基于msp430单片机的直流无刷电机控制系统设计

基于msp430单片机的直流无刷电机控制系统设计内容摘要：

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 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 8 页 共 41 页 计系统时，除了要考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。 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， 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 2KB MSP430F14X。 MSP430F14X 中的 X 代表存储容量，从 0~9 对应的存储器容量越大，故本系统所采用的 MSP430 型号为 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： 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 TimerB 5） 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 9 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 RAM MSO430F149 介绍 MSP430F149 引脚图如 图 6 所示。 图 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。 —普通数字 I/O 引脚 /TimerA,时钟信号 TACLK 输入。 ,捕获； CCI0 输入，比较： OUT0 输出。 ,捕获； CCI1 输入，比较： OUT1 输出。 ,捕获； CCI2 输 入，比较： OUT2 输出。 ,比较： OUT0 输出。 ,比较： OUT1 输出。 ,比较： OUT2 输出。 第 10 页 共 41 页 ,时钟信号 TAINCLK ：捕获： CCI0B 输入 /比较器 A输出。 :比较： OUT1 输出 /比较器 A 输出。 :比较： OUT2 输出 /比较器 A 输出。 —普通数字 I/O 引脚 /定义 DOC 标称频率的外部电阻输入。 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。 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 30176。 或 60176。 四相电动机位置传感器空间间距 90176。 第 11 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 MOSFET 功率器件 有可调死区时间及其时钟振荡器 直接与 PWM 信号接口和霍尔位置传感器接口 欠电压封锁 涡轮流量计介绍 流体流经传感器壳体，由于叶轮的叶片与流向有一定的角度，流体的冲力使叶片具有转动力矩，克服摩擦力矩和流体阻力之后叶片旋转，在力矩平衡后转速稳定，在一定的条件 下，转速与流速成正比，由于叶片有导磁性，它处于信号检测器（由永久磁钢和线圈组成）的磁场中，旋转的叶片切割磁力线，周期性的改变着线圈的磁通量，从而使线圈两端感应出电脉冲信号，此信号经过放大器的放大整形，形成有一定幅度的连续的矩形脉冲波，可远传至显示仪表，显示出流体的瞬时流量和累计量。 在一定的流量范围内，脉冲频率 f 与流经传感器的流体的瞬时流量 Q 成正比，流量方程为： Q=3600f/k 式中： f——脉冲频率 [Hz]； k——传感器的仪表系数 [1/m3]，由校验单给出。 若以 [1/L]为单位 Q=f/k Q——流体的瞬时流量（工作状态下） [m3/h]； 3600——换算系数。 每台传感器的仪表系数由制造厂填写在检定证书中， k 值设入配套的显示仪表中，便可显示出瞬时流量和累积总量。 脉宽调制技术介绍 在 PWM 驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。 通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。 也正因为如此， PWM 又被称为“开关驱动装置”。 如图 所示。 第 12 页 共 41 页 图 PWM 占空比原 理 设电机始终接通电源时，电机转速最大为 Vmax，设占空比为 D= t1 / T，则电机的平均速度为 Va = Vmax * D，其中 Va 指的是电机的平均速度； Vmax 是指电机在全通电时的最大速度； D = t1 / T 是指占空比。 由上面的公式可见，当我们改变占空比 D = t1 / T 时，就可以得到不同的电机平均速度 Vd，从而达到调速的目的。 严格来说，平均速度 Vd 与占空比 D 并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。 本次设计采用定频调宽方式。 第 13 页 共 41 页 3 直流无刷电机的模糊 PI 控制 模糊控制器在直流无刷调速系统中的应用 常见的直流无刷调速系统采用双闭环控制，即速度环，电流环控制。 传统上采用 PI 控制，结构简单，可靠稳定，但是它难以克服负载模型参数等发生大范围变化时以及非线性因素的影响。 因而无法满足高性能高精度的场合要求 【 14】。 而自适应 PI 控制器则结构复杂，计算量大，实时性差，在快速运动控制中收到一定的限制。 将模糊控制器直接应用于直流无刷调速系统速度控制，则可以充分发挥模糊控制器适应于非线性时变系统，滞后系统的优点，取得好 的控制效果和强的鲁棒性，且因不需建立被控系统的数学模型设计方便。 直流无刷电动机数学模型 以二相导通星形三相六状态为例，分析 BLDC 的数学模型及电磁转矩等特性。 为了便于分析，假定： a)三相绕组完全对称，气隙磁场为方波，定子电流、转子磁场分布皆对称； b)忽略齿槽、换相过程和电枢反应等的影响； c)电枢绕组在定子内表面均匀连续分布； d)磁路不饱和，不计涡流和磁滞损耗。 则三相绕组的电压平衡方程可表示为： cbacbatcbaeeeiiiMLMLMLddrrruuu000000iii000000cba ① 式中： 错误 !未找到引用源。 ， bu ， cu 为定子相绕组电压 (V)； 错误 !未找到引用源。 ， bi ， ci 为定子相绕组电流 (A)； 错误 !未找到引用源。 ， be ， ce 为定子相绕组电动势 (V)； L 为每相绕组的自感 (H)； M 为每相绕组间的互感 (H)。 三相绕组为星形连接，且没有中线，则有 ai +bi +ci =0 ② 错误 !未找到引用源。 ai +Mbi +Mci =0 ③ 第 14 页 共 41 页 得到最终电压方程 ： cbacbatcbaeeeiiiMLMLMLddrrruuu000000iii000000cba ④ 错误 !未找到引用源。 L ML ML Mrrri ai bi ce ae ce b 图 无刷直流电机的电磁转矩方程与普通直流电动机相似，其电磁转矩大小与磁通和电流幅值成正比  1ccbbaae ieieieT  ⑤ 所以控制逆变器输出方波电流的幅值即可以控制 BLDC 电机的转矩。 为产生恒定的电磁转矩，要求定子电流为方波，反电动势为梯形波，且在每半个周期内，方波电流的持续时间为 120176。 电角度，梯形波反电动势的平顶部分也为 120176。 电角度，两者应严格同步。 由于在任何时刻，定子只有两相导通，则： 电磁功率可表示为： ssccbbaae IEieieieP 2 ⑥ 电磁转矩又可表示为：  SSee IEPT 2 ⑦ 无刷直流电机的运动方程为：   JPddJBTT tLe  ⑧ 第 15 页 共 41 页 其。