无刷直流电机单片机控制系统设计.doc

学号： 常 州 大 学 毕业设计（论文）（2012届）题 目 无刷直流电机单片机控制系统设计 学 生 学 院 专业班级 校内指导教师 专业技术职务 二一二年六月无刷直流电机单片机控制系统设计摘要：无刷直流电动机采用半导体功率开关器件(晶体管、MOSFET、IGBT、IPM)，用霍尔元件、光敏元件等作位置传感器代替有刷直流电机的换向器和电刷部分，以电子换相代替机械换相，从而提高了可靠性。它的外特性和一台有刷直流电动机相似。论文讲述了无刷直流电动机的工作原理以及电动机驱动电路的驱动原理。本设计利用了单片机控制脉宽的改变来达到变速的目的，还通过控制接通电机三相的桥路的开通顺序和时间使得电机按我们预定的方向和速度运行。本论文设计并展示了无刷直流电机驱动器的外围硬件电路，包括功率硬件电路、键盘驱动电路等，并完成了系统应用软件的设计。经过实验验证，这种驱动方案能够长期稳定高效地驱动无刷直流电机运行。关键词：无刷直流电机、单片机、换相The design of the brushless DC motor controlled by Single-chip Abstract：Brushless dc motor uses semiconductor power switch device (the transistor, the MOSFET, IGBT, IPM), the hall element, photosensitive components ects for position sensor instead of a brush of dc motor commutator and replaces mechanical commutation with the brush part of the electronic commutation, so as to enhance the reliability. Its outside characteristics is similar to a dc motor wih brush.The working principle and motor driving circuit principle of the driver is mainly described in the paper. Using single chip microcomputer to controls the pulse width to achieve the purpose of variable speed, the motor can run in the right direction and the speed what we have determined through the control on the bridge of the three-phase motor road opening sequence and time. This paper is to design and demonstrate peripheral hardware circuit of the brushless DC motor drives, including power drive circuit, the keyboard driver circuit and so on, it also completed the design of the system application software. Experimental results show this drive scheme can drive BLDC long-time, stable and effectively.Keywords: BLDC ,SCM ,commutation目 录摘要I AbstractII目 录III1 绪论11.1 本文研究的意义及主要内容11.2 无刷直流电机及其控制技术的发展11.3 本文主要内容安排22 三相无刷直流电机系统结构及工作原理42.1电机的分类42.2 无刷直流电机特点42.3 无刷直流电机的组成52.4 基本工作原理62.5 无刷直流电机参数62.6 三相无刷电动机主电路及工作方式73 无刷直流电机的微机控制123.1 三相直流电机全桥驱动原理123.2 脉宽调制控制方式124 无刷直流电动机控制系统设计154.1 单片机和驱动芯片的选择154.2 单片机的特点154.3 LM621的特点174.4 起动电流的限制204.5 正反转的控制204.6 单片机控制LM621215 软件部分235.1 本系统程序组成及流程图236 调试记录26结束语27参考文献28致谢29附录一30附录二31III常州大学本科生毕业设计1 绪论1.1 本文研究的意义及主要内容无刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动机一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子上安装永久磁钢，电枢绕组一般采用多相形式，经逆变器接到直流电源，定子采用电子换向代替有刷电机的电刷和机械换向器，各相绕组逐次通电，在气隙中产生跳跃式的旋转磁场，与转子磁极主磁场相互作用，产生电磁转矩，使电动机连续运转无刷直流电机和其它电机相比具有高可靠性、高效率和优良的调速性能等诸多优越性，并且随着新型稀土永磁材料性能的提高与价格的下降，带来水磁无刷直流电机成本的降低，这种优越性将更加明显2。目前在工业先进的国家里，工业自动化领域中的有刷直流电动机已经逐步被无刷直流所取代。现在从国外进口的设各中，已经很少看到以有刷直流电动机作为执行电动机的系统，一些国家如美国、英国、日本、德国的相关公司经不再大量生产伺服驱动用的有刷直流电动机。无刷直流电动机是伴随着数字控制技术而产生和发展起来的，因此，采用以单片机为主的数字控制是无刷直流电动机的主要控制手段。无刷直流电动机主要完成以下几个方面的控制。换相控制：对于由位置传感器的系统，要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；对于无位置传感器系统，要根据感应电动势信号计算换相点，判断哪些相应该通电、哪些相应该断电。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。利用有PWM口的单片机，可以自动地输出PWM波，是控制变得非常容易。转向控制：只要改变换相的通电顺序就可以实现电动机的正、反转控制。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，相比之下，通过单片机控制芯片，不仅可以大大地简化编程、提高控制性能，还可以使单片机从繁重的电动机控制工作中解脱出来，转而完成其他工作3。由上面的分析可以看出，无刷直流电动机相对于其它类型电动机来说还是一种新型电动机，它的驱动、控制更是和电子技术息息相关。因此，对无刷直流电机本体及其控制方法进行系统、深入的研究有着十分重要的现实意义。1.2 无刷直流电机及其控制技术的发展一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活之中，电动机主要类型有同步电动机、异步电动机与直流电动机三种，其容量小到几瓦，大致上万千瓦。众所周知，直流电动机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，但传统的直流电动机均采用电刷，以机械方法进行换向，因而存在机械摩擦，由此带来了噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点，再加上制造成本高及维护困难等缺点，从而大大地限制了它的应用范围，致使目前工农业生产上，大多均采用三相异步电机。因此，在一些对电机性能较高的中小型应用场合，亟需新型高性能电机的出现。无刷直流电机是在有刷直流电机基础上发展起来的。1831年法拉第发现了电磁感应现象，从此奠定了现代电机的理论基础。19世纪40年代研制成功第一台直流电机，经过大约17年的时间，直流电机技术才趋于成熟。1915年，美国人Langnall发明了带控制栅极的汞弧整流器，制成了由直流变交流的逆变装置。针对传统直流电机的弊病，20世纪30年代，一些学者提出用离子装置实现电机的定子绕组按转子位置换接的所谓换向器电机，但此种电机由于可靠性差、效率低、整个装置笨重又复杂而无实用价值。其后，经过反复的试验和不断的实践，人们终于找到了用位置传感器和电子换相线路来代替有刷直流电机的机械换向装置，从而为直流电机的发展开辟了新的途径。在20世纪70年代初期，又试制成功了借助比霍尔元件的灵敏度高千倍左右的磁敏二极管实现换相的无刷直流电机。在试制各种类型的位置传感器的同时，人们试图寻求一种没有附加位置传感器结构的无刷直流电机4。近40年来，由于电机本体及其相关学科的迅猛发展，“无刷直流电机”的概念已由最初的具有电子换向的直流电机发展到泛指一切具有有刷直流电机外部特性的电子换向电机。刷直流电机的发展亦使得电机理论与大功率开关器件、模拟和数字专用集成电路、微处理技术、现代控制理论以及高性能材料的结合更加紧密。如今无刷直流电机集特种电机、变速机构、检测元件、控制软件与硬件于一体，形成为新一代电动伺服系统，且体觋着当今应用科学的许多最新成果，因此是机电一体化的高技术产物。目前，国内外无刷直流电机的一般控制技术已经比较成熟，我国已经制定了GJB1863无刷直流电机通用规范。国外发达国家对无刷直流电机的研究内容与中国大体相当，但美国和日本具有较先进的无刷直流电机制造与控制技术。当前的研究热点主要集中在以下三个方面：1、研究无位置传感器控制技术以提高系统可靠性，并进一步缩小电机尺寸与重量；2、从电机设计和控制方法等方面出发，研究无刷直流电机转矩波动抑制方法，从而提高其伺服精度，扩大其应用范围；3、设计可靠、小巧、通用性强的集成化无刷直流电机控制器，由于直流无刷电动机既具备交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点，又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点，故在当今国民经济各个领域，如医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺以及家用电器等方面的应用日益普及【2】。1.3 本文主要内容安排第一章简述了本文研究的历史背景和现代背景以及研究本课题的重要意义。第二章系统地阐述了电机的分类，无刷直流电机的组成和结构、基本工作原理，并给出了无刷直流电机工作主电路图。第三章展示了无刷直流电机的微机控制技术和系统主要控制方案。第四章是本论文的最主体部分，其中详细介绍了单片机和无刷直流电机驱动芯片的功能，并且涉及到了电机的正反转、调速等部分的设计，并给出了51系列单片机配合无刷直流电机专用芯片控制电机的完整电路图。第五章是本系统软件部分的设计，给出了各个主要部分的软件流程图。2 三相无刷直流电机系统结构及工作原理2.1电机的分类电机按工作电源种类可分为：1.直流电机：(1)有刷直流电机： 永磁直流电机：稀土永磁直流电动机； 铁氧体永磁直流电动机； 铝镍钴永磁直流电动机； 电磁直流电机： 串励直流电动机； 并励直流电动机； 他励直流电动机； 复励直流电动机；(2)无刷直流电机：稀土永磁无刷直流电机；2.交流电机：(1)单相电动机；(2)三相电动机。2.2 无刷直流电机特点电压种类多:直流供电交流高低电压均不受限制。容量范围大:标准品可达400Kw更大容量可以订制。低频转矩大:低速可以达到理论转矩输出启动转矩可以达到两倍或更高。高精度运转:不超过1 rpm.(不受电压变动或负载变动影响)。高效率:所有调速装置中效率最高比传统直流电机高出530%。调速范围:简易型/通用型(1:10)高精度型(1:100)伺服型。过载容量高:负载转矩变动在200%以内输出转速不变。体积弹性大:实际比异步电机尺寸小可以做成各种形状。可设计成外转子电机(定子旋转)。转速弹性大:可以几十转到十万转。制动特性良好可以选用四象限运转。可设计成全密闭型IP-54IP-65防爆型等均可。允许高频度快速启动电机不发烫。通用型产品安装尺寸与一般异步电机相同易于技术改造。2.3 无刷直流电机的组成直流无刷电动机的结构如图2.1所示。它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他起动装置。其定子绕组一般制成多相（三相、四相、无相不等），转子由永久磁钢按一定极对数（2p=2,4，）组成。图2.1 直流无刷电动机的结构原理图当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生的转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关电路，从而使定子各相绕组按一定顺序导通，定子相电流随转子位置转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换相作用。如图2.2所示。图2.2 无刷直流电动机基本结构图因此，所谓直流无刷电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”。其原理框图如图2.3所示。直流电源电动机开关电路位置传感器图2.3 直流无刷电动机的原理框图位置传感器在直流无刷电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。位置传感器种类较多，且各具特点。在直流无刷电动机中常见的位置传感器有以下几种：电磁式位置传感器、光电式位置传感器、磁敏式位置接近传感器【3】。2.4 基本工作原理众所周知，一般的永磁式直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要的作用是在电动机气隙中产生磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。由于电刷的换向作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩而驱动电动机不停地运转。直流无刷电动机为了实现无电刷换相，首先要求把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上，这与传统直流永磁电动机的结构刚好相反。但仅这样做还是不行的，因为用一般直流电源给定子上各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子转动。所以，直流无刷电动机除了由定子和转子组成电动机本体以外，还要由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同构成的换相装置，使得直流无刷电动机在运行过程中定子绕组所产生的的磁场和转动中的转子磁钢产生的永磁磁场，在空间始终保持在（/2）rad左右的电角度。2.5 无刷直流电机参数本系统采用的无刷电机参数额定功率：100W额定电压：24V（DC）额定转速：3000r/min额定转矩：0.23Nm最大转矩：0.46Nm定位转矩：0.01Nm额定电流：4.0A最大电流：8.0A极对数：4霍尔传感器位置呈60放置2.6 三相无刷电动机主电路及工作方式无刷直流电机有多相结构，每种电动机可分为半桥驱动和全桥驱动，全桥驱动又可分为星形联结和三角形联结以及不同的通电方式。因此，不同的选择会使电动机产生不同的性能和成本，这是每一个应用系统设计者都要考虑的问题。下面做一下对比。（1）绕组的利用率。与普通直流电机不同，无刷直流电动机的绕组是断续通电的。适当地提高绕组通电利用率可以使同时通电导体数增加，使电阻下降，提高效率。从这个角度来看，三相比四相好，四相比无相好，全桥比半桥好。（2）转矩的波动。无刷直流电动机的输出转矩波动比普通直流电动机的大，因此希望尽量减小转矩波动。一般相数越多，转矩的波动越小。全桥驱动比半桥驱动转矩的波动小。（3）电路的成本。相数越多，驱动电路所使用的开关管越多，成本越高。全桥驱动比半桥驱动所使用的开关管多一倍，因此成本要高。多相电动机的结构复杂，成本也高【9】。综合上述分析，本系统采用三相星形（Y）联结全控电路，如图2.4。图2.4 三相星形（Y）联结绕组三相全控桥式电路单片机输入控制信号到LM621的输入端，通过内部驱动之后控制信号被加载到功率MOSFET的栅极，通过控制信号驱动MOSFET的开关，这样只要单片机控制好各相输出的相位关系在转子转到合适的位置后进行换相，这样就能在单片机端口输出TTL电平的时候输出端将高压信号直接加载到无刷直流电机的相应相的绕组上。在三相逆变电路中，应用最多的是如图2.4所示的三相桥式全控逆变电路。在该电路中，电动机的三相绕组为星形（Y）联结。VF1、VF2、VF6为六只MOSFET功率管，起绕组的开关作用。他们的通电方式又可分为两两导通和三三导通两种方式。1.两两通电方式所谓两两导通方式是指每一瞬间有两个功率管导通，每隔1/ 6周期（60电角度）换相一次，每次换相一个功率管，每一功率管导通120电角度。各功率管的导通顺序是VF1VF2、VF2VF3、VF3VF4、VF4VF5、VF5VF6、VF6VF1、。当功率管VF1和VF2导通时，电流从VF1管流入A相绕组，再从C相绕组流出，经VF2管回到电源。如果认定流入绕组的电流所产生的转矩为正，那么从绕组流出所产生的转矩则为负，它们合成的转矩如图2.5（a）所示，其大小为Ta，方向在Ta和Tc的角平分线上。当电机转过60后，由VF1VF2通电换成VF2VF3通电。这时，电流从VF3流入B相绕组再从C相绕组流出，经VF2回到电源，此时合成的转矩如图2.5（b）所示，其大小同样为Ta。但合成转矩Tbc的方向转过了60电角度，而后每次换相一个功率管，合成转矩矢量方向就随着转过60电角度，但大小始终保持Ta不变。图2.5（c）示出了全部合成转矩的方向。图2.5 星形（Y）联结绕组两两通电时的合成转矩矢量图（a）VF1、VF2导通时合成转矩；（b）VF2、V F3导通时合成转矩；（c）两两通电时合成转矩矢量图所以，同样一台无刷直流电动机，每相绕组通过与三相半控电路同样的电流时，采用三相星形（Y）联结全控电路，在两两换相的情况下，其合成转矩增加了倍。每隔60电角度换向一次，每个功率管通电120，每个绕组通电240，其中正相通电和反相通电各120，其输出转矩波形如图2.6所示。由图2.6可以看出，三相全控时的转矩波动比三相半控时小得多。如将三只霍尔传感器按相位差120安装，则它们所产生的波形如图2.7（a）所示。其换相的控制电路可由一片74LS138型38译码器和74LS09、74LS38两片门电路构成，本系统采用无刷直流电动机专用集成芯片LM621控制，如图2.7（b）所示。图2.6 全控桥输出波形图 （a）(b)图2.7 全控桥两两通电电路原理示意图（a）传感器输出波形；（b）原理示意图2.三三通电方式所谓三三通电方式，是指每一瞬间均有三只功率管同时通电，每隔60换相一次，每个功率管通电180。它们的导通次序是VF1VF2VF3、VF2VF3VF4、VF3VF4VF5、VF4VF5VF6、VF5VF6VF1、VF6VF1VF2、VF1VF2VF3、。 当VF6VF1VF2导通时，电流从VF1流入A相绕组，经B相和C相绕组（这时B、C两相绕组为并联）分别从VF6和VF2流出。这时流过B相和C相绕组的电流分别为流过A相绕组的1/2，其合成转矩如图2.8（a）所示，其方向与A相相同，而大小为1.5Ta。经过60电角度后，换相到VF1VF2VF3通电，即先关断VF6而后导通VF3 （注意，一定要先关VF6而后通VF3，否则就会出现VF6和VF3同时通电，则电源被短路，这是绝对不允许的）。这时电流分别从VF1和VF3流入，经A相和B相绕组（相当于A相和B相并联）再流入C相绕组，经VF2流出，合成转矩如图2.8（b）所示，其方向与-C相同，转子再转过60电角度后大小仍为1.5Ta。再经过60电角度后，换相到VF2VF3VF4通电，而后依次类推，循环往复。它们的合成转矩矢量图如图2.8（c）所示。图2.8 三三通电时的合成转矩矢量图（a）VF6VF1VF2导通时合成转矩；（b）VF1VF2VF3导通时合成转矩；（c）三三通电时的合成转矩在这种通电方式里，每瞬间均有三个功率管通电。每隔60换相一次，每次有一个功率管换相，每个功率管导通180。从某一相上看，星形（Y）联结三三通电方式一相电压波形如图2.9所示。图2.9 星形（Y）联结三三通电方式一相电压波形此外，根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路，直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。它们各有特点，本系统使用电压型逆变电路，它有以下特点：（1）直流侧为电压源，或接有大电容，相当于电压源，直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。（2）由于直流电压源的钳位作用，交流侧电压波形为矩形波，并且与阻抗角无关，而交流侧电流波形和相位因负载阻抗角而异。（3）当交流侧为阻感性负载时需提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用，为了给交流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥给臂都并联反馈二极管【8】。电压型逆变电路主要用于两方面：笼式交流电动机变频调速系统。由于逆变电路只具有单方向传递电能的功能，故比较适用于稳态运行、无需频繁起制动和加、减速的场合。 不停电电源。该电源在逆变入端并接蓄电池，类似于电压源。3 无刷直流电机的微机控制3.1 三相直流电机全桥驱动原理全桥驱动电路电路图如下图3.1所示，电机的三相和全桥的连接如图所示，单片机输入控制信号到LM621的输入端，通过内部驱动之后控制信号被加载到功率MOSFET的栅极，通过控制信号驱动MOSFET的开关，这样只要单片机控制好各相输出的相位关系在转子转到合适的位置后进行换相，这样就能在单片机端口输出TTL电平的时候输出端将高压信号直接加载到无刷直流电机的相应相的绕组上。其实，全桥驱动器在一定程度上可以看成是全桥逆变电路，将输入的直流电压直接逆变成交流三相电压输出。图3.1 三相直流电机全桥驱动电路图中的六个二极管为泄流二极管，因为电机为感性负载，所以在电压突变时会产生一个很大的感应电流，这些二极管就是用来泄放感应出来的大电流，从而保护电机线圈，大大的延长了电机的使用寿命。3.2 脉宽调制控制方式PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。直到进入上世纪80年代,随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。随着电力电子技术，微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论，非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。脉宽调制（PWM）是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量。PWM具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。模拟电路控制有以下缺陷：模拟电路容易随时间漂移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而在用了PWM技术后，避免了以上缺陷，实现了用数字方式来控制模拟信号，可以大幅度降低成本和功耗。PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，比如：电机调速、温度控制、压力控制等等。在PWM调速系统中，一般可以采用定宽调频、调宽调频、定频调宽3种方法改变控制脉冲的占空比，但是前两种方法在调速时改变了控制脉宽的周期，从而引起控制脉冲频率的改变，当该频率与系统的固有频率接近时将会引起振荡。为避免之，设计采用定频调宽改变占空比的方法来调节直流电动机电枢两端电压【4】。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。采用PWM技术构成的无级调速系统，启停时对直流系统无冲击，并且具有启动功耗小、运行稳定的优点。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如图3.2所示。图3.2 PWM占空比原理为了说明问题，现假定电机始终接通电源时，电机转速最大为Vmax，占空比为D= t/T，则电机的平均速度为Vd=Vmax*D，其中Va指的是电机的平均速度；Vmax 是指电机在全通电时的最大速度；D = t1 / T是指占空比。由上面的公式可见，当我们改变占空比D= t/T时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。严格来说，平均速度Vd 与占空比D并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。PWM控制的基本原理很早就已经提出,但是受电力电子器件发展水平的制约,在上世纪80年代以前一直未能实现.直到进入上世纪80年代,随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展,PWM控制技术才真正得到应用.随着电力电子技术,微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法,如现代控制理论,非线性系统控制思想的应用,PWM控制技术获得了空前的发展.到目前为止,已出现了多种PWM控制技术,根据PWM控制技术的特点,到目前为止主要有以下8类方法： 1. 相电压控制PWM： （1）等脉宽PWM法； （2）随机PWM； （3）SPWM法： 等面积法； 硬件调制法； 软件生成法： 自然采样法； 规则采样法； 低次谐波消去法； （4）梯形波与三角波比较法； 2. 线电压控制PWM： （1）马鞍形波与三角波比较法； （2）单元脉宽调制法； 3. 电流控制PWM： （1）滞环比较法； （2）三角波比较法； （3）预测电流控制法； 4. 空间电压矢量控制PWM； 5. 矢量控制PWM； 6. 直接转矩控制PWM； 7. 非线性控制PWM； 8. 谐振软开关PWM。4 无刷直流电动机控制系统设计4.1 单片机和驱动芯片的选择在单片机的选择上，我们首先考虑的是稳定性。在稳定性满足的前提下要能够最大程度地节约整个系统的成本。在综合各方面的考虑后，我们最终选择了台湾宏晶公司的STC89C52RC单片机，这款单片机在内部集成了RC振荡器，上电复位等一系列电路，使用非常方便，而且在烧写程序方面只要VCC、RXD、TXD、GND四个端口，使用PL2303进行电平转换即可方便写入。在程序方面，该单片机为51内核，所以可以使用C51对其进行编程，该款单片机使用调试方便，性能稳定，价格低廉。所以我们最终选择了这款单片机作为系统的主控制器。如果采用软件换相，单片机要不断地执行换相操作，才能使电动机转动下去，同时还要监控用户界面，控制转速和转向操作，因此负担很重，故本系统中采用专用集成电路芯片LM621来完成换相工作。4.2 单片机的特点51系列单片机优点之一是它从内部的硬件到软件有一套完整的按位操作系统，称作位处理器，或布尔处理器。它的处理对象不是字或字节而是位。它不光能对片内某些特殊功能寄存器的某位进行处理，如传送、置位、清零、测试等，还能进行位的逻辑运算，其功能十分完备，使用起来得心应手。虽然其他种类的单片机也具有位处理功能，但能进行位逻辑运算的实属少见。51系列在片内RAM区间还特别开辟了一个双重功能的地址区间，十六个字节，单元地址20H2FH，它既可作字节处理，也可作位处理(作位处理时，合128个位，相应位地址为OOH7FH)，使用极为灵活。这一功能无疑给使用者提供了极大的方便，因为一个较复杂的程序在运行过程中会遇到很多分支，因而需建立很多标志位，在运行过程中，需要对有关的标志位进行置位、清零或检测，以确定程序的运行方向。而实施这一处理(包括前面所有的位功能)，只需用一条位操作指令即可【8】。51系列的另一个优点是乘法和除法指令，这给编程也带来了便利。八位除以八位的除法指令，商为八位，精度嫌不够，用得不多。而八位乘八位的乘法指令，其积为十六位，精度还是能满足要求的，用的较多。作乘法时，只需一条指令就行了，即Mul AB(两个乘数分别在累加器A和寄存器B中。积的低位字节在累加器A中，高位字节在寄存器B中)。很多的八位单片机都不具备乘法功能，作乘法时还得编上一段子程序调用，十分不便。在51系列中，还有一条二进制一十进制调整指令DA，能将二进制变为BCD码，这对于十进制的计量十分方便。而在其他的单片机中，则也需调用专用的子程序才行。AT89C51引脚图如图4.1所示。图4.1 AT89C51单片机引脚图RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。/PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。/EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行【9】。AT89C51提供以下标准功能：4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。在闲置模式下，CPU停止工作，但RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。片内资源：8位CPU4kbytes 程序存储器(ROM) (52为8K)； 256bytes的数据存储器(RAM) （52有384bytes的RAM）； 32条I/O口线111条指令，大部分为单字节指令 ；21个专用寄存器 ；2个可编程定时/计数器5个中断源，2个优先级（52有6个）；一个全双工串行通信口； 外部数据存储器寻址空间为64kB ；外部程序存储器寻址空间为64kB ；逻辑操作位寻址功能双列直插40PinDIP封装；单一+5V电源供电 ；CPU：由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器；RAM：用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据；ROM：用以存放程序、一些原始数据和表格； I/O口：四个8位并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出； T/C：两个定时/记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式； 五个中断源的中断控制系统； 一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行通信；片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接。最高振荡频率为12M。4.3 LM621的特点LM621是TI公司的无刷直流电机专用驱动芯片，该芯片工作稳定可靠，性价比高，与单片机连接使用方便，抗干扰能力强，电压范围广，是大功率无刷直流电机驱动的合适选择。LM621是MOS、IGBT功率器件专用栅极驱动芯片，通过自举电路工作原理，使其既能驱动桥式电路中低压侧的功率器件，又能驱动高压侧的功率元件，因而在电机控制、伺服驱动、UPS电源等方面得到广泛应用。这些器件集成了特有的负电压免疫电路，提高了系统耐用性和可靠性，有些器件不仅有过流、过温检测输入等功能，还具有欠压锁定保护、集成死区时间保护、击穿保护、关断输入、错误诊断输出等功能。LM621可用来驱动工作在母电压不高于600V的电路中的功率MOS门器件，其可输出的最大正向峰值驱动电流为250mA，而反向峰值驱动电流为500mA。它内部设计有过流、过压及欠压保护、封锁和指示网络，使用户可方便的用来保护被驱动的MOS门功率管，加之内部自举技术的巧妙运用使其可用于高压系统，它还可对同一桥臂上下2个功率器件的门极驱动信导产生2s互锁延时时间。它自身工作和电源电压的范围较宽(320V)，在它的内部还设计有与被驱动的功率器件所通过的电流成线性关系的电流放大器，电路设计还保证了内部的3个通道的高压侧驱动器和低压侧驱动器可单独使用，亦可只用其内部的3个低压侧驱动器，并且输入信号与TTL及COMS电平兼容。其引脚图如图4.2所示。图4.2 LM621引脚图管脚功能定义： 引脚1（Vcc1）：第一电源，为逻辑电路和时钟电路供电，+5V。 引脚2（DIRECTION)：转向控制端。由于所施加的逻辑电平决定电机转向。 引脚3（DEAD-TIME ENABLE)：死区时间使能端。控制死区功能，高电平有效。 引脚4（CLOCK TIMING)：震荡时钟输入端。该端外接定时电容和电阻至地，设定时钟振荡周期，决定死区时间。 引脚5、6、7（HS1、HS2、HS3）：霍尔位置传感器输入端。对于三相电动机，有3个位置传感器信号可直接与H1、H2、H3端点相连。 引脚8（30/60SELECT)：30/60选择端。三相电动机传感器空间间距30时，该端施加高电平；60时，施加零电平。 引脚9（LOGIC GROUND)：逻辑地。 引脚10（POWER GROUND)：功率地。 引脚11、12、13（CURRENT SOURCE OUT)：下桥臂驱动输出端。 引脚14、15、16（CURRENT SINK OUT)：上桥臂驱动输出端。 引脚17（OUTPUT INHIBIT)：输出禁止端。对该引脚施加高电平时，输出被关闭。 引脚18（MOTOR SUPPLY VOLTAGE)：Vcc2（+540V）端，第二电源，为驱动电路供电。表4.1列出了它的换相译码器真值表。表4.1 LM621换相译码器真值表对于转子为两对磁极的三相电动机，表中的30和60指的是三个霍尔传感器的空间间距，他们分别对应电角度60和120。它的内部集成有1个电流比较器CURRENT COMPARATOR，1个电流放大器CURRENT AMP，1个自身工作电源欠压检测器UNDERVOLTAGE DETECTOR，1个故障处理单元FAULT LOGIC及1个清除封锁逻辑单元CLEAR LOGIC。除上述外，它内部还集成有3个输入信号处理器INPUT SIGNAL GEN-ERATOR两个脉冲处理和电平移位器PULSE GENERATOR LEVEL SHIFTER，3个上桥臂侧功率管驱动信号锁存器LATCH，3个上桥臂侧功率管驱动信号与欠压检测器，U. V DETECTOR及6个低输出阻抗MOS功率管驱动器DRIVER和1个或门电路。正常工作时，输入的6路驱动信号经输入信号处理器处理后变为6路输出脉冲，驱动下桥臂功率管的信号L1L3经输出驱动器功放后，直接送往被驱动功率器件。而驱动上桥臂功率管的信号H1H3 先经集成于LM621内部的3个脉冲处理器和电平移位器中的自举电路进行电位变换， 变为3路电位悬浮的驱动脉冲，再经对应的3路输出锁存器锁存并经严格的驱动脉冲与否检验之后，送到输出驱动器进行功放后才加到被驱动的功率管。一旦外电流发生过流或直通，即电流检测单元送来的信号高于0.5V时，则LM621内部的电流比较器迅速翻转，促使故障逻辑处理单元输出低电平，一则封锁3路输入脉冲信号处理器的输出，使LM621的输出全为低电平，保护功率管；另一方面，同时LM621的FAULT脚给出故障指示。同样若发生LM621的工作电源欠压，则欠压检测器迅速翻转，也会进行类似动作。发生故障后，LM621内的故障逻辑处理单元的输出将保持故障闭锁状态。直到故障清除后，在信号输入端LIN1LIN3同时被输入高电平，才可以解除故障闭锁状态【3】。当LM621驱动上桥臂功率管的自举电源工作电压不足时，则该路的驱动信号检测器迅速动作，封锁该路的输出，避免功率器件因驱动信号不足而损坏。当逆变器同一桥臂上2个功率器件的输入信号同时为高电平，则LM621输出的2路门极驱动信号全为低电平，从而可靠地避免桥臂直通现象发生。4.4 起动电流的限制图4.3 限流电路由图4.3可知，主电路中通过电动机的电流最终是经过电阻接地。因此，Uf=RIM，其大小正比于电动机的电流Im。而Uf同数/模转换器的输出电压U0分别送到LM324运算放大器的两个输入端，一旦反馈电压Uf大于来自数/模转换器的给定信号U0,则LM324运算放大器输出为低电平，是的主电路中三只功率管VF4、VF6和VF2无法导通，迫使电动机电流下降，一旦电流下降到使Uf小于U0，则LM324运算放大器的输出回到高电平。主电路的VF4、VF6和VF2又具备导通的能力，其具体通电的次序仍由P1口控制。于是起到了限制电流的作用。4.5 正反转的控制在一般直流电动机运行过程中，只要改变磁场方向或改变电枢电压的极性，均可改变其转向。但这些方法在直流无刷电动机中行不通。因为直流无刷电动机的磁通量由永久磁钢产生，无法改变方向。由于半导体的单向导电性，电源电压反接很不方便，因此在这种情况下，一般都通过控制定子绕组的换相次序来改变其转动方向。具体做法只需要更换一下换向控制表，就可使电动机反向，非常方便【10】。4.6 单片机控制LM621图4.4示出了采用80C51单片机控制LM621专用集成电路，LM621通过外接PNP和NPN功率晶体管组成全桥驱动电路。图4.4 单片机控制LM621接线图引脚8接高电平，表示用30间距角，两两导通方式的换相逻辑。引脚3也接高电平，表示使用死区功能，死区时间设计为4.8s。电路设有过电流保护功能，当电流在电阻R上的压降等于给定电压U0时，比较器输出低电平，使或门输出高电平，LM621封锁输出，起到保护作用。PCB图见附录一。C8051单片机将PWM功能通过P0.0输出，经74LS32或门送入LM621的引脚17，以此来调节直流无刷电机的转速。由于LM621的引脚17为高电平时使输出关闭，故这时的PWM调速为低电平波形越宽，电动机的转速越高。另外，通过引脚P1.0来控制电动机的转向。由于大部分控制功能由LM621来完成，所以单片机有充足的时间去实现其他各种功能。硬件原理图如图4.5所示。图4.5 本系统硬件原理图5 软件部分5.1 本系统程序组成及流程图本系统程序主要由以下部分组成： 主程序中断服务子程序 键盘扫描子程序 启动子程序 停机子程序 正反转子程序 PWM输出子程序 延时子程序其中启动