基于MSP430单片机的直流无刷电机操纵系统设计.docx
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基于MSP430单片机的直流无刷电机操纵系统设计
毕业设计说明书
基于MSP430单片机的无刷直流
电机操纵系统设计
2021年6月
基于MSP430单片机的无刷直流电机操纵系统设计
摘要
无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上进展起来的。
现时期,尽管各类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、办公自动化的进展,家用电器、工业机械人等设备都愈来愈趋向于高效率化、小型化及高智能化,作为执行元件的重要组成部份,电机必需具有精度高、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加。
本设计是把无刷直流电动机作为设计对象,以MSP430单片机为操纵MCU,单片机搜集比较电平及电机霍尔反馈信号,通过软件编程操纵无刷直流电动机。
将整个系统分成几个部份,讨论了各个部份的电路原理、操纵策略、具体实现。
依照永磁无刷直流电动机的特性实施脉宽PWM操纵,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
随着运算机进入操纵领域,和新型的电力电子功率器件的不断显现,采纳全控型的开关功率元件进行脉冲调制(Paulsewidthmodulation,简称PWM)操纵的无刷直流电机已成为主流。
随着半导体工业,专门是大功率电子器件及微操纵器的进展,变速驱动变的加倍现实且本钱更低。
本文充分利用单片机的数字信号处置器运算快、外围电路少、系统组成简单、靠得住的特点,将其应用于无刷电机的驱动设计。
实验说明,该设计使得无刷直流电机的组成简化和性能的改良成为可能,有利于电机的小型化和智能化。
电机的分类
电机按工作电源种类可分为:
(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
(1)单相电动机
(2)三相电动机
无刷直流电机及其操纵技术的进展
1831年,法拉第发觉了电磁感应现象,奠定了现代电机的大体理论基础。
从19世纪40年代研制成功第一台直流电机,通过大约17年的时刻,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愈来愈高,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,人们曾对此作太长期的探讨。
1915年,美国人Langnall发明了带操纵栅极的汞弧整流器,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,但此种电机由于靠得住性差、效率低、整个装置笨重又复杂而无有效价值【1】。
科学技术的迅猛进展,带来了电力半导体技术的飞跃。
开关型晶体管的研制成功,为制造新型直流电机——无刷直流电机带来了生机。
1955年,美国人Harrison第一次提出了用晶体管换相线路代替电机电刷接触的思想,这确实是无刷直流电机的雏形。
它由功率放大部份、信号检测部份、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,此信号电动势别离使晶体管连番导通实现换相。
问题在于,第一,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,因此这种无刷直流电机没有起动转矩;第二,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,人们采纳了离心装置的换向器,或采纳在定子上放置辅助磁钢的方式来保证电机靠得住地起动。
但前者结构复杂,而后者需要附加的起动脉冲。
其后,通过反复的实验和不断的实践,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,从而为直流电机的进展开辟了新的途径。
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接踵问世,以后又显现了磁电耦合式和光电式位置传感器。
半导体技术的飞速进展,令人们对1879年美国人霍尔发觉的霍尔效应再次发生爱好,通过量年的尽力,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。
在试制各类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提出采纳电容移相实现换相的新方式。
在此基础上,德国人R·Hanitsch试制成功借助数字式环形分派器和过零辨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势,因此已是目前微特电机进展主流【3】。
我国对无刷直流电动机的研究起步较晚。
1987年,在北京举行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,引发了国内有关学者的普遍注意,自此国内掀起了研制开发和技术引进的热潮。
通过量年的尽力,目前,国内已有无刷直流电动机的系列产品,形成了必然的生产规模。
本文研究的意义及要紧内容
无刷直流电机的应用十分普遍,如汽车、工具、工业工控、自动化和航空航天等等。
总的来讲,无刷直流电性能够分为以下三种要紧用途:
(1)持续负载应用:
主若是需要必然转速可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,这种应用本钱较低且多为开环操纵。
(2)可变负载应用:
主若是转速需要在某个范围内转变的应用,对电机转速特性和动态响应时刻特性有更高的需求。
如家用器具中的、甩干机和紧缩机确实是专门好的例子,汽车工业领域中的油泵操纵、电操纵器、发动机操纵等,这种应用的系统本钱相对更高些。
(3)定位应用:
大多数工业操纵和自动操纵方面的应用属于那个类别,这种应用中往往会完成能量的输送,因此对转速的动态响应和转矩有专门的要求,对操纵器的要求也较高。
测速时可能会用上光电和一些同步设备。
进程操纵、机械操纵和运输操纵等很多都属于这种应用【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,最终实现多级精准调速的目的,设计中应付驱动电路,显示电路,电源电路和操纵算法进行设计和研究,最终完成一份具有必然有效价值的直流无刷电机操纵系统设计方案。
2设计要紧部件介绍
无刷直流电机介绍
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。
如此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进程中的位置。
它与电子换相线路一路,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份组成,如下图。
图无刷直流电机原理图
无刷直流电机工作原理
一样的永磁式电动机的定子由永久磁钢组成,其要紧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映磁场。
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进程中始终维持彼此垂直,从而产生最大转矩而驱动电动机不断的云转。
直流无刷电动机为了实现无电刷换相,第一要求把一样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恰好相反。
但仅如此做仍是不行的,因为用一样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彼此作用,以产生单一方向的转矩来驱动转子做功。
因此直流无刷电动机除由定子和转子组成电动机本体之外,还要由位置传感器、操纵电路和工具逻辑开关一起组成的换相装置,使得直流无刷电动机在运行进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,在空间始终维持在(π/2)rad左右的电角度【9】。
无刷直流电机要紧工作方式
(1)二二通电方式
所谓二二通电方式是指每一刹时有两个功率管导通,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VF1VF二、VF2VF3、VF3VF4、VF4VF五、VF5VF六、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。
若是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那么为负,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,现在合成的转矩如图3b所示,其大小一样为
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,但大小始终维持
Ta不变。
图3c示出了全数合成转矩的方向。
a)VF一、VF2导通时合成转矩b)VF二、VF3导通时合成转矩c)二二导通时合成转矩矢量图
图联结绕组二二通电时的合成转矩矢量图
因此,一样一台无刷直流电机,每相绕组通过与三相半控电路一样的电流时,采纳三相星形联结全控电路,在二二换相的情形下,其合成转矩增加了
倍。
每隔60°电角度换相一次,每一个功率管通电120°,每一个绕组通电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能够看出,三相全控时的转矩波动比三相半控时小得多。
图全控桥输出波形图
如将三只霍尔传感器按相位差120°安装,那么它们所产生的波形如图5所示。
其换相的操纵电路可由一片74LS138型3-8译码器和74LS0九、74LS38两片门电路组成,本系统采纳无刷直流电动机专用集成电路LM621操纵。
图传感器输出波形
(2)三三通电方式
所谓三三通电方式,是指每一刹时均有三只功率管同时通电,每隔60°换相一次,每一个功率管通电180°。
它们的导通顺序是VF1VF2VF3、VF2VF3VF4、VF3VF4VF五、VF4VF5VF六、VF5VF6VF一、VF6VF1VF二、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)别离从VF6和VF2流出。
这时流过B相和C相绕组的电流别离为流过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。
通过60°电角度后,换相到VF1VF2VF3通电,即先关断VF6而后导通VF3(注意,必然要先关VF6而后通VF3,不然就会显现VF6和VF3同时通电,那么电源被VF3VF6短路,这是绝对不许诺的)。
这时电流别离从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。
再通过60°电角度后,换相到VF1VF2VF3通电,而后依次类推,周而复始。
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
图三三通电时的合成转矩矢量图
在这种通电方式里,每刹时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,每一个功率管导通180°。
MSP430单片机介绍
MSP430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.它采纳16位的总线,外设和内存统一编址,寻址范围可达64K,还可之外扩展存储器.具有统一的中断治理,具有丰硕的片上外围模块,片内有周密硬件乘法器、两个16位按时器、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,那么能够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,方便有效,而且,能够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),靠得住性能好,增强电干扰运行不受阻碍,适应工业级的运行环境【11】,适合与做手柄之类的自动操纵的设备.MSP430系列单片机的要紧优势确实是低功耗,因此在选择MSP430系列单片机设计系统时,除要考虑外围电路的低功耗之外,还要依照系统要求选择适合的MSP430单片机,可是咱们原那么是够用就能够够,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系列利用简单,性价比高,实际应用普遍;MSP430F3XX是TI最先推出的产品,片内资源丰硕,可是没有FLASH存储技术,价钱比较高,性价比不高;MSP430F4XX既有段式液晶的驱动能力,片内资源丰硕,又有FLASH存储技术的支持,可是它的价钱太高。
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能够用,这显然不适合。
MSP430F4XX端口较多,可是咱们选择够用就行,而且MSP430F1XX的端口较多,包括多个高性能数据转化器,接口和乘法器,因此本次设计选择MSP430F1XX。
MSP430F1XX又有好几个子系列:
MSP430F11X,MSP430F12X,MSP430F13X和MSP430F14X。
相较之下MSP430F14X的功耗最低,高速晶振为8Mhz,具有12位的200kb/s的AD,自带维持方式,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,故本系统所采纳的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要紧有一下模块,基础时钟,看门狗,按时器,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和2KB的RAM.
MSP430F149的特性:
1)超低功耗
2)5中节电模式
3)大体时钟模块配置
4)具有捕捉/比较寄放器的16位按时器TimerA与TimerB
5)具有温度传感器
6)12位200KB/s的AD,自带采样维持,多种转换方式
7)串行通信接口可用于异步或同步
8)硬件乘法器
9)多大60KBFLASHROM和2KBRAM
MSO430F149介绍
MSP430F149引脚图如图6所示。
图MSP430F149引脚图
因为MSP430F149的引脚较多因此在此只将用到的引脚做以下说明。
TACLK—一般数字I/O引脚/Timer-A,时钟信号TACLK输入。
TA0--一般数字I/O引脚/Timer-A,捕捉;CCI0输入,比较:
OUT0输出。
TA1--一般数字I/O引脚/Timer-A,捕捉;CCI1输入,比较:
OUT1输出。
TA2--一般数字I/O引脚/Timer-A,捕捉;CCI2输入,比较:
OUT2输出。
SMCLK--一般数字I/O引脚/SMCLK信号输入。
TA0--一般数字I/O引脚/Timer-A,比较:
OUT0输出。
TA1--一般数字I/O引脚/Timer-A,比较:
OUT1输出。
TA2--一般数字I/O引脚/Timer-A,比较:
OUT2输出。
ACLK--一般数字I/O引脚/ACLK输出。
TAINCLK--一般数字I/O引脚/Timer-A,时钟信号TAINCLK
CAOUT/TA0--一般数字I/O引脚/Timer-A:
捕捉:
CCI0B输入/比较器-A输出。
CA0/TA1--一般数字I/O引脚/Timer-A:
比较:
OUT1输出/比较器-A输出。
CA1/TA2--一般数字I/O引脚/Timer-A:
比较:
OUT2输出/比较器-A输出。
Rosc—一般数字I/O引脚/概念DOC标称频率的外部电阻输入。
ADC12CLK--一般数字I/O引脚/转换时钟-12位ADC。
SET0--一般数字I/O引脚/从发送使能-USART0/SPI方式。
SIMO0--一般数字I/O引脚/从输入/主输出-USART0/SPI方式。
SOMI0--一般数字I/O引脚/从输出/主输入-USART0/SPI方式。
UCLK0--一般数字I/O引脚/外部时钟输入-USART0/UART/SPI方式。
UTXD0--一般数字I/O引脚/发送数据输出-USART0/UART方式。
URXD0--一般数字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,能够连接标准晶体。
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
·有可调死区时刻及其时钟振荡器
·直接与PWM信号接口和霍尔位置传感器接口
·欠电压封锁
涡连番量计介绍
流体流经传感器壳体,由于叶轮的叶片与流向有必然的角度,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以后叶片旋转,在力矩平稳后转速稳固,在必然的条件下,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,从而使线圈两头感应出电脉冲信号,此信号通过放大器的放大整形,形成有必然幅度的持续的矩形脉冲波,可远传至显示仪表,显示出流体的瞬时流量和累计量。
在必然的流量范围内,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。
假设以[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,即可显示出瞬时流量和积存总量。
脉宽调制技术介绍
在PWM驱动操纵的调整系统中,按一个固定的频率来接通和断开电源,而且依照需要改变一个周期内“接通”和“断开”时刻的长短。
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,从而来操纵电动机的转速。
也正因为如此,PWM又被称为“开关驱动装置”。
如下图。
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,那么电机的平均速度为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,当咱们改变占空比D=t1/T时,就能够够取得不同的电机平均速度Vd,从而达到调速的目的。
严格来讲,平均速度Vd与占空比D并非严格的线性关系,可是在一样的应用中,咱们能够将其近似地看成是线性关系。
本次设计采纳定频调宽方式。
3直流无刷电机的模糊PI操纵
模糊操纵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纳双闭环操纵,即速度环,电流环操纵。
传统上采纳PI操纵,结构简单,靠得住稳固,可
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- 基于 MSP430 单片机 直流 电机 操纵 系统 设计