直流电动机PWM控制系统毕业设计

直流无刷电机毕业设计毕业设计论文论文题目：直流无刷电机学生姓名：学生学号：专业班级:指导教师：日期：AbstractBrushless DC Motor摘要无刷直流电机是最近发展起来的结合了多学科技术的一种新型电机，结合机电一体化，具有高速度、高效率、高动态响应、高热容量和高可靠性、免维护等优点，同时还具有低噪声和长寿命等特点。

非常适合使用在24小时连续运转的产业机械及空调冷冻主机、风机水泵、空气压缩机负载;低速高转矩及高频繁正反转不发热的特性，更适合应用于机床工作母机及牵引电机的驱动;其稳速运转精度比直流有刷电机更高,比矢量控制或直接转矩控制速度闭环的变频驱动还要高,性能价格比更好,是现代化调速驱动的最佳选择。

目前无刷电机已广泛应用于各种领域，如医疗仪器、分析仪器、材料处理、过程控制、机床工业、纺织工业、轻工机械、电动自行车等。

无刷直流电机的控制要比普通有刷电机的控制要复杂得多。

目前直流电机的控制方法主要有两种，一种是采用专用得直流电机控制芯片，如Motorola公司的MC33035；另一种控制方法各个厂家根据自己的需求采用单片机或DSP进行开发设计。

本设计主要采用嵌入式单片机ATMEGA48写入控制程序，从而形成一种高性能直流无刷电机控制器。

其不但能实现MC33035直流电机控制芯片的全部功能，而且具有接口灵活，功能完善，成本低廉、全数字控制等优点，用户能根据不同应用场合进行灵活配置。

关键词：无刷直流电机、HALL、PWM目录Abstract ............................................................................................... 错误!未定义书签。

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基于单片机的直流电机测速、调速及显示系统设计摘要本文主要研究了利用Quick51系列单片机控制PWM信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。

单片机具有体积小、功能强、成本低、应用面广泛等优点，可以说，智能控制与自动控制的核心就是单片机。

目前，一个学习与应用单片机的高潮在全社会大规模地兴起。

学习单片机的最有效方法就是理论与实践并重，本文用8051单片机自制了一个采用了专门的芯片组成了PWM信号的发生系统，并且对PWM信号的原理、产生方法以及如何通过软件编程对PWM信号占空比进行调节，从而控制其输入信号波形等均作了详细的阐述。

还对直流电机的速度进行了测量和显示。

关键词：单片机、 PWM、调速、测速、显示系统目录摘要 (1)目录 (1)第一章概述 (2)概述 (2)Quick51的技术简介和发展前景 (3)SmartSOPC与Quick51 (3)Quick51特性 (4)第二章总体方案设计 (4)8051单片机简介 (5)PWM信号发生电路设计 (12)PWM的基本原理 (12)128*64液晶显示 (13)第三章硬件设计与连接 (13) (13)信号处理电路设计 (16) (17)I2C总线概述 (17)存储器电路 (18)显示电路设计 (18)PWM信号发生电路设计 (19)第四章软件设计 (20) (20) (21)第五章结论与展望 (30)附录 (31)附一速度控制子程序 (31)附二电路图 (35)参考文献 (35)答辩问题 (36)第一章概述1.1概述本文主要研究了利用Quick51系列单片机，通过PWM方式控制直流电机调速的方法。

冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。

PWM控制技术就是以该结论为理论基础，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。

按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，既可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。

序号（学号〉： 161240303长春大学 毕业设计（论文）直流电机速度PID 控制系统设计李一丹国际教育学院自动化1612403曹福成2016 年 5 月 30 0姓 名 学 院 专 业 班 级 指导教师直流电机速度PID控制系统设计摘要：针对现有的直流电机控速难的问题，本文设计了一种基于ATmegal6L单片机的直流电机速度控制系统。

本系统以ATinegal6L单片机为主控制器，搭载了L298n为电机驱动，通过霍尔元件进行测速，通过按键控制电机的转动方向和转动速度，并配以温度传感器DS18B20对温度进行监测，通过PID算法调节PW\1 进行对速度控制。

该系统包括的模块主要有单片机为主体的控制模块、电机的驱动模块、对电机速度进行监测的模块、由LCD1602构成的显示ky r模块、电源模块和按键控制模块等。

本系统可以通过PID算法实现可编程脉宽波形对直流电机的速度进行控制，并且可以显示出当前电机的转速。

关键词：单片机；PID算法；直流电机The design of DC motor speed control system with PID Abstract: According to the existing DC motor speed control problem, this paper describes the design of a DC motor speed control system based on ATmegal6L MCU. To ATMEGA16L microcontroller as the main controller for the system, equipped with a L298n for motor drive, through the hall element of speed, through the buttons to control the motor rotation direction and the rotation speed, and the temperature sensor DS18B20 the temperature monitoring, PID algorithm is used to adjust the PWM control of the speed. The system includes the following modules display microprocessor control module, as the main body of the motor drive module, monitoring module, the speed of motor is composed of LCD1602 module, power supply module and key control module.This system can realize through PID algorithm to control the speed of the programming pulse waveforms of DC motor, and can display the current motor speed.Keywords: single chip microcomputer, PID algorithm, DC motor ky r戈ml ml ——II —In —In | * 11—I 1111 ml 1111目录Bit (1)l.i选题背景及意义 (1)1.2国内外研宄现状 (2)1.3木文主要研究的内容 (3)第2章总体方案论述 (4)ky r2.1系统主要传感器介绍 (4)2.1.1温度传感器 (4)2.1.2转速检测模块 (5)2.2系统总体功能及方案选择 (6)2.2.1系统所需模块及功能 (6)2.2.2主控制器选择 (8)第3章系统总体硬件设计 (10)3.1单片机最小系统 (10)3.1.1ATmegal6L单片机的引脚分布 (10)3.1.2最小系统的硬件电路 (13)3.2电机驱动电路 (14)3.3温度检测电路 (15)3.4光电管提示电路和按键控制电路 (15)3.5LCD1602 显示电路 (16)3.6电源电路 (17)3.7本章小节 (18)第4章系统软件设计 (19)4.1系统总体流程图 (19)4.2 PID算法简介 (19)4.2.1PID算法介绍 (20)4.2.2HD算法结果 (21)4.3系统调试步骤 (21)4.4误差分析即改进方法 (22)给论 (23)致谢 (24)参考文献 (25)隱 (26)附录I系统总体硬件电路图 (26)附录II系统中部分程序 (27)ky r In—ml ml ml ml | , I af—.第1章绪论1.1选题背景及意义电动机简称电机，俗称马达，在现实生活中，我们处处都可以见到电机的身影，小到小学生玩的电动四驱车，大到炼钢厂用的滚动罐，这些都是电机家族的成员。

DCDC PWM控制电路的设计一、概述DCDC PWM控制电路是一种常用的电子控制系统，用于将直流电源转换为可变电压和可变频率的电源。

它在各种电子设备中广泛应用，如无线终端充电器、电动汽车、太阳能逆变器等。

在本文中，我们将讨论DCDC PWM控制电路的设计原理和方法。

二、DCDC PWM控制电路的工作原理DCDC PWM控制电路主要由三部分组成：输入滤波器、PWM控制器和输出滤波器。

其中输入滤波器用于滤除输入电源中的噪声和干扰，保证输入电源的稳定性；PWM控制器通过对开关管的控制，调节输入电源的电压和频率；输出滤波器用于滤除PWM控制器产生的高频噪声，保证输出电源的稳定性。

PWM控制器的工作原理是通过对开关管的控制，实现对输入电源的调节。

当需要提高输出电压时，PWM控制器会增大开关管的导通时间，从而增加输入电压；当需要降低输出电压时，PWM控制器会减小开关管的导通时间，从而减小输入电压。

通过不断调节开关管的导通时间，PWM控制器可以实现对输出电压的精确控制。

三、DCDC PWM控制电路的设计要点1. 选择合适的开关管在设计DCDC PWM控制电路时，选择合适的开关管是非常重要的。

开关管的导通电阻和关断电压会直接影响到电路的效率和稳定性。

一般来说，导通电阻越小、关断电压越小的开关管，电路的效率和稳定性就越好。

2. 选择合适的PWM控制器PWM控制器是DCDC PWM控制电路的核心部分，它的性能直接影响到整个电路的稳定性和可靠性。

在选择PWM控制器时，需要考虑输入电压范围、输出电压范围、最大负载功率等参数，并根据实际需求进行选择。

3. 合理设计输入滤波器和输出滤波器输入滤波器和输出滤波器在DCDC PWM控制电路中起着重要作用，它们可以有效地滤除电源中的噪声和干扰，保证电路的稳定性。

在设计输入滤波器和输出滤波器时，需要考虑到电路的工作频率、负载功率、输出波形的纹波等因素，并进行合理的设计。

4. 合理设计反馈回路反馈回路是DCDC PWM控制电路中的重要组成部分，它可以实现对输出电压的精确控制。

摘要直流电动机具有良好的起动、制动性能，宜于在宽范围内平滑调速，在许多需要调速和快速正反向的电力拖动领域中得到了广泛的应用。

近年来，虽然高性能交流调速技术发展很快，但是直流拖动控制系统在理论上和实践上都比较成熟，应用前景相当广阔；而且从控制规律的角度来看，直流拖动控制系统又是交流拖动控制系统的基础。

掌握直流拖动控制系统的基本规律和控制方法具有非常大的必要性。

根据生产机械要求，电力拖动控制系统有调速系统、伺服系统、张力控制系统、多电动机同步控制系统等多种类型。

而各系统往往都是通过转速来实现的，本文研究直流调速系统，是电力拖动控制系统中的基础和及其重要的部分。

针对双闭环可逆直流PWM调速系统进行了较深入的研究，从直流调整系统原理出发，逐步建立了闭环直流PWM调整系统的模型。

关键词：直流电动机直流调速系统双闭环 PWM调速PWM-M可逆调速系统设计1 直流电动机的调速方法介绍直流电动机的调速方法有三种：（1）改变电枢电阻（R）调速。

（2）改变电枢电压（U）调速。

（3）改变主磁通（ ）调速。

前两种调速方法主要适用于恒转矩负载，后一种调速方法适用于恒功率负载。

串电阻调速为有级调速，调速平滑性比较差，机械特性斜率增大，速度稳定性比较差，受静差率的限制，调速范围比较小。

改变电枢电压调速为无级调速，机械特性斜率不变，速度稳定性好，调速范围比较大。

改变主磁通调速，控制方便，能量损耗比较小，调速平滑，但受最高转速限制，调速范围不大。

对于要求在一定范围内无级平滑调速的系统来说，以改变电枢电压调速方式为最好。

因此，自动控制的直流调速系统往往以调压调速为主要调节方式。

2 PWM控制系统的优点自从全控型电力电子器件问世以后，就出现了采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制的控制方式，形成了脉宽调制变换器-直流电动机调速系统，简称直流脉宽调速系统，或直流PWM调速系统。

PWM系统在很多方面有较大的优越性：（1）主电路线路非常简单，需要用到的功率器件比较少。

控制系统课程设计设计题目：H型双极式PWM直流调速系统设计学生姓名：***学号：200515221108专业班级：05自动化1班学部：信息科学与技术部指导教师：***2008 年11 月28 日河北理工大学本科生课程设计成绩总评表学部：信息科学与技术部班级：05自动化1班注：设计总成绩=说明书评定成绩（60%）＋答辩成绩（40%）设计任务书(一)性能指标要求：稳态指标：系统无静差动态指标：%5≤i σ；空载起动到额定转速时%10≤n σ。

(二)给定电机及系统参数：P N = 220W , U N = 48V , I N =3.7A ,2=λ，n N = 200r/min ，R a = 6.5Ω 电枢回路总电阻R =8Ω 电枢回路总电感L = 120mH 电机飞轮惯量GD 2 = 1.29Nm 2(三)设计步骤及说明书要求： 1 画出系统结构图，并简要说明工作原理。

2 根据给定电机参数，设计整流变压器，并计算变压器容量及副边电压值;选 择整流二极管及开关管的参数，并确定过流、过压保护元件参数。

3分析PWM 变换器，脉宽调制器（UPW ）及逻辑延时（DLD ）工作原理。

4 设计ACR 、ASR 并满足给定性能指标要求。

5 完成说明书，对构成系统的各环节分析时，应先画出本环节原理图，对照分析。

6打印说明书（A4），打印电气原理图（A4）。

目录一引言 (1)二系统构成和原理 (1)三 PWM主电路设计 (3)四电流调节器和转速调节器的设计 (4)4.1 电流调节器ACR的设计 (4)4.2转速调节器ASR设计 (4)4.2.1电流环等效闭环传递函数 (7)4.2.2转速调节器结构的选择 (8)4.2.3时间常数的确定 (8)4.2.4转速调节器参数的选择 (8)4.2.5校验近似条件 (8)4.2.6校核转速超调量 (8)4.2.7转速调节器的实现 (9)五基于SG3525 为核心构成的控制电路 (9)5.1 SG3525芯片的内部结构及工作原理 (9)5.2逻辑延时环节 (10)六驱动电路设计 (11)七电流反馈和转速反馈电路设计 (12)7.1电流反馈电路设计 (12)7.2转速反馈电路设计 (13)八结束语 (13)九参考文献 (15)十总电路图 (16)1引言直流电动机由于有着广泛的起制动性能，宜于在广泛范围内平滑调速，且直流拖动系统在理论上和实践上都比较成熟，因而目前应用广泛。

本论文主要是对双闭环PWM直流调速系统的研究，实现对电动机的数字化控制。

在设计中，对PWM直流调速的原理、双闭环直流调速原理和特点进行了全面阐述。

为实现系统的微机数字化控制，采用了ATmega8作为整个控制系统的核心部分，配以显示、驱动、测量等模块，实现对电动机转速参数的显示和测量。

硬件组成包括ATmega8单片微机、电流检测模块、转速检测模块、保护模块、键盘模块、显示模块、直流电机驱动模块等组成。

在设计中，采用PWM调速方式，通过改变PWM的占空比从而改变电动机的电枢电压，为了提高控制系统的性能和可靠性，设计中，对电流环和转速环采用PID调节器。

在软件实现中，本系统采用增量式PID控制算法来改变PWM的占空比，在硬件结构上采用了集成电路模块，简化了硬件电路，提高了系统的稳定性和可靠性，使整个系统的性能得到提高。

实现了直流电动机的实时数字PWM控制，具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点。

关键词：ATmega8单片机；直流电机；PWM调速; 双闭环; PIDThis paper is mainly to the double loop DC speed control system of study PWM, to achieve the digital control of DC motor. In the design, the principle of the PWM DC Motor Speed Control, the principle and characteristics of Double Closed Loop DC Speed Control are analyzed comprehensively expounded. For the realization of digital control computer system, using the ATmega8, as the core of the whole control system, together with the display, drive, measurement modules, to achieve the motor speed parameter display and measurement. Hardware includes the ATmega8 single chip microprocessor, the current detection module, speed detection module, protect module, keyboard module, the display module, the driver module of DC motor and other components. In the design, using PWM control mode, through changing the PWM duty cycle to change the motor armature improve the control performance and reliability of the system, the design of current loop and rotational speed, using PID regulator. In this system, the software realization of incremental PID control algorithm is adopted to realize PID parameters of the system and the software programming realize speed current digital PID adjuster operations and generate digital PWM waves.In the software implementation, the system uses the incremental PID control algorithm to change the PWM duty cycle. In the hardwarestructure of integrated circuits using modules, greatly simplified the hardware circuit, improve the stability and reliability of the system, the system's performance improved. It realizes the real-time digital PWM motor control, with convenient control, simple and flexible configuration advantages.Key words: ATmega8 microcontroller; DC motor: PWM Speed Regulator; Double closed loop; PID目录1 绪论 (6)1.1 课题的背景和意义 (6)1.2 课题研究的主要内容 (7)2 直流电机PWM调速原理和总体方案确定 (7)2.1直流电机PWM调速原理 (7)2.2 PWM脉冲产生方式 (9)2.3 双闭环直流调速系统的介绍 (10)2.3.1 双闭环直流调速系统的工作原理 (10)2.3.2 双闭环调速系统的作用 (12)2.3.3 数字双闭环直流调速系统 (12)3 系统总体方案分析与设计 (13)3.1系统总体方案的分析 (13)3.2 系统总体方案的设计 (13)4 系统硬件电路设计 (14)4.1 ATmega8单片机最小系统 (14)4.1.1 ATmega8的简介及特点 (14)4.1.2 ATmega8单片机的最小系统的其他电路设计 (16)4.2 电源模块电路设计 (17)4.3 直流电机驱动模块设计 (18)4.3.1 H桥驱动电路原理 (18)4.3.2 直流电机驱动电路设计 (18)4.4 隔离模块电路设计 (21)4.5 键盘电路设计 (22)4.6 速度和电流检测模块电路设计 (24)4.6.1 速度检测电路设计 (24)4.6.2 电流检测电路设计 (26)4.7 转速显示电路模块设计 (26)4.8 串行通信模块电路设计 (27)5电机控制策略的研究 (28)5.1 PID算法 (28)5.2 数字滤波算法 (32)6 系统软件设计 (33)6.1 主程序设计 (33)6.2 初始化程序设计 (34)6.3 中断服务子程序设计 (34)7 总结与展望 (38)参考文献 (39)附录..................................................... 错误！未定义书签。

基于D S P的直流电机控制系统设计摘要：直流电机由于励磁磁场和电枢磁场完全解耦,可以独立控制,因此具备良好的调速性能,出力大、调速范围宽和易于控制,广泛应用于电力拖动系统中;而随着对电机控制要求的不断提高,普通的单片机越来越不能满足对电机控制的要求,DSP技术的发展正好为先进控制理论以及复杂控制算法的实现提供了有力的支持;本设计采用美国TI公司专门为电机数字化控制设计的16位定点DSP 控制器TMS320LF2407作为微控制器;该芯片集DSP信号高速处理能力及适用于电机控制优化的外围电路于一体,可以为高性能传动控制技术提供可靠高效的信号处理与控制硬件;电机的控制系统是由检测装置、主控制器、功率驱动器以及上位机组成,其中DSP控制器是电机控制系统的关键部分,负责对电机的反馈信号进行处理并输出控制信号来控制电机的转动;关键词：直流电机； DSP； PID控制器； PWMThe Design of DC Motor Control System Based on DSP Abstract：The DC motor armature magnetic field and the excitation completely decoupled, it can be independently controlled, so it has a good speed performance, contribute to a large power, widely speed range, and easy to control, so it is widely used in electric drive systems. With the motor control required for continuous improvement, common single MCU can't meet requirements of the motor control well, DSP technology just for the advanced control theory and complex control algorithm implementation provides a strong support.This design uses the American TI company specially for motor control design of digital 16 fixed-point DSP controller TMS320LF2407 as the controller. The chip set DSP signal the high processing capacity and used in motor control optimization the periphery of the circuit in a body, high performance driving control technology to provide reliable and efficient signal processing and control hardware. Motor control system is composed of detection devices, the main controller, power driver and PC componen ts, whichDSP controller is a key part of the motor control system , responsible for the motor feedback signal processing and output control sig n al to control the rotation of the motor.Keywords：DC motor, DSP, PID controller, PWM目录第1章绪论课题概述课题研究的背景电气传动是以电动机的转矩和转速为控制对象,按生产机械工艺要求进行电动机转速控制的自动化系统;根据电动机的不同,工程上通常把电气传动分为直流电气传动和交流电气传动两大类;纵观电气传动的发展过程,交流与直流两大电气传动并存于各个时期的各大工业领域内,虽然它们所处的地位和作用不同,但它们始终随着工业技术而发展的;特别是随着电力电子技术和微电子学的发展,在相互竞争中完善着自身,发生着变更;由于直流电机具有良好的线性调速特性,简单的控制性能,因此在工业场合应用广泛;近代,随着生产技术的发展,对电气传动在起制动、正反转以及调速能力、静态特性和动态响应方面都提出了更高的要求,所以计算机控制电力拖动控制系统已成为计算机应用的一个重要内容;直流调速系统在工农业生产中有着更为广泛的应用;随着计算机技术和电力电子技术的飞速发展,两者的有机结合使电力拖动控制技术产生了新的变化;电力电子技术、计算机技术和直流拖动技术的组合是技术领域的交叉,具有广泛的应用前景;有不少的研究者己经在用DSP作为控制器进行研究;直流调速控制系统的控制方法经历了机械式的、双机组式的、分立元件电路式的、集成电路式的、单片机式的发展过程;随着数字信号处理器DSP的出现,给直流调速控制提供了新的手段和方法;将计算机技术的最新发展成果运用在直流调速系统中,在经典控制的基础之上探讨一种新的控制方法,为计算机技术在电力拖动控制系统中的应用做些研究性的工作;用计算机技术实现直流调速控制系统,计算机的选型很多;经过选择,选取DSP芯片作为控制器;直流调速系统的内容十分丰富,有开环控制系统,有闭环控制系统；有单闭环控制系统,有双闭环控制系统和多闭环控制系统；有可逆调速系统,有不可逆调速系统等9;开展本课题研究的控制对象是闭环直流调速系统；研究的目的是利用计算机硬件和软件发展的最新成果,对控制系统升级进行研究；研究工作是在对控制对象全面回顾总结的基础上,重点对控制部分展开研究,它包括对实现控制所需要的硬件和软件环境的探讨,控制策略和控制算法的探讨等内容;目前,对于控制对象的研究和讨论很多,有比较成熟的理论,但实现控制的方法和手段随着技术的发展,特别是计算机技术的发展,不断地进行技术升级;这个过程经历了从分立元件控制,集成电路控制和单片计算机控制等过程;每一次的技术升级都是控制系统的性能有较大地提高和改进;随着新的控制芯片的出现,给技术升级提供了新的可能;电机控制是DSP应用的主要领域,随着社会的发展以及对电机控制要求的日益提高,DSP将在电机控制领域中发挥越来越重要的作用;课题研究的目的及意义长期以来,直流电机一直占据着速度控制和位置控制的统治地位;由于它具有良好的线性调速特性,简单的控制性能,高质高效的平滑运转的特性,尽管近年来不断受到其它电动机的挑战,但到目前为止,就其性能来说仍无其它电动机可比;在控制系统的构成上,本课题对硬件电路进行了设计,而这个硬件系统具有一定的通用性,也即可以将它作为一个硬件平台,在其它过程控制中应用;另外,由DSP的特点量身订做,可以在其它的控制系统中根据不同的要求进行外围电路的设计,进而来构成硬件系统,这样既便于设计思想的物化,又使得设计系统更加紧凑,不浪费资源;本直流电机控制系统采用经典的数字增量式PID控制算法,在本文中对数字增量式PID控制的理论、设计和实现进行了较为详细的论述; 课题研究的现状近些年来,随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展,电机的应用技术也得到了进一步的发展,新产品、新技术层出不穷;除了人们己经熟悉的普通电机外,许多不同用途的特种电机也不断问世,如广泛应用于办公设备的无刷直流电机和高精度的步进电机、用于照相机的超声波电机、用于心脏血液循环系统的微型电机等等;另一方面,由于应用了电力电子技术,电机的控制技术变得更加灵活,效率也更高,如变频器控制的异步电机及伺服系统即是典型的例子1;在实际中,电机应用已由过去简单的起停控制、提供动力为目的应用,上升到对其速度、位置、转矩等进行精确的控制,使被驱动的机械运动符合预想的要求;例如在工业自动化、办公室自动化和家庭住宅自动化方面使用大量的电机,几乎都采用功率器件进行控制,将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动;这种新型控制技术己经不是传统的“电机控制”或“电气传动”而是“运动控制”;运动控制使被控机械实现精确的位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力的控制,以及这些被控机械量的综合控制;因此现代电机控制技术离不开功率器件和电机控制器的发展5;电机的控制器经历了从模拟控制器到数字控制器的发展;由于模拟器件的一些参数受外界因素影响较大,并且它的精度也差;所有这些都使得模拟控制器的可重复性比较差,控制效果不理想,因此调速电机的控制器逐渐朝数字化方向发展;数字控制器与模拟控制器相比较,具有可靠性高、参数调整方便、更改控制策略灵活、控制精度高、对环境因素不敏感等优点;随着现有的工业电气传动、自动控制和家电领域对电机控制产品需求的增加用户也不断提高对电机控制技术的要求5;总是希望能在驱动系统中集成更多的功能,达到更高的性能;许多设备试图使用8位或是准16位的微处理器实现电机的闭环控制,然而它们的内部体系结构和计算功能都阻碍了这一要求的实现;例如,在很多领域如工业、家电和汽车,用户希望使用效率高且去掉霍尔效应传感器的电机;这种电机的控制可以通过使用先进的电机控制理论、采用高效的控制算法来实现;但是这可能超出上述微处理器的计算能力;使用高性能的数字信号处理器DSP来解决电机控制器不断增加的计算量和速度需求是目前较为普遍的做法;将一系列外围设备如模数转换器A/D、脉宽调制发生器PWM和数字信号处理器DSP集成在一起,就获得一个既功能强大又非常经济的电机控制专用的DSP芯片;近年来,各种集成化的一单片DSP的性能得到很大的改善,软件和开发工具越来越多,越来越好,价格却大幅度降低;低端产品的价格已接近单片机的价格水平,但却比单片机具有更高的性能价格比;越来越多的单片机用户开始选用DSP器件来提高产品性能,DSP器件取代高档单片机的时机己成熟13;首先,与单片机相比,DSP器件具有较高的集成度;DSP具有更快的CPU,更大容量的存储器,内置有波特率发生器和FIFO缓冲器,提供高速、同步串口和标准异步串口;有的片内集成了A/D和采样/保持电路,可提供PWM输出;更为不同的是,DSP器件为精简指令器件,大多数指令都能在一个周期内完成,并且通过并行处理技术,使一个指令周期内可完成多条指令;同时DSP采用改进的哈佛结构,具有独立的程序和数据空间,允许同时存取程序和数据;又配有内置高速硬件乘法器、多级流水线,使DSP 器件具有高速的数据计算能力;而单片机为复杂指令系统计算机CISC,多数指令要2-3个指令周期来完成;单片机采用冯.诺依曼结构,程序和数据在同一空间存取,同一时刻只能单独访问指令和数据、ALU只能做加法,乘法需要由软件来实现,因此占用较多的指令周期,也就是说速度比较慢;所以,结构上的差异使DSP器件比准16位单片机单指令执行时间快8-10倍,完成一次乘法运算快16-30倍;DSP器件还提供了高度专业化的指令集,提供了FFT快速傅立叶变换和滤波器的运算;此外,DSP器件提供了JTAG Joint Test Action Group接口,具有更先进的开发手段,批量生产测试更方便;其次,基于DSP芯片制造的电机控制器可以降低对传感器等外围器件的要求;通过复杂的算法达到同样的控制性能,降低成本,可靠性高,有利于专利技术的保密;现在各大DSP生产厂家都推出自己的内嵌式DSP电机控制专用集成电路;如占DSP市场份额45%的美国德州仪器公司,凭借自己的实力,推出了电机控制器专用DSP--TMS320C24x;新的TMS320C24x DSP采用TI公司TMS320C2xLP16位定点DSP核,并集成了一个电机事件管理器,后者的特点是可以最佳方式实现对电机的控制;该器件利用TI的可重用DSP核心技术,显示出TI的特殊能力一通过在单一芯片上集成一个DSP和混合信号外设件,制造出面向各种应用的DSP方案;TMS320C24x作为第一个数字电机控制器的专用DSP系列,可支持用于电机控制的指令产生、控制算法处理、数据交流和系统监控等功能;集成的DSP核、最佳化电机控制器事件管理器和单片式A/D设计等诸多功能块加在一起,就可以提供一个单芯片式数字电机控制方案;系列中的TMS320LF2407包括一个30MIPSDSP核、两个事件管理器、32位的中央算术逻辑单元、多达16通道的IO位A/D转换器、64K的I/0空间和一个32K字的闪速存储器,它利用TMS320的定点DSP软件开发工具和JTAG仿真支持,可使电机控制领域的研发人员方便地调试控制器和脱机使用;第三,DSP运算速度快,控制策略中可以使用先进的实时算法,如自适应控制、卡尔曼滤波、状态预估等,大大提高控制系统的品质;而且DSP 控制软件可用C语言或汇编语言编写或者二者嵌套使用;因此采用DSP 芯片制造的电机控制器便于用户的调试和应用;最后,在越来越多的场合,如电动汽车、纺织行业、水泵变频调速系统等,他们往往是规模比较大,时序、组合逻辑都很复杂的情况,这时如果同时运用DSP芯片和一些其它的可编程逻辑器件可以大大减小系统的体积、提高系统运算能力,实现复杂的实时控制;课题研究的内容本文主要研究基于DSP的直流电机控制系统,通过控制算法和调速方法的分析,利用电机调速、DSP芯片控制、上位机通信、按键模块等的基本原理及相关知识,实现对电机的速度控制;整个系统的基本思想就是利用DSP内部资源产生可控制的脉冲控制整流电压,改变串入主回路中的直流电动机的电磁转矩,实现电动机的转速调节;研究内容包括如下：1电机控制系统功能实现的分析；2控制算法与调速方法的分析与设计；3电机驱动、电源模块、按键模块、测速、显示模块的硬件设计与实现；4系统主程序、按键扫描、控制算法、测速、电机速度控制等程序的分析、设计与实现；5电机控制系统整机测试与实现；第2章系统总体设计系统的组成由图2-1可知,该设计包含DSP控制单元、功率驱动单元、检测单元、显示单元、通信单元五个部分;DSP控制单元：对来自上位机的给定信号和来自传感器的反馈信号按一定的算法进行处理,输出相应的PWM波,经过光电隔离部分,送给功率驱动单元；功率驱动单元：对来自DSP控制器的PWM信号进行功率放大后送给直流电动机的电枢两端,驱动电机与负载；速度检测单元：采集电机的速度信息,并送给主控制器；显示单元：将采集到的电机转速信息予以显示；通信单元：负责主控制器与上位机及外设的信息交换;图2-1 系统总体框图2. 2 DSP芯片选择直流电机的调速控制系统一般采用电机专用微处理器,其种类主要包括复杂指令集CISC处理器如工NTEL196MX系列单片微控制器,精简指令集RISC如日立公司SH704x系列单片微控制器,哈佛结构DSP处理器如TI公司T145320F24X系列DSP;一般用于直流电机控制的徽处理器性能要满足以下几个方面：1指令执行速度；2片上程序存储器、数据存储器的容量及程序存储器的类型；3乘除法、积和运算和坐标变换、向量计算等控制计算功能；4中断功能和中断通道的数目；5用于PWM生成硬件单元和可实现的调制范围以及死区调节单元；6用于输入模拟信号的A/D转换器；7价格及开发环境;DSP一般采用哈佛或者改进的哈佛结构,程序空间和数据空间分离,程序的数据总线和地址总线分离,数据的数据总线和地址总线分离;这种结构允许同时访问程序指令和数据,在同一机器周期里完成读和写,并行支持在单机器时钟内同时执行算术、逻辑和位处理操作,极大地提高了执行速度,并且电机控制专用DSP具备丰富的设备和接口资源;TI公司的TMS320系列DSP芯片是目前最有影响、最为成功的数字信号处理器,其产品销量一直处于国际领先地位,是公认的世界DSP霸主;本论文选择了TI公司的TMS320LF2407DSP作为直流电机控制系统的微处理器;TMS320LF2407 DSP 控制器介绍TMS320LF2407 DSP是专为数字电机控制和其它控制系统而设计的;是当前集成度最高、性能最强的运动控制芯片;不但有高性能的C2XX CPU 内核,配置有高速数字信号处理的结构,且有控制电机的外设;它将数字信号处理的高速运算功能,与面向电机的强大控制功能结合在一起,成为传统的多微处理器单元和多片系统的理想替代品12;TMS320LF2407的片内外设模块包括：事件管理模块EV、数字输入/输出模块I/O、模数转换模块ADC、串行外设模块SPI、串行通信模块SCI、局域网控制器模块CAN;1事件管理器EVA和EVBTMS320LF2407提供两个事件管理器EVA和EVB模块,每个模块包含两个通用GP定时器、3个全比较/PWM单元、3个捕获单元和一个正交编码脉冲电路;事件管理器位用户提供了众多的功能和特点,在运动控制和电机控制中特别有用;通用定时器：LF2407共有4个通用定时器,每个定时器包括：一个16位的定时器增/减计数的计数器TxCNT；一个16位的定时器比较寄存器TxCMPR；一个16位的定时器周期寄存器TxPR；一个16位的定时器控制寄存器TxCON；可选择的内部或外部输入时钟;各个GP定时器之间可以彼此独立工作或相互同步工作;与其有关的比较寄存器可用作比较功能或PWM波形发生;每个GP定时器的内部或外部的输入时钟都可进行可编程的预定标,它还向事件管理器的子模块提供时毕;每个通用定时器有4种可选择的操作模式：停止/保持模式、连续增计数模式、定向增/减计数模式、逢续增/减计数模式;当计数器值和比较寄存器值相等时,比较匹配发生,从而在定时器的PWM输出引脚TxPWM/TxCMP上产生CMP/PWM 脉冲,可设置控制寄存器GPTCON中的相应位,选择下溢、比较匹配或周期匹配时自动启动片内A/D转换器;比较单元：LF2407有6个比较单元,每个EV模块有3个;每个比较单元又有两个相关的PWM输出,比较单元的时基由通用定时器1 EVA模块和通用定时器3 EVB模块提供;每个比较单元和通用定时器1或通用定时器3,死区单元及输出逻辑可在两个特定的器件引脚上产生一对具有可编程死区以及输出极性可控的PWM输出;在每个EV模块中有6个这种与比较单元相关的PWM输出引脚,这6个特定的PWM输出引脚可用于控制三相交流感应电机和直流无刷电机;由比较方式控制寄存器所控制的多种输出方式能轻易地控制应用广泛的开关磁阻电机和同步磁阻电机;捕获单元：捕获单元被用于高速I/O的自动管理器,它监视输入引脚上信号的变化,记录输入事件发生时的计数器值,即记录下所发生事件的时刻;该部件的工作由内部定时器同步,不用CPU干预;LF2407共有6个捕获单元,CAP1,CAP2,CAP3可选择通用定时器1或2作为它们的时基,但CAP1和CAP2一定要选择相同的定时器作为它们的时基;CAP4,CAP5,CAP6可选择通用定时器3或4作为它们的时基,同样CAP4和CAP5也一定要选择相同的定时器作为它们的时基;每个单元各有一个两级的FIFO缓冲堆栈;当捕获发生时,相应的中断标志被置位,并向CPU发中断请求；若中断标志己被置位,捕获单元还将启动片内A/D转换器;正交编码脉冲QEP单元：常用的位置反馈检测元件为光电编码器或光栅尺,它直接将电机角度和位移的模拟信号转换为数字信号,其输出一般有相位差为90°的A、B两路信号和同步脉冲信号C;A、B两路脉冲可直接作为LF2407的CAP1/QEP1和CAP2/QEP2引脚的输入;正交编码脉冲电路的时基由通用定时器2或通用定时器4提供,但通用定时器必须设置成定向增/减计数模式,并以正交编码脉冲电路作为时钟源;2数字输入/输出模块I/ODSP器件的数子输入/输出引脚均为功能复用引脚;即这些引脚既可作为通用I/O功能双向数据输入/输出引脚,也可作特殊功能PWM输出、捕获输入、串行输入输出等引脚;数子I/O模块负责对这些引脚进行控制和设置;两种功能的选择由I/O复用控制寄存器MCRx,x=A,B,C来控制;当引脚作为通用I/O时,由数据和方向控制寄存器PxDATDIR,x=A,B,C,D,E,F指出各I/O引脚的数据方向输入还是输出和当前引脚对应的电平高或低;读通用I/O引脚的电平或向引脚输出电平,实际上是对相应的寄存器PxDATDIR进行读写操作;3模数转换器ADC模块在自动控制系统中,被控制或被检测的对象,如温度、压力、流量、速度等都是连续变化的物理量,通过适当的传感器如温度传感器、压力传感器、光电传感器等将他们转换为连续变化的电压或电流即模拟量;模数转换器ADC就是用来讲这些模拟电压或电流转换成计算机能够识别的数字量的模块;TMS320LF2407期间内部有一个10为的模数转换器ADC;该模块能够对16个模拟输入信号进行采样/保持和A/D转换,通道的转换顺序可以编程选择;4串行通信接口SCI模块2407器件的串行通信接口SCI模块是一个标准的通信异步接收/发送UART可编程串行通信接口;SCI支持CPU与其他异步串口采用标准不返回零NRZ模块进行异步串行数字通信;SCI有空闲线和地址位两种多处理器通信方式；两个输入/输出引脚：SCIRXDSCI接收数据引脚和SCITXDSCI发送数据引脚；SCI通过一个16位的波特率选择寄存器,可编程选择64K种不同速率的波特率;SCI支持半双工和全双工操作,发送器和接收器的操作可以通过中断或转换状态标志来完成;5串行外设接口SPI模块串行外设接口SPI模块是一个高速同步串行输入/输出I/O口,它能使可编程长度1—16位的串行位流以可编程的位传输速率输入或输出器件;SPI可作为一种串行总线标准,以同步方式实现两个设备之间的信息交换,即两个设备在同一时钟下工作;SPI通常用于DSP控制器与外部设备或其他控制器之间的通信,用SPI可以构成多机通信系统,SPI还可以作为移位寄存器、显示驱动器和模数转换器ADC等器件的外设扩展口;6CAN控制器模块LF24xx系列DSP控制器作为第一个具有片上CAN控制模块的DSP芯片,给用户提供一个设计分布式或网络化运动控制系统的无限可能;CAN总线是一种多主总线,通信介质可以是绞线、同轴电缆或光导纤维,通信速率可达1 Mbps,通信距离可达10km;CAN协议的一个最大特点是废除了传统的站地址编码,而代之以对通信数据块进行编码,使网络内的节点个数在理论上不受限制;由于CAN 总线具有较强的纠错能力,支持差分收发,因而适合高干扰环境,并具有较远的传输距离;2407的CAN控制器模块是一个16位的外设模块,支持CAN2. 0B协议;CAN模块有6个邮箱MBOX0—MBOX5；有用于0,1,2和3号的邮箱的本地屏蔽寄存器和15个控制/状态寄存器;CAN模块既有可编程的位速率、中断方式和CAN总线唤醒功能；自动回复远程请求；自动再发送功能在发送时出错或仲裁是丢失数据的情况下；总线出错诊断和自测模式; 硬件方案论证测速传感器的选择方案一：使用测速发电机,输出电动势E和转速n成线性关系,即E=kn,其中k是常数;改变旋转方向时,输出电动势的极性即相应改变;方案二：采用霍尔传感器,霍尔元件是磁敏元件,在被测的旋转体上装一磁体,旋转时,每当磁体经过霍尔元件,霍尔元件就发出一个信号,经放大整形得到脉冲信号,送运算;方案三：在电机的转轴上套一码盘,利用光电对管测脉冲,每转一圈OUT端输出若干个脉冲;本设计中码盘每转一圈,输出4个脉冲经比较,方案一中的测速放电机安装不如方案二中霍尔元件安装方便,并且准确率也没方案二的高,并且方案二不需A/D转换,直接可以被DSP接收;但方案二的霍尔传感器的采购不是很方便,故采用方案三,它具有方案二的几乎所有的优点;方案三中可以采用定时的方法：是通过定时器记录脉冲的周期T,这样每分钟的转速：M=60/4T=15/T;0也可以采用。

摘要摘要近些年来，随着人们对保护生态环境意识的逐渐提高，电动车得到了迅速发展，相信这种电动车在将来会成为人们广泛应用的一种交通工具。

本文介绍了基于TMS320LF2407的霍尔位置传感器直流无刷电机控制系统的设计原理和设计过程。

以如何构建该系统为中心，侧重于TMS320LF2407技术在BLDCM 控制系统中的具体应用。

首先对直流无刷电机的基本组成环节、基本工作原理作了详细的介绍，分析了直流无刷电机的换相过程和PWM 信号的分配情况。

在此基础上，提出了基于DSP 技术的有位置传感器设计方案，并根据该方案分别进行了硬件电路和系统软件的设计与调试。

硬件部分先作了整体设计的论述，然后对主要的电路设计，及一些重要电子元器件及其参数的选择做了介绍。

软件部分也首先介绍了整体设计，接着详细论述了软件实现方面的几个问题。

关键词：电动车；无刷直流电动机；霍尔位置传感器；TMS320LF2407ABSTRACTABSTRACTIn the recent years，as People are gradually awareness of protecting the ecological environment，the electric vehicles has been rapid developed. So we believe the electric vehicles will be widely used in the future.This document presents the theory and process of the design for a hall position sensor BLDCM motor using TMS320LF2407. Regard how to structure the control system with TMS320LF2407 chip as the center in this paper .I first talk about the basic component part, the basic running principle of the BLDG motor. Followed, it analyses the course of changing phase and distributing of PWM signal. Based on these facts, we present the sensor solution for BLDG motor, design the hardware system and software system. The part of hardware design first expounds the whole design. Then the design of several primary circuits is discussed and the choice of some important electronic components and their parameters in these circuits is analyzed. The part of software design also first discusses the whole design. Then some problems on soft ware realization are dissertated.Key words ：the electric vehicles；BLDCM；hall position sensor；TMS320LF2407毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。