直流無刷電機軟件設(shè)計開發(fā)文檔

1、軟件設(shè)計開發(fā)文檔1. 主控芯片及其編譯器該項目主控芯片采用飛思卡爾半導(dǎo)體公司的32位微控制器MKE02Z16VLC2，該芯片基于 ARM 結(jié)構(gòu)體系的 Cortex-M0+內(nèi)核，其中的FlexTimer/PWM （FTM）模塊為電機控制提供了很方便的接口，方便控制輸出pwm控制電機轉(zhuǎn)速。驅(qū)動電路芯片采用FSB50760SFT，該芯片將MOSFET集成在芯片內(nèi)，減少了控制電路的大小，同時，芯片內(nèi)部還集成了溫度傳感器，可以時刻監(jiān)控芯片溫度。編譯器采用IAR Systems公司的IAR Embedded Workbench for ARM。2. 控制方案簡介該項目控制方案采用有傳感器方波控制，采用霍爾

2、傳感器檢測電機轉(zhuǎn)子位置信息，并根據(jù)霍爾傳感器信號進行相關(guān)的換向處理。2.1無刷直流電機有傳感器基本控制理論無刷直流電機采用電子換向裝置代替了傳統(tǒng)直流電機的機械換向裝置，又具有與直流電機類似的機械特性，其磁鋼置于轉(zhuǎn)子上，通過不斷地變換定子繞組通電方式產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場驅(qū)動轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動。由于轉(zhuǎn)子采用了永磁體結(jié)構(gòu)，無刷直流電機具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單的特點。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，無刷直流電機的應(yīng)用越來越廣泛?？焖儆行У卮_定位置傳感器和繞組間的相序關(guān)系是實現(xiàn)無刷直流電機調(diào)速功能的關(guān)鍵。電機的換向的時機取決與轉(zhuǎn)子的位置，而轉(zhuǎn)子的位置可以通過霍爾傳感器來獲得，因此處理好了電機的換向操作就可以控制無刷直流電機的

3、運行。無刷直流電機的轉(zhuǎn)子磁鋼呈瓦片形，磁極與定子繞組間氣隙均勻，氣隙磁場呈梯形分布。定子繞組感應(yīng)電動勢波形為梯形波。無刷直流電機定子繞組通常采用三相星形接法，需要應(yīng)用三相全橋控制電路，其驅(qū)動控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖所示。由V1V6六只功率管構(gòu)成的驅(qū)動全橋可以控制繞組的通電狀態(tài)。按照功率管的通電方式，可以分為兩兩導(dǎo)通和三三導(dǎo)通兩種控制方式。由于兩兩導(dǎo)通方式提供了更大的電磁轉(zhuǎn)矩而被廣泛采用。在兩兩導(dǎo)通方式下，每一瞬間有兩個功率管導(dǎo)通，每隔16周期即60°電角度換相一次，每只功率管持續(xù)導(dǎo)通120°電角度，對應(yīng)每相繞組持續(xù)導(dǎo)通120°，在此期間相電流方向保持不變。為保證產(chǎn)生最大的

4、電磁轉(zhuǎn)矩，通常需要使繞組合成磁場與轉(zhuǎn)子磁場保持垂直。由于采用換相控制方式，其定子繞組產(chǎn)生的是跳變的磁場，使得該磁場與轉(zhuǎn)子磁場的位置保持在60°120°相對垂直的范圍區(qū)間。功率管的換相信號需要從位置傳感器的狀態(tài)得出，換相時刻也就是霍爾傳感器的信號狀態(tài)改變的時刻。因此霍爾傳感器和三相繞組對應(yīng)關(guān)系的確定對于電機的正確運行非常重要。2.2霍爾傳感器的安裝方式為了產(chǎn)生正確的換向信號，霍爾傳感器安裝位置有一定要求，通常有120°安裝和60°安裝兩種方式，如圖所示。在本項目中霍爾傳感器采用30度安裝方式，由于電機轉(zhuǎn)子為4對極，因此安裝方式和120度的是一樣的，位置傳感

5、器輸出波形、電機定子繞組通電電流和反電動勢相位關(guān)系如圖所示。以位置傳感器的信號狀態(tài)區(qū)分，將無刷直流電機的運行狀態(tài)分割為6個狀態(tài)。各功率管導(dǎo)通區(qū)間如圖所示。在實際控制中，霍爾傳感器在跳變成高電平后，不會迅速進行換向，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30度之后才進行換向操作。因此下圖只是理論上圖形實際圖形感應(yīng)電動勢的波形應(yīng)該向后移動30度。2.3直流無刷電機調(diào)速直流無刷電機轉(zhuǎn)速由直流電壓控制。電壓越高，轉(zhuǎn)得越快；電壓越低，轉(zhuǎn)得越慢。用脈寬調(diào)制（PWM）方式來控制電機的輸入電壓。PWM占空比越高，等效電壓就越高，占空比越低，等效電壓就越低。3. 主程序和中斷程序設(shè)計本系統(tǒng)軟件設(shè)計的主體框架由主程序和中斷程序構(gòu)成。主程序主

6、要包括系統(tǒng)初始化和主循環(huán)兩部分。系統(tǒng)初始化主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)運行所需要的各種初始化設(shè)置，包括系統(tǒng)各外設(shè)時鐘、外設(shè)I/O引腳功能、中斷向量表、外設(shè)模塊初始化、參數(shù)初始化等。主循環(huán)主要包括運行狀態(tài)控制、上位機通信等。中斷程序主要用來實現(xiàn)一些主要控制算法，包括PWM輸出、霍爾中斷處理、轉(zhuǎn)速與轉(zhuǎn)子位置計算、過流保護等一些重要部分。3.1主程序設(shè)計主程序中主要處理電機運行狀態(tài)，電機有以下幾種運行狀態(tài)，待機狀態(tài)、啟動狀態(tài)、運行狀態(tài)、錯誤處理狀態(tài)。在VSP電壓低于1.8V時，電機處于待機狀態(tài)。電機大于1.8V時，電機處于啟動狀態(tài)，啟動成功后，電機進入運行狀態(tài)。當(dāng)電機運行過程中出現(xiàn)錯誤時，電機進入錯誤處理階段，如果

7、電機出現(xiàn)霍爾錯誤，過壓和過流的錯誤，系統(tǒng)將會一直處于停機的狀態(tài)，其他的錯誤電機將會重啟，錯誤次數(shù)超過10次后，電機將會停機。在主程序中還處理和上位機通信，包括電機運行的一些數(shù)據(jù)信息，電壓電流以及溫度轉(zhuǎn)速等。3.2中斷程序設(shè)計電機的主要控制程序都寫在了中斷里面，其中主要包括PWM中斷，霍爾中斷，AD采樣中斷，過流保護中斷。其中PWM中斷優(yōu)先級和過流保護的優(yōu)先級最高，當(dāng)出現(xiàn)過流時，電機能夠第一時間停機?；魻栔袛嗟膬?yōu)先級次之，AD采樣中斷的優(yōu)先級最低。3.2.1AD采樣中斷AD初始化模塊功能是設(shè)置相應(yīng)的控制寄存器，將引腳PTB0，PTB1，PTB2，PTB3設(shè)置為AD采樣引腳，其中PTB0引腳采樣直

8、流母線電壓，PTB1引腳采樣速度控制電壓，PTB2引腳采樣母線電流，PTB3引腳采樣驅(qū)動芯片的溫度。采樣時間為PWM輸出后延遲12.75us采樣，這樣做的原因是確保能采樣到穩(wěn)定的電流信號。AD采樣中斷流程圖如下所示：AD中斷處理程序AD中段處理函數(shù)為void ADC_Isr(void)，輸入輸出參數(shù)都為空，其功能主要是處理采樣數(shù)據(jù)，為了在程序中進行濾波處理，相應(yīng)的采樣數(shù)據(jù)進行了放大處理，其中電流信號放大了16倍，直流母線電壓信號放大了1024倍，溫度采樣信號放大了16倍，速度控制信號放大了1024倍。3.2.2霍爾中斷霍爾中斷在系統(tǒng)中定義為KBI鍵盤處理中斷，初始化函數(shù)為unsigned ch

9、ar KBI_init(void)，該函數(shù)輸入?yún)?shù)為空，輸出值為無符號字符型參數(shù)，如果函數(shù)返回值為1，則表示霍爾狀態(tài)初始化失敗。鍵盤中斷主要用于處理霍爾傳感器的狀態(tài)，其中初始化函數(shù)主要功能是設(shè)置相應(yīng)的寄存器，將引腳PTA1，PTA2，PTA3，其中PTA1對應(yīng)霍爾傳感器Hc的信號，PTA2對應(yīng)霍爾傳感器Hb的信號，PTA3對應(yīng)霍爾傳感器Ha的信號。鍵盤中斷觸發(fā)條件為硬件電平觸發(fā)，當(dāng)電平變化時，觸發(fā)相應(yīng)的處理程序。霍爾中斷處理流程圖如下：鍵盤中斷處理函數(shù)鍵盤中斷處理函數(shù)為void KBI_Hall_isr(void )，輸入輸出參數(shù)為空。其中函數(shù)中又包括霍爾狀態(tài)轉(zhuǎn)換函數(shù)HallToAngle()

10、和HallToSpeed()。在函數(shù)HallToAngle()中，首先獲取霍爾狀態(tài)信息，判斷霍爾狀態(tài)信息是否正常，不正常則返回1，然后將霍爾傳感器的狀態(tài)信息通過霍爾角度表Hall_Degree_Table66轉(zhuǎn)換成角度信息。一個電周期霍爾中斷六次，霍爾角度表Hall_Degree_Table66將角度分為6段，分別是0-60,60-120,120-180,180-240,240-360。在轉(zhuǎn)換成角度信號后，用六步換向法進行啟動，然后判斷電機是否啟動成功，如果處于抖動狀態(tài)，則變量start_regular_count不等于6，啟動失敗。啟動成功后進入正常運行部分。函數(shù)HallToSpeed()的

11、主要功能是將霍爾信號轉(zhuǎn)換成速度信息，啟動時每個電周期計算更新6次角度信息。正常運行時，每個電周期計算一次速度。計算速度時，在void HallToSpeed(void)函數(shù)中計算得到。在PWM周期中設(shè)置一個標(biāo)志位，每隔一個PWM周期計數(shù)一次，一個PWM周期是62.5us，當(dāng)計數(shù)達到六次時，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個電周期，用360度除以62.5*6即可得到角速度。在程序中直接除以6，方便在PWM輸出中斷中計算角度信息。3.2.3過流中斷保護過流中斷保護主要是使用芯片中的比較器來進行過流保護，比較器正輸入端設(shè)置為3.3V，電流門限值設(shè)置為3.8A，比較器的負(fù)輸入端設(shè)置為引腳PTA0引腳的輸入。當(dāng)引腳PTA0上

12、的電壓達到設(shè)定的值時，會馬上觸發(fā)比較器中斷，PWM將不會輸出。過流保護流程圖如下：3.2.4PWM輸出中斷FTM中斷處理函數(shù)為void FMT2_ISR(void)，該函數(shù)將速度信號轉(zhuǎn)換成角度信息，將角度信息當(dāng)成參數(shù)傳遞給換向函數(shù)進行處理。其中換向函數(shù)為commutation(),在PWM初始化中，設(shè)置PWM周期為62.5us，采用互補模式輸出，死區(qū)時間設(shè)置為1us。PWM輸出流程圖如下：PWM輸出中斷主要是進行PWM占空比的調(diào)制和換向操作。首先，將速度信息轉(zhuǎn)換成角度信息，在霍爾中斷處理函數(shù)中已經(jīng)計算出了速度信息，速度單位是度/PWM周期，所以在計算角度信息時，可以直接將速度累加即可得到角度信

13、息。得到角度信息后，將角度信息給換向處理函數(shù)commutation()進行換向操作。PWM占空比的調(diào)制主要取決于VSP控制信號，VSP的采樣值作為PWM的計數(shù)值，當(dāng)計數(shù)器達到PWM的計數(shù)值時，PWM電平跳變成高電平。換向處理函數(shù)commutation()用來給電機換向。具體過程如下圖所示。在函數(shù)中設(shè)置一個數(shù)組abc來控制PWM輸出。abc圖形通過cos函數(shù)得到，0到360度abc圖形如上圖前三個波形所示，再通過計算，將abc相減得到下面三個波形圖，下面的三個波形圖就對應(yīng)的是PWM輸出，在高電平階段，電壓輸出最大值為400V，在低電平時電壓無輸出。其中下面三個波形圖中的虛線部分對應(yīng)的是霍爾傳感器狀態(tài)。電壓輸出與對應(yīng)霍爾傳