基于MSP430单片机的直流无刷电机控制系统设计解读.docx

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1、毕业设计说明书基于 MSP430单片机的无刷直流电机控制系统设计2013 年 6 月基于 MSP430单片机的无刷直流电机控制系统设计摘要无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的。 现阶段，虽然各种交流电动机和直流电动机在传动应用中占主导地位， 但无刷直流电动机正受到普遍的关注。自 20世纪 90年代以来，随着人们生活水平的提高和现代化生产、 办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都越来越趋向于高效率化、 小型化及高智能化，作为执行元件的重要组成部分，电机必须具有精度高、速度快、效率高等特点，无刷直流电机的应用和需求也因此而迅速增长。本设计是把无刷直流电动机作为设计对象，以 M

2、SP430 单片机为控制 MCU ，单片机采集比较电平及电机霍尔反馈信号， 通过软件编程控制无刷直流电动机。 将整个系统分成几个部分，讨论了各个部分的电路原理、控制策略、具体实现。根据永磁无刷直流电动机的特性实施脉宽 PWM 控制，并通过转速传感器测量转速通过 LCD1602 动态显示转速。关键词 :无刷直流电动机 ,单片机 ,霍尔位置传感器MSP430 Microcontroller-based brushless DCmotor Control System DesignAbstractBrushless DC motor in a brush DC motor developed on

3、the basis of. At this stage, although exchanges of all kinds of DC motors and motor drive in the application of the dominant, but brushless DC motor is under common concern.Since the 1990s, as peoples living standards improve and modernize production, the development of office automation, household

4、appliances, industrial robots and other equipment are increasingly tend to be high efficiency, small size and high intelligence, as the implementation of components An important component of the motor must have a high accuracy, speed, high efficiency, brushless DC motor and therefore the application

5、 is also growing rapidly.This design is the brushless DC motor as the electric bicycle motor-driven control system, MSP430 microcontroller for control MCU, SCM collection and comparison-level electrical signal Hall feedback, software programming through brushless DC motor controller .This paper anal

6、yzes the requirements from the system, the whole system will be divided into several parts, analysis and discussion of the various parts of the circuit of the control strategy, implementation method. According to the permanent magnet brushless DC motor control of the PWM pulse width, speed sensorand

7、 display speed through LCD1602.Key words:BLDCM,the single chip processor,hall position sensor目录1引言 .11.1电机的分类 .11.2无刷直流电机及其控制技术的发展 .11.3本文研究的意义及主要内容 .32设计主要部件介绍 .42.1无刷直流电机介绍 .42.1.1无刷直流电机组成 .42.1.2无刷直流电机工作原理 .42.1.3无刷直流电机主要工作方式 .52.2 MSP430 单片机介绍 .72.2.1MSP430单片机特点 .72.2.2单片机选型 .82.2.3MSP430F149介绍

8、.92.3 LM621 介绍 .102.4涡轮流量计介绍 .112.5脉宽调制技术介绍 .113直流无刷电机的模糊PI 控制 .133.1模糊控制器在直流无刷调速系统中的应用 .133.2直流无刷电动机数学模型 .133.3模糊 PI 控制器 .154控制系统设计 .184.1系统总体功能介绍 .184.2 MSP430F149单片机最小系统 .194.3显示模块介绍 .204.3.1 显示模块硬件设计 .204.3.2 显示模块软件设计 .214.4驱动模块介绍 .23I4.4.1 驱动模块硬件设计234.4.2 PWM 控制软件设计234.5 按键模块介绍244.5.1 按键模块硬件设计2

9、44.5.2 按键模块软件设计254.6 限流电路设计264.7 速度反馈电路设计27结论28附录 A29附录 B39参考文献40致谢41II1 引言随着计算机进入控制领域， 以及新型的电力电子功率器件的不断出现， 采用全控型的开关功率元件进行脉冲调制（ Paulse width modulation,简称 PWM ）控制的无刷直流电机已成为主流。 随着半导体工业， 特别是大功率电子器件及微控制器的发展，变速驱动变的更加现实且成本更低。本文充分利用单片机的数字信号处理器运算快、外围电路少、系统组成简单、可靠的特点，将其应用于无刷电机的驱动设计。实验表明，该设计使得无刷直流电机的组成简化和性能的

10、改进成为可能，有利于电机的小型化和智能化。1.1 电机的分类电机按工作电源种类可分为：1.直流电机(1)有刷直流电机永磁直流电机电磁直流电机(2)无刷直流电机稀土永磁无刷直流电机2.交流电机(1)单相电动机(2)三相电动机1.2 无刷直流电机及其控制技术的发展1831 年，法拉第发现了电磁感应现象，奠定了现代电机的基本理论基础。从19 世纪 40 年代研制成功第一台直流电机，经过大约17 年的时间，直流电机技术才趋于成熟。随着应用领域的扩大，对直流电机的要求也就越来越高，有接触的机械换向装置限制了有刷直流电机在许多场合中的应用。为了取代有刷直流电机的电刷换向器结构的机械接触装置，人们曾对此作过

11、长期的探索。1915 年，美国人Langnall 发明了带控制栅极的汞弧整流器，制成由直流变交流的逆变装置。20 世纪30 年代，有人提出用离子装置实现电机的定子绕组按转子位置换接的所谓换向器电机，但此种电机由于可靠性差、效率低、整个装置笨重又复杂而无实用价值【 1】。第 1 页 共 41 页科学技术的迅猛发展，带来了电力半导体技术的飞跃。开关型晶体管的研制成功，为创造新型直流电机无刷直流电机带来了生机。1955 年，美国人Harrison 首次提出了用晶体管换相线路代替电机电刷接触的思想，这就是无刷直流电机的雏形。它由功率放大部分、 信号检测部分、磁极体和晶体管开关电路等组成，其工作原理是当

12、转子旋转时， 在信号绕组中感应出周期性的信号电动势，此信号电动势分别使晶体管轮流导通实现换相。问题在于，首先，当转子不转时，信号绕组内不能产生感应电动势，晶体管无偏置，功率绕组也就无法馈电，所以这种无刷直流电机没有起动转矩； 其次，由于信号电动势的前沿陡度不大， 晶体管的功耗又大。为了克服这些弊病， 人们采用了离心装置的换向器， 或采用在定子上放置辅助磁钢的方法来保证电机可靠地起动。但前者结构复杂，而后者需要附加的起动脉冲。其后，经过反复的试验和不断的实践， 人们终于找到了用位置传感器和电子换相线路来代替有刷直流电机的机械换向装置， 从而为直流电机的发展开辟了新的途径。 20 世纪 60 年代

13、初期，接近开关式位置传感器、电磁谐振式位置传感器和高频耦合式位置传感器相继问世， 之后又出现了磁电耦合式和光电式位置传感器。 半导体技术的飞速发展，使人们对 1879 年美国人霍尔发现的霍尔效应再次发生兴趣，经过多年的努力，终于在 1962 年试制成功了借助霍尔元件（霍尔效应转子位置传感器）来实现换相的无刷直流电机 【 2】。在 20 世纪 70 年代初期，又试制成功了借助比霍尔元件的灵敏度高千倍左右的磁敏二极管实现换相的无刷直流电机。 在试制各种类型的位置传感器的同时，人们试图寻求一种没有附加位置传感器结构的无刷直流电机。1968 年，德国人 WMieslinger 提出采用电容移相实现换相

14、的新方法。在此基础上，德国人 RHanitsch 试制成功借助数字式环形分配器和过零鉴别器的组合来实现换相的无位置传感器无刷直流电机。永磁无刷电机是永磁无刷直流电机、永磁无刷交流同步电机、永磁无刷直线电机和永磁无刷力矩电机的总称。 永磁无刷电机具有很多优点， 因此已是目前微特电机发展主流 【 3】。我国对无刷直流电动机的研究起步较晚。 1987 年，在北京举办的联邦德国金属加工设备展览会上， SIEMENS 和 BOSCH 两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了国内有关学者的广泛注意， 自此国内掀起了研制开发和技术引进的第 2 页 共 41 页热潮。经过多年的努力，目前，国内已有无刷直

15、流电动机的系列产品，形成了一定的生产规模。1.3 本文研究的意义及主要内容无刷直流电机的应用十分广泛，如汽车、工具、工业工控、自动化以及航空航天等等。总的来说，无刷直流电机可以分为以下三种主要用途：(1)持续负载应用： 主要是需要一定转速但是对转速精度要求不高的领域，比如风扇、抽水机、吹风机等一类的应用，这类应用成本较低且多为开环控制。(2)可变负载应用： 主要是转速需要在某个范围内变化的应用，对电机转速特性和动态响应时间特性有更高的需求。如家用器具中的、 甩干机和压缩机就是很好的例子，汽车工业领域中的油泵控制、电控制器、发动机控制等，这类应用的系统成本相对更高些。(3)定位应用：大多数工业控

16、制和自动控制方面的应用属于这个类别，这类应用中往往会完成能量的输送， 所以对转速的动态响应和转矩有特别的要求，对控制器的要求也较高。测速时可能会用上光电和一些同步设备。过程控制、机械控制和运输控制等很多都属于这类应用 【4】。本文以直流无刷电机在血泵中的应用为背景，旨在在 MSP430 单片机的基础上实现对直流无刷电机的单闭环调速系统设计，最终实现多级精确调速的目的，设计中应对驱动电路，显示电路，电源电路以及控制算法进行设计和研究，最终完成一份具有一定实用价值的直流无刷电机控制系统设计方案。第 3 页 共 41 页2 设计主要部件介绍2.1 无刷直流电机介绍2.1.1 无刷直流电机组成无刷直流

17、电机与有刷直流电机相似，它具有旋转的磁场和固定的电枢。这样电子换相线路中的功率开关器件，如晶闸管，晶体管等可直接与电枢绕组连接。在电机内，装有一个转子位置传感器，用来检测转子在运行过程中的位置。它与电子换相线路一起，替代了有刷直流电机的机械换相装置。综上所述，无刷直流电机由电机本体，转子位置传感器和电子换相线路三大部分组成，如图2.1 所示。图 2.1无刷直流电机原理图2.1.2 无刷直流电机工作原理一般的永磁式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。由于电枢的换相作用，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

18、生最大转矩而驱动电动机不停的云转。 直流无刷电动机为了实现无电刷换相，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， 这与传统直流用词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，第 4 页 共 41 页只能 生固定磁 ， 它不能与运 只能 子磁 所 生的永磁磁 相互作用，以 生 一方向的 矩来 子做功。所以直流无刷 机除了由定子和 子 成 机本体以外， 要由位置 感器、 控制 路以及工具 开关共同构成的 相装置，使得直流无刷 机在运行 程中定子 所 生的的磁 和装洞中 子磁 生的永磁 ，在空 始 保持在（ /2）rad 左右的 角度

19、 【 9】。2.1.3 无刷直流 机主要工作方式（1）二二通 方式所 二二通 方式是指每一瞬 有两个功率管 通，每隔1/ 6 周期（ 60 角度） 相一次，每次 相一个功率管 通120 角度。各功率管的 通 序是VF1VF2 、 VF2VF3 、 VF3VF4 、 VF4VF5 、 VF5VF6 、 VF6VF1 。当功率管VF1和 VF2 通 ， 流从 VF1 管流入 A 相 ，再从 C 相 流出， VF2 回到 源。如果 定流入 的 流所 生的 矩 正， 那么从 流出所 生的 矩 ，它 合成的 矩如 3a 所示，其大小 3 Ta，方向在 Ta 和 Tc 的角平分 上。当 机 60后，由 V

20、F1VF2 通 成 VF2VF3 通 ， ， 流从VF3 流入 B 相 再从 C 相 流出， VF2 回到 源，此 合成的 矩如 3b所示，其大小同 3 Ta。但合成 矩 Tbc 的方向 了 60 角度。而后每 一次 通状 ，合成 矩矢量方向就随着 60 角度，但大小始 保持3 Ta不 。 3c 示出了全部合成 矩的方向。a） VF1 、V F2 导通时合成转矩b）VF2、 V F3 导通时合成转矩c）二二导通时合成转矩矢量图图 2.2联结绕组二二通电时的合成转矩矢量图所以，同 一台无刷直流 机，每相 通 与三相半控 路同 的 流 ，采用三相星形 全控 路， 在二二 相的情况下， 其合成 矩增

21、加了3 倍。每隔 60第 5 页 共 41 页 角度 相一次，每个功率管通 120，每个 通 240，其中正相通 和反相通 各 120，其 出 矩波形如 4 所示。由 4 可以看出，三相全控 的 矩波 比三相半控 小得多。图 2.3 全控桥输出波形图如将三只霍 感器按相位差120安装， 它 所 生的波形如 5 所示。其 相的控制 路可由一片74LS138 型 38 器和 74LS09、74LS38 两片 路构成，本系 采用无刷直流 机 用集成 路LM621 控制。图 2.4传感器输出波形（2）三三通 方式所 三三通 方式，是指每一瞬 均有三只功率管同 通 ，每隔60 相一次，每个功率管通 18

22、0。它 的 通次序是VF1VF2VF3 、VF2VF3VF4 、VF3VF4VF5 、 VF4VF5VF6 、 VF5VF6VF1 、 VF6VF1VF2 、 VF1VF2VF3 当 VF6VF1VF2 通 ， 流从 VF1 流入 A 相 ， B 相和 C 相 （ B、C两相 并 ）分 从 VF6 和 VF2 流出。 流 B 相和 C 相 的 流分 流 A 相 的一半，其合成 矩如 6a所示，其方向与 A 相相同，大小 1.5Ta。经过 60 角度后， 相到 VF1VF2VF3 通 ，即先关断 VF6 而后 通 VF3 （注第 6 页 共 41 页意，一定要先关 VF6 而后通 VF3，否则就

23、会出现 VF6 和 VF3 同时通电，则电源被 VF3 VF6 短路，这是绝对不允许的） 。这时电流分别从 VF1 和 VF3 流入，经 A 相和 B 相绕组（相当于 A 相和 B 相并联）再流入 C 相绕组，经 VF2 流出，合成转矩如图 6b 所示，其方向与 C 相相同，转子再转过 60电角度后大小仍为 1.5Ta。再经过 60电角度后，换相到 VF1VF2VF3 通电，而后依次类推，循环往复。它们的合成转矩矢量图如图 6c 所示。a） VF6VF1VF2 导通时的合成转矩b）VF1VF2VF3导通时的合成转矩c）三三通电时的合成转矩图 2.5三三通电时的合成转矩矢量图在这种通电方式里，

24、每瞬间均有三个功率管通电。每隔 60换相一次， 每次有一个功率管换相，每个功率管导通180。2.2 MSP430 单片机介绍2.2.1 MSP430单片机特点MSP430 是德州公司新开发的一类具有 16 位总线的带 FLASH 的单片机 ,由于其性价比和 集成度高 ,受到广大技术开发人员的青睐 .它采用 16 位的总线 ,外设和内存统一编址 ,寻址范围可达 64K,还可以外扩展存储器 .具有统一的中断管理 ,具有丰富的片上外围模块 ,片内有精密硬件乘法器、两个 16 位定时器、一个 14 路的 12 位的模数转换器、一个看门狗、 6 路 P 口、两路 USART 通信端口、一个比较器、一个

25、DCO 内部振荡器和两个外部时钟 ,支持 8M 的时钟 .由于为 FLASH 型,则可以在线对单片机进行调试和下载 ,且 JTAG 口直接和 FET(FLASH EMULATION TOOL) 的相连 ,不须另外的仿真工具 ,方便实用 ,而且 ,可以在超低功耗模式下工作 ,对环境和人体的辐射小 ,测量结果为 100mw 左右的功耗 (电流为 14mA 左右 ),可靠性能好 ,加强电干扰运行不受影响， 适应工业级的运行环境 【 11】,适合与做手柄之类的自动控制的设备.MSP430 系列单片机的主要优点就是低功耗， 所以在选择 MSP430 系列单片机设第 7 页 共 41 页计系统时，除了要考

26、虑外围电路的低功耗以外，还要根据系统要求选择合适的MSP430 单片机，但是我们原则是够用就可以，不提倡资源的浪费。2.2.2 单片机选型MSP43 有多种型号，MSP430F1XX,MSP430F2XX,MSP430F3XX,MSP430F4XX.其中， MSP430F1XX 系列和 MSP430F2XX 系列使用简单，性价比高，实际应用广泛； MSP430F3XX 是 TI 最早推出的产品，片内资源丰富，但是没有FLASH 存储技术，价格比较高，性价比不高；MSP430F4XX 既有段式液晶的驱动能力，片内资源丰富，又有FLASH 存储技术的支持，但是它的价格太高。基于本系统的设计要求，

27、MSP430F2XX 只有两个端口，显然是不够的。MSP430F3XX 在本电路中只有 P1 可以用，这显然不合适。 MSP430F4XX 端口较多，但是我们选择够用就行，并且 MSP430F1XX 的端口较多，包括多个高性能数据转化器，接口和乘法器，所以本次设计选择 MSP430F1XX 。MSP430F1XX 又有好几个子系列： MSP430F11X,MSP430F12X,MSP430F13X 以及 MSP430F14X。相比之下 MSP430F14X 的功耗最低，高速晶振为 8Mhz，具有 12 位的 200kb/s 的 AD, 自带保持方式，多种转换方式，多大 60KB FLASH 和

28、 2KB RAM. 故此选用 MSP430F14X。MSP430F14X 中的 X 代表存储容量，从 09 对应的存储器容量越大，故本系统所采用的MSP430 型号为 MSP430F149.MSP430F14X 其中 F 代表 FLASH ，14 代表具有 ADC12 ，硬件乘法器等外围模块， 9 代表存储容量为 60KB 【 14】 。MSP430F149 主要有一下模块，基础时钟，看门狗，定时器，TimerA 与 TimerB,6个 8 位并行端口（其中 P1， P2 具有中断功能），模拟比较器， 1 个硬件乘法器， 1个 FLASH 以及 2KB 的 RAM.MSP430F149 的特性

29、：1）超低功耗2）5 中节电模式3）基本时钟模块配置4）具有捕获 /比较寄存器的 16 位定时器 TimerA 与 TimerB5）具有温度传感器6）12 位 200KB/s 的 AD, 自带采样保持，多种转换方式第 8 页 共 41 页7）串行通信接口可用于异步或者同步8）硬件乘法器9）多大 60KB FLASH ROM和 2KB RAM2.2.3 MSO430F149介绍MSP430F149 引脚图如图 6 所示。图 2.6 MSP430F149 引脚图因为 MSP430F149 的引脚较多所以在此只将用到的引脚做以下说明。P1.0/TACLK 普通数字 I/O 引脚 /Timer-A,

30、时钟信号 TACLK 输入。P1.1/TA0-普通数字 I/O 引脚 / Timer-A, 捕获；CCI0 输入，比较：OUT0 输出。P1.2/TA1-普通数字 I/O 引脚 /Timer-A, 捕获； CCI1 输入，比较： OUT1 输出。P1.3/TA2-普通数字 I/O 引脚 / Timer-A, 捕获；CCI2 输入，比较：OUT2 输出。P1.4/SMCLK - 普通数字 I/O 引脚 / SMCLK 信号输入。P1.5/TA0-普通数字 I/O 引脚 / Timer-A, 比较： OUT0 输出。P1.6/TA1-普通数字 I/O 引脚 /Timer-A, 比较： OUT1 输

31、出。P1.7/TA2-普通数字 I/O 引脚 /Timer-A, 比较： OUT2 输出。P2.0/ACLK - 普通数字 I/O 引脚 / ACLK 输出。第 9 页 共 41 页P2.1/TAINCLK - 普通数字 I/O 引脚 /Timer-A, 时钟信号 TAINCLKP2.2/CAOUT/TA0- 普通数字I/O 引脚 /Timer-A ：捕获： CCI0B 输入 /比较器 -A输出。P2.3/CA0/TA1 - 普通数字 I/O 引脚 / Timer-A: 比较：OUT1 输出 /比较器 -A 输出。P2.4/CA1/TA2 - 普通数字 I/O 引脚 /Timer-A: 比较：

32、 OUT2 输出 /比较器 -A 输出。P2.5/Rosc普通数字 I/O 引脚 /定义 DOC 标称频率的外部电阻输入。P2.6/ADC12CLK - 普通数字 I/O 引脚 /转换时钟 -12 位 ADC 。P3.0/SET0 -普通数字 I/O 引脚 /从发送使能 -USART0/SPI 方式。P3.1/SIMO0 -普通数字 I/O 引脚 /从输入 /主输出 - USART0/SPI 方式。P3.2/SOMI0 -普通数字 I/O 引脚 /从输出 /主输入 - USART0/SPI 方式。P3.3/UCLK0 - 普通数字 I/O 引脚 /外部时钟输入 - USART0/UART/SP

33、I 方式。P3.4/UTXD0 - 普通数字 I/O 引脚 /发送数据输出 - USART0/UART 方式。P3.5/URXD0 - 普通数字 I/O 引脚 /接收数据输出 - USART0/UART 方式。RST/NMI-复位输入，非屏蔽中断输入端口，或引导装载程序启动（FLASH器件）。XIN - 晶体振荡器 XT1 的输入端口，可以连接标准晶体。XOUT - 晶体振荡器 XT1 的输出端口。XT2IN - 晶体振荡器 XT2 的输入端口，只能连接标准晶体。XT2OUT - XT2 的输出端口。Vcc - 电源正端。Vss -电源负端。2.3 LM621 介绍LM621 的特点：三相和四相无刷直流电动机兼容双极性驱动三相三角形联结或星形联结绕组单极性驱动三相有中心抽头的星形联结绕组三相电动机位置传感器空间间距30或 60四相电动机位置传感器空间间距90第 10 页 共 41 页输出端直接驱动双极型功率管（可提供35mA 基极电流）或 M