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1、1第一章 Robocup中无刷直流电机驱动设计2RoboCupRoboCup小型组系统构成小型组系统构成3机器人子系统的底层驱动机器人子系统的底层驱动底层驱动底层驱动l 底层驱动的最主要的部分就是电机驱动底层驱动的最主要的部分就是电机驱动l 为了满足竞赛对机器人子系统的要求，选用无刷直流电机为了满足竞赛对机器人子系统的要求，选用无刷直流电机无刷直流电机有有位置传感器式和无位置传感器式两种，无特殊说无刷直流电机有有位置传感器式和无位置传感器式两种，无特殊说明默认为有位置传感器式明默认为有位置传感器式RoboCup SSL： 机器人子系统主要包括机械结构、底层驱动和控制算法机器人子系统主要包括机械
2、结构、底层驱动和控制算法4CPUCPU的选型的选型DSP+FPGA 性能性能 + 灵活性灵活性 成本高成本高 集成度低集成度低DSP 运算能力强运算能力强 灵活性差灵活性差 足球机器人的控制器架构足球机器人的控制器架构5机器人核心板机器人核心板SRAMSRAMSRAMSRAM电源电源电源电源A/DA/DA/DA/D转换器转换器转换器转换器无线模块无线模块无线模块无线模块陀螺仪陀螺仪陀螺仪陀螺仪6机器人机器人主主板板机器人主板机器人主板l无刷直流电机驱动（五路）无刷直流电机驱动（五路）l 红外检测（四路）红外检测（四路）l 接口电平兼容接口电平兼容l UART7机器人的图片机器人的图片8无刷电机
3、的结构无刷电机的结构无刷直流电机从无刷直流电机从结构结构上来看，与传上来看，与传统的直流电机主要区别在于：统的直流电机主要区别在于：l 无刷电机具有旋转的永磁转子和无刷电机具有旋转的永磁转子和固定的电磁绕组；固定的电磁绕组；l 有刷电机具有旋转的电枢绕组和有刷电机具有旋转的电枢绕组和固定的永磁定子。固定的永磁定子。无刷电机的结构无刷电机的结构无刷直流电机本质上可看作是一无刷直流电机本质上可看作是一台用电子换相装置取代机械换相台用电子换相装置取代机械换相装置的直流电机。装置的直流电机。安装在电机上的位置传感器来检安装在电机上的位置传感器来检测转子在运转过程中的位置。测转子在运转过程中的位置。控制
4、器为电子换相电路提供正确控制器为电子换相电路提供正确的换相信息，来控制电子换相电的换相信息，来控制电子换相电路中的功率开关管的开关状态，路中的功率开关管的开关状态，保证电机各相按正确顺序导通，保证电机各相按正确顺序导通，在空间形成跳跃式的旋转磁场，在空间形成跳跃式的旋转磁场，驱动永磁转子连续不断地旋转。驱动永磁转子连续不断地旋转。无刷电机的换相原理无刷电机的换相原理 优点优点我们假设在我们假设在A A、B B、C C三相电流流入为三相电流流入为正，电流方向与线圈产生磁场方向正，电流方向与线圈产生磁场方向相同。相同。如图中如图中Step1 Step1 所示，所示， 对对C C相施加正相施加正向电
5、压，对向电压，对B B施相加反向电压，施相加反向电压，A A相相处于高阻态，处于高阻态，C C、B B两相产生的合磁两相产生的合磁场方向指向方位场方向指向方位1 1。在在Step2 Step2 状态，对状态，对A A相施加正向电压，相施加正向电压，对对B B相施加反向电压，相施加反向电压，C C相处于高阻相处于高阻态，态，A A、B B两相产生的合磁场方向指两相产生的合磁场方向指向向2 2 。磁场偏转产生电磁扭矩，驱。磁场偏转产生电磁扭矩，驱动永磁转子旋转。动永磁转子旋转。无刷电机的换相原理无刷电机的换相原理如此循环往复，便可以实现无刷直流电机的连续工作。如此循环往复，便可以实现无刷直流电机的
6、连续工作。无刷直流电机正转的换相状态图如图所示。无刷直流电机正转的换相状态图如图所示。从状态从状态1至状态至状态6，A = Z11Z00，B = 00Z11Z，C = 1Z01Z0，其，其中中Z为高阻态。电机反转与之类似。为高阻态。电机反转与之类似。无刷电机驱动电路的基本结构无刷电机驱动电路的基本结构无刷电机驱动要完成的两个基本功能：换相和调速无刷电机驱动要完成的两个基本功能：换相和调速无刷直流电机的电子换相无刷直流电机的电子换相和调速和调速需要需要逆变器来完成，逆变器用来控制电动逆变器来完成，逆变器用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间。机定子上各相绕组通电的顺序和时间。功率开关单元是
7、功率开关单元是换相换相电路的核心。电路的核心。无刷电机驱动电路的基本结构无刷电机驱动电路的基本结构根据无刷直流电机的换相原理可知，根据无刷直流电机的换相原理可知，电机各相电流要根据当前的转子位置电机各相电流要根据当前的转子位置来确定，即各绕组的相电压与位置传来确定，即各绕组的相电压与位置传感器的输出值有严格的对应关系。感器的输出值有严格的对应关系。本电机中三个霍尔传感器用于检测转本电机中三个霍尔传感器用于检测转子位置，控制器通过霍尔传感器的信子位置，控制器通过霍尔传感器的信号控制各功率管的通断。号控制各功率管的通断。霍尔传感器与各相相电压之间的关系霍尔传感器与各相相电压之间的关系无刷电机驱动电
8、路的基本结构无刷电机驱动电路的基本结构霍尔传感器霍尔传感器(CBA)SW1SW2SW3SW4SW5SW61 0 0000PWM101 0 1100PWM000 0 110000PWM0 1 100100PWM0 1 00PWM10001 1 00PWM0010无刷直流电机单极性无刷直流电机单极性PWMPWM调速时序调速时序霍尔传感器输出值霍尔传感器输出值(CBA)电流方电流方向向导导通通的的功功率率管管100C BSW5；SW4101A BSW1；SW4001A CSW1；SW6011B CSW3；SW6010B ASW3；SW2110C ASW5；SW2无刷直流电动机速度控制，无刷直流电动机
9、速度控制，就是将合适的定子绕组与直就是将合适的定子绕组与直流电源导通，对导通相进行流电源导通，对导通相进行PWM脉宽调制，进而影响脉宽调制，进而影响磁场强度，改变转动力矩，磁场强度，改变转动力矩，调整速度大小调整速度大小3303533035驱动时序的产生驱动时序的产生使用专用芯片产生驱动时序使用专用芯片产生驱动时序MC33035是是ONSemiconductor公司开发的直流无刷电机控制器，它能够产生三相星形连接方公司开发的直流无刷电机控制器，它能够产生三相星形连接方式直流无刷电机运行的典型功能，包括正转、反转时序，以及设定开环速度、运行使能、刹车等功式直流无刷电机运行的典型功能，包括正转、反
10、转时序，以及设定开环速度、运行使能、刹车等功能。能。MC33035作为控制器，而非驱动器，并不包含功率驱动部分。作为控制器，而非驱动器，并不包含功率驱动部分。单片机驱动时序的产生单片机驱动时序的产生If(CBA = 100) output_1();If(CBA = 101) output_2();If(CBA = 110) output_6();使用单片机产生驱动时序使用单片机产生驱动时序读取霍尔值读取霍尔值根据状态转换表改变上根据状态转换表改变上桥臂的桥臂的MOSFETMOSFET通断通断根据设定的速度值在下桥臂根据设定的速度值在下桥臂产生对应的产生对应的PWMPWM波形输出波形输出退出中断
11、退出中断进电平变化中断进电平变化中断实际应用中：实际应用中：本方法在测试过程中我们使用了本方法在测试过程中我们使用了AVR Mega88AVR Mega88单片机。单片机。AVR Mega88AVR Mega88每个引脚均可触发电平变化中断，将霍尔传感器每个引脚均可触发电平变化中断，将霍尔传感器的输出接到单片机引脚上，霍尔输出值改变时可进入中断；的输出接到单片机引脚上，霍尔输出值改变时可进入中断；按照上页的时序表建立数组作为状态转换表，以霍尔传感器按照上页的时序表建立数组作为状态转换表，以霍尔传感器的输出值作为指针偏移量；的输出值作为指针偏移量；为实现电机正反转，需要建立为实现电机正反转，需要
12、建立CWCW和和CCWCCW两个状态转换表；两个状态转换表；三个下桥臂的三个下桥臂的PWMPWM波形由两个定时器，三个捕捉单元产生；波形由两个定时器，三个捕捉单元产生；右图为中断函数流程图右图为中断函数流程图右图为中断函数流程图右图为中断函数流程图简而言之！简而言之！FpgaFpga驱动时序产生驱动时序产生 逻辑逻辑SW1 = !A & B ;SW2 = A & !B & PWM ;SW3 = !B & C ;SW4 = B & !C & PWM ;SW5 = A & !C ;SW6 = !A & C & PWM ;霍尔传感器霍尔传感器(CBA)SW1SW2SW3SW4SW5SW61 0 00
13、00PWM101 0 1100PWM000 0 110000PWM0 1 100100PWM0 1 00PWM10001 1 00PWM0010无刷直流电机单极性无刷直流电机单极性PWMPWM调速时序调速时序使用使用FPGAFPGA产生驱动时序产生驱动时序FPGAFPGA最擅长的是数字逻辑，在单片机中通过纯软件的方法需要数百行代码实最擅长的是数字逻辑，在单片机中通过纯软件的方法需要数百行代码实现的工作从硬件角度来讲只是一个简单的组合逻辑电路。现的工作从硬件角度来讲只是一个简单的组合逻辑电路。在学习和实际应用中要注意思维方式的转变，采用这种方法是一种在学习和实际应用中要注意思维方式的转变，采用这
14、种方法是一种 创新创新 ！基于基于FPGAFPGA的无刷电机控制器框图的无刷电机控制器框图使用使用Verilog HDL硬件描述语言设计无刷电机控制器的各个模块，在硬件描述语言设计无刷电机控制器的各个模块，在Quartus集成开发环境下编译综合，生成顶层文件并进行布线，可得到无刷电机控制集成开发环境下编译综合，生成顶层文件并进行布线，可得到无刷电机控制器的顶层文件。该顶层文件主要由控制器、器的顶层文件。该顶层文件主要由控制器、PWM发生器、和驱动逻辑三个模发生器、和驱动逻辑三个模块构成。块构成。无刷电机控制器波形仿真无刷电机控制器波形仿真在在Quartus II中对无刷电机控制器的硬件逻辑进行
15、波形仿真，仿真中对无刷电机控制器的硬件逻辑进行波形仿真，仿真结果证明了硬件逻辑的正确性。结果证明了硬件逻辑的正确性。驱动电路设计（方案一）驱动电路设计（方案一）如下图所示，一种简单实用的分离件三相全桥逆变电路，以如下图所示，一种简单实用的分离件三相全桥逆变电路，以A A相驱动桥臂为例。相驱动桥臂为例。上桥臂采用上桥臂采用P P型型MOSMOS管，电源电压直接施管，电源电压直接施加在加在Q1BQ1B的源极。的源极。当当AHAH为低时，为低时，T1T1截止，截止，Q1BQ1B栅源电压栅源电压U UGSGS=0=0，上桥臂关断；，上桥臂关断；当当AHAH为高，为高，U UAHAH=3.3V=3.3V
16、时，时，U UGSGS满足开启电满足开启电压要求，上桥臂导通。压要求，上桥臂导通。该电路结构能够可靠开启和关断各桥臂该电路结构能够可靠开启和关断各桥臂上的功率上的功率MOSMOS管。管。在电路中在电路中R1R1和和R2R2为下拉电阻，保证当为下拉电阻，保证当AHAH和和ALAL无信号输入时处于低电平状态，保无信号输入时处于低电平状态，保护逆变电路。护逆变电路。该电路简单实用、结构紧凑，控制器只需在驱动波形中加入死区时间即该电路简单实用、结构紧凑，控制器只需在驱动波形中加入死区时间即可稳定地对逆变器中各桥臂的通断进行控制，产生正确的无刷直流电机可稳定地对逆变器中各桥臂的通断进行控制，产生正确的无
17、刷直流电机控制时序。控制时序。为了尽可能高地提高逆变电路的可靠性，保护逆变电路和无刷直流电机，为了尽可能高地提高逆变电路的可靠性，保护逆变电路和无刷直流电机，还必须要考虑控制器失效的情况。一旦控制器不能正常工作，不能正确还必须要考虑控制器失效的情况。一旦控制器不能正常工作，不能正确地插入死区时间，将会直接导致上下半桥功率地插入死区时间，将会直接导致上下半桥功率MOSMOS因同时导通而被烧毁因同时导通而被烧毁的情况出现。另外由于的情况出现。另外由于P P型型MOSMOS管结电阻较大，发热较管结电阻较大，发热较N N型型MOSMOS管稍大。管稍大。因此，有必要对电路结构进行进一步的完善，以提高经济
18、型、保证可靠因此，有必要对电路结构进行进一步的完善，以提高经济型、保证可靠性。性。电路优缺点分析电路优缺点分析驱动电路设计（方案二）驱动电路设计（方案二）逆变电路使用了逆变电路使用了IRF7822IRF7822芯片作为功率开关，每片芯片作为功率开关，每片IRF7822IRF7822包含两只包含两只N N沟道沟道MOSFETMOSFET，可以控制三相全桥逆变电路中的一相。，可以控制三相全桥逆变电路中的一相。本电路选用本电路选用IR2103SIR2103S作为作为MOSFETMOSFET专用驱动芯片，带有死区时间插入和欠压封专用驱动芯片，带有死区时间插入和欠压封锁功能，提高了锁功能，提高了MOSM
19、OS管控制的可靠性。管控制的可靠性。该电路简单实用、结构紧凑，控制器只需在驱动波形中加入死区时间即该电路简单实用、结构紧凑，控制器只需在驱动波形中加入死区时间即可稳定地对逆变器中各桥臂的通断进行控制，产生正确的无刷直流电机可稳定地对逆变器中各桥臂的通断进行控制，产生正确的无刷直流电机控制时序。控制时序。为了尽可能高地提高逆变电路的可靠性，保护逆变电路和无刷直流电机，为了尽可能高地提高逆变电路的可靠性，保护逆变电路和无刷直流电机，还必须要考虑控制器失效的情况。一旦控制器不能正常工作，不能正确还必须要考虑控制器失效的情况。一旦控制器不能正常工作，不能正确地插入死区时间，将会直接导致上下半桥功率地插
20、入死区时间，将会直接导致上下半桥功率MOSMOS因同时导通而被烧毁因同时导通而被烧毁的情况出现。另外由于的情况出现。另外由于P P型型MOSMOS管结电阻较大，发热较管结电阻较大，发热较N N型型MOSMOS管稍大。管稍大。因此，有必要对电路结构进行进一步的完善，以提高经济型、保证可靠因此，有必要对电路结构进行进一步的完善，以提高经济型、保证可靠性。性。电路优缺点分析电路优缺点分析选用选用IR2103SIR2103S作为作为MOSFETMOSFET专用驱动芯片，驱动电路按照用户手册中的典专用驱动芯片，驱动电路按照用户手册中的典型电路进行连接。在型电路进行连接。在IR2103SIR2103S内部
21、不但集成有独立的逻辑电源与逻辑信内部不但集成有独立的逻辑电源与逻辑信号相连接来实现与用户脉冲形成部分的匹配，而且还集成有滞后和下拉号相连接来实现与用户脉冲形成部分的匹配，而且还集成有滞后和下拉特性的施密特触发器的输入级，以及对每个周期都有上升或下降沿触发特性的施密特触发器的输入级，以及对每个周期都有上升或下降沿触发的关断逻辑和两个通道上的延时及欠压封锁单元。的关断逻辑和两个通道上的延时及欠压封锁单元。欠压封锁单元保证了当驱动电路电压不足时封锁驱动信号，防止被驱动欠压封锁单元保证了当驱动电路电压不足时封锁驱动信号，防止被驱动MOSMOS器件退出饱和区、进入放大区而损坏，这点在实际使用中非常重要。
22、器件退出饱和区、进入放大区而损坏，这点在实际使用中非常重要。更为重要的是，更为重要的是，IR2103SIR2103S完善的设计，使它自身可对输入的两个通道信完善的设计，使它自身可对输入的两个通道信号之间产生合适的延时，保证了加到被驱动的逆变桥中同一桥臂上的两号之间产生合适的延时，保证了加到被驱动的逆变桥中同一桥臂上的两个个MOSMOS器件的驱动信号之间有一个互锁的死区时间，因而防止了被驱动器件的驱动信号之间有一个互锁的死区时间，因而防止了被驱动的逆变桥中的上下桥臂两个的逆变桥中的上下桥臂两个MOSMOS器件同时导通，而发生直流电源直通短器件同时导通，而发生直流电源直通短路的危险。路的危险。驱动电路分析驱动电路分析谢谢！
