基于MC9s12DG128无刷直流电机控制设计

PAGEII目录摘要……………..……..ⅠAbstract……………..…II1绪论 ………………….………………..11.1课题研究的背景和意义 ………11.2直流无刷电机的研究现状 ………...11.3主要内容 …………...22无刷直流电动机结构和原理 ………...42.1无刷直流电动机基本结构………...42.1.1电动机本体………………………42.1.2位置传感器………………………52.1.3电子换向电路……………………62.2无刷直流电动机的原理与运行特性……………...62.2.1无刷直流电动机的工作原理……………………62.2.2系统方程式………………………92.2.3运行特性分析………………...………………...103无刷直流电动机控制方法…………………….…...143.1直流无刷电机控制分类 ………….143.1.1三相半桥电路…………………..143.1.2三相Y连接全控电路…………..143.2直流无刷电机的正反转控制…………………….153.3直流无刷电机的双闭环控制...…………………..164直流无刷电机控制系统硬件设计………………174.1系统硬件设计…………………….174.2逆变主电路设计………………….184.2.1功率开关主电路………………..184.2.2逆变开关元件选择和计算……………………184.3逆变开关管驱动电路设计……….194.3.1IR2110功能介绍……………...194.3.2驱动电路设计…………………214.4控制单元………….224.4.1飞思卡尔单片机的简介………...224.4.2位置信号检测…………………..244.4.3速度检测………………………..254.5电检测与保护电路………………..254.6键盘与速度设定电路 ……………..265系统软件设计………………………275.1直流无刷电机控制程序的设计概况……………275.2主程序设计………………………..275.3子程序设计………………………..285.3.1脉冲捕捉中断子程序…………...285.3.2A／D转换完成中断子程序………………….285.3.3PI调节子程序………………...296结论………………..30总结与体会……………31谢辞…………………..32【参考文献】…………33附录1…………………….……………36附录2……………………..…………...37PAGE33基于飞思卡尔的无刷直流电动机驱动控制系统设计摘要电动机作为机电能量转换的主要装置，其主要类型有直流电动机、异步电动机和同步电动机三种。由于传统的直流电动电动机使用电刷以机械方法换相，因而存在相对的机械摩擦，带来了一系列的问题，从而大大限制了它的应用。本文利用飞思卡尔但单片机对直流无刷电机的控制系统进行了研究，主要做了以下几个方面的工作。设计直流无刷电机控制器的硬件电路，包括电源电路、电流检测电路、电压检测电路、位置检测电路、驱动电路、飞思卡尔外围电路。研究直流无刷电机的电动运行的控制方法，在此基础上完成了软件设计。软件设计主要包括：换相控制程序、电流和电压采集程序、PWM占空比重载程序、转速计算程序、转速和电流双闭环调节程序和键盘程序等。通过实验，验证硬件电路的可行性，根据控制要求修改软件设计，提高控制性能。关键词：直流无刷电动机；飞思卡尔单片机；软件吉林建筑工程学院电子信息科学与技术专业毕业论文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绪论1.1课题研究的背景和意义直流无刷电机是一种高性能电机，它具有效率高、可靠性好、结构简单、便于维护和体积小等优点。与直流电机相比，无刷电机没有电刷和换相器，而采用电子电路进行换相，换相时不会产生电火花，不存在机械换向损耗。与异步电机相比，无刷电机的转子与定子磁场同步旋转，因此不存在转子损耗。与同步电机相比，无刷电机控制方法简单，便于工程应用的特性，使其被广泛应用于众多领域。

直流无刷电机的控制方案有多种，如文献采用DSP作为主控制器的控制系统，文献采用FPAG控制无刷电机，文献选用MEGA8单片机控制方案。这些控制方法都能够实现电机的正反转、启停等控制，但在系统实现成本、控制精度、运行稳定性和外围电路的能源消耗等方面上却有较大的差别。使用DSP和FPAG的控制方案，系统的控制精度高、稳定性好，可以应用于工业生产中，不足之处在于成本过高，无法大量用于日常生活中。而采用MEAG8控制方案虽然成本低，与DSP、FPAG相比，系统的性能相差很大，无法满足工业生产的要求。针对上述问题，提出设计以MC9S12DG128单片机为核心的直流无刷电机控制系统。该控制系统实现成本低，而电机的控制性能上与DSP和FPGA等高端控制方案上相差不大，可以在工业生产中广泛应用。文中所选择的主控芯片有丰富A／D转换和PWM通道，适合电机的控制。为减少能源消耗和降低电路的复杂性、电路成本，提高控制系统的可靠性，同时也为了便于系统维护和功能扩展，系统硬件电路采用模块化设计的原则，每个模块电路尽可能使用集成芯片。1.2直流无刷电机的研究现状八十年代以后，随着磁性材料(尤其是高性能的稀土永磁材料)、电力电子器件和专用控制器的迅速发展，明显改善了直流无刷电动机特性的同时，目前人们又把对直流无刷电动机研究的目光转移到电子换相、稀土永磁材料以及智能控制三个方面，试图来抑制直流无刷电动机的转矩波动。在电子换相方面，主要分为对电流的控制和对转子位置的检测两个方面，对电流的控制一般采用稳频两态和电流分时反馈等技术，而对转子位置的检测，传统的方法是采用位置传感器，为了减轻系统的负担，国外的一些学者提出无位置传感器法。在永磁材料方面，人们采用了杉钻、钕铁硼等新型永磁材料。在智能控制方面，1984年，美国的通用电气公司推出了一种所谓的智能电动机，其实这种电动机是一种以微处理器作为控制芯片的直流无刷电动机。。除直流无刷电机的发展外，随着专用集成电路、微处理器、晶体管、传感器等电路原器件的发展电子换相电路、驱动电路和转子位置检测电路也迅速发展。目前，应用到直流无刷电机控制系统的控制技术主要有：1．PID控制技术PID控制是一种技术最为成熟、应用最为广泛的控制算法。传统的直流无刷电机调速通常采用PI控制，它算法简单，PID控制参数相互独立，使用时根据对象特性和负载情况可以合理选择，参数调整方便，具有较好的控制精度。2．模糊控制技术模糊控制技术是在控制方法上应用模糊集理论、模糊语言变量及模糊逻辑推理来模拟人的模糊思维方法，用计算机实现与操作者相同的控制。模糊控制技术不依赖于精确的数学模型，对参数变换不敏感，适用性强，具有很好的鲁棒性，它通过把专家的经验或手动操作人员长期积累的经验总结成若干条规则以完成的自动化和智能化的目标。3．神经网络控制技术神经网络是模拟人脑神经细胞的神经元广泛互连而成的网络。由于神经网络辨识电机参数不依赖于精确的数学模型，具有很高的控制精度，因而在模式识别、参数辨识领域中得到了广泛的应用。1.3主要内容本课题是自选研究课题，旨在研制一套基于飞思卡尔的直流无刷电机驱动系统，主要工作如下：(1)研究直流无刷电动机的运行原理和控制方式。(2)设计直流无刷电机控制器的硬件电路，包括电源电路、功率电路、电流检测电路、位置检测电路、电流斩波电路、驱动电路、飞思卡尔单片机外围电路。(3)根据直流无刷电机的控制策略，完成控制系统的软件设计。实现数据采集；跟踪转子位置，输出相通断信号至功率变换器决定对应的开关器件的开断；根据转子位置信号计算速度值；进行转速环和电流环PI调节；实现电机正反转运行等。(4)通过实验，验证硬件电路的可行性，根据控制要求修改软件设计，提高控制性能。2无刷直流电动机结构和原理本章将讨论无刷直流电动机及驱动系统的结构和工作原理，着重介绍位置传感器以及电子换向电路的组合方式和换流方式的无刷直流电动机。2.1无刷直流电动机基本结构众所周知，有刷直流电动机具有旋转的电枢和固定的磁场。因此，有刷直流电动机必须有电刷和换向器，通过它们把电流给旋转着的电枢。无刷直流电动机却与前者刚好相反，它具有旋转的磁场和固定的电枢。这样，电子换向线路中的功率开关元件，如晶体管或可控硅等直接与电枢绕组连接。电动机内还装有一个位置传感器，它与电子换向线路一起代替了有刷直流电动机的机械换向装置。综上所诉，无刷直流电动机及驱动系统是由电动机本体和驱动器构成，是一种典型的机电一体化产品。图2-1无刷直流电动机的结构简图驱动器组成：a.作为控制中枢的单片机；b作为电子换向的由IGBT或MOSFET构成的逆变桥；c.作为电压型交—直—交主电路的整流、滤波单元；d.作为人机接口的键盘和数字显示单元;e.作为控制、驱动电源的开关电源。2.1.1电动机本体电动机的本体主要是有主定子和主转子构成.主定子是电动机本体的静止部分。它是由导磁的定子铁芯、导电的电枢组及固定铁芯和绕组用的一些零部件、绝缘材料、引出部分等组成。主转子是电动机的本体转动部分，产生激磁磁场的部件。它是由三部分组成：永磁体、导磁体和支撑零部件。永磁体和导磁体是产生磁场的核心，由永磁材料和导磁材料组成。机械支撑零部件主要是指转轴、轴套和压圈等，它们起固定永磁体和导磁作用。2.1.2位置传感器位置传感器可分为接触式和无接触式两种。接触式传感器出现的较早，它的结构简单，紧凑，用于比较简单的场合。当强烈震动，高真空及腐蚀性介质中工作时，运行不可靠，甚至有危险，不能维修，不宜采用。无接触式位置传感器则能弥补上述不足。因此本次毕业设计则采用霍尔位置传感器来检测主转子的位置。（1）位置传感器的结构位置传感器核电动机的本体一样，也是静止部分和运动部分组成，即位置传感器的定子和位置传感器的转子。转动部分和电动机本体中转子同轴连接(转动部分通常由电机转子代替),固定部分与定子相连。(2)霍尔元件位置传感器工作原理霍尔元件是一种半导体器件，利用霍尔效应制成，属于磁敏感元件。霍尔元件有半导体材料做成的霍尔片(如锗霍尔片、硅霍尔片等)和化合物半导体材料做成的霍尔片(如锑化铟、砷化铟霍尔片等)两种。其基本原理叙述如下。将矩形半导体薄片置于磁场中，在薄片两侧通以电流(控制电流)，则在薄片的另外两侧会产生一个电势(霍尔电势)，这一效应就是霍尔效应。其原理图示于图2-2。利用霍尔效应产生电压输出的元件称为霍尔元件。图2-2图2-3霍尔集成电路特性曲线2.1.3电子换向电路电子换向电路的任务是将位置传感器的输出信号进行解调，预放大，功率放大，然后去触发末级功率晶体管，使电枢绕组按一定的逻辑程序馈电，保证电动机的可靠运行。2.2无刷直流电动机的原理与运行特性设计无刷直流电动机驱动控制系统时了解其工作原理，了解其换向，换流过程，这对设计有着极为重要的意义，下面将对以上内容做具体的分析。2.2.1无刷直流电动机的工作原理由于无刷直流电动机没有电刷和换向器,它的绕组里电流的通、断是通过电子换向电路及功率放大器实现的。要在电动机中产生恒定方向的电磁转矩,就应使电枢电流随磁场位置的变化图随无刷直线电动机原理示意图而变化。为实现这一点,就需要确认磁极与绕组之间的相对位置信息。一般采用位置传感器来完成,由位置传感器将转子磁极的位置信号转换成电信号,然后去驱动功率器件,控制相应绕组电流的通、断。图2-4无刷直流电动机工作原理示意图如图2-4所示，当转子旋转（顺时针）到图a所示的位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使T1、T6导通，即A、B两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经T1流入A相绕组，再从B相绕组流出，经T6回到电源的负极，此时定转子磁场相互作用，使电机的转子顺时针转动。当转子在空间转过60电角度，到达图b所示位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使T1、T2导通，A、C两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经T1流入A相绕组，再从C相绕组流出，经T2回到电源负极。此时定转子磁场相互作用，使电机的转子继续顺时针转动。转子在空间每转过60电角度，逆变器开关就发生一次切换，功率开关管的导通逻辑为T1、T6—T1、T2—T3、T2—T3、T4—T5、T4—T5、T6—T1、T6。在此期间，转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用，沿顺时针方向连续旋转。转子在空间每转过60电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁场的磁状态就发生一次跃变。可见，电机有6种磁状态，每一状态有两相导通，每相绕组的导通时间对应于转子旋转120电角度。无刷直流电动机的这种工作方式叫两相导通星型三相六状态，这是最常用的一种工作方式。无刷直流电动机的位置一般采用三个在空间上相隔120电角度的霍尔位置传感器进行检测，当位于霍尔传感器位置处的磁场极性发生变化时，传感器的输出电平将发生改变，由于三个霍尔传感器位检测元件的位置在空间上各差120电角度，因此从这三个检测元件输出端可以获得三个在时间上互差120度、宽度为180度的电平信号，分别用A、B、C来表示，如图2-5所示，以信号A为例，A相位置宽度为180电导角：在0-60度，T1必须导通，故T1状态为1，而C相还剩下60度通电宽度，所以此段时间为T1和T6等于1，（此时下部可供导通的管子为T4、T6和T2，而为避免桥臂直通，T4不能导通；T2的导通时间未到，故只能是T6导通）；而在60度—120度，此时只有A相通电，B和C相处于非导电期，故导通的开关管为T1和T2（T1和T2等于1），其中T2是为B相导电作准备；而在120度—180度时，由于每一相只有120电导角导电时间，故此时T1关断（T1=0），T2仍然导通（B相开始进入导电期），此时可知，T1关断，T5不能开通（防止桥臂直通），则此时只能开通T3，所以T3信号此时间段为1。其他时间段的开关管导通情况与此类似。为了简化控制电路，每个霍尔传感器的起始安装位置在各自相绕组的基准点（r0=00）上.那么在r0=00的控制条件下，A相绕组开始通电的时刻（即该相反电势相位30度位置）恰好与A相位置传感器输出信号A的电平跳变时刻重合，此时应将T1开关管驱动导通。同理，其他开关管的导通时刻也可以按同样方法确定。本设计选用的是三相无刷永磁直流电动机，其额定电压UH=24V,电枢额定电流IaH=0.1A,电枢峰值电流IaP1.5A,转速nH=550--20000r/min,额定功率PH=5W。图2-5无刷电动机位置检测及开关管驱动信号2.2.2系统方程式无刷直流电动机由直流电源供电，三相无刷电动机的绕组按Y接法，梯形控制电路供有直接输送到无刷直流电动机定子上的电流，为矩形电流，电机电磁结构将产生梯形波反电动势(但为梯形控制电路设计的大部分无刷直流电动机所产生的反电动势波形，更像正弦波而不是梯形曲线，因为磁铁磁通密度分布不可能完全是矩形，定子绕组的电感部位使其两角变得有些圆)，无刷直流电动机在具有梯形波反电动势和矩形波定子电流条件下，所产生的转矩从理论上说是恒定不变的，其公式由下式推出[2]：T=1/ω（e1i1+e2i2+e3i3）=3/ΩiaE=KtIA式中Kt转矩常数故电磁转矩T按幅值进行控制，并与定子电流成正比。(2)电势平衡方程式由于传统的直流电机和无刷直流电动机采用了相同的基本原理，所以似乎相同：其电动平衡方程式是[2]：L线圈电感M互感R——绕组电阻2.2.3运行特性分析无刷直流电动机的运行特性是指电动机在起动、正常工作和调速等情况下，电动机外部分可测物理量之间的关系。因此我们最关心的是它的转距、转速，以及转距和转速随输入电压、电流、负载变化而变化的规律，据此，电动机的运行特性可分为：起动特性、工作特性、机械特性和调速特性。对于无刷直流电动机，其电势平衡方程式为（2-1）对于不同的电枢绕组形式和换向线路形式，电枢绕组反电动势有不同的等效表达式，但不论那一种绕组和线路结构，均可表示为[12]（2-2）由式（2-1）、（2-2）可知（2-3）在转矩不变时，转矩平衡方程式为[12]（2-4）这里[12]（2-5）在转速变动情况下，则[12]（2-6）下面从这些基本公式出发，来讨论无刷直流电动机的各种运行特性。(1)起动特性由方程（2-1）、（2-5）和（2-6）可知，电动机只起动时，由于反电动势为零。因此电枢电流（即起动电流）为(2-7)其值可为正常工作电枢绕组电流的几倍到十几倍。所以起动电磁转矩很大，电动机可以很快起动，并能带负载直接起动。随着转子的加速，反电势E增加，电势转矩降低，加速力矩也减小，最后进入正常工作状态。在空载起动时，电枢电流和转速的变化如下图所示。图2-6空载起动时电枢电流和转速曲线需要说明，无刷直流电动机的起动转矩，除了如上所诉与起动电流有关外，尚与转子相对与电枢绕组的位置有关。转子位置不同时，起动转矩是不同的。这是因为上面所讨论的关系式都是平均值间的关系，而实际上，由于电枢绕组产生的磁场是跳跃的。当转子所处位置不同时，转子磁场与电枢磁场之间的夹角在变化。因此，所产生的电磁转矩也是变化的。(2)工作特性在无刷直流电动机中，工作特性主要包括如下几方面的关系：电枢电流和电机效率与输出转矩之间的关系。电枢电流和输出转矩的关系由式（2-5）可知，电枢电流随着负载转矩的增加而增加，如下图所示。电机效率和输出转矩之间的关系这里仅考察电动机部分的效率与输出转矩的关系，电动机效率没有输出转矩时，电动机的效率为零，随着输出转矩的增加，电动机的效率也增加。当电动机的可变损耗等于不变损耗时，电动机效率达到最大值，随后，效率又开始下降，如下图所示。图2-7工作特性图(3)机械特性和调速特性机械特性是指外加电源电压恒定时，电动机转速和电磁转矩之间的关系，由方程式（2-1）、（2-2）和（2-3）可知(2-8)我们知道，式（2-8）等号右边的第一项是常数（当不计ΔU的变化和电枢反映的影响时）。所以，电磁转矩随转速的减小而线性增加，如下图所示图2-8机械特性曲线当转速为零时，即为起动电磁转矩。当式（2-8）右边二项相等时，电磁转矩为零，此时的转速即为理想空载转速。实际上，由于电动机损耗中可变部分及电枢反应的影响，输出转矩稍稍偏离直线变化。又因为功率晶体管的饱和管压降随集电极电流的变化而变化，在基极电流不变时，功率晶体管的饱和压降和集电极电流之间的关系，如下图所示图2-9△U与集电极电流的关系示例所以，随着转速的减小，电动机的反电势也减小电枢电流增加，ΔU增大，到一定值以后增加较快所以机械特性曲线在接近堵转（即转速很低）时，加快下跌，如机械特性曲线所示。又从式（2-8）可见，改变电源电压，可以容易地改变输出转矩（在同一转速下）或改变转速（在同一负载下）。所以无刷直流电动机调速性能很好，可以用改变电源电压实现平滑的调速。但此时电子换向线路及其他控制线路的电源电压仍应保持不变。综上，无刷直流电动机的运行与有刷直流电动机极为相似，有着良好的伺服控制性能。3无刷直流电动机控制方法3.1直流无刷电机控制分类据直流无刷电机定子绕组与换相开关之间联结方式的不同以及换相开关结构的不同，可以把对直流无刷电机的控制分为两类：一类是半桥型控制结构，另一类是全桥型控制结构。三相电机的半桥型控制结构如图3-1所示，电机的三相绕组直接与三只开关管相连，主电路结构简单，但是对电机绕组利用率低。而全桥型控制结构，电路相对复杂，但是对电机根据电机绕组利用率较高，提高了电机的效率3.1.1三相半桥电路图3-1三相半桥主电路图3-2三相半桥连接对应的转子位置信号常见的三相半桥电路及对应的转子位置信号如图3-1和图3-2所示。图中A、B、C为电动机定子三相绕组，Tl、T2和T3为三只IGBT功率管，主要起开关作用。H。、Hb和Hc为来自转子位置传感器的信号。在三相半控电路中，要求位置传感器输出信号的1／3周期为高电平，2／3周期为低电平，并要求各传感器信号之间的相位差也是l／3周期。3.1.2三相Y连接全控电路三相半桥电路虽然简单，但电动机本体的利用率很低，每个绕组只通电1／3周期时间，另外2／3周期处于断开状态，没有得到充分利用。在运行过程中其转矩从Tm／2变化到Tm，波动较大。所以在对转矩要求比较高的场合，一般采用三相全控电路。如图3-3所示，在该电路中，电动机三相绕组为Y连接。T1、T2、……T6为六只功率管，起绕组的开关作用。它们的通电方式可分为两两通电方式和三三通电方式两种。本次设计选择两两通电方式，主要是比较简单，容易控制。(1)两两通电方式：所谓两两通电方式是指每一瞬间有两个功率管导通，每隔1／6周期(60。电角度)换相一次，每次换相一个功率管，每一功率管导通120。电角度。各功率管的导通顺序是TlT2、T2T3、T3T4、T4T5、T5T6、T6Tl。当功率管Tl和T2导通时，电流从T1管流入A相绕组，再从C相绕组流出，经T回到电源。图3-3Y连接绕组三相桥式主电路3.2直流无刷电机的正反转控制在直流无刷电机电动运行的过程中，它的通电始终与电机的转子位置信号是分不开的，因此不能简单地通过改变定子绕组导通顺序来改变电机转向。具体的电机转向与转子位置信号以及定子绕组之间的换相关系如表3-1所示。当位置信号的上升沿产生中断时，进入中断服务子程序。通过将脉冲捕捉单元的脉冲捕捉口设置成普通的I／O口，并且检测这三个口的电平状态，就可以确定是电机的哪个位置传感器的电平发生变化，从而确定出电机转子磁极现在所处的位置，然后按照电机正转的相序查找数据表来确定电机换相的顺序以及比较单元的控制字，从而实现电机正转时的正确换相。表3-1无刷电动机直流通电控制方式开关切换表旋转方向位置传感器逆变桥开关管驱动信号ABCT1T2T3T4T5T6正转0011PWM00000100PWM1000011001PWM00100000PWM1010110001PWM11010000PWM反转00110000PWM01000001PWM011000PWM10100001PWM001010PWM10001101PWM00003.3直流无刷电机的双闭环控制图3-4双闭环控制系统的动态结构框图双闭环控制系统的动态结构如图3-4，在两两导通的控制方式下，根据直流无刷电机数学模型的分析可知，直流无刷电动机的电磁转矩基本上和相电流成正比。所以在本课题中采用电流内环和转速外环的双闭环调速系统，为了获的较好的静、动态性能，双闭环的两个调节器都采用PI调节器，并且两个调节器的输出都带有限幅。4直流无刷电机控制系统硬件设计4.1系统硬件设计图4-1电动机驱动控制框图（1）微控制器主要功能是根据电动机旋转方向和来自霍尔转子位置传感器的三个输出信号，将它们处理成功率驱动单元的六个功率开关器件所要求的驱动顺序。微控制器的另一个重要作用是根据电流和转速等反馈模拟信号，以及随机发出的制动信号，经过AD变换和必要的运算后，借助内置的时钟信号产生一个带有上述各种信息的脉宽调制信号。（2）功率驱动单元主要包括功率开关器件组成的三相全桥逆变电路和自举电路。自举电路由分立器件构成的，也可以采用专门的集成模块等高性能驱动集成电路。（3）位置传感器位置传感器在无刷直流电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息。（4）周边辅助、保护电路4.2逆变主电路设计4.2.1功率开关主电路图4-2功率开关主电路原理图逆变器将直流电转换成交流电向电机供电。与一般逆变器不同，它的输出频率不是独立调节的，而是受控于转子位置信号，是一个“自控式逆变器”。由于采用自控式逆变器，无刷直流电动机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，电机和逆变器不会产生振荡和失步，这也是无刷直流电动机的重要优点之一。4.2.2逆变开关元件选择和计算

近年来由于MOSFET元件的性能逐渐提升，除了传统上应用于诸如微处理器、微控制器等数位讯号处理的场合上，也有越来越多类比讯号处理的积体电路可以用MOSFET来实现。表4-1对IGBT、GTR、GTO和电力MOSFET的优缺点的比较器件优点缺点

IGBT开关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小开关速度低于电力MOSFET,电压，电流容量不及GTO

GTR耐压高，电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题

GTO电压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低

电力MOSFET开关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置通过上述的比较，我选择MOSFET。电枢额定电流IaH=8.5A，因为每个控制元件导通120o,所以控制元件的峰值电流可以由以下方程算出。，通过计算可得I=25.5A额定电压UH=36V，峰值电压应有一个百分之40的余量UM=UH*1.4=36*1.4=50.4V通过以上计算，可得出选择的MOSFET峰值电流为25A,峰值电压为50V。4.3逆变开关管驱动电路设计4.3.1IR2110功能介绍(1)IR2110的特点有：输出驱动隔离电压可达500V；芯片自身的门输入驱动范围为10~20V；输入端带施密特触发电器；可实现两路分立的驱动输出，可驱动高压高频器件，如IGBT、功率MOSFET等，且工作频率高可达500KHz，开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns；逻辑电源的输入范围（脚9）5~15V，可方便的与TTL，CMOS电平相匹配。(2)IR2110主要功能及技术参数IR2110采用CMOS工艺制作,逻辑电源电压范围为5V～20V,适应TTL或CMOS逻辑信号输入,具有独立的高端和低端2个输出通道。由于逻辑信号均通过电平耦合电路连接到各自的通道上,容许逻辑电路参考地(USS)与功率电路参考地(COM)之间有-5V和+5V的偏移量,并且能屏蔽小于50ns的脉冲,这样有较理想的抗噪声效果。采用CMOS施密特触发输入,以提高电路抗干扰能力。IR2110浮置电源采用自举电路,其高端工作电压可达500V,工作频率可达到500kHz。两路通道均带有滞后欠压锁定功能。其推荐典型工作参数如表3-2所示。表4-2IR2110工作参数参数最小值/V最大值/VVBVS+10VS+20VS-4500HOVSVBVCC1020LO0VCCVDDVCC+4.5VCC+20VSS-5+5HIN,SD,LINVSSVDD(3)IR2110内部功能如图4-3所示：图4-3IR2110内部框图LO（引脚1）:低端输出COM（引脚2）:公共端Vcc（引脚3）:低端固定电源电压Nc（引脚4）:空端Vs（引脚5）:高端浮置电源偏移电压VB(引脚6):高端浮置电源电压HO（引脚7）:高端输出VDD（引脚9）:逻辑电源电压HIN（引脚10）:逻辑高端输入SD（引脚11）:关断LIN（引脚12）:逻辑低端输入Vss（引脚13）:逻辑电路地电位端，其值可以为0V功能概述IR2110驱动器将逻辑输入信号送到相应的低阻抗输出。高端输出HO和低端基准输出LO分别以浮置电位VBS和固定电位Vcc为基准。逻辑电路为两路输出提供相应的控制脉冲。HO和LO输出分别与HIN和LIN输入同相位。当SD输入高电平时两路均关闭。当VDD低于欠电压阀值时，欠电压UV检测电路关闭两路输出。同样，当VBS低于规定的欠电压点时，欠电压检测电路也会使高端输出中断。低端延时电路可简化控制脉冲定时要求，两路输出的传播延时匹配的。当Vs为500V或接近500V时，高端功率MOSFET关断。4.3.2驱动电路设计图4-4驱动电路系统采用三相六拍控制方式，驱动回路采用一种单极半调制的PWM控制方式，驱动器件采用IR2110，只需一路电源即可同时驱动上、下桥臂2个开关器件，大大简化了驱动电源设计,功率器件采用T1～T6的6路MOSFET实现电机的驱动。以一相为例，如图4-4所示。而无刷直流电动机的三相绕组的驱动控制共需3组这样的驱动控制，每组控制2个MOSFET，3组共有6种M0SFET导通状态，转子每转过60°就变换一种状态，控制信号从主控制器PB和PWM口输出，输入到IR2110的上桥臂控制端10引脚和下桥臂控制端12引脚，控制本路信号高端7引脚和低端1引脚的导通与截止,导通顺序依次为VT1、VT2导通；VT2、VT3导通；VT3、VT4导通；VT4、VT5导通；VT5、VT6导通；VT6、VT1导通信号，每次只有一相绕组的上桥臂和另一相绕组的下桥臂进行导通，这样转子每转过一转，VT1～VT6及按固定组合成的6种状态依次导通，保证电机的正常运转。在此部分电路布线时一定要注意C1的位置是在紧靠VCC电源的部分，确保滤去电源上的毛刺干扰，保证SD端不受干扰。功率器件的栅源极的驱动电压一般为CMOS电平(5V~20V),因此要在栅极增加保护电路,电路中D7、D8稳压二极管限制了所加栅极电压。为了更加安全,在电路中,功率管的栅极上分别串联电阻R1、R2以及二极管D3、D4。4.4控制单元4.4.1飞思卡尔单片机的简介MC9S12DG128B属于FreescaleMC9S12系列微控制器[19]，是飞思卡尔半导体公司的汽车电子类产品。其内核为CPU12高速处理器。MC9S12DG128B拥有丰富的片内资源，flash达128kb，加入裁减过的µC/OS都没有问题，所以对于中等复杂程度的控制系统它不用扩充片外存储器。1、FreescaleMC9S12系列微控制器FreescaleMC9S12系列MCU是以高速CPU12内核为基础的微控列，简称S12系列。典型的HC12总线频率为8MHz，而典型的S12总线频率为25MHz。HC12与S12指令完全兼容，故统称为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，分为以下几大类：（1）MC9S12A系列和B系列16位微控制器；（2）带CAN总线的MC9S12D系列16位微控制器；（3）带液晶驱动的MC9S12H系列和MC9S12L系列16位微控制器；（4）低供电电压的MC9S12E128和MC9S12E64系列16位微控制器；（5）带USB接口的MC9S12UF32系列16位微控制器；（6）带以太网接口的MC9S12NE系列16位微控制器。S12系列微控制器有以下优点：（1）S12系列具有FLASH存储器；（2）S12系列采用的C语言已进行了最优化设计，编码方式效率高；（3）S12系列具有低成本调试功能。2、MC9S12DG128B微控制器的组成MC9S12DG128B有16路AD转换，精度最高可设置为10位；有8路8位PWM并可两两级联为16位精度PWM，特别适合用于控制多电机系统。它的串行通信端口也非常丰富，有2路SCI，2路SPI此外还有IIC，CAN总线，增强型捕捉定时器等端口，并且采用了引角复用功能，使得这些功能引角也可设置为普通的I/O端口使用。此外它内部还集成了完整的模糊逻辑指令，可大大简化程序设计。MC9S12DG128的封装有两种，一种为80引角的QFP-8封装形式，它没有引出扩展总线，且AD转换只引出了8路；一种为112引角的LQFP-112封装形式，两种都采用了表面贴片式封装。从下面的引角图我们可以看到MC9S12DG128的引角复用情况，一个引角往往有双重或多重功能，而这些功能的设置大部分是通过编程来实现的，非常方便。在单片模式下，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口将达到63个。这些双重功能的I/O口本身及控制逻辑完全集成在MCU内部，其体积、功耗、可靠性、应用简单方便程度都与用户自行扩充的I/O口有着重要区别。LQFP-112封装的MC9S12DG128B引脚图如图4-5。图4-5MC9S12DG128B引脚图4.4.2位置信号检测位置传感器输出的信号经滤波后分别输入到单片机的脉冲捕捉单元三个引脚PT0、PT1和PT2上。当检测到三个霍尔传感器输出的信号发生上升沿与下降沿电平跳变时，便为直流无刷电机的换相时刻，此时将脉冲捕捉口设置成普通的I／o口，然后读这三个引脚PT0、PT1和PT2组成的电平逻辑状态，便可以得到转子所处的位置。位置信号捕捉电路如图4-6。图4-6位置信号捕捉电路4.4.3速度检测位置检测不但用于换相控制，而且还用于转速的测量。一对磁极无刷直流电机机械角度每转过一圈，就产生两个脉冲，转速可以用两脉冲产生的间隔宽度TP来决定。TP可以通过捕捉中断发生时读定时器TC0寄存器中的值来获得。定时器采用连续增计数方式。定时器对时基脉冲(频率为fc)进行计数定时，在TP内计数值若为m2，则计算公式为：n=即：（4-1）fc-为硬件产生的基准时钟脉冲频率：单位（Hz）；n-转速单位：（转/分）；m2-时基脉冲；P-为转轴转一周脉冲发生器产生的脉冲数。4.5电检测与保护电路电流采样电路是用来检测电机工作电流的。如图4-7所示，R7和R8是串接在H桥上的电流采样电阻。电机的工作电流跟R10上的电压成正比，这个电压经U5B同相放大16倍后，再经R12和C15低通滤波在输出。电机正常工作时，电流很小，在R7、R8上产生的电压降也小；当电机堵转时，流过线圈的电流是正常时的好几倍，在经过16倍放大，输出电压就很高。图4-7电流采样电路过流保护电路的输入是电流采样端输出的电压，只要根据电机的特性，设置好基准电压。当输入电压大于基准电压时（即电机过流时），通过U5A构成的同相比较器，输出高电平；当输入电压小于基准电压时（即电机正常工作），输出低电平，我们可以把该电路的输出接到MC9S12DG128的PT3引脚，该引脚设置为高电平触发，就可以检测电机是否堵转，从而即时的进行过流保护，如图4-8所示。图4-8过流保护电路4.6键盘与速度设定电路键盘操作与速度设定如图4-9所示。K1停止，K2正传，K3反转。调节滑动变阻器设定速度值。图4-9按键电路及速度设定电路5系统软件设计5.1直流无刷电机控制程序的设计概况该程序在设计的过程中,首先要上电复位,然后初始化时钟和中断源,再打开中断,当检测到转把的输人电压时,将该电压经A/D转换后按算法计算出PWM的占空比输出PWM波。随后采样位置传感器产生霍尔信号,将该信号的状态与电机固定的相位序列进行比较,判断电机的相位是否正确。若正确,输出波PWM,否则,重新复位。限流保护检测是把电压传感器康铜丝上的电压经放大、A/D转换后与设定的电流限定值进行比较,若高于最高限定值,则关闭输出,反之,则正常运行。5.2主程序设计主程序的控制流程图如图5-1所示。各模块初始化各模块初始化读取转子位置电机反传子程序读取转子位置电机正传子程序开始启动电机？电机正传？停止键按下？YESYESYESNONONO图5-1主程序流程图5.3子程序设计5.3.1脉冲捕捉中断子程序捕获单元使能之后输入引脚产生跳变信号，只要该信号持续的时间能超过两个时钟周期，该信号就能被捕捉单元捕获到，相应的中断标志位被置位，外设中断将产生一个中断请求信号。由于脉冲捕捉单元的输入引脚和普通的I／O口是共用的，所以这三个口可以分时复用。将位置传感器的三个输出引脚经过电平转换电路之后，连至脉冲捕捉单元三个输入口PT0、PT1和PT3。设置输入电平的跳变检测方式为上升下降沿检测，并且在程序初始化中将三个捕捉口设置为脉冲捕捉功能。开始开始读取读取TC0寄存器清零标志位关闭脉冲捕捉功能关闭脉冲捕捉功能 检测脉冲捕捉口电平状态检测脉冲捕捉口电平状态调用换向控制子程序调用换向控制子程序恢复脉冲捕捉功能恢复脉冲捕捉功能恢复现场退出恢复现场退出图5-2脉冲捕捉子程序流程图5.3.2实时中断子程序实时中断子程序主要是计算采集到的直流母线电流和变阻器的值，直流侧电流为其三相电流的叠加，对其采样相对比较容易。在ADC模块中转化的结果是左对齐的，十位的