基于DSP的直流无刷电机控制系统设计.doc

1、 目录任务书I 开题报告II指导教师评审意见III评阅教师评语IV答辩记录及成绩评定V中文摘要VI英文摘要VII1 前言12 选题背景22.1 题目来源22.2 课题研究的背景22.3 课题研究目的和意义32.4 国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向33 无刷直流电机的基本结构及原理63.1 什么是无刷直流电机 63.2 无刷主流电机的特点及应用63.3 无刷直流电机的工作原理7 3.3.1 无刷直流电动机的基本结构8 3.3.2 无刷直流电机的工作原理 93.4 无刷直流电机的优缺点124 无刷直流电动机速度控制策略134.1 无刷直流电机的调速方法和调速性能13 4.1.1 电动机的调速方

2、法和调速性能13 4.1.2 直流斩波器或脉宽调制变换器 14 4.2 SPWM控制技术15 4.3 无刷直流电动机转速负反馈单比环直流调速系统165 硬件系统设计195.1 TMS320LF24X概述19 5.1.1 DSP在运动控制领域的应用19 5.1.2 TMS320LF2407A芯片的概述19 5.1.3 TMS320LF2407A 电机控制系统的反馈环节205.2 硬件电路设计215.3 DSP外围电路设计22 6 软件系统设计326.1 硬件调试程序设计思想326.2 模块功能的实现和流程图32结论与展望38参考文献39致谢40附录（电器原理图）41 长江大学工程技术学院毕业设计

3、(论文)任务书 系： 信息系 专业：自动化 班级：自动化61002 学生姓名：XXX 指导教师/职称：王宇/讲师 1 毕业设计(论文)题目：基于DSP的直流无刷电机控制系统设计2 毕业设计(论文)起止时间：2013年9月10日-2014年6月1日3 毕业设计(论文)所需资料及原始数据1刘和平等编著.TMS320LF240XDSP 结构、原理及应用M.北京：北京航空航天大学出版社，20022王兆安，黄俊主编.电力电子技术M.第四版.北京：机械工业出版社，2012.63王晓明，王玲电动机的DSP控制TI公司DSP 应用M.北京：北京航空航天大学出版社，20044王晓明.电动机的单片机控制M.北京:

4、北京航空航天大学出版社，20025张深主编. 直流无刷电动机原理及应用M 北京：机械出版社，20046 汤蕴谬，史乃.电机学M.北京：机械工业出版社，2005.7王成元,夏加宽,杨俊友,孙益标.电机现代技术M.机械工业出版，20068唐万生,刘豹. 现在控制理论M.第三版，北京：机械工业出版社,2013.39汪国梁.无刷直流电机的控制技术R.电机与控制学报，2006，10（3）：1114.10陈伯时主编.电力拖动自动控制系统M.第三版.北京：机械工业出版.2012.611杨三青，王仁明等主编. 过程控制M 武汉：华中科技大学出版社，2008.212高国燊，余文杰等主编. 自动控制原理M.第三版

5、，广州：华南理工大学出版社，2009.913李哲英等编著.DSP 基础理论与应用技术M.北京：北京航空航天大学出版社，200214TI Company.TMS320LF/LC240XA DSP Controllers Reference GuideSystem and Perpherals ,200115戴明桢,周建江. TMS320C54X DSP结构,原理及应用M.北京:北京航空航III天大学出版社,2007.816Bateman A Stephens I.P. The DSP Handbook Algorithms Applications and Design Techniques,2

6、003 17陈娟，许芹，基于TMS320LF2407的无刷直流电机控制系统设计J，机械工程师，2008(6):45-4618张传友，张一主编.感测技术基础M.第三版,北京：电子工业出版社，2011.219张一，李涛主编. 感测技术基础M.北京：电子工业出版社，2011.220曹仁贤，茆美琴，许沐华.六输出高压驱动器IR2130的应用J.国外电子元件件，1996(9):30-3221 苏涛.DSP 接口电路设计及编程M.西安：西安电子科技大学出版社，20034 毕业设计(论文)应完成的主要任务(1) 查阅文献，提出研究方案，2013年11月10日前完成开题报告。(2) 完成无刷直流电机系统的硬件

7、电路和电机的控制策略及设计(3) 2014年3月5日前完成英文翻译工作，内容在2万个英文印刷字符以上。(4) 2014年5月25日前提交毕业设计（论文）初稿，要求排版格式规范，字数在15000字左右。5.任务书下达日期 2013 年 10月 18 日指导教师(签字）: III长江大学工程技术学院 毕业设计（论文）开题报告题 目 名 称基于DSP的直流无刷电机控制系统设计系 部信息系专 业 班 级自动化61002学 生 姓 名XXX指 导 教 师XX/讲师辅 导 教 师开题报告时间2013年11月25日III基于DSP的直流无刷电机控制系统设计学 生：XXX，信息系指导教师：XX，信息系一、题目

8、来源 题目来源于生产/社会实际。二、研究（设计）目的和意义在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。无论是在农业生产，交通运输，国防航空技术，医疗卫生，商务与办公设备，还是在日常生活中的家用电器都大量的使用着各种各样的电动机。而随着控制智能化，仪器小型化，功耗微小化等对设备要求的日益苛刻，把单片机应用于电动机的控制也越来越成为研究的焦点。无刷直流电动机的主要特点：高效率，功率因子高，启动转矩大，启动电流小：启动电流小，调节范围宽，但没有因电刷换向器引起的缺点，电子换向取代了机械换向，适应性强。无刷直流电动机是一种自控式调速系统，它无需像普通同步电动机那样需要启动绕组

9、；适合长期低速运转、频繁启动的场合，在负载突变时，不会产生振荡和失步。具有直流电动机特性、交流异步电动机的结构。无刷直流电动机控制系统是一种新型的调速系统。该系统具有良好的运行、控制及经济性能，显示出巨大的发展潜力。尤其值得指出的是，我国稀土资源丰富，稀土磁钢生产已达到国际水平，如果充分利用和发挥我国在这方面的优势，大力发展稀土永磁电机，形成无刷直流电动机系列产品，将对提高我国机电产品在国际市场的竞争力，具有战略意义。三、阅读的主要参考文献1刘和平等编著.TMS320LF240XDSP 结构、原理及应用M.北京：北京航空航天大学出版社，20022王兆安，黄俊主编.电力电子技术M.第四版.北京：

10、机械工业出版社，2012.63王晓明，王玲电动机的DSP控制TI公司DSP 应用M.北京：北京航空航天大学出版社，20044王晓明.电动机的单片机控制M.北京:北京航空航天大学出版社，20025张深主编. 直流无刷电动机原理及应用M 北京：机械出版社，20046 汤蕴谬，史乃.电机学M.北京：机械工业出版社，2005.7王成元,夏加宽,杨俊友,孙益标.电机现代技术M.机械工业出版，20068唐万生,刘豹. 现在控制理论M.第三版，北京：机械工业出版社,2013.39汪国梁.无刷直流电机的控制技术R.电机与控制学报，2006，10（3）：1114.10陈伯时主编.电力拖动自动控制系统M.第三版.

11、北京：机械工业出版.2012.611杨三青，王仁明等主编. 过程控制M 武汉：华中科技大学出版社，2008.212高国燊，余文杰等主编. 自动控制原理M.第三版，广州：华南理工大学出版社，2009.913 李哲英等编著.DSP 基础理论与应用技术M.北京：北京航空航天大学出版社，200214TI Company.TMS320LF/LC240XA DSP Controllers Reference GuideSystem and Perpherals ,200115戴明桢,周建江. TMS320C54X DSP结构,原理及应用M.北京:北京航空航天大学出版社,2007.816Bateman A

12、Stephens I.P. The DSP Handbook Algorithms Applications and Design Techniques,200317陈娟，许芹，基于TMS320LF2407的无刷直流电机控制系统设计J，机械工程师，2008(6):45-4618张传友，张一主编.感测技术基础M.第三版,北京：电子工业出版社，2011.219张一，李涛主编. 感测技术基础M.北京：电子工业出版社，2011.220曹仁贤，茆美琴，许沐华.六输出高压驱动器IR2130的应用J.国外电子元件件，1996(9):30-3221 苏涛.DSP 接口电路设计及编程M.西安：西安电子科技大学出

13、版社，2003四、国内外现状和发展趋势无刷直流电机是最近发展起来结合了多学科技术的一种新型电机，结合机电一体化，具有高速度、高效率、高动态响应、高热容量和高可靠性等优点，同时还具有低噪声和长寿命以及低成本等特点。近年来，随着新材料技术的发展，无刷直流电机也迅速的发展，其功率覆盖等级较大。目前无刷电机已广泛应用于医疗仪器、分析仪器、材料处理、过程控制、机床工业、纺织工业和轻工机械等各领域。小功率无刷直流电机主要应用于工厂自动化和办公自动化方面，如计算机外设复印机和家用电器中，它正迅速取代传统的直流电机和异步电机。90年代以来，在高精度的数控设备中相当多地采用了永磁同步无刷电机，以取代直流伺服电机

14、，特别是在机器人和机械手的驱动中，无刷直流电机的应用相当多。联合国欧洲经济委员会发表的2002年全球机器人报告预测，全球现在至少有76万台机器人正投入使用，在未来3年内，全球机器人的数量将接近百万台，目前包括中国、巴西和墨西哥在内的一些发展中国家也在工业生产中使用机器人，且需求增长十分惊人。这己经成为无刷直流电机的主要应用领域。目前国外全数字伺服系统己经部分形成系列，如德国Lens公司，而宝钢引进轧机流水线,电气传动基本采用了无换向器电机实现。而在这些先进数字控制系统当中，DSP成了控制器的核心器件。我们国家在这方面的研究也十分活跃，近几年来，基于DSP控制器的无刷直流电机调速系统的研究也取得

15、了很多成果，但是这方面的技术还很不成熟，没有形成系列产品，主要采用国外成熟的系统。所以，基于DSP控制器的无刷直流电机调速系统的研究具有很重要的现实意义和发展前景。五、主要研究（设计）内容、关键问题及解决思路5.1 主要研究内容 1、根据其调速原理确定系统的控制结构、控制技术、控制策略及控制芯片等； 2、以TI公司DSPTMS320LF2407A为控制核心，结合IR公司的驱动芯片 IR2130、功率开关管IRF2807，进行系统硬件电路的设计； 3、应用C语言进行系统软件程序的编写。 5.2 关键问题 1、无位置传感器无刷直流电机控制中如何准确的检测到转子的位子 2、TMS320LF2407A

16、为主控芯片的应用系统是一个混合电压系统。 3、如何控制无刷电动机的速度5.3 解决思路1、利用反电动势过零点检测转子位置信号2、对于小功率或对电源效率要求较低的时候可以采用低电压差线性稳压器。但是对于大功率或对电源效率要求较高的时候，则应该使用电源模块3、利用PWM调速系统采用软件启动的方法来克服硬件启动电路的缺憾六、完成毕业设计（论文）所必须具备的工作条件有关DSP芯片直流无刷电动机和传感器原理及应用结构有关方面的书籍 实验设备：微型计算机一台 霍尔传感器 DSP芯片(TMS320LF2407A) 无刷直流电动机 直流斩波器或脉宽调制变换器 MC33039 MOSFET功率管IRF2807

17、电机控制驱动器IR2130芯片 功率开关器件IRF2807 光速隔离期间6N137七、预期成果本文采用的是DSP作为控制系统的核心。该设计方案电路简单、可靠性强、价格便宜。系统主要包括DSP TMS320LF2047，无刷直流电动机、转速设定与检测，功率驱动电路、驱动保护电路、转子位置检测电路等。本设计总共分成六个部分：第一部分主DSP外围电路的设计；第二部分转子电路设计；第三部分DSP电源及电压电路的设计；第四部分驱动及逆变单元的设计，第五部分外扩存储器接口电路设计，第六部分保护电路的设计。其原理如下图所示。DSPTMS320LF2407无刷直流电动机转子位置检测电路功率驱动电路MOSFET

18、驱动器驱动保护电路转速设定与检测 本次设计采用的是TI公司的电机控制专用DSP芯片（TMS320LF2407A），由该芯片控制的其无刷直流电机控制系统硬件结构简单、软件实现方便，系统的功耗低、控制精度高、实时性强、升级空间较大，而且能够方便地与上位机进行数据的交换和传输，能够实现的控制功能丰富。电机在开环情况下能够很好地按设定的速度曲线运转，在闭环情况下起动平稳、运行良好，电机的正反转控制实现简单、反应迅速。八、工作的主要阶段、进度与时间安排第一阶段：2013年10月31日 2013年11月10日，查阅文献资料，完成开题报告；第二阶段：2013年11月11日 2014年12月11日：查阅相关资

19、料及进行方案论证，做好计划；第三阶段：2014年12月12日 2014年3月5日：研究无刷电机的基本结构和原理，电动机控速策略，SPWM控制技术，TMS320LF24X系列芯片的特点，DSP在运动控制领域的应用，器件的选型第四阶段：2014年3月6日 2014年3月31日：完成外文翻译第五阶段：2014年4月1日 2014年4月30日，编制软件编程、仿真、进行软件硬件调试与系统调试；第六阶段：2014年5月1日 2014年5月20日：毕业论文及相关文档定稿、审查、评阅；第七阶段：2014年6月6日 2014年6月8日：毕业设计答辩。九、指导老师审查意见:长江大学工程技术学院毕业设计(论文)指导

20、教师审查意见学生姓名XXX专业班级自动化61002毕业设计(论文)题目 基于DSP的直流无刷电机的控制指导教师职 称评审日期评审参考内容：毕业设计(论文)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生的学习态度和组织纪律，学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业设计(论文)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评审意见： 指导教师签名： 评定成绩（百分制）：_分（注：此页不够，请转反面）VI长江大学工程技术学院毕业设计(论文)评阅教师评语学生姓名XXX专业班级自动化61002毕业设计(论文)题目基于DSP的直流无刷电机

21、的控制评阅教师职 称评阅日期评阅参考内容：毕业设计(论文)的研究内容、研究方法及研究结果，难度及工作量，质量和水平，存在的主要问题与不足。学生掌握基础和专业知识的情况，解决实际问题的能力，毕业设计(论文)是否完成规定任务，达到了学士学位论文的水平，是否同意参加答辩。评语：评阅教师签名： 评定成绩（百分制）：_分长江大学工程技术学院毕业设计(论文) 答辩记录及成绩评定学生姓名 XXX专业班级自动化61002毕业设计(论文)题目基于DSP的直流无刷电机的控制答辩时间 年 月 日 时答辩地点一、答辩小组组成答辩小组组长：成 员：二、答辩记录摘要答辩小组提问（分条摘要列举）学生回答情况评判三、答辩小组

22、对学生答辩成绩的评定（百分制）：_分 毕业设计(论文)最终成绩评定(依据指导教师评分、评阅教师评分、答辩小组评分和学校关于毕业设计(论文)评分的相关规定)等级(五级制)：_答辩小组组长(签名) ： 秘书(签名)： 年 月 日系答辩委员会主任(签名)： 系 (盖章)基于DSP的直流无刷电机控制系统设计 学 生：XXX，信息系 指导老师：王宇，长江大学工程技术学院 【摘要】传统的直流电机由于其本身固有的特性，有机械换向器和电刷从而导致电机容量有限和可靠性不高、噪音大，迫使人们探索低噪音、高效率并且大容量的驱动电机。随着电力电子技术和微控制技术的迅猛发展而成熟起来的永磁无刷直流电机具有体积小、重量轻

23、、效率高、噪音低、容量大且可靠性高的特点，从而使其极有希望代替传统的直流电机成为电机的主流。 论文提出了基于DSP芯片TMS320LF2407A的永磁无刷直流电动机的控制系统设计方案。利用 DSP 系列芯片进行低成本、高智能无刷直流电动机控制系统的设计，能够简化系统构成、降低系统成本、增强系统性能、满足更多应用场合的需要。 本文主要从以下几个方面进行了分析与研究： 首先根据其调速原理确定系统的控制结构、控制技术、控制策略及控制芯片等；然后以TI公司 DSPTMS320LF2407A 为控制核心，结合IR公司的驱动芯片IR2130、功率开关管IRF2807，进行系统硬件电路的设计；最后应用C语言

24、进行系统软件程序的编写。 【关键词】 无刷直流电机；数字信号处理器；位置传感器；调速Design of a BLDC Motor Based on DSP Student: zhan mei jin, Department of Information Tutor: wang yu ,Engineering & Technology College of Yangtze University【Abstract】Although conventional DC motor is mechanical commentator and brush result in limited capabili

25、ty, low reliability, big noise .People manage to develop more quiet, high efficiency and reliability, big capability driving motor. With the development of the power-electronics and micro-control technique, permanent-magnet brushless DC motor which has small volume, light weight, high efficiency, lo

26、w noise, big capability and reliability appeared and matured, so it is hopeful to become main motor applied in our life. This dissertation presents a solution to control a permanent-magnet brushless DC motor using TMS320LF2407A. This new family of DSP enables cost-effective design of intelligent con

27、trollers for brushless motors which can fulfill more conditions, consisting of fewer system components lower system cost and increased performances. The research is divided into three parts: The control structure, technology strategy and chip are confirmed by the timing principle; Based on TIs DSP-T

28、MS320LF2407A and IRs drivingchip-IR2130 and Mosfet-IR2807the hardware circuit is designed; With assemble language of C, the software programs is written. 【Key word】Brushless DC motor; DSP(digital signal processor); position sensor; Speed regulation 基于DSP的直流无刷电机控制系统设计1前言无刷直流电动机控制系统是一种新型的调速系统。该系统具有良好的

29、运行、控制及经济性能，显示出巨大的发展潜力。尤其值得指出的是，我国稀土资源丰富，稀土磁钢生产已达到国际水平，如果充分利用和发挥我国在这方面的优势，大力发展稀土永磁电机，形成无刷直流电动机系列产品，将对提高我国机电产品在国际市场的竞争力，具有战略意义。 本次设计中采用的是美国 TI 公司专门为电机的数字化控制设计的16位定点 DSP控制器TMS320LF2407A作为微控制器。它集DSP的信号高速处理能力及适用于电机控制的优化的外围电路于一体，可以为高性能传动控制提供可靠高效的信号处理与控制硬件。基于DSP控制器构成的无刷直流电动机控制系统，具有传统的单片机无刷直流电动机控制系统和专用芯片无刷直

30、流电动机控制系统的优势，即专用的电动机控制机制，用户可编程，扩展能力强，功能强大等；同时又克服了它们各自的缺点，如外设和存储器集成在芯片内，可节省印刷电路板面积、减少系统中元器件的个数、提高CPU的处理能力、提高系统可靠性等1。本设计在对永磁无刷直流电动机调速系统的发展及应用综述的基础上，介绍了采用DSP芯片对无刷直流电动机进行换向与转速控制的微机控制系统。文中给出了系统的总体设计方案，分析了无刷直流电机的工作原理，提出了驱动电路和控制电路的设计策略，DSP外围电路的设计。介绍了该系统的基本结构、工作原理、运行特性及其设计方法。本设计的课题属于实践性质的，完成好此设计对今后的工作和学习都会有帮

31、助的。第 III 页 共 58 页选题背景2 选题背景2.1 题目来源 题目来源于生产/社会实际。2.2 课题研究的背景电气传动是以电动机的转矩和转速为控制对象，按生产机械工艺要求进行电动机转速控制的自动化系统。根据电动机的不同，工程上通常把电气传动分为直流电气传动和交流电气传动两大类 。纵观电气传动的发展过程，交流与直流两大电气传动并存于各个时期的各大工业领域内，虽然它们所处的地位和作用不同，但它们始终随着工业技术而发展的。特别是随着电力电子技术和微电子学的发展，在相互竞争中完善着自身，发生着变更。由于直流电机具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，因此在工业场合应用广泛。近代，随着生产技术

32、的发展，对电气传动在起制动、正反转以及调速能力、静态特性和动态响应方面都提出了更高的要求，所以计算机控制电力拖动控制系统已成为计算机应用的一个重要内容。 直流调速系统在工农业生产中有着更为广泛的应用。随着计算机技术和电力电子技术的飞速发展，两者的有机结合使电力拖动控制技术产 生了新的变化。电力电子技术、计算机技术和直流拖动技术的组合是技术领域的交叉，具有广泛的应用前景。有不少的研究者己经在用DSP作为控制器进行研究。直流调速控制系统的控制方法经历了机械式的、双机组式的、分立元件电路式的、集成电路式的、单片机式的发展过程。随着数字信号处理器DSP的出现，给直流调速控制提供了新的手段和方法。将计算

33、机技术的最新发展成果运用在直流调速系统中，在经典控制的基础之上探讨一种新的控制方法，为计算机技术在电力拖动控制系统中的应用做些研究性的工作。用计算机技术实现直流调速控制系统，计算机的选型很多。经过选择，选取DSP芯片作为控制器。直流调速系统的内容十分丰富，有开环控制系统，有闭环控制系统；有单闭环控制系统，有双闭环控制系统和多闭环控制系统；有可逆调速系统，有不可逆调速系统等。 开展本课题研究的控制对象是闭环直流调速系统；研究目的是利用计算机硬件和软件发展最新成果，对控制系统升级进行研究；研究工作是在对控制对象全面回顾总结的基础上，重点对控制部分展开研究，它包括对实现控制所需要的硬件和软件环境的探

34、讨，控制策略和控制算法的探讨等内容。目前，对于控制对象的研究和讨论很多，有比较成熟的理论，但实现控制的方法和手段随着技术的发展，特别是计算机技术的发展，不断地进行技术升级。这个过程经历了从分立元件控制，集成电路控制和单片计算机控制等过程。每一次的技术升级都是控制系统的性能有较大地提高和改进。随着新的控制芯片的出现，给技术升级提供了新的可能。2.3 课题研究的目的及意义长期以来，直流电机一直占据着速度控制和位置控制的统治地位。由于它具有良好的线性调速特性，简单的控制性能，高质高效的平滑运转的特性，尽管近年来不断受到其它电动机的挑战，但到目前为止，就其性能来说仍无其它电动机可比。 在控制系统的构成

35、上，本课题对硬件电路进行了设计，而这个硬件系统具有一定的通用性，也即可以将它作为一个硬件平台，在其它过程控制中应用。另外，由DSP的特点量身订做，可以在其它的控制系统中根据不同的要求进行外围电路的设计，进而来构成硬件的系统，这样既便于设计思想的物化，又使得设计的系统更加紧凑，不浪费资源。2.4 国内外现状和发展趋势与研究的主攻方向近些年来，随着现代电力电子技术、控制技术和计算机技术的发展，电机的应用技术也得到了进一步的发展，新产品、新技术层出不穷。除了人们己经熟悉的普通电机外，许多不同用途的特种电机也不断问世，如广泛应用于办公设备的无刷直流电机和高精度的步进电机、用于照相机的超声波电机、用于心

36、脏血液循环系统的微型电机等。另一方面，由于应用了电力电子技术，电机的控制技术变得更加灵活，效率也更高，如变频器控制的异步电机及伺服系统即是典型的例子2。 在实际中，电机应用已由过去简单的起停控制、提供动力为目的应用，上升到对其速度、位置、转矩等进行精确的控制，使被驱动的机械运动符合预想的要求。例如在工业自动化、办公室自动化和家庭住宅自动化方面使用大量的电机，几乎都采用功率器件进行控制，将预定的控制方案、规划指令转变成期望的机械运动。这种新型控制技术己经不是传统的“电机控制”或“电气传动”而是“运动控制”。运动控制使被控机械实现精确位置控制、速度控制、加速度控制、转矩或力控制，以及这些被控机械量

37、的综合控制。因此现代电机控制技术离不开功率器件和电机控制器的发展。电机的控制器经历了从模拟控制器到数字控制器的发展。由于模拟器件的一些参数受外界因素影响较大，并且它的精度也差。所有这些都使得模拟控制器的可重复性比较差，控制效果不理想，因此调速电机的控制器逐渐朝数字化方向发展。数字控制器与模拟控制器相比较，具有可靠性高、参数调整方便、更改控制策略灵活、控制精度高、对环境因素不敏感等优点。 随着现有的工业电气传动、自动控制和家电领域对电机控制产品需求的增加用户也不断提高对电机控制技术的要求。总是希望能在驱动系统中集成更多的功能，达到更高的性能。许多设备试图使用8位或是准16位微处理器实现电机的闭环

38、控制，然而它们内部体系结构和计算功能都阻碍了这一要求的实现。例如，在很多领域(如工业、家电和汽车)，用户希望使用效率高且去掉霍尔效应传感器的电机。这种电机控制可以通过使用先进的电机控制理论、采用高效的控制算法来实现。但是这可能超出上述微处理器的计算能力。 使用高性能的数字信号处理器(DSP)来解决电机控制器不断增加的计算量和速度需求是目前较为普遍的做法。将一系列外围设备如模数转换器(A/D)、脉宽调制发生器(PWM)和数字信号处理器(DSP)集成在一起，就获得一个既功能强大又非常经济的电机控制专用的DSP芯片。近年来，各种集成化一单片DSP的性能得到很大的改善，软件和开发工具越来越多，越来越好

39、，价格却大幅度降低。低端产品价格已接近单片机的价格水平，但却比单片机具有更高的性能价格比。越来越多单片机用户开始选用DSP器件来提高产品性能，DSP器件取代高档单片机的时机己成熟3。首先，与单片机相比，DSP器件具有较高的集成度。DSP具有更快的CPU,更大容量的存储器，内置有波特率发生器和FIFO缓冲器，提供高速、同步串口和标准异步串口。有的片内集成了A/D和采样/保持电路，可提供PWM输出。更为不同的是，DSP器件为精简指令器件，大多指令都能在一个周期内完成，并且通过并行处理技术，使一个指令周期内可完成多条指令。同时DSP采用改进的哈佛结构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存取程序和数据

40、。又配有内置高速硬件乘法器、多级流水线，使DSP器件具有高速的数据计算能力。而单片机为复杂指令系统计算(CISC)，多数指令要2-3个指令周期来完成。单片机采用冯.诺依曼结构，程序和数据在同一空间存取，同一时刻只能单独访问指令和数据、ALU只能做加法，乘法需要由软件来实现，因此占用较多的指令周期，也就是说速度比较慢。所以，结构上差异使DSP器件比准16位单片机单指令执行时间快8-10倍，完成一次乘法运算快16-30倍。DSP器件还提供了高度专业化的指令集，提供了FFT快速傅立叶变换和滤波器的运算。此外，DSP器件提供了JTAG 接口，具有更先进的开发手段，批量生产测试更方便4。 其次，基于DS

41、P芯片制造的电机控制器可以降低对传感器等外围器件的要求。通过复杂的算法达到同样的控制性能，降低成本，可靠性高，有利于专利技术的保密。现在各大DSP生产厂家都推出自己的内嵌式DSP电机控制专用集成电路。如占DSP市场份额45%的美国德州仪器公司，凭借自己的实力，推出了电机控制器专用DSP-TMS320C24x。新的TMS320C24x DSP采用TI公司TMS320C2xLP16位定点DSP核，并集成了一个电机事件管理器，后者的特点是可以最佳方式实现对电机的控制。该器件利用TI的可重用DSP核心技术，显示出TI的特殊能力一通过在单一芯片上集成一个DSP和混合信号外设件，制造出面向各种应用的DSP

42、方案。TMS320C24x作为第一个数字电机控制器的专用DSP系列，可支持用于电机控制的指令产生、控制算法处理、数据交流和系统监控等功能。集成的DSP核、最佳化电机控制器事件管理器和单片式A/D设计等诸多功能块加在一起，就可以提供一个单芯片式数字电机控制方案。系列中的TMS320LF2407包括一个30MIPSDSP核、两个事件管理器、32位的中央算术逻辑单元、多达16通道的IO位A/D转换器、64K的I/0空间和一个32K字的闪速存储器，它利用TMS320的定点DSP软件开发工具和JTAG仿真支持，可使电机控制领域的研发人员方便地调试控制器和脱机使用。第三，DSP运算速度快，控制策略中可以使

43、用先进实时算法，如自适应控制、状态预估等，大大提高控制系统的品质。而且DSP控制软件可用C语言或汇编语言编写或者二者嵌套使用。因此采用DSP芯片制造的电机控制器便于用户的调试和应用。最后，在越来越多场合，如电动汽车、纺织行业、水泵变频调速系统等，他们往往是规模比较大，时序、组合逻辑都很复杂的情况，这时如果同时运用DSP芯片和一些其它的可编程逻辑器件可以大大减小系统的体积、提高系统运算能力，实现复杂的实时控制。第 37 页 (共 41 页)无刷直流电动机的结构及原理3无刷直流电机的基本结构及原理3.1 什么是无刷直流电机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。无刷电机是指无电刷和换向器(或集电环)的电机，又称无换向器电机。早在上世纪诞生电机的时候，产生的实用性电机就是无刷形式，即交流鼠笼式异步电动机，这种电动机得到了广泛应用。但是，异步电动机有许多无法克服的缺陷，以致电机技术发展缓慢。本世纪中叶诞生了晶体管，因而采用晶体管换向电路代替电刷与换向器的直流无刷电机就应运而生了。这种新型无