基于arm9的直流电机控制系统设计

基于arm9的直流电机控制系统设计内容摘要：

下功能 :对各种输入信号进行逻辑综合，为驱动电路提供各种控制信号。 产生 PWM脉宽调制信号，实现电机的调速。 实现短路、过流、欠压等故障保护功能。 控制 器是电动自行车的驱动系统，它是电动自行车的大脑。 其主要作用是在保证电动自行车正常工作的前提下，提高电机和蓄电池的效率、节省能源、保护电机及蓄电池，以及降低电动自行车在受到破坏时的损伤程度。 目前，市场上常用的电动自行车无刷直流电机控制器主要采用专用集成电路为主控芯片，像 MOTOLORA公司研制的专用集成电路 MC33035，其针对无刷电机的控制要求，将控制逻辑集成在芯片内，一般该类控制器称为模拟式控制器，其工作原理是用电子装置代替电刷控制电机线圈电流换向，根据电机内的位置传感器(霍尔传感器 )信号，决定换相的顺 序和时间，从而决定电机的转向和转速。 该控制系统的缺点是智能性差，保护措施有限，系统升级空间小。 本设计采用单片机作为主控芯片，用编程的方法来模拟无刷电机的控制逻辑，其特点是使用灵活，通过修改程序可适应不同规格的无刷电机，增加系统功能方便，通常将此类控制器称为数字式控制器。 近几年，国外一些大公司纷纷推出较 MCU性能更加优越的 DSP(数字信号处理器 )芯片电机控制器，如 ADI公司的 ADMC3xx系列， TI公司的 TMS320C24 系列及 Motorola公司的 DSP56F8xx系列，都是由一个以 DSP为基 础的内核，配以电机控制所需的外围功能电路，集成在单一芯片内，使体积缩小，结构紧凑，使用便捷，可靠性提高。 但是这些专用芯片价格昂贵，外围电路设计复杂，在广大的民用市场无法大规模推广应用。 无刷电机控制方法主要分为有位置传感器控制和无位置传感器控制两种。 在有位置传感器的控制方法中，现今，由于霍尔传感器性价比高，安装 方便，被广泛应用作为无刷直流电机的位置传感器。 当前，国内外对无刷直流电机无位置传感器的控制方法主要有反电势法、定子三次谐波法、续流二极管检测法、脉冲检测法神经网络控制法等。 但是由于无位置传感器控制 方法在低速时无法实现精确的速度调制，所以现阶段在电动车领域只是处于研究阶段，无法推广到工业生产当中。 无刷直流电动机控制系统组成框图 基于 ,可绘出无刷直流电动机控制系统框图 ,如图 21所示 : 图 21 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的要求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压、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 主要有电流采样电路、电压比较电路、过电流保护电路、调速信号和制动信号等输入电路。 第 3章 无刷直流电动机硬件设计 逆 变主电路设计 功率开关主电路 图 31 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。 逆变开关元件选择和计算 MOSFET在 1960年由贝尔实验室（ Bell Lab.）的 D. Kahng和 Martin Atalla首次实 验 成功， 这种元件的操作原理和 1947年萧克莱（ William Shockley）等人发明的双载子晶体管（ Bipolar Junction Transistor, BJT）截然不同，且因为制造成本低廉与使用面积较小、高整合度的优势，在大型积体电路（ LargeScale Integrated Circuits, LSI）或是超大型积体电路（ Very LargeScale Integrated Circuits, VLSI ）的领域里，重要性远超过 BJT。 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 31 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=，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。 2 / 301 Idt  ，通过计算可得 I=， 额定电压 UH=36V，峰值电压应有一个百分之 40的余量所以 UM=UH*=36*= 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。 逆变开关管驱动电路设计 IR2110 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 5 V～ 20 V ,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 5 V和 + 5 V 的偏移量 ,并且能屏蔽小于 50 ns 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 500 V ,工作频率可达到 500 kHz。 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 32所示。 表 32 IR2110 工作参数 参数 最小值 / V 最大值 / V VB VS + 10 VS + 20 VS 4 500 HO VS VB VCC 10 20 LO 0 VCC VDD VCC + 4. 5 VCC + 20 VSS 5 + 5 HIN ,SD ,LIN VSS VDD (3)IR2110内 部功能如图 32所示： 图 32 IR2110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 Nc （引脚 8） :空端 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 Nc （引脚 14） :空端 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。 逻辑输入采用带有，以提高抗扰能力。 高抗噪声平移位电路将逻辑信号送到输出驱动级。 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。 输出驱动 MOSFET接成源极跟随器，另一只输出驱动 MOSFET接成共源极电路，高端的脉冲发生器驱动 HV电平转化器并触发 RS闩锁置位或复位。 由于每个高电压 DMOS电平转换器仅在 很狭窄的脉冲持续期内才导通，所以功率很低。 自举电路原理 图 33 驱动电路 以一相为例，如图 33所示，当下管导通上管截止时， IR2110LO输出为高，HO为低，隔离二极管导通，自举电容 C8充电，三极管 C极电压近似等于电源正极电压；当下管截止上管导通时，隔离二极管 D2截止，自居电容 C8储存的电荷给三极管 C极供电， IR211HO为高，三极管导通，驱动 MOSFET管栅极，使上管保持导通。 单片机的选择 目前，市场上有很多无刷电机专用控制芯片，大部分电动车生产厂商采用Motorola公司的 MC3303无刷电机专用控制芯片，它具有 无刷直流电机控制系统所需要的基本功能。 本设计采用 PIC16F72单片机作为主控芯片，不仅可以实现专用控制芯片 MC33035的全部功能，而且容易实现系统扩展，通过软硬件设计，实现多功能的电机控制。 单片机选择依据： (1)性能因素。 通过对该系统分析， 8位单片机可以满足系统控制精度的要求。 由于整个系统有多种模拟参数需要转换成数字量，因此选用的单片机应该有多通道 A/D转换模块。 在无刷电机控制中。