了简要论述。关键词：直流无刷电动机 PWM A

4、RMAbstract：The paper introduces the basic component parts, the basic running principle, analyses the course of changing phase and distributing of PWM signal. Followed, it introduces the development and application of ARM technique, and the characteristic of chip LPC2210. Based on these facts, it pre

5、sents the sensor solution for BLDC motor, designs the hardware system and software system. It designs the control system with ARM chip-LPC2210 as the center, and detector circuit, protection circuit, based on the research in brushless DC motor. The design makes full use of the hardware resources of

6、chip LPC2210 for high reliability and simplified the construction of system. In order to read and maintain easy, a microprogramming modular is adopted in system software design. A new control strategy of voltage and current PWM is realized for improving motor's working efficiency. System softwar

7、e modules associating the hardware circuit make system more perfect performance of protection and control.In the end, the paper discusses the system debugging and some problem occurred during it. Then we observe parameters of actual system using digital oscillograph and give a conclusion. In fact, t

8、he control system work well as it was expected.Key Words：Brushless DC Motors；PWM；ARM第一章 绪 论1.1 直流无刷电动机的应用和发展现状 一个多世纪以来，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中。其主要类型有同步电动机、异步电动机、直流电动机。由于传统的直流电动机采用电刷以机械方法进行换向，由此带来了噪声、火花、电磁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，从而大大限制了它的应用范围。 近年来，随着半导体大功率MOSFET、IGBT等元器件的发展，各种

9、专用集成电路不断出现，特别是单片机控制技术的越来越普及，使电动机产品不断推陈出新，一种以电子换相取代机械换相的直流电动机一直流无刷电动机应运而生，它既具备交流电动机结构简单、运行可靠、维修方便等优点，又具备直流电动机的运行特性，故在仪表、家电、计算机、电动助力车中得到了广泛应用。直流无刷电动机因其电枢绕组驱动电流形状的不同而分为两种类型:一种是方波永磁同步电动机，其电枢驱动电流为方波(梯形波)，通常被称为无刷直流电机(Brushless DC Motor-BLDCM);另一种是正弦波永磁同步电动机，其电枢驱动电流为正弦波，常称为无刷同步电机(Permanent Magnet Synchrono

10、us Motor-PMSM)。与PMSM相比，BLDCM具有明显的优越性，反馈装置更简单，功率密度更高，输出转矩更大，控制结构更为简单，使电机和逆变器各自的潜力得到充分的发挥。因此，直流无刷电机的应用和研究受到了广泛的重视，凭其技术优势在许多场合取代了其它种类的电动机。1.2 课题的研究内容和意义 一般来说，船舶电力推进系统对电机选择的主要标准有效率、重量和体积、噪音和振动、电磁兼容性(EMV)、可靠性、故障排除以及造价等。作战舰艇的战术性能要求电力推进系统具有以下特性:功率足够大，调速范围足够宽，以保证舰艇在水面、半潜和水下航行时的各种航速;推进系统动态性能好，以保证舰艇良好的机动性和灵活性

11、;可靠性高，以保证舰艇具有很强的作战强度和生命力效率高，以节省有限能源，保证舰艇具有较好的续航能力和持久作战能力;体积小、重量轻，以节省舰艇内部有限空间，减小舰艇自身体积和重量;使用维修方便。 由于直流电机调速系统有比较理想的转速调节性能和转矩控制能力，而且具有高效、高可靠性等优点，所以长期以来在电力推进领域中占据统治地位。前面已经介绍了直流无刷电动机按照电枢绕组感应电动势的波形，可分为永磁同步电动机和无刷直流电动机。永磁同步电动机其调速系统一般需要进行矢量变换和PWM运算，控制较为复杂，系统成本相对较高;而直流无刷电动机则具有控制简单，成本较低等优点，尤其是低速堵转转矩较大的特点，非常适合船

12、舶电力推进系统的应用。 鉴于上述情况，本文选择控制系统设计作为研究和设计内容，通过对无刷直流电动机控制特点的研究，设计并制作基于ARM技术的大功率直流无刷电动机控制系统，并在此基础上进行永磁电力推进系统的研究。这些问题的深入研究，对促进永磁同步电动机控制理论的发展，以及全船电力推进系统的研究和工程开发、远程通信工程开发及复杂控制将具有重要指导作用。对我国造船事业、海洋开发和海军的发展，缩小与世界先进水平的差距具有重要意义。第二章 直流无刷电动机工作原理直流无刷电动机是近几十年来随着电力电子技术的迅速发展而逐渐得到广泛应用的一种新型电动机，其基本工作原理是控制电路根据反映转子位置的位置信号，产生

13、相应的驱动信号来驱动逆变电路的功率开关元件，使电枢绕组依一定顺序导通，从而在电机气隙中产生旋转磁场，而定转子磁场相互作用，使电机永磁转子也随之转动。随着转子的转动，转子位置信号依一定规律变化，从而电枢绕组的通电状态改变，实现直流无刷电动机的机电能量转换。2.1 直流无刷电动机基本组成 直流无刷电动机的结构如图2.1所示。它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。2.2 基本工作原理 一般的永磁式直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要的作用是在电动机气隙中产生磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。由于电刷的换向作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持相互垂直，从而产

14、生最大转矩而驱动电动机不停地运转。 直流无刷电动机为了实现无电刷换向，首先要求把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上。这与传统直流永磁电动机的结构刚好相反。但仅这样做还是不行的，因为用一般直流电源给定子上各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子转动。所以，直流无刷电动机除了由定子和转子组成电动机的本体以外，还要有由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同构成的换向装置，使得直流无刷电动机在运行过程中定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁钢产生的永磁磁场，在空间始终保持在(n/2)rad左右的电角度。从而使电机

15、能不停的运转。第三章 控制系统的硬件设计3.1 系统总体结构直流无刷电动机的控制系统结构如图3.1所示，总体上分为六个部分，即以ARM芯片LPC2210为核心的控制电路及键盘、显示等附属电路；主电路；驱动电路;转子位置及转速检测；母线电压、母线电流检测；故障信号检测。图3.1 控制系统结构简图3.2 以ARM芯片LPC2210为核心的控制单元设计该部分主要由LPC2210芯片和其他附属电路组成，主要附属电路包括电源、存储器、键盘、显示电路等。由于是首次运用ARM芯片进行系统开发，缺少调试经验，所以在这部分的设计上，采用了在周立功公司提供的EasyARM2200开发平台上直接开发的办法，既节约了

16、时间又提高了系统的可靠性。3.3 主电路以及驱动单元设计在主电路供电的设计上，由于电机的控制系统主要是为电机提供电力变换的手段，它是根据电机的应用场合而确定的，而电机的应用场合主要制约了动力能源的提供方式，例如在潜艇上的动力设备，它的能源供应不是单一的，当水面运动时，可以采用柴油机或者核反应堆发电，然后采用逆变方式提供直流电源;当水下运动时，主要靠直流蓄电池供电。但不管是哪一种模式，对于控制系统的主电源来说，主要是直流供电。本系统的直流电源为300V，采用整流方式获得。考虑到系统的安全性，在交流进线侧串入一个隔离变压器，起到电气隔离的作用。 系统主电路如图3.2所示。图3.2 系统主电路 整流

17、输出端采用两个4700µ/450V的电容滤波，每个电容并联一个56k/7W的功率电阻。功率电阻起到均压的作用，使得两个电容所加电压相等。在图3.3所示驱动电路中，有两处设计在此需提出：一是工GBT的栅极保护设计；二是驱动芯片EXB841的6脚(集电极电压监测端)输出串接一个稳压管和二极管接到工GBT集电极。图3.3 驱动电路3.4 母线电压及母线电流检测单元设计如图3.4所示。其中，母线电流的检测环节还加入了与参考值比较环节，输出的信号MIBACK也可作为外部中断判断故障信号的依据。图3.4 电压、电流检测单元3.5 转子位置检测单元设计本系统采用的无刷直流电动机的有位置传感器控制方

18、式，通过对霍尔集成电路位置传感器信号的判断，来进行相应的换向控制。具体实现如图3.5所示。图3.5 转子位置检测电路3.6 故障检测和保护单元设计 故障检测和系统保护单元是整个电动机控制系统设计中重要内容之一，它对于提高系统可靠性，延长使用装置寿命有很重要的作用。一个实用的调速系统在实际使用过程中，由于外界因素的干扰，或者内部环节之间的不匹配，都有可能发生故障。所以必须设置故障检测和保护环节，当出现异常情况时，及时检测并封锁系统输出，或切断主回路电源，使系统停止运行，以保证开关元件不受损坏。本系统设置了位置传感器信号故障、过压、过流等保护环节。 图3.6所示的是用外部中断进行的过流故障保护单元

19、的硬件设计，用于监测母线电流过流和工GBT内部过流。图3.6 外部中断故障保护电路单元第四章 系统的软件设计 控制系统要正常工作仅有硬件部分是不够的，还需要软件部分的配合，才能构成一个完整的控制系统。系统软件的功能是操控硬件电路，使各部分按设计的功能进行运作，从而使整个系统表现出设计时定义的运动规律和动、静态特性。4.1 ARM软件介绍 ADS集成开发环境是ARM公司推出的ARM核微控制器集成开发工具，英文全称为ARM Developer Suite，支持软件调试及JTAG硬件仿真调试，支持汇编、C、C+源程序，具有编译效率高、系统库功能强等特点，可以在Windows98，Windows XP

20、，Windows2000以及RedHat Linux上运行。本系统程序调试采用的是Keil公司生产的Keil µ，Vision 3调试器。4.2 控制算法4.2.1 PI控制算法课题采用数字PI控制算法，对斩波电流和PWM占空比的进行自动调节，实现直流无刷电机闭环控制。PI控制的原理是根据给定值与实际输出值之间的偏差E (t)来进行控制的，将偏差比例(P)和积分(I)通过线性组合构成PI调节器，对受控对象进行控制。 （4-1）式中:u(k)P工调节器的第k次输出值；u(k-1)PI调节器的第k-1,次输出值；e(k)第k次采样时，给定量与反馈量之间的偏差；e(k-1)第k-1次采样时

21、，给定量与反馈量之间的偏差； e(k)=e(k)-e(k-1)。这就是PI控制算法的全量输出数字化形式，也就是数字化PI调节器的全量表达式。 在微机控制系统中，按式(4-1)编程即可实现数字化的PI调节功能，使系统获得良好的静态与动态性能。当然，式(4-1)中的Kp,K；等系数一般需在系统调试中加以修正，才能使实际系统获得满意的结果。课题设计时采用位置式和增量式相结合的算法，即比例部分采用位置式算法，积分部分采用增量式算法，结果为全量位置式输出。 数字PI调节的程序实现 数字PI调节子程序在A/D采样中断中调用，用于电流环和转速环的PI调节。本软件对电流环和速度环的PI调节采用相同的计算方法(

22、如节)，所以采用的流程图基本一样，仅给出电流环的PI调节子程序流程图，如图4.1所示。图4.1 PI调节子程序流程图4.3 系统软件总体结构及设计 系统软件总体结构按照程序执行方式不同，控制系统软件主要由主程序和中断子程序两部分构成。主程序主要完成系统初始化和双闭环PI参数设定，电机转速计算、起停控制等功能。中断子程序主要实现捕获中断、A/D中断、外部中断故障保护的功能。而从ARM编程的整体结构上来分，控制系统软件则分为两部分:启动代码和用户代码。启动代码在芯片复位后进入C语言的main()函数之前执行，主要为运行C语言程序提供基本的运行环境。用户代码则是用户根据设计系统的功能要求，一般用C语

23、言编写的主程序和子程序，即main（)函数和main（)函数中调用的子程序。主程序设计 主程序的控制流程图如图4.2所示。由流程图可以看出，主程序主要包括初始化、起停键值检测与处理、转速计算等几个主要部分。其中，各功能子程序在主程序中循环调用。图4.2 主程序流程图.1 初始化 软件程序开始执行后，经过两个初始化部分。第一个初始化部分指的是ARM软件编程中的启动代码部分，第二部分是指主函数main（)中的参数初始化部分。 本系统控制软件的采用是LPC2200专用工程模板编写，启动代码及相关编译参数设置是自动加入的，再根据系统的需要进行相应的修改即可。启动代码分为三个文件:startup.s，i

24、rq.s和target.c。其中startup.s包含异常向量表和系统初始化代码，还保存了C语言使用的堆栈的开始位置。target.c包含目标板特殊的代码，包括异常处理程序和目标初始化程序。irq.s包含了中断嵌套使用的堆栈处理代码。这样分开编写的优势在于可以尽量减少汇编代码，可以把不需要修改的代码独立出来，以减少错误的改动，并且可利用编译器的分散加载功能灵活定位变量地址。 在本系统的软件设计中，模板中的启动代码只需修改一处。启动代码文件startup.s的初始化CPU堆栈程序中，设置系统模式堆栈部分，将程序状态寄存器(CPSR)设置为快速中断(FIQ)和向量中断(IRQ)都允许的状态。快速中

25、断用于换向控制，A/D中断和外部中断故障保护用向量中断。 第二部分的初始化是在main（)函数中，主要是对系统软件中用到的定时器、脉宽调制器、中断以及一些变量和标志位进行初始化。具体设置内容为: .定时器0设置为50µs定时并产生中断，定时器1设置为上升沿和下降沿捕获并产生中断； .设置脉宽调制器PWM2，PWM4，PWM6为双边沿控制模式，将初始占空比设定为0，并设置PWM定时器的定时/计数值； .设置外部中断1(EINT1)和定时器0中断分别为向量中断0和向量中断1，定时器1的捕获中断设置为快速中断(FIQ)；.将软件中用到的一些变量如启动/停止标志位、故障标志位、键值、计数值等

26、复位。.2 起停键值检测与处理这部分程序实现的功能是在按下电机启动按键前，使电机处于停止状态，六路驱动信号全部关断，只开I2C显示中断。按下电机启动键，电机启动，开所有中断。按下电机停止键，如果此时电机在正常运行状态，电机停止，关断所有中断；如果电机在故障状态，则清故障标志位。.3 转速计算 在本系统中，双闭环中速度环和速度反馈没有借助任何测速电路或者速度传感器，只是根据位置传感器的信号的变化，完全由软件程序通过计算实现。在程序中设置一个软件计时器，记录电机旋转一周所用的时间(设此时间为T)，据此时间由程序计算得到转速反馈值，计算公式为:n=1/T (4-2)式(4-2)中的“1”代表电机旋转

27、一周，则“n”的单位为r/min（转/分)。本文所研究无刷直流电机系统中的电机本体是一台三相四极电机，电机旋转一周定时器1捕获24个上升沿和下降沿，即四个换相周期。为了提高转速计算的精度，电机每转动1/4周计算转速一次，即当程序完成一个换相周期时，将此时软件计时器累加记录的时间记为t, T=4t，然后根据式(4-2)计算即可得到电机现在的转速。 中断程序设计本系统中用到了三个中断，定时器1的捕获中断、定时器0的定时中断和外部中断1。其中，定时器1的捕获中断用于位置传感器信号跳变的捕获和换向控制。由于电机的换向控制对电机控制系统来说是应该优先保证的，否则会出现漏判信号的变化，导致导通相错误、上下

28、桥臂功率管直通的电机故障，所以将定时器1的捕获中断分配为快速中断(FIQ)，快速中断可以在程序执行到任何地方得到响应，从而保证电机换向正常。其他两个中断分配为向量中断，外部中断1用于电机的故障保护，定时器0的定时中断用于电压、电流的A/D采样。下面就从流程图的角度，详细分析三个中断子程序。.1 位置捕获中断图4.3 位置捕获中断换向子程序流程图从图4.3可以看出，在位置捕获中断子程序中要完成以下几个工作: 1.记录转速计算中需要的时间t。在程序中的实现方法是每进入捕获中断六次，将定时器的时间值记录为t，并复位，而捕获中断的次数则用一个临时寄存器记录，每进一次捕获中断，寄存器内的计数值加1。2.

29、根据位置信号的状态，生成驱动信号。在程序中的实现方法是，读取GP工0引脚值寄存器IOIPIN中P0.27,P0.29,P0.30的值，再查表，进入相应的驱动信号生成程序。3.在生成驱动信号之前，判断位置传感器信号是否正确。在程序中的实现方法是，设置六个工作状态的换向正确标志位。在进入相应的驱动信号生成程序后，先判断前次换向正确标志位是否为1，若正确则进行换向，并置本次换向正确标志位;若错误则置电机换向错误标志位，并关断所有驱动信号。4.3.3.2 A/D采样A/D采样主要完成母线电压和母线电流的采样，电压和电流值用于超限故障保护。母线电流值同时作为双闭环控制系统中，电流环的反馈值i。A/D采样

30、中断每经过50µs产生一次，每进入一次刷新一次电流环的输出，而速度环调节和刷新周期的控制通过软件计数来实现。软件控制每进行40次加1计数就可以得到2ms的定时，从而实现每隔2ms就对速度环进行调节，更新指令电流。图4.4 A/D中断子程序流程图.3 外部中断本系统中使用的外部中断(EINT 1)主要是用于协助处理电机故障的。它可以处理母线电流超限故障和IGBT内部过流故障。母线电流超限故障一方面通过A/D采样软件检测，另一方面通过硬件电路输出端MIBACK检测，如图3.7所示。而IGBT内部过流故障通过驱动芯片EXB841的过流保护输出端检测。当这两个故障输出端有故障信号输出时，EI

31、NT1端跳变为低电平，LPC2210检测到EINT1拉低后，进入故障处理程序，关断所有驱动信号，紧急停机。4.5 系统软件的调试本系统的软件调试分为两部分进行，首先进行软件仿真调试，然后再在硬件上调试。在这个过程中，调试软件KEIL µ vision3提供的强大的软件仿真调试功能在检验程序方面起了很大的作用，它可以软件设置输入信号，并可以通过直观的图表反映出输出信号的变化。例如，本系统中最重要的电机的换向程序，用软件仿真可以直观地检验出换向是否正确;此外，故障保护中用到的外部中断也可以通过软件仿真得到检验。验证换向程序的软件仿真界面如图4.5所示。图4.5 换向程序软件仿真界面在图4

32、.5中，前六路信号分别模拟的是功率管VT2、VT4、VT6、VT1、VT3、VT5的驱动信号，后四路信号分别模拟的是位置传感器信号HA、HB、HC以及外部中断信号EINT1。图4.5左侧Toolbox窗口内的按钮用于仿真外部输入信号，如在程序运行过程中按下按钮1(EINTl Pulse)，相当于硬件接收到外部中断端口EINT1的一个外部中断信号；按下按钮6(zhuangdongl)，相当于电机转过360°电角度，芯片捕获到位置信号的六个跳变沿。 程序通过软件仿真后，程序逻辑实现基本正确，然后进入硬件调试阶段。在硬件调试中，先不连接主电路，检验硬件接收和发出的信号是否正确，主要是检验换

33、向是否正确、保护是否起作用。换向的检验方法是转动直流无刷电动机，用示波器检测各个功率管驱动信号是否正确；故障保护的检验则通过外加模拟故障信号实现。 在验证驱动及各项保护措施可以正常工作后，再连上主电路进行电机调试。初期调试主电路电压控制在100V内，电机绕组电流限制在2A内，初期调试正常后再逐步增大电压和电机电流。结 论课题设计到此为止，通过论文的分析可以看出，基于ARM的数字控制系统能够以较小的系统投入解决直流无刷电动机的控制问题，控制功能较强。在有位置传感器反馈的闭环状态下，电机可以按照给定的斜率跟踪给定速度，换相准确，系统主回路和控制回路工作正常，散热良好。研究中得出LPC2210芯片很

34、好地解决了系统中的PWM生成以及控制问题，使系统的硬件得到极大简化，提高了系统的可靠性。它执行指令的高速性，极大地提高了系统的实时性和控制精度，使得一些复杂的算法得以实现，为今后采用复杂的控制算法提供了一种可行的解决方案。永磁直流无刷电动机用于潜艇电力推进系统有许多突出优点，非常适用于对重量、尺寸、效率、噪声、振动特性、可靠性、电磁兼容都有较高要求的应用场合。以ARM芯片LPC2210为控制核心的直流无刷电机控制系统是完全可行的。ARM处理器凭借着较强的数据处理能力和丰富的外围，尤其是高速捕获单元、脉宽调制等模块，非常适用于直流无刷电机控制这样的实时应用中。它组成控制器反应速度快，代码量少，在直流无刷电机等控制过程不很复杂，但对于实时性要求较高的场合，有比较好的特性。LPC2210芯片很好地解决了系统中的PWM生成以及控制问题，使系统的硬件得到极大简化，提高了系统的可靠性。它执行指令的高速性，极大地提高了系统的实时性和控制精度，使得一些复杂的算法得以实现，为今后采用复杂的控制算法提供了一种可行的解决方案。课题采用数字PI和数字PWM控制，省去了体积庞大、电路复杂的模拟PI调节和PWM等模拟电路，使得改变控制系统特性变得更加容易，通过修改控制程序的特定参数就可以获得多种不同的调速性能，很容易智能化。课题设计的系统尚存在一些不足之处，主要