毕业设计（论文）-基于单片机的无刷直流电动机控制器设计.doc

毕业设计说明书基于单片机的无刷直流电动机控制器设计学生姓名： 学号： 学 院： 计算机与控制工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 指导教师： 2015 年 06 月中北大学2015届毕业设计说明书基于单片机的无刷直流电动机控制器摘要由于直流电动机具有线性的优秀机械特性、调速范围广泛、启动转矩较大、控制电路简单易设计等优点，因而直流电动机长期以来一直广泛地应用在各种驱动装置和动力伺服系统中。但是，直流电动机的机械电刷和换向器却阻碍了直流电动机的发展。机械电刷和换向器因为强迫性的接触，造成了电动机的内部结构复杂、可靠性差，而且变化的接触引发变化的电阻、火花、噪音等一系列问题，影响了直流电动机的调速精度和性能1。因此人们一直在寻找一种不通过电刷和换向器能完成启动的直流电动机。无刷直流电动机是一种用电子换向的直流电动机。它是通过控制半导体逆变器的通断来驱动直流电动机转动，构成没有换向器的的直流电动机。由于和普通直流电动机相比基本结构无太大变化，因而其保持了有刷直流电动优越的起动性能和调速性能2。除此之外，无刷直流电动机的最大的特点就是没有换向器和电刷组成的机械接触结构，因而延长了电机的使用寿命，而且调速方便，易于控制，运行平稳3。本次毕业设计就是以无刷直流电动机为设计对象，以无刷直流电动机控制系统为控制目标，以PWM为控制设计技术，采用单片机作为主控芯片，实现对无刷直流电动机的测量控制，主要测量方向为调速，主要控制方向为实现电动机的起动、制动、正/反转换向，加/减速。并对整个控制系统进行simulink仿真，实现在simulink中双闭环控制无刷直流电动机的调速。本次设计包含软件设计、仿真和硬件设计。硬件设计包括：调速控制设计、驱动电路设计、过流保护电路设计、短路保护电路设计和转速显示设计等部分；软件方面实现的功能有：电路复位模块设计、按键控制模块设计、功能模块设计、电动机判停模块设计和速度显示模块设计等部分。软件仿真主要实现对整个控制系统的理论验证，并得出最终设计要求的结果。本说明书介绍了无刷直流的功能硬件图、程序结构流程和simulink仿真模块功能图，介绍了利用单片机和控制芯片来控制无刷直流电动机速度、正反转的方法，介绍了simulink仿真电路模块，通过simulink实现速度电流双闭环控制无刷直流电动机的相关控制系统仿真。关键词： 无刷直流电动机，转速控制，单片机，simulink仿真The Design of Brushless DC Motor Controller Based on MCS.51 Singlechip AbstractDC motor has the advantages of excellent mechanical properties of linear, wide speed range, high starting torque, simple control circuit, has long been widely used in various driving device and servo system. However, DC motor brush and commutator has become barriers to its development.Mechanical brush and commutator due to the forced sexual contact, resulting in its complex structure, poor reliability, a series of problems and changes in the contact resistance, spark and noise, the impact of the DC motor speed regulation precision and performance.Therefore, it has long been looking for a DC motor without brush and commutator. With the rapid development of power electronic technology, power component technology and high performance magnetic material manufacturing technology, peoples desire to become reality, and that is brushless DC motor. Brushless DC motor is a kind of DC motor with electronic commutation. It is through the on-off control of semiconductor inverter to drive DC motor rotation, no commutator of the DC motor. As compared with the ordinary DC motor, the basic structure has no change, so the starting performance and speed regulation performance of the brush DC motor is . In addition, the biggest characteristic of Brushless DC motor is no commutator and brush is composed of a mechanical contact structure, so as to prolong the service life of the motor and convenient speed is easy to control, running smooth .This graduation design is to brushless DC motor as the design object, brushless DC motor control system as the control target, the PWM control technology to design, uses the monolithic integrated circuit as the main control chip to realize the no measurement and control of Brushless DC motor and the main direction of measurement for speed, mainly control the direction of the motors start, brake, forward / reverse direction and slow /. Simulink simulation of the whole control system is carried out, and the speed of the brushless DC motor in the Simulink is realized.The design contains software design, simulation and hardware design. Hardware design including: power supply design, speed control design, driving circuit design, the overcurrent protection circuit design, short-circuit protection circuit design, under voltage protection circuit design and speed display parts of the design; software to achieve the function, the reset circuit module design, according to the key control module design, function module design, motor sentenced to stop module design and the speed display module design and so on. The simulation of the software mainly realizes the theory verification of the whole control system, and draws the result of the final design.This manual introduces no brush DC features hardware diagram and program flow and structure of Simulink module function chart, describes the use of single-chip microcomputer and control chip to control the brushless DC motor speed, positive inversion method, introduced by Simulink realization speed current double closed loop control of the brushless DC motor control system simulation.Key words : Brushless DC motor singlechip of MCS51 speed control Simulink simulation 中北大学2015届毕业设计说明书目录1 无刷直流电动机的研究设计11.1 本设计的研究意义及发展状况 11.2 无刷直流电动机的原理介绍11.2.1 无刷直流电动机的组成11.2.2 无刷直流电动机的运行特性31.2.3 机械特性31.2.4 调节特性41.2.5 工作特性41.2.5 无刷直流电动机的运行原理51.2.6 霍尔传感器71.2.7 无刷直流电动机内部结构71.3 无刷直流电动机驱动81.3.1 无刷直流电动机驱动种类及连接方式81.3.2 无刷直流电动机的PWM控制方式111.4 无刷直流电动机的单片机控制131.4.1 无刷直流电动机实现控制方面132 无刷直流电机控制器的设计142.1无刷直流电动机控制器设计方案142.1.1 控制器设计方案思路142.1.2无刷直流电动机控制系统组成框图142.2 控制器的基本原理153 硬件电路方案设计173.1 电路模块说明174 无刷直流电动机驱动和simulink仿真254.1 simulink环境及相关仿真介绍254.2 无刷直流电动机仿真的相关模块介绍254.2.1 速度调节器PI模块的设计254.2.2电流调节器的设计284.2.3 逆变器电源模块294.2.4 IGBT全桥逆变模块304.2.5 pwm控制模块314.2.6 switch模块334.3 simulink仿真结果33结论35参考文献36致谢38附录A：39第II页 共II页中北大学2015届毕业设计说明书1. 无刷直流电动机的研究设计1.1 本设计的研究意义及发展状况 直流电动机具有良好的调速性能而在电力拖动中得到非常广泛的应用。而由于它具有由于它具有良好的调速特性、较简单的控制特性、较高的效率、优秀的动态特性，因此被广泛应用于各种伺服系统和驱动装置中4。但是，普通直流电动机采用了机械电刷和换向器，这极大的阻碍了电动机的发展。这是因为机械电刷和换向器的强迫性接触，而接触电阻处于变化状态、火花、噪音等一系列问题，致使它结构复杂、可靠性差。对直流电动机的调速精度和性能有了很大影响5。因此，长期以来人们一直致力于寻找一种不使用机械电刷和换向器的直流电动机。随着高性能的磁性材料制造技术、电力电子技术和功率元件技术的飞速发展，这一愿望被人们的努力成为了现实，那就是无刷直流电动机6。因此，无刷直流电动机具有以下几个优点：可以获得更好的扭矩转速特性、高速动态响应、高效率、长寿命、低噪声、高转速等等，基于这些无刷直流电动机的优点，无刷直流电动机在许多家用日常方面有重要作用，比如交通工具、家用电器、航空、消费电子、医学电子、工业自动化等装置和仪器。在不久的将来，无刷直流电动机随着微电子技术的发展会逐渐地占有原异步电动机变频调速的领域7。1.2 无刷直流电动机的原理介绍1.2.1 无刷直流电动机的组成无刷直流电动机是一种自控变频电子换相的小功率直流电动机，就其基本组成结构而言，可以认为无刷直流电动机是由电动机本体、电子开关电路和转子位置传感器这三部分组成的8。如图1.1可以看到无刷直流电机的基本组成：黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊图1.1 无刷直流电动机结构图（l）电机本体无刷直流电动机和普通电动机结构类似，只是是将普通直流电动机的定予与转子进行了互换。它的转子为永久磁铁，产生气隙磁通：定子则为电枢，由多相绕组组成。（2）转子位置传感器无刷直流电动机的一个很关键部件就是转子位置传感器。可以根据不同的原理构成不同的位置传感器，如电磁感应式、光电式、磁敏式等多种不同的结构形式。其中，电磁感应式工作可靠，维护简便，寿命长因而应用较多10。位置传感器决定着电枢各相绕组通电开始的时刻。其作用相当于一般直流电动机中的电刷。改变位置检测器产生信号的时刻(相位),相当于直流电动机中改变电刷在空间的位置，对无刷直流电动机的特性有很大的影响9。位置传感器一般由定子和转子两部分构成。其中转子是用来确定电动机本体磁极的位置，安放定子是为了检测和输出转子的位置信号。本次设计采用由霍尔元件和霍尔集成电路构成的霍尔元件式位置传感器11。霍尔元件式位置传感器在之后有详细说明。（3）电子换向电路电动机定子绕组通电的顺序和导通的时间是由无刷直流电动机的电子换相线路来控制完成的。电子换相电路主要由功率开关管和逻辑控制电路组成13。而其功率开关单元是电子换相电路的核心部分将电源的功率以一定的逻辑关系分配给无刷直流电动机定子的各项绕组是它的最主要功能，致使电动机产生持续不断的转矩。控制部分是通过位置检测得到的信号，根据需要转化成相应的脉冲信号去驱动功率开关管。1.2.2 无刷直流电动机的运行特性无刷直流电机的运行特性是指电机在起动、正常工作和调速等情况下，电机外部的一些可测物理量之间的关系。电动机是一种输入电功率、输出机械功率的原动机械12。因此，我们最关心的是它的转矩、转速，以及转矩和转速随输入电压、电流、负载变化而变化的规律。据此，电机的运行特性可分为起动特性、工作特性、机械特性和调速特性。以下简介无刷直流电机的机械特性、调节特性、工作特性15。1.2.3 机械特性无刷直流电动机的机械特性为： （1.1）UT.-开关器件的管压降Ia.-电枢电流Ce.-电机的电动势常数.-每级磁通量由公式1.1可知给定不同的电压等级将得到不同的转速，即实现了电机的调速。如1.2图所示曲线。图1.2 机械特性曲线由机械特性图，我们可以发现机械特性曲线会随着电压的增大而开始变得弯曲，弯曲的原因如下：当转矩较大、转速较低时，流过开关管和电枢绕组的电流很大，这时管压降随着电流增大而增加较快，使在电枢绕组上的电压有所减小，因而图所示的机械特性曲线会偏离直线，向下弯曲14。1.2.4 调节特性无刷直流电动机的调节特性如图1.3所示。图1.3 调节特性调节特性的初始电压和斜率分别为： （1.2） （1.3）由上图1.2、1.3可看出，无刷直流电机和传统直流电机相比，在机械特性和调节特性方面与有刷直流电机是相同的,而具有调速性能优越,无级调速的特点。但是因为永磁体的限定，不能实现励磁调速16。1.2.5 工作特性电枢电流与输出转矩的关系、效率输出转矩的关系如图1.4所示。图1.4 工作特性通过以上特性可以看出无刷直流电机具有一个重要特点，即负载转矩等于额定转矩时,此时的电机效率比较高高、励磁损耗也低。通过对这些特性的了解可以使我们对无刷直流电机的性能得以了解。1.2.5 无刷直流电动机的运行原理本次毕业设计的中心内容就是无刷直流电动机的相关测量和控制，因此需要首先了解和查阅的就是无刷直流电动机的相关具体知识。而无刷直流电动机的运行原理作为控制的最主要一方面，因此需首先对无刷直流电动机的运行原理有所了解。电动机内部结构分定子和转子两部分。定子是由定子铁心，电枢绕组及其引出线，传感元件及其引出线，定子支架，轴等部分组成。定子电枢铁心是由硅钢片冲片叠压而成的，由于电机径向尺寸大，轴向尺寸短，定子铁心一般做成多对极多个槽数，以满足大力矩、低转速的要求17。定子绕组的形式和多相的永磁同步电动机类似，它在实现能量转换过程中起着重要的作用。工作原理一般所说的直流电动机是指具有换向器和机械电刷的有刷直流电动机。在这种有刷电动机中定子侧安装固定主磁极和电刷，转子侧安放电枢绕组和换向器。直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组，产生电枢电流，电枢电流与主磁场相互作用产生转矩，带动负载19。位置传感器通常采用霍尔元件的位置传感器来实现。它可以完成由位置传感器将转子磁极的位置信号转换成电信号，然后去驱动功率器件来控制相应绕组电流的通、断。与有刷直流电动机不同，无刷直流电动机的永久磁钢磁极安放在转子上，而电枢绕组安装在定子上。图1.5 直流无刷电动机原理示意图三相定子绕组采用Y型连结，逆变器为两两通电方式，通电后能形成旋转磁动势，在这个磁动势的作用下，转子也会随之旋转，如果使开关管反复按上述规律导通，即可使转子持续旋转下去，且定子磁动势总是超前于转子磁极轴线角度6020度之间。其各相绕组导通示意图如图l.6所示。图1.6 各相绕组导通示意图由上述的分析可见，要使无刷直流电动机正确的换相运行，必须知道图1.6所示的六个转子关键位置，六个转子关键位置即对应着无刷直流电动机的反电动势的过零点后的360(电角度)处。本次设计应用霍尔位置传感器的无刷直流电动机，可以通过霍尔传感器来直接获得转子的六个转子关键位置的信息，完成通过功率元件换相的工作。1.2.6 霍尔传感器霍尔位置传感器嵌入到定子就是为了感知定子的位置。通常会安排3个霍尔位置传感器在转子的旋转路径周围。无论何时，只要转子的磁极掠过霍尔元件时，根据转子当前磁极的极性霍尔元件会输出相应的高或低电平，这样只要根据3个霍尔元件产生的电平的时序就可以判断当前转子的位置，并相应的对定子绕组进行通电。霍尔位置传感器的原理是霍尔效应。霍尔效应：如图1.7，当通电导体处于磁场中，由于磁场的作用力使得导体内的电荷会向导体的一侧聚集，当薄平板通电导体处于磁场中时这种效应更为明显，这样一侧聚集了电荷的导体会抵消磁场的这种影响，由于电荷在导体一侧的聚集，从而使得导体两侧产生电压差，这种现象称为霍尔效应，E.H霍尔在1879年发现了这一现象，故以此命名。图1.7霍尔效应原理图1.2.7 无刷直流电动机内部结构三相四极无刷直流电机内部结构的简化示意图如图1.8所示。图1.8 无刷直流电动机内部结构简化示意图我们以上图此来介绍无刷直流电动机内部的结构。一台无刷直流电动机由一个永磁转子与多极定子绕组组成的。而在永磁转子与定子绕组间存在内定子绕组所激发的磁场，它对永磁转子产生磁力矩。在简化的电机结构图1.8中，电气角一周就是机械角度一周。在实际的应用中，直流无刷电机有多组定子绕组，相互并行，转子也是多极的。如果有两组这样电路，机械转动一周电角度转动2周，所以双绕组电机中，每次电流交换经历的机械转动角度是30度。下面讨论均用电角度，应注意与机械角度区别。1.3 无刷直流电动机驱动1.3.1 无刷直流电动机驱动种类及连接方式全桥式驱动下的绕组分为星形连接和三角形连接。三相星形连结全桥驱动电路通电方式分为二二导通和三三导通。星形连接的二二导通方式是每次使两个开关管同时导通。黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊图1.9三相星形连结全桥驱动电路原理图星形连结的二二导通方式是每次使两个开关管同时导通。根据图1.9所示，开关管的导通顺序为V1V4,V4V3,V3V0,V0V5,V5V2,V2V1。可见一共有六种导通方式。每隔60夹角其中一个霍尔元件就会改变一次其输出特性，那么一圈（通电周期）下来就会有6次变化，同时相电流也会每60改变一次。但是，每完成一个通电周期并不会使转子转动一周,转子转动一周需要的通电周期数目和转子上的磁极的对数相关，转子有多少对磁极那么就需要多少个通电周期。如图1.9通过控制V0V5的通电状态即可改变电机绕组的电流流向，致使电动机连续不断旋转。在三相星形连接的无刷电动机中通电时序为AC,AB,CB,CA,BA,BC。星形连结的三三导通方式是指每次使得三个开关管同时导通。如图1.10，各个开关管导通顺序为V1V4V3,V4V3V0,V3V0V5,V0V5V2,V5V2V1,V2V1V4。由此可见，三三导通方式也有六种导通状态，同样也是每隔60度电角度改变一次导通状态，每改变一次状态更换一个开关管，但是每个开关管导通180度电角度，导通时间增长了。由于三相同时通电，产生的转矩分量互有抵消，所以总的转矩并不比二二导通方式的大。三相三角形连结全桥驱动电路如图1.10所示，与星形连结一样，三角形连结的控制方式也有二二导通和三三导通方式。 图1.10 三相三角形连结全桥驱动电路本次设计要求用二二连接的三项星型连接。绝大多数无刷直流电动机的气隙磁密度是呈梯形分布的。由于无刷直流电动机每相绕组的感应电动势与气隙磁密度成正比，所以感应电动势也是呈阶梯分布的。表1.1星形连结二二导通方式的正转通电规律通电顺序正转（逆时针）转子位置0 6060 120120180180240240300300360开关管序号1,44,33,00,55,22,1A相.+B相+.+C相+.根据表1.1所示的通电规律，三项无刷直流电动机全桥驱动星形连结二二导通方式理想的电流与感应电动势波形如图。如图1.11所示，从中可以看出反电势在60度的电角度过程中总有一次经过坐标轴(过零点)，而此点的电角度和下一次换向点的电角度正好相差30度，故可以通过检测反电势过零点，再延时30度换向。图1.11 电机运行时各相产生的反电势示意图1.3.2 无刷直流电动机的PWM控制方式用数字信号（由单片机产生）实现对模拟电路的控制。应用在许多领域中。PWM比模拟电路控制所具有的优点：高抗噪性，很大节约内存空间、经济性能高。在此技术之前常直接运用模拟电路控，模拟电路虽然设计方便，且设计成本低。故选择运用数字电路来实现本设计，PWM技术克服了以上技术问题，同时用数字方式来控制模拟信号降低了该系统的成本，改善了性能。PWM技术解决了电机调速的问题，利用这个技术便可以实现调速的目的，同时可以通过软件设计实现调速，操作方便。PWM技术的应用范围较广，比如：温度控制、电机调速等场所。PWM控制的原理是在驱动电路中，通过改变开关在一个通断周期内接通的时间，即改变一个周期内高电平的持续时间即占空比的大小，故而改变了平均电压，因此能够改变电动机的转速。如图1.12所示。黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊宿舍的啊宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊t1t2T图1.12 PWM占空比原理由图1.12可得得： （3.1） （3.2）Va -电机的平均速度；Vmax -电机在在整个通电过程中能够达到的最大速度；D -占空比；因此改变占空比时，电机平均速度Va也发生改变，即实现了调速的目的。由于占空。比的大小可以连续变化，故可以实现平滑调速，使调速的。范围变宽，其实上式3.2的关系式并不一定成立，只是比较接近这个关系，但是为了计。算方便，在普通的计算中，可以将其简。化成线性关系。本系统对无。刷直流电机的调速采用了PWM控制，通过对单。片机AT89C51进行编程，即可得到所。需要的PWM波形，同时占空比的大小可。任意改变，只需在编程时处理占空比。的大小即可，通过编程比较方便。产生PWM波形。与直流电动机的调速方法一样，通过调整PWM占空比的方法来调速，也是无刷直流电动机最常用的调速方法。对于三相星形连结二二导通方式的无刷直流电动机，其PWM控制方式有以下几种：（1） PWM_ON方式（2） ON_PWM方式（3） H_PWM.L_ON方式（4） L_PWM.H_ON方式（5） H_PWM.L_PWM方式这几种方式分别是在图1.5中各个开关管进行不同的PWM控制处理，以达到控制电压大小最终达到控制转速的目的。其中，从开关损耗和散热角度来看方式（5）每个开关管都不停共组，损耗最大。方式（1）（2）中的每个开关轮流导通、常开和关断，因此可以均匀地散热，因此更合理。通过换相过程中的转矩脉动角度来看，PWM_ON方式转矩脉动最小，因为PWM_ON方式的电流过度较好。1.4 无刷直流电动机的单片机控制1.4.1 无刷直流电动机实现控制方面无刷直流电动机主要实现一下几个方面的控制：（6） 转速控制：无刷直流电动机的转速控制原理与普通直流电动机一样，可以通过PWM方法来控制电枢的平均电压，实现转速的控制。利用PWM口的单片机，可以自动的输出PWM波，使控制变得非常容易。（7） 转向控制：只要盖帘换向的通电顺序就可以实现电动机的正转反转的控制。（8） 换相控制：根据位置传感器的信号进行有规律的换相，正确选择哪些相通电，哪些相断电。纯粹利用单片机编程来控制无刷直流电动机是一个比较复杂的过程，对一般的专业技术人员来讲，是件不但劳神而且费力的事情。而现在世界上许多的半导体生厂商都逐渐开发了各式各样的芯片来简化编程、提高控制效率和控制性能，还可以使单片机从繁重的电动机控制工作中解脱出来，实现其他工作的完成。 黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊黄德胜侯圣孟凡童谢超张锟郭凯郝英都是241宿舍的啊 2 无刷直流电机控制器的设计2.1无刷直流电动机控制器设计方案2.1.1 控制器设计方案思路前两章中，我们可以看到，直流无刷电机的速度控制方法体现了很多优势，它采用了数字调速的方法，结合了当今社会发展的要求，以前的直流电机调速多是模拟调速，这种方法有许多缺点，故已被取代。而现在采用超大规模集成电路的微型控制技术越来越成熟，单片机功能已发展的十分全面，组已完成控制任务；而现在已进入数字化时代，综合概括具有两种控制方案： （1）用专门的集成电路。优点：使用专门的集成电路使总电路得以简化，且具有高可靠性，同时减少了系统投资。缺点：不够灵活。 （2）用微处理器作为控制核心构成硬件系统。优点：应用范围广，编程灵活，容易控制。电机控制器是无刷直流电机的可靠性以及系统的效率的最关键部分，因此它应具有以下功能:对输入的各个信号进行逻辑处理 用于对电动机的速度调节为驱动电路提供各种控制信号 产生PWM脉宽调制信号考虑了两方案的优缺点以及以上功能的要求，方案二被采用。2.1.2无刷直流电动机控制系统组成框图 基于以上考虑,本设计系统框图设计如下，如图2.1所示：图2.1 电动机驱动控制框图2.2 控制器的基本原理系统组成部分：无刷直流电机、AT89C51单片机、换相驱动芯片(本次设计采用LM621)、4位数码管、矩阵键盘。各部分作用：AT89C51作为核心控制器，显示速度的大小及转子旋转方向的数码管，换向驱动芯片用于换相，选择矩阵键盘来实现输入，用来控制电机的启动、停止控制，速度的大小调整。同时为了实现精确的速度控制，本设计使用PWM技术进行调速。换相的设计：若用单片机来实现换相，单片机一方面需要不断地执行换相操作指令，另一方面还要监控并处理外部事件，例如：调整转速和转向，监控用户界面。这样使系统效率过低，故采用换相芯片LM621来完成换相。1.微控制器电机的旋转方向的要求，以及从转子位置的霍尔传感器传出的三个输出信号，将它们被处理成所需的驱动序列（驱动电平），然后用于驱动六个功率开关器件依次接通。脉宽调制信号产生的方法，是通过单片机AT89C51的内部时钟以及电机发来的电信号、制动信号、以及转速等模拟信号，经AD处理产生的。2.功率驱动单元功率驱动单元选择以IGBT绝缘栅双极晶体管组成的全桥逆变电路。3.位置传感器位置传感器选择霍尔位置传感器，用以反馈转子在各个时刻的信息。4.周边辅助、保护电路主要有电流采样电路、电压比较电路、过电流保护电路、调速信号和制动信号等输入电路。3 硬件电路方案设计硬件设计思路是先将各个功能模块的硬件电路设计出来，然后将各硬件部分连接在一块。本系统将整个硬件电路划分为这几个电路模块：电路复位模块设计、按键控制显示接口设计功能电路模块设计、电动机判停模块、单片机与显示数码管接口的设计逆变器与驱动电路接口设计限流保护电路的设计。系统的总硬件图如附录A所示。3.1 电路模块说明（1)电路复位模块，该模块可以实现电路上电复位和手动复位，其电路如图4.1所示。图3.1 电路复位模块电路（9） 按键控制模块，单片机的P0.0P0.5作为按键输入，以启动相应程序，并由LED灯显示按键状态，其电路如图4.2和4.3所示。图3.2 按键电路图图3.3 显示按键状态电路图“启动”按键S2接P0.0,0表示按下，灯DS0亮；“反转”按键S3接P0.1,0表示按下，灯DS1亮；“急停”按键S4接P0.2,0表示按下，灯DS2两；“加速”按键S5接P0.3,0表示按下，灯DS3亮；“减速”按键S6接P0.4，灯DS4亮；“停止”按键S7接P0.5，0表示按下，灯DS5亮。（10） 功能模块，其电路如图3.4所示。图3.4 功能模块电路单片机引脚P0.6、P0.7、P2.0P2.3通过双排8针插槽P2与电动机驱动器相应短暂链接，以控制电动机的状态并设定电动机的转速，实现预期的功能，LED灯显示驱动器端子输入状态。电路中设计了LED灯来显示驱动器端子等输入状态，如图3.5所示。图3.5 驱动器端子输入状态显示电路电路接线说明:P0.6通过P2插槽接电动机驱动器R/S端，输出1表示与COM端断开，电动机停转；输出0表示与COM端连接，电动机转动，此时灯DS6亮。P0.7通过P2插槽接电动机驱动器F/R端，输出1表示与COM端断开，电动机正转；输出0表示与COM端连接，电动机反转，此时灯DS7亮。P2.3通过P2插槽接电动机驱动器BRK端，输出1表示与COM端断开，电动机不急停；输出0表示与COM端连接，电动机急停，此时灯DS8亮。P2.0通过P2插槽接电动机驱动器CH1端。P2.1通过P2插槽接电动机驱动器CH2端。P2.2通过P2插槽接电动机驱动器CH3端。P2插槽通过双排插槽接电动机驱动器CH3端。、（4） 电动机判停模块，单片机引脚P2.4P2.6、P3.0P3.3与十进制计数器相连，电动机驱动器的SPEED端子作为计数器的CLK信号输入。单片机通过对计数器置数并检测进位引脚TC是否输出进位信号来判断SPEED端子是否输出脉冲，即电动机是否停转。若电动机停转，则SPEED端子不输出脉冲，计数器也无进位输出。其电路如图3.6所示。图3.6 电动机判停模块（5）逆变器与驱动电路接口设计图3.7所示的是逆变器与驱动电路接口电路设计。图3.7逆变器与驱动电路接口本系统设计采用了IGBT开关组成的三相桥式全控逆变电路。（5）限流保护电路如下图3.8所示的限流电路设计：图3.8 限流电路从上图3.8可知，主回路中的电动机的电流，最终经过电阻R接地。满足=R的关系。将反馈电压和数/模转换器的输出电压经过LM324运算放大器的两个输入端进行比较，当反馈电压时，则运算放大器输出低电平，运算放大器输出再经过非门电路变为高电平，并输入到LM621的引脚17，使输出关断，使直流无刷电动机定子绕组的所有电流通路截至，导致电动机电流快速下降，当电流下降，致使，则LM324运算放大器输出回到高电平，通过非门变为低电平，接LM621的17脚，LM621工作。限流保护电路的设置对整个系统有重要的意义，可使流过电路的电流限制在一定的范围，从而防止了系统因发生过电流时而烧坏电路的情况。除此之外因限流保护电路经电阻R接地，也提高了系统电路抗干扰的能力。整体效果图如下。图3.9整体效果图由于proteus中没有对于IGBT全桥逆变驱动电路的驱动芯片LM621，使得在proteus中仿真较为困难。因此，我选用了MATLAB中的simulink进行仿真设计。4 无刷直流电动机驱动和simulink仿真4.1 simulink环境及相关仿真介绍simulink仿真环境包括simulink仿真平台和simulink library browser系统仿真模型库两个主要部分。在simulink环境系统中，系统的函数、电路元件库等模型就用方块表示，方块之间的连接则表示了信号或电流流动方向。simulink系统对电路相关仿真具体形象，因此可以对无刷直流电动机的驱动电路、pwm控制和双闭环控制仿真。4.2 无刷直流电动机仿真的相关模块介绍4.2.1 速度调节器PI模块的设计1. 确定时间常数（1）电流环等效时间常数1/KI。查找相关资料可得，则（2）转速滤波时间常数，根据所用测量的发电机纹波情况，可取.（3）转速环小时间常数。可以按小时间常数近似处理，取2. 选择转速调节器结构按照设计要求，设计要求转速无静差，应该选用PI调节器，因此传递函数式为3. 计算转速调节器参数按跟随和抗扰性能都较好的原则，按典型型系统设计，并且取h=5，ASR的超前时间常数为：则转速环的开环放大系数是：K可得ASR的比例系数为：式中电动势常数：转速反馈系数：4.检验近似条件转速