专利名称：基于dsp的无刷直流电机控制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电机控制技术领域，特别是涉及基于DSP的无刷直流电机控制装置。
背景技术：
与交流电机相比，直流电机具有运行效率高和调速性能好等优点。但传统的直流电机采用电刷-换向器结构，以机械方式进行换向，不可避免地存在噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，大大限制了它的应用范围。无刷直流电机是在保持传统直流电机的优良特性的基础上去掉机械式电刷而发展起来的新型电机，是一种典型的机电一体化产品。它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。无刷直流电机控制大体可分为两种方式，即带位置传感器方式和无位置传感器方式。带位置传感器控制方式，指在无刷直流电动机定子上安装位置传感器检测转子在运转中的位置。无位置传感器控制方式一般指的是无机械位置传感器，即不直接在无刷直流电动机的定子上安装位置传感器检测转子位置。但是，现有技术中无刷直流电机的控制部分抗干扰性能较差，导致系统工作不稳定。
发明内容
本发明实施例的目的是提供基于DSP的无刷直流电机控制装置，以克服现有技术中无刷直流电机的控制部分抗干扰性能较差，导致系统工作不稳定的缺陷。为达到上述目的，本发明实施例的技术方案提供基于DSP的无刷直流电机控制装置，所述装置包括位置传感器、DSP (Digital Signal f^rocessor,数字信号处理器)控制器和驱动及逆变电路；所述位置传感器，安装在无刷直流电机的定子上，用于检测所述无刷直流电机的转子在运转中的位置信息，并将所述位置信息发送到所述DSP控制器；所述DSP控制器，用于根据所述位置传感器发送的相邻的位置信息及获取所述相邻位置信息的时间， 得到所述无刷直流电机的实时转速；并将所述实时转速与预先设定的目标转速进行比较， 根据比较结果向所述驱动及逆变电路发送控制信号；所述驱动及逆变电路，用于根据所述 DSP控制器的控制信号，对所述无刷直流电机的转速和旋转方向进行控制。其中，所述装置还包括键盘电路，用于所述无刷直流电机的启动和停止、旋转方向的切换和转速的设定；所述键盘电路包括键盘驱动芯片和多个按键，所述多个按键含有功能按键和普通按键。其中，所述装置还包括数码管显示电路，用于在数码管上显示提示信息和所述无刷直流电机的实时速度；所述数码管显示电路包括数码管驱动芯片、多个共阴式连接的数码管和与每个数码管串联的限流电阻。其中，所述装置还包括检测电路，用于检测所述驱动及逆变电路输出到所述无刷直流电机的电流和电压，所述DSP控制器根据所述检测电路检测到的电流和电压，对所述无刷直流电机进行过压保护和过流保护。
其中，所述驱动及逆变电路包括由六只功率管构成三相六臂全控桥，采用两两通电方式或者三三通电方式，驱动所述无刷直流电机的三相绕组。其中，所述DSP控制器包括PWM (Pulse Width Modulation，脉宽调制)模块，用于生成并向所述驱动及逆变电路发送PWM控制信号；并根据所述无刷直流电机的实时转速与预先设定的目标转速的比较结果，对所述PWM控制信号的占空比进行调整。其中，所述装置还包括隔离电路，所述隔离电路包括多个光电耦合器，设置在所述 PWM模块与所述驱动及逆变电路之间，用于对所述PWM模块与所述驱动及逆变电路进行电隔1 °与现有技术相比，本发明的技术方案具有如下优点
本发明的基于DSP的无刷直流电机控制装置利用DSP控制器的高性能数据处理能力和丰富的外设接口，实现了一套基于DSP适用于无刷直流电机的转速闭环控制系统。该装置抗干扰性能较好，系统工作稳定。
图1是本发明的基于DSP的无刷直流电机控制装置的结构示意图。图2是本发明实施例的基于DSP的无刷直流电机控制装置的示意图。图3是本发明实施例的无刷直流电机的DSP控制系统示意图。图4是本发明实施例的EEPROM存储空间扩展示意图。图5是本发明实施例的与M812的电路连接图。图6是本发明实施例的按键、拨码开关及LED灯连接原理图。图7是本发明实施例的JTAG仿真器接口原理图。图8是本发明实施例的通用I/O接口原理图。图9是本发明实施例的存储器扩展原理图。图10是本发明实施例的PWM和AD部分原理图。图11是本发明实施例的串口电路原理图。图12是本发明实施例的电源转换电路原理图。图13是本发明实施例的无刷直流电机调速控制系统的原理图。图14是本发明实施例的三相全桥逆变电路原理图。图15是本发明实施例的隔离电路原理图。图16是本发明实施例的顶2136驱动三相六臂桥电路连接图。图17是本发明实施例的对霍尔输出进行阻容滤波的原理图。图18是本发明实施例的电流检测电路原理图。图19是本发明实施例的直流母线电压检测电路原理图。图20是本发明实施例的键盘及数码管显示电路原理图。图21是本发明实施例的键盘按键显示流程图。图22是本发明实施例的主程序流程图。图23是本发明实施例的电机在设定转速为1500r/min时霍尔信号的波形图。图M是将图23波形放大后进行的时间测量波形图。
具体实施例方式下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。本发明的基于DSP的无刷直流电机控制装置的结构如图1所示，包括位置传感器、 DSP控制器、驱动及逆变电路、键盘电路、数码管显示电路、检测电路和隔离电路。其中，所述DSP控制器分别与所述位置传感器、隔离电路驱动及逆变电路、键盘电路、数码管显示电路和检测电路连接，所述驱动及逆变电路分别与隔离电路和无刷直流电机连接，所述无刷直流电机分别与位置传感器和检测电路连接。所述位置传感器，安装在无刷直流电机的定子上，用于检测所述无刷直流电机的转子在运转中的位置信息，并将所述位置信息发送到所述DSP控制器。所述DSP控制器，用于根据所述位置传感器发送的相邻的位置信息及获取所述相邻位置信息的时间，得到所述无刷直流电机的实时转速；并将所述实时转速与预先设定的目标转速进行比较，根据比较结果向所述驱动及逆变电路发送控制信号。所述驱动及逆变电路，用于根据所述DSP控制器的控制信号，对所述无刷直流电机的转速和旋转方向进行控制。所述驱动及逆变电路包括由六只功率管构成三相六臂全控桥，采用两两通电方式或者三三通电方式，驱动所述无刷直流电机的三相绕组。所述DSP控制器包括PWM模块，用于生成并向所述驱动及逆变电路发送PWM控制信号；并根据所述无刷直流电机的实时转速与预先设定的目标转速的比较结果，对所述PWM控制信号的占空比进行调整。所述隔离电路，包括多个光电耦合器，设置在所述PWM模块与所述驱动及逆变电路之间，用于对所述PWM模块与所述驱动及逆变电路进行电隔离。所述键盘电路，用于所述无刷直流电机的启动和停止、旋转方向的切换和转速的设定；所述键盘电路包括键盘驱动芯片和多个按键，所述多个按键含有功能按键和普通按键。所述数码管显示电路，用于在数码管上显示提示信息和所述无刷直流电机的实时速度；所述数码管显示电路包括数码管驱动芯片、多个共阴式连接的数码管和与每个数码管串联的限流电阻。所述检测电路，用于检测所述驱动及逆变电路输出到所述无刷直流电机的电流和电压，所述DSP控制器根据所述检测电路检测到的电流和电压，对所述无刷直流电机进行过压保护和过流保护。DSP控制器的运算速度快、运算精度高，带有较多外围硬件资源的数字信号处理器 DSP是一个很好的选择。本实施例中，DSP控制器采用TI公司的TMS320C28X芯片，它不仅具有先进处理器，而且片上集成了许多外设。片内采用哈佛结构，具有独立的用于访问数据存储器或程序存储器的系统总线，提高了数据的处理能力和处理速度。由于DSP具有较强的计算能力和较好的实时性，使得算法复杂的先进控制理论能够在实际中得到很好的应用，特别是实时性要求很高的系统。DSP具有快速的机器周期、流水线操作、专用的硬件乘法器等。这些独特的特点使DSP在国内外各种控制系统研究和算法应用中得到越来越广泛青睐。TMS320C28X是电机数字化控制的升级产品。可以用高级语言进行DSP的开发。目前无刷直流电机的设计及控制的研究非常活跃，设计实现一套基于DSP平台的无刷直流电机控制系统具有极其深远的意义。选用TI公司的高性能处理芯片TMS320F2812，适用于有位置传感器的无刷直流电机控制，同时采用转速闭环控制，使得系统在一定范围内可控。本发明利用DSP作为控制核心，设计DSP主控制系统、无刷直流电机驱动电路以及数码管显示电路，编写C语言应用软件，对无刷直流电机实现有位置传感器的速度闭环控制。主要包括
(1)选择合适的DSP芯片、驱动芯片、键盘管理芯片；
(2)设计DSP主控板包括外扩存储器、实时时钟、串口、按键、指示灯等电路；
(3)设计电机驱动电路包括电源转换、功率管逆变、电压电流检测、霍尔信号整形等电
路；
(4)设计键盘及显示电路包括键盘外接和数码管显示等功能；
(5)对DSP主控板实现四层板、电机驱动板和键盘及显示电路实现两层板PCB制作；
(6)制作DSP主控板、电机驱动板和键盘及显示电路实物；
(7)编写电机速度闭环控制程序，实现电机闭环控制；
(8)将三块电路板连接，编写程序对电机实现给定转速可设定，旋转方向可设定，对电机可实现人为启停，实时速度显示等功能。本发明的系统功能以无刷直流电机为控制对象，应用DSP技术实现对电机控制的数字化处理。完成A/D转换、数字PID (比例-积分-微分)控制、软件换相、PWM产生、捕获中断等功能。根据电机运行状态通过调节DSP所产生的PWM脉冲控制电机的运行，改变电机转速，电机转动方向等。在数码管上实时显示电机转速，设定给定转速，显示电机运行状
态等{曰息。本发明提出了一种基于DSP为主控芯片的无刷直流电机控制系统方案，选用TI公司的高性能处理芯片TMS320F2812，适用于有位置传感器的无刷直流电机控制，同时采用传统的PID转速闭环控制，使得系统在一定范围内可控。硬件部分主要设计了 DSP主控板、无刷直流电机驱动板以及键盘和数码管显示电路。其中DSP主控板包含存储器外扩、按键、指示灯、串口等模块。电机驱动板包含功率管驱动、电流和电压检测、霍尔信号采集、驱动保护等模块。软件部分则采用PID算法实现了电机的转速闭环控制。实现了按键和键盘对电机启停、转动方向切换、设定电机转速等功能， 并能在数码管上显示提示信息和电机实时速度
下面对本发明进行具体说明
1.无刷直流电机的基本组成及工作原理
本发明实施例的基于DSP的无刷直流电机控制装置如图2所示。它主要由电动机本体、 位置传感器和电子开关电路控制器三部分组成。(1)电动机本体
电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其它启动装置，其定子绕组一般制成多相(三相、四相、五相不等)，电机定子绕组即为三相。转子由永磁钢按一定极对数组成。(2)转子位置传感器
在无刷直流电机BLDCM中，位置传感器起着测定转子位置，为逆变器提供正确换相信息的作用。当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关电路，从而使定子各相绕组按一定次序导通。(3)控制器
控制器包括逆变/整流器及其驱动、控制电路。作电动机运行时，逆变/整流器将来自电源的直流电转换成交流电向电机供电，其输出的交流电频率受控于转子位置信号，与电机转速保持同步，因此不会产生振荡或者失步。2.无刷直流电动机的DSP控制系统
要控制无刷直流电机按照给定的速度进行运行，最直接的方法就是在输入端引入速度负反馈，利用给定速度与实际速度的偏差进行控制，使电机运行在给定速度状况下。本发明发明实施例的无刷直流电机的DSP控制系统如图3所示，其中，无刷直流电机的三个霍尔信号分别连接到DSP的CAPl、CAP2和CAP3端口。系统根据检测到的位置信号情况判断电机处于哪个区间，并根据两次捕获到的时间差计算电机运行速度。此速度作为速度给定的负反馈，然后经过转速PI调节后，调节PWM输出的占空比，这样可以根据电机运行情况而调节逆变器MOSFET的导通时间，使电机的速度满足设定的要求。为了获得良好的静动态性能，调节器一般采用PI调节器，并且调节器的输出带有限幅，限制功率管输出电压的最大值。3. P丽波控制策略
本发明采用PWM波控制方式，通过调整PWM波的占空比调节绕组电压平均值，进而能间接限制和调节绕组电流的大小，实现转速的调节。系统中采用PWM波频率固定，占空比根据速度误差进行调节的方式对绕组电压平均值进行调节。系统逆变器为三相全控电路，采用两两通电方式，任意时刻上下管都各有一个导通，所以PWM只需控制下桥臂(或上桥臂)的三只功率管的导通即可。PWM波频率越高，斩波得到的平均电压越均勻，电流的脉动越小，但频率的提高却使电路损耗增大，对功率管的要求也越高，所以PWM频率应根据实际选择合适的范围。4. DSP主控系统设计
(1)存储器与DSP基本电路设计
设计+5V转+3. 3V电路，时钟电路，使用30MHz外部晶体给M812提供时钟。对30MHz输入频率进行5倍频，F2812的CPU最高可工作在150MHz主频。存储器的扩展电路，利用IS61LV51216芯片进行了外部SRAM扩展，其容量为511 X 16 位。用MLC16B芯片进行了 EEPROM存储空间扩展。24LC16B是一个16K的符合I2C协议的EEPROM芯片。本发明实施例的EEPROM存储空间扩展示意图如图4。(2)实时时钟
X1226为RTC实时时钟+串行EEI3ROM,采用串行IIC与微处理器接口。通过I2C总线， M812可以访问内部两个部分一部分为时钟/控制寄存器CCR，另一部分为EEPROM 的512X8位存储单元。CCR包含四个8位寄存器，以0x0(T0x3F地址进行寻址；EEPROM则
有512 κ 8位存储单元，以OxOOiTOxlFF地址进行寻址。X1226通过CANTXA和CANRXA两个弓丨脚模拟I2C时序与M812进行数据通信。X匪1_XINT13作为报警中断输入。本发明实施例的与F2812的电路连接图如图5所示。图中Y2为频率为32. 768K的晶体。根据1 协议规定，数据线和时钟线必须上拉。 如图ROOl和R002。在实际应用中，需要实时时钟信息时，在图中1N4148未连接端对地连接一个+3V的纽扣式电池，以保证在系统断电后，时钟能够继续运行，保证系统再次上电时， 时钟信息是实时的。(3)串行通信接口
使用了一个DB9公头连接器，将F2812的SCI A通过电平转换芯片ICL3232EIBN-T配置成RS232通信协议，SCI B通过电平转换芯片ISL83072EIBZA配置成RS485通信协议。经电平转换后通过限流电阻连接到DB9公头上。ICL3232EIBN-T为工业级RS-232信号传输、接收芯片，工作电压在+3. OV +5. 5V。通过外接四个自举电容将输入的TTL电平转换成-3V -15V为逻辑“1”，+3V +15V为逻辑“0”的负逻辑电平。ISL83072EIBZA为工业级RS-485和RS-422差分数据传输芯片，工作电压为+3. OV +3. 6V。它使用一对双绞线，将其中一线定义为A，另一线定义为B。通常情况下，发送驱动器A、B之间的正电平在+2、6V，是一个逻辑状态，负电平在-2V -6V，是另一个逻辑状态。(4)按键、拨码开关和LED灯连接
为增强系统的实用性，特意设计预留了按键、拨码开关和LED灯等操作和指示器件。本发明实施例的按键、拨码开关及LED灯连接原理图如图6所示
其中，按键按下时，按键值为‘0’，按键松开时为‘ 1’。拨码开关拨至ON时，值为‘0’，反之为‘1，。当与DSP连接GPIO 口输出‘0，时点亮LED灯，输出‘1，时熄灭。其中LED1 LED4 分别连接到DSP的C6TPIP、C5TPIP、C4TPIP和TCLKINB四个引脚上。(5) JTAG 仿真器接口
设计中用一个间距2. 54mm, 14芯双排插针连接器J1，作为与标准JTAG仿真器的连接口，通过此接口对F2812进行硬件仿真调试。JTAG仿真器的接口定义如表1所示 表权利要求
1.基于DSP的无刷直流电机控制装置，其特征在于，所述装置包括位置传感器、DSP控制器和驱动及逆变电路；所述位置传感器，安装在无刷直流电机的定子上，用于检测所述无刷直流电机的转子在运转中的位置信息，并将所述位置信息发送到所述DSP控制器；所述DSP控制器，用于根据所述位置传感器发送的相邻的位置信息及获取所述相邻位置信息的时间，得到所述无刷直流电机的实时转速；并将所述实时转速与预先设定的目标转速进行比较，根据比较结果向所述驱动及逆变电路发送控制信号；所述驱动及逆变电路，用于根据所述DSP控制器的控制信号，对所述无刷直流电机的转速和旋转方向进行控制。
2.如权利要求1所述的基于DSP的无刷直流电机控制装置，其特征在于，所述装置还包括键盘电路，用于所述无刷直流电机的启动和停止、旋转方向的切换和转速的设定；所述键盘电路包括键盘驱动芯片和多个按键，所述多个按键含有功能按键和普通按键。
3.如权利要求2所述的基于DSP的无刷直流电机控制装置，其特征在于，所述装置还包括数码管显示电路，用于在数码管上显示提示信息和所述无刷直流电机的实时速度；所述数码管显示电路包括数码管驱动芯片、多个共阴式连接的数码管和与每个数码管串联的限流电阻。
4.如权利要求3所述的基于DSP的无刷直流电机控制装置，其特征在于，所述装置还包括检测电路，用于检测所述驱动及逆变电路输出到所述无刷直流电机的电流和电压，所述DSP控制器根据所述检测电路检测到的电流和电压，对所述无刷直流电机进行过压保护和过流保护。
5.如权利要求4所述的基于DSP的无刷直流电机控制装置，其特征在于，所述驱动及逆变电路包括由六只功率管构成三相六臂全控桥，采用两两通电方式或者三三通电方式，驱动所述无刷直流电机的三相绕组。
6.如权利要求1至5任一项所述的基于DSP的无刷直流电机控制装置，其特征在于，所述DSP控制器包括P丽模块，用于生成并向所述驱动及逆变电路发送PWM控制信号；并根据所述无刷直流电机的实时转速与预先设定的目标转速的比较结果，对所述PWM控制信号的占空比进行调整。
7.如权利要求6所述的基于DSP的无刷直流电机控制装置，其特征在于，所述装置还包括隔离电路，所述隔离电路包括多个光电耦合器，设置在所述PWM模块与所述驱动及逆变电路之间，用于对所述PWM模块与所述驱动及逆变电路进行电隔离。
全文摘要
本发明公开了基于DSP的无刷直流电机控制装置，包括位置传感器，安装在无刷直流电机的定子上，用于检测电机的转子在运转中的位置信息，并将位置信息发送到DSP控制器；DSP控制器，用于根据位置传感器发送的相邻的位置信息及获取相邻位置信息的时间，得到电机的实时转速；并将实时转速与预先设定的目标转速进行比较，根据比较结果向驱动及逆变电路发送控制信号；驱动及逆变电路，用于根据DSP控制器的控制信号，对电机的转速和旋转方向进行控制。本发明的基于DSP的无刷直流电机控制装置利用DSP控制器的高性能数据处理能力和丰富的外设接口，实现了一套基于DSP适用于无刷直流电机的转速闭环控制系统。该装置抗干扰性能较好，系统工作稳定。
文档编号H02P6/08GK102291065SQ201110256599
公开日2011年12月21日 申请日期2011年9月1日 优先权日2011年9月1日
发明者张仰森, 成钊松, 艾红 申请人:北京信息科技大学