直流无刷电机控制器的研制设计

直流无刷电机控制器的研制摘要：本文介绍了一种基于单片机AT89C51的无刷电机控制器的控制原理及方法。无刷电机不但保持了有刷电机的优异特性，而且革除了电刷和换向器的“顽疾”。具有快速性、可靠性高、体积小、质量轻、效率高、适应环境和经济性等优点。本次设计的硬件电路总体可分为四个部分：驱动模块、控制模块、测速模块和过载保护模块。驱动模块主要利用功率MOSEFT驱动无刷电机；控制模块是利用单片机产生不同相序和PWM波来实现正反转和调速；测速模块是利用单片机对霍尔信号计数来实现测速并显示；过载保护模块主要用于电机过载保护。本系统主要实现了无刷电机启/停，正/反转，加/减速，转速显示和过载保护功能。具有起停速度快、调/测速精度高、过载保护能力好等优点。关键词：AT89C51；无刷电机；控制；PWMTheresearchofthebrushlessDCmotorscontrollerAbstract：ThispaperintroducedasortofthebrushlessDCmotorscontroltheoryandmethodsbaseonsinglechipmicrocomputer(SCM)AT89C51.NotonlythebrushlessDCmotorkeepthebrushDCmotorsexcellentcharacteristics,butalsoabolish“thestubborndisease”betweenthebrushandthecommutator.Ithasthevirtuesofspeediness、highreliability、smallvolume、lightweight、highefficiency、acclimatizationandeconomyandsoon.Thisdesignofthehardwardcircuitcandisportfourpartsinthegeneral:drivepart、controlpart、measurespeedpartandoverloadingprotectpart.ThedriverpartmainlyuseTheMOSEFTtoachievetheaimofdrivethebrushlessDCmotor;ControlpartisusethedifferentphasesandPWMbytheSCMtoachievetheaimofthepositiveandnegativerunningandtiming;ThemeasurespeedpartisuseSCMtocountthesingalofHall-sensor,andtoachievetheaimofmeasuringspeedanddisplay;theoverloadingprotectparttoachievetheaimofthebrushlessDCmotorsloadingprotect.ThesystemmainlyachievethefunctionsofthebrushlessDCmotorsstart/stop,positive/negativerunning,add/deceleratespeed,speedsdisplayandoverloadingprotect.ithasthevirtuesofstartandstopquickly、highprecisionaccommodate/measurespeed、andthegoodoverloadingprotect.Keywords:AT89C51;ThebrushlessDCmotor;Control;PWM目录序言1第1章无刷电机21.1无刷电机概述21.1.1无刷电机的特点21.1.2无刷电机的发展历史及应用31.2无刷电机工作原理41.2.1无刷电机结构41.2.2无刷电机位置传感器61.2.3无刷电机工作原理8第2章AT89C51单片机简介112.1AT89C51单片机结构112.1.1中央处理器（CPU）112.1.2AT89C51引脚及其功能122.2中断系统142.2.1中断源152.2.2中断控制162.3定时器162.3.1定时器功能162.3.2特殊功能寄存器TMOD和TCON17第3章硬件设计193.1驱动模块的设计193.1.1MOSEFT管的选择193.1.2功率MOSEFT的驱动213.2控制模块的设计233.3测速模块的设计233.4过载保护模块的设计25第4章调试274.1硬件调试274.1.1驱动模块的调试274.1.2控制模块的调试284.1.3测速模块与保护模块的调试284.2软硬联调294.3成品封装30参考文献31附录32附录一硬件焊接原理图32附录二元器件清单34附录三英汉互译35致谢47第0页共47页序言直流电动机具有非常好的线性机械特性、宽的调速范围、大的起动转距、简单的控制电路等优点，应用十分广泛。但是，因直流电动机的电刷和换向器的强迫性接触，造成了它结构复杂、可靠性差、接触电阻变化等一系列问题，影响了直流电动机的调速精度和性能随着电子技术、功率元件技术和高性能的磁性材料制造技术的飞速发展，利用电子器件和传感装置代替直流电动机的换向器，这就出现了无刷直流电动机，使直流电动机减少了滑动接触，消除了换向火花。无刷电机的优点如此之多，而且它在我们实际生活中也得到了非常广泛应用，如电动自行车，航模和微型玩具，所以激起了我们研制无刷电机的浓厚兴趣。本次毕业设计主要介绍了基于单片机的无刷电机的控制系统，我主要侧重于硬件方面的介绍。其中第一章主要介绍了无刷电机特点和工作原理；第二章主要介绍AT89C51单片机的系统结构和内部功能模块；第三章主要介绍了硬件电路的设计，其中包括：驱动模块的设计、控制模块的设计、测速模块的设计、过载保护模块的设计；第四章主要介绍了系统的调试，分为硬件调试、软硬联调及成品封装。本章中详细记述了在调试过程中出现的问题以及解决方案。最后附录了本次毕业设计的硬件电路连接图（包括控制电路原理图和测速电路原理图）、元器件清单、参考文献。由于时间和水平有限，我们的设计做的还不够完善的，在许多方面都需要进一步的改进和突破，比如板子可以设计得更加完美等。在这里希望大家集思广益，为我们多提宝贵意见和建议。设计中的错误和不足之处在所难免，恳请各位老师、同学批评指正。第1页共47页第1章无刷电机1.1无刷电机概述1.1.1无刷电机的特点传统的直流电机以其优良的转矩特性和调速性能在运动领域中有着广泛的应用，但机械电刷却是它的致命弱点。电刷的存在带来了一系列的问题，如：存在机械摩擦、噪声、电火花无线电干扰及寿命短，再加上它制造成本高及维修困难等缺点，从而大大地限制了它的应用范围。无刷直流电动机就是为了既要保持有刷直流电动机的优异特性，又要革除电刷和换向器的“顽疾”为目的而研制的。控制系统中的执行电动机应该具有下列优点：快速性、可靠性高、体积小、重量轻、节能、效率高、适应环境和经济性。下面就这些方面具体分析无刷直流电动机的优点所在。表1-1是目前应用较为广泛的几种电动机的基本性能的比较：基本性能电机类型效率体积控制特性技术性能结构寿命电机本体成本直流电动机较高小好短高无刷直流电动机高小较好长高交流电动机低大一般长低开关磁阻电动机较低较小较好长低在快速性方面，无刷直流电动机的转子是由永磁材料构成的磁极体，电枢绕组在定子上，因而转子外径相对较小，转子转动惯量因而也较小；在转矩方面，有直流电动机才能达到大的起动转矩和最大转矩，而无刷直流电动机具有直流电机的特性，从而起动转矩和最大转矩都较大。因此无刷直流电动机可以实现快速的起、停、加速和减速。在可控性方面，直流电动机的输出转矩和绕组流过的电流成线性关系，直流电动机的起动转矩又大，因此可控性很好、很方便。无刷直流电动机的输出特性和一般有刷的直流电动机很相似，只要简单的改变电动机的输入电压的大小就可以实现在很大的范围内进行无极调速。第2页共47页在可靠性方面，因为其消除了电刷和换向器，所以也就消除了故障的主要根源，由于无刷直流电机的转子上没有绕组，因此转子上没有电的损耗，又由于主磁场是恒定的，因此铁损也是极小的(在方波电流驱动时，电枢磁势的轴线是脉动的，会在转子铁心内产生一定的铁损)。总的来说除了轴承旋转产生的摩擦损耗外，转子方面的损耗很小，因而进一步增加了可靠性。因此可知：和其它类型的电动机相比，无刷直流电动机不仅较为可靠而且损耗较小，它的电枢在定子上，直接与机壳相连，散热条件好，热传导系数大，由于这样的原因，在相同的条件下，在相同的出力要求下，无刷直流电动机可以设计的更小，重量更轻。无论是电机设计还是系统设计，提高效率、节约能源都具有重要的意义，有着长远的社会和经济效益。而异步电动机运行在轻载时功率因数低，增加了线路和网络的损耗，因此，提高电动机的效率，选择损耗最小、效率最高的电机是很重要的。在环境适应性方面，对于高性能的系统，如果只能采用直流电动机，但同时又要求长寿命，免维护以及防爆，易燃的环境条件下，有刷直流电动机就无能为力了，无刷直流电动机是最好的选择。在经济性方面，随着电子技术的进步，电子工业的发展，电子元器件的价格不断的下降。在国外的市场上，无刷直流电动机驱动，控制器的价格已经和异步电动机的变频器相差不多了。不过由于稀土永磁材料的价格较贵，电机的成本也相应较高。但是考虑到综合指标(系统性能，重量，能量消耗等)之后，无刷直流电动机的应用仍处于上升的趋势。1.1.2无刷电机的发展历史及应用4无刷直流电动机自1962年问世以来，现已广泛应用于计算机外围设备、办公自动化设备、家电产品、音像设备、汽车、电动车、数控机床、机器人、医疗设备、宇宙飞船、人造卫星等方面和领域。70年代初，随着电机技术及其相关学科的迅猛发展，无刷直流电机进入了实用阶段，在计算机外设等领域开始应用，还先后研究成功方波和正弦波无刷直流电机。近40年来，“无刷直流电机”的概念已由最初的具有电子换向器的直流电机发展到泛指一切具有传统直流电机外部特性的电子换向电机。如今的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，形成为新一代电动调速系统，且体现着当今应用科学的许多最新成果，因此其是机电一体化的高科技产物，在各个领域得到第3页共47页了广泛的应用。80年代，无刷直流电机得到了迅猛的发展和推厂应用，这主要是由于大功率开关器件和人规模专用集成电路技术高速发展的结果。进入90年代以来，无刷直流电机调速系统的逆变装置中的开关元件不仅成本降低，而且向高频化、大容量化、小型化、智能化发展。在我国，无刷直流电机的研制始于70年代初期，作为高科技产品受到了我国基础工业落后的制约，其综合水平低于国际水平，大约相当于国外70年代末80年代初的水准。目前，国内研究单位开展无刷直流电机的研究已有时日，积累了丰富的设计理论和设计经验，只是由于自身条件而没有达到规模化生产，大部分仍处于仿真或实验阶段。如今，随着微电子技术的迅速发展和微处理器技术的日益更新，高速微处理器和DSP(数字信号处理器)的出现，以及专用控制芯片的出现，使得无刷直流电动机控制系统的运行速度、处理能力和基本性能有了很大的改善。1.2无刷电机工作原理1.2.1无刷电机结构1无刷直流电动机通常是由电动机、转子位置传感器和功率开关电路三部分组成。位置检测器的作用是检测转子的位置，相当于直流电动机的电刷，为电子换向提供转子的位置信息，实现无接触式的电子换向。位置检测器的种类很多，有电磁式、光电式、霍尔元件式和接近开关式，本次控制系统设计中所使用的是霍尔式位置传感器。图1-1为直流无刷电动机的工作原理图。图1-1无刷直流电动机的工作原理图电动机本体由一定磁极对数的永磁钢转子(亦称主转子)和一个多相的电枢绕组(亦第4页共47页称主定子)组成，如图1-2所示。1-定子2-转子3-传感器定子4-传感器转子5-电子换相开关电路图1-2无刷直流电动机结构示意图转子的结构有两种：一种是将瓦片状的永磁贴在转子外表上，如图1-3(a)所示，称为凸极式；另一种是将永磁体内嵌到转子铁心中，如图1-3(b)所示，称为内嵌式。定子上开有齿槽，齿槽数与转子极数和相数有关，应是它们的整数倍。图1-3永磁转子结构类型电枢绕组分为开启式和闭合式两种，固定在定子铁心槽内。电枢铁心由硅钢片叠压而成。电枢绕组接法有三相星形接法、四相星形接法、三相角形接法、四相闭合式接法、二相正交式接法。其绕组的端头和相应的电子开关电路连接。为了改善齿谐及减少转矩波动，电枢绕组可采用分数槽绕组。第5页共47页1.2.2无刷电机的位置传感器1位置传感器是一种无机械接触的检测转子位置的装置，由传感器转子和传感器定子组成。前者与主转子同轴旋转；后者安装在定子机壳内，它能够提供信号，并按照一定的逻辑关系去触发电子换向开关电路。常用直流无刷电动机的位置传感器有如下三种：1电磁式位置传感器电磁式位置传感器是利用电磁效应来实现位置测量的，其结构如图l-4所示。定子是由高频导磁材料的铁心制成，一般有6个极，且等间距分布，每个极上都绕有线圈，相互间隔的3个极为同一绕组，接高频电源，作为励磁极；另外3个极都有自己独立的绕组，作为感应极，是传感器的输出端。转子是一个由非导磁材料制成的圆盘，其上镶嵌有扇形的导磁材料。转子与电动机轴连在一起，随着电动机同步转动。图1-4电磁式位置传感器原理图2光电式位置传感器光电式位置传感器是利用光电效应进行工作的，其结构如图l-5所示。它由发光二极管、光敏接收元件、遮光板组成。发光二极管和光敏接收元件分别安装在遮光板的两侧，固定不动，遮光板安装在转子上，并随转子一起转动。遮光板上开有120度的扇形口，扇形口的数目与转子磁极的极对第6页共47页数相等。当遮光板的图1-5光电式位置传感器原理图扇形口对着某个光敏接收元件时，该元件因接收到发光二极管发出的光而产生光电流输出；而其他接收元件被遮光板遮住，接收不到光，没有输出。这样，随着转子的转动，光敏接收元件轮流接收光信号而产生输出，由此可判断转子所处的位置。光敏元件的输出较弱，其后需要接整形放大电路，并输出脉冲信号。3霍尔式位置传感器霍尔式位置传感器是利用霍尔效应进行工作的。霍尔效应是一种磁电效应，是德国物理学家霍尔1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。当电流垂直于外磁场方向通过导体时，在垂直于磁场和电流方向的导体的两个端面之间出现电势差的现象称为霍尔效应，该电势差称为霍尔电势差（霍尔电压）。图1-6霍尔效应A、B-霍尔电极C、D-控制电极如图1-6，半导体材料的长、宽、厚分别为、和。在与X轴相垂直的两个端面和上做两个金属电极，称为控制电极。在控制电极上外加一电压，材料中便形成一个沿X方向流动的电流I，称为控制电流。设图中的材料是N型半导体，导电的载流子是电子。在Z轴方向的磁场作用下，电子将受到一个沿Y轴负方向力的作用，这个力就是洛仑兹力。洛仑兹力用FL表示，大小为：FL=qvB式中，q为载流子电荷；为载流子的运动速度；B为磁感应强度。在洛仑兹力的作用下，电子向一侧偏转，使该侧形成负电荷的积累，另一侧则形第7页共47页成正电荷的积累。这样，A、B两端面因电荷积累而建立了一个电场EH，称为霍尔电场。该电场对电子的作用力与洛仑兹力的方向相反，即阻止电荷的继续积累。当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有qEH=qvB霍尔电场的强度为EH=vB在A与B两点间建立的电势差称为霍尔电压，用UH表示UH=EHb=vBb利用这一原理可以设计制成霍尔位置传感器，霍尔器件通过检测磁场变化，转变为电信号输出，可用于监视和测量物体运行参数的变化。例如位置、位移、角度、角速度、转速等等，并可将这些变量进行二次变换；可测量压力、质量、液位、流速、流量等。在本次毕业设计中，装在无刷电机永磁定转子上的位置传感器便是霍尔位置传感器，单片机根据霍尔信号检测出转子的位置，从而实现对无刷电机的控制。并通过单片机P3.3口检测出单位时间内发出的霍尔信号脉冲数，从而确定了无刷电机的运行速度。表l-2给出了几种位置传感器的构成及主要特点。表1-2位置传感器的构成及主要特点类别构成主要特点霍尔式传感器定子（按一定次序配置的霍尔元件、磁敏二极管或三极管等磁敏元件）、传感器转子（永磁体）霍尔元件体积小，对温度较敏感，正反转控制方便，并能提供随转子位置作正弦变化的信号电磁式传感器定子(按一定次序配置的开口变压器等电磁元件)、传感器转子(导磁片)结构可靠，输出信号大而稳定，对环境要求不高，体积大，抗震光电式传感器定子(按一定次序配置的光敏二极管、三极管、发光二极管或固态光源等光电元件)，传感器转子(由光栏形成的旋转的光束)光敏二极管、三极管受环境影响较大，光源易损，光源耗电较大；采用发光二极管或固态光源，结构简单，体积小第8页共47页1.2.3无刷电机工作原理无刷直流电动机通常是由电动机本体、位置传感器和驱动电路三部分组成。电动机本体的主要特点是，采用永磁转子，而定子结构类似与交流感应电动机，采用三相或两相绕组，几乎雷同于永磁同步电动机2。工作原理如图1-6所示：图1-6无刷电机工作原理图要让电机转动起来，首先电子换相电路必须根据霍尔位置传感器(hall-sensor)感应到的电机转子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启(或关闭)功率开关的顺序，如上图1-6中A、B、C(这些称为上臂功率MOSEFT)及X、Y、Z(这些称为下臂功率MOSEFT)，使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机正/反向转动。当电机转子转动到霍尔位置传感器感应出下一组信号的位置时，电子换相电路又再开启下一组功率MOSEFT，同时关闭上一组功率MOSEFT。每组功率MOSEFT在空间上导通600，每隔六分之一电周期，功率MOSEFT切换一次。每组功率MOSEFT的组合为：上臂功率MOSEFT和下臂功率MOSEFT各选通一只，但决不能AX、BY、CZ作为一组功率MOSEFT来使用。此外因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭，下臂(或上臂)就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率MOSEFT烧毁。如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到电子换相电路决定要电机转子停止则关闭功率MOSEFT(或只关闭上/下臂功率MOSEFT)；如果要电机反转，则功率MOSEFT第9页共47页开启相序相反即可。例如：图1-6中电机正转时功率MOSEFT的开启顺序如下：A、Z开启B、Z开启B、X开启C、X开启C、Y开启A、Y开启电机反转时功率MOSEFT的开启顺序如下：A、Y开启C、Y开启C、X开启B、X开启B、Z开启A、Z开启正转各功率MOSEFT导通状态如下图1-7所示：图1-7各功率开关导通状态第10页共47页第2章AT89C51单片机简介目前，89C51单片机在工业检测领域中得到了广泛的应用，成为市场上的主流。89C51是ATMEL公司生产的一种单片机，在一小块芯片上集成了一个微型计算机的各个组成部分。每一个单片机包括：一个8位的微型处理器CPU；一个256K的片内数据存储器RAM；片内程序存储器ROM；四个8位并行的I/O接口P0-P3，每个接口既可以输入，也可以输出；两个定时器/记数器；五个中断源的中断控制系统；一个全双工UART的串行I/O口；片内振荡器和时钟产生电路，但石英晶体和微调电容需要外接，最高允许振荡频率是12MHZ。2.1AT89C51单片机结构32.1.1中央处理器（CPU）中央处理器（CPU）是单片微型计算机的指挥、执行中心。由它读入用户程序，并逐条执行指令，它是由8位算术逻辑运算部件(简称ALU)、定时控制部件，若干寄存器A、B、PSW、以及16位程序计数器(PC)和数据指针寄存器(DM)等主要部件组成。算术逻辑单元的硬件结构与典型微型机相似。它具有对8位信息进行+、-、x、/四则运算和逻辑与、或、异或、取反、清“0”等运算，并具有判跳、转移、数据传送等功能，此外还提供存放中间结果及常用数据寄存器。控制器部件是由指令寄存器、程序计数器PC、定时与控制电路等组成的。指令寄存器中存放指令代码。执行指令时，从程序存储器中取来经译码器译码后，根据不同指令由定时与控制电路发出相应的控制第11页共47页信号，送到存储器、运算器或I/O接口电路，完成指令功能。程序计数器PC用来存放下一条将要执行的指令，共16位，指令执行结束后，PC计数器自动增加，指向下一条要执行的指令地址。CPU功能，总的来说是以不同的方式，执行各种指令。不同的指令其功能略异。有的指令涉及到各寄存器之间的关系；有的指令涉及到单片机核心电路内部各功能部件的关系；有的则与外部器件如外部程序存储器发生联系。令CPU发出一系列在时间上有一定次序的信号，控制和启动一部分逻辑电路，完成某种操作。2.1.2AT89C51引脚及其功能AT89C51单片机采用40个引脚双列直插式封装,其中有2个专用于主电源引脚，2个外接晶振的引脚，4个控制或电源复位的引脚，以及32条输入输出I/O引脚。下面将设计中涉及到的引脚功能分为4个部分叙述各个引脚的功能。1、电源引脚Vcc和VssVcc（40脚）：芯片工作电源输入端接+5V电源；Vss（20脚）：芯片工作接地端。2、外接晶振引脚XTAL1和XTAL2XTAL1（19脚）、XTAL2（20脚）：接外部石英晶体振荡器。在单片机内部，采用内部时钟方式时，在C1和C2引脚上接石英晶体和微调电容可以构成振荡器，振荡频率的选择范围为1.212MHZ；如图2-1所示：图2-1内部振荡源3、控制信号与电源复位引脚控制信号与电源复位引脚为EA/VPP和RST/VPD：（A）RST/VPD（9脚）：RST即为RESET，VPD为备用电源，所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。当单片机振荡器工作时，该引脚上出现持续两个机器周期的高电平，就可实现复位操作，使单片机复位到初始状态。复位电路如图2-2所示：图2-2手动复位电路Y1C130pFC230pF89C51XTAL1XTAL2GND第12页共47页当VCC发生故障，降低到低电平规定值或掉电时，该引脚可接上备用电源VPD（+5V）为内部RAM供电，以保证RAM中的数据不丢失。（B）EA/Vpp（31脚）：EA为访问外部程序储器控制信号/编程电压输入端，低电平有效。当EA端保持高电平时，片内存储器有效，单片机访问片内程序存储器4KB（MCS51子系列为8KB）。若超出该范围时，自动转去执行外部程序存储器的程序。当EA端保持低电平时，无论片内有无程序存储器，均只访问外部程序存储器。对于内部有程序存储器的单片机EA=0，对于内部无程序存储器的单片机EA=1。在设计中EA必需接+5V。4、输入/输出（I/O）引脚P0口、P1口、P2口及P3口(A)P0口（39脚22脚）：P0.0P0.7统称为P0口。当不接外部存储器与不扩展I/O接口时，它可作为准双向8位输入/输出接口。当接有外部程序存储器或扩展I/O口时，P0口为地址/数据分时复用口。它分时提供8位双向数据总线。由于P0口内部没有拉高电阻，所以在实际应用中常外接330欧姆上拉电阻。设计中P0口分别用作按钮指示灯显示和数码管显示端口。(B)P1口（1脚8脚）：P1.0P1.7统称为P1口，内部自带上拉电阻，可作为准双向I/O接口使用。设计中P1口用作位置传感器的霍尔信号的检测口。(C)P2口（21脚28脚）：P2.0P2.7统称为P2口，内部自带上拉电阻，一般可作为准双向I/O接口。当接有外部程序存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256个字节时，P2口用于高8位地址总线送出高8位地址。设计中P2口分别用作MOSEFT的控制端和数码管的位选端。(D)P3口（10脚17脚）：P3.0P3.7统称为P3口，内部自带上拉电阻。它为双功能口，可以作为一般的准双向I/O接口，也可以将每1位用于第2功能，而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第1功能的输入输出或第2功能。P3口的第2功能见下表2-1：表2-1AT89C51的P3口管脚含义引脚第2功能P3.0RXD（串行口输入端0）P3.1TXD（串行口输出端）P3.2INT0（外部中断0请求输入端，低电平有效）第13页共47页在设计中，P3口既作为I/O接口使用，又作为第2功能来使用，分别用作电机控制口和测速端口。综上所述，MCS51系列单片机的引脚作用可归纳为以下两点：1).单片机功能多，引脚数少，因而许多引脚具有第2功能；2).单片机对外呈3总线形式，由P2、P0口组成16位地址总线；由P0口分时复位作为数据总线。附:AT89C51的管脚如图2-3所示：图2-3AT89C51管脚图2.2中断系统计算机都具有实时处理功能，能对外界异步发生的事件作出及时的处理，这是依靠它们的中断来实现的。所谓中断是指中央处理器在处理某件事情的时候，外部发生P3.3INT1（外部中断1请求输入端，低电平有效）P3.4T0（时器/计数器0计数脉冲输入端）P3.5T1（时器/计数器1数脉冲输入端）P3.6WR（外部数据存储器空间写通信号输出端，低电平有效）P3.7RD（外部数据存储器空间读信号输出端，低电平有效）第14页共47页了某一事件（如定时器计数溢出），请求CPU迅速去处理，CPU暂时中断当前的工作，转入处理所发生的事件，处理完以后，再回到原来中断的地方，继续原来的工作。这样的过程就称为中断。实现这种功能的部件称为中断系统。产生中断的请求源就成为中断源。AT89C51单片机内部有五个中断源，分别是外部中断0、定时器T0、外部中断1、定时器T1、和串行口中断。在这次的编程中就用到了前四个中断。这五个中断的入口地址各不相同，如表2-2所示：表2-2中断入口地址中断源入口地址外部中断00003H定时器T0000BH外部中断10013H定时器T1001BH串行口中断0023H典型的单片机可以实现二级中断服务程序嵌套，每个中断源可以编程为高级中断，或低优先级中断，允许或禁止向CPU请求中断。与中断系统有关的特殊功能寄存器有中断允许寄存器IE、中断优先级控制寄存器IP、中断源寄存器（TCON，SCON中的有关位）。2.2.1中断源89C51单片机的中断源共有五个，其中2个外部中断源INT0（P3.2）和INT1（P3.3），3个内部中断源，分别是定时器/计数器T0、T1的溢出中断源和串行口的发送接受中断。这些中断源分别锁在TCON、SCON的相应位中。1、外部中断源（2个）INT0、INT1上输入的两个外部中断源和它们的触发方式控制位存在特殊寄存器TCON的低四位，TCON的高四位为T1、T0的运行控制位和溢出标志位：D7D6D5D4D3D2D1D0-IE1IT1IE0IT0第15页共47页IT0/IT1外部中断0/1触发方式控制位。IT0/IT1=0，外部中断0/1为电平触发方式；IT0/IT1=1，外部中断0/1为边沿触发方式。IE0/IE1外部中断0/1请求源（INT0，P3.2/INT1，P3.3）标志。IE0/IE1=1外部中断0/1向CPU请求中断，当CPU响应该中断时，由硬件清“0”IE0/IE1（边沿触发方式）。2、内部中断源（3个）定时器/计数器T0的溢出中断TF0（TCON.5）：T0被允许计数以后，从初值开始加1计数，当产生溢出时置“1”IF0，向CPU请求中断，一直保护到CPU响应该中断时才由硬件清零（也可以由查询程序清零）。定时器/计数器T1的溢出中断TF1（TCON.7）：其功能与TF0相同。串行口中断：串行口的接收中断RI（SCON.0）和发送中断TI（SCON.1）逻辑或以后作为内部的一个中断源。2.2.2中断控制单片机对中断源的开放或屏蔽，每个中断源是否允许中断，是由89C51内部的中断允许寄存器IE控制的（IE为特殊功能寄存器，它的字节地址为A8H），其格式如下：D7D6D5D4D3D2D1D0EA-ESET1EX1ET0EX0EACPU的中断开放标志.EA=1,CPU开放中断;EA=0,CPU屏蔽所有的中断申请。ES串行口中断允许位。ES=1，允许串行口中断；ES=0，禁止串行口中断。ET1/ET0定时器/计数器T1/T0的溢出中断允许位。ET1/ET0=1，允许T1/T0中断；ET1/ET0=0，禁止T1/T0中断。EX1/EX0外部中断1中断允许位。EX1/EX0=1允许外部中断1/0中断；EX1/EX0=0，禁止外部中断1/0中断。2.3定时器第16页共47页2.3.1定时器功能1.定时操作：产生定时中断，实现定时采样输入信号，定时扫描键盘、显示器操作；2.测量外部输入信号：对输入信号累加统计或测量输入信号的周期参数；3.定时输出：定时触发输出引脚的电平，使输出脉冲的宽度、占空比、周期达到预定值，其精度不受程序状态的影响；4.监视系统正常工作：一旦系统工作异常时自动产生复位，重新启动系统正常工作。在89C51单片机内，与定时器/计数器T0、T1相关的特殊功能寄存器有：TH0、TL0、TH1、TL1、TMOD、TCON，另外还有中断控制寄存器IE、IP。TH0/TH1、TL0/TL1分别为T0/T1的16位计数器的高8位和低8位，TMOD为T0、T1的方式寄存器，TCON为T0、T1的控制寄存器，存放T0、T1的运行控制位和溢出中断标志位。通过对TMOD和TCON的初始化来选择T0、T1的工作方式和控制T0、T1的运行。在本次设计中我们对T0进行初始化编程来产生不同占空比的PWM波，实现对电机的调速功能，对T1进行初始化编程产生1s定时，来实现对电机的测速功能。2.3.2特殊功能寄存器TMOD和TCONTMOD为T0、T1的工作方式寄存器，其格式如下：D7D6D5D4D3D2D1D0GATEC/TM1M0GATEC/TM1M0T1方式字段T0方式字段TMOD的低四位为T0的方式字段，高四位为T1的方式字段，它们的含义是完全相同。1、工作方式选择位M1M0M1M0两位确定计数器的结构方式，其对应关系如表2-3所示:表2-3计数器的方式选择M1M0功能说明00方式0，为13位的定时器/计数器第17页共47页01方式1，为16位的定时器/计数器10方式2，为常数自动重新装入的8位定时器/计数器11方式3，仅适用于T0，分为两个8位计数器，T1在方式3时停止计数2、定时器和外部事件计数方式选择位C/T如前所述，定时器方式和外部事件计数方式的差别是计数脉冲源和用途的不同，C/T实际上是选择计数脉冲源。C/T=0为定时方式，C/T=1为外部事件计数方式。3、门控位GATE为1时，定时器的计数受外部引脚输入电平的控制（INT0控制T0的计数，INT1控制T1的计数）；GATE为0时定时器计数不受外部引脚输入电平的控制。控制功能寄存器TCON的高四位为定时器的计数控制位和溢出标志位，低四位为外部中断的触发方式控制位和锁存外部中断请求源。这里只对与定时器有关的高四位进行说明。TCON格式如下：D7D6D5D4D3D2D1D0TF1TR1TF0TR0IE1IT1IE1IT01.定时器T0/T1运行控制位TR0/TR1TR0/TR1由软件置位和清“0”。门控位GATE为0时，T0/T1的计数仅由TR0/TR1控制，TR0/TR1为1时允许T0/T1计数，TR0/TR1为0时禁止T0/T1计数；门控位GATE为1时，仅当TR0/TR1等于1且INT0（P3.2）/INT1（P3.3）输入为高电平时T0/T1才计数，TR0/TR1为0或INT0/INT1输入低电平时就禁止T0/T1计数。2.定时器T0/T1溢出标志位TF0当T0/T1被允许计数以后，T0/T1从初值开始加1计数，最高位产生溢出是置“1”TF0/TF1。TF0/TF1可以由程序查询和清零。TF0/TF1也是中断请求源，当CPU响应中断时由硬件清“0”TF0/TF1。第18页共47页第3章硬件设计3.1驱动模块的设计3.1.1MOSEFT管的选择由无刷电机工作原理可知，要让电机转动起来，首先要有三组功率开关管，即上桥臂功率MOSEFT和下桥臂功率MOSEFT如图3-1所示：第19页共47页G1G3G5G4G6G2+8.8MOTOR-BLDCMQ4IRF730Q1IRF9630Q3IRF9630Q5IRF9630Q6IRF730Q2IRF730图3-1无刷电机驱动电路设计中，上桥臂功率MOSEFT我选用的是IRF9630，下桥臂功率MOSEFT选的是IRF730。1.IRF9630IRF9630为P沟道增强型功率MOSEFT，封装及符号如图3-2所示：图3-2IRF9630封装及符号具体参数（TC=250C）如表3-1所示：表3-1IRF9630具体参数（TC=250C）名称符号最大值最小值单位漏源极电压VDS-200-V门源极电压VGS20-V漏极电流ID-6.5-A门坎电压VGS（TH）-4V2.IRF730第20页共47页IRF730为N沟道增强型功率MOSEFT，封装及符号如图3-3所示：图3-3IRF730封装及符号具体参数（TC=250C）如表3-2所示：表3-2IRF730具体参数（TC=250C）名称符号最大值最小值单位漏源极电压VDS400-V门源极电压VGS30-V漏极电流ID5.5-A门坎电压VGS（TH）-4V总的来说，对功率MOSEFT的选择是要慎重并综合考虑，不仅要考虑MOSEFT的型号参数，因为最初我在选管时，没有考虑到MOSEFT的型号，而把上桥臂功率MOSEFT也选用了N沟道增强型功率MOSEFT，结果烧毁了许多管子，之后经过查找资料仔细分析后才明白了管子烧坏的原因。因为上桥臂功率MOSEFT接的是高压端，当门极电压大于门坎电压时，漏源极导通，此时漏源极电压相等，导致门源极之间电压过大，是管子烧坏的直接原因。另外还要联系实际。因为无刷电机型号的不同，便要求选择不同型号参数的MOSEFT，同时还需根据市场来购买合适的MOSEFT。3.1.2功率MOSEFT的驱动跟双极性晶体管相比，一般认为使MOSEFT导通不需要电流，只要VGS（TH）电压高于一定的值，就可以了。在MOSEFT的结构中可以看到，在GS，GD之间存在寄生电容，而MOS管的驱动，实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流，因为对电容充电瞬间可以把电容看成短路，所以瞬间电流会比较大。选择/设计MOS管驱动时要注意的是可提供瞬间短路电流的大小。设计中我们是通过驱动器7407控制全桥驱动电路上桥臂的P沟道MOSEFT第21页共47页(V1、V3、V5)，通过与门7409控制下桥臂的N沟道MOSEFT(V4、V6、V2)。1.74077407为六高压输出缓冲器/驱动器，逻辑图及功能表如图3-4所示：功能表：图3-47407逻辑图功能表工作条件及参数如表3-3所示：表3-37407工作条件及参数名称符号最小值额定值最大值单位电源电压VCC4.7555.25V输入高电平电压ViH2-V输入低电平电压IiL-0.8A输出截止态电压V0（0FF）-30V2.74LS0974LS09为集电集开路输出的四组2输入端与门（正逻辑），逻辑图及功能表如图3-5所示：输入输出LLHH输入输出ABYLLLLHLHLLY=AB第22页共47页图3-574LS09逻辑图及功能表工作条件及参数如表3-4所示：表3-474LS09工作条件及参数名称符号最小值额定值最大值单位电源电压VCC4.7555.25V输入高电平电压ViH2-V输入低电平电压IiL-0.7A输出截止态电压V0（0FF）-5.5V附：驱动模块电路原理图上桥臂中电位器主要有两个作用：用作7407输出端的上拉电阻；用来调节HHH第23页共47页IRF9630的VGS电压，使IRF9630功耗达到最小值。3.2控制模块的设计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，所以，用微机实现对无刷直流电动机的数字控制是主要的控制手段。这里我们用的是AT89C51单片机，将其P2口作为输出，通过驱动器7407控制全桥驱动电路上桥臂的P沟道MOS场效应管(VI、V3、V5)，通过与门7409控制下桥臂的N沟道MOS场效应管(V2、V4、VS)。P3.7口作为PWM输出来控制电动机的转速；P1.0P1.2作为输入口，连接霍尔传感器的输出信号；P3.6、P3.5、P3.4、P3.2、P3.1、P3.0作为输入按钮，控制电机启动、正转、反转、停止、加速与减速。.P0.0P0.5作为输出口，用作按钮指示灯。附：控制模块电路原理图3.3测速模块的设计测速原理：利用定时器T1实现1S的采样周期，将霍尔信号接入AT89C51的P3.3（INT1）口，利用外部中断口实现对霍尔脉冲的计数，再经过算术运算来计算出电机的转速并由四位数码管显示，如图3-6所示：第24页共47页图3-6测速原理逻辑图本次设计中测速功能是由另一个AT89C51单独完成的，将某一端霍尔信号接入P3.3（INT1）口，P0口接数码管的码段端，P2.0P2.3为数码管的位选端。由于数码管显示采用的是动态扫描方式，故数码管选用的是共阴极管脚集成的数码管，管脚分配如图3-7所示：附：测速模块电路原理图代表选中的是数码管的最高位图3-7数码管管脚分配图第25页共47页3.4过载保护模块的设计保护原理：通过采样电枢回路中接地电阻两端的电压，利用LM324与基准电压进行比较，如果采样电压大于基准电压，则关闭下桥臂功率MOSEFT，达到停止电机运转的目的。过载保护电路主要是为了防止电机启动电流过大和电机负荷过大时而及时停止电机运行的保护电路。1.LM324LM324是四运放集成电路,采用14脚双列直插塑料封装,内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互独立。每组有5个引出脚,其中“+”、“-”为两个信号输入端,“V+”、“V-”为正、负电源端,“Vo”为输出端。两个信号输入端中,Vi-（-）为反相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的位相反;Vi+（+）为同相输入端,表示运放输出端Vo的信号与该输入端的相位相同。封装及符号如图3-8所示：图3-8LM324封装及符号2.LM324应用原理如图3-9为LM324应用原理图，功能表如表3-5所示：表3-5LM324功能表图3-9LM324的应用输入端输出端采样电压基准电压L采样电压=基准电压H第26页共47页输出端电压大小不仅取决于采样电压大小，而且还取决于“V+”正电源值大小，当“V+”正电源端电压固定时，采样电压与基准电压差值越大，输出的电压也越大。采样电阻应根据实际电枢回路的电流，尽量选择阻值小功率大的电阻。附：过载保护模块电路原理图第27页共47页第4章调试4.1硬件调试4.1.1驱动模块的调试将硬件按驱动电路原理图焊接好之后，首先要把电机驱动起来，这样一切工作才能顺利进行下去。调试时可以采用无位置传感器无刷电机的驱动方式，利用延时手段实现电机的定时换相。经检测，该电机的换相相序如表4-1、表4-2所示：表4-1电机正转表相序蓝黄白导通的管子控制字001V5、V61AH010V1、V234H011V1、V234H100V3、V429H101V5、V61AH110V3、V429H表4-2电机反转表相序蓝黄白导通的管子控制字110V1、V21AH101V5、V634H110V3、V434H010V1、V229H001V5、V61AH100V3、V429H其中蓝黄白分别为霍尔信号线，调试时可以先不接霍尔信号，电源电压选择低电压，利用延时手段实现电机的定时换相。此时电机转动的不是很平滑。但至少可以说第28页共47页明了驱动电路的设计还是成功的。4.1.2控制模块的调试控制电路可以说是整个设计中的指挥中心，它控制着电机启动、正转、反转、停止、加速与减速。按钮功能及硬件接口如下表4-3所示：表4-3按钮功能及硬件接口按钮功能硬件接口按钮1启动按钮并显示P3.6按钮2控制正转P3.5按钮3控制反转P3.4按钮4控制加速P3.1按钮5控制减速P3.0按钮6停止P3.2调试时可以通过软件先实现电机的正转、停止，再反转、停止，最后再实现加减速。由简单到复杂，逐步进行完善。同时我们还选用了六个发光二极管与按钮同步，当按下某一功能按钮时，对应的发光二极管就会点亮，这样就可以让我们对电机的运行状态一目了然。4.1.3测速模块与保护模块的调试测速电路的调试其实也是一个软件的调试过程