基于单片机控制的智能调速系统

摘要随着现代科技的发展，基于单片机控制的智能调速系统已成为电机控制的主流。本设计为一种永磁无刷直流电机(PMBLDC)的闭环调速系统。该系统采用美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机AT89S51单片机为控制核心，采用美国国家半导体公司(NS)推出的专用于直流电动机驱动的H桥组件LMD18200。通过光电编码器来反馈BLDC的位置，在单片机中进行转速运算，并通过PID计算子程序进行闭环计算，达到精确控制电机转速。通过键盘输入控制BLDC的启停和正反转。单片机中的程序能产生PWM波形，通过光电耦合与LMD18200相连。采用LMD18200的双极性驱动方式，通过单片机产生的PWM控制信号的占空比来决定BLDC的转速，利用光电编码器捕获到的电机转子位置采样信号进行转速计算，并设计一组4位LED数码管显示瞬时转速。本设计的单片机智能控制器在BLDC的调速系统中有着广泛的应用。关键词：永磁无刷直流电机(PMBLDC)；单片机；LMD18200；脉宽调制(PWM)；闭环PID控制。ControllerDesignofPermanentMagnetBrushlessDCMotorAbstract:Withthedevelopmentofthemodernscienceandtechnology,theintelligentvelocitymodulationsystem,whichisbasedonsingle-chip,hasbecomethemainstream.Thedesignwasaclosed-loop-speed-controlsystemofapermanentmagnetbrushlessDCmotor,whichcoreisalowpower,high-performanceCMOS8-bitsingle-chipAT89S51producedbytheUnitedStatesATMELcompany.HbridgeLMD18200whichhasbeenproducedbytheUSANationalSemiconductorCompany(NS)andisgoodusedtodrivetheDCmotorwasused.TheDCmotor’srotorlocationwasfeedbackthroughaoptical-elecencoder,andwasconversedbythesingle-chip,andclose-loopwascalculatedbythePIDsubroutine,soastocontrolthemotor’sspeedexactly.TheBLDC’sstartingandpauseandpositive-antipositiveturningwascontrolledbyinputtingthekeyboard.Theprogrammerinthesingle-chipcanproducethePWMwave,whichthroughtheoptocouplerconnectedwithLMD18200.TheBLDC’sspeedwasdeterminedbythedutycycleofthePWMcontrolsignal,whichwasgeneratedinthesingle-chip,andbyusingLMD18200’sbipolardrivemode,andthespeedsignalcanbecalculatedbyusingthesamplingsignaloftherotorlocationcapturedbytheoptical-elecencoder,andtheinstantaneousspeedcanbedisplayedbyagroupoffourLEDdigitaltube.Thisdesignintelligentspeedcontrol,whichisbasedonthesingle-chip,hasbeenwidelyusedinthespeedcontrolsystemoftheBLDC.Keywords:PMBLDC;Thesingle-chip;LMD18200;PWM;Closed-loopPIDcontrol.目录1 绪论 11．1单片机控制系统的国内外研究现状 11．2课题研究的目的和意义 51．3设计方案 62系统硬件选型 72．1单片机选型 72．2 驱动电路选型 92．3位置传感器选型 123系统硬件电路设计 143．1单片机系统电路设计 143．2键盘连接电路设计 153．3LED数码管连接电路设计 173．4LMD18200工作电路与单片机接口电路设计 213．5光电编码器与单片机接口电路设计 223．6硬件电路分析 244系统软件主程序设计 254．1PWM波形程序设计 254．2按键中断程序 274．3光电编码器脉冲计数程序 314．4LED数码管显示程序 325PID程序设计 365．1数字PID控制算法 365．2增量式PID控制算法控制流程 375．3PID程序设计 385．4软件性能分析 416结论和展望 42致谢 43参考文献 44附录 45绪论1．1单片机控制系统的国内外研究现状近年来微型计算机技术的发展，BLDC矢量控制系统的全数字控制也取得了很大的发展。D.Naunin等研制了一种永磁同步电动机矢量控制系统，采用了十六位单片机8097作为控制计算机，实现了高精度、高动态响应的全数字控制。八十年代末，九十年代初B.K.Bose等发表了大量关于永磁电动机矢量控制系统全数字控制的论文。

九十年代初期，R.B.Sepe首次在转速控制器中采用自校正控制。早期自适应控制主要应用于直流电机调速系统。刘天华等也将鲁棒控制理论应用于永磁电机伺服驱动。自适应控制技术能够改善控制对象和运行条件发生变化时控制系统的性能，N.Matsui，J.H.Lang等人将自适应控制技术应用于永磁同步电机调速系统。仿真和实验结果表明，自适应控制技术能够使调速系统在电机参数发生变化时保持良好的性能。滑模变结构控制由于其特殊的“切换”控制方式与电机调速系统中逆变器的“开关”模式相似，并且具有良好的鲁棒控制特性，因此，在电机控制领域有广阔的应用前景。1.1.1永磁无刷直流电机结构及原理从20世纪70年代末，特别使80年代初以来，由于电子技术、计算机技术、传感器技、电力电子技术、现代控制理论和新型永磁材料的发展，永磁无刷直流电机及其控制技术已有突破性进展。进20年来，永磁无刷直流电机因其调速性能好，控制方法灵活多变、效率高、启动转矩大、运行寿命长等诸多优点，日趋广泛的应运于航空航天、计算机、军事、汽车、工业和家用电器等领域。BLDC是指无机械电刷和换向器的永磁直流电动机，它以电子换向器代替机械电刷和换向器，实现直流电机的换相，解决了直流电机的换相问题，同时保留了直流电动机的优良特性。它既有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便的优点，又具有直流电机的启动转矩大、调速性能好的优点[1]。BLDC的控制器和电机本体紧密结合，是典型的机电一体化器件，有电动机本体、控制器和转子位置传感器三部分组成，如图1-1所示。直流电源直流电源位置传感器控制与驱动电路电机本体转矩输出图1-1永磁无刷直流电机的构成BLDC本体在结构上与永磁同步电动机相似，仍有定子和转子两大部分组成。定子部分作为电动机的电枢，在其上开有齿槽，齿槽数与转子极数和相数有关，是它们的整倍数；同时在定子铁芯中安放对称的多相绕组（绕组的相数有二、三、四、五相），这些绕组可接成星型和角型，各相绕组分别与逆变器中各开关管相连接。转子部分是由永磁材料制成的具有一定磁极对数的永磁体，其主要作用是在电动机的气隙中建立足够强度的磁场。永磁转子主要有两种结构形式。第一种结构是将扇形的永磁体贴在转子外表面，称为外裝式，该种结构的转子具有电枢电感小，齿槽效应转矩小的优点，但同时具有磁通不集中，气隙磁通密度低且容易受到电枢反应影响的缺点，所以该种结构的转子适应于小容量的低速电机；第二种结构是将矩形的永磁体内嵌到转子铁芯中，称为内装式，该结构的转子具有磁通很集中、气隙磁通密度大且不易受到电枢反应的影响的优点，但同时具有电枢电感大，齿槽效应转矩大的缺点，所以该种结构的转子适应于大容量的高速电机。转子位置传感器是永磁无刷直流电机的关键部分，其作用是检测转子磁极相对于电枢绕组轴线的相对位置，为逆变电路提供正确的换向信息，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，使电动机定子绕组中的电流随着转子位置的变化按次序换相，从而形成气隙中步进式的旋转磁场，驱动永磁转子连续不断的旋转[2]。1.1.2直流调速系统的数字化控制与驱动电路是指直流电动机的调速系统。所谓直流调速是指人为的或自动的改变直流电动机的转速，以满足工作机械的要求。从机械特性上看，就是通过改变电动机的参数或外加工电压等方法来改变电动机的机械特性，从而改变电动机机械特性和工作特性的交点，使电动机的稳定运转速度发生变化。直流调速系统通常采用三相全控桥式整流电路对直流电动机进行供电，通过改变电路的输出电压从而控制电动机的转速。传统的控制系统采用模拟元件，如晶体管、各种线性运算电路等，虽在一定程度上满足了生产要求，但是因为元件容易老化和在使用中易受外界干扰的影响，并且线路复杂、通用性差，控制效果受到器件性能、温度等因素的影响，从而致使系统的运行特性也随之变化，故系统的运行可靠性及准确性得不到保证，甚至出现事故。随着微电子技术，微处理机以及计算机软件的发展，使直流调速控制的各种功能几乎均可以通过基于微处理机的控制器硬件结合软件模块来加以实现，即从过去的模拟控制向现在的模拟—数字混合控制发展，乃至实现全数字化的直流调速控制系统。直流电动机调速系统通过单片机控制可实现人及对话，极大的提高设备的自动化程度，能提高生产率、可靠性与柔性。在数字化系统中除具有常规的调速功能外，还可以实现故障报警，诊断及显示等功能。数字系统还可以形成数字通信能力，通过选配适当的通信接口模块，可以方便的实现主站和从站间的数字通信，组成分级多机的自动化系统。

为易于调试，数字系统的软件一般设计有调节器参数的自优化功能。通过启动优化程序可实现自动寻优和确定系统的动态参数，以及实现如直流电机磁化特性曲线的自动测试等，有利于缩短调试时间和提高控制性能。国外一些电气公司都有成系列的与模拟调整系统相对应的全数字交、直流调速装置产品可供选用，新开发的调速系统几乎全是数字式的。与模拟系统类似，全数字调速系统已发展成为紧凑型和模块式两大类，因为全数字调速系统有模拟系统无法比拟的优点，技术更新进，操作更方便。数字调速系统与模拟调速系统相对比，技术性能有如下优点：静态精度高且能长期保持；动态性能好，借助于丰富的软件，易于实现各类自适应和复合控制；调速范围宽；电压波动小；参数实现软件化，无漂移影响；所有元件数量少，不易失效；设定值量化程度高，且状态重复率好；放大器和级间耦合噪声很小，电磁干扰小；调试即投产，灵活方便，易于设计和修改设计；标准及通用化程度高；适用范围广，可实现各类变速控制；直流电机可逆调速系统数字化已走向实用化，其主要特点是：常规的晶闸管直流调速系统中大量硬件可用软件代替，从而简化系统结构，减少了电子元件虚焊、接触不良和漂移等引起的一些故障，而且维修方便；动态参数调整方便；系统可以方便的设计监控、故障诊断、故障自动复原程序，以提高系统的可靠性；可采用数字滤波来提高系统的抗干扰性能；可采用数字反馈来提高系统的精度；容易和上一级的计算机交换数据；具有信息存储、数据通信功能；1.1.3基于单片机的数字化直流调速系统单片机由于其具有简单易学、稳定性好、成本低等优点，成为控制领域主力产品。本设计采用基于单片机的数字化直流调速系统，因其具有开发流程短、外围器件少、运行可靠、参数修改方便和与上级计算机实时通信等优点。在单片机内的程序能使单片机产生可变的PWM波形，以其驱动开关管，让电机转动。电机的速度通过增量式光电编码器与单片机通信，在单片机内进行转速计算。然后通过LED数码管显示出来，并且在单片机内运用程序计算速度偏差，以达到调节PWM输出效果，使电机稳定、精确的运转于特定速度。其系统运行图如图1-2。单片机单片机光耦可控硅整流M光电编码器编码器接口LED键盘图1-2系统结构图随着人工智能技术的发展，单片机智能控制已成为现代控制领域中的一个重要分支，电气传动控制系统中运用单片机智能控制技术也已成为目前电气传动控制的主要发展方向，并且将带来电气传动技术的新纪元。目前，实现单片机智能控制的有效途径有三条：基于人工智能的专家系统（ExpertSystem）；基于模糊集合理论（FuzzyLogic）的模糊控制；基于人工神经网络（ArtificialNeuralNetwork）的神经控制。B.K.Bose等人从八十年代后期一直致力于人工智能技术在电气传动领域的应用，并取得了可喜的研究成果[3]。1．2课题研究的目的和意义在目前的传动系统中,尽管交流电机在调速控制领域取得了飞速的发展，在许多领域取代了直流电机，但直流电机在起动、制动和调速方面，以及在只有直流电源的场合的应用优势，使直流电机仍然具有广泛的应用。BLDC调速方法很多，如调压调速、弱磁调速等，它们存在着调速响应慢、精度差、调速装置复杂的缺点，目前随着电力开关半导体器件的发展，永磁无刷直流电机脉宽调制(PWM)调速技术得到了飞速发展，它具有的调速精度高、响应速度快、调速范围宽和耗损低等特点，使之成为BLDC应用的主要调速方式。同时，BLDC具有转矩系数大、功率因素高、无励磁损耗和调速性能好等特点，使之在现代电机时代有很强的竞争力。开展基于永磁无刷集成控制电机的高智能系统研究与实践，对于完善永磁无刷电机的理论，加快永磁无刷电机的应用和推广，开发拥有通用型智能工业产品具有重大意义。1．3设计方案本设计选用美国国家半导体公司（NS）生产的专门用于运动控制的LMD18200智能功率集成电路和单片机智能控制。LMD18200是一种体积小、驱动能力强、内部集成了多种保护电路、单片即可实现电机全桥驱动的集成功率放大器，故可有效减少系统发生故障的可能性，显著提高系统的可靠性，充分体现了集成功率放大器外围电路简单、性能稳定可靠、控制功能全面的优点。本系统设计的方案要点是：电机电气参数：直流电机；最高转速2500r/min；额定电压45V。选用AT89S51单片机为核心控制永磁无刷直流电机运转，产生PWM波，驱动可控硅。可控硅选用集成芯片LMD18200，以减少硬件电路所引起的不良效应。测速元件光电编码器。本设计主要工作：确定系统的组成单元；进行各单元硬件电路元件参数；（3）编制系统主软件并进行调试；

2系统硬件选型为了突出硬件电路的简单化，可靠性，对控制核心单片机选择技术成熟，价格低廉，操作方便的AT89S51，可控硅整流器件选择直流电机专用驱动芯片LMD18200，测速元件选用光电编码器，突出的显示了硬件电路的简单化。2．1单片机选型AT89S51是美国ATMEL公司生产的低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4Kbetys的可系统编程的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准8051指令系统及引脚。它集Flash程序存储器，既可以在线编程（ISP）也可以用传统方法进行编程及通用8位微处理器于单片芯片内。所以，单片机AT89S51的高性价比可灵活的应运于各种控制领域。主要特性：与MCS-51产品指令系统完全兼容；4k字节在线系统编程（ISP）Flash闪速存储器；1000次擦写周期；4.0—5.5V的工作电压范围；全静态工作模式：0Hz—33Hz；三级程序加密锁；128*8字节内部RAM；32个可编程I/O口线；2个16位定时/计数器；6个中断源；全双工串行UART通道；低功耗空闲和掉电模式；中断可从空闲模式唤醒系统；看门狗（WDT）及双数据指针；掉电标识和快速编程特性；灵活的在线编程（ISP字节或页写模式）；管脚说明：VCC：供电电压。GND：接地。P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3.0RXD（串行输入口）P3.1TXD（串行输出口）P3.2/INT0（外部中断0）P3.3/INT1（外部中断1）P3.4T0（记时器0外部输入）P3.5T1（记时器1外部输入）P3.6/WR（外部数据存储器写选通）P3.7/RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。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。驱动电路选型LMD18200是美国国家半导体公司(NS)推出的专用于直流电动机驱动的H桥组件[4]。同一芯片上集成有CMOS控制电路和DMOS功率器件，利用它可以与主处理器、电机和增量型编码器构成一个完整的运动控制系统。LMD18200广泛应用于打印机、机器人和各种自动化控制领域。主要性能：峰值输出电流高达6A，连续输出电流达3A；工作电压高达55V；LowRDS(ON)typically0.3Wperswitch；TTL/CMOS兼容电平的输入；无“shoot-through”电流；具有温度报警和过热与短路保护功能；芯片结温达145℃，结温达170℃时，芯片关断；具有良好的抗干扰性。典型应用：驱动直流电机和步进电机；伺服机构系统位置与转速；应用于机器人控制系统；应用于微机与数字控制系统；应用于电脑打印绘图仪。内部结构和引脚说明：LMD18200外形结构如图2-1所示，内部电路框图2-2所示。它有11个引脚,采用TO-220和双列直插式封装。图2-1LMD18200外部结构图图2-2LMD18200内部结构图1、11脚：桥臂1、2的自举输入电容连接端，在脚1与脚2、脚10与脚11之间应接入10nF的自举电容。2、10脚：H桥输出端。3脚：方向输入端。转向时，输出驱动电流方向LMD18200逻辑表2-1，该脚控制输出1与输出2之间的电路方向，从而控制电机的转向。4脚：刹车输入端。刹车时，输出驱动电流方向见逻辑表2-1，通过该端将电机绕组短路而使其刹车。刹车时，将该脚置逻辑高电平，并将PWM信号输入端（脚5）置逻辑高电平，脚3的逻辑状态决定于短路电机所用的器件。3脚为逻辑高电平时，H桥中两个低端晶体管导通。脚4置逻辑高电平，脚5置逻辑低电平时，H桥中所有晶体管关断，此时，每个输出端只有很小的偏流（1.5mA）。脚5：PWM信号输入端。PWM信号与驱动电流方向的关系见逻辑表2-1，该端与3脚如何使用，决定于PWM信号类型。6、7脚：电源正端与负端。8脚：电流取样输出端，提供电流取样信号。9脚：温度报警输出。提供温度报警信号，芯片结温达145度时，该端变为低电平，结温达170度时，芯片关断。表2-1LMD18200逻辑表PWM转向刹车实际输出驱动电流电机工作状态HHL流出1、流入2正转HLL流入1、流出2反转L×L流出1、流出2停止HHH流出1、流出2停止HLH流入1、流入2停止LXHNONE

4．工作原理：内部集成了四个DMOS管，组成一个标准的H型驱动桥。通过充电泵电路为上桥臂的2个开关管提供栅极控制电压，充电泵电路由一个300kHz左右的工作频率。可在引脚1、11外接电容形成第二个充电泵电路，外接电容越大，向开关管栅极输入的电容充电速度越快，电压上升的时间越短，工作频率可以更高。引脚2、10接直流电机电枢，正转时电流的方向应该从引脚步到引脚10；反转时电流的方向应该从引脚10到引脚2。电流检测输出引脚8可以接一个对地电阻，通过电阻来输出过流情况。内部保护电路设置的过电流阈值为10A，当超过该值时会自动封锁输出，并周期性的自动恢复输出。如果过电流持续时间较长，过热保护将关闭整个输出。过热信号还可通过引脚9输出，当结温达到145度时引脚9有输出信号。2．3位置传感器选型光电编码器[5]是一种角度（角速度）检测装置，它将输入给轴的角度量，利用光电转换原理转换成相应的电脉冲或数字量，具有体积小、精度高、工作可靠、接口数字化等优点。它广泛应用于数控机床、回转台、伺服传动、机器人、雷达、军事目标测定等需要检测角度的装置和设备中。光电编码器的分辨率取决于光栅盘的刻线和信号输出方式。光电编码器工作原理：光电编码器是由激光照射光栅发出脉冲的，而光栅安装在光电编码器的转轴上，转轴每转一周，编码器就产生一定数量（比如600个）脉冲，该脉冲只与转轴速度有关，而与温度无关。因此，只要准确测出光电编码器的脉冲个数，就可确定知道电机的转速。例如，当电机的转速是1000r/min，则每秒钟光电编码器的脉冲个数n为：n光=1000600/60=10000（个脉冲）当转速为0r/minn光=1600/60=10（个）如果实际测量值与上述理论值有偏差，则可以通过PWM的脉宽来调整电机的转速，最终使ND测-ND理这样就可以将电机的转速控制在希望的误差范围内。3系统硬件电路设计3．1单片机系统电路设计为了让单片机正常工作，建立单片机最小系统。单片机的最小应用系统是单片机最简单的应用系统，这样的系统虽然不能完成实际的任务，但是已经能够让单片机正常工作起来[6]。对于应用到系统中时，只需要加入一些外设就能完成特定的功能。AT89S51内部有4KB闪存，芯片本身就是一个最小系统。在能满足系统性能要求的情况下，可直接应用。用这种芯片构成的最小系统简单、可靠。AT89S51本身性能能直接满足本设计的要求，所以可以直接使用芯片构成的最小系统。AT89S51单片机构成最小应用系统时，只需要将单片机接到时钟电路和复位电路即可，如图3-1所示。图3-1AT89S51最小系统其中，晶振为12MHz。RST为高电平触发复位，所以，用一个电阻接地，让RST引脚未触发时是低电平，当系统要求复位时，触动开关，高电平经电阻到达引脚RST，电容可以起到缓冲电流作用，当开关触发时，电容充电。3．2键盘连接电路设计键盘在单片机应用系统中能够实现向单片机输入数据，传送命令的功能，是人工干预单片机的主要手段。以下是对本设计中应用的键盘的工作原理，键盘按键的识别过程，识别方法，键盘和单片机的接口的简单介绍。3.2.1键盘输入特点键盘实质上是一个按键开关的集合。按键的开关为机械弹性开关，利用机械触点的合断特性。一个电信号通过机械触点的断开，闭合过程，使电路电流改变，进而使单片机引脚得到的电平改变，通过软件中程序的读写来知道键盘的工作情况。其行线电压输出波形如图3-2所示。tt0t1t3t4图3-2键盘电压输出波形图中t1和t3是键盘闭合和断开过程中的抖动期，抖动时间长短和机械特性有关，一般为5—10ms，t2为稳定的闭合期，时间由按键动作所决定，一般为十分之几到几秒，t0、t4为断开期[7]。3.2.2按键的确认按键的闭合与否反映找行线输出电压是高电平成低电平，如果高电平表示按键断开，则低电平表示按键闭合，通过对行线电平的检测，从而判断是否有按键按下，然后通过按键抖动消除，确认按键电平。3.2.3消除按键抖动消除按键的抖动通常有软件和硬件两种方法。硬件消除抖动一般采用双稳态消抖电路，如图3-3所示。图中2个与非门构成一个RS触发器。输入点的抖动电压波形通过RS触发电路后变成正规的正弦波。因为此设计的按键较多，而且设计宗旨是要求硬件电路尽量简单，使电路安全、可靠的运行，所以此设计方案选用软件消除抖动的方法。在第一次检测到有按键按下时，延时10ms，再确认按键的电平是否保持闭合状态的电平，如果继续保持闭合状态的电平，则确认按下，从而消除抖动对电路可靠性的影响。图3-3双稳态消抖电路3.2.4硬件电路图由于设计对电路工作的可靠性要求较高、按键较少、操作速度较高和软件设计较为简单等情况，故选择独立式键盘。独立式键盘各按键独立，每个按键各接一根输入线，每根输入线上的按键工作状态不会影响到其他输入线的工作状态。因此，通过输入线电平的检测就可以很容易的判断哪个键被按下。此设计采用的键盘与单片机接口电路如图3-4所示。独立式键盘配置灵活，软件简单。图3-4为查询方式的独立式键盘工作电路，按键直接与单片机的I/O口的电平，可识别按下的按键。独立按键的电路中，各按键开关均采用上拉电阻，这是为了保证在按键断开的时候，各I/O口有确定的高电平，如果I/O口内部已经集成有上拉电阻，可以省去。在此设计中，按键响应是中断引脚INT1有低电平输入的时候，这样可以简化程序，减轻单片机工作负担，在没有按键按下的时候，单片机是不去查询键盘对应的I/O口的。INT1引脚与每一个按键的输入线相连，当有按键按下时，按键的输入线呈现低电平，与它相连的图3-4单片机和键盘接口电路INT1引脚的输入线也呈现低电平，单片机接到外部中断1响应，根据软件程序，做出相应的指令[8]。3．3LED数码管连接电路设计在单片机应用系统中，良好的人机交互界面便于用户的使用和发挥系统的功能。一般情况下，人机交互界面分为输入和输出两部分，LED数码和字符显示是常用的输出设备。此设计是永磁无刷直流电机控制器，所以实时的反映速度，是设计不可缺少的部分。LED（lightemittingdiode）是发光二极管的缩写。LED显示器是有发光二极管构成，所以在显示器面前冠以“LED”。LED显示器在单片机系统中应用非常广泛。1LED显示器的结构常用的LED显示器有7段（或者8段，8段比7段多一个小数点“dp”段）和“米”字段之分。这种显示器有共阳极和共阴极之分。共阴极LED显示器放光二极管的阴极连接在一起，通常此公共阴极接地。当某个发光二极管的阳极为高电平时，发光二极管点亮，相应的段被显示。同样，共阳极LED也是如此。2LED显示器的显示段码使用LED显示器时，为了显示数字和符号，要为LED显示器提供代码，因为这些代码是通过控制各段的亮与灭显示不同的字符，因此称之为段码。7段发光二极管，加上一个小数点位，共计8段。因此提供给LED显示器的段码刚好一个字节。各段与字节各位的对应关系见表3-1[9]。表3-17段LED段码与字节对应表代码位D7D6D5D4D3D2D1D0显示段DPGFEDCBA3LED显示器的级联由N个LED显示器可以拼成N位LED显示器，根据电路对数据显示要求而定，本设计电路由于电机的转速是2500转，所以用4位LED显示器显示。4LED显示器的动态显示在此设计中，要用到LED显示器的动态显示，即采用动态扫描方式，分时循环显示，也就是多个放光二极管轮流交替点亮。动态扫描显示方式是利用人眼的滞留现象，只要在1s内一个发光二极管亮24次，每次点亮时间维持2ms以上，则人眼感觉不到闪烁，宏观上仍可看到多位LED同时显示的效果。动态显示可以简化硬件、降低成本、减小功耗。具体实现通常将所有位的段选线相应的并联在一起，由一个I/O口控制，形成段选线的多路复用：而各位的共阳极和共阴极分别由相应的I/O口控制，实现分时复用。本设计的LED动态显示的示意电路如图3-5所示。段驱动器输出LED字符8位代码信息，位驱动器输出4个LED的位选信号，即分时使Q0—Q3轮流有效，使得LED0—LED3轮流显示。段段驱动器限流排阻LED0LED1LED2LED3位驱动器图3-5LED显示器动态显示方式示意电路图5译码器——74LS47因为要将输入的BCD码翻译成LED显示的该BCD的7段信息输出，所以要用到7段译码器。当选用的LED是共阳极接发时，应该选用低电平输出有效的7段译码器，如74LS46和74LS47等；当选用的LED是共阴极接发时，应选用高电平输出有效的7段译码器，如74LS48和74LS49等。LED和7段译码器之间一般还要接限流电阻或其他匹配电路，或者驱动译码器是OC输出，需要接上上拉电阻。7段译码器内部一般包含了LED的驱动电路，驱动共阳极LED的译码器驱动电路一般较大，如果该电流与LED器件的正常工作电流近似，那么可以直接驱动LED，如果驱动电流比LED正常电流大很多，那么两者之间要加限流电阻，根据LED的参数估算限流电阻的大小；如果7段译码器驱动能力不够大，特别是驱动共阴极LED时，可以在两者之间加上上拉电阻。在此设计中用到的是共阳极LED，所以选择低电平输出有效的74LS47做7段译码器.图3-6是74LS47的引脚图。6LED显示器硬件电路连接LED显示器和单片机连接的硬件工作电路如图3-7所示。此图以4位LED为动态显示主题，分别显示永磁无刷直流电机速度的个、十、百、图3-674LS47引脚图千位。以低电平输出有效的7段译码器——74LS47为4位LED显示器做译码器。其中，译码器的3、4、5引脚接5V电源，16引脚为电源输入端，8脚为接地端。在LED中，DP引脚接正电源端，使小数点位不显示。P2端口的高4位为个、十、百、千位的片选端，低4位为LED显示输出的数据端口。图3-7LED动态显示硬件电路图3．4LMD18200工作电路与单片机接口电路设计LMD18200提供双极性驱动方式和单极性驱动方式。双极性驱动方式是指在一个PWM周期里，电动机电枢的电压呈正负变化。双极性可逆系统虽然有低速运行平稳性的特点，但也存在着电流波动大，功耗损耗较大的缺点，尤其是必须增加死区来避免开关管直通的危险，限制了开关频率的提高，因此只用于中小功率直流电机的控制。本设计中将介绍单极性驱动方式。3.4.1LMD18200典型工作电路LMD18200典型工作电路如图3-8所示。在这个电路中，PWM控制信号是通过引脚5输入的，而转向信号则通过引脚3输入。根据PWM控制信号的占空比来决定直流电机的转速和转向。在引脚1、2和10、11之间接入10nF的自举电容，以缓解H桥中的电流冲击。8脚电流检测端和7脚接地端接地。R1和C3起到滤波作用。图3-8LMD18200工作电路3.4.2LMD18200和单片机连接电路LMD18200和单片机的连接电路如图3-9所示[10]。在单片机和LMD18200连接线中加上光电耦合芯片4N35，是为了让单片机产生的PWM控制信号和LMD18200隔离，防止受波形的影响，产生误操作，同时防止LMD18200驱动电路对控制信号的干扰，以达到高精度控制。单片机的P3.0引脚和P3.1引脚分别是PWM控制信号输出端和正反转输出端。图3-9LMD18200与单片机连接电路3．5光电编码器与单片机接口电路设计光电编码器有4个端口，两个电源端口，两个脉冲输出端口（A、B）。当光电编码器的轴转动时，A、B两根线都产生脉冲输出，A、B两相脉冲相差90度相位角，由此可测出光电编码器转动方向和电机转速。如果A相脉冲比B相脉冲超前则光电编码器为正转，否则为反转。A线用来测量脉冲个数，B线与A线配合可测量转动方向。光电编码器接口硬件电路如图3-10所示。编码器的A和B两相信号分别输入到D触发器（74FS74）的D端和CP端，两个脉冲波形相差90度，正转时A相超前B相90度，Q=1；反转时B相超前A相90度，Q=0，如图3-11所示。图3-10光电编码器硬件接口电路图3-11码盘输出波形3．6硬件电路分析由于在此设计中运用单片机做为主控制单元，所以大大简化了硬件电路的元件数量。所以硬件设计的要注意的是原件参数的确定和电路的调试。硬件电路图如图3-12所示。此设计中单片机周围原件参数的确定可以运用单片机最小系统中的参数，LMD18200的自举电容参数的确定可以运用电路调试的方法确定，以达到电机的最优运转。图3-12整体硬件电路图

4系统软件主程序设计4．1PWM波形程序设计永磁无刷直流电机控制器的设计要点是PWM调制脉宽输出，所以PWM脉冲的产生和输出是单片机程序设计的要点。此设计的PWM脉宽的产生是在系统主程序内，用P3.0做输出引脚，P3.1做反向输出引脚。此设计中使用定时器0作为脉冲宽度的计时基本单位，程序中将定时器0的工作模式设置为定时器模式2，即定时器0为8位自动重装计数器。仅TL作为工作寄存器，而TH的值在计数中保持不变。TL溢出时，TH中的值将作为装载值有CPU自动装入TL中。因此，使用时为了保证定时器首次工作也能正常运行，在初始化时TL、TH中装载的值相等，而在中断服务子程序中无需再次装入。并且允许定时器定时中断，当中断产生时，调转中断程序，使P3.0引脚反向输出。在主程序中，程序反复让定时器0的计数值和设定值PWM进行比较。即当PWMTL时，P3.0输出1；当PWMTL时，P3.0输出为0。因为，单片机所选用的晶振是12MHz，所以此种设计产生的PWM波形的周期是256us，输出脉冲的脉宽比例是1/256,把计数周期分为256等份[10]。1、PWM脉宽产生的流程图如图4-1所示：2、PWM波形产生程序设计：STARE:MOVTMOD,#21HSETBET0MOVTH0,#00HMOVTL0,#00HMOVR0,#00HSETBTR0CLRP3.1LOOP:MOVA,TH0MOVR1,TL0CJNEA,TH0,LOOPCJNER0,R1,LOOPCPLP3.0AJMPLOOP

ENDDINGSHI0:CPLP3.0SETBTR0RET开始开始设定T0模式T0赋初值开始计时动态读TL0P3.0=0PWM=TL0NYT0中断P3.0=1返回图4-1PWM产生流程图在程序中用到了动态读取T0，在一般的程序设计中，读取定时器的时候，要让定时器停止，以便准确的读取TH和TL，但是基于此设计的要求（要随时知道定时器的值），采用了动态读定时器的值。在动态读定时器中，先对定时器的TH和TL进行读值，然后让第一次读的定时器中的TH值和当前TH中的值进行比较，如果比较相等，则认为读值正确；若不想等，则返回程序，对定时器再次读值，进行比较，反复如此，以确定读到和设定值相等的值，进而提高PWM波形的精确度。4．2按键中断程序由于此设计是采用按键中断式设计，故要用到单片机中的中断程序。当有中断产生时，程序有正在执行的程序跳转到中断子程序进行执行，当子程序执行完成后，程序又会跳转到中断前程序继续执行。在此设计中，用到了外部中断引脚INT1。外部中断采用低电平触发方式，CPU在每个机器周期的S5P2期间对中断引脚采样。有硬件电路可知，无论哪一个按键按下，在中断引脚INT1上都会产生低电平，当CPU检测到低电平时，则认为有中断申请，随即将IEi标志位置位；若测得高电平，则认为无中断申请或中断申请已撤销，随即清除IEi标志位。在中断设定中，允许外部中断。当跳转到中断子程序时，子程序对按键进行扫描，判断是哪一个按键按下，然后根据按键定义，跳转开始、加速、减速和反转分程序。为了消除按键抖动，在程序中用软件延时消抖。开始分程序中给PWM一个设定值，在加速和减速中，对PWM的设定值进行加或减。在反转程序中对PWM设定值归零，延时等待速度为零，然后使P3.1反向，PWM是初始值。在此段程序中，用到的是按键中断的方法，采用按键中断的方法，可以在按键没有动作的时候，CPU对按键程序不执行，可以减轻单片机的工作强度，有充分的时间读主程序，产生稳定的，精确的PWM脉冲波形。按键中断程序流程图如图4-2所示：2、按键中断程序设计：ZHONGDUAN:MOVP1,#0FFHJNBP1.0,KAISHIJNBP1.1,JIASHUJNBP1.2,JIANSHUYYNNNNN中断1P1.0=0P1.1=0P1.2=0P1.4=0P1.3=0返回开始加速减速停止反转开始子程序调用延时P1.0=0子程序返回PWM赋值返回YYYYYa）b）NNY加速子程序调用延时P1.1=0PWM+1返回返回NY减速子程序调用延时P1.2=0PWM-1返回返回c）d）YYYN反转分程序调用延时P1.3=0子程序PWM=0调用延时P3.1取反速度=0返回返回NYYN停止分程序调用延时P1.4=0子程序PWM=0调用延时速度=0返回返回Ne）f）4-2按键中断流程图JNBP1.3,FANZHUANJNBP1.4,TINGZHIRETKAISHI:LCALLDELAYJNBP1.0,NEXTLJMPSTARTNEXT:MOVR0,#200RETJIASHU:LCALLDELAYJNBP1.1,NEXT1LJMPLOOPNEXT1:INCR0RETJIANSHU:LCALLDELAYJNBP1.2,NEXT2LJMPLOOPNEXT2:DECR0RETFANZHUAN:LCALLDELAYJNBP1.3,NEXT3LJMPLOOPNEXT3:MOVR0,#00HLCALLLOOPMOVA,R2LCALLDELAYCJNEA,R2,NEXT3SETBP3.1MOVR0,#200RETTINGZHUAN:LCALLDELAYJNBP1.4,NEXT4LJMPLOOPNEXT4:MOVR0,#00HLCALLLOOPMOVA,R2LCALLDELAYCJNEA,R2,NEXT4RET4．3光电编码器脉冲计数程序本设计原理是用定时器产生一个计数周期，然后，在这个计数周期内，得到光电编码器的脉冲数量，计算可得到电机的转速。光电编码器的计数脉冲有引脚INT0输入，采用外部中断的方式，采用外部中断方式可以有效的减轻单片机的负担。在此设计中，采用的是定时器1，工作在定时器状态，工作模式2，为定时器赋初值，当1ms到时，定时器产生中断。在定时器中断程序中，再次对定时器赋初值，继续产生1ms计时，同时给寄存器R3加1，然后让R3和100进行比较，当不相等的时，开定时器，返回中断前程序继续执行；当相等的时候，跳转执行数据计算和显示程序。由此可知，脉冲的计数周期是10ms。光电编码器的脉冲中断采用上升沿触发方式，允许外部中断。当光电编码器的上升沿触发中断引脚INT0时，程序跳转中断子程序执行。在中断子程序中，寄存器R2加1，然后有程序执行，R2是否溢出，如果溢出，则R4加1，R2置0，返回。1、脉冲计数程序流程图如图4-3所示：2、脉冲计数程序设计：START:MOVTMOD,#21HSETBEASETBIT0MOVTH1,#0D8HMOVTL1,#0F0HMOVR2,#00HMOVR3,#00HMOVR4,#00HDINGSHI1:CLRTR1MOVTH1,#0D8HMOVTL1,#0F0HINCR3CJNER3,#100,LOOP1AJMPLOOP2LOOP1:SETBTR1RETZHONGDUAN0:INCR2CJNER2,#0FFH,OKMOVR2,#00HINCR4OK:RETNNYYN定时器1中断关定时器开定时器R3+1赋初值R3=100返回显示程序外部中断0R2=0R2+1R2溢出返回R4+1图4-3脉冲计数流程图4．4LED数码管显示程序LED数码管显示的主要部分是数据的转换，即是二进制和8421BCD码之间的转换。程序中用到DA指令，这条指令是在进行BCD码加法运算时，用来对BCD码加法运算的结果进行修正，但对BCD码的减法运算不能用此指令进行修正。先对存储在R2和R4中的二进制进行移位，然后进行DA计算，计算结果存储在特定单元中。在LED显示程序中，还首次用到了伪指令EQU，其含义是给定一个数据存储空间定义，在程序中可以直接对定义地址进行操作。在此程序中，EQU是给要显示的BCD码的存储地址，在LED显示的时候可以从地址中取出。在显示的时候，采用动态显示方式，即按个、十、百、千位分时显示，分时传递数据，这样有效的减小了单片机程序语言的使用，减轻单片机读子程序时CPU的占用时间。1、LED数码管显示程序流程图如图4-3所示：2、LED数码管显示程序设计：ADDREQU30HADDRENDEQU33HLEDEQUP1LOOP2:CLRAMOVDPTR,#ADDRENDMOV@DPTR,AMOVR7,#16LOOP3:CLRCMOVA,R2RLCAMOVR2,AMOVA,R4RLCAMOVR4,AMOVA,@DPTRADDCA,@DPTRYY显示子程序数据计算传送数据R0+1送地址到R0到千位结束图4-3LED显示流程图NDAAMOV@DPTR,ADECDPTRMOVA,@DPTRADDCA,@DPTRDAAMOV@DPTR,ADECDPTRMOVA,@DPTRADDCA,@DPTRDAAMOV@DPTR,ADECDPTRMOVA,@DPTRADDCA,@DPTRDAAMOV@DPTR,ADJNER7,LOOPRETDISP:MOVR0,ADDRMOVDPTR,#LEDDBDISP1:MOVA,@DPTRMOVR1,AMOVA,@R0ORLA,R1MOVLED,ALCALLDELAYINCR0INCDPTRMOVA,R0CJNEA,#ADDREND,DISP1DELAY:MOVR6,#50DELAY1:MOVR7,#100

DJNZR7,$

DJNZR6,DELAY1RET

LEDDB:DB10H,20H,40H,80HRET5PID程序设计PID控制器最先出现在模拟控制系统中，传统的模拟PID控制器是通过硬件来实现它的功能。随着计算机的出现，把它移植到计算机控制系统中来，将原来的硬件实现的功能用软件来代替，因此称为数字PID控制，所形成的一整套算法则称为数字PID算法。数字PID控制器与模拟PID控制器相比，具有非常强的灵活性，可以根据试验和经验在线调整参数，因此可以得到更好的控制性能。5．1数字PID控制算法数字PID控制算法可以分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。由于位置式PID控制算法存在着当单片机出现故障时，输出电压将大幅度变化，会引起执行机构的大幅度的变化，有可能造成严重的电机震荡，影响电机的正常运转，故在此设计中采用增量式PID控制算法，可以避免此种情况的发生。所谓增量式PID控制是指数字控制器的输出只是控制量的增量。当执行机构需要的控制量是增量，而不是位置量的绝对数值时，可以使用增量式PID控制算法进行控制。增量式PID控制算法可通过式（5-1）推导出。（5-1）由式（5-1）可得控制器在第k-1个采样时刻的输出值为（5-2）将式（5-1）与式（5-2）相减，并整理，就可以得到增量式PID控制算法公式为（5-3）或者上式中的还可以写成下面的形式（5-4）由式（5-3）可以看出，如果单片机控制系统采用恒定的采样周期T，一旦确定了A、B、C，只要使用前后3次测量值的偏差，就可以由式（5-3）求出控制增量。5．2增量式PID控制算法控制流程增量式PID控制算法子程序是根据式（5-3）设计的。图5-1是控制永磁无刷直流电机的增量式算法子程序流程图和RAM的分配图。程序的入口参数：偏差测量值y、给定值r。这5个参数均为用光电编码器测出的速度值计算出来的，分别将它们存放在RAM单元中，在RAM中存放的位置如图5-1b）所示。其中数据的高位存放在高地址中，地位存放在低地址中。然后由程序对其数值进行式（5-3）的计算[11]。本程序占用资源：A,B,R0—R7,CY,F0。YYN开始计算ek计算Aek计算Bek-1计算Aek+Bek-1计算Cek-2计算uk更新ek-1，ek-2uk>0取uk为NPWM-NPWM+N返回取uk为Na)PID流程图b)RAM分配图图5-1增量式PID算法流程图和RAM分配图5．3PID程序设计PID1:MOVR0,#52HMOVR1,#49HLCALLFSUBMOVR1,#46HLCALLFSTRMOVR1,#4CHMOVR2,#06HLCALLLPDMMOVR0,#46HMOVR1,#4CHLCALLFMULMOVR1,#4CHLCALLFSTRMOVR1,#4FHMOVR2,#09HLCALLLPDMMOVR0,#43HMOVR1,#4FHLCALLFMULMOVR1,#4FHLCALLFSTRMOVR0,#4FHMOVR1,#4FHLCALLFADDMOVR1,#4CHLCALLFSTRMOVR1,#4FHMOVR2,#0CHLCALLLPDMMOVR0,#40HMOVR1,#4FHLCALLFMULMOVR1,#4FHLCALLFSTRMOVR1,#4FHMOV,R0,#4CHLCALLFADDMOVR1,#4CHLCALLFSTRMOV40H,43HMOV41H,44HMOV42H,45HMOV43H,46HMOV44H,47HMOV45H,48HMOVA,4CHMOVC,A.7MOVF0,CJBA.6,PIDJ12ANLA,#3FHMOVR7,ALPDM:MOVR7,#03HLPDM0:MOVA,R2MOVA,@A+PCMOV@R1,AINCR2INCR1DJNZR7,LPDM0RET由于篇幅限制，此处只附上PID子程序的计算部分。5．4软件性能分析此设计的软件要通过汇编专用编译软件伟副进行编译。通过伟副进行软件部分的修改和变更，让程序通过编译产生HEX和BEN文件。软件编译如图5-2所示。图5-2Wave编译6结论和展望在以上设计采用单片机的智能控制的BLDC中，单片机的智能控制是此系统设计的关键。其中程序的编写是单片机工作的核心，让单片机真正起到了智能控制的作用。LMD18200是驱动系统的核心，选用它可以让系统简单化，实现了现在对电机控制的主要思想（简单化、微型化）。以上硬件和软件的调试都已经完成，电路的工作情况正常。此设计运用单片机做为控制器的CPU，使以前硬件电路无法完美实现的功能实现了，还大大的简化了硬件电路。此种电路以其电路简单，编程方便，可靠性好等一系列特点，在现在的永磁无刷直流电机的控制上占有重要的地位，运用于国防，航空，生活中的各个领域。在现在这个科技高度发展、自动化程度要求较高的时代，永磁无刷直流电机的微型化、低噪声、高精度将在工业自动化上，特别是汽车、航天工程上占有重要的地位，其控制单元的微型化，低功耗，低噪声，简单化将是其占有市场的主要优点。用微处理器作为电动机的控制器将随着微处理器的发展而发展，具有取代模拟控制器的趋势[12]。致谢本文自2009年3月开题以来，数经易稿。到今年6月始稿完成，期间导师的谆谆教导和鼓励，时刻萦绕在我耳边，使我坚定了信心，鼓足了勇气。导师治学严谨，学识渊博，品德高尚，平易近人，在我学习期间不仅传授了做学问的秘诀，还传授了做人的准则，这些都将使我终生受益。无论是在论文的选题阶段，还是在资料查询、开题、研究和撰写的每一个环节，无不得到导师的悉心指导和帮助。我愿借此机会向导师表示衷心的感谢！还有，在即将毕业之际，要感谢舍友在生活上的关心和帮助以及学业上的切磋和指点，感谢电气05-4班全体同学的帮助和勉励。同窗之谊和手足之情，我将终生难忘。在四年的学习中，我学到了很多东西。在未来的工作中，我将继续坚定终身学习的观念，向书本学习，向现场学习，向老师傅学习，以更加丰厚的成果来答谢曾经关心、帮助和支持过我的所有领导、老师、同学、同事和朋友。参考文献[1]刘亮喜.无刷直流电动机原理及其应用[J].技术培训资料，2000(10):5-8

[2