双闭环无刷直流电机驱动电路设计和实现

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1、双闭环无刷直流电机驱动电路设计和实现　　摘要：在对无刷直流电动机控制系统的发展及应用综述的基础上，介绍了无刷直流电动机的结构和工作原理，给出了其数学模型，并重点分析了无刷直流电机控制技术中简单易用且鲁棒性较好的PID控制算法。对无刷直流电动机控制系统的硬件和软件设计做了详细论述。该电路是基于微芯公司的电机驱动电路专用驱动芯片DSPic30f4011而设计开发的，其中主体电路架构包括电源电路，三相逆变桥电路、转速闭环、电流闭环、线电压闭环和保护电路等。系统的软件设计中，主要包括微控制器的初始化程序

2、、开环起动、换向控制、电流、速度采样时刻控制等。关键词：DSPIC；无刷直流电机；驱动电路；功率MOS管中图分类号：TN710?34文献标识码：A文章编号：1004?373X（2013）04?0107?0411无刷直流电动机（BLDCM）简单的说，就是没有电刷的直流电动机。与传统的有刷电机相比，其突出特点就是没有电刷。无刷直流电机的主体部分要由电机本体、位置传感器和电子开关3大部分构成。它是在机电一体化大背景下人类科技进步的产物。严格说，它只是一种永磁式的同步电机，而不是真正意义上的直流电机。这

3、是因为，在大多数情况下，输入电机的直流电在送入到线圈之前，换流器（CurrentInverter）都会将直流电压转换成三相交流电来驱动电机。与有刷电机相比，无刷直流电机具有响应速度快、转化效率高、磨损小以及体积小等诸多优点。因此，在能源日趋枯竭的今天，无刷直流电机越来越受到各国科研工作者的亲睐。1BLDCM的结构以及DSP30F4011概述1.1BLDCM的结构BLDCM主要由机械本体、转子位置传感器和MOS管开关电路3大部分构成。MOS管开关组电路的主要作用是通过MOS管的开关把直流电转化成交

4、流电，交流电使定子组能产生变化的磁场。转子位置传感器随时检测到转子位置，并给出转子位置的控制信号，间接控制MOS管开关电路，以实现快速电子换向。1.2DSP30F4011概述根据市场的需要，美国微芯公司根据公司实力开发出了DSPIC30F系列单片机。这是微芯公司充分考虑了用户需求而设计开发的。这款芯片的主要特点是：外围接口丰富、运算速度快。它兼有单片机和DSP的双重优点。具体的讲就是，这个系列处理器采用了16位改进的哈佛结构，带有增强型指令集，同时还具备强大的数字信号处理能力。它采用24位的指令

5、宽度，23位的PC宽度。因此，可寻址程序空间高达9611Mb。除此之外，DSPIC30F内部还有16个可供用户设置使用的16位通用寄存器。DSPIC30F系列控制器内部自带存储容量大[1]，RAM最高可达64KB。作为DSPIC系列典型代表的DSPIC30F4011，具有极为丰富的外围资源供用户使用。其中包括5个16位定时器、高速CAN总线模块、UART串口通信模块、10位精度的高速AD转换模块、40个内部中断、5个外部中断、3组6路PWM波形输出模块。其中，PWM输出模块的PWM输出是可改写的

6、，死区时间可程控的。BLDCM驱动电路主要是由以DSPIC30F4011的PWM模块为中心的控制电路构成。在电机运行的过程中，霍尔位置传感器随时监测转子的位置，并通过CN（ChangeNotification）模块进行监测计算而得到电机的转速信息。同时在此过程中，霍尔电流、电压传感器会实时的采集电机工作过程中的电流信息和电压信息，从而得到BLDCM实时运行参数。当电流或者电压信息发生异常时，处理器的FLAT端口的电位会被拉低，同时关闭PWM输出以停止电机运行[2]。而CAN模块则随时接收指令并上

7、传电机参数信息[3]。2BLDCM驱动电路的硬件系统BLDCM驱动电路模块框图如图1所示。如图1所示，本系统主要由DSPIC30F处理器、IR213611MOS管驱动芯片、转子位置检测模块、电压采样模块、电流采样模块以及三相MOS管逆变电路、CAN总线模块和保护电路模块构成。由于单片机无法直接驱动MOS管组，因此需要借助IR2136来间接驱动MOS管组的状态。下面分模块详细介绍。三相逆变电路主要是由三组功率MOS管构成的。由于功率型的MOS管开启电压很大，因此单片机不能直接驱动MOS管的开关，需

8、要间接的通过IR2136来驱动。三相逆变电路的主要作用是，将直流电压按照一定的逻辑分配到电机的定子绕组上[4]。以DSPIC30F为核心的单片机模块，主要由5V供电电路、晶振电路、RESET电路、软件下载接口、A/D采样电路以及CAN总线通信电路组成。5V供电电路、晶振电路是单片机正常工作的基础。程序烧写接口方便用户升级程序。过压保护电路、欠压保护电路以及过流保护电路共同构成了系统的保护电路模块。此模块是系统稳定工作的基础。欠压保护是为避免电池组过放电而对自身造成伤害。过压过流保护则是为了防止电