基于单片机的无刷直流电机控制系统的研究与设计(编辑修改稿)

基于单片机的无刷直流电机控制系统的研究与设计(编辑修改稿)内容摘要：

2Ax 系列MCU（单片机），该单片机是该公司设计、生产的高性能 8 位系列 MCU，其指令系统与 MCS51 兼容，内部功能、引脚功能、引脚排列以及引脚的电气特性与 AT89S52 基本兼容。 LS052A 系列 MCU 采用新型的发明专利技术 L 体系结构技术实现了多核并发处理引擎，支持同时并发地执行三道程序。 LS 主要功能特性 LS052Ax 片内包含 2K～ 64K 字节程序存储器 (Flash)， 1K～ 16K字节数据存储器 (SRAM)， 4 个 16 位定 时 /计数器， 16 个中断源 /两级中断机制，并发三道处理引擎， 36 个 I/O 端口驱动器， 2 个全双工串行通信端口， 1个 SPI 主从模式通信端口， 2 个 I2C 主从模式通信端口， 1 个一线通信主模式通信端口， 7 通道空间矢量 SVPWM， 4/8 路 10 位精度 ADC， 1 个可编程看门狗，振荡器及时钟电路。 LS052Ax 的工作频率为 0Hz～ 40MHz，并支持空闲 1，空闲 2 和掉电三种软件可设置的节电工作方式。 空闲方式 1 仅停止 CPU 的工作，但维持 SRAM、定时器 /计数器、串行通信口等外设机制继续工作；空闲方式2 停止振荡器工作，切断片内所有 时钟， SRAM 中的内容维持不变。 掉电模式切断片内所有供电线路，仅维持唤醒值班模块工作， SRAM 中的内容维持不变，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 LS052Ax 采用新型的发明专利技术 L 体系结构技术，实现了多核多任务并行处理，可以只运行单道程序，也可同时执行关联或非关联的三道程序。 执行 1 道程序的性能是兼容芯片的 倍，同时执行三道程序的处理能力最高可达到兼容芯片的 倍。  新型体系结构－ L 结构 [在此处键入 ] 9  3 核并发处理引擎，可并发执行 3 道程序  指令兼容 MCS51  每个指令周期为 6 个 时钟周期  2～ 64KB 内部 Flash 程序存储器， 20200 次擦写周期  2～ 16KB 内部 SRAM  宽电压： ～ 工作电压  0Hz～ 40MHz 工作频率  两级程序存储器加密机制  36 个可编程 I/O 端口， 20mA 吸入电流，可直接驱动 LED  2 级中断机制  16 个中断源， 2～ 4 个外部中断  4 个 16 位定时器 /计数器  2 个全双工 UART 通信端口  空间矢量 PWM(SVPWM), 3 相双向 6 路， 1 路启停控制  4/8 路 10 位精度 ADC，转换速率 200KBPS  1 个可编程看门狗  支持自编程功 能  SPI 编程接口  温度范围：－ 45 ℃～＋ 85℃ 本次设计选用该芯片的缘由 本次设计的控制芯片是 由 xxx 有限公司提供的， 该公司是 LS 系列芯片的西北代理，该公司经理介绍，这款芯片是一款 51 内核的 8 位单片机，但其性能远远超越 51 单片机，在某种程度上可以和 DSP 等控制芯片媲美，可以满足本次设计的要求，更重要的是它的价格很低，具有很大的发展潜力。 [在此处键入 ] 10 系统控制策略分析论证 无刷直流电机的控制方法 a. 有位置传感器控制方式 有位置传感器控制方式，指在无刷直流电机定子上安装位置传感器来检测转子在运转过程中的位置，将转子磁极的位置信号转换成电信号，为电子换相电路提供正确的换相信息，来控制电子换相电路中的功率器件的开关状态，保证电机各相绕组按顺序导通，在空间形成跳跃式的旋转磁场，驱动永磁转子连续不断地旋转。 霍尔位置传感器是目前比较成熟的 IC 器件，具有体积小、简单可靠、安装灵活方便、易于实现机电一体化等优点，是目前应用最为广泛的位置传感器。 b. 无位置传感器控制方式 无位置传感器控制方式是指无刷直流电机不直接安装转子位置传感器，但在电机运转过程中，控制电机换相的转子位置信号还是需要检测的， 因此，无刷直流电机无位置传感器控制研究的关键是架构转子位置信号检测电路，通过软硬件间接获得可靠的转子位置信号。 为此，国内外的研究人员进行了大量的研究工作，提出了很多种位置信号检测方法，大多是利用检测定子电压、电流等容易获取的物理量进行转子位置的估算，其中较为成熟的有 : 反电势过零点检测法 , 反电势 3 次谐波积分法 , 续流二极管法 等 [2]。 两种控制方式的比较 a. 有位置传感器 优点： (1) 因为有霍尔位置传感器，所以电机换相准确，转子位置检测的准确度不受电机转速的影响； (2) 不需要外加的转子位置检测电路， 硬件电路简单； (3) 电机换相控制编程简单，不需要处理滤波延迟等问题。 [在此处键入 ] 11 缺点： (1) 增大了电机的体积。 安装了位置传感器后，一方面电机结构变复杂了，另一方面电机的体积相对来说变大了，妨碍了电机的小型化； (2) 增加了电机成本。 容量在数百瓦以下的小容量方波型无刷直流电机常用的霍尔 位置传感器的成本相对于电机本体来说所占比例比较大； (3) 传感器的输出信号易受到干扰。 传感器的输出信号都是弱电信号，在高温、冷冻、湿度大、有腐蚀物质、空气污浊等工作环境及振动、高速运行等工作条件下，都会降低传感器的可靠性。 若传感器损坏，还可能连锁反应引起逆变 器等器件的损坏； (4) 传感器的安装精度对电机的运行性能影响很大，相对增加了生产工艺的难度。 b. 无位置传感器 优点： (1) 降低成本，减小电机的体积； (2) 抗干扰能力强，能在高温、湿度大、有腐蚀物质、空气污浊的环境中工作； (3) 无传感器安装的问题，减小电机的生产难度。 缺点： (1) 如反电势法等转子位置检测方法在低速时检测准确度都不高，需要其他方法辅助电机起动； (2) 由于各种滤波、比较电路引起的相位延迟必须在算法中加以补偿，所以算法编程难度较大； (3) 由于架构了转子位置检测电路，所以增加了硬件的复杂性。 本次设计所采用的方法 本次设计本着设计一款低成本的控制器的宗旨，在认真分析各种控制方式的优缺点之后，选择了无传感器方式下的 基于 SPWM 的变压变频开环控制方法， SPWM 生成的方式采用规则采样法，并且为了克服一些[在此处键入 ] 12 其他方面的不足，采用较为复杂的分段同步调制。 这种方法与传统的无刷直流电机控制方法有所不同，它 一般 用来控制异步电机和同步电机的[5]，但由于小功率无刷直流电机的空间磁场接近正弦波 [6]，可以当作永磁同步电机来控制，故本次设计采用变压变频控制方法。 这种控制方法被广泛应用于调速性能要求不高的场合 [8]。 这种方法是利用逆变器产生 频率逐渐增加的三相互差 120 度的交流电压，三相交流电加在电机定子绕组上产生三相正弦电流进而在电机部产生内圆形旋转磁场，此圆形旋转磁场与电机转子永磁体所产生的磁场互相作用带动转子旋转，最终达到电机的同步运行。 [在此处键入 ] 13 第 3 章 PSIM 仿真 PSIM 仿真框图 如图 31 所示为 SPWM 调制波的 PSIM 仿真框图， 其中比较器模块的输出模拟单片机发出波形，主电路同实际电路相同， 三相对称阻感负载模拟电机，其参数和实际电机参数相同。 图 31 PSIM 仿真图 [在此处键入 ] 14 仿真波形 及分析 载波比 N=63 如图 32（ a）所示为载波比 N=63 时电机的三相电流波形，可以看出电流波形 比较光滑 接近正弦波。 如图 32（ b）为三相电流波形的 FFT 分析，可以看出，电流波形仅含载波频率整数倍次 附近频率的谐波 ， 谐波次数 高 且幅值低 ，对电机影响较小。 图 32（ a）电机三相电流波形 图 32（ b）电机三相电流波形 FFT 分析 如图 33 所示为电机三相电压仿真波形， 可以看到， 输出波形和理论分析一致为“品”字波形 且三相 电压互差 120 度。 [在此处键入 ] 15 图 33 电机三相电压仿真波形 如图 34 所示为单片机发出 SPWM 波形仿真 ，可以看出，波形比较密集，开关频率高。 图 34 单片机发出波形仿真 载波比 N=33 如图 35（ a）所示为载波比 N=33 时电机的三相电流波形，可以看出电流波形接近正弦波 ，相比 N=63 该波形 没有那么平滑。 如图 35（ b）为三相电流波形的 FFT 分析，可以看出，电流波形仅含载波频率整数倍次 附近频率谐波 ， 谐波次数较高， 幅值较低， 对电机影响较小。 [在此处键入 ] 16 图 35（ a） N=33 时电机三相电流波形 图 35（ b） N=33 时电机三相电流波形 FFT 分析 如图 36 所示为电机三相电压仿真波形， 可以看出，输出波形相比变得稀疏，波 形仍为“品”字波形 ，相位保持不变。 [在此处键入 ] 17 图 36 电机三相电压仿真波形 如图 37 所示为单片机发出 SPWM 波形仿真 ，可以看到波形相对稀疏，开关频率 降 低 ，这有效中和了调制波频率增加带来的开关频率加大。 图 37 单片机发出波形仿真 载波比 N=21 如图 38（ a）所示为载波比 N=21 时电机的三相电流波形，电流波形接近正弦波 但相比来 说波形变得更为粗糙 ，这是因为载波比减小的缘故。 如图 38（ b）为三相电流波形的 FFT 分析，可以看出，电流波形 含载波频率整数倍次 附近频率谐波 ，谐波幅值 相比有所增加 但仍然可以 接受。 [在此处键入 ] 18 38（ a） N=21 时三相电流波形 38（ b） N=21 时三相电流波形 FFT 分析 如图 39（ a）所示为电机三相电压仿真波形 ，可以看出，输出波形形状良好， 相比变得更为稀疏。 [在此处键入 ] 19 图 39 三相电压仿真波形 如图 310 所示为单片机发出 SPWM 波形仿真，可以看到波形相对稀疏，开关频率更低 ， 可以看到减小载波比减小了开关频率，降低了单片机的压力，但同时是以牺牲精度为代价的。 图 310 单片机管脚发出波形仿真 仿真总结 此次仿真采用 PSIM 软件，该软件绘制原理图方便，容易上手， 仿真主要对控制系统的原理进行了仿真。 此次设计采用的基本原理是 SPWM 调制波形，在仿真中，采用比较器来生成 SPWM 波形，其正向输入为调制波即正弦波，反向输入为载波即三角波，当调制波大于载波时输出为高，当调制波小于载波时输出为[在此处键入 ] 20 低。 实际上仿真中采用的方法是严格的自然采样法，这种方法生成 SPWM是最接近理想值得，然而在实际中用单片机发出 SPWM 波形是采用规则采样法。 两种方法都能很好生成 SPWM 波形，只是规则采样法精度比自然采样法稍逊，但是对于单片机来说，规则采样法的计算速度远远高于自然采样法的计算速度，这是因为自 然采样法在求解的过程中需要解出超越方程的根。 另外，本次设计采用分段同步调制，仿真中对不同的 载波比都进行了仿真，从结果可以看出，仿真结果和理论分析几乎相差无几，这对后面的硬件调试起到了很好的指导作用。 [在此处键入 ] 21 第 4 章 系统的硬件设计 硬件系统总体设计 硬件系统包括单片机控制模块， PCB 电源模块，驱动电路模块以及三相逆变电路模块。 总体框图如图 41 所示： LS 0 5 2 AX6 路 P W M 波形驱动电路 逆变电路12v直流电源M降压为 10 v降压为 5 v图 41 系统总体框图 电源模块设计 直流电源采用常用的 12v 电源模块，经过两个降压芯片 7815 和 7805降压分别得到 5v 直流给单片机供电，和 10v 直流给驱动电路供电，同时12v 直流电作为逆变电路的直流侧电压源。 电源模块部分电路图如 42 所示： 图 42 电源模块电路图 [在此处键入 ] 22 单片机控制模块 单片机控制模块主要 应用了 LS0T52AX 的全比较单元模块，生成 6路 PWM 波形 （ P20P25） 作为驱动电路的输入。 单片机控制模块部分电路图如 43 所示： 图 43 单片机控制模块 驱动电路设计 IR2101 是双通道、栅极驱动、高压高速功率驱动器，该器件采用了高度集成的电平转换技术，大大简化了 逻辑电路对功率器件的控制要求，同时提高了驱动电路的可靠性。 同时上管采用外部自举电容上电，使驱动电源数目较其他 IC 驱动大大减少，在工程上减少了控制变压器体积和电源数目，降低了产品成本提高了系统可靠性。 IR2101 主要特性包括：悬浮通道电源采用自举电路；功率器件栅极驱动电压范围 10～ 20 V；逻辑电源范围 5～ 20V，且逻辑电源地和功率地之间允许 +5V的偏移量；独立的低端和高端输入通道。 美国 IR 公司生产的 IR。