直流無刷電機(jī)軟件設(shè)計(jì)開發(fā)文檔

1、軟件設(shè)計(jì)開發(fā)文檔1. 主控芯片及其編譯器該項(xiàng)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(jī)控制提供了很方便的接口，方便控制輸出pwm控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。驅(qū)動(dòng)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(shí)，芯片內(nèi)部還集成了溫度傳感器，可以時(shí)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(xiàng)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(jī)轉(zhuǎn)子位置信息，并根據(jù)霍爾傳感器信號進(jìn)行相關(guān)的換向處理。2.1無刷直流電機(jī)有傳感器基本控制理論無刷直流電機(jī)采用電子換向裝置代替了傳統(tǒng)直流電機(jī)的機(jī)械換向裝置，又具有與直流電機(jī)類似的機(jī)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(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。由于轉(zhuǎn)子采用了永磁體結(jié)構(gòu)，無刷直流電機(jī)具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，無刷直流電機(jī)的應(yīng)用越來越廣泛。快速有效地確定位置傳感器和繞組間的相序關(guān)系是實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)調(diào)速功能的關(guān)鍵。電機(jī)的換向的時(shí)機(jī)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(jī)的換向操作就可以控制無刷直流電機(jī)的

3、運(yùn)行。無刷直流電機(jī)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(dòng)勢波形為梯形波。無刷直流電機(jī)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(dòng)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(dòng)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(gè)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(shí)刻也就是霍爾傳感器的信號狀態(tài)改變的時(shí)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(jī)的正確運(yùn)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(xiàng)目中霍爾傳感器采用30度安裝方式，由于電機(jī)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(jī)定子繞組通電電流和反電動(dòng)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(jī)的運(yùn)行狀態(tài)分割為6個(gè)狀態(tài)。各功率管導(dǎo)通區(qū)間如圖所示。在實(shí)際控制中，霍爾傳感器在跳變成高電平后，不會(huì)迅速進(jìn)行換向，在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過30度之后才進(jìn)行換向操作。因此下圖只是理論上圖形實(shí)際圖形感應(yīng)電動(dòng)勢的波形應(yīng)該向后移動(dòng)30度。2.3直流無刷電機(jī)調(diào)速直流無刷電機(jī)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(jī)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(jì)本系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)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(yùn)行所需要的各種初始化設(shè)置，包括系統(tǒng)各外設(shè)時(shí)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(yùn)行狀態(tài)控制、上位機(jī)通信等。中斷程序主要用來實(shí)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(jì)算、過流保護(hù)等一些重要部分。3.1主程序設(shè)計(jì)主程序中主要處理電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)，電機(jī)有以下幾種運(yùn)行狀態(tài)，待機(jī)狀態(tài)、啟動(dòng)狀態(tài)、運(yùn)行狀態(tài)、錯(cuò)誤處理狀態(tài)。在VSP電壓低于1.8V時(shí)，電機(jī)處于待機(jī)狀態(tài)。電機(jī)大于1.8V時(shí)，電機(jī)處于啟動(dòng)狀態(tài)，啟動(dòng)成功后，電機(jī)進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)電機(jī)運(yùn)行過程中出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，電機(jī)進(jìn)入錯(cuò)誤處理階段，如果

7、電機(jī)出現(xiàn)霍爾錯(cuò)誤，過壓和過流的錯(cuò)誤，系統(tǒng)將會(huì)一直處于停機(jī)的狀態(tài)，其他的錯(cuò)誤電機(jī)將會(huì)重啟，錯(cuò)誤次數(shù)超過10次后，電機(jī)將會(huì)停機(jī)。在主程序中還處理和上位機(jī)通信，包括電機(jī)運(yùn)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(jì)電機(jī)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(hù)中斷。其中PWM中斷優(yōu)先級和過流保護(hù)的優(yōu)先級最高，當(dāng)出現(xiàn)過流時(shí)，電機(jī)能夠第一時(shí)間停機(jī)?；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(dòng)芯片的溫度。采樣時(shí)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(jìn)行濾波處理，相應(yīng)的采樣數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)，觸發(fā)相應(yīng)的處理程序?；魻栔袛嗵幚砹鞒虉D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(gè)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(jìn)行啟動(dòng)，然后判斷電機(jī)是否啟動(dòng)成功，如果處于抖動(dòng)狀態(tài)，則變量start_regular_count不等于6，啟動(dòng)失敗。啟動(dòng)成功后進(jìn)入正常運(yùn)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(dòng)時(shí)每個(gè)電周期計(jì)算更新6次角度信息。正常運(yùn)行時(shí)，每個(gè)電周期計(jì)算一次速度。計(jì)算速度時(shí)，在void HallToSpeed(void)函數(shù)中計(jì)算得到。在PWM周期中設(shè)置一個(gè)標(biāo)志位，每隔一個(gè)PWM周期計(jì)數(shù)一次，一個(gè)PWM周期是62.5us，當(dāng)計(jì)數(shù)達(dá)到六次時(shí)，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一個(gè)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(jì)算角度信息。3.2.3過流中斷保護(hù)過流中斷保護(hù)主要是使用芯片中的比較器來進(jìn)行過流保護(hù)，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(dá)到設(shè)定的值時(shí)，會(huì)馬上觸發(fā)比較器中斷，PWM將不會(huì)輸出。過流保護(hù)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(jìn)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(bǔ)模式輸出，死區(qū)時(shí)間設(shè)置為1us。PWM輸出流程圖如下：PWM輸出中斷主要是進(jìn)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(jì)算出了速度信息，速度單位是度/PWM周期，所以在計(jì)算角度信息時(shí)，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(jìn)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(jì)數(shù)值，當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到PWM的計(jì)數(shù)值時(shí)，PWM電平跳變成高電平。換向處理函數(shù)commutation()用來給電機(jī)換向。具體過程如下圖所示。在函數(shù)中設(shè)置一個(gè)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(gè)波形所示，再通過計(jì)算，將abc相減得到下面三個(gè)波形圖，下面的三個(gè)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(shí)電壓無輸出。其中下面三個(gè)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