无刷直流电机控制系统控制器设计

郑州航空工业管理学院郑州航空工业管理学院毕业论文（设计）2014届电气工程及其自动化s专业1206972班级题目无刷直流电机控制系统控制器设计姓名陈垒刚学号120697201指导教师崔建锋职称副教授二О一四年五月六日郑州航空工业管理学院·1·摘要无刷直流电动机控制系统设计主要包括控制器、功率变换器和软件设计。本人的设计主要是进行控制器的设计，本设计主要是介绍了直流电动机的发展概况、组成结构、工作原理、控制方式以及单片机AT89C51的在系统中的应用。本人设计的控制器主要是由AT89C51的单片机将位置检测电路、换相逻辑电路、键盘接口回路连接到一起。当无刷直流电动机在转动时，位置传感器根据转子当前的转动位置，发出相应的的信号CAP1-CAP3，然后再由单片机输出的PWM调制信号PWM1（P0.6）和AT89C51输出的信号(P0.0～P0.5)逻辑组合变换后得到控制6个功率管的触发信号（PWM11——PWM16），通过改变PWM脉冲信号的占空比来实现对电机转速的控制。无刷直流电机的定子电枢绕组换相和正反转控制是通过用反映电机转子位置的霍尔信号改变MOSFET功率管的开通和关断的顺序来实现的。通过键盘的输入进而来实现电动机的的启动、停止、动、正转和反转，从而实现了无刷直流电动机的简单的自动化控制。关键词无刷直流电动机；AT89C51单片机：PWM郑州航空工业管理学院·2·AbstractBrushlessDCmotorcontrolsystemdesignincludesacontroller,apowerconverterandsoftwaredesign.Idesignedprimarilyforcontrollerdesign,thedesignismainlyintroducesthedevelopmentofDCmotors,compositionstructure,workingprinciple,methodandSCMAT89C51controlapplicationsinthesystem.IdesignedcontrollerAT89C51microcontrollerprimarilybythepositiondetectioncircuitcommutationlogiccircuit,keyboardinterfacecircuitsconnectedtogether.BrushlessDCmotorcontrolMCUcontrollerismainlybasedonthecurrentrotationalpositionoftherotor,toissuethecorrespondingcontrolword,bychangingthedutycycleofthePWMpulsesignaltoachievethemotorcontrol.BrushlessDCmotorstatorandarmaturewindingcommutationreversingcontrolisachievedbychangingtheopeningofthepowerMOSFETonandoffwiththeorderreflectingtheHallrotorpositionsignalstoachieve.Byenteringthekeyboardandthenstartthemotortoachieve,stop,move,forwardandreverse,inordertoachieveasimpleautomatedcontrolofbrushlessDCmotor.KeywordsBrushlessDCmotor;AT89C51microcontroller:PWM郑州航空工业管理学院·3·目录摘要....................................................1第一章无刷直流电动机的原理和机构的概述..................51.1无刷直流电动机的发展概况..........................51.2本设计内容及研究...................................61.3无刷直流电动机的结构和基本工作原理................61.3.1现对无刷直流电动机各部分的基本结构说明.......61.3.2无刷电机的运行原理...........................71.3.3无刷直流电动机转矩分析.......................81.3.4无刷的直流电动机与输出开关管换流信号........10第二章无直类型的流电动机的控制器方案...................132.1无刷的直流电动机系统..............................132.2无刷直流电动机控制器设计方案......................132.2.2无刷的直流电动机控制系统组成框图............132.3控制器的基本原理..................................142.4脉宽调制（PWM）技术...............................152.4.1脉宽调制的原理..............................15第三章无刷直流电动机控制器的硬件设计....................163.1AT89C51单片机简介................................163.2单片机最小系统....................................173.3传感器选择.......................................213.4单片机与键盘接口设计..............................19郑州航空工业管理学院·4·3.5位置检测电路设计.................................213.6换相逻辑电路的设计................................25第4章控制器软件部分的设计..............................284.1控制器软件设计总述...............................284.2程序流程图.......................................28结束语................................................32致谢...................................................33参考文献................................................34郑州航空工业管理学院·5·第一章无刷直流电动机的原理和机构的概述前言无刷类型直流的电动机为一种很新型的电动机，单片机被作为了它的控制核心的电动机控制器为本设计的目的和要求，其中包括硬件系统设计和软件系统设计。电动的机的硬件系统电路设计包括：电源电路、串口通信电路、电机驱动电路设计、单片机电路设计；软件系统采用单片机语言进行程序设计。为了最后设计的准确性而做了大量的实验进行了验证。科学和技术它们的很快的发展，导致了半导通体的技术的很大的跳跃，开关类型的晶体管它的出现为了产生了新种类的无刷的直流型电动机带来了未来。1.1无刷直流电动机的发展概况最近的几年的对异步类型的电动机它的变频和调速的专研，说到到底就是我们在慢慢的去探索怎么去控制现在的异步类型的电动机它的转矩，无刷类型的直流的电动机一直依靠它的很宽的调速、非常小的体积、很高的工作效率以及它的稳定态转速的误差非常的小的等优点令它在现在的调速的领域占了很大的优势。无刷类型的直流的电机不仅拥有了直流类型的有刷的电机它的工作特性,而且具有频率的变化类型的装置,所以它又被叫作直流的变频,在国际中的常用型的名词为BLDC.无刷的类型的直流的电机它郑州航空工业管理学院·6·的运转的工作效率很高,还有低速的转矩,转速的工作精度等等都是很好的。它与任何的控制类型的技术的什么的变频器相比，它都是很好的,因此它是很值得我们业界人士的关注.1.2本设计内容及研究无刷类型的直流的电动机和其它的种类的电动机去比较的话，它都是一类新种类的电动机，它的什么驱动啊、控制方法都和现在的电子技术联系非常大，所以我们对现在的无刷类型的直流电机它的本体和它的控制的方法去很系统、深远的专研很有重要的现实意义。无刷类型的直流的电机不仅拥有其他的交流类型的电动机和直流类型的电机它们身上的优势，它同时还拥有其他的交流电动机它们的结构上的很简单，运行方面也是可靠的、维护方面也是非常的方便等优势，于此它不仅拥有现在直流类型的电动机它们的运行方面的效率很非常的高、调速方面的性能同时也非常好的优点，还有无励方面的磁性的损耗。无刷类型的直流的电机是把特种类型的电机、还有变速的结构、其他的检测性方面的元件、控制方法将要用到的软件和硬件形成了一体，组成了新一种的的伺服功能的系统，体现了现在应用科学的许多最新研究成果，是实现机电的一体化功能的高新科技产品。1.3无刷直流电动机的结构和基本工作原理1.3.1现对无刷直流电动机各部分的基本结构说明郑州航空工业管理学院·7·直流类型的无刷性质的永磁性方面的电动机，主要由电机的本体、位置的类型方面的传感器以及电子性的开关类型的线路组合而成的。它的定子的绕组在一般的情况被制成了很多相的，它的转子是由一种的永久型的磁钢顺着规的定极它的对数形成的。下图所示为三相两极直流无刷电机结构（1）电机本体电机本体实际上是一种永磁同步电机。（2）逆变器现在的无刷类型的直流类型的电动机它的逆变器的主开关在一般的情况下都是用现在IGBT或着是用功率类型的MOSFET的等全控类型方面的元件，一些它的主电路现在都用上了集成类型的的功率类型的模块和智能类型的功率的模块，用上面这一些的模块都是可以用来提高电动机它的系统使用的可靠。（3）位置传感器位置类型的传感器在系统中起一定的测电动机的定子和它的转子们的磁极的位置的工作状态下的作用，给电动机的逻辑类型的开关的电路实现了换相的功能。1.3.2无刷电机的运行原理郑州航空工业管理学院·8·无刷的直流电动机由电机的本体、位置的检测类型的器件、逆变器以及控制器而形成的自己去同步的电动机控制系统。第一步位置的检测类型的器件通过检测它自己的转子们的磁极所在的位置的信号，然后由控制器把转子位置的信号去逻辑处理，然后产生与之相应的开关的类型信号，开关类型方面的一种信号是按照规定好的的顺序去触发电动机它自己的逆变器中的所用的功率类型的开关性质的器件。同时把它的电源的功率以逻辑性质的关系分去到定子的每相的绕组，然后令电动机产生了连续工作的转矩。1.3.3无刷直流电动机转矩分析电机本体它的电枢类型的绕组组成了三相类型的星型的方式，位置类型的传感器是同电机它的转子在一个轴上的，其控制的电路将它的位置的信号去形成逻辑类型的转变，就去形生一种控制类型的信号，它的控制的动信号是经过一种的驱动类型的电路去隔离后去放大，后来再去进行控制逆变器它的功率类型的开关性质的管，令电机的每相绕组按着规定的顺序去工作。郑州航空工业管理学院·9·图1-1无刷类型的直流电动机它的工作原理图如上面的图1-1，当它的转子去顺时针的进行旋转到上面的图a的所示的位置时，它的转子的一种的位置类型的的传感器，把它输出的一种的信号然后通过它的控制的电路的逻辑关系的转变后去驱动电动机的逆变器，令图中的T1、T2去导通，也就是说A、B两相绕组同时通电，电流通过电源正向极流出，经T1流进A相的绕组里，再由B的相绕组里流出，经T2流入电源的负向极，这个时候它的定子和它的转子们的磁性场去进行相互的作用，令电动机它的转子进行一种的顺时针性的转动。它的转子将在它的空间进行转过