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实验讲义

所属课程:电气传动综合实验

课程代码: EE400

面向专业:电气工程系

学院(系):电子信息与电气工程学院

实验室:电气工程实验中心

目录

1. 电气传动综合实验概述 ............................................................................................... ‐ 1 ‐

1.1. 课程基本信息 ........................................................................................................ ‐ 1 ‐

1.2. 课程性质和任务 .................................................................................................... ‐ 1 ‐

1.3. 实验平台简介 ........................................................................................................ ‐ 1 ‐

2. 电机控制理论 ............................................................................................................... ‐ 4 ‐

3. UPMPC 平台概述 .......................................................................................................... ‐ 5 ‐

3.1. UPMPC 电机控制和电源变换装置介绍 ............................................................... ‐ 5 ‐

3.1.1. 外观及接口 .................................................................................................... ‐ 5 ‐

3.1.2. 硬件规格 ........................................................................................................ ‐ 6 ‐

3.1.3. 系统开发环境 ................................................................................................ ‐ 6 ‐

3.1.4. UPMPC 功能框图 ........................................................................................... ‐ 7 ‐

3.2. UPMPC 平台操作说明 ........................................................................................... ‐ 9 ‐

3.2.1. UPMPC 平台电源板操作说明 ....................................................................... ‐ 9 ‐

3.2.2. UPMPC 平台控制板操作说明 ..................................................................... ‐ 10 ‐

4. 硬件电路介绍 ............................................................................................................. ‐ 12 ‐

4.1. 系统电路框图（SYS_BLOCK.SCH） .................................................................... ‐ 12 ‐

4.2. 功能电路介绍 ...................................................................................................... ‐ 13 ‐

4.2.1. PowerInAuxPower.sch ...................................................................................... ‐ 13 ‐

4.2.2. DC2DC.sch ........................................................................................................ ‐ 13 ‐

4.2.3. PFC.sch.............................................................................................................. ‐ 14 ‐

4.2.4. PFC_Protection.sch ........................................................................................... ‐ 15 ‐

4.2.5. dsPIC.sch ........................................................................................................... ‐ 16 ‐

4.2.6. IPM.sch ............................................................................................................. ‐ 18 ‐

4.2.7. Gain_Ctr.sch ..................................................................................................... ‐ 20 ‐

4.2.8. 相电流调理电路 .............................................................................................. ‐ 23 ‐

4.2.9. UART_COM.sch ................................................................................................ ‐ 24 ‐

5. 电动机控制系统实验 ................................................................................................. ‐ 25 ‐

5.1. 实验 1：基于霍尔位置传感器的 BLDC 电机控制 ............................................ ‐ 25 ‐

5.2. 实验 2：基于反电动势检测的无霍尔位置传感器 BLDC 电机的控制 ............. ‐ 27 ‐

5.3. 实验 3：基于霍尔位置传感器的 PMSM电机控制 .......................................... ‐ 29 ‐

5.4. 实验 4：基于光电编码器的 PMSM 电机控制 .................................................. ‐ 30 ‐

5.5. 实验 5：无位置传感器 PMSM 电机的 FOC 控制 .............................................. ‐ 31 ‐

5.6. 实验 6：基于 SVPWM 的 ACIM电动机的开环控制 ......................................... ‐ 32 ‐

5.7. 实验 7：基于光电编码器的 ACIM 电机的 FOC 控制 ....................................... ‐ 33 ‐

5.8. 实验 8：无位置传感器 ACIM电机的 FOC 控制 ............................................... ‐ 34 ‐

5.9. 实验 9：步进电机的控制 ................................................................................... ‐ 35 ‐

5.10. 实验 10：步进电机的微步控制 ..................................................................... ‐ 36 ‐

‐ 1 ‐

1. 电气传动综合实验概述

1.1. 课程基本信息

1. 课程代码： EE400

2. 课程名称（中/英文）：电气传动综合实验/Integrated Experiment of Electric Control。

3. 学时/学分：68/2。

4. 先修课程：EE314电机学、EE303电力电子技术基础、EE307电机控制技术、EI105程序设

计、EI212自动控制原理。

5. 面向专业：电气工程系。

6. 开课院（系）、实验室：电气工程实验中心。

7. 教材、教学参考书：《电气传动综合实验指导书》，上海交通大学电气工程与自动化实

验室自编。

1.2. 课程性质和任务

根据调查了解到，目前全国高校在电气控制方面都没有开设相应的比较系统的综合实验

课程。然而，作为电气工程专业的本科生，掌握全面的电机拖动控制技术是今后就业及科研

工作的重要基础。我们有必要使学生在学习期间全面了解该技术设计、开发、调试的过程及

方法。

电气传动综合实验内容主要包括电机拖动原理（交/直流、有/无传感器、保护/驱动）、

软硬件方案设计、PCB制版、系统调试等内容，其中涉及了微控制器的应用，电源变换、电

机拖动与控制原理的运用，电力电子器件的选取，电子电路设计，C语言程序设计，控制算

法设计等多个方面的知识。

1.3. 实验平台简介

“基于 PIC/dsPIC 的电动机控制和电源变换通用开发平台”就是基于 Microchip 公司

dsPIC30F4011芯片而开发的一款高性能电机控制实验开发平台，该平台是可供高校开设《电

机控制实验》课程的一款实验开发平台。本实验平台以高性能 16 位数字信号控制器

dsPIC30F4012为主控。该控制器是Microchip 公司为了缩小单片机同 DSP之间的性能差异，

使客户能方便地将单片机的功能转移到 DSP上，而推出的性价比介于 16位单片机、32 位单

片机及 DSP中低档机之间的 dsPIC芯片系列中的一款。考虑到 DSP和单片的内部区别，dsPIC

器件将高性能 16 位单片机的控制特点和 DSP高速运算的优点相结合，为嵌入式系统设计提

供了适合的，单芯片、单指令流的解决方案。它消除了目前类似设计中所需求的额外组成部

分，从而减小了印制板空间，也降低了系统成本 dsPIC30F 高性能单片要同系列可以应用于

非常广阔的范围。

dsPIC30F4012带有 2048字节的 SRAM，1024 字节的 EEPROM，5 个 16 位定时器/定时器，

‐ 2 ‐

4 路 16 位的输入捕捉，6 通道的 10 位 A/D，6 路的电机控制 PWM 通道，1 路 UART，1 路

SPI，1 路 I2C,1 路 CAN。

有关 CPU、外设、寄存器说明和一般器件功能的更多信息，请参见《dsPIC30F 系列参

考手册》（DS70046E_CN）。有关器件指令集和编程的更多信息，请参见《dsPIC30F/33F 程序

员参考手册》（DS70157B_CN）。

该平台具有以下特点：

电动机控制类

支持常见电动机的驱动

步进电动机 SM

直流有刷电动机 BDC

直流无刷电动机 BLDC

单相/三相感应电动机 ACIM

永磁同步电动机 PMSM

支持多种控制算法

基于位置传感器的速度、转矩、位置开环/闭环控制

基于电流/反电动势的无位置传感器闭环控制

磁场定向控制（FOC）

直接转矩控制（DSC）

满足大部分的功率需求

小于 2000W 的电动机含盖了超过 80℅的应用场合

支持宽范围额定电压的多种电动机

直流 12-400V、交流 50-265V 的工作电压范围攘括了大部分电动机

具有一定的灵活性

支持不同工作电压（3. 3/5V）的单片机

支持不同管脚数及封装形式的单片机

额定功率易于升级

保护功能完善

上电保护

输入过流/过压保护

输出过压过流保护

散热器过温保护

‐ 3 ‐

控制侧欠压保护

电源变换类

升压式直流变换

电流型

电压型

升压式功率因素校正

平均电流模式

DCM 模式

直流至交流变换

单相交流输出

三相交流输出

‐ 4 ‐

2. 电机控制理论

由于电机控制技术理论是大三学习的一门专业课程，控制理论部分可以参阅电机控制技

术课程的各种教材，这里就不再重复罗列了。

也可参阅Microchip 公司各类应用笔记：

AN857 轻松进行无刷直流电机控制

AN885 无刷直流(BLDC)电机基础

AN899 使用 PIC18FXX31控制无刷直流电机

AN901 dsPIC30F在无传感器 BLDC控制中的应用

AN957 使用 dsPIC30F2010控制带传感器的 BLDC电机

AN970 使用 PIC18F2431控制无传感器的 BLDC电机

AN1017 采用 dsPIC30F DSC进行 PMSM 的正弦控制

AN1083 使用反电动势滤波进行无传感器 BLDC控制

AN1160 用择多函数实现反电动势滤波的无传感器 BLDC 控制

‐ 5 ‐

3. UPMPC平台概述

3.1. UPMPC电机控制和电源变换装置介绍

3.1.1. 外观及接口

UPMPC平台外观及外部接口如图 3‐1。

图 3‐1 中所示的 UPMPC平台外观及外部接口说明如下。

1．外部电源输入，直流或交流电压输入。

2．机械式电位器，隔离式把柄。

3．调试编程口。

1

2

3

4

5 6

8

79

图表 3‐1 UPMPC平台外观及外部接口

‐ 6 ‐

4．电机转子位置传感器信号接口，霍尔信号或光编码器信号。

5．计算机串口通讯，隔离式。

6．RTDM 通讯接口，非隔离式。

7．三相电机接口。

8．散热铝基板，注意接地良好。

9．亚克力外壳，透明。

3.1.2. 硬件规格

硬件规格参数：

供电电压：AC 50‐265V，50/60HZ；DC 12‐400V

额定功率：2000KW

额定电流： 12A（有效值）

保护：

IPM过流、过温保护

IPM欠压保护

上电保护

直流输入侧过电流保护

直流母线侧的过电压保护

功率因素校正：2000KW

3.1.3. 系统开发环境

系统开发环境框图见图 3‐2。

系统开发环境框图简介：

UPMPC：基于 PIC/dsPIC 的电机控制和电源变换通用开发平台（PIC/dsPIC based

UPMPC

仿真器

/调试器

PC 机

（辅助工具+ MPLAB + C30 ）

RS232/USB

RS232

RJ45/ADAPTOR

电气隔离

交流输入

直流电源

（12‐400V）电机

图表 3‐2系统开发环境框图

‐ 7 ‐

Universal Platform for Motor control and Power Conversion）；

仿真器/调试器：MICROCHIP公司的 ICD2 在线调试器或 Real ICE等；

PC 机：调试仿真终端；PC机上应安装MPLAB IDE 8.14 以上版本，C30 3.0以上版本；

辅助工具：RTDM/DMCI：用于调试及观察电机运行状态；

电机：目标控制对象；

MPLAB IDE，C30 及 RTDM/DMCI 的使用方法不属于本笔记介绍的范畴。请查阅相关资料。

3.1.4. UPMPC功能框图

UPMPC功能框图见图 3‐3。

图 3‐4‐1：UPMPC 功能框图

注：图 3‐3 虚框内部分不属于目标板板上的功能。

功能框图说明

电流/电压检测及保护

电流、电压检测

提供电机侧、PFC侧的电流检测功能。

提供直流母线电压的检测功能

提供直流/交流输入电压的检测功能

电流/电压保护

上电时的冲击电流抑制。

智能功率模块自带的电流、电压保护。

PFC侧的过电流、直流母线过电压保护。

LED/Key

一个LED指示灯

一个按键

PIC/dsPIC

电流/电压检测

及保护

电机

IPM

LED/Key

调试端口

PFC 开关电源

反电动势检测

电源输入

通讯

辅助电路

电机电流检测

电机位置传感器

图表 3‐3UPMPC功能框图

‐ 8 ‐

PC机通讯

采用UART半双工方式，串口馈电，电气隔离，大比特率9600Bps。

通讯协议附件F

开关电源模块

宽输入电压：AC 50‐265V，50/60HZ；DC 12‐400V

输出：15V@150mA，3.3/5V@200mA

功率因数校正PFC

整流电路：交直流转换，直流极性变换，并提供交流电压过零信号

目标功率2000W@AC220V，PF大于98%，目标效率大于85%。

PWM载波频率为64KHz。

智能功率模块IPM

集成驱动与三相全桥逆变

保护：电机侧过电流，欠压，过温保护

电机侧电流检测

电机相电流采样与调理

电机总电流采样与调理

反电动势检测

电机相电压采样与调理

其它功能

电机位置传感器：霍尔，光电编码盘或其它

编程调试接口

‐ 9 ‐

3.2. UPMPC平台操作说明

3.2.1. UPMPC平台电源板操作说明

UPMPC平台电源板操作说明见图 3‐4。

图表 3‐4电源板操作说明

图 3‐4 中所示的电源板说明如下。

1．外部电源输入 JP6，直流或交流电压输入。

2．电源板与控制板的控制信号连接线缆。

3．控制信号连接线缆插座 JP5，注意连接线缆的连接紧密，不要松动。

4．电源板与控制板的电源连接线缆，注意极性。

5．电源板与控制板的电源连接线缆端子 JP1，JP2。

6．故障保护功能设定开关 J1，J2。

7．故障保护解除按键 S3。

8．电源指示灯 LED6。

9．故障保护状态指示灯 LED3，LED4，LED5。

1

2 4 5 3 768 9

‐ 10 ‐

3.2.2. UPMPC平台控制板操作说明

UPMPC平台控制板操作说明见图 3‐5。

图表 3‐5控制板操作说明

图 3‐5 中所示的控制板说明如下:

1．反馈信号接驳座 JP205，JP208，JP210。

2．功能键 S200。

3．指示灯 LED205。

4．旋转式电位器 VR1，VR2。

5．调试与编程口 J210。

6．电机转子位置传感器信号接口 J211，霍尔信号或光编码器信号。

7．计算机串口通讯 J204，隔离式。

8．RTDM 通讯接口 J203，非隔离式。

9．电流调理电路增益设定开关 J202，J205。

10．相电压调理电路衰减率设定开关 J200。

11．PIM 插座 JP206，JP207。

12．相电流取样电阻 R232，R233。

13．总电流取样电阻 R231。

14．三相电机接口 JP201，JP202，JP203。

15．相电压调理电路状态指示 LED200，LED201。

2

4

5

87

6

1

3

9

1011

12

13

14

15

16

19

17

18

‐ 11 ‐

16．电流调理电路状态指示 LED202，LED203，LED204。

17．主控制芯片 U207。

18．智能功率模块 U214。

19．系统复位键 S201。

‐ 12 ‐

4. 硬件电路介绍

4.1. 系统电路框图（SYS_BLOCK.SCH）

图表 4‐1系统电路框图

如图 4‐1 所示，UPMPC硬件主要由下面几个功能电路组成。

主控电路：基于Microchip 的 8 位 PIC或 16 位 dsPIC电机控制系列微控制器的单片机及

其附属电路。

人机接口电路: 提供通讯，按键及指示等功能。

反电动势调理电路：电动机相电压取样及调理电路。

三相全桥逆变电路：三相全桥逆变电路。

电源滤波电路：EMI/EMC电磁兼容调理电路。

辅助电源电路：提供控制电压及驱动电压。

功率因素校正电路：有源功率因数校正功能。

结构上，UPMPC 被分为两部分：控制部分（主控电路，人机接口电路，反电动势调理

电路，三相全桥逆变电路等）和电源部分（电源滤波电路，辅助电源电路，功率因素校正电

路等）。

‐ 13 ‐

4.2. 功能电路介绍

4.2.1. PowerInAuxPower.sch

X2 电容 C41，C23；Y2 电容 C43，C44， C27，C28与共模电感 L5 一起构成了 EMI滤波

电路。NTC 电阻 R114，PTC电阻 R7，以及常开型继电器 K1，Q7 一起构成了上电保护电路，

R114，R7 一起使用扩展了适用电压范围。K1 的额定电压为 12V，所以需要 R90，R91限流。

R60‐63，U11，U12，R94，组成了交流电压过零检测电路，为了使该电路输出更接近数

字化，此处选择了高电流传输比的光耦 EL817D；C58，C59用于滤除噪音。

快熔断型保险丝 F1，F2 用于保护后级电路；压敏电阻 R52与 F1，F2 一起构成了过压保护电

路。对直流输入而言，交流电压过零检测电路不再有效。交流电压过零检测电路的输出 TP11

与交流输入电压的时序见图 4‐2。

图表 4‐2电压过零信号时序

辅助电源为单路输出，大输出功率为 15V/250Ma，其核心是离线式开关电源芯片

U7(Viper22A)。Viper22A 显著的特点是宽输入电压范围(40‐400V)；D3,D4 提供两路电压选

择：DCDCOUT ( 50V )及 PFC_H ( > 50V )；C40，C45，L8 组成了∏型滤波器；初级侧，R64，

C46，D18 组成了 RCD 缓冲吸收电路，用于保护 U7 不被击穿；次级侧为单路 15V 输出，用

于控制继电器，功率开关管及智能功率模块；R99，R95 用于设定次级侧电压，并提供开关

电源小负载；C37，C39 用于平滑 15V输出，共模电感 L6 用于抑制共模噪音。

考虑到效率及散热，模拟及数字电路所需的工作电压（5V 或 3.3V）来自于 U13

（NCP3063）。相对于传统的线性稳压器 LDO 而言，基于 U13 的降压式 DC2DC开关电源具有

效率高，散热少等优点。U13 的输出，5V 或 3.3V，被分离为模拟和数字，有利于提高模拟

侧信号的质量。5V或 3.3V的设定来自于 R53。LED6 用于指示电源是否正常。

4.2.2. DC2DC.sch

本部分电路是专为该平台设计的，对于某一特定应用而言，此电路不具参考意义。为突

出重点。此处以框图说明来替代基于元器件的工作原理说明。

本部分电路的功能，如下图图 4‐3 所示的黑盒子。

‐ 14 ‐

图表 4‐3

其中，DCIN 来自插座 JP6，外部输入可以是交流或直流。

从黑盒子的角度来看，我们只关心输入及输出。

黑盒子的直流输入来自二极管 D5，电压范围是 9‐400V。

当直流输入电压大于 45V时，黑盒子输出电压为 0V；

当直流输入电压大于 9V且小于 45V时，黑盒子输出电压为 48V；

当直流输入电压小于 9V时，黑盒子输出电压为不定；

4.2.3. PFC.sch

R57，R58，R96，C60，用于取样极性调理后的交流电压，D14 用于钳位电压不超过 3.3V。

需要注意的是，采样后信号的参考点与系统的参考点不一样，所以需要通过以 U3（MCP6021）

为核心的差分电路将参考点统一到系统的参考点。

由于调理的对象是交流输入电压，所以此处对带宽的要求不是太高。

R4，C6，Q1，R2 组成了另一种形式的电压过零检测电路。可以通过选装 R5 或 R93 来

选择相应的电压过零信号。作为缺省，选装 R5。

L7，Q2，D2，组成了一个典型的升压式电路。C2‐C4 用于平滑电压输出。

作为 PFC电路的核心元件，PFC主电感 L7，功率开关管 Q2，升压二极管 D2，平滑电容

C2‐4 的选择至关重要。它们的参数设定及选型选择方法可参考 2.4 章节的相应内容；L9 的引

入是为了减小杂散电容的影响；

R73，R72，Q6，R74 通过将 5V/3.3V的驱动电平变换至 15V，提升驱动的可靠性。

MOSFET驱动芯片 U9（TC4421），具有宽电压（4. 5V‐18V），大电流（9A）开关速度快，

低延时（30ns）等特点，是驱动 PFC 功率开关管的理想器件。

R59 用于钳位驱动电流，R78 用于保证驱动的可靠性，同时抑制栅极的浪涌电压，并提

供放电回路，D9 则是有助于加快开关速度。

R84‐R86，D11，C13 组成一典型的 RCD 缓冲吸收电路，用于保护 Q2 不被浪涌电压击穿；

双管结构的升压二极管 D2可以显著改善 EMI特性，它同时具有软开关及恢复速度快等特点。

PFC的电流检测级调理是基于运算放大器U1（MCP6021）的差分放大电路。

由于调理对象是交流输入电流，当采用平均电流模式的PFC控制方法时，对带宽并无特

别的要求，大于5Khz即可符合应用需求。

UPMPC控制部分和电源部分的接口有JP5来完成。JP5的管脚定义如下表：

Pin Num Name Dir Description

1 DVdd OUTPUT Positive Power for digital section

2 VOL_CON1 INPUT 3.3/5V switch

‐ 15 ‐

3 AVdd OUTPUT Positive Power for analog section

4 VAC_VOL1 OUTPUT AC voltage

5 AGND OUTPUT Negative Power for analog

section

6 PFC_CUR1 OUTPUT PFC current

7 FLT_SYS1 OUTPUT Power Board fault signal

8 ZERO_CROSSING1 OUTPUT AC voltage zero crossing signal

9,11 DGND OUTPUT Negative Power for digital section

10 PFC_PWM1 INPUT PWM for PFC control signal

12 FLT_IPM1 INPUT Control board fault signal

13 +15V OUTPUT +15V

14 PTC_CTR1 INPUT Relayer control signal

图表 4‐4JP5管脚定义

4.2.4. PFC_Protection.sch

PFC侧的保护功能包括直流母线过电压，交流输入过电流保护；另外包括来自控制板侧

的IPM模块保护。当其中任意一种保护事件出现时，无须应用软件干预，能生成系统保护信

号，并禁止PFC功率开关管的工作。

该电路的核心是U10（PIC16F610）及其附属电路。这么做的原因是当应用软件处于调试

状态下，程序暂停时，但相应PFC驱动用PWM端口的状态是不定的，对功率板而言，这种不

定状态可能会带来不可恢复的损害：当PWM端口处于高电平时，相当于将输入电源与地直

接短接，导致功率开关管过电流而永久性损害。

直流母线过电压信号（低有效）来自比较器U4（MCP6541）及其附属电路R38，R39，

R47，R46，C24；R47用于提供滞洄电压，防止比较器在阈值附近频繁翻转；R46，C24组成

了简单的低通滤波器，用以消除噪音干扰。

直流母线电压的取样电路由R87‐R89，C57组成。

交流过电流信号（低有效）来自比较器U5（MCP6541）及其附属电路R40，R41，R49，

R48，C26；R49用于提供滞洄电压，防止比较器在阈值附近频繁翻转；R48，C26组成了简单

的低通滤波器，用以消除噪音干扰。

比较器U4，U5阈值由电压基准源U2（MAX6160）及其附属电路提供；U4的阈值为1.5V，

即当直流母线电压大于410V时，U4的输出翻转。U5的阈值为2.9V，即当交流输入电流峰值

大于25A 时，U5的输出翻转。

此处阈值的设定用电压基准源代替简单的电阻分压法的原因是本电路的供电电压有可

能是5V，也有可能是3.3V，但对保护而言，希望能在统一的阈值上输出保护信号。

LED1，LED2用于指示运行状态，当处于系统保护状态时，按键S3用于解除保护状态。J1，

J2用于设定哪种保护状态会产生系统永久保护，LED3，LED4，LED5用于指示设定状态，并指

示何种保护状态发生。详细内容可参考用户指南。注意，保护设定只在上电复位时起作用。

该部分电路的工作时序见图4‐5。

‐ 16 ‐

图表 4‐5 PWM及保护时序

当系统一切正常时，PFC_PWM1信号会透明地传输至 PFC_PWM1_OUT。

4.2.5. dsPIC.sch

该部分电路是整个UPMPC平台的核心。原始设计上，它是基于电机控制芯片

dsPIC30F4012的。但通过PIM（plug‐in‐module），该平台可以支持其它不同封装及不同工作

电压的电机控制系列PIC或dsPIC单片机。其管脚功能定义如下表：

Pin

No. Chip function I/O TYPE ACTIVE DEFAULT Board function

1 MCLR I L H MCLR

2 AN0/RB0 configurab

le

configurabl

e configurable configurable


le

configurabl



le

configurabl



le

configurabl



le

configurabl



le

configurabl


9 OSC1 OSC1 OSC1 OSC1 OSC1

10 OSC2 OSC2 OSC2 OSC2 OSC2

13,20 VDD VDD VDD VDD DVdd

8,19 VSS VSS VSS VSS DGND

11 U1ATX/RC13 O X H HOST_TX

12 U1ARX/RC14 I X H HOST_RX

‐ 17 ‐

14 OC2/RD1 O H L PFC_PWM

15 OC1/RD0 O H L PTC_CTR

16 FTLA/RE8 I L H FLT_SYS

17 PGD/RF3 I/O X X PGD

18 PGC/RF2 I X X PGC

21 PWM3H/RE5 O H H PWM3H

22 PWM3L/RE4 O H H PWM3L





27 AVSS AVSS AVSS AVSS AVdd

28 AVDD AVDD AVDD AVDD AGND

图表 4‐6U207管脚定义

R303，R308，R307，C264，S201组成单片机复位电路，当然如果程序中配置了内部复

位功能，该部分电路可以省略。

R296，R302，C263，S200组成按键电路，其功能完全由软件配置；需要注意的是该功

能键与由R216，LED205组成的指示电路共用一个单片机端口，软件制作上应特别注意。

R306，R230，C266组成了简单的电位器电路，该电位器的输出可以由软件定义为参考

速度，参考转矩或其它。当然，它必须要配置到单片机的模拟端口。R312，R2229，C265组

成了简单的电位器电路，该电位器的输出可以由软件定义为参考速度，参考转矩或其它。当

然，它也必须要配置到单片机的模拟端口。

UPMPC控制部分和电源部分的接口有JP9来完成。JP9的管脚定义可参考表4‐4。

从表4‐6可以看到，单片机U207的第二至第七管脚功能未被定义，这样做的原因是，从

电机控制的角度来看，依据不同的电机及其控制方法，所需的反馈信号的类型（电压，电流，

位置等）及特征（模拟，数字）多不尽相同。所以说是要将这些信号全部配置到一个较大管

脚资源的单片机上，还是通过一种简单的方法可以实现电机机算法到管脚功能的一一对应方

案，是值得权衡的一件事。

既然该平台只可以同时驱动一种电机，那么从灵活性上来讲，通过简单的配置（跳线）

来适应不同种类的电机及不同的控制算法应是一种不错的选择。显而易见，设计变得简洁了。

见图表4‐7

Signal Name Digital or

Analog?

Input or

Output?

Pin No. Possible Function

U_SHUNT Analog Input 2 Analog/RB

V_SHUNT Analog Input 3 Analog/RB

DCBUS_VOL Analog Input 4 Analog/RB

PFC_CUR Analog Input 5 Analog/RB/QEI

VAC_VOL Analog Input 6 Analog/RB/QEA

UVW_SHUNT Analog Input 7 Analog/RB/QEB

ZERO_CROSSING Digital Input

VR1 Analog Input

VR2 Analog Input

LED1/KEY Digital Input/Outpu

‐ 18 ‐

t

HALLA/QEI Digital Input

HALLB/QEA Digital Input

HALLC/QEB Digital Input

U_BEMF Analog Input

V_BEMF Analog Input

W_BEMF Analog Input

图表 4‐7模拟数字管脚配置表

图表4‐7中，VR1，VR2可转意为参考速度，参考转矩或其它物理量或电参量。

由上表可以看出，我们可以将任意一种电机控制算法所需的模拟或数字信号接驳到插座

JP210。对于某些特殊的要求，我们还可以通过PIM 来扩展所需信号的数量。

4.2.6. IPM.sch

该部分电路的核心是集成功率模块 IPM（FSBB20CH60F）及其附属电路。FSBB20CH60F

是一款耐压为 600V，额定电流为 20A 的三相全桥功率逆变模块；内部集成了六个功率开关

管（IGBT），续流二极管及MOSFET 驱动集成电路及相应保护电路。见图 4‐8。

‐ 19 ‐

图表 4‐8IPM内部框图

智能功率模块得主要特点如下：

开关频率：20KHZ

内置热敏电阻，可实现IPM过温保护功能

典型输出功率：1500W

控制侧单电源供电，简化了电源设计

提供过流、欠压保护功能

过流保护的阈值可设定

接口电路简单，支持3.3/5V控制电平输入

热阻小

一种封装支持不同的功率范围

‐ 20 ‐

详细信息可查阅数据手册。

R200‐R202用于抑制上桥臂的浪涌电压；R203，C242组成了一阶低通滤波电路，用于调

理保护电流信号。

此处采用电流取样电阻实现电动机相电流的检测，从三相电机控制的角度看，采集两相

电流便可知另外一相的电流，所以通过电阻R233，R232便可实现对电机三相电流的检测。

另外，本电路也支持单电阻R231来实现对电机三相电流的检测，同时R231提供IPM保护

电流的取样。

此处电阻的选择比较重要。电流取样电阻的考量指标主要有：额定功率，过载能力（电

流及持续时间），寄生电感，精度，温度系数，尺寸，额定功率VS环境温度等。

运算放大器U212（MCP6021），R234，R246构成了一个电压跟随器，用于提供一个二分

之一工作电压的偏置电压。

运算放大器U215（MCP6021），R244，R245，R252，R253，R259，R263构成一个带偏置

功能的差分放大电路，用于对电机相电流信号进行调理；考虑到来自电流取样电阻R233的

电压信号是双极性的，为保证电流信号不失真地通过差分放大电路，在电机的正向输入端叠

加了正向偏置，该偏置电压来自于基于U212的电压跟随器。该电路的要点是保证电路的对

称性，并提供足够的带宽。此处的带宽增益积大约为3Mhz。

基于U215的差分放大器的等效电路如图4‐9。

图表 4‐9差分放大器等效电路

基于运算放大器U216的差分放大电路的工作原理同上，此处略。

运算放大器U213（MCP6021），R235，R241，R236，R242，R237，R243构成一个无偏置

功能的差分放大电路，用于对电机总电流信号进行调理。

考虑到来自电流取样电阻R231的电压信号是单极性的，所以此处无需偏置电压，此处

的带宽增益积大约为3Mhz。

当IPM检测到故障（下桥臂+15V驱动电压欠压，总电流过流，模块过温）时，节点IPM_FLT

处有两毫秒的负脉冲；以保证主控制器有足够的时间来响应此故障信息。

两毫秒的时长由电容C243设定。

4.2.7. Gain_Ctr.sch

该部分电路主要是对电动机相电压调理电路的衰减率及相电流调理电路的增益进行

设定。相电压调理电路无位置传感器 BLDC电机控制越来越受到人们的重视。因为减小

了电机的体积；消除了因传感器信号被干扰而引起的误操作；可以在高温、低温、污浊空气

等不允许使用位置传感器的恶劣环境中工作，减少了电机的生产及维护成本。顾名思义，无

‐ 21 ‐

位置传感器 BLDC电机就是省略了位置传感器的 BLDC 电机。电气特性与传统的 BLDC电机相

同，差别在于：出于某些考虑，省略了位置传感器。为了保证换相的正确与换相点的准确，

必须要有其它方法来判断转子的位置。基于反电动势过零点的相电压检测方法是比较成熟且

易于实现的方法。基于反电动势过零检测的 BLDC 无传感器电机控制原理框图如图 4‐10。

电力电子开关逆变器

反电动势过零检测

控制器

ud

无刷直流电机

永磁同步电机本体

图表 4‐10电动势过零检测的 BLDC无传感器电机控制原理框图

反电动势是叠加在相电压中，所以必须要从相电压中分检出反电动势信号。如图 4‐11。

du

2V4V 6V

2VD4VD 6VD

ae

be

ce

1VD 3VD 5VD

1V 3V 5V

图表 4‐11反电动势检测电路

BLDC电机的控制通常采用二二通电方式。在电机运转过程中，对应未通电线圈（绕组）的

端电压为（以 a 相为例）：

Naa ueu

上式即为反电动势过零检测方程。其中，

)(2

1cb uuu N

反电动势示意图如下：

‐ 22 ‐

图表 4‐12反电动势

如不考虑电压偏置，上图中的mx点即为反电动势过零点，其中 x=1，2，3，4，5，6。

对于特定相而言，以a相为例，mx（x=3，6）所处的60°扇区即为反电动势过零检测区域。

详细内容可参考MICROCHIP应用笔记AN901。实际应用中，有两种反电动势取样及调理方

式：模拟式，数字式。此处采用的是模拟式。即直接从压缩机的三相绕组上通过取样电路取

样并调理后，送至ADC端口。由于三相绕组电压取样调理电路结构的对称性，我们只对其中

的R相进行介绍。相电压取样电路如图4‐13。

图表 4‐13相电压取样电路

注意电路参数的选择要满足量程的需要。针对不同的供电电压，电路参数需作相应的调

整。另外，应用时应注意相位延迟。相位延迟的设定应考虑以下因素：

功耗

PWM频率，

反电动势频率

图4‐13所示电路的电压转移函数为

12121

2

2)(

)(

CRfRjRR

R

inu

outu

相频函数为

‐ 23 ‐

21

1212

RR

fCRRarctg

如欲用ADC来分检反电动势信号，则低通滤波器的通带必须要大于15倍的电机控制用PWM

载波频率，以保证调速范围。

现在的问题是UPMPC所支持的输入电压范围比较宽，从12V至400V。一个固定衰减率的

相电压取样电路在保证400V输入时取样后信号的幅度时，那么在12V输入时的取样后信号的

幅度势必会很小，这样便不能保证反电动势过零点检测的精确度，甚至检测不到过零点。

所以我们希望，相电压取样电路衰减率不是固定的，它能随着输入电压自动调节衰减率，

保证在不同的输入电压条件下，取样后信号的电压幅度基本保持不变。即不同的输入电压，

反电动势过零点检测的精确度不受影响。见图4‐14。

图表 4‐14可调衰减率的相电压取样电路

4.2.8. 相电流调理电路

在实际的应用中，电动机的额定功率范围很宽，或者说电动机的额定电流范围很宽；对

于基于电动机侧电流检测的控制算法而言，电流取样调理电路的增益应可调节，以适应不同

额定电流的电机。所以我们在这对图4‐9所示的差分放大电路作一些改进，以适应增益可调

的要求。见图4‐15。

图表 4‐15可调增益的差分放大电路

衰减率及增益的调节可通过数字电位器来完成。

Microchip的数字电位器MCP41050/ MCP42050具有如下特点:

满量程电阻为50KΩ，8位的分辨率；

SPI接口，支持菊花链连接(dainsy‐chain)；

误差小于1LSB；

‐ 24 ‐

宽工作电压范围（2.7‐5.5V），低功耗。

其中，MCP41050是单路输出，，MCP41050是双路输出。

U204（MCP41050），U206（MCP42050）用于调节相电压取样电路的衰减率，D206，D207，

D208用于钳位相电压取样后信号的幅度；U202，U203，U205（MCP42050）用于调节电机电

流取样调理电路的增益比。

U217（PIC16F616）及其附属电路通过SPI接口将衰减率和增益传送至数字电位器组；

J200用于设定衰减率，见下表。

J200‐1 J200‐2

RC1 RC0 Phase Voltage

0 0 Vss

0 1 1/8 Vdd

1 0 1/4 Vdd

1 1 1/2 Vdd

图表 4‐16衰减率设定表

LED200，LED201用于指示设定及运行状态；

J202，J205用于设定电流调理电路增益比，见下表

J205‐1 J202‐2 J202‐1

RC5 RC4 RC3 Gain

0 0 0 0

0 0 1 6

0 1 0 12

0 1 1 24

1 0 0 48

1 0 1 80

1 1 0 80

1 1 1 80

图表 4‐17电流增益设定表

LED202‐LED204用于指示设定及运行状态。

另外，J211及其附属电路组成了霍尔传感器或光电编码器接口电路。

4.2.9. UART_COM.sch

本通讯电路采用了隔离式的串行通讯方式；为简化电源的设计，采用了串口馈电的方式；

在J204侧，标准串口的管脚DTR，RTS用于馈电，因而，该电路只能工作在半双工模式下，且

通讯速率被限制在9600bps以下。

该电路提供了另外一种高速率的串行通讯方式，通过J203，信号可被接驳至用户的通讯

板，这样用户可以选择隔离或非隔离的电气连接方式。

当J203的功能被激活后，J204的功能被自动禁止。

Microchip有配套的通讯调试板，支持隔离式的高比特率通讯接口。

‐ 25 ‐

5. 电动机控制系统实验

5.1. 实验 1：基于霍尔位置传感器的 BLDC电机控制

5.1.1. 实验目的

1) 掌握霍尔位置传感器；

2) 掌握 BLDC电机控制原理；

3) 熟悉 UMPMC实验平台。

5.1.2. 实验步骤

‐ 26 ‐

1) 将电源模块和控制模块以及 BLDC电机按下图 5‐1所示连接;

2) 将直流电源（24V）接到电源板的电源输入口 JP6;

3) 控制板上的速度调节电位器 VR1，VR2，预置到中间位置;

4) 利用附带的红色短路线，连接 VR1（JP208‐8）至 AN2/RB2（JP210‐3），LED1

（JP208‐10）至 AN0/RB0（JP210‐1），HALLA（JP205‐4）至 AN3/RB3（JP210‐4），

HALLB（JP205‐5）至 AN4/RB4（JP210‐5），HALLC（JP205‐6）至 AN5/RB6

（JP210‐6）;

5) 连接 ICD2，接通直流电源;

6) 打开MPLAB开发环境，打开工程文件，经编译，烧入，再运行;

7) 按键 S200（控制板上）为电动机启动/停止键;

8) 触发按键 S200，观测电机运行状态，调节 VR1 改变电机速度。

9) 用示波器观察电流电压波形。

5.1.3. 实验报告

1) 简述基于霍尔位置传感器的 BLDC电机控制原理；

2) 记录不同运行状态下电机的速度；

图表 5‐1

‐ 27 ‐

3) 记录电机起停及运行时电压电流波形。

5.1.4. 预习要求

1) 阅读本指导书；

2) 学习霍尔效应相关知识；

3) 学习 BLDC电机控制理论；

4) 学习 UPMPC平台使用方法；

5) 学习相关软件使用方法。

5.2. 实验 2：基于反电动势检测的无霍尔位置传感器 BLDC

电机的控制

5.2.1. 实验目的

1) 掌握反电动势相关原理；

2) 学习 BLDC电机控制原理。

5.2.2. 实验步骤

1）将直流电源（24V）接到电源板的电源输入口 JP6；

2）控制板上的速度调节电位器 VR1，预置到中间位置；

3）利用附带的红色短路线，连接 VR1（JP208‐8）至 AN2/RB2（JP210‐3），LED1

（JP208‐10）至 AN0/RB0（JP210‐1），U_BEMF（JP205‐1）至 AN3/RB3

（JP210‐4），V_BEMF（JP205‐2）至 AN4/RB4（JP210‐5），W_BEMF（JP205‐3）

至 AN5/RB6（JP210‐6）；

4）连接 ICD2，接通直流电源；

5）打开MPLAB开发环境，打开工程文件，经编译，烧入，再运行(ICD2 白色

线为 1 号脚，对应 reset)；

6）按键 S200（控制板上）为电动机启动/停止键；

7）触发按键 S200，观测电机运行状态，调节 VR1 改变电机速度。

8）用示波器观察电流电压波形。

‐ 28 ‐

开始

初始化ADC,PWM,Timer1,Timer3,UART2,Time

r5等

无限循环

等待S200按下

按键S200被按下？

电机停止

否

否

RampUpBEMF=1时电机启

动加速

是

Flags.RunMotor=1?

Flags.RampUpBEMF=1?

是

否

是

否

PWM中断

ADC采样滤波

检测到过零事件？

换向

是

退出中断

否

ADC中断

读取采样值并重建中性点

与中性点进行比较

退出中断

图表 5‐2

5.2.3. 实验报告

1）简述无传感器的 BLDC电机控制原理；

2）记录不同运行状态下电机的速度；

3）记录电机起停及运行时电压电流波形。

5.2.4. 预习要求

1）阅读本指导书；

2）学习反电动势相关知识；

3）学习 BLDC电机控制理论；

4）学习 UPMPC平台使用方法；

5）学习相关软件使用方法。

‐ 29 ‐

5.3. 实验 3：基于霍尔位置传感器的 PMSM电机控制

5.3.1. 实验目的

1) 掌握霍尔位置传感器原理；

2) 掌握 PMSM 电机控制原理。

5.3.2. 实验步骤

1) 将电源模块和控制模块以及 PMSM 电机按下图 5‐1 所示连接；

2) 将直流电源（24V）接到电源板的电源输入口 JP6；

3) 控制板上的速度调节电位器 VR1，VR2，预置到中间位置；

4) 利用附带的红色短路线，连接 VR1（JP208‐8）至 AN2/RB2（JP210‐3），LED1

（JP208‐10）至 AN0/RB0（JP210‐1），HALLA（JP205‐4）至 AN3/RB3（JP210‐4），

HALLB（JP205‐5）至 AN4/RB4（JP210‐5），HALLC（JP205‐6）至 AN5/RB6

（JP210‐6）；

5) 接通直流电源；

6) 打开工程文件，经编译，烧入，再运行；

7) 按键 S200（控制板上）为电动机启动/停止键；


5.3.3. 实验报告

1) 简述基于霍尔位置传感器的 PMSM 电机控制原理；



5.3.4. 预习要求

1) 学习霍尔原理；

2) 学习 PMSM 电机控制原理。

‐ 30 ‐

5.4. 实验 4：基于光电编码器的 PMSM电机控制

5.4.1. 实验目的

1) 掌握光电编码器原理；

2) 掌握 PSMS电机控制原理。

5.4.2. 实验步骤

1) 将电源模块和控制模块以及 PMSM 电机按下图 5‐1 所示连接；

2) 将直流电源（24V）接到电源板的交流电源输入口 JP6；

3）控制板上的速度调节电位器 VR1，VR2，预置到中间位置；

4）利用附带的红色短路线，连接 VR1（JP208‐8）至 AN2/RB2（JP210‐3），U_SHUNT

（JP208‐1）至 AN0/RB0（JP210‐1），V_SHUNT（JP208‐2）至 AN1/RB1（JP210‐2），

HALLA（JP208‐1）至 AN4/RB4（JP210‐5），HALLB（JP208‐2）至 AN5/RB5（JP210‐6），

HALLC（JP208‐3）至 AN5/RB5（JP210‐6）；

5）接通交流电源；

6）打开工程文件，经编译，烧入，再运行；


8）观测电机运行状态，调节 VR1 改变电机速度。

5.4.3.实验报告

1) 简述基于光电编码器的 PMSM 电机控制原理；



5.4.4.预习要求

1) 学习光电编码器原理；

2) 学习 PMSM 电机控制原理。

‐ 31 ‐

5.5. 实验 5：无位置传感器 PMSM电机的 FOC控制

5.5.1. 实验目的：

1）掌握 PMSM 电机控制原理；

2）掌握 FOC控制。

5.5.2. 实验步骤

1）将电源模块和控制模块以及 PMSM 电机按下图 5‐1 所示连接；

2) 将直流电源（24V）接到电源板的交流电源输入口 JP6；


4) 利用附带的红色短路线，连接 VR1（JP208‐8）至 AN2/RB2（JP210‐3），

U_SHUNT（JP208‐1）至 AN0/RB0（JP210‐1），V_SHUNT（JP208‐2）至 AN1/RB1

（JP210‐2），HALLA（JP208‐1）至 AN4/RB4（JP210‐5），U_SHUNT（JP208‐1）

至 AN5/RB5（JP210‐6），V_SHUNT（JP208‐2）至 AN5/RB5（JP210‐6）；

5) 接通直流电源；




5.5.3. 实验报告

1) 简述基于 FOC控制的 PMSM 电机控制原理；



5.5.4. 预习要求

1) 学习 PMSM 电机控制原理；

2) 学习 FOC控制原理。

‐ 32 ‐

5.6. 实验 6：基于 SVPWM的 ACIM电动机的开环控制

5.6.1. 实验目的：

1) 掌握 SCPWN；

2) 掌握 ACIM 电动机。

5.6.2. 实验步骤

1) 将电源模块和控制模块以及交流感应电机按下图 5‐1 所示连接；

2) 将经过隔离的交流电源接到电源板的交流电源输入口 JP6；


4) 利用附带的红色短路线，连接 VR1（JP208‐8）至 AN2/RB2（JP210‐3），VR2

（JP208‐9）至 AN3/RB3（JP210‐4），LED1（JP208‐10）至 AN0/RB0（JP210‐1），

DCBUS（JP208‐3）至 AN4/RB4（JP210‐5）。

5) 接通交流电源；



8) 触发按键 S200，观测电机运行状态，调节 VR1 改变电机速度；

9) 调节 VR2 改变压频比，观测电机运行状态。

5.6.3.实验报告

1) 简述基于 SVPWM 的 ACIM电机开环控制原理；



4) 记录负载发电机的电压电流及波形。

5.6.4.预习要求

1) 1.学习 SVPWM 原理；

2) 2.学习 ACIM电动机原理；

3) 3.复习开环控制相关知识。

‐ 33 ‐

5.7. 实验 7：基于光电编码器的 ACIM电机的 FOC控制

5.7.1. 实验目的：

1) 掌握光电编码器；

2) 掌握 ACIM 电机的 FOC控制。

5.7.2. 实验步骤


2）将经过隔离的交流电源接到电源板的交流电源输入口 JP6；


4）利用附带的红色短路线，连接 VR1（JP208‐8）至 AN2/RB2（JP210‐3），VR2


U_SHUNT（JP208‐1）至 AN4/RB4（JP210‐5），U_SHUNT（JP208‐2）至 AN5/RB5

（JP210‐6）；





5.7.3. 实验报告

1) 简述基于光电编码器的 ACIM 电机的 FOC控制原理；




5.7.4. 预习要求

1) 学习光电编码器原理；

2) 学习 ACIM 电动机原理。

‐ 34 ‐

5.8. 实验 8：无位置传感器 ACIM电机的 FOC控制

5.8.1. 实验目的：

1) 掌握 ACIM 电机的 FOC控制。

5.8.2. 实验步骤






DCBUS（JP208‐3）至 AN4/RB4（JP210‐5）；





5.8.3. 实验报告

1) 简述无位置传感器的 ACIM 电机的 FOC控制原理；




5.8.4. 预习要求

1) 学习 ACIM 电动机原理。

‐ 35 ‐

5.9. 实验 9：步进电机的控制

5.9.1. 实验目的：

1) 掌握步进电机原理及其控制方法；

5.9.2. 实验步骤










8) 触发按键 S200，观测电机运行状态，调节 VR1 改变电机速度；

9) 调节 VR2 改变调制度，观测电机运行状态。

5.9.3. 实验报告

1) 简述步进电机控制原理；



5.9.4. 预习要求

1) 学习步进电机原理及其控制方法。

‐ 36 ‐

5.10. 实验 10：步进电机的微步控制

5.10.1. 实验目的：

1) 掌握步进电机的微步控制原理。

5.10.2. 实验步骤

1）将电源模块和控制模块以及交流感应电机按下图 5‐1 所示连接；

2）将经过隔离的交流电源接到电源板的交流电源输入口 JP6；


4）利用附带的红色短路线，连接 VR1（JP208‐8）至 AN2/RB2（JP210‐3），VR2



5）接通交流电源；

6）打开工程文件，经编译，烧入，再运行；


8）触发按键 S200，观测电机运行状态，调节 VR1 改变电机速度；

9）调节 VR2 改变调制度，观测电机运行状态。

5.10.3.实验报告

1) 简述步进电机微步控制原理；



5.10.4.预习要求

1) 学习步进电机的微步控制原理及方法。

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