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1、基于基于dsPIC30F4011芯片的无刷直流电芯片的无刷直流电机一体机双闭环控制器设计机一体机双闭环控制器设计东南大学东南大学 林明耀教授林明耀教授 2010，12，11 一体机控制器设计简介一体机控制器设计简介 一体机控制器硬件设计一体机控制器硬件设计 一体机控制器软件设计一体机控制器软件设计 一体机控制系统测试结果一体机控制系统测试结果 总结与展望总结与展望2设计简介设计简介背景及意义背景及意义 无无 刷刷 直直 流流 电电 机机 (brushless DC motor, BLDCM)结结构构简简单单、运运行行可可靠靠、调调速速性性能能好好，在在工工业业和和商商业业领领域域得得到到广泛应
2、用。广泛应用。 将将电电机机与与控控制制器器有有机机结结合合，设设计计成成一一体体机机，结结构构紧紧凑凑、体体积积小小、可可靠靠性性高高，具具有有非非常常重重要要的的工工程程实实用用价价值值 。3控制器简介控制器简介 采用采用dsPIC30F4011 为核心控制芯片为核心控制芯片 设计了与设计了与PC机及机及PLC通信接口，方便操作通信接口，方便操作 对电机转速、电流实现双闭环对电机转速、电流实现双闭环PI控制控制 采用软硬件结合实现过采用软硬件结合实现过/欠压，过流和过温保欠压，过流和过温保 护等功能护等功能 可实现快速起动、停车、切换旋转方向可实现快速起动、停车、切换旋转方向 整个控制系统
3、结构紧凑，整个控制系统结构紧凑， 功能丰富，运行功能丰富，运行 可靠可靠 设计简介设计简介4一体机控制器设计简介一体机控制器设计简介PC通信接口PLC通信接口主芯片5一体机控制器硬件设计一体机控制器硬件设计控制器原理框图控制器原理框图6主电路主电路724V直流电源逆变桥为无刷直流电机供电直流电源逆变桥为无刷直流电机供电24V转变成转变成15V及及5V分别为分别为MOSFET驱动电路、数字信驱动电路、数字信号处理器号处理器dsPIC30F4011及外围电路供电及外围电路供电 DSC捕获霍尔信号，获得捕获霍尔信号，获得BLDCM换相及并根据换相时换相及并根据换相时间间隔计算转速间间隔计算转速电压电
4、流检测电路把直流侧电压电流转换成电压电流检测电路把直流侧电压电流转换成0-5V适合适合A/D转换的电压量，并为硬件过流、过压保护电路提供转换的电压量，并为硬件过流、过压保护电路提供信息信息。温度检测电路通过。温度检测电路通过IIC方式直接发送数字温度给方式直接发送数字温度给DSC设计控制器与设计控制器与PLC通信接口，并编写了控制器与通信接口，并编写了控制器与PC机机异步串口通信协议异步串口通信协议一体机控制器硬件设计一体机控制器硬件设计8l主控芯片选取主控芯片选取采采用用美美国国Microchip公公司司生生产产的的数数字字信信号号控控制制器器(DSC) dsPIC30F4011 为核心控制
5、芯片为核心控制芯片一体机控制器硬件设计一体机控制器硬件设计dsPIC30F40119 dsPIC30F4011 一款高性能、低成本电机控制专用芯片一款高性能、低成本电机控制专用芯片 集集单单片片微微处处理理器器(MCU)和和数数字字信信号号处处理理器器(DSP)于一于一 体，快速处理数据体，快速处理数据电机控制模块，可编程输出电机控制模块，可编程输出6路路PWM信号信号10位位AD采样模块，采样模块，有电平变化捕捉接口和正交编码器接口有电平变化捕捉接口和正交编码器接口具有具有IIC、SPI、UART、CAN通信接口通信接口 大大简化了外围电路的设计大大简化了外围电路的设计一体机控制器硬件设计一
6、体机控制器硬件设计10l逆变桥驱动电路逆变桥驱动电路驱动芯片采用驱动芯片采用IR公司生产的公司生产的IR2101，输入端具有施密输入端具有施密特触发器，能够自动屏蔽小的扰动，防止误动作特触发器，能够自动屏蔽小的扰动，防止误动作 DSC电机电机PWM控制模块驱动功率大，不采用光耦隔离控制模块驱动功率大，不采用光耦隔离放大，降低了成本，减小了控制器体积放大，降低了成本，减小了控制器体积一体机控制器硬件设计一体机控制器硬件设计11一体机控制器硬件设计一体机控制器硬件设计l电流检测电路电流检测电路 系系统统控控制制方方式式采采用用二二二二导导通通方方式式 ，通通过过检检测测逆逆变变桥桥直直流流侧侧电电
7、流流，由由运运算算放放大大器器及及电电阻阻网网络络，将电流信号转换成电压将电流信号转换成电压 12一体机控制器硬件设计一体机控制器硬件设计电流采样电路输出电压为电流采样电路输出电压为：选取合适的电阻，线性测量电流范围选取合适的电阻，线性测量电流范围-20A至至22A，对应运放输出，对应运放输出Vo为为0-4.8V ，适合于，适合于AD转换和转换和硬件保护输入的电压范围硬件保护输入的电压范围 13过流过压保护电路过流过压保护电路 电压电流采样电路输出，与标准电压进行比较，电压电流采样电路输出，与标准电压进行比较，DSC捕获比较结果，实现保护功能捕获比较结果，实现保护功能一体机控制器硬件设计一体机
8、控制器硬件设计14l PCL接口电路接口电路 控制系统向控制系统向PLC输出包括欠输出包括欠/过压、过流及过温报警信过压、过流及过温报警信息和速度达到指定速度信息；息和速度达到指定速度信息； PLC向控制系统输入各种控制量，包括启动、停止、向控制系统输入各种控制量，包括启动、停止、切换转向等信息。切换转向等信息。一体机控制器硬件设计一体机控制器硬件设计15 为使控制系统获得良好动稳态特性，采用为使控制系统获得良好动稳态特性，采用速度、电流速度、电流双闭环双闭环PI控制策略控制策略 ，控制框图为：控制框图为：一体机控制器软件设计一体机控制器软件设计16l软件流程图一体机控制器软件设计一体机控制器
9、软件设计17 系统软件流程主要包括主程序、霍尔信号捕获中系统软件流程主要包括主程序、霍尔信号捕获中断程序、断程序、AD采样中断程序及电机制动程序采样中断程序及电机制动程序 主程序主要包括各种全局变量的宏定义、主程序主要包括各种全局变量的宏定义、PWM模模块、霍尔捕获、块、霍尔捕获、AD、IO口、口、UART等系统初始化，等系统初始化，并实现与并实现与PC机及机及PLC通信功能通信功能 霍尔信号捕获中断程序主要实现电机换相、获取霍尔信号捕获中断程序主要实现电机换相、获取电机实际转速、计算速度环电机实际转速、计算速度环PI值功能值功能 AD采样中断程序主要实现将直流侧电压、电流转采样中断程序主要实
10、现将直流侧电压、电流转换成数字量，计算电流环换成数字量，计算电流环PI，并在软件中实现过，并在软件中实现过流及欠流及欠/过压保护和限制泵升电压过大等功能过压保护和限制泵升电压过大等功能 电机制动程序实现能耗制动，快速停机的功能电机制动程序实现能耗制动，快速停机的功能 一体机控制器软件设计一体机控制器软件设计18一体机控制系统一体机控制系统电机控制器直流电源实验平实验平台台19l 实验结果实验结果一体机控制系统测试结果一体机控制系统测试结果空载实验空载实验红线为设红线为设定转速定转速蓝线为实蓝线为实际转速际转速 转速变化转速变化电流变化电流变化20一体机控制系统测试结果一体机控制系统测试结果参考
11、转速为参考转速为1500r/min,负载变化时实验结果负载变化时实验结果加载卸载转速变化转速变化电流变化电流变化21参考转速为参考转速为3000r/min,负载变化时实验结果负载变化时实验结果 转速变化转速变化电流变化电流变化加载卸载22 从测试结果可知，该一体机系统具有：从测试结果可知，该一体机系统具有：良好的稳态性能，稳态时转速误差可以控制在良好的稳态性能，稳态时转速误差可以控制在0.3%内内良好的动态响应性能，能够快速达到参考速度，良好的动态响应性能，能够快速达到参考速度，且超调小且超调小一体机控制系统测试结果一体机控制系统测试结果23总结与展望总结与展望 综综合合考考虑虑电电机机形形状状、大大小小、功功率率等等因因素素，设设计计一一体体机机的的控控制制电电路路，将将电电机机与与控控制制器器有有机机结结合合，开发出一体机控制器。开发出一体机控制器。 使一体机控制器：使一体机控制器：占用空间小占用空间小易于工业安装易于工业安装操作简化，可靠性高操作简化，可靠性高易于实现多台电机联动控制易于实现多台电机联动控制24！25
