无刷直流电动机毕业论文

1、毕 业 设 计 论 文题 目 单片机无刷直流电机控制系统设计 （院）系 电气与信息工程系 专业 自动化 班级 0101 学号 0101110121学生姓名 李 选 辉 导师姓名 李 晓 秀 完成日期 2005年06月20日 湖南工程学院毕业设计论文湖南工程学院毕业设计（论文）任务书设计（论文）题目： 单片机无刷直流电机控制系统设计 姓名 李选辉 系别 电气与信息工程系 专业 自动化 班级 0101 学号 0101110121 指导老师 李晓秀 教研室主任 唐勇奇 赵葵银 一、 基本任务及要求： 本课题主要完成以MCS-51单片机为控制核心以无刷直流电机为控制对象调速系统的设计。 设计内容主要为

2、：永磁无刷直流电机工作原理分析及数学模型建立；系统的工作原理分析，系统总体方案设计；系统硬件电路设计；系统软件程序框图设计。 完成文献综述、开题报告及毕业设计说明书的撰写工作。 二、 进度安排及完成时间： 第13周：明确课题任务及要求，搜集课题所需资料，了解本课题研究现状、存在问题及研究的实际意义；写好选题报告和文献综述。 第45周：毕业实习 第67周：查阅相关资料，自学相关内容，确定课题方案。 第811周：系统硬件、软件设计。 第1214周：整理资料，撰写毕业设计论文。 第15周：毕业论文审定、打印，答辩准备 第16周：答辩 目 录摘 要AbstractII第1章 绪论11.1无刷直流电动机

3、概述11.1.1无刷直流电动机的特点11.1.2无刷直流电动机的发展趋势及应用现状21.2本课题研究的意义以及主要工作3第2章 无刷直流电动机PWM控制52.1无刷直流电动机控制系统中的PWM控制器52.1.1脉宽调制器52.1.2逻辑延时环节62.1.3功率管的驱动72.2脉宽调制（PWM）变换器72.2.1双极式可逆PWM变换器72.2.2单极式可逆PWM变换器102.2.3单极式与双极式可逆PWM变换器的比较用11第3章 无刷直流电动机调速系统硬件设计133.1主回路简介133.2无刷直流电动机153.2.1无刷直流电动机的工作原理153.2.2无刷直流电动机的运行特性163.3单片机及

4、其接口电路设计193.3.1 单片机简介193.3.2 单片机接口电路设计213.4 逻辑判断电路及功率驱动243.4.1 逻辑判断电路243.4.2功率驱动电路26第4章 无刷直流电动机调速系统软件设计284.1主程序流程图284.2中断采样子程序流程图29结束语30参考文献31附录 32单片机无刷直流电机控制系统设计摘 要: 本文介绍了无刷直流电动机的特点及发展、脉宽调速在无刷直流电动机控制中的应用情况、单片机无刷直流电动机调速系统设计方法。单片机无刷直流电动机调速系统的硬件设计是本文的重点内容，系统选用与8051单片机全兼容的、具有新功能的8位单片机Cygnal C8051单片机为核心，

5、并外加逻辑电路构成控制器，主回路开关器件采用IGBT，实现了PWM桥式调制方式的电机数字控制。在设计中，对主电路电流和转子速度进行了检测，实现电流和转速的反馈控制，使系统能够满足控制要求。关键词：无刷直流电动机；PWM；单片机 Design of brushless DC motor control system on single-chip computerAbstract：This text introduces to have no characteristics and development, the vein breadths of brushless the DC motor t

6、o adjust soon in have brushless the DC motor to control of applied circumstance, a machine brushless the to ad DC motor to just soon system design method.A machine brushless the a DC motor to djust soon system of hardware design is a textual point contents, the system choose to use are whole with 80

7、51 machines and permit of, have the new function of 8 machines Cygnal C8051 a machine is a core, and the in addition logic the electric circuit constitute the controller, main back track the switch machine an adoption IGBT, the electrical engineering numeral that carried out the PWM bridge type to m

8、ake the way control.In the design, to the main electric circuit electric current and turned the sub- speed to carry on the examination, carry out the electric current and feedback control turn soons, can make the system satisfy the control request.Keyword: brushless the DC motor;PWM;A machineII湖南工程学

9、院毕业设计论文第1章 绪 论11 无刷直流电动机概述1.1.1 无刷直流电动机的特点根据对国内、外技术文献的检索及同类产品的分析，无刷直流电动机的特点主要表现在以下方面： （1）特殊的转矩/惯量比和峰值转矩，快速启动和减速。（2）良好的高速能力。（3）良好的控制性能。（4）较小的纹波，在各种速度下的平滑运行。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。无刷直流电动机就是为了既要保持有刷直流电动机的特性、又要革除电刷和换向器的目的研究开发的。控制系统中的执行电动机应该具有下列优点:快速性、可控性、可靠性、体积小、重量轻、节能、效率高、适应环境

10、和经济性。下面将就这些方面具体分析无刷直流电动机的优点所在。为了实现快速的起、停、加速、减速，要求电动机具有小的转动惯量和大的起动转矩和最大转矩，无刷直流电动机的转子主要是由永磁材料构成的磁极体组成，电枢绕组在定子上，因而转子外径可以相对较小，转子惯量也就较小;转矩方面，只有直流电动机才能达到大的起动转矩和大的最大转矩，而无刷直流电动机具有直流电动机的特性，起动转矩和最大转矩都较大。这使得它具有快速性的特点。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，因此可控性最好、最方便。无刷直流电动机具有一般有刷直流电动机的调速特性，只要简单地改变电动机的输入电

11、压的大小就可以在广阔的范围内进行无级调速。在可靠性方面，消除了电刷，也就消除故障的主要根源，无刷直流电动机的转子上没有绕组，因而在转子上没有电的损耗，又由于主磁场使恒定的，因此铁损也是极小的，总的来说，除了轴承旋转产生摩擦损耗外，转子方的损耗很小，进一步增加了无刷直流电动机工作的可靠性。由此可知 ，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，直接和机壳相连，散热条件好，热传导系数大。由于这样的关系，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得体积更小，重量更轻。不论是电机设计还是系统设计，提高效率、节约能量都具有重要意义，有着长远的社会、经

12、济效益。据报道，美国55%以上的电力是消耗在电动机的运行上，美国GE公司曾预测，仅在制冷器具的应用中，若用无刷电机取代传统的异步电动机，其效率可提高20%，全美国一年可节约用电2.2MkWh。而异步电动机运行在轻载时功率因素低，增加线路和电网的损耗，根据有关报导。我国消耗在电动机上的电力占整个电力的65%以上。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。从以上的分析可以看出，相对于其他类型的电机，无刷直流电动机的损耗最小、节能效率最高。一份资料作过对比分析，对于7.5kW的异步电动机系统效率可达86.4%，但是同样容量的无刷直流电动机效率可达92.4%。在环境适应性方面，对

13、于高性能系统，只能采用直流电动机，但在同时要求长寿命，免维修以及防爆、防燃的环境条件下，有刷直流电动机就无法适应，无刷直流电动机才是最好的选择。在经济性方面，随着电子技术的发展，电子元器件的价格不断的下降，无刷直流电动机驱动、控制器的价格己经和异步机的变频器相差不多了，只是由于稀土永磁材料的价格较贵，无刷直流电动机的成本也较高.但是在考虑综合指标(系统性能、重量、能量消耗)之后，无刷直流电动机的应用仍呈上升趋势1。1.1.2 无刷直流电动机的发展趋势及应用现状（1）无刷直流电机方面为了要保持有刷直流电动机的优异特性，特别在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

14、、节能、效率高、适应环境和经济性。因此可知，无刷直流电机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，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。无论是电机没计还是系统设计，提高效率、节约能源都具有重要的意义在无刷直流电动机的控制技术方面，无刷直流电动机控制系统正由传统的模拟控制技术转向微处理器控制的数字技术。数字控制技术使得许多硬件工作都有软件来完成，这样，减少了硬件电路，提高了可靠性和性能，减小了尺寸，提高了效率。数字控制技术不仅使系统获得高精度、高可靠性，还为新的控制理论

15、。特别是适用于实时控制的工业单片机和高速数字信号处理器(DSP)在调速系统中的应用，这大大简化了系统结构，提高了系统的性能。因此在今后的相当长时间内发展基于微处理器的全数字式变频调速系统将一直是研究的重点。无刷直流电动机的发展趋势是实现机电一体化产品, 除了传统的电机本体外, 还必须带传感器, 以检测定、转子之间相对位置。而且离开了驱动控制电路, 它不可能运行。同样的, 电子技术和电子元件的发展又进一步推动无刷直流电动机的发展，只要表现在：（2）电力电子技术及微处理技术对无刷刷直流电动机的影响 电子技术的发展，使用电子整流技术的永磁无刷电动机成本大幅度下降。由于永磁无刷电动机在原理上具有高可靠

16、、高效率的优点，因此，永磁无刷直流电动机将逐步应用于更多的领域，特别是将会在家电中普遍应用，逐步取代传统结构的不易控制的交流电机和机械整流的直流电机。无刷直流电动机成为当今小电机发展的趋势，具有广泛的市场前景。综上所述，永磁无刷电动机技术随着永磁材料的不断提高和完善，以及电力电子技术的进一步发展，永磁无刷电动机研究和开发经验的积累逐步走向成熟，使永磁无刷电动机的应用、开发进入一个新的阶段3。1.2本课题研究的意义以及主要工作无刷直流电动机有着很多其它电动机无可比拟的优点使得它在很多领域得到了很广泛的应用。（1）首先无刷直流电动机在计算机外设和办公自动化设备中的应用；（2）无刷直流电动机在家用电

17、器中的应用；（3）无刷直流电动机在工业中的应用；（4）无刷直流电动机在汽车、摩托车、自行车等交通工具中的应用；（5）无刷直流电动机在其他领域的应用。因此，无刷直流电动机在将来会有更广阔的应用市场。虽然我国和国外在电机制造技术的差距不大，而控制系统的研究和开发却需要加大力度。从另外一个角度来讲，我国的稀土资源特别丰富，占世界总储量的75%，发展永磁无刷直流电动机产业对发展我国的经济有特殊的意义。但是由于无刷直流电动机固有的特点，常规的控制方法必须有位置传感器，但这有带来了种种的限制，因此，研究无位置传感器无刷直流电动机调速系统也很有必要。开发单片机控制的无位置传感器无刷直流电动机调速系统。单片机

18、选用的是Cygnal C8051此外，本课题选用的无位置检测方法是检测续流二极管的导通来实现转子位置的获取。综上所述，本课题的工作重点放在单片机的应用、数字控制器、无位置传感器转子位置检测上。主要工作有：(1) 设计无位置传感器无刷直流电机调速系统装置井完成硬件上连接；(2) 编写相应的软件；(3) 调试系统，实现无位置传感器无刷直流电机调速系统装置在开环控制条件下的运行；(4)实验结果的分析。第2章 无刷直流电动机PWM控制2.1 无刷直流电动机控制系统中的PWM控制器2.1.1 脉宽调制器脉宽调制即PWM(Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲宽度进行调制的技术，即通

19、过对一系列的脉冲宽度进行调制，来等效地获得所需波形。PWM驱动是利用大功率管的开关特性，按固定频率来接通和断开，并根据需要改变一个周期内“接通”与“断开”时间的长短，通过改变无刷直流电动机定子绕组上电压脉冲的占空比来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。图2.1即为无刷直流电动机单相绕组PWM驱动电路的原理框图。由于PWM控制器的主电路元件工作在开关状态，因此控制器的损耗小、效率高。图2.1无刷直流电动机单相绕组PWM驱动电路原理框图从以上原理框图可见，无刷直流电动机PWM控制器可分成两大部分:控制电路和逆变主电路。PWM控制系统的控制电路由脉宽调制器、逻辑延时环节、脉冲分配和功率管驱动电

20、路、保护电路等基本电路组成。脉宽调制器是一个电压脉冲变换装置，在双闭环速度控制系统中由电流调节器的输出进行控制，为PWM变换器提供所需的脉冲信号，其脉冲宽度与控制电压成正比。常用的脉宽调制器有以下几种:用锯齿波或三角波作调制信号的脉宽调制器；用多谐振荡器和单稳态触发器组成的脉宽调制器；数字式脉宽调制器。脉宽调制器由恒频率波形发生器和脉冲宽度调制电路组成。恒频率波形发生器的作用就是产生频率恒定的振荡源作为比较的基准，如三角波。脉冲宽度调制电路，实际上就是电压/脉宽转换电路(简称V/W电路)，是PWM信号的形成电路。调制产生PWM信号的工作原理如图2.2所示。图2.2 PWM信号的形成原理图2.2

21、（a)是电压比较器，输入信号为图2.2（b)中的Ui。在电压比较器的两个输入端输入控制信号和三角波信号，则比较器的输出将按以下规律变化:时，输出正的电压+Ucc; ,输出负的电压Udd。由此即可产生PWM脉冲信号。2.1.2 逻辑延时环节图2.3脉宽调制与逻辑延时在可逆双极性PWM变换器中，H桥的上、下两个晶体管经常交替工作，由于晶体管具有关断时间，在这段时间内晶体管并未完全关断，容易造成上、下两管直通，从而使电源短路，为了避免发生这种情况，就要设置逻辑延时环节加以保护，如图2.3。2.1.3 功率管的驱动脉宽调制器输出的脉冲信号经过逻辑延时后，与位置传感器信号处理及逻辑分配电路输出的电机绕组

22、选通信号合成后，送给驱动电路作功率放大，以驱动桥式逆变主回路的电力晶体管，保证它饱和导通和可靠关断，每个电力晶体管应有独立的驱动电路，桥臂上部晶体管的驱动电路应采用浮地驱动技术。随着集成电路技术的发展，专用的驱动集成电路己经出现。如具有六路驱动电路的集成芯片IR2113，甚至驱动电路与桥式逆变主回路集成在一起的驱动功率模块也已出现，它们具有集成度高、可靠性高、速度快、调试方便等特点，这些对于缩小控制器的体积、提高系统的可靠性具有显著的优点。2.2 脉宽调制(PWM)变换器PWM控制系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。PWM变换器分为不可逆和可逆两类。不可逆PWM变换器仅在一、二

23、两个象限中运行;可逆PWM变换器则可在四个象限中运行，工作于正转电动、正转制动、反转电动和反转制动四种状态，因而，伺服系统中多采用可逆PWM变换器。可逆PWM变换器常用H型桥式变换器结构型式，它在控制上分为双极式、单极式和受限单极式三种。结合本课题，本文着重分析双极式和单极式可逆PWM变换器，并选择出适合本课题的PWM变换器型式。2.2.1 双极式可逆PWM变换器图2.4绘出了H型双极式可逆PWM变换器的原理图。Q1,Q 4同时导通和关断，而Q2,Q3则同时关断和导通，它们的控制电压波形示于图2.5。图2.4 H型双极式可逆PWM变换器图2.5 双极式PWM变换器控制电压波形在一个开关周期内，

24、当0tton时，Ul和U4为高电平，Q1,Q4饱和导通：而U2和U3为低电平，Q2,Q3截止。这时，+V加在电枢两端，电枢电流如图2.4 (a)中的流通方向。当tontT时，Ul和U4变为低电平，Q1，Q4截止;而U2和U3变通，因为在电枢电感释放电能的作用下，电流如图2.4 (b)中的流通方向经续流二极管VD2,VD3续流。这时，-V加在电枢两端，电枢电流如图2.4 (b)中的流通方向。电枢电压在一个周期内正负相间，这是双极式可逆PWM变换器的特征。其正转时电枢电压、电流波形示于图2.6为高电平，但Q2，Q3并不能立即导图2.6双极式可逆PWM变换器在电动机负载较重时电枢电压、电流波形图2.

25、7 双极式可逆PWM变换器在电动机负载很轻时电枢电压、电流波形由于电枢电压的正负变化，使电枢电流波形存在两种情况，如图2.6和图2.7中的电枢电流波形。图2.7中的电枢电流相当于电动机负载较重的情况，这时平均电流大，在续流阶段电流仍维持正方向，电动机始终工作于第一象限的电动状态。图2.7中的电枢电流波形相当于电动机负载很轻时的情况，这时平均电流小，在续流阶段电流很快衰减到零，于是Q2, Q3两端失去反压，在负的电源和电枢反电动势的合成作用下导通，电枢电流反向，电机处于制动状态。双极式可逆PWM变换器的可逆作用要视正、负脉冲电压的宽窄而定。当正脉冲较宽，ton>T/2时，则电枢两端的平均电

26、压为正，电动机正转。当正脉冲较窄，t<T/2时，电枢两端的平均电压为负，电动机反转。如果正、负脉冲的宽度相等，ton=T/2时，电枢两端的平均电压为零，则电动机停转。双极式可逆PWM变换器的电枢平均端电压可表示为； (2.1) (2.2)= Ud/Us，定义为PWM电压的占空比，其变化范围为-11当为正值时，电机正转；为负值时，电机反转；=0时，电机停止。在p=0时，虽然电动机不动，但电枢两端的瞬时电压和瞬时电流都不是零，而是交变的。这个交变电流平均值为零，不产生平均转矩，但它可起着所谓“动力润滑”的作用，可消除静摩擦死区的影响。2.2.2 单极式可逆PWM变换器单极式可逆PWM变换器中

27、，其电路图和双极式的基本一样，不同之处在于它们的驱动脉冲信号。在单极式可逆PWM变换器中，Q3和Q4的驱动脉冲U3=U4，被PWM信号控制，而Q1和Q2的驱动脉冲则因电动机的转向不同而施加不同的直流控制信号。当电机正转时，U1恒为正，U2恒为负，Q1常通而Q2截止。当电机反转时，U1恒为负，U2恒为正，Q1截止而Q2常通。当电动机在一个方向旋转时，PWM变换器只在一个阶段Ton中输出某一极性的脉冲电压，而在另一阶段T-Ton时电枢两端的电压为零。单极式可逆PWM变换器中，当Ton>O时，电动机转动，而当Ton=O时，电动机停止。至于电动机的正、反转则需要转向判别信号来控制。图2.8H型单

28、极式可逆PWM变换器单极式可逆PWM变换器在电动机负载较重和电动机负载很轻时的波形如下图2.9和图2.10所示。图2.9 极式可逆PWM变换器在电动机负载较重时电枢电压、电流波形图2.10单极式可逆 PWM变换器在电动机负载较轻时电枢电压、电流波形由图2.8可看出单极式可逆PWM变换器在电动机负载较轻时电枢电流出现断续。这使PWM变换器的外特性变软，PWM调速系统的静、动态性能变差。2.2.3 单极式与双极式可逆PWM变换器的比较与选用综上所述，双极式可逆PWM变换器的优点为：电流一定连续;可使电动机在四个象限中运行;电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区;低速时，每个晶体管的驱动脉冲仍较宽，

29、保证了晶体管的可靠导通;低速平稳性好，调速范围宽。双极式可逆PWM变换器的缺点为：工作中，H桥的4个晶体管均处于开关状态，因此开关损耗大，而且上、下两管容易发生桥臂直通，降低了可靠性。为了防止上、下两管直通，在一管关断另一管导通时，应加逻辑延时。单极式可逆PWM变换器的优点为：克服了双极式可逆PWM变换器H桥上、下两管容易发生桥臂直通的缺点，提高了可靠性，对于静、动态性能要求低一些的系统，可以采用单极式可逆PWM变换器。单极式可逆PWM变换器的主要缺点为：电流容易断续，而电流断续将使变换器的外特性变软，从而使PWM调速系统的静、动态性能变差。由于双极式可逆PWM变换器所具有的显著优点，因此，在

30、静、动态性能要求比较高的伺服系统中应采用双极式可逆PWM变换器。第3章 无刷直流电动机调速系统硬件设计3.1 主回路简介永磁无刷直流伺服系统由Cygnal C8051单片机控制器、功率变换电路、无刷直流电动机三大部分组成。图3.1为无刷直流伺服系统的原理结构框图。其中带有箭头的线条为信号线及其信号流向。图3.1无刷直流调速系统框图主回路主要包括工作电源、三相桥式逆变器及电机电枢绕组。单相交流电压经整流极管模块整流，大电容滤波之后，送到PWM逆变器。主电路采用传统的电压型交一直一交逆变器，这里逆变器还承担了直流斩波器的功能。主电路通过直流斩波器以PWM方式向无刷直流电动机提供频率和幅值可变的矩形

31、波形驱动电流。PWM逆变器由六个IGBT功率管和六个续流二极管组成。其中，IGBT绝缘栅控双极性晶体管是80年代出现的新型复合器件，它集MOSFET和GTR的优点于一身，特别适合于在要求快速、低损耗的领域，如电机控制等中应用5。主电路如图3.2。本课题研究的无刷直流电动机采用三相星接六状态运行方式，所以无刷直流电动机任何时候都只有两相绕组通电，电机的每相供电电流是1200电角度的方波，即矩形波。见图3.3所示.为导通时无刷直流电动机的三相电流与反电势波形。图3.2 无直流电动机主电路图3.3 无刷直流电动机的电流与反电势波形另外，当电机运行状态由高速转为低速。即进入制动状态(包括反转阶段的减速

32、过程)。电机便间歇地处于再生制动与能耗制动状态。电机转子动能一部分转化为电阻的焦耳热，部分回馈电源。但是对于采用二极管整流供电的系统，回馈能量无法回输交流网络，则堆积在池波电容器上，致使其电压升高，即为泵升电压。若能量回输过快、过大，泵升电压将升高很多，会危及主电路功率器件的安全。为了确保系统的可靠运行，在主电路的滤波电容器上并接了一个大电阻及一个压敏电阻，以防止泵升电压影响整个系统主回路功率器件的可靠性。系统中的无刷直流电动机(BLDCM)是永磁方波无刷直流电动机。转子磁极采用稀土永磁材料，为两对极结构，定子电枢绕组为三相星形桥式接法，采用“两相导通星形三相六状态”的运行方式。其额定电压为2

33、16V,额定功率为1.25kW，最高转速为4000r/min。电动机本身带有LHB型空心轴光电编码器，该仪器采用圆光栅，通过光电转换，将转轴的旋转角位移转换成电脉冲信号。光电编码器可广泛应用于自动控制、自动测量、遥控、计算技术以及数控机床上作纵横坐标的测量等。它具有薄型、小型、高脉冲及响应频率高的特点，采用空心轴和板弹簧可与电机直接安装，可输出转子速度信号A,B和转子零位信号Z，以及输出检测电动机磁极位置的U.V.W信号。并采用长线驱动器输出，可供无刷电机控制用。整个控制系统我们是采用以Cygnal C8051单片机为核心的数字控制系统。Cygnal C8051单片机负责电流及转速的采样，并完

34、成控制策略的运算，然后输出控制量，以控制电机的转速。Cygnal C8051的控制接线图见附录图。控制系统硬件还由逻辑电路、功率驱动电路等部分组成。其中逻辑控制电路和功率驱动电路部分完成PWM波的逻辑判断输出和功率驱动等工作。这部分原理后面有关的小节将会具体叙述。3.2无刷直流电动机3.2.1无刷直流电动机的工作原理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。无刷直流电动机就是为既要保持有刷直流电动机的优良特性，又要革除电刷和换向器的目的研究开发的。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。图3.4无刷直流电动机

35、的工作原理图图3.4 无刷电动机的工作原理图它在结构上是一台反装式的普通直流电动机。它的电枢放在定子上，永磁磁极位于转子上，即它具有旋转的磁场和固定的电枢.这一点和普通直流电动机正好相反。它的电枢为一多相绕组，各相绕组分别与开关电路中的功率开关元件相连接，通过转子位置传感器使功率开关元件的导通和截止完全由转子来决定，从而电枢绕组的电流也随着转子位置的改变按一定的顺序进行改变，实现了无接触式的电子换向。这样使电枢绕组依次馈电，在主定子上产生跳跃式的旋转磁场，和转子磁极的主磁场相互作用，产生转矩，拖动永磁转子旋转。无刷直流电动机的运行相当于同步电动机的自控式运行。在这种运行方式下，逆变器的触发方式

36、是由转子位置传感器(或检测器)决定，使一个自控式的逆变器转子位置传感器(或检测器)输出的信号经过逻辑处理之后，有序地分配成逆变器触发信号，以实现电机的调速及换向。因此无刷直流电动机具有自同步的特性。无刷直流电动机由于采用自控式逆变器供电，电机输入电流的频率和电机转速始终同步，因而电机和逆变器输出之间不会产生震荡和失步，这是无刷直流电动机运行方式的一个重要特点。下面将具体分析无刷直流电动机的运行特性9。3.2.2 无刷直流电动机的运行特性电动机是一种输入电功率、输出机械功率的原动机械。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，电动机的运行特性

37、可分为:起动特性、工作特性、机械特性和调速特性。讨论各种电动机的运行特性时，一般都从电势公式(即转速公式)、电势平衡方程式、转矩公式和转矩平衡方程式出发。对于无刷直流电动机，其电势平衡方程式为: (3-1) 式中电源电压(V)；电枢绕组反电势(V)；平均电枢电流(A)；电枢绕组的平均电阻()；功率晶体管饱和管压降(V)对于不同的电枢绕组形式和换向线路形式，电枢反电势均可表示为: (3-2)式中电动机转速(r/min )；反电势系数(V/r/min)。由方程式(3-1)、(3-2)可知 (3-3) 在转速不变时，转矩平衡方程式为: (3-4)式中电磁转矩(Nm)输出转矩(N·m)摩擦转

38、矩(N·m)/这里 （3-5）转矩系数(N·m/A).在转速变动情况下，则有 (3-6)式中系数J转动部分(包括电动机本体转子、传感器转子及负载)的转动惯量 (Nms2) 转子的机械角加速度(rad/s2)。下面从这些基本公式出发，来讨论无刷直流电动机的各种运行特性。（1）起动特性由方程(3.1)、(3.5)、 (3.6)可知，电动机在起动时，由于反电势为零，因此电枢电流(即起动电流)为 (3.7)其值可为正常工作电枢电流的几倍到十几倍。所以起动电磁转矩很大，电动机可以很快起动，并能带负载直接起动。随着转子的加速，反电势E增加，电磁转矩降低，加速力矩也减小，最后进入正常工作

39、状态。图3.5 机械特性曲线（2）机械特性和调速特性机械特性是指外加电源电压恒定时，电动机转速和电磁转矩之间的关系。由方程式(3. 1),(3.2)和（3.3)可知 (3.8)我们知道，式(3.8)等号右边的第一项是常数(当不计U的变化和电枢反应的影响时)。所以，电磁转矩随着转速的减小而线性增加，当转速为零时，即为起动电磁转矩。当方程式(3.8)右边二项相等时，电磁转矩为零，此时的转速即为理想空载转速。实际上，由于电动机损耗中可变部分及电枢反应的影响，输出转矩稍稍偏离直线变化。又因为功率晶体管的饱和管压降随着集电极电流的变化而变化，在基极电流不变时。功率晶体管的饱和压降和集电极电流之间成正比的

40、关系。所以，随着转速的减小，电动机的反电势也减小，电枢电流增加，4U增大，到一定值以后，增加较快。所以机械特性曲线在接近堵转(即转速很低)时，加快下跌，如图3.5所示。如假定外加直流电压一定，减小电机负载，转速升高，逆变器的触发频率也会提高，同时反电势增加，电流减小，电磁转矩也减小。当电磁转矩和负载转矩平衡时，电机就维持在一个较高的转速下运行。如果负载不变，提高外加直流电压，则转速升高，逆变器的频率提高，反电势增大，使电流减小，电磁转矩又呈减小趋势，这样就使电机维持在一个较高的转速下运行。由此可见，由于无刷直流电动机的自同步性，其调速方法与有刷直流电动机非常相似，可通过调节直流电压来实现。又从

41、方程式(3.8)可见，改变电源电压，可以很容易地改变输出转矩(在同一转速下)或(在同一负载下)。所以，在电子换向线路及其他控制线路保持不变的情况下，无刷直流电动机调速性能很好，可以利用改变电源电压来实现平滑的调速。这说明无刷直流电动机的运行特性与普通直流电动机极为相似，有着良好的控制性能。6为简便起见，可将无刷直流电动机等效为一直流电动机。无刷直流电动机的永磁转子由磁性材料构成，具有很高的电阻率，可以忽略转子感应电流。式中稳态电流(A);滑模控制器要求输出的电压(V );控制量增益;电枢电阻();电机转动惯量(N·m·s);一沾滞系数(N·m·s);电机

42、转矩(N·m );负载转矩(N·m);等于电源电压U;ii=i-io_=-ref3.3 单片机及其接口电路3.3.1 单片机简介作为微机家族的重要成员单片机，是现今工业等领域应用最为广泛的。单片机是单片微型计算机的简称，早期的英文名是Sing-chip Microcomputer，后来大多数称之为“微控制器”（MCU, Micro Controller Unit）或“嵌入式计算机”（Embedded Computer）。目前也有人根据单片机的结构和微电子设计特点将单片机成为嵌入式微处理器（enbed-ded microprocesser）或嵌入式微控制器（enbedded

43、microcontroller）。人们习惯将微控制器称为单片机。它是在一块芯片上集成的一台微型计算机，芯片内一般集成有微处理器（CPU）、存储器（RAM、ROM、或EPROM）、输入输出接口（I/O）、定时/计数器、时钟电路等。有些单片机除了有并行的I/O口外，还增添了串行接口、A/D转换接口等。它的出现是大规模集成电路的产物。它广泛地应用于工业控制、通讯、智能仪表等领域9。就单片机组成而言，虽然它只是一块芯片，但包含了计算机的基本组成单元，仍由运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五部分组成，只不过这些都集成在一块芯片上，这种结构使得单片机成为具有独特功能的计算机。一块单片机芯片就是一台

44、计算机。由于单片机的这种特殊的结构形式，在某些应用领域中，它承担了大中型计算机和通用的微型计算机无法完成的一些工作。使其具有很多显著的优点和特点，因此在各个领域中都得到了迅猛的发展。单片机的特点可归纳为以下几个方面：（1） 价格比高单片机的这种高性能，低价格是它最显著的一个特点。单片机尽可能把应用所需要的存储器，各种功能的I/O口都继承在一块芯片内，使之成为名副其实的单片机。有的单片机为了提高速度和执行效率，可是采用了RISC 流水线和DSP的设计技术，使单片机的性能明显优于同类型微处理器，有的单片机片内的ROM可达64KB（式中的B表示为字节），片内RAM可达2KB，单片机的寻址已突破64K

45、B的限制，八位和十六位单片机寻址可达1MB和16MB 。单片机另一个显著特点是量大面广，因此世界上个大公司提高单片机性能的同时，进一步降低价格，性能/价格之比是各公司竞争的主要策略。（2） 控制功能强单片机是电子计算机这个庞大家族中的一个特殊品种，体积虽小，但“五脏俱全”，它非常适用于专门的控制用途。为了满足工业控制要求，一般单片机的指令系统中有极丰富的转移指令、I/O口的逻辑操作以及位处理功能。单片机的逻辑控制功能及运行速度均高于同一档次微型计算机。（3） 低电压、低功耗单片机大量应用于携带式产品和家用消费类产品，低电压和低功耗的特性尤为重要。许多单片机已可在2.2 V 的电压下运行，有的已

46、能在1.2 V或0.9 V下工作；功耗降至为A级，一粒纽扣电池就可以长期使用。（4） 集成度及可靠性高单片机把各功能部件集成在一块芯片上，内部采用总线结构，减少了各芯片之间的连线，大大提高了单片机的可靠性与抗干扰能力。另外，其体积小，对于强磁场环境易于采取屏蔽措施，适合于在恶劣环境下工作。自4位单片机问世以来，在短短的十多年间，高性能的产品不断问世，典型的单片机有：TMS系列、F8系列、Z8系列、MC系列、MCS系列等。在实时控制和智能化仪表方面的应用极为广泛。为了解决多数读者对标准的8051单片机比较熟悉，而标准的8051单片机又不具备PWM等新功能这一矛盾，我们选择一种与标准的8051单片

47、机全兼容，并有具有新功能的8位单片机Cygnal C8051作为本系统的CPU。Cygnal C8051单片机是全集成混合信号在片系统单片机。在片系统是随着半导体生产技术的不断发展，集成度越来越高，对嵌入式控制技术可靠性要求越来越高而产生的新概念，即SOC（system on chip），意思是整个系统都高度集成在一个芯片上。Cygnal C8051单片机是目前功能最强大的8位单片机之一。它几乎包含了所有的单片机的新功能。Cygnal C8051单片机的片内资源有：（1）8/12位多通道输入ADC模/数转换器；（2）12路12位DAC数/模转换器；（3）12路电压比较器；（4）电压基准（内部，

48、外部）；（5）内置温度传感器（±3）；（6）16位可编程定时器/计数器列阵（PCA），可用于PWM波发生器；（7）35个通用16位定时器；（8）864个通用I/O口；（9）带有I2C/SMBus、SPI、12个UART串行总线；（10）864KB FLASH内部程序存储器；（11）256B4KB内部数据RAM；（12）片内电源监测、片内看门狗定时器、片内时钟源。Cygnal C8051单片机的主要特点如下：（1）高速的（2025MIPS（兆条指令每秒）、与8051全兼容的微控制器内核；（2）FLASH存储器可实现在线编程和用于非易失性数据存储（E2PROM的作用）；（3）工作电压典型

49、值为3V（2.73.3V），全部I/O、RST、JTAG引脚均允许5V电压输入；（4）全系列芯片均为工业级（温度范围45+85）片内JTAG仿真电路提供全速、非插入式（不使用在片资源）的电路内仿真，支持断点、单片观察点、运行和停止等调试命令，支持存储器和寄存器校验和修改。3.3.2 单片机接口电路设计C8051单片机控制电路如图3.6所示：C8051的P1口作为输出口，通过驱动器7407控制全桥驱动电路上桥臂的P沟道MOS-FET（V1、V3、V5），通过与门7409控制下桥臂的N沟道MOSFET（V4、V6、V2）。C8051的P0.0作为PWM输出口，控制电动机的转速。P0.4P0.6作为

50、输入口，连接位置传感器输出的控制信号。C8051的所有输出口都接上拉电阻，与5V负载电平相匹配。下面介绍这种单片机控制电路所能实现的功能4。图3.6 单片机控制无刷直流电动机原理图（1）换相控制本例中采用三相全桥星形联结（也可以采用三相全桥角形联结），不管使用二二导通方式还是三三导通方式，都有6种导通状态，转子每转60°换一种状态。导能状态的转换通过软件来完成。软件控制导通状态转换非常简单，即根据位置传感器的输出信号H1、H2、H3，不断地取相应的控制字送P1口来实现。因此，如果采用霍尔式位置传感器，根据P1口与MOSFET管的连接关系，二二导通和三三导通方式的控制字分别如表3.1表3.2列。表3.1二二导通方式控制字（正转）H1H2H3导通管P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0控制字101V1、V20011100EH100V2、V30011010DH110V3、V410010125H010V4、V510001123H011V5、V601001113H001V6、V101011016H表3.2三三导通方式控制字（正转）H1H2H3导通管P1