基于单片机的无刷直流电机的控制系统

第 1 页 共 37 页 绪绪 论论 随着计算机进入控制领域 以及新型的电力电子功率器件的不断出现 采 用全控型的开关功率元件进行脉冲调制 paulse width modulation 简称 PWM 控制的无刷直流电机已成为主流 随着半导体工业 特别是大功率电子器 件及微控制器的发展 变速驱动变的更加现实且成本更低 本文充分利用单片机的数字信号处理器运算快 外围电路少 系统组成简 单 可靠的特点 将其应用于无刷电机的驱动设计 实验表明 该设计使得无 刷直流电机的组成简化和性能的改进成为可能 有利于电机的小型化和智能化 一一 电机的分类电机的分类 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 第 2 页 共 37 页 1 单相电动机 2 三相电动机 二 无刷直流电机及其控制技术的发展 二 无刷直流电机及其控制技术的发展 1831 年 法拉第发现了电磁感应现象 奠定了现代电机的基本理论基础 从 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 随着应用领域的扩大 对直流电机的要求也就越来越高 有 接触的机械换向装置限制了有刷直流电机在许多场合中的应用 为了取代有刷 直流电机的电刷 换向器结构的机械接触装置 人们曾对此作过长期的探索 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 20 世纪 30 年代 有人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 科学技术的迅猛发展 带来了电力半导体技术的飞跃 开关型晶体管的研 制成功 为创造新型直流电机 无刷直流电机带来了生机 1955 年 美国 人 Harrison 首次提出了用晶体管换相线路代替电机电刷接触的思想 这就是无 刷直流电机的雏形 它由功率放大部分 信号检测部分 磁极体和晶体管开关 电路等组成 其工作原理是当转子旋转时 在信号绕组中感应出周期性的信号 电动势 此信号电动势份别使晶体管轮流导通实现换相 问题在于 首先 当 转子不转时 信号绕组内不能产生感应电动势 晶体管无偏置 功率绕组也就 无法馈电 所以这种无刷直流电机没有起动转矩 其次 由于信号电动势的前 沿陡度不大 晶体管的功耗大 为了克服这些弊病 人们采用了离心装置的换 向器 或采用在定子上放置辅助磁钢的方法来保证电机可靠地起动 但前者结 构复杂 而后者需要附加的起动脉冲 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 20 世纪 60 年代初期 接近开 关式位置传感器 电磁谐振式位置传感器和高频耦合式位置传感器相继问世 之后又出现了磁电耦合式和光电式位置传感器 半导体技术的飞速发展 使人 们对 1879 年美国人霍尔发现的霍尔效应再次发生兴趣 经过多年的努力 终于 在 1962 年试制成功了借助霍尔元件 霍尔效应转子位置传感器 来实现换相的 第 3 页 共 37 页 无刷直流电机 在 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 1968 年 德国人 W Mieslinger 提出采用电容移相实现换相的新方法 在此基 础上 德国人 R Hanitsch 试制成功借助数字式环形分配器和过零鉴别器的组 合来实现换相的无位置传感器无刷直流电机 永磁无刷电机是永磁无刷直流电机 永磁无刷交流同步电机 永磁无刷直 线电机和永磁无刷力矩电机的总称 永磁无刷电机具有不少优点 因此已是目 前微特电机发展主流 三 本文研究的意义及主要内容三 本文研究的意义及主要内容 无刷直流电机集特种电机 变速结构 检测元件 控制软件与硬件于一体 形成新一代伺服系统 体现了当今应用科学的许多最新成果 是机电一体化的 高新技术产品 无刷直流电机集交流电机和直流电机优点于一体 它既具有交 流电机结构简单 运行可靠 维护方便等一系列优点 又具备直流电机运行效 率高 调速性能好的特点 同时无励磁损耗 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 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 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 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 第 4 页 共 37 页 二 无刷直流电机系统结构及工作原理二 无刷直流电机系统结构及工作原理 一一 无刷直流电机特点无刷直流电机特点 容量范围大 标准品可达 400Kw 更大容量可以订制 电压种类多 直流供电交流高低电压均不受限制 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 5 30 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 二 无刷电机组成 二 无刷电机组成 无刷直流电机与有刷直流电机相似 它具有旋转的磁场和固定的电枢 这 样电子换相线路中的功率开关器件 如晶闸管 晶体管等可直接与电枢绕组连 接 在电机内 装有一个转子位置传感器 用来检测转子在运行过程中的位置 它与电子换相线路一起 替代了有刷直流电机的机械换相装置 综上所述 无 刷直流电机由电机本体 转子位置传感器和电子换相线路三大部分组成 如图 1 所示 第 5 页 共 37 页 图 1 无刷直流电机原理图 1 电机本体 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启动 装置 其定子绕组一般制成多相 三相 四相 五相不等 转子由永久磁钢按 一定极对数 2p 2 4 组成 2 位置传感器 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 电子换相 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 去控制电子开关线路 从而使定子各项绕组按一定次序导通 定子相 电流随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向作用 第 6 页 共 37 页 三 基本工作原理 三 基本工作原理 众所周知 一般的永磁式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 由于电枢的换相 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的云转 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 这与传统直流用词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 它不能与运动只 能够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 做功 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 控制电路以及工具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装洞中转子磁钢产生的永磁场 在空间始终保持在 2 rad 左右的电角度 四 无刷直流电机参数 四 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 23N m 最大转矩 0 46N m 定位转矩 0 01N m 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 五 三相无刷电动机主电路及工作方式 五 三相无刷电动机主电路及工作方式 由以上基本原理可知 无刷电机的连续运行 定子绕组所产生的的磁场和 装洞中转子磁钢产生的永磁场 在空间始终保持在 2 rad 左右的电角度 因此定子绕组需要加三相电源 此电源可通过图 2 的逆变电路产生 第 7 页 共 37 页 图 2 电机主电路图 在三相逆变电路中 应用最多的是如图二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 Y 联结 Q1 Q2 Q6 为六只 MOSFET 功率管 起绕组的开关作用 高电平是导通 他们的通电方式又可分为两两导通 和三三道通两种方式 1 二二通电方式 所谓二二通电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 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 3a 所示 其大小为Ta 方向在 Ta 和 Tc3 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 3b 所示 其大小同样为Ta 但合成转矩 Tbc 的方向转过了 60 电角3 度 而后每换一次导通状态 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 3c 示出了全部合成转矩的方向 3 第 8 页 共 37 页 a VF1 V F2 导通时合成转矩 b VF2 V F3 导通时合成转矩 c 二 二导通时合成转矩矢量图 图 3 联结绕组二二通电时的合成转矩矢量图 所以 同样一台无刷直流电机 每相绕组通过与三相半控电路同样的电流时 采用三相星形联结全控电路 在二二换相的情况下 其合成转矩增加了倍 3 每隔 60 电角度换相一次 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 4 所示 由图 4 可以看 出 三相全控时的转矩波动比三相半控时小得多 图 4 全控桥输出波形图 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 5 所 示 其换相的控制电路可由一片 74LS138 型 3 8 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电路 LM621 控制 图 5 传感器输出波形 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 第 9 页 共 37 页 次 每个功率管通电 180 它们的导通次序是 VF1VF2VF3 VF2VF3VF4 VF3VF4VF5 VF4VF5VF6 VF5VF6VF1 VF6VF1VF2 VF1 VF2VF3 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 相绕组的一半 其合成转矩如图 6a 所示 其方向与 A 相 相同 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 VF3 VF6 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 6b 所示 其方向与 C 相相同 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 VF1VF2VF3 通电 而后依次类推 循环往复 它们的合成转矩矢量图如图 6c 所示 a VF6VF1VF2 导通时的合成转矩 b VF1VF2VF3 导通时的合成转矩 c 三三通电时的合成转矩 图 6 三三通电时的合成转矩矢量图 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 它们的电压波形如 图 7 所示 第 10 页 共 37 页 图 7 星形联结三三通电方式其中一相电压波形 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 三 脉宽调制 三 脉宽调制 PWMPWM 技术 技术 一 脉宽调制的原理 一 脉宽调制的原理 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 第 11 页 共 37 页 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 也正因为如此 PWM 又被称为 开关驱动装置 如图 8 所示 图 8 PWM 占空比原理 设电机始终接通电源时 电机转速最大为 Vmax 设占空比为 D t1 T 则电机的平均速度为 Va 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 t1 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 二 脉宽调制方式 二 脉宽调制方式 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 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 第 12 页 共 37 页 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 四 无刷直流电动机控制系统设计四 无刷直流电动机控制系统设计 一 基本原理 一 基本原理 本系统以 AT89C51 单片机为核心 通过 LM621 以 2 3 矩阵键盘做为输入 4 位数码管显示 达到控制无刷直流电机的启停 速度和方向 完成了基本要 求和发挥部分的要求 在系统中 采用了 PWM 技术对电机进行控制 通过对占 空比的计算达到精确调速的目的 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 第 13 页 共 37 页 二 总体框图 二 总体框图 系统总体框图如图 9 所示 图 9 系统整体框图 五五 无刷直流电动机控制系统硬件电路设计无刷直流电动机控制系统硬件电路设计 一 无刷直流电机控制系统的硬件图 一 无刷直流电机控制系统的硬件图 详见附录 B 二 二 AT89C51AT89C51 简介简介 AT89C51 是美国 ATMEL 公司生产的低电压 高性能 CMOS 8 位单片机 片内 含 4K bytes 的可反复擦写的只读程序存储器 PEROM 和 128 bytes 的随机存取 数据存储器 RAM 期间采用 ATMEL 公司的高密度 非易失性存储技术生产 兼容标准 MCS 51 指令系统 片内置通用 8 位中央处理器 9 CPU 和 Flash 存储 单元 功能强大 AT89C51 单片机可灵活应用于各种控制领域 第 14 页 共 37 页 主要性能参数 与 MCS 51 产品指令系统完全兼容 4K 字节可重复擦写 Flash 闪存存储器 1000 次擦写周期 全静态操作 0Hz 24MHz 三级加密程序存储器 128 8 字节内部 RAM 32 个可编程呢个 I O 口线 2 个 16 位定时器 计时器 5 个中断源 可编程串行 UART 通道 低功耗空闲和掉电模式 功能概述 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 空闲方式停止 CPU 的工 作 但允许 RAM 定时 计数器 串行通信口及中断系统继续工作 掉电方式保 存 RAM 中的内同 但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作指导下一个硬件 复位 AT89C51 引脚图如图 10 所示 图 10 AT89C51 引脚图 第 15 页 共 37 页 三 单片机与键盘接口 三 单片机与键盘接口 图 11 系统键盘接口 本系统使用最简单的 2 3 矩阵键盘实现对整个系统的操作 键盘结构如图 12 所示 图 12 键盘结构 各键对应的功能和键值如表 1 表 1 各键对应功能和键值 键位功能键值 S1启动 制动0XA0 S2 0X90 S3正反转0X88 S4 0X60 S5 0X50 启动 制动 正反转 第 16 页 共 37 页 S6 0X48 各键详细功能如下 S1 启动系统 单片机上电初始化后 首先扫描键盘 若 S1 被按下 则启 动系统 否则将一直扫描键盘 此时其他键没有任何功能 S4 和 S6 系统运行期间 若按下 S4 或 S6 系统进入调速状态 此时 4 位 数码管从左边第一位开始闪烁 代表当前位 若 5S 内键盘没输入 则自动确认 当前输入值 通过调速达到设定值 S2 和 S5 通过按 S4 或 S6 当前位闪烁 此时通过 S2 和 S5 可对当前位进 行 1 1 若 5S 内没有操作 系统自动确认当前输入值 S3 正反转 实现点机的反转 四 单片机与显示数码管接口 四 单片机与显示数码管接口 图 13 单片机与数码管显示电路接口 整个显示电路包括两部分 1 数码管 本系统采用 4 位 8 段共阴极数码管显示 P0 口接上拉电阻 数码管段选通过限流电阻接 P0 口 位选接 P1 0 P1 3 口 2 LED 发光二极管 两个二极管一个代表正转一个代表反转 五 逆变器与驱动电路接口 五 逆变器与驱动电路接口 第 17 页 共 37 页 图 14 逆变器与驱动电路接口 1 逆变器 本系统逆变部分采用三相桥式全控逆变电路 功率开关器件采用 IGBT 2 驱动电路 1 通过无刷直流电机换相专用芯片 LM621 控制功率管的导通 从而驱动 电动机 LM621 的特点 三相和思想无刷直流电动机兼容 双极性驱动三相三角形联结或星形联结绕组 单极性驱动三相有中心抽头的星形联结绕组 三相电动机位置传感器空间间距 30 或 60 四相电动机位置传感器空间间距 90 输出端直接驱动双极型功率管 可提供 35mA 基极电流 或 MOSFET 功率 器件 有可调死区时间及其时钟振荡器 直接与 PWM 信号接口和霍尔位置传感器接口 欠电压封锁 2 其原理如图 15 所示 第 18 页 共 37 页 图 15 LM621 原理图 换相波形波形如图 16 所示 LM621 换相译码真值表如表 2 管脚功能定义 引脚 1 Vcc1 第一电源 逻辑部分和时钟用电源 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 时钟定时端 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 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 灌电流输出端 引脚 14 15 16 CURRENT SINK OUT 抽电流输出端 第 19 页 共 37 页 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 5 40V 端 第二电源 它提供 11 13 脚灌电流输出的电流 图 16 60 换相波形 表 2 LM621 换相真值表 第 20 页 共 37 页 六 限流电路 六 限流电路 图 17 限流电路 从图 17 可知 主回路中通过电动机的电流最终是经过电阻 R8 接地 因此 Uf R8IM 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 通过非门变为高电平输入 到 LM621 的引脚 17 使输出关断 从而阶段了直流无刷电动机钉子绕组的所有 电流通路 迫使电动机电流下降 一旦电流下降到时 Uf小于 U0 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 正常 工作 第 21 页 共 37 页 六 软件部分六 软件部分 本系统设置两个标志位 tag 启动标志位 0 代表运行 1 代表停止 和 tag1 闪烁标志位 0 代表有闪烁 0 代表无闪烁 另外设置两个数组 数码管 段选数组 d p 和位选数组 p1 本系统程序主要由 大本分组成 主程序 中断服务程序 键盘扫描程序 显示程序 启动程序 停机程序 向上箭头程序 向下箭头程序 左移程序 右移程序 正反转程序 测速程序 PWM 输出程序 延时程序 其中向上 下 左 右 移 启动 正反装程序由键盘程序调用 键盘程序 显示程序 测速程序 PWM 输出程序由主程序调用 主要模块程序流程图如下 第 22 页 共 37 页 图 18 主程序流程图 第 23 页 共 37 页 图 19 键盘程序流程图 图 20 显示程序流程图 第 24 页 共 37 页 结束语结束语 本设计所述的直流电机闭环调速系统是以低价位的 AT89C51 单片机为核心 的 而通过单片机来实现电机调整又有多种途径 相对于其他用硬件或者硬件 与软件相结合的方法实现对电机进行调整 采用 PWM 软件方法来实现的调速过 程具有更大的灵活性和更低的成本 它能够充分发挥单片机的效能 对于简易 速度控制系统的实现提供了一种有效的途径 曾经也试过用单片机直接产生 PWM 波形控制逆变电路开关器件的导通 但其最终效果并不理想 在使用了少 量的硬件后 单片机的压力大大减小 程序中有充足的时间进行闭环控制的测 控和计算 使得软件的运行更为合理可靠 由于能力有限 时间紧促 本系统 只采用了转速闭环 第 25 页 共 37 页 参考文献参考文献 1 1 张文灼张文灼 单片机应用技术单片机应用技术 机械工业出版社机械工业出版社 2008 2008 2 2 李先允李先允 电力电子技术电力电子技术 中国电力出版社中国电力出版社 2006 2006 3 3 张琛张琛 直流无刷电机原理及应用直流无刷电机原理及应用 机械工业出版社机械工业出版社 1996 1996 4 4 谭建成谭建成 电机控制专用集成电路电机控制专用集成电路 机械工业出版社机械工业出版社 1997 1997 5 5 王晓明王晓明 电动机的单片机控制电动机的单片机控制 北京航空航天大学出版社北京航空航天大学出版社 2002 2002 6 6 吴守箴 臧英杰吴守箴 臧英杰 电气传动的脉宽调制控制技术电气传动的脉宽调制控制技术 机械工业出版机械工业出版 19951995 7 7 胡文静胡文静 永磁无刷直流电动机的发展及展望永磁无刷直流电动机的发展及展望 微特电机微特电机 2002 352002 35 4 4 3434 3838 8 8 张毅刚张毅刚 等 等 新编新编 MCS 51MCS 51 单片机应用设计单片机应用设计 哈尔滨工业大学出哈尔滨工业大学出 版社版社 2003 2003 9 9 赵亮赵亮 侯国锐侯国锐 单片机单片机 C C 语言编程与实例语言编程与实例 人民邮电出版社人民邮电出版社 2003 2003 10 10 蔡耀成蔡耀成 无刷直流电机中的霍尔位置传感器无刷直流电机中的霍尔位置传感器 微特电机微特电机 1999 271999 27 5 5 2323 2525 第 26 页 共 37 页 致谢致谢 在这次毕业设计中 要特别感谢我的导师河北科技大学李争 博 士 给予的耐心细致的指导 对于在设计过程中所遇到的许多具体 问题 他均提出了相应的解决方案 这对于毕业设计的顺利完成起 到了十分重要的作用 第 27 页 共 37 页 附录附录 A A 程序 include define uchar unsigned char define ulong unsigned long extern uchar zs 定义转速变量 extern uchar tag 0 x00 tag1 0 x00 启动标志位和闪烁标志位 extern ulong zssd 3000 转速设定 ulong count 脉冲计数 ulong zkbg zkbd 占空比高低 sbit P14 P1 4 sbit P15 P1 5 sbit P16 P1 6 sbit P17 P1 7 uchar code p1 0 x00 0 x90 0 x91 0 x92 0 x93 0 x00 数码管位选 uchar zy p1 定义指针指向数组 p1 void d ms uchar m 延时程序 uchar i j for i 0 i m m for j 0 j 100 j 延时 100 m 微秒 void start 开始程序 第 28 页 共 37 页 if tag 0 系统未启动 P0 0 xFF 数码管各段全亮 确认完好无损 P1 0 xFF 数码管全部选通 P0 0 x00 P1 0 x00 tag 1 启动标志位置 1 系统启动 else tag 0 再次按下 标志位置 0 void up 向上箭头函数 if tag1 0 闪烁标志位为 0 If zssd 2000 zssd 100 第 30 页 共 37 页 else switch zy case 0 x90 zssd zs 1000 break case 0 x91 zssd zs 100 break case 0 x92 zssd zs 10 break case 0 x93 zssd zs 1 break void right 参考 left 函数 if tag1 0 tag1 1 zy p1 4 else zy if zy p1 5 zy p1 1 d ms tag1 0 void keyget 键盘扫描函数 第 31 页 共 37 页 uchar x 定义变量 P2 0 xC0 键盘扫描 看是否有键按下 if P2 P2 7 置 1 扫描第一行 if P2 延时去抖 x P2 读 P2 口 P2 0 x40 P2 6置 1 扫描第二行 if P2 延时去抖 x P2 读 P2 口 switch x 0 x21 case 0 x7F start break 启动 case 0 x6F up break 向上箭头 case 0 x67 fanzhuan break 反转 case 0 x3F left break 左移 case 0 x2F down break 向下箭头 case 0