基于MSP430单片机的直流无刷电机控制系统设计解读.docx

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基于MSP430单片机的直流无刷电机控制系统设计解读

毕业设计说明书

基于MSP430单片机的无刷直流

电机控制系统设计

2013年6月

基于MSP430单片机的无刷直流电机控制系统设计

摘要

无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的。

现阶段，虽然各种交流电动机和直流电动机在传动应用中占主导地位，但无刷直流电动机正受到普遍的关注。

自20世纪90年代以来，随着人们生活水平的提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都越来越趋向于高效率化、小型化及高智能化，作为执行元件的重要组成部分，电机必须具有精度高、速度快、效率高等特点，无刷直流电机的应用和需求也因此而迅速增长。

本设计是把无刷直流电动机作为设计对象，以MSP430单片机为控制MCU，单片机采集比较电平及电机霍尔反馈信号，通过软件编程控制无刷直流电动机。

将整个系统分成几个部分，讨论了各个部分的电路原理、控制策略、具体实现。

根据永磁无刷直流电动机的特性实施脉宽PWM控制，并通过转速传感器测量转速通过LCD1602动态显示转速。

关键词:

无刷直流电动机,单片机,霍尔位置传感器

MSP430Microcontroller-basedbrushlessDC

motorControlSystemDesign

Abstract

BrushlessDCmotorinabrushDCmotordevelopedonthebasisof.Atthisstage,althoughexchangesofallkindsofDCmotorsandmotordriveintheapplicationofthedominant,butbrushlessDCmotorisundercommonconcern.

Sincethe1990s,aspeople'slivingstandardsimproveandmodernizeproduction,thedevelopmentofofficeautomation,householdappliances,industrialrobotsandotherequipmentareincreasinglytendtobehighefficiency,smallsizeandhighintelligence,astheimplementationofcomponentsAnimportantcomponentofthemotormusthaveahighaccuracy,speed,highefficiency,brushlessDCmotorandthereforetheapplicationisalsogrowingrapidly.

ThisdesignisthebrushlessDCmotorastheelectricbicyclemotor-drivencontrolsystem,MSP430microcontrollerforcontrolMCU,SCMcollectionandcomparison-levelelectricalsignalHallfeedback,softwareprogrammingthroughbrushlessDCmotorcontroller.

Thispaperanalyzestherequirementsfromthesystem,thewholesystemwillbedividedintoseveralparts,analysisanddiscussionofthevariouspartsofthecircuitofthecontrolstrategy,implementationmethod.AccordingtothepermanentmagnetbrushlessDCmotorcontrolofthePWMpulsewidth,speedsensoranddisplayspeedthroughLCD1602.

Keywords:

BLDCM,thesinglechipprocessor,hallpositionsensor

1引言

随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率器件的不断出现，采用全控型的开关功率元件进行脉冲调制（Paulsewidthmodulation,简称PWM）控制的无刷直流电机已成为主流。

随着半导体工业，特别是大功率电子器件及微控制器的发展，变速驱动变的更加现实且成本更低。

本文充分利用单片机的数字信号处理器运算快、外围电路少、系统组成简单、可靠的特点，将其应用于无刷电机的驱动设计。

实验表明，该设计使得无刷直流电机的组成简化和性能的改进成为可能，有利于电机的小型化和智能化。

1.1电机的分类

电机按工作电源种类可分为：

1.直流电机

（1）有刷直流电机

①永磁直流电机

②电磁直流电机

（2）无刷直流电机

稀土永磁无刷直流电机

2.交流电机

（1）单相电动机

（2）三相电动机

1.2无刷直流电机及其控制技术的发展

1831年，法拉第发现了电磁感应现象，奠定了现代电机的基本理论基础。

从19世纪40年代研制成功第一台直流电机，经过大约17年的时间，直流电机技术才趋于成熟。

随着应用领域的扩大，对直流电机的要求也就越来越高，有接触的机械换向装置限制了有刷直流电机在许多场合中的应用。

为了取代有刷直流电机的电刷－换向器结构的机械接触装置，人们曾对此作过长期的探索。

1915年，美国人Langnall发明了带控制栅极的汞弧整流器，制成由直流变交流的逆变装置。

20世纪30年代，有人提出用离子装置实现电机的定子绕组按转子位置换接的所谓换向器电机，但此种电机由于可靠性差、效率低、整个装置笨重又复杂而无实用价值【1】。

科学技术的迅猛发展，带来了电力半导体技术的飞跃。

开关型晶体管的研制成功，为创造新型直流电机——无刷直流电机带来了生机。

1955年，美国人Harrison首次提出了用晶体管换相线路代替电机电刷接触的思想，这就是无刷直流电机的雏形。

它由功率放大部分、信号检测部分、磁极体和晶体管开关电路等组成，其工作原理是当转子旋转时，在信号绕组中感应出周期性的信号电动势，此信号电动势分别使晶体管轮流导通实现换相。

问题在于，首先，当转子不转时，信号绕组内不能产生感应电动势，晶体管无偏置，功率绕组也就无法馈电，所以这种无刷直流电机没有起动转矩；其次，由于信号电动势的前沿陡度不大，晶体管的功耗又大。

为了克服这些弊病，人们采用了离心装置的换向器，或采用在定子上放置辅助磁钢的方法来保证电机可靠地起动。

但前者结构复杂，而后者需要附加的起动脉冲。

其后，经过反复的试验和不断的实践，人们终于找到了用位置传感器和电子换相线路来代替有刷直流电机的机械换向装置，从而为直流电机的发展开辟了新的途径。

20世纪60年代初期，接近开关式位置传感器、电磁谐振式位置传感器和高频耦合式位置传感器相继问世，之后又出现了磁电耦合式和光电式位置传感器。

半导体技术的飞速发展，使人们对1879年美国人霍尔发现的霍尔效应再次发生兴趣，经过多年的努力，终于在1962年试制成功了借助霍尔元件（霍尔效应转子位置传感器）来实现换相的无刷直流电机【2】。

在20世纪70年代初期，又试制成功了借助比霍尔元件的灵敏度高千倍左右的磁敏二极管实现换相的无刷直流电机。

在试制各种类型的位置传感器的同时，人们试图寻求一种没有附加位置传感器结构的无刷直流电机。

1968年，德国人W·Mieslinger提出采用电容移相实现换相的新方法。

在此基础上，德国人R·Hanitsch试制成功借助数字式环形分配器和过零鉴别器的组合来实现换相的无位置传感器无刷直流电机。

永磁无刷电机是永磁无刷直流电机、永磁无刷交流同步电机、永磁无刷直线电机和永磁无刷力矩电机的总称。

永磁无刷电机具有很多优点，因此已是目前微特电机发展主流【3】。

我国对无刷直流电动机的研究起步较晚。

1987年，在北京举办的联邦德国金属加工设备展览会上，SIEMENS和BOSCH两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了国内有关学者的广泛注意，自此国内掀起了研制开发和技术引进的热潮。

经过多年的努力，目前，国内已有无刷直流电动机的系列产品，形成了一定的生产规模。

1.3本文研究的意义及主要内容

无刷直流电机的应用十分广泛，如汽车、工具、工业工控、自动化以及航空航天等等。

总的来说，无刷直流电机可以分为以下三种主要用途：

（1）持续负载应用：

主要是需要一定转速但是对转速精度要求不高的领域，比如风扇、抽水机、吹风机等一类的应用，这类应用成本较低且多为开环控制。

（2）可变负载应用：

主要是转速需要在某个范围内变化的应用，对电机转速特性和动态响应时间特性有更高的需求。

如家用器具中的、甩干机和压缩机就是很好的例子，汽车工业领域中的油泵控制、电控制器、发动机控制等，这类应用的系统成本相对更高些。

（3）定位应用：

大多数工业控制和自动控制方面的应用属于这个类别，这类应用中往往会完成能量的输送，所以对转速的动态响应和转矩有特别的要求，对控制器的要求也较高。

测速时可能会用上光电和一些同步设备。

过程控制、机械控制和运输控制等很多都属于这类应用【4】。

本文以直流无刷电机在血泵中的应用为背景，旨在在MSP430单片机的基础上实现对直流无刷电机的单闭环调速系统设计，最终实现多级精确调速的目的，设计中应对驱动电路，显示电路，电源电路以及控制算法进行设计和研究，最终完成一份具有一定实用价值的直流无刷电机控制系统设计方案。

2设计主要部件介绍

2.1无刷直流电机介绍

2.1.1无刷直流电机组成

无刷直流电机与有刷直流电机相似，它具有旋转的磁场和固定的电枢。

这样电子换相线路中的功率开关器件，如晶闸管，晶体管等可直接与电枢绕组连接。

在电机内，装有一个转子位置传感器，用来检测转子在运行过程中的位置。

它与电子换相线路一起，替代了有刷直流电机的机械换相装置。

综上所述，无刷直流电机由电机本体，转子位置传感器和电子换相线路三大部分组成，如图2.1所示。

图2.1无刷直流电机原理图

2.1.2无刷直流电机工作原理

一般的永磁式电动机的定子由永久磁钢组成，其主要的作用是在电动机气隙中产生磁场。

其电枢绕组通电后产生反应磁场。

由于电枢的换相作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩而驱动电动机不停的云转。

直流无刷电动机为了实现无电刷换相，首先要求把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上，这与传统直流用词电动机的结构刚好相反。

但仅这样做还是不行的，因为用一般直流电源给定子上各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动只能够转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子做功。

所以直流无刷电动机除了由定子和转子组成电动机本体以外，还要由位置传感器、控制电路以及工具逻辑开关共同构成的换相装置，使得直流无刷电动机在运行过程中定子绕组所产生的的磁场和装洞中转子磁钢产生的永磁场，在空间始终保持在（π/2）rad左右的电角度【9】。

2.1.3无刷直流电机主要工作方式

（1）二二通电方式

所谓二二通电方式是指每一瞬间有两个功率管导通，每隔1/6周期（60°电角度）换相一次，每次换相一个功率管导通120°电角度。

各功率管的导通顺序是VF1VF2、VF2VF3、VF3VF4、VF4VF5、VF5VF6、VF6VF1…。

当功率管VF1和VF2导通时，电流从VF1管流入A相绕组，再从C相绕组流出，经VF2回到电源。

如果认定流入绕组的电流所产生的转矩为正，那么从绕组流出所产生的转矩则为负，它们合成的转矩如图3a所示，其大小为

Ta，方向在Ta和－Tc的角平分线上。

当电机转过60°后，由VF1VF2通电换成VF2VF3通电，这时，电流从VF3流入B相绕组再从C相绕组流出，经VF2回到电源，此时合成的转矩如图3b所示，其大小同样为

Ta。

但合成转矩Tbc的方向转过了60°电角度。

而后每换一次导通状态，合成转矩矢量方向就随着转过60°电角度，但大小始终保持

Ta不变。

图3c示出了全部合成转矩的方向。

a）VF1、VF2导通时合成转矩b）VF2、VF3导通时合成转矩c）二二导通时合成转矩矢量图

图2.2联结绕组二二通电时的合成转矩矢量图

所以，同样一台无刷直流电机，每相绕组通过与三相半控电路同样的电流时，采用三相星形联结全控电路，在二二换相的情况下，其合成转矩增加了

倍。

每隔60°电角度换相一次，每个功率管通电120°，每个绕组通电240°，其中正相通电和反相通电各120°，其输出转矩波形如图4所示。

由图4可以看出，三相全控时的转矩波动比三相半控时小得多。

图2.3全控桥输出波形图

如将三只霍尔传感器按相位差120°安装，则它们所产生的波形如图5所示。

其换相的控制电路可由一片74LS138型3－8译码器和74LS09、74LS38两片门电路构成，本系统采用无刷直流电动机专用集成电路LM621控制。

图2.4传感器输出波形

（2）三三通电方式

所谓三三通电方式，是指每一瞬间均有三只功率管同时通电，每隔60°换相一次，每个功率管通电180°。

它们的导通次序是VF1VF2VF3、VF2VF3VF4、VF3VF4VF5、VF4VF5VF6、VF5VF6VF1、VF6VF1VF2、VF1VF2VF3…当VF6VF1VF2导通时，电流从VF1流入A相绕组，经B相和C相绕组（这时B、C两相绕组为并联）分别从VF6和VF2流出。

这时流过B相和C相绕组的电流分别为流过A相绕组的一半，其合成转矩如图6a所示，其方向与A相相同，大小为1.5Ta。

经过60°电角度后，换相到VF1VF2VF3通电，即先关断VF6而后导通VF3（注意，一定要先关VF6而后通VF3，否则就会出现VF6和VF3同时通电，则电源被VF3VF6短路，这是绝对不允许的）。

这时电流分别从VF1和VF3流入，经A相和B相绕组（相当于A相和B相并联）再流入C相绕组，经VF2流出，合成转矩如图6b所示，其方向与C相相同，转子再转过60°电角度后大小仍为1.5Ta。

再经过60°电角度后，换相到VF1VF2VF3通电，而后依次类推，循环往复。

它们的合成转矩矢量图如图6c所示。

a）VF6VF1VF2导通时的合成转矩b）VF1VF2VF3导通时的合成转矩c）三三通电时的合成转矩

图2.5三三通电时的合成转矩矢量图

在这种通电方式里，每瞬间均有三个功率管通电。

每隔60°换相一次，每次有一个功率管换相，每个功率管导通180°。

2.2MSP430单片机介绍

2.2.1MSP430单片机特点

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（FLASHEMULATIONTOOL）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。

2.2.2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60KBFLASH和2KBRAM.故此选用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MSP430F149.MSP430F14X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

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60KBFLASHROM和2KBRAM

2.2.3MSO430F149介绍

MSP430F149引脚图如图6所示。

图2.6MSP430F149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。

P1.0/TACLK—普通数字I/O引脚/Timer-A,时钟信号TACLK输入。

P1.1/TA0--普通数字I/O引脚/Timer-A,捕获；CCI0输入，比较：

OUT0输出。

P1.2/TA1--普通数字I/O引脚/Timer-A,捕获；CCI1输入，比较：

OUT1输出。

P1.3/TA2--普通数字I/O引脚/Timer-A,捕获；CCI2输入，比较：

OUT2输出。

P1.4/SMCLK--普通数字I/O引脚/SMCLK信号输入。

P1.5/TA0--普通数字I/O引脚/Timer-A,比较：

OUT0输出。

P1.6/TA1--普通数字I/O引脚/Timer-A,比较：

OUT1输出。

P1.7/TA2--普通数字I/O引脚/Timer-A,比较：

OUT2输出。

P2.0/ACLK--普通数字I/O引脚/ACLK输出。

P2.1/TAINCLK--普通数字I/O引脚/Timer-A,时钟信号TAINCLK

P2.2/CAOUT/TA0--普通数字I/O引脚/Timer-A：

捕获：

CCI0B输入/比较器-A输出。

P2.3/CA0/TA1--普通数字I/O引脚/Timer-A:

比较：

OUT1输出/比较器-A输出。

P2.4/CA1/TA2--普通数字I/O引脚/Timer-A:

比较：

OUT2输出/比较器-A输出。

P2.5/Rosc—普通数字I/O引脚/定义DOC标称频率的外部电阻输入。

P2.6/ADC12CLK--普通数字I/O引脚/转换时钟-12位ADC。

P3.0/SET0--普通数字I/O引脚/从发送使能-USART0/SPI方式。

P3.1/SIMO0--普通数字I/O引脚/从输入/主输出-USART0/SPI方式。

P3.2/SOMI0--普通数字I/O引脚/从输出/主输入-USART0/SPI方式。

P3.3/UCLK0--普通数字I/O引脚/外部时钟输入-USART0/UART/SPI方式。

P3.4/UTXD0--普通数字I/O引脚/发送数据输出-USART0/UART方式。

P3.5/URXD0--普通数字I/O引脚/接收数据输出-USART0/UART方式。

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。

2.3LM621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30°或60°

四相电动机位置传感器空间间距90°

·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

2.4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=3600×f/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=3.6×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。

2.5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2.7所示。

图2.7PWM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