【《无刷直流电机控制系统设计》15000字（论文）】

无刷直流电机控制系统设计引言1.1背景与意义在如今的社会中，作为最为机械驱动装置的重要组成部分的电动机，已经在日常生活中随处可见了，人们如今的生活基本可以说是离不开电动机的使用了。电动机的分类多种多样，更具不同的分发，不同的功能，可以分成很多的种类，例如电容起动式单相异步电机，直流或交流电机，恒速电机，调速电机等等，种类繁多，功能也都多多少少的存在一部分差异。电机的有着非常好的结构特性，这使得电机的转速的上下限的跨度非常的大，尤其是在启动的时候，电动机的状态非常的好，得益于此，使得电动机经常地，频繁的被应用在各种各样的驱动装置中。科学技术和经济发展迅速的今天，电机技术也在飞速的发展着，并且在我们日常的生活中越来越普遍，小到人们日常生活中用的各种各样的机械电子产品，大到国防甚至航天领域，都离不开电动机的存在。正是因为电机的大规模的使用，这也使得人们对于电机的要求越来越高，因此，研究新的电机技术，变得刻不容缓，需要被重视起来。在最早的时候，电动机的种类还没有那么多，分类的方式也比较简单，主要是按照其使用时所用的电源的种类的不同大致的分为了直流式的和交流式的这两种电机。但不管是以前还是现在，电动机一直都是整个的控制系统中，最关键的那一部分。尽管电动机的种类繁多，但是其中，直流电动机一直有着不错的优势，相比较而言，直流电动机的结构现对来说非常的简单，正是直流电动及简单的结构，使得它被控制起来更加的容易，这同也使得操作性能非常的好，但是，由于其内部所采用的机械换向器使得电机需要频繁的进行维护和更换，而这一缺陷，正是限制了电动机更加广泛应用的最重要的障碍。1.2无刷直流电机国内外发展情况电动机在很早以前就被发明了出来并被应用，在那个时候电动机就被大面积的应用在人们日常生活中的方方面面当中，不单单是在每户人家中的个人使用，甚至在整个社会当中也是大面积的被使用起来了，之所以能得到广泛的使用，主要就是得益于他的功能非常的好用，在很多需要它的地方，它都能被人们使用，发挥出相应的功能，来实现它的价值，虽然在一些传统的操作方式中，也不乏有许多的方便简单的操作方式，但是，这些方法虽然简单，却很容易就造成一些特别的结构在直流电动机的内部发生碰撞的情况，这样一来不但电动机内部的结构会造成一定的损害和影响，更会妨碍其他内部零部件的运转，导致电动机发生故障等情况，这也就使得电动机的精密程度受到了影响，达不到正常使用的标准，可是，伴随着现代的创新技术在不断的飞快的发展着，一些全新的电力电子技术也得到了发展，且其发展速度也是十分飞快，因此，一些有着先进水平，功能繁多的电子元器件也诞生了，就这样，一些特殊的操作，渐渐的都是由采用了先进的电子技术的电动机来完成的，而不再是最初的那些单纯的机械式的结构了。现在，作为一种全新的电动机，无刷直流电机变得越来越有市场价值了，这主要是得益于它可以利用一些硬件设备或者是软件设备来对他进行检测，以此来提高他的精密程度。作为电机行业中的一位“新成员”，无刷直流电机从进入我国起至今，整个的发展历程并不是很长，即使在价格方面相比较于有刷电动势来的更高一些，但是他的优势也是更加的明显，因此其在我国得到了飞速的发展，在不长的我国的发展历程中，其凭借着本身的优势，在家电，机械，轮船，汽车等行业中被广泛的应用了起来，渐渐的占据了自己的一片土地，在我国这片辽阔的土地上飞快的发展着。诚然，在价格方面，无刷直流电机有着明显的弱势，但其凭借着本身优异的品质和良好的使用效果，吸引力一批又一批的忠实消费者，由此可见，现如今相比于低廉的价格，消费者更加倾向于高品质的产品，而这也正是无刷直流电机能在我国立足并快速发展的一个重要因素。而其中，无刷直流电机的优越性表现在以下几个方面：首先，无刷直流电机凭借着其更轻便和更小的几何结构，满足了对重量轻，性能好的产品的市场的设计需求；其次，由于使用了永磁体作为转子，使得磁芯的损耗没有了，这也使得无刷电机有了更高的使用效率，而且永磁体的使用，大大的减少了维护的要求，因此电机的使用寿命得到了很大的提升；而且无刷电机是采用自控式的方法进行运转的，这样的好处是不会在负载突然发生褒贬的时候产生振荡和失去同步，还可以通过一定的变换算法来提高热力的性能，使得响应时间和电机的转速范围的道路较大的优化，这样就可以为更好的电磁隔离打下夯实的基础，还能计生转矩反应能力。在性能方面，无刷直流电机有着不错的表现，主要的表现有：容易对速度进行调节，且速度调节的上下限也非常大，即使在极端情况下，例如速度非常小的时候，仍旧能搞保持不错的稳定性同时还保证了，不错的应用时的性能的可靠程度，且由于其内部结构中，用电子换向替代了机械换向，噪音几乎可以说是没有了，但是与此同时有保证了不错的工作效率。也正是有着这些优点，使得我国在很多的地方都有着能与世界先进水平比肩的上产厂家，来专门的生产这一类型的电动机。尤其是在汽车的制造业中，随着优秀的电动机的发展，越来越多的汽车生产厂商把用这种材料造出来的电动机作为汽车的传动轴进行使用。在需要一定转速而不追求高精度的领域内可作为持续负载；而需要将转速控制在一定范围内，同时对于转速特性和动态响应时间有着更高要求的场合则可以把他当做可变负载。简单，那是传统的汽车制造也对于元器件的要求，如今的汽车制造业追求的是材料优秀，精度良好的元器件。因为有着高精度和不凡的可调速度，这种电动机也是大规模的在工业的控制领域中被使用了起来。尽管无刷直流电机的内部结构已近很优秀了，但是研究专家们仍旧不断地努力着，使得其在原先的优秀的结构基础上，添加一些新的技术到里面去，也正是科学技术的发展，以及新材料的应用，使得这一目标得到了一定的实现，例如专家们通过重复，不断地的实验研究，为了能够检测传统电动机的运行的情况，在他的内部成果的安装上了传感器，来实现这一目的。这些年来，包括我国在内的许许多多的国家都提高了了对于电动机技术的重视程度，加大了对于电动机控制技术的研发和讨论，都在研发制作着一些专门的芯片来控制电动机，由于单片机在控制方面有着不错的表现，许多公司都在不但的研发者以单片机为最小控制系统的芯片，例如有的公司就成功的开发出了，能够取代模拟操作系统的有着特殊功能的单片机，而有的公司，则是研究着怎么把有特殊功能的单片机做成处理器的主核心。我国有着大量的稀土资源，其中的蕴藏量甚至达到了全世界总蕴藏的80%以上，这使得我国有充足的稀土资源进行研究和开发，正是因为如此，我们祖国在稀土材料的开发和应用上都有着显著的成绩。而最新的无刷直流电机的研发也是离不开稀土材料，正是凭借着丰厚的稀土含量，使得无刷直流电机的技术水平在不断的提升。尽管无刷直流电机已经发展了很多年了，但是目前为止不管是国内还是国外，还是在不断的发展，还是需要新的技术水平的研发，而这其中最重要，也是最必要的就是，关于驱动和控制模块的开发，因此，我们应该不断地加强技术的研究，在保留现有的，传统的，优秀的控制技术的同时，也要加上新的，先进的技术进去，使用户对于无刷直流电机有更好的用户体验。现在，无刷直流电机基本已经完全的取代了直流电机调速、变频器+变频电机调速、异步电机+减速机调速。在总结并继承传统的直流电机所拥有的优点的同时，还取消掉了原先不太好的碳刷和滑环结构，这使得转矩特性变得更加的优秀。在中速和低速的转矩性能表现上都有着不错的成绩，启动转矩大，启动电流小，无级调速和调速范围广，且过载能力也不错。而且目前无刷电机的使用寿命大多都是有刷电机的好几倍，要知道，常见的有刷电机的使用寿命都是一万个小时左右的。而且由于无刷电机本身不存在励磁和碳刷的损耗，使得多级减速损耗没有了，还把节电率上升到了20%~60%左右，和我国的节能环保的发展理念相契合。总的来说，无刷直流电机在我们祖国从开始到现在并没有经过很长的时间，但是，其技术却得到了飞速的发展，但仍和其他的国家的先进的优秀的无刷直流电机技术存在一定的差距，无刷直流电动机的发展道路是长且艰难的，无刷直流电机不管是在日常的生活中，还是在各种各样的重要场合中，都担当着重要的使命和任务，因此我们要加快对于无刷直流电机控制系统的研发，适当的时候，应该学习学习外国的优秀技术，吸收并开发出新的，属于自己的技术。1.3无刷直流电机的应用与发展如今无刷直流电机的身影可以说是随处可见，不论是人们的日常生活中，还是高新技术，大型的研发产业中，我们都可以看到无刷直流电机的影子，他就像影子一样时刻的出现在我们的身边，可以说，无刷直流电机基本已经是我们日常生活中的一部分了，我们的生活工作都离不开他。在人们的日常生活中，在许许多多的地方都有着无刷直流电机的身影，例如，数字打印机，软盘的驱动器，硬盘的驱动及，各类的光盘驱动器等等，都用到了无刷直流电动机，应用在这些仪器里的电动机都有这个一个共同的特点，那就是电机都是高精度的小型电机。不单单是这些日常生活中的产品中有着无刷直流电机的身影，凭借着其本身优异的特性，无刷直流电动机收到了广大汽车研发厂商的青睐，尤其是在新兴的新能源交通领域中，例如纯电动的汽车或者是混合动力的汽车，基本都已经开始使用无刷直流电动机来作为电力驱动装置来使用，并且都还取得了优异的成果。在家电仪器设备的采用上，更加高效，节能，环保的无刷直流电动机正在一步一步的取代着体积大，噪音大，且需要经常进行维护的异步电动机。如今，无刷直流电动机在各个领域中都基本有了它的身影，但是各个行业对于其性能，功能又有不同的要求，因此对于市场来说，无刷直流电机仍旧存在着巨大的潜力等待着去发掘，而对于无刷直流电机的控制方法和手段，也需要更多更完善的技术，因此对于无刷直流电机控制系统的设计也变得越来越重要了。1.4无刷直流电机的分类与选择（1）电机的分类根据电机工作电源的不同，可分为直流电机和交流电机；按照结构及工作原理则可分为直流电机，异步电机和同步电机；根据起动和运行方式的不同，则可分为电容起动式单相异步电机，电容运转式单相异步电机，电容起动运转式单相异步电机和分相式单相异步电机；按用途分，可分为驱动用电机，控制用电机；根据转子结构的不同，还可以分为笼型感应电机，绕线转子感应电机；按运转速度，可分为高速电机，低速电机，恒速电机，调速电机；如果按照结构位置还可以有轮毅电机。（2）电机的选择有刷电机和无刷电机都有着各自的优点，同时也都存在这一定的缺陷。例如有刷电有着十分平稳的变速技术，在变速过程中几乎是感觉不到振动的;温度上升十分缓慢，因此有着良好的可靠性;价格低廉便宜。但同时，无论是碳刷的磨损，还是磁钢的退磁情况，都大大的降低了有刷电机的使用寿命，使得其发展受到了较为严重的限制。相较于此，无刷电机的优点也就十分明了了，首先，由于换向技术的更变，使得无刷电机的使用寿命达到了无刷电机的6倍之多，大大延长了使用寿命，同时，还有着体积小，效率高，空载电流小等优势；但他也存在着一定的缺陷，例如价格高，控制要求高，易形成共振，而且在低速启动的时候还会有轻微的振动。但两者相比较而言，无刷电机的优势更加的明显，因此本论文最终决定采用无刷电机中的无刷直流电机进行设计。（3）无刷直流电机的优点无刷直流电机具有温升低，噪音小，扭矩大、转速快，效率高（运行平稳、可靠性高、稳定性好），能量损耗小，节电率高（消除了多级减速损耗，综合节电率可达20%~60%），没有火花（不产生火花，特别适合爆炸性场所），使用寿命长（可连续使用30000小时）等优点。无刷直流电机作为同步电机的一种，它的转子的转速受到其定子旋转磁场的速度及转子极数的影响。无刷直流电机既具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等一系列的优点，又具有直流电动机运行效率高、调速性能好等诸多的优点。直流无刷电机最重要的部分就是它的控制结构，它的驱动器可以控制转子维持在一定的转速，性能更加的稳定。直流无刷电机是一种利用电子换向的小功率电动机。直流无刷电机广泛应用于现代生产设备、仪器仪表、计算机外围设备和高级家用电器。而这些则主要的益于无刷直流电机的外特性好，能够在低速下输出大转矩，使得它可以提供大的起动转矩；无刷直流电机的速度范围宽，任何速度下都可以全功率运行；

无刷直流电机的效率高、过载能力强，使得它在拖动系统中有出色的表现；无刷直流电机的再生制动效果好，由于它的转子是永磁材料，制动时电机可以进入发电机状态；无刷直流电机的体积小，功率密度高；无刷直流电机无机械换向器，采用全封闭式结构，可以防止尘土进入电机内部，可靠性高；无刷直流电机比异步电机的驱动控制简单。1.5无刷直流电机工作原理1.5.1电动机转动的原理在了解无刷直流电动机的工作原理之前，我们先在了解一下电动机的转动原理。首先，我们对磁铁都非常了解，小的时候也都玩过磁铁，和磁铁有关有这么一句话，同极相斥，异极相吸。这句话的意思是当两个磁铁的同一极性相互靠近时就会相互排斥，而与之相对的，当两个磁铁的不同的极性相互靠近时，两个磁铁就会“啪”的一下撞在一起。因此我们假设，当我们拿着其中一块磁铁作为吸引，在与另一块磁铁保持一定的距离，如果我们有足够的速度来移动那块勾引用的磁铁，那么被吸引的磁铁就会跟在前面那块磁铁的后面。这个时候如果我们把平行的移动方式改为拿着磁铁画圈圈，那么同理可得，另一块磁铁也会因此跟着转圈圈。以上就是电动机转动的基本原理了，只不过在现实的真正的电动机中，用来勾引的“磁铁”并不是真正的磁铁，而是由线圈通电后所形成的磁场。1.5.2无刷直流电机简介无刷直流电机，英语缩写为BLDC（BrushlessDirectCurrentMotor）。其中电机的定子（不动的部分）是线圈，或者叫绕组。转子（转动的部分）是永磁体，就是磁铁。根据转子的位置，利用单片机来控制每个线圈的通电，使线圈产生的磁场变化，从而不断在前面勾引转子让转子转动，这就是无刷直流电机的转动原理。1.5.3无刷直流电机的结构首先，我们可以试着将线圈理解成长得像弹簧一样的东西。并且我们可以根据初中学过的右手螺旋法则得出，当电流从该线圈的上到下流过的时候，线圈上面的极性为N，下面的极性为S。像这样的线圈，我们在添加两个，平且按照一定的角度进行摆放，当有电流通过时就像是三个电磁铁一样了，而这就构成了电机的三相绕组。，如果再在绕组的中心加上一个永磁体来作为转子，那么就组成了一个简易的无刷直流电机。1.5.4无刷直流电机的电流换向电路无刷直流电机之所以既只用直流电，又不用电刷，是因为外部有个电路来专门控制它各线圈的通电。这个电流换向电路最主要的部件是FET（场效应晶体管，Field-EffectTransitor）。可以把FET看作是开关。下图将FET标为AT（A相Top），AB（A相Bottom），BT，BB，CT，CB。FET的“开合”是由单片机控制的。图无刷直流电机的电流换向过程FET的“开合”时机是由单片机控制的。最常用的电流换向方法是Six-stepCommutation，翻译过来是“六步换向”。现在建个坐标系。六步换向的过程如下图所示。图1.2至于想要无刷直流电机的转子能够正常的转动，运转起来，主要靠的就是用六步换向生成一个旋转的磁场，在转子的前方不断勾引。就好先问所做的比喻一样，仿佛就像是那只拿着磁铁在画圈圈的手一样。如果你看合成的磁场方向和转子所在的位置的话，就一目了然了。在整个的转动过程中，就像是合成的磁场的S极一直在转子N极的前面等着。而只要我们能够控制好，把握好线圈通电的时机，让合成磁场的方向一直提前于转子的位置，转子就会一直屁颠屁颠地跟着。整个无刷直流电机的转子就这样成功，正常的运转起来了。1.5.6无刷直流电机的换向前文曾经提到过，控制转子转动的关键是，等转子转到合适的角度时，对通过线圈的电流进行换向，从而使生成的磁场方向发生变化，吸引转子，令转子转动。至于对于电流换向时机的把握，机对于转子当前所处的位置，具体如何，则需要通过一定的手段来得到想要的相关信息。其实判断转子位置的方法挺多，用传感器也行，不用传感器也行。先说用传感器的，传感器一般用霍尔传感器（HallSensor）。霍尔传感器通过霍尔效应（HallEffect），能检测出磁场强度的变化。根据高中物理所学的左手定则（用来判断带电导体在磁场中的受力方向），在霍尔传感器所在的回路中，磁场使带电粒子的运动发生偏转，带电粒子“撞到”霍尔传感器的两边，产生电位差。这时就可以用电压计接到霍尔传感器的两边，检测出这种电压变化，从而检测出磁场强度的变化。原理如下图所示。图1.3霍尔效应有了霍尔传感器，就能大致知道转子的位置了。霍尔传感器一般是每隔120°安装，或者每隔60°安装。下面假设是每隔120°安装的。假设转子N极划过霍尔传感器的感应区域时，霍尔传感器的输出电压为高（一般5V）。反之为低。图1.4根据HA，HB，HC的电平，可以知道转子所处位置的角度。比如，若HA高，HB低，HC低，我们能够知道转子处于180度～240度的电气角度之间。使用3个霍尔传感器时，分辨率是60度的电气角度。就是说我只能知道现在转子的位置在60°电气角度范围内，但准确具体多少度我们不知道。而其中，有关于电气角度和机械角度关系具体描述如下文中所讲解。与这里这里的霍尔传感器的实例相配合来说。所谓的机械角度其实就是电动机转子实际转过的角度。而电气角度和机械角度的关系与转子的极对数有关。这是因为实际上线圈生成的磁场要吸引的是转子的磁极。所以对于电机的转动控制来说，我们只关心电气角度就好。由此我们可以得出：电气角度=极对数x机械角度1.5.7无刷直流电机的引脚常见的无刷直流电机一般都有七个引脚，分别为红色引脚，橙色引脚，黄色引脚，绿色引脚，蓝色引脚，白色引脚和黑色引脚。每个引脚都与不同的元器件或者是信号口相连来实现不同的目的。其中，红色引脚黑色引脚主要的功能是连接电源，为无刷直流电动机的运转提供电能，而其中的红色引脚连接的是电源的正极，黑色则是连接电源的负极，而一般无刷直流电动机都是选取12V的电源进行驱动的；接下来是黄色引脚，黄色引脚的主要功能是对无刷直流电动机进行一个急停刹车的作用，具体的链接和实现功能的方法是通过对电源进行短接，以达到负极刹车的目的；白色的引脚一般是用来外接信号用的，一般是接受PWM的信号，以达到对无刷直流电机进行调速的目的；还有绿色的引脚，这个引脚一般是用来控制无刷直流电机正转，反转的；最后还有两个引脚，分别是橙色和蓝色引脚，这两个引脚的话一般都是不接任何设备或信号，处于一个空脚的状态。1.6无刷直流电机的控制技术对于无刷直流电机的控制我们一般是要求在能够满足正常启动停止转动的情况下，同时还要能够对无刷直流电机的转速和旋转方向进行一个控制，具体表现为无刷直流电机的正反转，和调速。对于无刷直流电机的换向控制其实相对来说比较简单，只要我们能够通过对电流的流动方向进行一个控制，改变电流换向的次序，这样，线圈合成的磁场方向也会发生一个改变，这样我们就完成了对于无刷直流电机正反转的控制。而我们重点要讨论，描述的是关于无刷直流电机的转速控制，即完成无刷直流电机控制系统的调速要求。具体的实现方法如下文描述。首先我们对于无刷直流电机的转速要有一个了解，怎么样才能使得无刷直流电机的转速发生改变，这个就要过对线圈两端的电压的大小进行一个控制，具体表现为当线圈两端的电压越大的时候，通过线圈的电流也会随之而增大，这个时候线圈所生产的磁场强度也会增大，增强，因此，转子的转动速度也就加快了，反之，当我们减小线圈两端的电压的时候，就会导致转子的转动速度就降低了。这样一来就能够实现对无刷直流电机的速度控制了。为我们知道，给无刷直流电机供电的都是直流电，所以我们通常用PWM（PulseWidthModulation，脉冲宽度调制）来控制线圈两端电压的大小。PWM应用在电机运转中主要用来控制电机的转速，主要是通过调节PWM的占空比来调节电机的转速。而通过单片机输出PWM波，本质上就是来调节IO口的输出来调节PWM的占空比（DutyRation，在一串理想的脉冲周期序列中，正脉冲的持续时间与脉冲总周期的比值。），即在一个周期内，让单片机的IO口输出一段时间的高电平，一段时间的低电平。如下图所示为为一个方波的周期，其占空比为t/T。如下图所示。图1.5PWM占空比脉冲图所以给无刷直流电机通电的时候，用单片机产生的PWM不断地控制FET的开合，能使线圈反复处于通电断电，通电断电的状态。通电时间长（Duty大），线圈两端的等效电压就大，产生的磁场强度就强，转子转动就快；通电时间短（Duty小），线圈两端的等效电压就小，产生的磁场强度就弱，转子转动就慢。PWM换相调压原理换相电路直流电源PWM发生器电机本体转子位置传感器换相电路直流电源PWM发生器电机本体转子位置传感器图1.6PWM换相调压原理

无刷直流电机系统控制电路设计2.1系统控制硬件电路设计2.1.1系统基本原理在对无刷直流电机控制系统的硬件电路进行设计的时候，我们要好好的考虑一下以下几个方面的内容：首先，整个的无刷直流电机控制系统的硬件电路在设计完成后，要能够实现电机的启动，停止，正转，反转，以及调速的功能。其中最关键的就是要能够实现PWM（脉冲宽度调制）调速。而要实现用PWM调速对无刷直流电机进行一个调速控制的话还要满足一下以下几个的性能指标。1)输出电流和电压范围，它决定着电路能驱动多大功率的电机。2)效率，高的效率不仅意味着节省电源，也会减少驱动电路的发热。要提高电路的效率，可以从保证功率器件的开关工作状态和防止共态导通(H桥或推挽电路可能出现的一个问题，即两个功率器件同时导通使电源短路)入手。3)对控制输入端的影响。功率电路对其输入端应有良好的信号隔离，防止有高电压大电流进入主控电路，这可以用高的输入阻抗或者光电耦合器实现隔离。4)对电源的影响。共态导通可以引起电源电压的瞬间下降造成高频电源污染;大的电流可能导致地线电位浮动。5)可靠性。电机驱动电路应该尽可能做到，无论加上何种控制信号，何种无源负载，电路都是安全的。而在满足以上的设计的前置条件后，整个无刷直流电机控制系统还要满足能够实现对无刷直流电机转速的控制，在无刷直流电机的转速控制界面，通过滑动滑块和加减按钮，改变驱动电压脉冲的占空比来调整速度，同时可以通过按钮控制正反转和起停；还要能够进行定时监控，在控制界面上通过设置定时周期时间和次数，单片机内的定时器通过定时计数，可使电机按照屏幕是上指定的周期时间次数进行相应的正传反转操作；与此同时，还要能够实现PID闭环控制，当电机加上负载时，将会导致电机转速降低，所以为了保证电机以稳定转速运行，我们在速度控制的基础上加入PID闭环控制。主要包括两个部分：速度回馈和转速控制。本控制器通过个读取无刷直流电机中霍尔元件的返回值（即电平）计速来获得电机的实时转速，再计算实际转速与预期值的偏差，通过增量式PID算法，使得电机能够快速达到设定速度值以实现对转速的精确控制。2.1.2总体框图设计LM7805CT显示模块LM7805CT显示模块STC12C5A60S2单片机最小系统无刷直流电机键盘模块PWM信号串口通信模块图2.1无刷直流电机控制总系统组成2.1.3主控制核心及其他部分电路设计（1）STC12C5A60S2单片机芯片在本次关于无刷直流电机控制系统的硬件电路中，主要是以单片机STC12C5A60S2作为核心的芯片来进行设计的，整个的无刷直流电机控制系统也都是围绕着STC12C5A60S2来进行硬件部分的电路设计。而单片机STC12C5A60S2最主要的功能就是将输入的电信号进行转换处理，最后成为可以对无刷直流电机进行控制的PWM信号。这也是整个无刷直流电机控制系统中最为重要的一个部分。STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是一些正在研究新技术的公司所开发的一种单片机类型的，STC12C5A60S2单片机是高速，低功耗，超强抗干扰的，STC12C5A60S2单片机的程序代码，是与51的单片机完全的可以相容的，而且速度非常的快的。内部集成的电路，与一些的复位电路的使用性，PWM信号路，高速转换的A/D转换路脚，特别是一些的只对电机的控制而设计的。各引脚功能图如图所示：图2.2STC12C5A60S2单片机在其中，我们来具体了解一下，STC12C5A60S2单片机具体是如何来输出可调的PWM信号的。而其中，在STC12C5A60S2单片机中，输出PWM波的模块为PCA模块.首先我们先来了解一下什么是PCA模块，它与PWM的关系又是怎么样的。PCA指的是单片机的一个功能模块，然后PWM指的是脉冲宽度调制，是一种技术。而在使用单片机的PCA模块可以实现PWM功能，比如要输出一个固定的频率，那么单片机只要开机时，把PCA的相关寄存器配置一下，频率就出来了，就是后台运行了，单片机就可以去做其他的事情，想连续发脉冲时，不中断其他运行中的程序。多路发出也可以，频率也可以不同，关键看单片机的功能。PCA指的试可编程计数器阵列，就是说的PWM模块了，有这个的，就一定有PWM功能，不只是PWM，还有好多其他功能，比如捕捉（测脉宽）、高速输出、频率输出等。其中，PCA模块主要由PCA模式寄存器（CMOD），PCA控制寄存器（CCON），PCA计数器寄存器（CL，CH），PCA模块模式捕获值/比较值寄存器（CCAPnL，CCAPnH）以及PCA模块PWM模式控制寄存器（PCA_PWMn）这几个部分组成，而具体PWM工作模式是怎么工作的如下所买描述。要想使能PCA模块的PWM功能，模块寄存器（CCAPMn）的PWMn和ECOMn必须置1。也就是CCAPMn=0x42。然后需要设置PWM的占空比，通过设置寄存器{EPCnL,CCAPnL[7:0]}来设置。当{0，CL[7:0]}<{EPCnL,CCAPnL[7:0]}，输出低电平。当{0，CL[7:0]}>={EPCnL,CCAPnL[7:0]}，输出高电平。当CL溢出时，{EPCnH,CCAPnH[7:0]}会重新装载到{EPCnL,CCAPnL[7:0]}中用于作比较。图2.3PCA模块8位PWM模式大概过程就是CL在不停的计数，并与EPCnL寄存器作比较，当CL大于或等于EPCnL时会输出高电平，反之则输出低电平。当计数值记满溢出时，EPCnH的值会重载进EPCnL中去，继续进行比较产生新的PWM波形。其中，PWM频率的计算公式如下图所示。图2.4PWM频率计算公式（2）LM7805CT芯片电路设计在前文中我们介绍过，无刷直流电机的供电电源需要时电压为12V的直流电源，但是一般正常的情况下有的只有是220V的交流电源，因此我们需要对220V的电压进行一个稳压的操作，使得电压被稳压成一个12V的直流电源来供无刷直流电机的使用，使得无刷直流电机能够正常的运转起来，以至于能够实现后续对于无刷直流电机的控制的操作。而这次我们选用LM7805CT芯片来作为稳压电路的设计核心。由LM7805CT组成的三端稳压集成电路是一种十分常见的三端稳压集成电路，所谓的三端集成电路就是指其核心的LM7805CT芯片有着输入，输出和接地三个引脚。其主要的电气特性如下图所示。图2.5电气特性其中用lm78/lm79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的lm78或lm79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压，如lm7806表示输出电压为正6V，lm7909表示输出电压为负9V。因为三端固定集成稳压电路的使用方便，电子制作中经常采用。在实际应用中，应在三端集成稳压电路上安装足够大的散热器（当然小功率的条件下不用）。当稳压管温度过高时，稳压性能将变差，甚至损坏。当制作中需要一个能输出1.5A以上电流的稳压电源，通常采用几块三端稳压电路并联起来，使其最大输出电流为N个1.5A，但应用时需注意：并联使用的集成稳压电路应采用同一厂家、同一批号的产品，以保证参数的一致。另外在输出电流上留有一定的余量，以避免个别集成稳压电路失效时导致其他电路的连锁烧毁。具体的电路设计情况如下图所示。图2.6LM7805CT芯片电路模块（3）LCD1602液晶显示电路设计对于液晶显示电路的设计，本次无刷直流电机控制系统中采用的液晶显示器是用LCD1602液晶显示器来进行设计使用的。LCD1602液晶显示器是广泛使用的一种字符型液晶显示模块。它能够同时显示两行的字符，每行字符可达16个字符。它是由字符型液晶显示屏（LCD）、控制驱动主电路HD44780及其扩展驱动电路HD44100，以及少量电阻、电容元件和结构件等装配在PCB板上而组成。不同厂家生产的LCD1602芯片可能有所不同，但使用方法都是一样的。为了降低成本，绝大多数制造商都直接将裸片做到板子上。一般来说，大多数的LCD1602液晶显示器，有16个引脚，各个的定义及说明如下表所示。引脚号符号引脚说明引脚号符号引脚说明1VSS电源地9D2数据端口2VDD电源正极10D3数据端口3VO偏压信号11D4数据端口4RS命令/数据12D5数据端口5RW读/写13D6数据端口6E使能14D7数据端口7D0数据端口15A背光正极8D1数据端口16K背光负极表2.1LCD160引脚表中VSS接电源地；VDD接+5V的电压；VO是液晶显示的偏压信号，可接10K的3296精密电位器，或同样阻值的RM065/RM063蓝白可调电阻；RS是命令/数据选择引脚，接单片机的一个I/O，当RS为低电平时，选择命令；当RS为高电平时，选择数据；RW是读/写选择引脚，接单片机的一个I/O，当RW为低电平时，向LCD1602写入命令或数据；当RW为高电平时，从LCD1602读取状态或数据。如果不需要进行读取操作，可以直接将其接VSS；E，执行命令的使能引脚，接单片机的一个I/O；D0—D7，并行数据输入/输出引脚，可接单片机的P0—P3任意的8个I/O口。如果接P0口，P0口应该接4.7K—10K的上拉电阻。如果是4线并行驱动，只须接4个I/O口；A背光正极，可接一个10—47欧的限流电阻到VDD；K背光负极，接VSS。本次设计中LCD1602液晶显示屏的主要作用在无刷直流电机控制系统中，显示出无刷直流电机的启动，停止，正传，反转，转动速度的大小等情况，使得对无刷直流电机的运转状况有一个简介，明了，清晰，方便，直观的判断。而所对应的LCD1602液晶显示屏电路设计如下图所示。图2.7LCD1602液晶显示模块（4）插盘端口电路驱动块设计插盘端口电路各引脚功能分别是：1脚接电源正极、2脚接负极、3脚接急停刹车，短接电源负极刹车、4脚接PWM调速外接信号。一般将频率调节到20-30KHz、5脚用来接正反转，其他的为空脚。图2.8插盘端口电路模块（5）键盘输入接口电路设计无刷直流电机控制系统的硬件电路中，关于键盘的设计，一共要设计四个按键，分别为，启停开关，正反转幻想开关，电机加速开关，以及电机减速开关。具体的电路设计如下图所示。图2.9键盘输入调节电路模块（6）MAX232接口串行通信电路图MAX232芯片具有发送、接收的引脚TIIN、R1OUT。图2.10MAX232接口串行通信模块设计2.2系统电路图上面我们主要介绍了本次控制系统的所用到的主要的几个元器件和模块，下面就是按照一定的电气规程要求，对系统的电路图进行设计，具体如下图所示：图2.11无刷直流电机控制系统电路图将设计好的电路放入仿真软件中进行仿真运行，电路正常运行，且能够实现一定目标。仿真情况如下图所示。图2.12仿真情况2.3主控板的PCB设计PCB设计不是随心所欲就可以的事情，在PCB的设计中要满足一定的规范和要求。首先在布局的基本原则上要满足一下几个的条件：1、要满足结构、SI、DFM、DFT、EMC等方面的要求。2、根据结构要素图，放置接插件、安装孔、指示灯等需要定位的器件，并给这些器件赋予不可移动属性，并进行尺寸标注。3、根据结构要素图和某些器件的特殊要求，设置禁止布线区、禁止布局区域。4、综合考虑PCB性能和加工的效率选择工艺加工流程（优先为单面SMT；单面SMT+插件；双面SMT；双面SMT+插件），并根据不同的加工工艺特点布局。5、布局时参考预布局的结果，根据“先大后小，先难后易”的布局原则。6、布局应尽量满足以下要求：总的连线尽可能短，关键信号线最短；高电压、大电流信号与低电压、小电流信号的弱信号完全分开；模拟信号与数字信号分开；高频信号与低频信号分开；高频元器件的间距要充分。在满足仿真和时序分析要求的前提下，局部调整。7、相同电路部分尽可能采用对称式模块化布局。8、布局设置建议栅格为50mil，IC器件布局，栅格建议为25252525mil。布局密度较高时，小型表面贴装器件，栅格设置建议不少于5mil。9、布局时，考虑fanout和测试点的位置（2）PCB的设计流程如下图所示，PCB设计的一般流程包括绘制电路原理图、规划电路板、设置参数、元器件封装、元器件布局、自动布线、手工调整、保存输出等。图2.13PCB设计流程图（3）在满足了PCB板的合计的基本要求的同时，还满足了无刷直流电机控制系统的基本功能，并且加粗了主电源线，以满足系统的巨大的功耗，同时要求要在一定的程度上增加一定的抗干扰能力，纠正要使得PWM信号线不凡要尽可能的短。主控板PCB设计如图2.14所示。图2.14主控板PCB设计图

无刷直流电机系统控制软件设计3.1程序设计的主要部分由于本论文设计的是无刷直流电机的控制系统，主要的设计部分在于对于硬件电路的设计，而在上文中，我们已经初步的完成了对于电路的设计。在完成对于无刷直流电机控制系统的硬件设计后，我们将要开始我们的软件，程序设计。要对软件部分进行设计，我们首先要了解整个无刷直流控制系统是怎么来运作的。首先，我们要给整个无刷直流电机控制系统通电，通电后开机，使整个无刷直流电机控制系统进行一个初始化的程序，接着，我们按下开关键，启动无刷直流电机，无刷直流电机启动后，通过传感器对于速度进行一个检测，将检测到的结果在液晶显示屏中显示出来，同时也在液晶显示屏中显示出电机的正反转的情况。然后我们通过对于键盘上的对应的按键进行操作，来进行提速或是降速，或是换向的一个按键操作，在接收到了键盘上对应按键的操作指令后，通过单片机的处理和反应，使得无刷直流电动机做出相应的操作，并将变化后的转动速度情况和正反转的情况都显示在液晶显示屏上。最后当按下停止操作所对应的按钮之后，无刷直流电动机就会做出相应的停止动作。而下图就是对应的主程序的一个流程图。扫描键盘扫描键盘开始开关键？电机启动传感器速度检测液晶屏显示速度PWM占空比调节LM7805CT是否制动？转速测定结束NYNY图3.1主程序控制流程图设计通过对于整个无刷直流控制系统的工作流程的分析，描述，以及对于主程序控制流程图的分析，我们很容易就能得出，处理对于主程序要进行程序的编写外，我们还要对于键盘的输入程序，以及液晶显示屏的显示程序进行一个设计，这样才能满足完整的程序设计，来达到一个完整的无刷直流控制系统的程序设计。在前文对于无刷直流电机的控制过程中我们可以了解到，整个无刷直流电机控制系统要完成的控制指令主要有正转，反转，加速，降速，启动，停止，而这些指令都是先通过对键盘上对应的按键进行操作后，在通过程序和电路反馈给电机，来达到相应的动作目的，因此对于按键就要相应的设计对于的按键来进行控制，而键盘具体的输入程序的流程如下图所示。主程序按键处理程序主程序按键处理程序开始正常键按下？正常按键按键第二功能设定连续按键时间设定按键第二功能快速反映？按键第二功能长按？按键第二功能未设定？结束按键值NNYY图3.2键盘输入程序流程图设计目前，我们已经大致的完成了两个部分的程序设计，一个是对于整个无刷直流电机控制系统的主程序设计，还有一个就是对于无刷