1、軟件設計開發文檔1. 主控芯片及其編譯器該項目主控芯片采用飛思卡爾半導體公司的32位微控制器MKE02Z16VLC2，該芯片基于 ARM 結構體系的 Cortex-M0+內核，其中的FlexTimer/PWM （FTM）模塊為電機控制提供了很方便的接口，方便控制輸出pwm控制電機轉速。驅動電路芯片采用FSB50760SFT，該芯片將MOSFET集成在芯片內，減少了控制電路的大小，同時，芯片內部還集成了溫度傳感器，可以時刻監控芯片溫度。編譯器采用IAR Systems公司的IAR Embedded Workbench for ARM。2. 控制方案簡介該項目控制方案采用有傳感器方波控制，采用霍爾

2、傳感器檢測電機轉子位置信息，并根據霍爾傳感器信號進行相關的換向處理。2.1無刷直流電機有傳感器基本控制理論無刷直流電機采用電子換向裝置代替了傳統直流電機的機械換向裝置，又具有與直流電機類似的機械特性，其磁鋼置于轉子上，通過不斷地變換定子繞組通電方式產生旋轉磁場驅動轉子轉動。由于轉子采用了永磁體結構，無刷直流電機具有體積小、重量輕、結構簡單的特點。隨著電力電子技術的發展，無刷直流電機的應用越來越廣泛?？焖儆行У卮_定位置傳感器和繞組間的相序關系是實現無刷直流電機調速功能的關鍵。電機的換向的時機取決與轉子的位置，而轉子的位置可以通過霍爾傳感器來獲得，因此處理好了電機的換向操作就可以控制無刷直流電機的

3、運行。無刷直流電機的轉子磁鋼呈瓦片形，磁極與定子繞組間氣隙均勻，氣隙磁場呈梯形分布。定子繞組感應電動勢波形為梯形波。無刷直流電機定子繞組通常采用三相星形接法，需要應用三相全橋控制電路，其驅動控制系統結構如圖所示。由V1V6六只功率管構成的驅動全橋可以控制繞組的通電狀態。按照功率管的通電方式，可以分為兩兩導通和三三導通兩種控制方式。由于兩兩導通方式提供了更大的電磁轉矩而被廣泛采用。在兩兩導通方式下，每一瞬間有兩個功率管導通，每隔16周期即60°電角度換相一次，每只功率管持續導通120°電角度，對應每相繞組持續導通120°，在此期間相電流方向保持不變。為保證產生最大的

4、電磁轉矩，通常需要使繞組合成磁場與轉子磁場保持垂直。由于采用換相控制方式，其定子繞組產生的是跳變的磁場，使得該磁場與轉子磁場的位置保持在60°120°相對垂直的范圍區間。功率管的換相信號需要從位置傳感器的狀態得出，換相時刻也就是霍爾傳感器的信號狀態改變的時刻。因此霍爾傳感器和三相繞組對應關系的確定對于電機的正確運行非常重要。2.2霍爾傳感器的安裝方式為了產生正確的換向信號，霍爾傳感器安裝位置有一定要求，通常有120°安裝和60°安裝兩種方式，如圖所示。在本項目中霍爾傳感器采用30度安裝方式，由于電機轉子為4對極，因此安裝方式和120度的是一樣的，位置傳感

5、器輸出波形、電機定子繞組通電電流和反電動勢相位關系如圖所示。以位置傳感器的信號狀態區分，將無刷直流電機的運行狀態分割為6個狀態。各功率管導通區間如圖所示。在實際控制中，霍爾傳感器在跳變成高電平后，不會迅速進行換向，在轉子轉過30度之后才進行換向操作。因此下圖只是理論上圖形實際圖形感應電動勢的波形應該向后移動30度。2.3直流無刷電機調速直流無刷電機轉速由直流電壓控制。電壓越高，轉得越快；電壓越低，轉得越慢。用脈寬調制（PWM）方式來控制電機的輸入電壓。PWM占空比越高，等效電壓就越高，占空比越低，等效電壓就越低。3. 主程序和中斷程序設計本系統軟件設計的主體框架由主程序和中斷程序構成。主程序主

6、要包括系統初始化和主循環兩部分。系統初始化主要負責系統運行所需要的各種初始化設置，包括系統各外設時鐘、外設I/O引腳功能、中斷向量表、外設模塊初始化、參數初始化等。主循環主要包括運行狀態控制、上位機通信等。中斷程序主要用來實現一些主要控制算法，包括PWM輸出、霍爾中斷處理、轉速與轉子位置計算、過流保護等一些重要部分。3.1主程序設計主程序中主要處理電機運行狀態，電機有以下幾種運行狀態，待機狀態、啟動狀態、運行狀態、錯誤處理狀態。在VSP電壓低于1.8V時，電機處于待機狀態。電機大于1.8V時，電機處于啟動狀態，啟動成功后，電機進入運行狀態。當電機運行過程中出現錯誤時，電機進入錯誤處理階段，如果

7、電機出現霍爾錯誤，過壓和過流的錯誤，系統將會一直處于停機的狀態，其他的錯誤電機將會重啟，錯誤次數超過10次后，電機將會停機。在主程序中還處理和上位機通信，包括電機運行的一些數據信息，電壓電流以及溫度轉速等。3.2中斷程序設計電機的主要控制程序都寫在了中斷里面，其中主要包括PWM中斷，霍爾中斷，AD采樣中斷，過流保護中斷。其中PWM中斷優先級和過流保護的優先級最高，當出現過流時，電機能夠第一時間停機。霍爾中斷的優先級次之，AD采樣中斷的優先級最低。3.2.1AD采樣中斷AD初始化模塊功能是設置相應的控制寄存器，將引腳PTB0，PTB1，PTB2，PTB3設置為AD采樣引腳，其中PTB0引腳采樣直

8、流母線電壓，PTB1引腳采樣速度控制電壓，PTB2引腳采樣母線電流，PTB3引腳采樣驅動芯片的溫度。采樣時間為PWM輸出后延遲12.75us采樣，這樣做的原因是確保能采樣到穩定的電流信號。AD采樣中斷流程圖如下所示：AD中斷處理程序AD中段處理函數為void ADC_Isr(void)，輸入輸出參數都為空，其功能主要是處理采樣數據，為了在程序中進行濾波處理，相應的采樣數據進行了放大處理，其中電流信號放大了16倍，直流母線電壓信號放大了1024倍，溫度采樣信號放大了16倍，速度控制信號放大了1024倍?；魻栔袛嗷魻栔袛嘣谙到y中定義為KBI鍵盤處理中斷，初始化函數為unsigned char KB

9、I_init(void)，該函數輸入參數為空，輸出值為無符號字符型參數，如果函數返回值為1，則表示霍爾狀態初始化失敗。鍵盤中斷主要用于處理霍爾傳感器的狀態，其中初始化函數主要功能是設置相應的寄存器，將引腳PTA1，PTA2，PTA3，其中PTA1對應霍爾傳感器Hc的信號，PTA2對應霍爾傳感器Hb的信號，PTA3對應霍爾傳感器Ha的信號。鍵盤中斷觸發條件為硬件電平觸發，當電平變化時，觸發相應的處理程序?；魻栔袛嗵幚砹鞒虉D如下：鍵盤中斷處理函數鍵盤中斷處理函數為void KBI_Hall_isr(void )，輸入輸出參數為空。其中函數中又包括霍爾狀態轉換函數HallToAngle()和Hall

10、ToSpeed()。在函數HallToAngle()中，首先獲取霍爾狀態信息，判斷霍爾狀態信息是否正常，不正常則返回1，然后將霍爾傳感器的狀態信息通過霍爾角度表Hall_Degree_Table66轉換成角度信息。一個電周期霍爾中斷六次，霍爾角度表Hall_Degree_Table66將角度分為6段，分別是0-60,60-120,120-180,180-240,240-360。在轉換成角度信號后，用六步換向法進行啟動，然后判斷電機是否啟動成功，如果處于抖動狀態，則變量start_regular_count不等于6，啟動失敗。啟動成功后進入正常運行部分。函數HallToSpeed()的主要功能是

11、將霍爾信號轉換成速度信息，啟動時每個電周期計算更新6次角度信息。正常運行時，每個電周期計算一次速度。計算速度時，在void HallToSpeed(void)函數中計算得到。在PWM周期中設置一個標志位，每隔一個PWM周期計數一次，一個PWM周期是62.5us，當計數達到六次時，轉子轉過一個電周期，用360度除以62.5*6即可得到角速度。在程序中直接除以6，方便在PWM輸出中斷中計算角度信息。3.2.3過流中斷保護過流中斷保護主要是使用芯片中的比較器來進行過流保護，比較器正輸入端設置為3.3V，電流門限值設置為3.8A，比較器的負輸入端設置為引腳PTA0引腳的輸入。當引腳PTA0上的電壓達到

12、設定的值時，會馬上觸發比較器中斷，PWM將不會輸出。過流保護流程圖如下：3.2.4PWM輸出中斷FTM中斷處理函數為void FMT2_ISR(void)，該函數將速度信號轉換成角度信息，將角度信息當成參數傳遞給換向函數進行處理。其中換向函數為commutation(),在PWM初始化中，設置PWM周期為62.5us，采用互補模式輸出，死區時間設置為1us。PWM輸出流程圖如下：PWM輸出中斷主要是進行PWM占空比的調制和換向操作。首先，將速度信息轉換成角度信息，在霍爾中斷處理函數中已經計算出了速度信息，速度單位是度/PWM周期，所以在計算角度信息時，可以直接將速度累加即可得到角度信息。得到角

13、度信息后，將角度信息給換向處理函數commutation()進行換向操作。PWM占空比的調制主要取決于VSP控制信號，VSP的采樣值作為PWM的計數值，當計數器達到PWM的計數值時，PWM電平跳變成高電平。換向處理函數commutation()用來給電機換向。具體過程如下圖所示。在函數中設置一個數組abc來控制PWM輸出。abc圖形通過cos函數得到，0到360度abc圖形如上圖前三個波形所示，再通過計算，將abc相減得到下面三個波形圖，下面的三個波形圖就對應的是PWM輸出，在高電平階段，電壓輸出最大值為400V，在低電平時電壓無輸出。其中下面三個波形圖中的虛線部分對應的是霍爾傳感器狀態。電壓輸出與對應霍爾傳