毕业论文-基于单片机的无刷电机闭环控制器设计

基于单片机的无刷电机闭环控制器设计摘要：随着工业生产和人们生活的发展，无刷电机的运用领域越来越广泛，同时对无刷电机的速度（电压）闭环、电流闭环以及运行过程中的安全性能的要求也越来越高。这便要求设计一种安全性能佳、控制精度高、设计成本低的无刷直流电机控制器以满足这些要求。而目前大多数的无刷电机控制器的输入电压高，工作电流小，对电流的控制要求低，无法满足低压下的大功率无刷电机的运行。另外，这些控制器的驱动电路大多采用集成的驱动芯片，一旦损坏，则维修成本将会提高。鉴于以上问题和要求，设计了一种安全性能和控制精度高，而设计成本低的无刷电机闭环控制器。所设计的无刷电机闭环控制器是基于单片机R5F102AA设计的，这款单片机是瑞萨公司生产的G12系类的16位单片机。控制器的驱动部分是采用分立元件搭建的，设计成本低，通过修改元器件的参数可以设计出适应不同工作环境下的驱动电路，当电路发生故障时，只需更换部分分立元件即可，所以维修成本很低。控制器的过流保护采用了软件保护和硬件保护相结合的方法，大大提高了其安全性能。另外，为适应工业生产，加入了远程控制单元，通过CAN等串行通信可实现对无刷电机的远程控制，并且配备液晶显示和按键输入单元，使操作更加简单，直观。关键词：无刷电机；单片机；闭环；远程控制

TheDesignOfBrushlessMotorClosed-LoopControllerBasedOnMicrocontrollerAbstract:Withthedevelopmentofindustrialproductionandpeople'slives,theuseofmoreextensiveareasofthebrushlessmotor,whilethebrushlessmotorspeed(voltage)closedloop,currentloopandrunduringthesafetyperformancerequirementsarealsogettinghigherandhigher.Thisrequiresdesigningagoodsafetyperformance,highcontrolaccuracyandlowcostdesignofbrushlessDCmotorcontrollertomeettheserequirements.Atpresent,mostoftheinputvoltageofthebrushlessmotorcontrollerhighworkingcurrent,lowcurrentcontrolrequirements,cannotmeetthelowpressureoperationofhighpowerbrushlessmotor.Inaddition,mostofthesecontrollerswithintegrateddrivecircuitdriverchip,oncedamaged,themaintenancecostswillincrease.Inviewoftheaboveproblemsandrequirements,wedesignedahigh-performancesecurityandcontrolaccuracy,andlowcostbrushlessmotordesignclosed-loopcontrollers.Brushlessmotorclosed-loopcontrollerisdesignedR5F102AAmicrocontroller-baseddesign,thisistheRenesasmicrocontrollerproductionG12Departmentofclass16-bitmicrocontroller.Thedrivingportionofthecontrollerisbuiltusingdiscretecomponents,lowerdesigncosts,bymodifyingtheparametersofcomponentscanbedesignedtoadapttodifferentworkingenvironmentdrivingcircuit,whenthecircuitfails,simplyreplacepartofdiscretecomponents,somaintenancelowcost.Overcurrentprotectioncontrollerusesasoftwareprotectionandhardwareprotectionmethodofcombininggreatlyimproveditssafetyperformance.Inaddition,tomeettheindustrialproduction,addedremotecontrolunitviaCANandotherserialcommunicationenablesremotecontrolofthebrushlessmotor,andisequippedwithaliquidcrystaldisplayandakeyinputunit,maketheoperationmoresimpleandintuitive.KeyWords:Brushlessmotor;Microcontroller;Closed-loop;Remotecontrol. 目录 TOC\o"1-3"\h\u78261.概述 基于单片机的无刷电机闭环控制器设计概述无刷直流电机不仅继承了直流电机起动性能好的特点，而且相对于传统的有刷直流电机，其还具有结构简单、噪声小、使用寿命长等优点。因此无刷电机渐渐地取代了传统电机，成为电机应用领域的主流电机，在生产、生活的许多领域得到了广泛的应用。然而由于其与传统的有刷直流电机的换相方式不同，省去了电刷而采用电子换相，使得其对相位的检测和驱动控制比有刷电机的控制更为复杂，要求更高。无刷电机控制器是无刷直流电机正常运行和实现调速的控制中心。一个好的控制器除了能实现电机的运行和调速外，还应该具有短路保护、过载保护和欠压保护等保护功能，当电机发生堵转、短路时，能够及时保护电机和控制电路防止其损坏，使电机运行的安全性能大大提高。目前的大多数无刷电机控制器都采用专用的集成控制芯片和驱动芯片，虽然降低了设计难度，提高了装置的可靠性，但维修成本提高了，而且不够灵活。而以单片机等微处理器为核心设计的无刷电机控制器，大大提高了其灵活性，可实现更多的功能。并且通过设计合理的硬件电路和软件算法，也可提高其可靠性、稳定性和安全性。课题研究背景与意义2.1课题研究背景无刷直流电机已越来越多地走进人们的视线了，生产、生活的许多领域都可以看到无刷直流电机被应用的身影。由于无刷电机采用电子换相，对其控制器的要求比传统的电机更加高，而目前大多数的无刷电机控制器的生产厂家都是以专用的集成控制芯片和电机驱动芯片为核心进行设计控制器的，这种方案虽然提高了装置的可靠性，但却提高了生产和维修成本，且功能单一，运用不灵活。另一方面，由于现在的无刷电机控制器都采用高压供电，所以其工作电流小，对电流的控制要求也就降低了。但这样的控制器无法满足低压下电机的正常运行，使其应用范围变窄，运行安全性能降低。2.2课题研究意义以单片机为控制核心的无刷电机控制器，可实现编程控制，更加灵活方便，而且可以实现更多的功能。而通过分立器件搭建的驱动电路，不仅降低了设计成本，而且节约了维修成本，提高了用户的经济利益。控制器的过流保护采用了软件保护和硬件保护相结合的方法，大大提高了其安全性能。远程控制单元的加入，扩大了无刷电机控制器的应用范围，方便了控制与管理。编写合适的算法程序，将会使电机的控制更加快速、稳定和安全可靠。3.系统方案设计与主要设计工作基于单片机的无刷电机闭环控制器系统主要由单片机主控电路、系统工作电源电路、电机驱动电路、电流采样和过流保护电路、相位检测电路、单片机远程控制电路、液晶显示电路和按键输入电路组成。单片机选用瑞萨公司生产的16位G12系列的R5F102AA，其主要完成电机的运行、电机转速的控制、电机运行时的电流检测和过流保护控制等功能。基于单片机的无刷电机闭环控制器系统的结构图如下图2-1所示。图2-1基于单片机的无刷电机闭环控制器系统结构图3.1系统方案设计原理系统分成电机主控和远程控制两部分，两部分之间通过串行通信进行通信。电机主控部分主要实现系统工作电源的控制、无刷直流电机的驱动控制、过流保护控制和恒速控制，其工作原理如下：将220V的交流电通过大功率变压器转换成60V的交流电，再整流成直流电作为电机的工作电源，之后经过开关电源降压成12V至15V的直流电供电机驱动电路使用，然后将12V~15V稳压成5V供单片机及其他电路使用；将通过相位检测电路读取电机运行的相位和串行口读取的设定速度送至单片机进行运算并控制PWM的输出和MOS管的关断，以控制其驱动电路来实现电机的运行和转速的控制；通过电流采集电路将电机运行时的电流转成电压送至单片机的A/D端口进行处理与运算，实现对电流的实时监控；当电机发生堵转或短路时造成电流变大，此时通过过流保护电路来触发单片机的中断关断MOS管，以实现过流保护。远程控制部分主要实现转速的设定和显示，其与主控部分通过UART串行通信。远程控制部分工作原理如下：通过按键来设定转速，一共有四个按键，按键一的功能是开始设定，按键二和按键三的功能是加和减，按键四的功能是设定转速的确定和电机的停止运行，当按键一按下后，便可以通过按键二和按键三设定转速，只有当按键四按下时才能完成转速的设定并通过串行口将设定转速传送给主控部分，当按键一没有按下而直接按下按键四时，通过串行口发送电机停止运行命令；将电机的设定转速在液晶上显示，可以直观的看到电机的设定转速，实现人机界面友好。3.2系统主要设计工作设计基于R5F102AA单片机的主控系统和远程控制系统，并给出主控和远程控制程序设计；设计系统的工作电源电路以为系统提供电源；设计无刷电机的驱动电路以实现电机运行；设计电流检测电路以实现电流的实时监控；设计过流保护电路以实现过流保护；设计串行通信以实现远程控制；设计LCD显示电路以实现对设定转速的显示；设计按键输入电路以实现转速的设定；对所设计的系统进行PCB实物制作并完成调试。4.系统的硬件设计4.1系统工作电源电路设计系统工作电源电路如图4-1所示。图4-1系统工作电源电路由于系统设计的电机工作电压为直流60V，所以需将220V交流电经大功率变压器转成60V左右的交流电，再经D15整流桥整流成60V的直流电压，然后经电容C26，C23滤波，滤除高次谐波和杂波为整个系统供电。开始时，由于PNP三极管Q1和N沟道MOS管Q9没有导通，60V过来的电流向下流经电阻R8，使得NPN三极管Q11的基级电压上升。由于发射极接地，当VBE大于0.7V时，使Q11导通，集电极电压拉低。所以Q1的基级电压VB为：要使Q1导通，必须使Q1的大于0.7V，即：从而可以确定R5和R7的值。当Q1导通后，电流经过电感L1，使得L1左边的电压U1上升，当U1大于12V时，可使Q9导通和拉低Q11的VB的电压，从而使Q11关断，Q1也关断，而U1的电压降低。而要使Q9导通，则Q9的VGS需要大于2.4V，即：从而可以确定R3和R10的值。当Q1关断后，U1低于12V时，Q9的VGS降低使得Q9关断，Q11的VBE升高使得Q11导通，而使Q1的VBE升高，Q1导通，U1又升高到12V。如此反复，最终使得U1稳定在12V。R2和C4组成振荡电路，R2和C4的值决定振荡频率，即：另外当U1降低时，Q9的VD升高，使得C4的电压抬高，从而使L1左边的电压升高，最终使U1升高，起到正反馈的作用。当得到稳定的U1后，经过C2的滤波再经U1稳压芯片78L05稳压后得到+5V，供单片机和其他电路使用。由于78L05的输出电流只有50mA，所以将U1输出的电流进过R6限流增大其输出电流。而R1的作用是稳流，U1经过R1稳流得到的U2供后面的电机驱动电路使用。由于能量守恒，设流过Q1的电流为I1，U1输出的电流约为100mA，所以60*I1=100*120，可以得到I1=500mA，所以NPN三极管Q1选择集电极连续电流最大为600mA的2N5401。同时可确定D1和L1的参数和型号，D1选用快恢复开关二极管IN4148，电感L1选用5mH。4.2电机驱动电路设计无刷电机的其中一的相驱动电路如图4-2所示。图4-2电机驱动电路U2为电源电路输出的12V，PWM1和PWM2为单片机的PWM输出。MOS管选用N沟道的75N75MOS管，其耐压值为75V，最大短路电流为75A。开机时，将C1充电，充电时间T=R11C1。当PWM1=1时，Q3导通，由于Q1的VB等于Q3的VC，即：又因为VQ3E=U3，所以VQ3EB=VQ3E-VQ3B。取合适的R1和R5，使VQ3EB大于0.7V，从而使Q1导通。Q1导通后，由于D2的单向导通，D2有0.7V的压降，使得Q6的VB大于VE，从而使Q6关断。Q6的VE和Q2的VG的电压升高，同时电容C3开始充电，Q2开始导通，源极S极电压升高，使得C1的电压抬高，从而使得U3的电压升高，最终使上管子Q2快速导通。当PWM1=0时，Q3关断，Q1关断，Q6的VB为零，Q6导通，而Q3通过Q6、R11放电，使Q2快速关断。以上便是上管的导通原理。当时PWM2=0，Q7的VBE>0.7V，Q7导通。由于Q5的VEB电压为：选取合适的R3和R8，使得Q5的VEB大于0.7V，从而使Q5导通。Q5导通后，使得Q8的栅极电压VG升高，同时C4开始充电，Q8导通。当PWM2=1时，Q7关断，Q5关断，Q10导通。C4通过Q10放电，使Q8快速关断。以上便是下管的导通与关断原理。另外，图4-2中的R2和R7的作用是稳流，减慢MOS管栅极电压的上升速度，防止损坏MOS管。而C2与电机的内阻R组成的滤波电路，用来降低电机工作是的噪音，其滤波频率为：f=1/RC2。4.3电流采样及过流保护电路设计电流采样及过流保护电路如图3-3所示。图4-3电流采样及过流保护电路由于系统预先设计的电机工作电压为60V，根据75N75的最大安全曲线图，如图4-4所示。图4-375N75MOS管的最大安全曲线图可知当工作电压为60V时，若发生短路，其漏电流达到安全极限时，75N75的安全导通时间为几百微妙，大于单片机的反应时间，所以系统的过流保护只需做软件保护即可。图4-3中U1选用运算放大器LM358，其内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器。Q1选用小功率NPN三极管5551。正常工作时，流经电机的电流较小，通过5毫欧康铜丝R7采样得到的电压U1也较小，通过R4和R5将U1抬高至LM358的线性放大区，而R1、R2与U1组成正向放大器，其增益为：选取合适的R1、R2、R4和R5，使其输出一个与电流成正比且线性关系很好的电压送至单片机的A/D端口，单片机进行处理，以实现电流的实时监控。4.4相位检测电路设计相位检测电路如图4-5所示。图4-5相位检测电路由于无刷电机内部自带霍尔元件，因此读取霍尔元件的输出，便可以知道电机运行的相位。图中U1为电机的霍尔排线的引出端口，当电机运行到某一相位时，其对应的霍尔元件输出高电平，而其余的则输出低电平。R1、R2和R3为上拉电阻，C3、C4和C5为滤波电容。4.5单片机主控电路设计单片机主控电路如图4-6所示。图4-6单片机主控电路电容C1、C2、C3和电阻R1组成单片机R5F102AA的最小系统，C1、C2取0.1uF，C3取1uF，R1取100KΩ。由于R5F102AA单片机内置高速振荡器，所以在此电路中没有外接晶振来提供系统时钟。R5F102AA单片机的P137端口可复用为外部中断触发端口，通过上拉电阻R3使得正常情况下P137为高电平，当为低电平时，便会触发中断。P10~P15具有PWM输出功能，依次接到电机驱动电路的PWM输入端，从而控制电机运行。P21端口具有A/D功能，接至电流采样电路的输出端，从而对电流进行采样处理。P51端口接LED灯，作为系统指示灯，将系统运行状态以灯闪烁不同次数的方式体现出来，R2为限流电阻，由于LED的最小工作电流一般为10mA，因此可以确定R2的大小。单片机的P40与端口为单片机的程序下载口，P01和P00端口为串行通信的接受与发送端口。4.6单片机远程控制电路设计单片机远程控制电路如图4-7所示。图4-7单片机远程控制电路图4-7中电容C1、C2、C3和R3构成单片机R5F102AA的最小系统，其取值可参考3-5单片机主控电路设计。P1为LCD12864液晶，其与R1、R2构成液晶显示电路，LCD12864的第3脚VO的对比度调节电压可由R1和R2分压得到。单片机的P21、P22和P23分别接到LCD12864的第4~6脚，通过串行控制液晶的显示。LDE灯D1的阳极通过串联限流电阻R4与单片机的P10端口相连，其阴极接地，通过单片机的P10端口控制其亮和灭的状态以显示系统运行状态。单片机的P11~P14接到按键电路的输出端，以读取四个按键的状态。R5、R6、R7和R8为上拉电阻，当按键S1没有按下时，P11端口读取高电平，当按键S1按下时，P11口被拉低，读到低电平，因此便可以读取按键的状态。单片机的P40与端口为单片机的程序下载口，P01和P00端口为串行通信的接受与发送端口，通过串行协议可与主控系统进行通信，以实现远程控制。5.系统的软件设计5.1主控系统软件设计5.1.1主程序设计主控主程序设计流程图如图5-1所示。图5-1主控主程序设计流程图当系统上电开机时，首先对所有MOS管进行检查，以判断是否有MOS管损坏。检测方法是：先通过单片机将所有控制上管的端口置一，使所有上管导通，而使所有下管关断。如果有下管损坏，则同一路的上管和下管都会导通，使得电路中的电流变大触发中断，以此来判断下管的好坏。同理，再将下管导通，关断上管来判断上管的好坏。由于人耳的可视噪声频率为20Hz~20KHz，所以为降低电机运行时的噪音，将MOS管的开关频率设定为16KHz以上，即PWM输出一次的周期T应满足： 系统软件主要完成对电路电流的采集以实现对电流的监控，对相位的检测以实现电机的运行，对转速的测量以实现电机恒速，以及实现电机发生堵转或MOS管短路时的过流保护。5.1.2电机换相程序设计电机换相程序设计流程图如图5-2所示。图5-2电机换相程序设计流程图无刷电机需按照一定的相序运行，单片机的从电机的霍尔元件的输出端读取电机运行相位后，为防止误读，所以要将得到的某一相与其上次记录的相位和上上次记录的相位进行比较，看是否有变化。又由于程序每次运行的时间很短，所以只有比较的次数达到一定值时才能确保相位读取的准确，从而进行换相。5.1.3电机恒速程序设计电机恒速程序设计流程图如图5-3所示。图5-3电机恒速程序设计流程图对于电机转速的测量，可以先测量电机转动一圈时，其某一相位的换相次数，然后通过一段时间内对这一相的换相次数进行计数，从而计算出其转速。但由于电机每转一圈的换相次数较少，并且换相时间很短，测得的数据小，精度不高且不准确。而电机的不换相时间很长，因此便可以换种思路，将测量电机的换相次数改为测量电机的不换相时间来测量电机的转速。设电机转速为nr/min，电机转动一圈其某一相的换相次数为a，程序单次运行时间为tuS，不换相次数为N，所以便可以得到电机某一相不换相的时间T1为：而电机换相的时间间隔T2为：由于换相的时间很短，可忽略不计，所以T1和T2是相等的，即：于是便可以得到n与N的关系式：由此便可以通过测量电机不换相的时间而测量电机的转速。根据得到的转速与设定的转速进行较，最终通过调节PWM的输出而调节电机的转速使其恒速。由于电机的惯性作用，当转速改变时，需经过2秒左右的时间才能稳定，所以每次都应该等待2秒后改变PWM输出以调节电机转速。5.1.4过流保护程序设计过流保护中断程序设计流程图如图5-4所示。图5-4过流保护中断程序设计流程图单片机的P137端口被设置为外部中断输入口，当被触发后就代表电路中已过流，此时立即将P10至P15的PWM输出为0，关断所有MOS管，并控制P51端口使LED指示灯闪烁从而提示过流，最终实现过流保护。5.1.5单片机串行通信程序设计单片机串行通信接收程序设计流程图如图5-5所示。图5-5单片机串行通信接收程序设计流程图R5F102AA单片机有三组UART，此系统用的是UART0进行通信。程序开始时，已设定了其接收数据的位数和传输速率，串口接收的是一个8位的数据，代表设定的转速。由于系统测量电机转速实际上是测量的电机某一相不换相的时间，所以需要将串口接收到的8位设定转速数据根据5.1.3电机恒速程序设计中的转速与电机不换相时间的关系，将转速转换成不换相时间进行运算。5.2远程控制系统软件设计5.2.1主程序设计远程控制主程序设计流程图如图5-6所示。图5-6远程控制主程序设计流程图远程控制系统软件主要完成转速的设定和液晶的显示，并最终将设定好的转速通过UART串行通信发送给主控系统。其包括按键扫描子程序、按键功能判断子程序、液晶显示子程序和串口通信子程序。系统主要对四个独立按键的状态进行当读取，当按键一按下时，标志位置1，即表示开始设定转速。当标志位为1时，按下按键二将会增加设定转速，按下按键三将会减小设定转速，按下按键四，标志位清零，同时通过串口发送设定转速。当标志位为0时，按下按键二和按键三无效，而按下按键四将会使设定转速设定为0，同时通过串口发送设定转速，即停止电机运行。5.2.2液晶显示程序设计液晶显示程序设计流程图如图5-7所示。图5-7液晶显示程序设计流程图此系统中所用到的液晶为带汉字字库的LCD12864液晶，其软件驱动程序主要包括液晶初始化子程序、清屏子程序、起始坐标设定子程序、写命令子程序和写数据子程序。为方便液晶的字符串和变量数字的显示，编辑了字符串显示子程序和数字显示子程序。字符串显示和变量数字显示的主要区别在于，显示变量数字时需将要显示的数字加上‘0’的ACSII码值，将其转换成ACSII码值进行显示。5.2.3按键控制程序设计按键控制程序设计流程图如图5-8所示。图5-8按键控制程序设计流程图由于硬件的设计原理，当没有按键按下时，其对应的单片机输入端口读取的电平为高电平，而当有按键按下时，读取电平为低电平。所以，当读取到低电平时，即代表有按键按下，但为防止抖动误判，需加一个短延时进行消除抖动，再次判断按键是否真的按下，当按键松开（读取到高电平）时，记录按键值以便进行按键功能操作。5.2.4单片机串行通信程序设计单片机串行通信发送程序设计流程图如图5-9所示。图5-9单片机串行通信发送程序设计流程图远程控制系统的串口主要是向主控系统发送设定转速，在此系统中串口的传输速率为9600bit/s，发送的数据位数为8位，即最大设定转速为255转/分钟。

6.系统调试6.1电源电路调试整个系统的硬件部分主要是电源电路部分和驱动电路部分，而电源电路部分为整个系统供电，所以最初进行硬件调试的便是电源电路，电源电路能否正常运行是整个系统能否正常运行的前提和保障。一开始当元器件全都焊好后，进行电源部分的硬件调试时发现，78L05的输出端不是5V，而是10V左右的电压，并且2N7002的输出也不对。一开始以为电路画错了，但检查半天并没有发现错误，之后又怀疑是2N7002或78L05芯片坏了，于是换了芯片，可问题还是没有解决。于是又继续检查，最终发现是2N7002和78L05的封装画错了，导致电路的不正常运行。此间，我还犯了一个错误，在电源电路没有调试成功的情况下就将单片机焊上了，导致的结果便是单片机被烧坏了。但在之后的调试中发现当输入电压上升到30V以上时，前面的电源部分的12V被抬高，且随输入的增加而增大，而且电源部分的三极管5401经常被烧坏，起初怀疑是下管子没被拉低，即没有被关断导致的，但随后又发现不是的。在之后经过老师的分析后，发现是电感L1坏了，使得RC正反馈没起作用，从而导致12V被抬高，换了电感后，电路正常工作了，电源电路部分的调试也就解决了。6.2驱动电路调试驱动电路的调试步骤是如下：将管子导通和关断，用示波器测量是否有输出；给一定的PWM，用示波器测量其输出波形是否正确。安照以上步骤依次对每个驱动电路进行调试。在调试过程中发现最后一路的下管子没有波形，一直为低。最后检查发现是k6电容焊短路了，重新焊接后问题解决了。6.3过流保护调试过流保护调试的一般操作步骤如下：