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基于MSP430的稀土永磁无刷直流电机控制系统

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伺服控制・SERVOTECHNIQUE

基于MSP430的稀土永磁无刷直流电机控制系统

收稿日期:2004-12-28

基金项目:国家863高技术发展研究计划项目(项目编号:2003AA755023

)

曹菁1.2　张新华3　朱纪洪1(1.清华大学计算机系智能技术与系统国家重点实验室,北京　100084;

2.江苏信息职业技术学院　无锡　214106;3.江苏大学电气信息工程学院　镇江　212013)

摘　要:针对小型无人飞机舵机的驱动需求,介绍了以MSP430F146为核心的稀土永磁无刷直流电机的驱动控制系统的组成、硬件电路和控制策略等。实验结果表明,该系统具有良好的动态和静态特性。关键词:MSP430单片机;无刷直流电机;PWM;控制系统中图分类号:TM383.6　TM359.4 文献标识码:A 文章编号:1001-6848(2005)05-0034-04

DrivingControlSystemofREPMBrushlessDCMotorbasedonMSP430CAOJingZHANGXin-huaZHUJi-hong(1.TsinghuaUniversity,Beijing,100084,China;

2.JiangsucollegeofInformationTechnology,SchoolofElectricalandInformationEngineering,Wuxi,21406;3.JiangsuUniversityDepartmentofComputerScienceandTechnology,Zhenjiang,212013;China

)

Abstract:Aimingatrequrementoftheunmannedaerialvehiclecontrolsystem,thethesisintroducesadrivecontrolsystemofrareearthpermanentmagnet(REPM)brushlessDCmotorbasedonMSP430.Itdescribesthecomposingprinciple,thehardwaredesignsolutionandthecontrolmethodforcontrolsystembasedonMSP430F149.Experimentalresultsshowthatthesystemhasgooddynamicandstaticcharacteristics.Keywords:MSP430;brushlessDCmotor;PWM;controlsystem

0　引　言稀土永磁无刷直流电机系统,既有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等特点,又有直流电机运行效率高、调速性能好等特性,而且由于不受机械换向的限制,易于做到大容量、高转速。本文设计了一种基于美国TI公司的MSP430单片机的全数字无刷直流电机驱动控制系统,用于实现小型无人飞机的舵机控制,整个控制系统结构紧凑,功能完善。

1　MSP430系列单片机概述美国德州仪器(TI)公司的MSP430系列单片

机,是一种超低功耗特性的高性能单片机。它将各种外围资源集中在片上,实现了片上系统(SOC)

,从而

大大简化了系统的设计,具体特点如下:

1)超低功耗。 工作电压仅为1.8V～3.6V,并有5种低功耗模式,充分运用各种超低功耗设计手段,运行在1MHz时钟条件下时,工作电流视工作模式不同为0.1ΛA～400ΛA;

2)具有强大的处理能力。 采用了高效16位RISC(精简指令计算系统)技术,仅27条汇编指令

,

8MHz时钟频率时,指令周期可达125ns,绝大多数指令1个时钟周期完成,能编制出高效的程序;

3)灵活的时钟系统(两个外部时钟和一个内部

时钟),2组频率可达8MHz的时钟模块;

4)超低功耗的数控振荡器(DCO)

技术。 可

以实现频率调节和无晶振运行,外接时钟频率范围为32768Hz～8MHz,并可实现分频。5)具有串行在线编程功能。

6)强大的中断功能。 具有16个中断源,可任意嵌套,使用灵活方便,唤醒时间短,用中断请求将CPU从节电模式下唤醒只需6Λs。7)具有较丰富的片内外设。 本设计采用的

MSP430F149包含:60KB的片内程序存储器—43—

微电机　2005年　第38卷　第5期(总第146期)ROM、2KB的数据存储器RAM,12位高性能A󰃗D转换器,高精度比较器,1个硬件乘法器,2个带有大量捕获󰃗比较寄存器的16位定时器TimeA和TimeB,1个看门狗时钟,2个可实现异步、同步及多址访问的串行通信接口,有6×8个可实现方向设置及中断功能的并行输入󰃗输出端口等。8)包容了JTAG技术,FLASH在线编程技术等许多先进的技术。 其内部预设了JTAG模块,具有完整的在线调试功能。利用单片机本身具有的JTAG接口,可以在1台PC机及1个结构小巧的JTAG控制器的帮助下完成程序的下载和调试,而不必使用复杂的仿真调试工具[1]。2　BLDCM驱动控制系统构成基于MSP430的无刷直流电机(BLDCM)驱动控制系统结构组成如图1所示。系统由上位机进行信号给定,以MSP430F149为核心构成的控制系统作为下位机。控制系统采用PWM方式控制电机的转矩和转速,采用霍尔元件进行转子位置检测,利用光电编码器进行速度检测,以功率MOSFET场效应管作为功率变换器件。上位机和下位机采用串行通讯传输数据。下位机根据上位机的位置给定等命令通过计算输出一定的PWM波形,给定子绕组供电,通过调整PWM波的占空比控制MOSFET功率管的开关时间,进而实现对电机转速和转矩的控制。系统采用位置、转速、电流三闭环控制。

图1　无刷直流电机(BLDCM)

控制系统结构框图

2.1　硬件电路控制系统硬件电路主要包括功率开关主电路、驱动电路、控制电路、检测电路等,采用MSP430F149、GAL16V8、IR2130、MAX485等芯片。1)功率开关主电路

开关主电路如图2所示。电源电压为28V直流,采用三相桥式逆变器,工作方式为120°导通型星形二相导通三相6状态。功率开关管T1～T6选用高速功率场效应晶体管MOSFET器件IRF540,

内含快速恢复二极管。2)驱动电路

采用美国InternationalRectifier公司生产的6

路高压集成驱动器IR2130。具有集成度高、可靠性好、速度快、过流欠压保护、调试方便等特点。其驱动信号延时为纳秒级,开关频率高达20kHz。该电路驱

图2　功率开关主电路动6个单元仅用一路15V电源。芯片内部具有欠压锁定、外部过流封锁和故障输出指示功能。调节电阻可调节过流保护值。D1为保护指示灯,一旦过流或欠压锁定,D1会发出故障指示。为了防止干扰引起误触发而产生假过电流现象,在IR2130的9脚过流封锁端加一小电容进行滤波[2]。图3为IR2130组成的开关管驱动电路,可见,电路外围元件少,电路结构简单,提高了系统的可靠性。—53—

基于MSP430的稀土永磁无刷直流电机驱动控制系统　曹菁　张新华　朱纪洪图3　IR2130组成的开关管驱动电路3)控制电路

控制电路主要由以MSP430F149为核心的PWM生成电路和以GAL16V8为核心的逻辑综合电路两部分组成。分别完成PWM调速功能和换相功能。采用MSP430F149的定时器B通过软件实现PWM方波输出,通过改变捕获󰃗比较寄存器CCR2中的数值就可改管变TimeB产生的PWM方波信号的占空比,通过改变捕获󰃗比较寄存器CCR0中的数值就可改变PWM方波信号的周期。系统由上位机给定位置控制信号,MSP430通过一系列的计算产生一定占空比的PWM方波。通过调整PWM波宽度控制功率管的开关时间,实现对无刷直流电动机的控制。同时,一旦产生故障,通过软件及时封锁PWM的输出直至故障取消。逻辑综合电路采用GAL16V8门阵列可编程器件来实现。转子位置传感器采用霍尔元件。H1、H2、H3分别为3个霍尔元件输出互差120°电角度的三相位置检测信号,经上位电阻后变为+5V开关脉冲,经稳压处理后,送到GAL电路进行开关译码,

如图4所示。芯片初始化由SET控制信号完成,正、反转信号经DIR控制信号来实现,PWM脉冲信号为零时实现停机操作。以上信号按120°三相六状态导通规则进行逻辑合成,生成逆变器开关器件所需的6路驱动控制信号,送入IR2130。GAL电路同时将转子位置传感器信号、PWM调制信号、电机正反转信号DIR一起译码,输出对应于功率管T1～T6的6个驱动信号,实现电机的调速控制、正反转控制及故障保护等功能。表1为霍尔元件信号和电机正、反转逻辑关系。

图4　GAL16V8组成的逻辑综合电路4)检测电路

(1)电流检测。

MSP430F149有8

个外部通道和

4个内部通道,可用外部参考电平或内部参考电平,也可采用两者的组合。本系统将采集到的电流、电压模拟量通过光耦A7840隔离、滤波、跟随、限幅后直接送MSP430F149的12位A󰃗D转换模块,若遇到过电流就及时封锁PWM输出。(2)速度检测。速度检测器通常有测速发电机、

光电编码器、磁碥码器和旋转变压器等,也可利用无刷直流电机转子位置传感器所产生的脉冲信号来反映电机的转速,但在低转速时,测速精度较差。本系统采用500线的增量式光电编码器进行M法数字测速。将编码器输出的A、B两组信号分别送入MSP430,通过软件即可算出电机转速。具体做法是:通过TimeB捕捉10ms时间内测到的脉冲数M,则转速n=60M100󰃗500=12M(r󰃗min)。

(3)位置检测。利用转子位置传感器检测电机永

磁转子的位置从而确定转子磁场位置控制功率逆变器中的开关元件。位置检测通过高精度电阻电位器—63—

微电机　2005年　第38卷　第5期(总第146期)

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基于DSP的直流无刷电机数字控制系统的设计

基于DSP的直流无刷电机数字控制系统的设计

基于DSP的直流无刷电机数字控制系统的设计发表时间：2019-09-19T14:29:54.233Z 来源：《中国西部科技》2019年第12期作者：杨敏如[导读] 随着我国电子电力技术的快速发展，永磁材料也得到了质的飞跃，基于现代控制理论的微处理技术有了巨大的发展，直流无刷电机拥有更长的使用寿命，并且运作效率更高，噪声也相对较小，在我国的航空、汽车、家电等诸多领域中有着广泛的应用。

本文主要围绕直流无刷电机控制技术的组成结构，直流无刷电机的工作原理进行分析，探讨基于DSP的直流无刷电机数字控制系统的设计方式，从而推动我国相关技术行业的不断发展杨敏如东昌电机（深圳有限公司）摘要：随着我国电子电力技术的快速发展，永磁材料也得到了质的飞跃，基于现代控制理论的微处理技术有了巨大的发展，直流无刷电机拥有更长的使用寿命，并且运作效率更高，噪声也相对较小，在我国的航空、汽车、家电等诸多领域中有着广泛的应用。

本文主要围绕直流无刷电机控制技术的组成结构，直流无刷电机的工作原理进行分析，探讨基于DSP的直流无刷电机数字控制系统的设计方式，从而推动我国相关技术行业的不断发展关键词：DSP；直流无刷；数字控制；系统设计一、直流无刷电机的组成结构直流无刷电机的结构，通常是由电机本体、位置传感器、开关三部分构成。

其中位置传感器通常代表获取转子位置信号的仪器，当绕组通电时，通过该元件的电流就会产生相应的磁场，在相互作用下，形成电磁转矩驱动电机的转子进行旋转。

由转子位置感应器检测到钻子磁铁的相应位置，根据位置信号控制电子开关进行相应的工作，定子电流随着转子位置变化产生一定的变化，线路的通道次序也在随之变化，控制着电机的换向。

（一）电动机本体在永磁无刷直流电机的结构中，电动机本体与永磁同步电机结构相似，其中定子绕组通常是多相绕组。

因为单一绕组的转矩波动通常比较大，因此采用多相绕组结构来保证电机转动的稳定性，转子永磁钢根据一定的绕组排布而实现相应的功能，如果将用磁钢直接安装在转轴上，磁体就需要安装在磁铁心里。

基于单片机的无刷直流电机的控制系统设计

基于单片机的无刷直流电机的控制系统设计

【基于单片机的无刷直流电机的控制系统设计】1. 引言无刷直流电机（BLDC），作为一种高效、低噪音、长寿命的电动机，被广泛应用于各种领域。

而采用单片机进行控制，实现对BLDC的精准控制，则成为现代工业中的热门技术。

本文将围绕基于单片机的无刷直流电机控制系统设计展开探讨，深入剖析其原理和实现过程。

2. 无刷直流电机的工作原理无刷直流电机是一种采用电子换相技术的电机，其工作原理与传统的直流电机有所不同。

它不需要使用碳刷和电刷环来实现换向，而是通过内置的电子控制器来精确控制转子上的永磁体和定子上的电磁线圈的相互作用，实现转子的旋转运动。

3. 单片机在无刷直流电机控制中的作用单片机在无刷直流电机的控制系统中扮演着核心角色，它通过内置的PWM模块生成PWM波形，用于控制电机驱动器中的功率器件，同时监测电机的运行状态，并根据需要进行调整和反馈控制，实现对电机的精准控制。

4. 基于单片机的无刷直流电机控制系统设计（1）硬件设计在设计基于单片机的无刷直流电机控制系统时，需要考虑到电机的功率和控制要求，选择合适的单片机和电机驱动器，设计电机驱动电路以及检测装置，确保系统能够稳定可靠地工作。

（2）软件设计利用单片机的PWM模块生成PWM波形，采用适当的控制算法（如PID控制算法），编写控制程序，实现对无刷直流电机的精准控制。

考虑到系统的实时性和稳定性，需要进行充分的软件优化和调试。

5. 个人观点和理解在基于单片机的无刷直流电机控制系统设计中，充分理解无刷直流电机的工作原理和单片机的控制特点，合理选择硬件和编写软件，是至关重要的。

只有系统全面、深刻地理解，才能设计出高质量、稳定可靠的控制系统。

6. 总结本文围绕基于单片机的无刷直流电机控制系统设计展开了探讨，从无刷直流电机的工作原理、单片机在控制系统中的作用，到具体的硬件设计和软件设计，全面、深入地阐述了相关内容。

希望通过本文的阐述，读者能够对基于单片机的无刷直流电机控制系统设计有更深入的理解和应用。

永磁无刷直流电机控制系统设计

永磁无刷直流电机控制系统设计

永磁无刷直流电机控制系统设计1.电机模型的建立：建立电机的数学模型是进行控制系统设计的第一步。

永磁无刷直流电机可以使用动态数学模型来描述其动态特性，常用的模型包括简化的转子动态模型和电动机状态空间模型。

简化的转子动态模型以电机的电磁转矩方程为基础，通过建立电机的电流-转速模型来描述电机的动态响应。

这个模型通常用于低频控制和电机启动阶段的设计。

电动机状态空间模型则是通过将电机的状态变量表示为电流和转速变量，用微分方程的形式描述电机的动态特性。

这个模型适用于高频控制和电机稳态响应分析。

2.控制器设计：经典的控制方法包括比例积分控制器（PI）和比例积分微分控制器（PID）。

比例积分控制器是最简单的控制器，通过调节电流的比例增益和积分时间来控制电机的速度。

这种控制器适用于低精度控制和对动态响应要求不高的应用。

比例积分微分控制器在比例积分控制器的基础上增加了微分项，通过调节微分时间来控制系统的阻尼比，提高系统的稳定性和动态响应。

3.参数调节：在控制器设计中，参数调节和整定是非常重要的环节，主要包括根据系统的要求选择合适的控制器参数，并进行优化。

参数调节可以通过试探法、经验法和优化算法等方法进行。

其中，试探法和经验法是相对简单的方法，通过调整控制器的参数值来达到稳定运行或者较好的控制性能。

优化算法可以通过数学模型和计算机仿真的方式进行，通过优化目标函数和约束条件，得到最合适的控制器参数。

总结起来，永磁无刷直流电机控制系统设计主要包括电机模型的建立、控制器设计和参数调节。

在设计过程中，需要根据系统的要求选择合适的控制器，通过参数调节和优化算法来提高系统的稳定性和动态性能。

基于MSP430单片机的步进电机控制器的设计与实现

基于MSP430单片机的步进电机控制器的设计与实现

基于MSP430单片机的步进电机控制器的设计与实现步进电机是一种常见的电动机类型，它通过以固定的步进角度运动来驱动机械装置。

MSP430单片机是一种低功耗、高性能的微控制器，适合用于步进电机控制器的设计与实现。

本文将介绍基于MSP430单片机的步进电机控制器的设计与实现方法。

首先，我们需要了解步进电机的原理和工作方式。

步进电机的转动是通过控制电流的方向和大小来实现的。

根据步进电机的类型和设计参数，我们可以确定所需的控制电流和相位方式。

常见的步进电机类型有单相和双相两种，其中双相步进电机是最常见的。

接下来，我们需要确定MSP430单片机的引脚分配。

通常，步进电机的驱动信号需要4个引脚来控制，分别是两个控制电流的引脚（A+和A-）和两个控制电流的引脚（B+和B-）。

根据MSP430单片机的引脚数量和功能，我们可以选择适当的引脚来连接步进电机。

设计步进电机控制器的核心是编写控制算法。

在MSP430单片机上，我们可以使用C语言或汇编语言编写程序来控制步进电机的转动。

下面是一个简单的C语言程序示例：```c#include <msp430.h>#define APlus BIT0 // P1.0对应步进电机A+引脚#define AMinus BIT1 // P1.1对应步进电机A-引脚#define BPlus BIT2 // P1.2对应步进电机B+引脚#define BMinus BIT3 // P1.3对应步进电机B-引脚void delay(unsigned int ms) //延时函数unsigned int i, j;for (i = 0; i < ms; i++)for (j = 0; j < 110; j++);void main(void)WDTCTL=WDTPW，WDTHOLD;//停止看门狗定时器P1DIR = APlus ， AMinus ， BPlus ， BMinus; // 设置引脚为输出模式while (1)P1OUT = APlus ， BPlus; // 设置两个控制电流引脚为高电平delay(500);P1OUT = AMinus ， BPlus; // 设置两个控制电流引脚为高低电平delay(500);P1OUT = AMinus ， BMinus; // 设置两个控制电流引脚为低电平delay(500);P1OUT = APlus ， BMinus; // 设置两个控制电流引脚为高电平低电平delay(500);}```以上程序实现了一个简单的步进电机控制器。