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

畢業(yè)設(shè)計說明書基于MSP430單片機(jī)的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計2013年6月基于MSP430單片機(jī)的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計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、小型化及高智能化，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，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)計是把無刷直流電動機(jī)作為設(shè)計對象，以MSP430單片機(jī)為控制MCU，單片機(jī)采集比較電平及電機(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、具體實現(xiàn)。根據(jù)永磁無刷直流電動機(jī)的特性實施脈寬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MSP430Microcontroller-basedbrushlessDCmotorControlSystemDesignAbstractBrushlessDCmotorinabrushDCmotordevelopedonthebasisof.Atthisstage,althoughexchangesofallkindsofDCmotorsandmotordriveintheapplicationofthedominant,butbrushlessDCmotorisundercommonconcern.Sincethe1990s,aspeople'slivingstandardsimproveandmodernizeproduction,thedevelopmentofofficeautomation,householdappliances,industrialrobotsandotherequipmentareincreasinglytendtobehighefficiency,smallsizeandhighintelligence,astheimplementationofcomponentsAnimportantcomponentofthemotormusthaveahighaccuracy,speed,highefficiency,brushlessDCmotorandthereforetheapplicationisalsogrowingrapidly.ThisdesignisthebrushlessDCmotorastheelectricbicyclemotor-drivencontrolsystem,MSP430microcontrollerforcontrolMCU,SCMcollectionandcomparison-levelelectricalsignalHallfeedback,softwareprogrammingthroughbrushlessDCmotorcontroller.Thispaperanalyzestherequirementsfromthesystem,thewholesystemwillbedividedintoseveralparts,analysisanddiscussionofthevariouspartsofthecircuitofthecontrolstrategy,implementationmethod.AccordingtothepermanentmagnetbrushlessDCmotorcontrolofthePWMpulsewidth,speedsensoranddisplayspeedthroughLCD1602.Keywords:BLDCM,thesinglechipprocessor,hallpositionsensor⑧其中為電磁轉(zhuǎn)矩；為負(fù)載轉(zhuǎn)矩；B為阻尼系數(shù)；QUOTE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)的運行特性和傳統(tǒng)直流電機(jī)基本相同，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：為電動勢傳遞系數(shù)，為電動勢系數(shù)；為轉(zhuǎn)矩傳遞函數(shù)，QUOTE，R為電動機(jī)內(nèi)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的實際論域范圍為[-1000,1000]，誤差變化率de/dt的實際論域范圍為[-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3.1KPS的控制規(guī)則表Ec(t)E(t)NLNMNSZOPSPMPLNLPLPLPMPMPSPSZONMPLPMPMPSPSZONSNSPMPMPSPSZONSNSZOPMPSPSZONSNSNMPSPSPSZONSNSNMNMPMPSZONSNSNMNMNLPLZONSNSNMNMNLNL表3.2KIS的控制規(guī)則表Ec(t)E(t)NLNMNSZOPSPMPLNLPMPSNMPMPSPSNSPMPSPSZOZONLNMNSZOPSPMPLPSZONSNSPLPMPSPMPLPLPLPM根據(jù)上面的模糊控制規(guī)則進(jìn)行計算，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4.1系統(tǒng)總體功能介紹本設(shè)計總體功能如圖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)范圍在2000轉(zhuǎn)到4000轉(zhuǎn)之間，通過渦輪流量計測試實際流量信息反饋到單片機(jī)中實現(xiàn)高精度的電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，LCD1602實時顯示流量信息。圖4.2為系統(tǒng)總體軟件流程圖。MSP430MSP430LCD1602逆變電路LM621逆變電路LM621位置傳感器位置傳感器無刷直流電機(jī)無刷直流電機(jī)渦輪流量計渦輪流量計按鍵按鍵圖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4.2MSP430F149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)，晶振以及復(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4.3MSP430F149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)計本系統(tǒng)采用LCD1602液晶屏顯示，P4口接上拉電阻，LCD1602液晶屏的控制端接在P3口上面，P3.5——P3.7口。圖4.4顯示模塊硬件圖4.3.2顯示模塊軟件設(shè)計用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”表示點亮，“0”表示不亮，這樣組合起來就能把一個字符點亮。但是有的控制器內(nèi)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。開始開始LCD1602初始化延時寫LCD指令取顯示地址寫數(shù)寫完？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)計本設(shè)計采用電機(jī)專用驅(qū)動芯片LM621驅(qū)動逆變電路實現(xiàn)電機(jī)的運行。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4.4.2PWM控制軟件設(shè)計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)速范圍為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)計算，每次占空比改變0.025。是否是否有按鍵按下？由占空比計算波形持續(xù)時間計算定時器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？由占空比計算波形持續(xù)時間計算定時器A常數(shù)按鍵掃描產(chǎn)生PWM波開始初始化返回是是 圖4.7PWM子程序流程圖4.5按鍵模塊介紹4.5.1按鍵模塊硬件設(shè)計本設(shè)計采用1*4矩陣鍵盤實現(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)計本系統(tǒng)使用最簡單的1*4矩陣鍵盤實現(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BUTTON1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內(nèi)沒有操作，系統(tǒng)自動確認(rèn)當(dāng)前輸入值。BUTTON3：正反轉(zhuǎn)，實現(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)計主回路中通過電動機(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)換器的給定信號U0,則LM324運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，從而截斷了直流無刷電動機(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)計渦輪流量計采用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。渦輪流量計輸出的電壓脈沖信號與瞬時流量之間的計算公式為Q=3600×f/k，通過采集流量反饋信號實現(xiàn)對流量的閉環(huán)精確控制。圖4.11速度反饋電路硬件設(shè)計結(jié)論本設(shè)計所述的直流電機(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)合的方法實現(xiàn)對電機(jī)進(jìn)行調(diào)整，采用PWM軟件方法來實現(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)控制的測控和計算，使得軟件的運行更為合理可靠。顯示部分采用LCD1602這種液晶顯示器功耗低，顯示功能全，能完全滿足本設(shè)計的顯示要求，而且軟件程序編寫相對簡單；基本實現(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<MSP430x14x.h>#include<BoardConfig.h>#defineucharunsignedchar#defineulongunsignedlongexternucharzs;/*定義轉(zhuǎn)速變量*/externuchartag=0x00;/*啟動標(biāo)志位*/externulongzssd=3000;/*轉(zhuǎn)速設(shè)定*/ulongcount;/*脈沖計數(shù)*/ulongzkbg,zkbd;/*占空比高低*/#defineCLR_P26P2OUT&=~BIT6; #defineSET_P26P2OUT|=BIT6;#defineCLR_P27P2OUT&=~BIT7; #defineSET_P27P2OUT|=BIT7;#defineCLR_LCM_RSP3OUT&=~BIT5; #defineSET_LCM_RSP3OUT|=BIT5;#defineCLR_LCM_RWP3OUT&=~BIT6; #defineSET_LCM_RWP3OUT|=BIT6;#defineCLR_LCM_ENP3OUT&=~BIT7; #defineSET_LCM_ENP3OUT|=BIT7;#defineBUSY 0x80//常量定義#defineDATAPORT P4OUT#defineL 50ucharstr0[16],str1[16],count;uintspeed;unsignedlongtime; uchar*zy=p1;/*定義指針指向數(shù)組p1*/voidd_ms(ucharm) /*延時程序*/{uchari,j; for(i=0;i<m;m++)for(j=0;j<100;j++)/*延時100*m微秒*/ { ; }}/**********寫指令到LCD子函數(shù)************/voidWriteCommandLCM(ucharWCLCM,ucharBusyC){if(BusyC)lcd_wait(); DATAPORT=WCLCM;LCM_RS=0;LCM_RW=0; LCM_EN=1; _nop_(); _nop_(); _nop_();LCM_EN=0;}/**********寫數(shù)據(jù)到LCD子函數(shù)************/voidWriteDataLCM(ucharWDLCM){lcd_wait();//檢測忙信號 DATAPORT=WDLCM;LCM_RS=1;/*選中數(shù)據(jù)寄存器*/LCM_RW=0; //寫模式LCM_EN=1;_nop_(); _nop_(); _nop_();LCM_EN=0;}/***********lcd內(nèi)部等待函數(shù)*************/voidlcd_wait(void){DATAPORT=0xff; //讀LCD前若單片機(jī)輸出低電平,而讀出LCD為高電平,則沖突. LCM_EN=1;LCM_RS=0;LCM_RW=1;_nop_();_nop_(); _nop_();while(DATAPORT&BUSY) {LCM_EN=0; _nop_(); _nop_(); LCM_EN=1; _nop_(); _nop_(); } LCM_EN=0;}/**********LCD初始化子函數(shù)***********/voidinitLCM(){ DATAPORT=0; ddelay(15); WriteCommandLCM(0x38,0);ddelay(5);WriteCommandLCM(0x38,0);ddelay(5);WriteCommandLCM(0x38,0);ddelay(5);WriteCommandLCM(0x38,1);WriteCommandLCM(0x08,1);WriteCommandLCM(0x01,1);WriteCommandLCM(0x06,1);WriteCommandLCM(0x0c,1);}/****顯示指定坐標(biāo)的一個字符子函數(shù)****/voidDisplayOneChar(ucharX,ucharY,ucharDData){Y&=1;X&=15;if(Y)X|=0x40;X|=0x80;WriteCommandLCM(X,0);WriteDataLCM(DData);}/*******顯示指定坐標(biāo)的一串字符子函數(shù)*****/voidDisplayListChar(ucharX,ucharY,uchar*DData){ucharListLength=0;Y&=0x01;X&=0x0f;while(X<16){DisplayOneChar(X,Y,DData[ListLength]);ListLength++;X++;}}voidSTR(){ str0[0]='S'; str0[1]='p'; str0[2]='e';str0[3]='e'; str0[4]='d'; str0[5]=''; str0[6]=(speed%100000)/10000+0x30; str0[7]=(speed%10000)/1000+0x30; str0[8]=(speed%1000)/100+0x30; str0[9]='.'; str0[10]=(speed%100)/10+0x30; str0[11]=speed%10+0x30; str0[12]='k'; str0[13]='m'; str0[14]='/'; str0[15]='h';}voidstart() {if(tag==0){P0OUT=0x00;P1OUT=0x00;tag=1;}elsetag=0;}voidup(){If(zssd<=4000) {zssd+=100;}}voidfanzhuan(){P26=0;P27=0;}voiddown(){if(zssd>=2000){ zssd-=100;}}voidkeyget() { ucharx;P2DIR=0xFF; P2OUT=0xC0; if((P2OUT&0xC0)==0) {P2DIR=0xFF; P2OUT=0x80; if((P2OUT&0x80)==0) { d_ms(1500); x=P2OUT; }P2DIR=0xFF; P2OUT=0x40; if((P2OUT&0x40)==0) { d_ms(1500); x=P2OUT; } } switch(x-0x21) { case0x7F:start();break; case0x6F:up();break; case0x67:fanzhuan();break; case0x2F:down();break;/ }}voiddisplay(uchar*z)/*顯示函數(shù)*/{STR(); DisplayListChar(0,0,str0); DisplayListChar(0,1,str1); uchara,b,c,d;/*轉(zhuǎn)速各位*/ a=zs/1000;/*轉(zhuǎn)速千位*/ b=zs%1000/100;/*轉(zhuǎn)速百位*/ c=zs%100/10;/*轉(zhuǎn)速十位*/ d=zs%10; /*轉(zhuǎn)速個位*/}voidcs(){zs=count/8*100;}voidpwm() /*pwm輸出函數(shù)*/{ulonga;a=zs/zssd;zkbd=a/(a+1);zkbg=1-zkbd;P26=1;/d_ms(1000*zkbg);P26=0;d_ms(1000*zkbd);}voidmain(void){WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;/*選擇系統(tǒng)主時鐘為8MHz*/BCSCTL1&=~XT2OFF;do{IFG1&=~OFIFG;for(i=0xFF;i>0;i--);}while((IFG1&OFIFG));BCSCTL2|=SELM_2+SELS;TACCTL0|=CCIE;/TACTL|=TASSEL_2+ID_3;CCTL0=CCIE;CCR0=50000;TACTL=TASSEL_2+MC_2;_BIS_SR(LPM0_bits+GIE); keyget(); if(tag!=0) { keyget();display(p1); pwm();}}//Time