无刷直流电机控制系统控制器设计.doc

郑州航空工业管理学院毕 业 论 文（设 计） 2014 届 电气工程及其自动化s 专业 1206972 班级 题 目 无刷直流电机控制系统控制器设计 姓 名 陈垒刚 学号 120697201 指导教师 崔建锋 职称 副教授 二一 四 年 五 月 六 日 . 摘 要 无刷直流电动机控制系统设计主要包括控制器、功率变换器和软件设计。本人的设计主要是进行控制器的设计，本设计主要是介绍了直流电动机的发展概况、组成结构、工作原理、控制方式以及单片机89C51的在系统中的应用。本人设计的控制器主要是由89C51的单片机将位置检测电路、换相逻辑电路、键盘接口回路连接到一起。当无刷直流电动机在转动时，位置传感器根据转子当前的转动位置，发出相应的的信号13，然后再由单片机输出的调制信号1（P0.6）和89C51输出的信号(P0.0P0.5)逻辑组合变换后得到控制6个功率管的触发信号（1116），通过改变脉冲信号的占空比来实现对电机转速的控制。无刷直流电机的定子电枢绕组换相和正反转控制是通过用反映电机转子位置的霍尔信号改变功率管的开通和关断的顺序来实现的。通过键盘的输入进而来实现电动机的的启动、停止、动、正转和反转，从而实现了无刷直流电动机的简单的自动化控制。关键词 无刷直流电动机；89C51单片机： a , a . I , , , , 89C51 . I 89C51 , . , , . . , , , , a . ; 89C51 : 目 录摘 要1第一章 无刷直流电动机的原理和机构的概述51.1 无刷直流电动机的发展概况51.2本设计内容及研究61.3 无刷直流电动机的结构和基本工作原理61.3.1 现对无刷直流电动机各部分的基本结构说明61.3.2 无刷电机的运行原理71.3.3 无刷直流电动机转矩分析81.3.4 无刷的直流电动机与输出开关管换流信号10第二章 无直类型的流电动机的控制器方案132.1无刷的直流电动机系统132.2无刷直流电动机控制器设计方案132.2.2 无刷的直流电动机控制系统组成框图132.3控制器的基本原理142.4脉宽调制（）技术152.4.1 脉宽调制的原理15第三章无刷直流电动机控制器的硬件设计163.1 89C51单片机简介163.2单片机最小系统173.3传感器选择213.4单片机与键盘接口设计193.5 位置检测电路设计213.6换相逻辑电路的设计25第4章控制器软件部分的设计284.1 控制器软件设计总述284.2程序流程图28结 束 语32致 谢33参考文献34第一章 无刷直流电动机的原理和机构的概述 前 言 无刷类型直流的电动机为一种很新型的电动机，单片机被作为了它的控制核心的电动机控制器为本设计的目的和要求，其中包括硬件系统设计和软件系统设计。电动的机的硬件系统电路设计包括：电源电路、串口通信电路、电机驱动电路设计、单片机电路设计；软件系统采用单片机语言进行程序设计。为了最后设计的准确性而做了大量的实验进行了验证。科学和技术它们的很快的发展，导致了半导通体的技术的很大的跳跃，开关类型的晶体管它的出现为了产生了新种类的无刷的直流型电动机带来了未来。1.1 无刷直流电动机的发展概况最近的几年的对异步类型的电动机它的变频和调速的专研，说到到底就是我们在慢慢的去探索怎么去控制现在的异步类型的电动机它的转矩，无刷类型的直流的电动机一直依靠它的很宽的调速、非常小的体积、很高的工作效率以及它的稳定态转速的误差非常的小的等优点令它在现在的调速的领域占了很大的优势。 无刷类型的直流的电机不仅拥有了直流类型的有刷的电机它的工作特性,而且具有频率的变化类型的装置,所以它又被叫作直流的变频,在国际中的常用型的名词为.无刷的类型的直流的电机它的运转的工作效率很高,还有低速的转矩,转速的工作精度等等都是很好的。它与任何的控制类型的技术的什么的变频器相比，它都是很好的,因此它是很值得我们业界人士的关注. 1.2本设计内容及研究 无刷类型的直流的电动机和其它的种类的电动机去比较的话，它都是一类新种类的电动机，它的什么驱动啊、控制方法都和现在的电子技术联系非常大，所以我们对现在的无刷类型的直流电机它的本体和它的控制的方法去很系统、深远的专研很有重要的现实意义。无刷类型的直流的电机不仅拥有其他的交流类型的电动机和直流类型的电机它们身上的优势，它同时还拥有其他的交流电动机它们的结构上的很简单，运行方面也是可靠的、维护方面也是非常的方便等优势，于此它不仅拥有现在直流类型的电动机它们的运行方面的效率很非常的高、调速方面的性能同时也非常好的优点，还有无励方面的磁性的损耗。无刷类型的直流的电机是把特种类型的电机、还有变速的结构、其他的检测性方面的元件、控制方法将要用到的软件和硬件形成了一体，组成了新一种的的伺服功能的系统，体现了现在应用科学的许多最新研究成果，是实现机电的一体化功能的高新科技产品。1.3 无刷直流电动机的结构和基本工作原理1.3.1 现对无刷直流电动机各部分的基本结构说明直流类型的无刷性质的永磁性方面的电动机，主要由电机的本体、位置的类型方面的传感器以及电子性的开关类型的线路组合而成的。它的定子的绕组在一般的情况被制成了很多相的，它的转子是由一种的永久型的磁钢顺着规的定极它的对数形成的。下图所示为三相两极直流无刷电机结构（1）电机本体电机本体实际上是一种永磁同步电机。（2）逆变器现在的无刷类型的直流类型的电动机它的逆变器的主开关在一般的情况下都是用现在或着是用功率类型的的等全控类型方面的元件，一些它的主电路现在都用上了集成类型的的功率类型的模块和智能类型的功率的模块，用上面这一些的模块都是可以用来提高电动机它的系统使用的可靠。（3）位置传感器 位置类型的传感器在系统中起一定的测电动机的定子和它的转子们的磁极的位置的工作状态下的作用，给电动机的逻辑类型的开关的电路实现了换相的功能。1.3.2 无刷电机的运行原理 无刷的直流电动机由电机的本体、位置的检测类型的器件、逆变器以及控制器而形成的自己去同步的电动机控制系统。第一步位置的检测类型的器件通过检测它自己的转子们的磁极所在的位置的信号，然后由控制器把转子位置的信号去逻辑处理，然后产生与之相应的开关的类型信号，开关类型方面的一种信号是按照规定好的的顺序去触发电动机它自己的逆变器中的所用的功率类型的开关性质的器件。同时把它的电源的功率以逻辑性质的关系分去到定子的每相的绕组，然后令电动机产生了连续工作的转矩。1.3.3 无刷直流电动机转矩分析电机本体它的电枢类型的绕组组成了三相类型的星型的方式，位置类型的传感器是同电机它的转子在一个轴上的，其控制的电路将它的位置的信号去形成逻辑类型的转变，就去形生一种控制类型的信号，它的控制的动信号是经过一种的驱动类型的电路去隔离后去放大，后来再去进行控制逆变器它的功率类型的开关性质的管，令电机的每相绕组按着规定的顺序去工作。图1-1 无刷类型的直流电动机它的工作原理图如上面的图1-1，当它的转子去顺时针的进行旋转到上面的图a的所示的位置时，它的转子的一种的位置类型的的传感器，把它输出的一种的信号然后通过它的控制的电路的逻辑关系的转变后去驱动电动机的逆变器，令图中的T1、T2去导通，也就是说A、B两相绕组同时通电，电流通过电源正向极流出，经T1流进A相的绕组里，再由B的相绕组里流出，经T2流入电源的负向极，这个时候它的定子和它的转子们的磁性场去进行相互的作用，令电动机它的转子进行一种的顺时针性的转动。它的转子将在它的空间进行转过了60电角度，然后就到了上图b所示的位置的时候，将它的转子的位置类型的传感器将要输出的信号，去通过一种的控制的电路进行逻辑转变，再去驱动逆变器，令上图中的T1、T4导通，A和C的两相绕组同时通电，电流再由电源正向极流出来，经T1流进A相的绕组，再由C的相绕组流出来，经T2流进电源的负向极。这时候它的定子以及转子它们自己的磁场通过相互之间作用，令电动机它自己的转子将会继续地区按照顺时针的方向而转动。电机它自己的转子会在空间每一次转过60度的时候，逆变器自己的开关也将会进行一次的切换，功率的开关类型的管子形成了导通的逻辑顺序是T1、T6T1、T2T3、T2T3、T4T5、T4T5、T6T1、T6。在次期间，转子一直受到按照顺时针旋转的电磁转矩的作用，沿顺时针的方向连续旋转。它的转子在空间每当转过了60度的时候，电机它的定子的一次绕组将换流一次，它的定子将会合成了磁性场它的一种磁状态来一次的很好的跃变。电动机总共是有六种的磁性的状态，一个状态是都有两种的相同的时候去导通，一相它的绕组们的导通了的时间将会对电动机它的转子进行了旋转120度。这样的工作方式是叫两相同时导通的星型的3相6种的状态，它就是无刷类型的直流的电动机中最为常用的一种类型的工作方式。1.3.4 无刷的直流电动机与输出开关管换流信号图1-1 无刷类型的电动机的直流类型的通电候是的控制方式的开关转换表 无刷类型的直流工作的电动机它的位置在一般的情况利用三个在其空间中相间隔120度的霍尔类型的位置传感器去检演，在霍尔类型的传感器的位置里的它的磁场的极性将会产生变化的时候，它的传感器将输出来的电平进行改变，因为三个的霍尔类型的传感器在它位检测性元件们的位置上的空间里各自相差了120度，由此将三个的检测性的元件们的输出端是可以得到了三个在它们的时间上相差了120度、它的宽度是180度的电平性质的信号，用A、B、C来表示，就如上面的图1-2中示，把信号A作例，A相它的位置的宽度是180的电导痛的角：0-60度，T1是要一定必导通的，所以T1的状态是1，但是C相在还剩下的60度的导通电性的宽度，因此此段的时间将是T1加T6时1，（这个时候的下部是可以提供取导通的时T4、 T6和T2，同时也为避免一种桥臂的直通，这时候T4是不能去导通的；同时T2导通的时间也是没有达到，所以只有T6事导通）；但是如果在60到120度时，只是A相会去通电，B、C相在不导电的时期，所以导通的是T1和T2（T12=1），T2就是去为了B相的导电而去做准备；如果在120到180度的时候，因为每相只拥有了120的电导角的通电的时间，所以T1关断（T1等于0），这时候的T2还是在导通的（B相就在这个时候开始了将要走进了导电期），T1是关断，T5是不能去导通（防止了桥臂的直通），所以这个时候只有T3是被开通的了，因此T3的信号在这个时间段里是1。别的时间段里的开关管们的导通的情况是与着相似的。在理论的基础上，只要是难呢过确定三个的位置类型的传感器能在其空间里相差了120度，开关的管子们的换流的时刻就可以推导的。但是，为了去简化它的控制的电路，每一个的霍尔类型的传感器们的起始的安装的位置会在每相的绕组们的基准的点（r等于0度）上。那么在r等于0度的控制的条件下，A相它自己的绕组将要开始了它的通电的时刻，刚好和A相的位置类型的传感器的输出来的信号A它的电平的跳变的时刻会重合，这时候应该把T1的开关管的驱动开通。同样的道理，别的开关管们的开通的时刻同样可按着这样的方法来确定。本人的设计是选用了三相的无刷类型的永磁性直流的电动机，它额定的电压是48V,它的额定的功率等于300W。图1-2 无刷类型的电动机的位置的检测和开关管子们的驱动的信号旋转的方向位置类型的传感器逆变类型的桥开关管子们的驱动信号ABCT1T2T3T4T5T6正转001000011010001100011000110100110000101100001110011000反转001011000010100001011110000100000110101001100110000011第二章 无直类型的流电动机的控制器方案2.1无刷的直流电动机系统 控制器为无刷类型的直流的电动机在运行及去实现了每一种调速的伺服性质的功能，也就是起到了中心的指挥作用。2.2无刷直流电动机控制器设计方案2.2.2 无刷的直流电动机控制系统组成框图无刷类型的直流的电动机的控制的系统的框图，如下图所示： 图2-1 电动机驱动控制框图2.3控制器的基本原理 本设计的系统把89C51类型的单片机作为了核心，由驱动2130，以2乘3的矩阵类型的键盘当作了输入，实现了控制了无刷类型的直流电机它的启动停止、正反转，在控制的系统里，用对与电机来实现它的控制，由对它的占空比计算来实现精确的调速目标。霍尔类型的信号将会传到了控制器，那么控制器将由电机的相线来向电机它的线圈去提供了电源，电机将会旋转，磁钢和线圈也将会转起来，霍尔类型的感应到的新的位置信号，那么控制器他自己的粗线同时也会去给电机的线圈进行重新去改变它的电流的方向提供了电，那么电机就会继续去进行旋转（线圈以及磁钢他们的位置如果发生了改变，线圈一定要去对应的去变化的电流的方向，电机才会能在继续去向一定的方向去运动，不然的话电机将会在某一个的位置上去进行左右的摆动，不是去进行连续性的旋转），此就叫做电子的换相。1.微控制器 它的主要性的功能就是按照电动机它的旋转的方向的要求以及来自于它的霍尔的转子的位置的传感器的三个输出来的信号，把它们成功去处理率来驱动它的单元的6个功率性的开关类型的器件们要求得到的驱动的顺序。微型的控制器的一个最重要的作用就是按照它们的电压、电流以及转速等等形成了反馈的模拟类型的信号，还有随机地发出来的制动类型的信号，经过了转变以及必需的的运算之后，借单片机的内置的时钟类型的信号来生成了一个拥有了上面叙述的各种各样的信息它的脉宽的调制信号。2.功率驱动单元 它主要是由功率类型的开关性器件形成了的三相全控桥式的逆变类型的电路以及自举类型的电路。自举电路由分立器件构成的，也可以去利用专门集成类型的电路。3.位置传感器 位置类型的传感器是在无刷类型的直流电动机里起了测定子和转子它们的磁极的位置的作用，并且也为了逻辑类型的开关的电路送来了关于换相的方面的信息。4.周边起到辅助作用和保护作用的电路 主要是由电流的采样类型的电路、电压的比较类型的电路、过电流保护类型的电路、调速类型的信号以及制动类型的信号等等输入的电路组成。2.4脉宽调制（）技术2.4.1 脉宽调制的原理 （脉冲的宽度来调制）是利用区控制一定的电压的直流类型的电源的开关的频率，变换了负载它的两端的电压，来得到了控制的要求一种新型的电压调整的方法。在调整的系统里，以一个一定的频率去接通以及断开了电源，按照需要来变换一个T内“开通”以及“关断”时间的长短。由变换直流的电机它的电枢上的电压的“占空比”去得到了变换平均的电压大小的目标，由此来控制电动机它的转速。又被叫做“开关的驱动性质的装置”。如下图所示。图2-2 占空比原理第三章无刷直流电动机控制器的硬件设计3.1 89C51单片机简介 89C51是高性能 8位单片机，片内含4的可以反复性的去擦写的只读程序存储器（)和128B的随机存取数据存储器（)。主要参数： 与51产品的指令系统都兼容 4可重复可以擦可以写闪存的存储器 1000次可擦可写周期 全部的静态的操作：0到24兆赫兹三级加密128*8B的内部用户存储器 32可以用来编程的口线 16B定时器/计时器 5个中断源 可以编程的串行的通道 低功率消耗空闲模式、掉电的模式89C51引脚图如下图所示。 图3-1 89C51引脚图3.2单片机最小系统3.2.1 51单片机最小系统电路介绍 51的单片机它的最小系统中的起振的电容C2和C3在一般的情况下用1533皮法，电容它自己的距离离晶振的距离如果越近就是越好的，晶振距单片机自己的距离也是越近的话也是越好的。P0引脚口是开漏的输出，是输出口的时候需要去加上拉的电阻，它的阻值大小一般是1万欧姆。 51单片机的最小系统电路图.图3-2 最小系统电路图.1、复位电路的用途如果按下了复位的按钮后，那么内部程序将会自动地从头重新开始进行了。 图3-3 复位电路图2、复位电路的工作原理 51的单片机如果要复位的话仅仅在第九引脚上接以个高电平并且持续不断的2就行了，单片机的系统里，系统如果上电去启动的话，这时候就复位一次，如果按键在按下时那么系统将会进行再一次的复位，当释放以后再去按下的话，系统将还会进行复位。晶振电路：晶振大小取123.4单片机与键盘接口设计 本设计的系统用是最简单的2乘3矩阵类型的键盘(P2.32.7)来实现对整个控制系统的操作，键盘结构如下图所示：图3-4 系统键盘接口系统按键盘的结构以及各按键所对应的功效及按键的取值分别如表3-1和3-2所示。表3-1 系统键盘的结构各键对应功能和键值启动/制动正反转下表为 各种按键所对应的功能以及按键的取值按键的表示实现的功效按键的取值S1启动/制动01S20X92S3正转或者是反转0X80S40X61S50X52S60X46各键详细功能如下： S1：启动系统。单片机在上电进行初始化以后，第一步进行扫描键盘，如果S1按下去，那么就启动控制系统，如果不就一直进行扫描键盘，这个时候别的键什么功能也没有Error! No bookmark name given.。 S4、S6：在系统的正常运行的期间，如果按下了S4或着是S6，那么系统将会进入了调速的状态，这个时后4位的数子码管将从左边第1位进行闪烁，代表的就是当前位，如果在5S内键盘上没任何的输入，就会自动的去确认它的当前得到输入值，并通过一定的调速实现设定的值。 S2、S5：如果进行按下了S4或着按下的是是S6，那么当前的位将会闪烁，这个时候经过S2以及S5可以将当前位实现+11，如果在5S内还没有任何的操作，则系统将会自动的去确认它的当前的输入值Error! No bookmark name given.。 S3：正反转，实现电机的正反转。3.5 位置检测电路设计3.5.1传感器选择霍尔类型的器件为一种类型的磁性的传感器。根据霍尔的器件它的功能可以把它们分成：霍尔的线性器件和霍尔开关器件。 在一般的无刷类型的直流动机中经常会使用的转子的位置类型的传感器，转子的位置类型的传感器为永磁类型的无刷的直流电机的重要的部件。它会进行检测电机它的转子的位置，然后把它输出来的信号通过逻辑改变后去进行控制的开关管子的通与断，令电机的定子的各相的绕组以一定的顺序去导通，确保电机的连续进行工作。 控制无刷直流电动机时，单片机控制器主要是根据转子当前的转动位置，发出相应的控制字，通过改变脉冲信号的占空比来实现对电机的控制。无刷直流电动机的转子位置是由位置传感器检测出来的。在本设计方案中，采用了三个磁敏式位置传感器（霍尔元件）。常见的磁敏式位置传感器是由霍尔元件或霍尔集成电路构成的，世界上第一台无刷直流电动机就使用了霍尔元件式位置传感器。霍尔元件式位置传感器由于结构简单、性能可靠且成本低，是目前在无刷直流电动机上应用最多的一种位置传感器。 对于本系统反电动势为梯形波，两相导通Y型三相六状态无刷直流电机，我们将三个霍尔组件以彼此间隔120o 空间电角度安装在电机定子上，由于电机永磁体的极弧宽度为180o电角度，这样当电机旋转时，三个霍尔组件便交替输出三个宽为180o电角度相位互差120o 电角度的方波信号。而此时得到的位置信号是有毛刺和谐波干扰的脉冲信号，我们要经过整形电路才能得到上升沿和下降沿都很陡峭的矩形脉冲信号。整形电路如图3-2所示。 图3-5 位置信号整形电路 霍尔元件产生的电动势很低，我们要加上拉电阻以提高其输出电压。324比较器具有电源电压范围宽、静态功耗小、可单电源使用、价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中，本系统整形电路首先经324比较器进行简单整形，再经施密特触发器得到上升沿和下降沿都很陡峭的矩形脉冲信号。图3-2整形电路所用施密特触发器输入与输出为反相关系，又称作施密特触发器与非门，其特点如下： 施密特触发器有两个稳定状态，其维持和转换完全取决于输入电压的大小。 电压传输特性特殊，有两个不同的阈值电压（正向阈值电压 和负向阈值电压 ） 状态翻转时有正反馈过程，从而输出边沿陡峭的矩形脉冲。图3-6整形电路输出脉冲信号 我们知道，门电路有一个阈值电压，当输入电压从低电平上升到阈值电压或从高电平下降到阈值电压时电路的状态将发生变化。施密特触发器是一种特殊的门电路，与普通的门电路不同，施密特触发器有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压和负向阈值电压。在输入信号从低电平上升到高电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为正向阈值电压，在输入信号从高电平下降到低电平的过程中使电路状态发生变化的输入电压称为负向阈值电压。正向阈值电压与负向阈值电压之差称为回差电压，普通门电路的电压传输特性曲线是单调的，施密特触发器的电压传输特性曲线则是滞回的，我们称之为回差特性。当传输的信号受 到干扰而发生畸变时，可利用施密特触发器的回差特性，将受到干扰的信号整形成较好的矩形脉冲。 如图3-6 整形电路输出脉冲信号所示，我们在每个机械转中得到共计6个上升沿或下降沿，它们正好对应着6个换向时刻。通过将89C51设置为双沿触发捕捉中断功能，可以获得正确的换相时刻。用89C51的P1.0P1.2分别对应的去捕捉13，并检测该口的电平状态，来得到具体的捕捉中断。3.6换相逻辑电路的设计 本文设计用到的逻辑电路，使用的芯片是16V8，为通用阵列逻辑。它的优点为：1.可擦除的作用，可改写的次数很高，甚至超过了100次；2.一片器件可以实现各种组态的器件输出结构的逻辑功能，给电路的设计带来了很大的方便；由五部分组成，它的引脚电路图如图10所示：1.输入端:(2-9引脚)共有8个输入端，每个输入端有一个缓冲器，并由缓冲器引出两个互不的输出与阵列。2.输出端：（12-19引脚）共有8个输出端，每个单元的电路可以通过编程实现所有输出结构实现的功能3.系统时钟：（1引脚）为系统时钟输入端，与每个输出单元中的触发器时钟输入端相连。4.输出三态控制端：（11引脚）为器件的三态控制公共端。 无刷直流电机的定子电枢绕组换相和正反转控制是通过用反映电机转子位置的霍尔信号改变功率管的开通和关断的顺序来实现的。89C51有2个16位的通用定时器/计数器。用通用定时器产生控制电机电压调制的波，同时用硬件电路实现电子换相。其电路图3-7所示： 图3-7用16V8实现电子换相电路图 该电路图要用到一16V8这一芯片来实现。16V8的建议工作电平为5V，也可以工作在3.3V以下。具有6432逻辑与门阵列和8个可编程输出逻辑单元。也可以对各个输入端口的逻辑信号及其非信号按逻辑与连接实现译码功能。其最大传输延时为3.5。根据单片机（P1.0，P1.1，P1.2）捕获的霍尔信号（A，B，C），单片机输出的六个状态信号16（接到单片机的P0.0P0.5），单片机输出的调制信号1（P0.6）和89C51输出的信号(P0.0P0.5)逻辑组合变换后得到控制6个功率管的触发信号（1116）。 在前面我们曾经对电机的工作原理做过描述，转子在定子电枢绕组合成磁场和永磁磁场的相互作用下沿顺时针方向连续转动，三个霍尔传感器交替输出三个宽为180度电角度，相位互差为120度电角度的方波信号，该信号经单片机逻辑变换后与调制信号经过逻辑组合变换得到使逆变器功率管按T1T2，T2T3，T3T4，T4T5，T5T6，T6T1.的顺序导通的触发信号。3.6.1驱动电路将单片机输出的调制信号1（P0.6）和89C51输出的信号(P0.0P0.5)逻辑组合变换后得到控制6个功率管的触发信号（1116）接到上图的对应的27输入口。第4章控制器软件部分的设计4.1 控制器软件设计总述 控制器的向上向下、向左向右的移动、启动、正反的装程序让键盘的程序进行调用，键盘的程序、显示器的程序、测速的程序、输出的程序都让主程序进行调用。4.3程序流程图主要模块程序流程图如图4-1所示；键盘程序流程图如图4-2所示；显示程序流程图如图4-3所示。 图4-1 主程序流程图是否有键按下？P2.7置高延迟并读P2口P2.6置高延迟并读P2口否是否有键按下？是否有键按下？是否是否是开始图 4-2键盘程序流程图1=0P1.0置高P0查表输出当前位亮延迟0.5sP1.1置高P1.0置低P0查表输出当前位灭延迟0.5sP1.2置高P1.1置低P0查表输出P1.3置高P1.2置低P0查表输出2s内没动