基于MSP430單片機(jī)的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)說明

1、畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書基于MSP430單片機(jī)的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)2013年6月40 / 46基于MSP430單片機(jī)的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘 要無刷直流電動機(jī)是在有刷直流電動機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的?，F(xiàn)階段，雖然各種交流電動機(jī)和直流電動機(jī)在傳動應(yīng)用中占主導(dǎo)地位，但無刷直流電動機(jī)正受到普遍的關(guān)注。自20世紀(jì)90年代以來，隨著人們生活水平的提高和現(xiàn)代化生產(chǎn)、辦公自動化的發(fā)展，家用電器、工業(yè)機(jī)器人等設(shè)備都越來越趨向于高效率化、小型化與高智能化，作為執(zhí)行元件的重要組成部分，電機(jī)必須具有精度高、速度快、效率高等特點(diǎn)，無刷直流電機(jī)的應(yīng)用和需求也因此而迅速增長。本設(shè)計(jì)是把無刷直流電動機(jī)作為設(shè)計(jì)對象，以MSP43

2、0單片機(jī)為控制MCU，單片機(jī)采集比較電平與電機(jī)霍爾反饋信號，通過軟件編程控制無刷直流電動機(jī)。將整個系統(tǒng)分成幾個部分，討論了各個部分的電路原理、控制策略、具體實(shí)現(xiàn)。根據(jù)永磁無刷直流電動機(jī)的特性實(shí)施脈寬PWM控制，并通過轉(zhuǎn)速傳感器測量轉(zhuǎn)速通過LCD1602動態(tài)顯示轉(zhuǎn)速。關(guān)鍵詞:無刷直流電動機(jī),單片機(jī),霍爾位置傳感器MSP430 Microcontroller-based brushless DC motor Control System DesignAbstractBrushless DC motor in a brush DC motor developed on the basis of. A

3、t this stage, although exchanges of all kinds of DC motors and motor drive in the application of the dominant, but brushless DC motor is under common concern.Since the 1990s, as peoples living standards improve and modernize production, the development of office automation, household appliances, ind

4、ustrial robots and other equipment are increasingly tend to be high efficiency, small size and high intelligence, as the implementation of components An important component of the motor must have a high accuracy, speed, high efficiency, brushless DC motor and therefore the application is also growin

5、g rapidly.This design is the brushless DC motor as the electric bicycle motor-driven control system, MSP430 microcontroller for control MCU, SCM collection and comparison-level electrical signal Hall feedback, software programming through brushless DC motor controller .This paper analyzes the requir

6、ements from the system, the whole system will be divided into several parts, analysis and discussion of the various parts of the circuit of the control strategy, implementation method. According to the permanent magnet brushless DC motor control of the PWM pulse width, speed sensor and display speed

7、through LCD1602. Key words:BLDCM,the single chip processor,hall position sensor目錄1引言11.1電機(jī)的分類11.2無刷直流電機(jī)與其控制技術(shù)的發(fā)展11.3本文研究的意義與主要容32 設(shè)計(jì)主要部件介紹42.1無刷直流電機(jī)介紹42.1.1 無刷直流電機(jī)組成42.1.2 無刷直流電機(jī)工作原理42.1.3無刷直流電機(jī)主要工作方式52.2 MSP430單片機(jī)介紹72.2.1 MSP430單片機(jī)特點(diǎn)72.2.2單片機(jī)選型82.2.3 MSP430F149介紹92.3 LM621介紹102.4 渦輪流量計(jì)介紹112.5脈寬調(diào)制技術(shù)

8、介紹113 直流無刷電機(jī)的模糊PI控制133.1模糊控制器在直流無刷調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用133.2直流無刷電動機(jī)數(shù)學(xué)模型133.3模糊PI控制器154 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)184.1系統(tǒng)總體功能介紹184.2 MSP430F149單片機(jī)最小系統(tǒng)194.3顯示模塊介紹204.3.1顯示模塊硬件設(shè)計(jì)204.3.2顯示模塊軟件設(shè)計(jì)214.4驅(qū)動模塊介紹234.4.1 驅(qū)動模塊硬件設(shè)計(jì)234.4.2 PWM控制軟件設(shè)計(jì)234.5按鍵模塊介紹244.5.1按鍵模塊硬件設(shè)計(jì)244.5.2按鍵模塊軟件設(shè)計(jì)254.6 限流電路設(shè)計(jì)264.7速度反饋電路設(shè)計(jì)27結(jié)論28附錄A29附錄B39參考文獻(xiàn)40致411引言隨著計(jì)算機(jī)

9、進(jìn)入控制領(lǐng)域，以與新型的電力電子功率器件的不斷出現(xiàn)，采用全控型的開關(guān)功率元件進(jìn)行脈沖調(diào)制（Paulse width modulation,簡稱PWM）控制的無刷直流電機(jī)已成為主流。隨著半導(dǎo)體工業(yè)，特別是大功率電子器件與微控制器的發(fā)展，變速驅(qū)動變的更加現(xiàn)實(shí)且成本更低。本文充分利用單片機(jī)的數(shù)字信號處理器運(yùn)算快、外圍電路少、系統(tǒng)組成簡單、可靠的特點(diǎn)，將其應(yīng)用于無刷電機(jī)的驅(qū)動設(shè)計(jì)。實(shí)驗(yàn)表明，該設(shè)計(jì)使得無刷直流電機(jī)的組成簡化和性能的改進(jìn)成為可能，有利于電機(jī)的小型化和智能化。1.1電機(jī)的分類電機(jī)按工作電源種類可分為： 1.直流電機(jī) (1)有刷直流電機(jī)永磁直流電機(jī)電磁直流電機(jī) (2)無刷直流電機(jī) 稀土永磁無

10、刷直流電機(jī) 2.交流電機(jī) (1)單相電動機(jī) (2)三相電動機(jī)1.2無刷直流電機(jī)與其控制技術(shù)的發(fā)展1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，奠定了現(xiàn)代電機(jī)的基本理論基礎(chǔ)。從19世紀(jì)40年代研制成功第一臺直流電機(jī)，經(jīng)過大約17年的時間，直流電機(jī)技術(shù)才趨于成熟。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，對直流電機(jī)的要求也就越來越高，有接觸的機(jī)械換向裝置限制了有刷直流電機(jī)在許多場合中的應(yīng)用。為了取代有刷直流電機(jī)的電刷換向器結(jié)構(gòu)的機(jī)械接觸裝置，人們曾對此作過長期的探索。1915年，美國人Langnall發(fā)明了帶控制柵極的汞弧整流器，制成由直流變交流的逆變裝置。20世紀(jì)30年代，有人提出用離子裝置實(shí)現(xiàn)電機(jī)的定子繞組按轉(zhuǎn)子位置換接的

11、所謂換向器電機(jī)，但此種電機(jī)由于可靠性差、效率低、整個裝置笨重又復(fù)雜而無實(shí)用價值1。科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，帶來了電力半導(dǎo)體技術(shù)的飛躍。開關(guān)型晶體管的研制成功，為創(chuàng)造新型直流電機(jī) 無刷直流電機(jī)帶來了生機(jī)。1955年，美國人Harrison首次提出了用晶體管換相線路代替電機(jī)電刷接觸的思想，這就是無刷直流電機(jī)的雛形。它由功率放大部分、信號檢測部分、磁極體和晶體管開關(guān)電路等組成，其工作原理是當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時，在信號繞組中感應(yīng)出周期性的信號電動勢，此信號電動勢分別使晶體管輪流導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)換相。問題在于，首先，當(dāng)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時，信號繞組不能產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，晶體管無偏置，功率繞組也就無法饋電，所以這種無刷直流電機(jī)沒有起動轉(zhuǎn)

12、矩；其次，由于信號電動勢的前沿陡度不大，晶體管的功耗又大。為了克服這些弊病，人們采用了離心裝置的換向器，或采用在定子上放置輔助磁鋼的方法來保證電機(jī)可靠地起動。但前者結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而后者需要附加的起動脈沖。其后，經(jīng)過反復(fù)的試驗(yàn)和不斷的實(shí)踐，人們終于找到了用位置傳感器和電子換相線路來代替有刷直流電機(jī)的機(jī)械換向裝置，從而為直流電機(jī)的發(fā)展開辟了新的途徑。20世紀(jì)60年代初期，接近開關(guān)式位置傳感器、電磁諧振式位置傳感器和高頻耦合式位置傳感器相繼問世，之后又出現(xiàn)了磁電耦合式和光電式位置傳感器。半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，使人們對1879年美國人霍爾發(fā)現(xiàn)的霍爾效應(yīng)再次發(fā)生興趣，經(jīng)過多年的努力，終于在1962年試制成功

13、了借助霍爾元件（霍爾效應(yīng)轉(zhuǎn)子位置傳感器）來實(shí)現(xiàn)換相的無刷直流電機(jī)2。在20世紀(jì)70年代初期，又試制成功了借助比霍爾元件的靈敏度高千倍左右的磁敏二極管實(shí)現(xiàn)換相的無刷直流電機(jī)。在試制各種類型的位置傳感器的同時，人們試圖尋求一種沒有附加位置傳感器結(jié)構(gòu)的無刷直流電機(jī)。1968年，德國人WMieslinger提出采用電容移相實(shí)現(xiàn)換相的新方法。在此基礎(chǔ)上，德國人RHanitsch試制成功借助數(shù)字式環(huán)形分配器和過零鑒別器的組合來實(shí)現(xiàn)換相的無位置傳感器無刷直流電機(jī)。永磁無刷電機(jī)是永磁無刷直流電機(jī)、永磁無刷交流同步電機(jī)、永磁無刷直線電機(jī)和永磁無刷力矩電機(jī)的總稱。永磁無刷電機(jī)具有很多優(yōu)點(diǎn)，因此已是目前微特電機(jī)發(fā)展

14、主流3。我國對無刷直流電動機(jī)的研究起步較晚。1987年，在舉辦的聯(lián)邦德國金屬加工設(shè)備展覽會上，SIEMENS和BOSCH兩公司展出了永磁自同步伺服系統(tǒng)和驅(qū)動器，引起了國有關(guān)學(xué)者的廣泛注意，自此國掀起了研制開發(fā)和技術(shù)引進(jìn)的熱潮。經(jīng)過多年的努力，目前，國已有無刷直流電動機(jī)的系列產(chǎn)品，形成了一定的生產(chǎn)規(guī)模。1.3本文研究的意義與主要容無刷直流電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛，如汽車、工具、工業(yè)工控、自動化以與航空航天等等?？偟膩碚f，無刷直流電機(jī)可以分為以下三種主要用途：(1) 持續(xù)負(fù)載應(yīng)用：主要是需要一定轉(zhuǎn)速但是對轉(zhuǎn)速精度要求不高的領(lǐng)域，比如風(fēng)扇、抽水機(jī)、吹風(fēng)機(jī)等一類的應(yīng)用，這類應(yīng)用成本較低且多為開環(huán)控制。(2)

15、 可變負(fù)載應(yīng)用：主要是轉(zhuǎn)速需要在某個圍變化的應(yīng)用，對電機(jī)轉(zhuǎn)速特性和動態(tài)響應(yīng)時間特性有更高的需求。如家用器具中的、甩干機(jī)和壓縮機(jī)就是很好的例子，汽車工業(yè)領(lǐng)域中的油泵控制、電控制器、發(fā)動機(jī)控制等，這類應(yīng)用的系統(tǒng)成本相對更高些。(3) 定位應(yīng)用：大多數(shù)工業(yè)控制和自動控制方面的應(yīng)用屬于這個類別，這類應(yīng)用中往往會完成能量的輸送，所以對轉(zhuǎn)速的動態(tài)響應(yīng)和轉(zhuǎn)矩有特別的要求，對控制器的要求也較高。測速時可能會用上光電和一些同步設(shè)備。過程控制、機(jī)械控制和運(yùn)輸控制等很多都屬于這類應(yīng)用4。本文以直流無刷電機(jī)在血泵中的應(yīng)用為背景，旨在在MSP430單片機(jī)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)對直流無刷電機(jī)的單閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)，最終實(shí)現(xiàn)多級精確調(diào)

16、速的目的，設(shè)計(jì)中應(yīng)對驅(qū)動電路，顯示電路，電源電路以與控制算法進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究，最終完成一份具有一定實(shí)用價值的直流無刷電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。2 設(shè)計(jì)主要部件介紹2.1無刷直流電機(jī)介紹2.1.1 無刷直流電機(jī)組成無刷直流電機(jī)與有刷直流電機(jī)相似，它具有旋轉(zhuǎn)的磁場和固定的電樞。這樣電子換相線路中的功率開關(guān)器件，如晶閘管，晶體管等可直接與電樞繞組連接。在電機(jī)，裝有一個轉(zhuǎn)子位置傳感器，用來檢測轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過程中的位置。它與電子換相線路一起，替代了有刷直流電機(jī)的機(jī)械換相裝置。綜上所述，無刷直流電機(jī)由電機(jī)本體，轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子換相線路三大部分組成，如圖2.1所示。圖2.1 無刷直流電機(jī)原理圖2.1.2 無刷直

17、流電機(jī)工作原理 一般的永磁式電動機(jī)的定子由永久磁鋼組成，其主要的作用是在電動機(jī)氣隙中產(chǎn)生磁場。其電樞繞組通電后產(chǎn)生反應(yīng)磁場。由于電樞的換相作用，使得這兩個磁場的方向在直流電動機(jī)運(yùn)行的過程中始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩而驅(qū)動電動機(jī)不停的云轉(zhuǎn)。直流無刷電動機(jī)為了實(shí)現(xiàn)無電刷換相，首先要求把一般直流電動機(jī)的電樞繞組放在定子上，把永磁磁鋼放在轉(zhuǎn)子上，這與傳統(tǒng)直流用詞電動機(jī)的結(jié)構(gòu)剛好相反。但僅這樣做還是不行的，因?yàn)橛靡话阒绷麟娫唇o定子上各繞組供電，只能產(chǎn)生固定磁場，它不能與運(yùn)動只能夠轉(zhuǎn)子磁鋼所產(chǎn)生的永磁磁場相互作用，以產(chǎn)生單一方向的轉(zhuǎn)矩來驅(qū)動轉(zhuǎn)子做功。所以直流無刷電動機(jī)除了由定子和轉(zhuǎn)子組成電動機(jī)本體

18、以外，還要由位置傳感器、控制電路以與工具邏輯開關(guān)共同構(gòu)成的換相裝置，使得直流無刷電動機(jī)在運(yùn)行過程中定子繞組所產(chǎn)生的的磁場和裝洞中轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永磁場，在空間始終保持在（/2）rad左右的電角度9。2.1.3無刷直流電機(jī)主要工作方式（1）二二通電方式 所謂二二通電方式是指每一瞬間有兩個功率管導(dǎo)通，每隔1/ 6周期（60電角度）換相一次，每次換相一個功率管導(dǎo)通120電角度。各功率管的導(dǎo)通順序是VF1VF2、VF2VF3、VF3VF4、VF4VF5、VF5VF6、VF6VF1 。當(dāng)功率管VF1和VF2導(dǎo)通時，電流從VF1管流入A相繞組，再從C相繞組流出，經(jīng)VF2回到電源。如果認(rèn)定流入繞組的電流所產(chǎn)生

19、的轉(zhuǎn)矩為正，那么從繞組流出所產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩則為負(fù)，它們合成的轉(zhuǎn)矩如圖3a所示，其大小為Ta，方向在Ta和Tc的角平分線上。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)過60后，由VF1VF2通電換成VF2VF3通電，這時，電流從VF3流入B相繞組再從C相繞組流出，經(jīng)VF2回到電源，此時合成的轉(zhuǎn)矩如圖3b所示，其大小同樣為Ta。但合成轉(zhuǎn)矩Tbc的方向轉(zhuǎn)過了60電角度。而后每換一次導(dǎo)通狀態(tài)，合成轉(zhuǎn)矩矢量方向就隨著轉(zhuǎn)過60電角度，但大小始終保持Ta不變。圖3c示出了全部合成轉(zhuǎn)矩的方向。a）VF1、V F2導(dǎo)通時合成轉(zhuǎn)矩 b）VF2、V F3導(dǎo)通時合成轉(zhuǎn)矩 c）二二導(dǎo)通時合成轉(zhuǎn)矩矢量圖圖2.2 聯(lián)結(jié)繞組二二通電時的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖所以，同樣一

20、臺無刷直流電機(jī)，每相繞組通過與三相半控電路同樣的電流時，采用三相星形聯(lián)結(jié)全控電路，在二二換相的情況下，其合成轉(zhuǎn)矩增加了倍。每隔60電角度換相一次，每個功率管通電120，每個繞組通電240，其中正相通電和反相通電各120，其輸出轉(zhuǎn)矩波形如圖4所示。由圖4可以看出，三相全控時的轉(zhuǎn)矩波動比三相半控時小得多。圖2.3 全控橋輸出波形圖如將三只霍爾傳感器按相位差120安裝，則它們所產(chǎn)生的波形如圖5所示。其換相的控制電路可由一片74LS138型38譯碼器和74LS09、74LS38兩片門電路構(gòu)成，本系統(tǒng)采用無刷直流電動機(jī)專用集成電路LM621控制。圖2.4 傳感器輸出波形（2） 三三通電方式 所謂三三通電

21、方式，是指每一瞬間均有三只功率管同時通電，每隔60換相一次，每個功率管通電180。它們的導(dǎo)通次序是VF1VF2VF3、VF2VF3VF4、VF3VF4VF5、VF4VF5VF6、VF5VF6VF1、VF6VF1VF2、VF1VF2VF3 當(dāng)VF6VF1VF2導(dǎo)通時，電流從VF1流入A相繞組，經(jīng)B相和C相繞組（這時B、C兩相繞組為并聯(lián)）分別從VF6和VF2流出。這時流過B相和C相繞組的電流分別為流過A相繞組的一半，其合成轉(zhuǎn)矩如圖6a所示，其方向與A相一樣，大小為1.5Ta。經(jīng)過60電角度后，換相到VF1VF2VF3通電，即先關(guān)斷VF6而后導(dǎo)通VF3 （注意，一定要先關(guān)VF6而后通VF3，否則就會

22、出現(xiàn)VF6和VF3同時通電，則電源被VF3 VF6短路，這是絕對不允許的）。這時電流分別從VF1和VF3流入，經(jīng)A相和B相繞組（相當(dāng)于A相和B相并聯(lián)）再流入C相繞組，經(jīng)VF2流出，合成轉(zhuǎn)矩如圖6b所示，其方向與C相一樣，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過60電角度后大小仍為1.5Ta。再經(jīng)過60電角度后，換相到VF1VF2VF3通電，而后依次類推，循環(huán)往復(fù)。它們的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖如圖6c所示。a）VF6VF1VF2導(dǎo)通時的合成轉(zhuǎn)矩 b）VF1VF2VF3導(dǎo)通時的合成轉(zhuǎn)矩 c）三三通電時的合成轉(zhuǎn)矩圖2.5 三三通電時的合成轉(zhuǎn)矩矢量圖在這種通電方式里，每瞬間均有三個功率管通電。每隔60換相一次，每次有一個功率管換相，每個功

23、率管導(dǎo)通180。2.2 MSP430單片機(jī)介紹2.2.1 MSP430單片機(jī)特點(diǎn) MSP430是公司新開發(fā)的一類具有16位總線的帶FLASH 的單片機(jī),由于其性價比和 集成度高,受到廣大技術(shù)開發(fā)人員的青睞.它采用16位的總線,外設(shè)和存統(tǒng)一編址,尋址圍可達(dá)64K,還可以外擴(kuò)展存儲器.具有統(tǒng)一的中斷管理,具有豐富的片上外圍模塊,片有精密硬件乘法器、兩個16位定時器、一個14路的12位的模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一個看門狗、6路P口、兩路USART通信端口、一個比較器、一個DCO部振蕩器和兩個外部時鐘,支持8M 的時鐘.由于為FLASH型,則可以在線對單片機(jī)進(jìn)行調(diào)試和下載,且JTAG口直接和FET(FLASH E

24、MULATION TOOL)的相連,不須另外的仿真工具,方便實(shí)用,而且,可以在超低功耗模式下工作,對環(huán)境和人體的輻射小,測量結(jié)果為100mw左右的功耗(電流為14mA左右),可靠性能好,加強(qiáng)電干擾運(yùn)行不受影響，適應(yīng)工業(yè)級的運(yùn)行環(huán)境11,適合與做手柄之類的自動控制的設(shè)備.MSP430系列單片機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)就是低功耗，所以在選擇MSP430系列單片機(jī)設(shè)計(jì)系統(tǒng)時，除了要考慮外圍電路的低功耗以外，還要根據(jù)系統(tǒng)要求選擇合適的MSP430單片機(jī)，但是我們原則是夠用就可以，不提倡資源的浪費(fèi)。2.2.2單片機(jī)選型MSP43有多種型號，MSP430F1XX,MSP430F2XX,MSP430F3XX,MSP430

25、F4XX.其中，MSP430F1XX系列和MSP430F2XX系列使用簡單，性價比高，實(shí)際應(yīng)用廣泛；MSP430F3XX是TI最早推出的產(chǎn)品，片資源豐富，但是沒有FLASH存儲技術(shù)，價格比較高，性價比不高；MSP430F4XX既有段式液晶的驅(qū)動能力，片資源豐富，又有FLASH存儲技術(shù)的支持，但是它的價格太高?；诒鞠到y(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，MSP430F2XX只有兩個端口，顯然是不夠的。MSP430F3XX在本電路中只有P1可以用，這顯然不合適。MSP430F4XX端口較多，但是我們選擇夠用就行，并且MSP430F1XX的端口較多，包括多個高性能數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化器，接口和乘法器，所以本次設(shè)計(jì)選擇MSP430F1

26、XX。MSP430F1XX 又有好幾個子系列：MSP430F11X,MSP430F12X,MSP430F13X以與MSP430F14X。相比之下MSP430F14X的功耗最低，高速晶振為8Mhz，具有12位的200kb/s的AD,自帶保持方式，多種轉(zhuǎn)換方式，多大60KB FLASH和2KB RAM.故此選用MSP430F14X。MSP430F14X中的X代表存儲容量，從09對應(yīng)的存儲器容量越大，故本系統(tǒng)所采用的MSP430型號為MSP430F149.MSP430F14X其中F代表FLASH，14代表具有ADC12，硬件乘法器等外圍模塊，9代表存儲容量為60KB14。MSP430F149主要有一

27、下模塊，基礎(chǔ)時鐘，看門狗，定時器，TimerA與TimerB,6個8位并行端口（其中P1，P2具有中斷功能），模擬比較器，1個硬件乘法器，1個FLASH以與2KB的RAM.MSP430F149的特性：1） 超低功耗2） 5中節(jié)電模式3） 基本時鐘模塊配置4） 具有捕獲/比較寄存器的16位定時器TimerA與TimerB5） 具有溫度傳感器6） 12位200KB/s的AD,自帶采樣保持，多種轉(zhuǎn)換方式7） 串行通信接口可用于異步或者同步8） 硬件乘法器9） 多大60KB FLASH ROM 和2KB RAM2.2.3 MSO430F149介紹MSP430F149引腳圖如圖6所示。圖2.6 MSP4

28、30F149引腳圖因?yàn)镸SP430F149的引腳較多所以在此只將用到的引腳做以下說明。P1.0/TACLK普通數(shù)字I/O引腳/Timer-A,時鐘信號TACLK輸入。P1.1/TA0 -普通數(shù)字I/O引腳/ Timer-A,捕獲；CCI0輸入，比較：OUT0輸出。P1.2/TA1 -普通數(shù)字I/O引腳/Timer-A,捕獲；CCI1輸入，比較：OUT1輸出。P1.3/TA2 -普通數(shù)字I/O引腳/ Timer-A,捕獲；CCI2輸入，比較：OUT2輸出。P1.4/SMCLK -普通數(shù)字I/O引腳/ SMCLK信號輸入。P1.5/TA0 -普通數(shù)字I/O引腳/ Timer-A,比較：OUT0輸出

29、。P1.6/TA1 -普通數(shù)字I/O引腳/Timer-A,比較：OUT1輸出。P1.7/TA2 -普通數(shù)字I/O引腳/Timer-A,比較：OUT2輸出。P2.0/ACLK -普通數(shù)字I/O引腳/ ACLK輸出。P2.1/TAINCLK -普通數(shù)字I/O引腳/Timer-A,時鐘信號TAINCLKP2.2/CAOUT/TA0-普通數(shù)字I/O引腳/Timer-A：捕獲：CCI0B輸入/比較器-A輸出。P2.3/CA0/TA1 -普通數(shù)字I/O引腳/ Timer-A:比較：OUT1輸出/比較器-A輸出。P2.4/CA1/TA2 -普通數(shù)字I/O引腳/Timer-A:比較：OUT2輸出/比較器-A輸

30、出。P2.5/Rosc普通數(shù)字I/O引腳/定義DOC標(biāo)稱頻率的外部電阻輸入。P2.6/ADC12CLK -普通數(shù)字I/O引腳/轉(zhuǎn)換時鐘-12位ADC。P3.0/SET0 -普通數(shù)字I/O引腳/從發(fā)送使能-USART0/SPI方式。P3.1/SIMO0 -普通數(shù)字I/O引腳/從輸入/主輸出- USART0/SPI方式。P3.2/SOMI0 -普通數(shù)字I/O引腳/從輸出/主輸入- USART0/SPI方式。P3.3/UCLK0 -普通數(shù)字I/O引腳/外部時鐘輸入- USART0/UART/SPI方式。P3.4/UTXD0 -普通數(shù)字I/O引腳/發(fā)送數(shù)據(jù)輸出- USART0/UART方式。P3.5/

31、URXD0 -普通數(shù)字I/O引腳/接收數(shù)據(jù)輸出- USART0/UART方式。RST/NMI -復(fù)位輸入，非屏蔽中斷輸入端口，或引導(dǎo)裝載程序啟動（FLASH器件）。XIN -晶體振蕩器XT1的輸入端口，可以連接標(biāo)準(zhǔn)晶體。XOUT -晶體振蕩器XT1的輸出端口。XT2IN -晶體振蕩器XT2的輸入端口，只能連接標(biāo)準(zhǔn)晶體。XT2OUT - XT2的輸出端口。Vcc -電源正端。Vss -電源負(fù)端。2.3 LM621介紹LM621的特點(diǎn)：三相和四相無刷直流電動機(jī)兼容 雙極性驅(qū)動三相三角形聯(lián)結(jié)或星形聯(lián)結(jié)繞組 單極性驅(qū)動三相有中心抽頭的星形聯(lián)結(jié)繞組 三相電動機(jī)位置傳感器空間間距30或60 四相電動機(jī)位置

32、傳感器空間間距90輸出端直接驅(qū)動雙極型功率管（可提供35mA基極電流）或MOSFET功率器件有可調(diào)死區(qū)時間與其時鐘振蕩器直接與PWM信號接口和霍爾位置傳感器接口欠電壓封鎖2.4 渦輪流量計(jì)介紹流體流經(jīng)傳感器殼體，由于葉輪的葉片與流向有一定的角度，流體的沖力使葉片具有轉(zhuǎn)動力矩，克服摩擦力矩和流體阻力之后葉片旋轉(zhuǎn)，在力矩平衡后轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，在一定的條件下，轉(zhuǎn)速與流速成正比，由于葉片有導(dǎo)磁性，它處于信號檢測器（由永久磁鋼和線圈組成）的磁場中，旋轉(zhuǎn)的葉片切割磁力線，周期性的改變著線圈的磁通量，從而使線圈兩端感應(yīng)出電脈沖信號，此信號經(jīng)過放大器的放大整形，形成有一定幅度的連續(xù)的矩形脈沖波，可遠(yuǎn)傳至顯示儀表，顯

33、示出流體的瞬時流量和累計(jì)量。在一定的流量圍，脈沖頻率f與流經(jīng)傳感器的流體的瞬時流量Q成正比，流量方程為：Q=3600f/k式中：f脈沖頻率Hz；k傳感器的儀表系數(shù)1/m3，由校驗(yàn)單給出。若以1/L為單位Q=3.6f/kQ流體的瞬時流量（工作狀態(tài)下）m3/h；3600換算系數(shù)。每臺傳感器的儀表系數(shù)由制造廠填寫在檢定證書中，k值設(shè)入配套的顯示儀表中，便可顯示出瞬時流量和累積總量。2.5脈寬調(diào)制技術(shù)介紹 在PWM驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并且根據(jù)需要改變一個周期“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來達(dá)到改變平均電壓大小的目的，從而來控制電

34、動機(jī)的轉(zhuǎn)速。也正因?yàn)槿绱?，PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動裝置”。如圖2.7所示。圖2.7 PWM占空比原理 設(shè)電機(jī)始終接通電源時，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為Vmax，設(shè)占空比為D= t1 / T，則電機(jī)的平均速度為Va = Vmax * D，其中Va指的是電機(jī)的平均速度；Vmax 是指電機(jī)在全通電時的最大速度；D = t1 / T是指占空比。由上面的公式可見，當(dāng)我們改變占空比 D = t1 / T時，就可以得到不同的電機(jī)平均速度Vd，從而達(dá)到調(diào)速的目的。嚴(yán)格來說，平均速度Vd 與占空比D并非嚴(yán)格的線性關(guān)系，但是在一般的應(yīng)用中，我們可以將其近似地看成是線性關(guān)系。本次設(shè)計(jì)采用定頻調(diào)寬方式。3 直流無刷電機(jī)的模糊PI

35、控制3.1模糊控制器在直流無刷調(diào)速系統(tǒng)中的應(yīng)用 常見的直流無刷調(diào)速系統(tǒng)采用雙閉環(huán)控制，即速度環(huán)，電流環(huán)控制。傳統(tǒng)上采用PI控制，結(jié)構(gòu)簡單，可靠穩(wěn)定，但是它難以克服負(fù)載模型參數(shù)等發(fā)生大圍變化時以與非線性因素的影響。因而無法滿足高性能高精度的場合要求14。而自適應(yīng)PI控制器則結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計(jì)算量大，實(shí)時性差，在快速運(yùn)動控制中收到一定的限制。將模糊控制器直接應(yīng)用于直流無刷調(diào)速系統(tǒng)速度控制，則可以充分發(fā)揮模糊控制器適應(yīng)于非線性時變系統(tǒng)，滯后系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，取得好的控制效果和強(qiáng)的魯棒性，且因不需建立被控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)方便。3.2直流無刷電動機(jī)數(shù)學(xué)模型以二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)為例，分析BLDC的數(shù)學(xué)模型與電磁

36、轉(zhuǎn)矩等特性。為了便于分析，假定：a)三相繞組完全對稱，氣隙磁場為方波，定子電流、轉(zhuǎn)子磁場分布皆對稱；b)忽略齒槽、換相過程和電樞反應(yīng)等的影響；c)電樞繞組在定子表面均勻連續(xù)分布；d)磁路不飽和，不計(jì)渦流和磁滯損耗。則三相繞組的電壓平衡方程可表示為：式中：，為定子相繞組電壓(V)；，為定子相繞組電流(A)；，為定子相繞組電動勢(V)；L為每相繞組的自感(H)；M為每相繞組間的互感(H)。三相繞組為星形連接，且沒有中線，則有+=0M+M+M=0 得到最終電壓方程：圖3.1無刷直流電機(jī)的等效電路無刷直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩方程與普通直流電動機(jī)相似，其電磁轉(zhuǎn)矩大小與磁通和電流幅值成正比所以控制逆變器輸出方波

37、電流的幅值即可以控制BLDC電機(jī)的轉(zhuǎn)矩。為產(chǎn)生恒定的電磁轉(zhuǎn)矩，要求定子電流為方波，反電動勢為梯形波，且在每半個周期，方波電流的持續(xù)時間為120電角度，梯形波反電動勢的平頂部分也為120電角度，兩者應(yīng)嚴(yán)格同步。由于在任何時刻，定子只有兩相導(dǎo)通，則：電磁功率可表示為：電磁轉(zhuǎn)矩又可表示為：無刷直流電機(jī)的運(yùn)動方程為：其中為電磁轉(zhuǎn)矩；為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；B為阻尼系數(shù)；為電機(jī)機(jī)械轉(zhuǎn)速；J為電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量。傳遞函數(shù)：無刷直流電機(jī)的運(yùn)行特性和傳統(tǒng)直流電機(jī)基本一樣，其動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可以采用直流電機(jī)通用的動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，如圖所示：圖3.2 無刷直流電機(jī)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖由無刷直流電機(jī)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖可求得其傳遞函數(shù)為: 式中： 為電動勢傳遞系

38、數(shù)， 為電動勢系數(shù)； 為轉(zhuǎn)矩傳遞函數(shù)，R 為電動機(jī)阻， 為轉(zhuǎn)矩系數(shù)； 為電機(jī)時間常數(shù)，G 為轉(zhuǎn)子重量，D 為轉(zhuǎn)子直徑。3.3模糊PI控制器無刷直流電機(jī)速度模糊PI控制器的輸入變量有兩個，分別是速度偏差e（t）和速度偏差的變化率ec（t）。模糊控制器的輸出為KPS,KIS,來調(diào)節(jié)PI控制器的比例增益KP(KP=KPS*KPP)和積分增益KI(KI=KIS*KIP),其中KPP，KIP為預(yù)先給定的值，通常為1.其模糊控制的規(guī)則制定原則如下：在穩(wěn)態(tài)時，如BLCD的轉(zhuǎn)速由于系統(tǒng)參數(shù)的變化而發(fā)生波動，則同時調(diào)節(jié)比例增益和積分增益，使得轉(zhuǎn)速保持恒定；當(dāng)系統(tǒng)響應(yīng)時間較長時，則同時增加比例增益和積分增益，以減

39、小響應(yīng)時間。根據(jù)電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速3000r/min，可確定誤差e的實(shí)際論域圍為-1000,1000，誤差變化率de/dt的實(shí)際論域圍為-2.5*10j，2.5*10j。對論域進(jìn)行模糊化，把輸入和輸出量都量化到-5，-4，-3，-2，-1,0,1,2,3,4,5這樣一個區(qū)間上面，對應(yīng)的模糊子集為NL,NM,ZO,PS,PM,PL.根據(jù)專家知識，建立合適的模糊規(guī)則庫，KPS,KIS對應(yīng)的控制規(guī)則表如下表3.1和表3.2所示。表3.1 KPS的控制規(guī)則表Ec(t)E(t)NL NMNSZOPSPMPLNLPLPLPMPMPSPSZONMPLPMPMPSPSZONSNSPMPMPSPSZONSNSZOP

40、MPSPSZONSNSNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNSNMNMNLPLZONSNSNMNMNLNL 表3.2 KIS的控制規(guī)則表Ec(t)E(t)NL NMNSZOPSPMPLNLPMPSNMPMPSPSNSPMPSPSZOZONLNMNSZOPSPMPLPSZONSNSPLPMPSPMPLPLPLPM根據(jù)上面的模糊控制規(guī)則進(jìn)行計(jì)算，采用面積平分法解模糊，就可以得到KPS,KIS參與調(diào)整系統(tǒng)PI控制器的比例增益KP(KP=KPS*KPP)和積分增益KI(KI=KIS*KIP)。 模糊PI控制的直流無刷電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有很快的響應(yīng)速度，且在給定速度發(fā)生變化的情況下具有很強(qiáng)的

41、速度跟蹤能力，同時結(jié)合了模糊語言的自適應(yīng)控制系統(tǒng)，減小了電流的脈動，即在一定程度上減小了轉(zhuǎn)矩脈動，提高了系統(tǒng)的性能。4 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)4.1系統(tǒng)總體功能介紹本設(shè)計(jì)總體功能如圖4.1所示，以MSP430F149作為控制核心，通過專用驅(qū)動芯片LM621連接逆變電路驅(qū)動電機(jī)工作，按鍵實(shí)現(xiàn)加速減速功能，加速鍵按下一次轉(zhuǎn)速增加100轉(zhuǎn)，減速鍵盤按下一次轉(zhuǎn)速減少100轉(zhuǎn)，可調(diào)圍在2000轉(zhuǎn)到4000轉(zhuǎn)之間，通過渦輪流量計(jì)測試實(shí)際流量信息反饋到單片機(jī)中實(shí)現(xiàn)高精度的電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，LCD1602實(shí)時顯示流量信息。圖4.2為系統(tǒng)總體軟件流程圖。 MSP430LCD1602逆變電路LM621位置傳感器無刷直流電機(jī)渦輪

42、流量計(jì)按鍵 圖4.1 系統(tǒng)總體功能流程圖 圖4.2 系統(tǒng)總體軟件流程圖4.2 MSP430F149單片機(jī)最小系統(tǒng)MSP430F149單片機(jī)最小系統(tǒng)由MSP430F149單片機(jī)，晶振以與復(fù)位電路組成。兩個晶振分別接單片機(jī)的XIN1,XOUT1,XIN2,XOUT2口，復(fù)位電路采用專用復(fù)位芯片SP7085,與單片機(jī)RESET口連接，采用SPX1117M3-3.3為單片機(jī)供電3.3V。MSP430F149單片機(jī)最小系統(tǒng)硬件連接如圖4.3. 圖4.3 MSP430F149單片機(jī)最小系統(tǒng)4.3顯示模塊介紹4.3.1顯示模塊硬件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)采用LCD1602液晶屏顯示，P4口接上拉電阻，LCD1602液晶

43、屏的控制端接在P3口上面，P3.5P3.7口。圖4.4 顯示模塊硬件圖4.3.2顯示模塊軟件設(shè)計(jì)用LCD 顯示一個字符時比較復(fù)雜，首先找到顯示屏上某個位置所對應(yīng)的RAM區(qū)的8個字節(jié)，在有程序分別對這個8個字節(jié)置“1”或置“0”，“1”表示點(diǎn)亮，“0”表示不亮，這樣組合起來就能把一個字符點(diǎn)亮。但是有的控制器部自帶字符發(fā)生器，如LCD1602，顯示一個字符就非常容易了，把控制器的工作設(shè)定在文本方式，再根據(jù)字符顯示的位置，找到該位置找出顯示RAM所對應(yīng)的地址，設(shè)立光標(biāo)，在把所需要的字符代碼送上去就可以了。顯示模塊軟件流程圖如圖4.5。開始LCD1602初始化 延時寫LCD指令取顯示地址 寫數(shù) 寫完？

44、 是否讀取數(shù)據(jù)并顯示 返回 圖4.5 顯示模塊子程序流程圖4.4驅(qū)動模塊介紹4.4.1 驅(qū)動模塊硬件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用電機(jī)專用驅(qū)動芯片LM621驅(qū)動逆變電路實(shí)現(xiàn)電機(jī)的運(yùn)行。LM621的HS1,HS2,HS3與霍爾位置傳感器相連，接入位置信號以控制電機(jī)的電子換相，引腳11、12、13（灌電流輸出端），引腳14、15、16（抽電流輸出端）分別與逆變電路連接驅(qū)動電機(jī)，VCC2接+5V電源,INH接單片機(jī)P2.7口輸入PWM波，DIR接單片機(jī)P2.6口控制轉(zhuǎn)向，硬件連接圖如圖4.6。圖4.6 驅(qū)動電路硬件圖4.4.2 PWM控制軟件設(shè)計(jì) PWM（脈沖寬度調(diào)制）是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，改變負(fù)載

45、兩端的電壓，從而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。本次設(shè)計(jì)采用定頻調(diào)寬方式，MSP430F149本身含有PWM產(chǎn)生模塊，利用MSP430F149單片機(jī)的TIMEA的模式7產(chǎn)生PWM波對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速。根據(jù)電機(jī)參數(shù)設(shè)定調(diào)速圍為2000轉(zhuǎn)4000轉(zhuǎn)，每次加速鍵（減速鍵）按下，電機(jī)轉(zhuǎn)速減少（增加）100轉(zhuǎn)，調(diào)速等級分為20級，經(jīng)計(jì)算，每次占空比改變0.025。是否有按鍵按下？由占空比計(jì)算波形持續(xù)時間 計(jì)算定時器A常數(shù) 按鍵掃描產(chǎn)生PWM波 開始 初始化返回否有按鍵按下？由占空比計(jì)算波形持續(xù)時間 計(jì)算定時器A常數(shù) 按鍵掃描產(chǎn)生PWM波 開始 初始化返回是 圖4.7 PWM子程序流程圖4.5按鍵模塊介紹4.

46、5.1按鍵模塊硬件設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)采用1*4矩陣鍵盤實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)的操作，四按鍵一端分別通過1k的電阻與單片機(jī)的P3.0,P3.1,P3.2,P3.3接口連接，另一端通過100k的電阻與+5V電源連接。按鍵模塊連接如圖4.8。圖4.8 按鍵模塊硬件連接圖4.5.2按鍵模塊軟件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)使用最簡單的1*4矩陣鍵盤實(shí)現(xiàn)對整個系統(tǒng)的操作。各鍵對應(yīng)的功能和鍵值如表4.1。表4.1 各鍵對應(yīng)功能和鍵值鍵位功能鍵值BUTTON1啟動/制動0XA0BUTTON2加速0X90BUTTON3正反轉(zhuǎn)0X88BUTTON4減速0X50各鍵詳細(xì)功能如下：BUTTON1：啟動系統(tǒng)。單片機(jī)上電初始化后，首先掃描鍵盤，若BU

47、TTON1被按下，則啟動系統(tǒng)，否則將一直掃描鍵盤，此時其他鍵沒有任何功能。BUTTON2和BUTTON4：通過按BUTTON4或BUTTON4，當(dāng)前位閃爍，此時通過BUTTON2和BUTTON4可對當(dāng)前位進(jìn)行+1/-1，若2S沒有操作，系統(tǒng)自動確認(rèn)當(dāng)前輸入值。BUTTON3：正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)機(jī)的反轉(zhuǎn)。按鍵模塊子程序流程圖如圖4.9 圖4.9 按鍵模塊子程序流程圖4.6 限流電路設(shè)計(jì) 主回路過電動機(jī)的電流最終是經(jīng)過電阻R4接地。因此，Uf=R4IM，其大小正比于電動機(jī)的電流IM。而Uf同數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓U0分別送到LM324運(yùn)算放大器的兩個輸入端，一旦反饋電壓Uf大于來自數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的給定

48、信號U0,則LM324運(yùn)算放大器輸出為低電平，通過非門變?yōu)楦唠娖捷斎氲絃M621的引腳17，使輸出關(guān)斷，從而截?cái)嗔酥绷鳠o刷電動機(jī)定子繞組的所有電流通路，迫使電動機(jī)電流下降，一旦電流下降到時Uf小于U0,則LM324運(yùn)算放大器輸出回到高電平，通過非門變?yōu)榈碗娖?，接LM621的17腳，LM621正常工作。 圖4.10 限流電路4.7速度反饋電路設(shè)計(jì)渦輪流量計(jì)采用24V直流供電，輸出24V脈沖信號經(jīng)過電阻分壓變?yōu)?.3V脈沖信號，與單片機(jī)p2.5口連接,電路硬件連接見圖4.11。渦輪流量計(jì)輸出的電壓脈沖信號與瞬時流量之間的計(jì)算公式為Q=3600f/k，通過采集流量反饋信號實(shí)現(xiàn)對流量的閉環(huán)精確控制。

49、圖4.11速度反饋電路硬件設(shè)計(jì)結(jié)論本設(shè)計(jì)所述的直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)是以低價位的MSP430單片機(jī)為核心的，而通過單片機(jī)來實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)整又有多種途徑，相對于其他用硬件或者硬件與軟件相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)對電機(jī)進(jìn)行調(diào)整，采用PWM軟件方法來實(shí)現(xiàn)的調(diào)速過程具有更大的靈活性和更低的成本，它能夠充分發(fā)揮單片機(jī)的效能，對于簡易速度控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)提供了一種有效的途徑。曾經(jīng)也試過用單片機(jī)直接產(chǎn)生PWM波形控制逆變電路開關(guān)器件的導(dǎo)通，但其最終效果并不理想，在使用了少量的硬件后，單片機(jī)的壓力大大減小，程序中有充足的時間進(jìn)行閉環(huán)控制的測控和計(jì)算，使得軟件的運(yùn)行更為合理可靠。顯示部分采用LCD1602這種液晶顯示器功耗低，顯

50、示功能全，能完全滿足本設(shè)計(jì)的顯示要求，而且軟件程序編寫相對簡單；基本實(shí)現(xiàn)了對由直流無刷電機(jī)構(gòu)成的血泵的多級精確調(diào)速。附錄A程序：#include#include#define uchar unsigned char#define ulong unsigned longextern uchar zs; /*定義轉(zhuǎn)速變量*/extern uchar tag=0x00; /*啟動標(biāo)志位*/extern ulong zssd=3000; /*轉(zhuǎn)速設(shè)定*/ ulong count; /*脈沖計(jì)數(shù)*/ulong zkbg,zkbd; /*占空比高低*/ #define CLR_P26 P2OUT&=BIT6; #define SET_P26 P2OUT|=BIT6;#define CLR_P27 P2OUT&=BIT7; #define SET_P27 P2OUT|=BIT7;#define CLR_LCM_RS P3OUT&=BIT5; #define SET_LCM_RS P3OUT|=BIT5;#define CLR_LCM_RW P3OUT&=BIT6; #define SET_LCM_RW P3OUT|=BIT6;#define CLR_LCM_EN P3OUT&=BIT7; #define SET_LCM_EN P3OU