無(wú)刷直流電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)

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安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）I無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器的設(shè)計(jì)摘 要無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是在有刷直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的?，F(xiàn)階段，雖然各種交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)在傳動(dòng)應(yīng)用中占主導(dǎo)地位，但無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)正受到普遍的關(guān)注。自20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著人們生活水平的提高和現(xiàn)代化生產(chǎn)、辦公自動(dòng)化的發(fā)展，家用電器、工業(yè)機(jī)器人等設(shè)備都越來(lái)越趨向于高效率化、小型化及高智能化，作為執(zhí)行元件的重要組成部分，電機(jī)必須具有精度高、速度快、效率高等特點(diǎn)，無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用也因此而迅速增長(zhǎng)。本設(shè)計(jì)是把無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作為電動(dòng)自行車(chē)控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以AT89C51 單片機(jī)為控制電路，單片機(jī)采集比較電平及電機(jī)霍爾反饋信號(hào)，通過(guò)軟件編程控制無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。將整個(gè)系統(tǒng)分成幾個(gè)部分，分析和討論了各個(gè)部分的電路原理、控制策略、實(shí)現(xiàn)方法。詳細(xì)討論了系統(tǒng)的各種工況及信號(hào)的傳遞情況，并得到了系統(tǒng)各個(gè)部分在不同工況的工作狀態(tài)。根據(jù)永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的特性實(shí)施脈寬 PWM 控制，并通過(guò)轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速通過(guò)四段數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示轉(zhuǎn)速，通過(guò)軟硬件的配合，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；單片機(jī)；霍爾位置傳感器嚴(yán)程：無(wú)刷直流電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)IIThe design of Brushless DC motor controllerAbstractBrushless DC motor in a brush DC motor developed on the basis of. At this stage, although exchanges of all kinds of DC motors and motor drive in the application of the dominant, but brushless DC motor is under common concern.Since the 1990s, as people's living standards improve and modernize production, the development of office automation, household appliances, industrial robots and other equipment are increasingly tend to be high efficiency, small size and high intelligence, as the implementation of components An important component of the motor must have a high accuracy, speed, high efficiency, brushless DC motor and therefore the application is also growing rapidly.This design is the brushless DC motor as the electric bicycle motor-driven control system, AT89C51 microcontroller for control circuit, SCM collection and comparison-level electrical signal Hall feedback, software programming through brushless DC motor controller .This paper analyzes the requirements from the system, the whole system will be divided into some parts, analysis and discussion of the various parts of the circuit of the control strategy, implementation method. Discussed in detail the status of the various systems and signal transduction, and have the system in different parts of the state the status of the work. According to the permanent magnet brushless DC motor control of the PWM pulse width, speed sensor and passed through eighth speed digital dynamic display of speed, through hardware and software support, for the entire system design requirements. Key words：BLDC;the single chip processor; hall position sensor安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）III目 錄摘 要 IABSTRACT .II引 言 1第 1 章 概 述 21.1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展概況 .21.2 本設(shè)計(jì)內(nèi)容及研究意義、價(jià)值 .21.3 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及基本工作原理 .31.4 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性 .61.4.1 機(jī)械特性 61.4.2 調(diào)節(jié)特性 71.4.3 工作特性 8第 2 章 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)方案 92.1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的組成 .92.2 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)方案 .102.2.1 設(shè)計(jì)方案比較與選擇 102.2.2 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖 112.3 控制器的基本原理 .122.4 脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù) 12第 3 章 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器的硬件設(shè)計(jì) 143.1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器硬件電路設(shè)計(jì) .143.2 AT89C51 單片機(jī)簡(jiǎn)介 .143.3 單片機(jī)與鍵盤(pán)接口設(shè)計(jì) .153.4 單片機(jī)與顯示數(shù)碼管接口的設(shè)計(jì) .163.5 逆變器與驅(qū)動(dòng)電路接口設(shè)計(jì) .173.6 限流保護(hù)電路 .203.7 復(fù)位電路設(shè)計(jì) .20第 4 章 控制器軟件部分的設(shè)計(jì) 224.1 控制器軟件設(shè)計(jì)總述 .224.2 程序流程圖 .224.3 程序代碼的編寫(xiě) .26結(jié)論與展望 33參考文獻(xiàn) 34致 謝 35附錄 A 硬件總原理圖 36附錄 B 主要參考文獻(xiàn)摘要 37附錄 C 引用外文文獻(xiàn)及翻譯 40嚴(yán)程：無(wú)刷直流電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)IV插圖清單圖 1-1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)工作原理示意圖 .4圖 1-2 無(wú)刷電動(dòng)機(jī)位置檢測(cè)及開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào) .5圖 1-3 機(jī)械特性曲線簇 .7圖 1-4 調(diào)節(jié)特性 .7圖 1-5 工作特性 .7圖 2-1 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制框圖 .11圖 2-2 PWM 占空比原理 12圖 3-1 AT89C51 引腳圖 .14圖 3-2 系統(tǒng)鍵盤(pán)接口 .15圖 3-3 單片機(jī)與數(shù)碼管顯示電路接口 .16圖 3-4 逆變器與驅(qū)動(dòng)電路接口 .16圖 3-5 LM621 原理圖 .17圖 3-6 60°換相波形 .18圖 3-7 限流電路 .19圖 3-8 按鍵復(fù)位電路 .21圖 4-1 主程序流程圖 .23圖 4-2 鍵盤(pán)程序流程圖 .23圖 4-3 顯示程序流程圖 .24圖 4-4 程序調(diào)試成功 .31安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）V表格清單表 1-1 無(wú)刷電動(dòng)機(jī)直流通電控制方式開(kāi)關(guān)切換表 .6表 3-1 系統(tǒng)鍵盤(pán)的結(jié)構(gòu)各鍵對(duì)應(yīng)功能和鍵值 15表 3-2 各鍵對(duì)應(yīng)功能和鍵值 16表 3-3 LM621 換相真值表 20表 3-4 單片機(jī)寄存器的復(fù)位狀態(tài)表 21安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）1引 言無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)( 簡(jiǎn)稱(chēng)BLDC) 是近年隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一種新型電機(jī)，它用一套電子換向裝置代替了有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向裝置，保留了有刷直流電動(dòng)機(jī)寬闊而平滑的優(yōu)良調(diào)速性能。同時(shí)又克服了有刷直流電動(dòng)機(jī)機(jī)械換向帶來(lái)的一系列的缺點(diǎn)，因此在各個(gè)領(lǐng)域中得到廣泛應(yīng)用，如計(jì)算機(jī)的軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)裝置，人工智能機(jī)器人，CD機(jī)、空調(diào)器、電動(dòng)交通工具乃至航空、航天航海業(yè)等。除具有有刷直流機(jī)的優(yōu)點(diǎn)外，還具有高能量密度，高轉(zhuǎn)矩慣性化高效率等特點(diǎn)，同時(shí)，現(xiàn)代電力電子技術(shù)和永磁材料的發(fā)展又為其發(fā)展提供了便利條件，因此BLDC具有很強(qiáng)的生命力和發(fā)展前途?？茖W(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，帶來(lái)了半導(dǎo)體技術(shù)的飛躍，開(kāi)關(guān)型晶體管的研制成功為創(chuàng)造新型的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)帶來(lái)生機(jī)。1955年，美國(guó)人首次提出用晶體管換向線路代替機(jī)械換向裝置，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，人們終于找到了用位置傳感器和電子換向線路來(lái)代替有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向裝置，出現(xiàn)了磁電耦合式、光電式及霍爾元件作為位置傳感器的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，以后人們發(fā)現(xiàn)電量波形和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的位置存在著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此又出現(xiàn)了觀測(cè)電樞繞組中不同電量波形監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子位置的無(wú)位置傳感器的電動(dòng)機(jī)。嚴(yán)程：無(wú)刷直流電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)2第 1 章 概 述1.1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展概況1831 年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，奠定了現(xiàn)代電機(jī)的基本理論基礎(chǔ)。從 19 世紀(jì) 40 年代研制成功第一臺(tái)直流電機(jī)，經(jīng)過(guò)大約 17 年的時(shí)間，直流電機(jī)技術(shù)才趨于成熟。隨著應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，對(duì)直流電機(jī)的要求也就越來(lái)越高，有接觸的機(jī)械換向裝置限制了有刷直流電機(jī)在許多場(chǎng)合中的應(yīng)用。為了取代有刷直流電機(jī)的電刷－換向器結(jié)構(gòu)的機(jī)械接觸裝置，人們?cè)鴮?duì)此作過(guò)長(zhǎng)期的探索。1915 年，美國(guó)人 Langnall 發(fā)明了帶控制柵極的汞弧整流器，制成了由直流變交流的逆變裝置。20 世紀(jì) 30 年代，有人提出用離子裝置實(shí)現(xiàn)電機(jī)的定子繞組按轉(zhuǎn)子位置換接的所謂換向器電機(jī)，但此種電機(jī)由于可靠性差、效率低、整個(gè)裝置笨重又復(fù)雜而無(wú)實(shí)用價(jià)值。科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，帶來(lái)了電力半導(dǎo)體技術(shù)的飛躍。開(kāi)關(guān)型晶體管的研制成功，為創(chuàng)造新型直流電機(jī) ——無(wú)刷直流電機(jī)帶來(lái)了生機(jī)。1955 年，美國(guó)人 Harrison 首次提出了用晶體管換相線路代替電機(jī)電刷接觸的思想，這就是無(wú)刷直流電機(jī)的雛形。它由功率放大部分、信號(hào)檢測(cè)部分、磁極體和晶體管開(kāi)關(guān)電路等組成，其工作原理是當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，在信號(hào)繞組中感應(yīng)出周期性的信號(hào)電動(dòng)勢(shì)，此信號(hào)電動(dòng)勢(shì)分別使晶體管輪流導(dǎo)通實(shí)現(xiàn)換相。問(wèn)題在于，首先，當(dāng)轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)，信號(hào)繞組內(nèi)不能產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，晶體管無(wú)偏置，功率繞組也就無(wú)法饋電，所以這種無(wú)刷直流電機(jī)沒(méi)有起動(dòng)轉(zhuǎn)矩；其次，由于信號(hào)電動(dòng)勢(shì)的前沿陡度不大，晶體管的功耗大。為了克服這些弊病，人們采用了離心裝置的換向器，或采用在定子上放置輔助磁鋼的方法來(lái)保證電機(jī)可靠地起動(dòng)。但前者結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而后者需要附加的起動(dòng)脈沖。其后，經(jīng)過(guò)反復(fù)的試驗(yàn)和不斷的實(shí)踐，人們終于找到了用位置傳感器和電子換相線路來(lái)代替有刷直流電機(jī)的機(jī)械換向裝置，從而為直流電機(jī)的發(fā)展開(kāi)辟了新的途徑。20 世紀(jì) 60 年代初期，接近開(kāi)關(guān)式位置傳感器、電磁諧振式位置傳感器和高頻耦合式位置傳感器相繼問(wèn)世，之后又出現(xiàn)了磁電耦合式和光電式位置傳感器。半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展，使人們對(duì) 1879 年美國(guó)人霍爾發(fā)現(xiàn)的霍爾效應(yīng)再次發(fā)生興趣，經(jīng)過(guò)多年的努力，終于在 1962 年試制成功了借助霍爾元件（霍爾效應(yīng)轉(zhuǎn)子位置傳感器）來(lái)實(shí)現(xiàn)換相的無(wú)刷直流電機(jī)。在 20 世紀(jì) 70 年代初期，又試制成功了借助比霍爾元件的靈敏度高千倍左右的磁敏二極管實(shí)現(xiàn)換相的無(wú)刷直流電機(jī)。在試制各種類(lèi)型的位置傳感器的同時(shí)，人們?cè)噲D尋求一種沒(méi)有附加位置傳感器結(jié)構(gòu)的無(wú)刷直流電機(jī)。1968 年，德國(guó)人 W·Mieslinger 提出采用電容移相實(shí)現(xiàn)換相的新方法。在此基礎(chǔ)上，德國(guó)人 R·Hanitsch 試制成功借助數(shù)字式環(huán)形分配器和過(guò)零鑒別器的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)換相的無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)。我國(guó)對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的研究起步較晚。1987 年，在北京舉辦的聯(lián)邦德國(guó)金屬加工設(shè)備展覽會(huì)上，SIEMENS 和 BOSCH 兩公司展出了永磁自同步伺服系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)器，引起了國(guó)內(nèi)有關(guān)學(xué)者的廣泛注意，自此國(guó)內(nèi)掀起了研制開(kāi)發(fā)和技術(shù)引進(jìn)的熱潮。經(jīng)過(guò)多年的努力，目前，國(guó)內(nèi)已有無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的系列產(chǎn)品，形成了一定的生產(chǎn)規(guī)模。1.2 本設(shè)計(jì)內(nèi)容及研究意義、價(jià)值無(wú)刷直流電機(jī)集特種電機(jī)、變速結(jié)構(gòu)、檢測(cè)元件、控制軟件與硬件于一體，形成新一代伺服系統(tǒng)，體現(xiàn)了當(dāng)今應(yīng)用科學(xué)的許多最新成果，是機(jī)電一體化的高新技術(shù)產(chǎn)安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）3品。無(wú)刷直流電機(jī)集交流電機(jī)和直流電機(jī)優(yōu)點(diǎn)于一體，它既具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電機(jī)運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好的特點(diǎn)，同時(shí)無(wú)勵(lì)磁損耗。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在電磁結(jié)構(gòu)上和有刷直流電動(dòng)機(jī)一樣，但它的電樞繞組放在定子上，轉(zhuǎn)子上安裝永久磁鋼，電樞繞組一般采用多相形式，經(jīng)逆變器接到直流電源，定子采用電子換向代替有刷電機(jī)的電刷和機(jī)械換向器，各相繞組逐次通電，在氣隙中產(chǎn)生跳躍式的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，與轉(zhuǎn)子磁極主磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，使電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，無(wú)刷直流電機(jī)和其它電機(jī)相比具有高可靠性、高效率和優(yōu)良的調(diào)速性能等諸多優(yōu)越性，并且隨著新型稀土永磁材料性能的提高與價(jià)格的下降，帶來(lái)水磁無(wú)刷直流電機(jī)成本的降低，這種優(yōu)越性將更加明顯。目前在工業(yè)先進(jìn)的國(guó)家里，工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中的有刷直流電動(dòng)機(jī)已經(jīng)逐步被無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)取代。現(xiàn)在從國(guó)外進(jìn)口的設(shè)備中，已經(jīng)很少看到以有刷直流電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)，一些國(guó)家如美國(guó)、英國(guó)、日本、德國(guó)的相關(guān)公司經(jīng)不再大量生產(chǎn)伺服驅(qū)動(dòng)用的有刷直流電動(dòng)機(jī)。由上面的分析可以看出，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)相對(duì)于其它類(lèi)型電動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō)還是一種新型電動(dòng)機(jī)，它的驅(qū)動(dòng)、控制更是和電子技術(shù)息息相關(guān)，因此，對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)本體及其控制方法進(jìn)行系統(tǒng)、深入的研究有著十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。1.3 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及基本工作原理1．無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩分析電機(jī)本體的電樞繞組為三相星型連接，位置傳感器與電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸，控制電路對(duì)位置信號(hào)進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生控制信號(hào)，控制動(dòng)信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路隔離放大后控制逆變器的功率開(kāi)關(guān)管，使電機(jī)的各相繞組按一定的順序工作。 嚴(yán)程：無(wú)刷直流電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)4圖 1-1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)工作原理示意圖如圖1-1 所示，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（順時(shí)針）到圖a所示的位置時(shí)，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動(dòng)逆變器，使T1、T2 導(dǎo)通，即A、B兩相繞組通電，電流從電源的正極流出，經(jīng)T1流入A相繞組，再?gòu)腂相繞組流出，經(jīng)T2回到電源的負(fù)極，此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過(guò)60電角度，到達(dá)圖b所示位置時(shí)，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動(dòng)逆變器，使T1、T4導(dǎo)通，A 、C兩相繞組通電，電流從電源的T6T3T2T5T1T4VD1VD6 VD2VD3VD4VD5RRR RRRCB A安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）5正極流出，經(jīng)T1流入A相繞組，再?gòu)腃相繞組流出，經(jīng)T2回到電源負(fù)極。此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過(guò)60電角度，逆變器開(kāi)關(guān)就發(fā)生一次切換，功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通邏輯為T(mén)1 、T6 —T1、T2—T3 、T2—T3、T4—T5、T4 —T5、T6—T1 、T6。在次期間，轉(zhuǎn)子始終受到順時(shí)針?lè)较虻碾姶呸D(zhuǎn)矩作用，沿順時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過(guò)60電角度，定子繞組就進(jìn)行一次換流，定子合成磁場(chǎng)的磁狀態(tài)就發(fā)生一次躍變。可見(jiàn)，電機(jī)有6種磁狀態(tài)，每一狀態(tài)有兩相導(dǎo)通，每相繞組的導(dǎo)通時(shí)間對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)120電角度。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的這種工作方式叫兩相導(dǎo)通星型三相六狀態(tài)，這是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)最常用的一種工作方式。2．無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)與輸出開(kāi)關(guān)管換流信號(hào)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的位置一般采用三個(gè)在空間上相隔120電角度的霍爾位置傳感器進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)位于霍爾傳感器位置處的磁場(chǎng)極性發(fā)生變化時(shí)，傳感器的輸出電平將發(fā)生改變，由于三個(gè)霍爾傳感器位檢測(cè)元件的位置在空間上各差120電角度，因此從這三個(gè)檢測(cè)元件輸出端可以獲得三個(gè)在時(shí)間上互差120度、寬度為180度的電平信號(hào)，分別用A、B、C 來(lái)表示，如圖 1-2所示，以信號(hào)A為例，A相位置寬度為180電導(dǎo)角：在0-60 度，T1必須導(dǎo)通，故T1狀態(tài)為1，而C相還剩下60度通電寬度，所以此段時(shí)間為T(mén)1和T6 等于1，（此時(shí)下部可供導(dǎo)通的管子為T(mén)4、 T6和T2，而為避免橋臂直通，T4 不能導(dǎo)通；T2的導(dǎo)通時(shí)間未到，故只能是T6導(dǎo)通）；而在60度— 120度，此時(shí)只有A 相通電，B和C相處于非導(dǎo)電期，故導(dǎo)通的開(kāi)關(guān)管為T(mén)1和T2（T1和T2等于1），其中T2是為B相導(dǎo)電做準(zhǔn)備；而在120度—180度時(shí)，由于 每一相只有120電導(dǎo)角導(dǎo)電時(shí)間，故此時(shí)T1關(guān)斷（T1=0），T2仍然導(dǎo)通（ B相開(kāi)始進(jìn)入導(dǎo)電期），此時(shí)可知，T1關(guān)斷，T5 不能開(kāi)通（防止橋臂直通），則此時(shí)只能開(kāi)通T3，所以T3信號(hào)此時(shí)間段為1。其他時(shí)間段的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通情況與此類(lèi)似。理論上，只要保證三個(gè)位置傳感器在空間上互差120度，開(kāi)關(guān)管的換流時(shí)刻總是可以推算出來(lái)的。然而，為了簡(jiǎn)化控制電路，每個(gè)霍爾傳感器的起始安裝位置在各自相繞組的基準(zhǔn)點(diǎn)（r=0度）上 .那么在r=0 度的控制條件下，A 相繞組開(kāi)始通電的時(shí)刻（即該相反電勢(shì)相位30度位置）恰好與A相位置傳感器輸出信號(hào) A的電平跳變時(shí)刻重合，此時(shí)應(yīng)將T1 開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通。同理，其他開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)刻也可以按同樣方法確定。本設(shè)計(jì)選用的是三相無(wú)刷永磁直流電動(dòng)機(jī)，其額定電壓U=48V,額定功率P=300W。嚴(yán)程：無(wú)刷直流電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)6圖 1-2 無(wú)刷電動(dòng)機(jī)位置檢測(cè)及開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)表 1-1 無(wú)刷電動(dòng)機(jī)直流通電控制方式開(kāi)關(guān)切換表位置傳感器 逆變橋開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)旋轉(zhuǎn)方向 A B C T1 T2 T3 T4 T5 T60 0 1 0 0 0 0 1 10 1 0 0 0 1 1 0 00 1 1 0 0 0 1 1 01 0 0 1 1 0 0 0 01 0 1 1 0 0 0 0 1正轉(zhuǎn)1 1 0 0 1 1 0 0 00 0 1 0 1 1 0 0 00 1 0 1 0 0 0 0 10 1 1 1 1 0 0 0 01 0 0 0 0 0 1 1 01 0 1 0 0 1 1 0 0反轉(zhuǎn)1 1 0 0 0 0 0 1 11.4 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性1.4.1 機(jī)械特性無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為：（1-1）222STasTeeeetUrIUrnCC?????????UT-開(kāi)關(guān)器件的管壓降Ia-電樞電流安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）7Ce-電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)-每級(jí)磁通量可見(jiàn)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與一般直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式相同，機(jī)械特性較硬。在不同的供電電壓驅(qū)動(dòng)下，可以得到如1-3圖所示機(jī)械特性曲線簇。圖 1-3 機(jī)械特性曲線簇當(dāng)轉(zhuǎn)矩較大、轉(zhuǎn)速較低時(shí)，流過(guò)開(kāi)關(guān)管和電樞繞組的電流很大，這時(shí)，管壓降隨著電流增大而增加較快，使在電樞繞組上的電壓有所減小，因而圖所示的機(jī)械特性曲線會(huì)偏離直線，向下彎曲。1.4.2 調(diào)節(jié)特性無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性如圖1-4所示。圖 1-4 調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性的始動(dòng)電壓和斜率分別為：（1-2）02eTTrUC????嚴(yán)程：無(wú)刷直流電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)8（1-3）1eKC???從機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性可以看出，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)與一般直流電動(dòng)機(jī)一樣，具有良好的調(diào)速控制性能，可以通過(guò)調(diào)節(jié)電源電壓實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)調(diào)速。但不能通過(guò)調(diào)節(jié)勵(lì)磁調(diào)速，因?yàn)橛来朋w的勵(lì)磁磁場(chǎng)不可調(diào)。1.4.3 工作特性電樞電流與輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系、效率輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系如圖1-5所示。圖 1-5 工作特性在輸出額定轉(zhuǎn)矩時(shí),電機(jī)效率高、損耗低是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的重要特點(diǎn)之一。安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）9第 2 章 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)方案2.1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的組成無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(Brushless DC Motor,簡(jiǎn)稱(chēng)BLDCM) 是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它是由電動(dòng)機(jī)本體、位置檢測(cè)器、逆變器和控制器組成的自同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)或自控式變頻同步電動(dòng)機(jī)。位置檢測(cè)器檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極的位置信號(hào)，控制器對(duì)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行邏輯處理并產(chǎn)生相應(yīng)的開(kāi)關(guān)信號(hào)，開(kāi)關(guān)信號(hào)以一定的順序觸發(fā)逆變器中的功率開(kāi)關(guān)器件。將電源功率以一定的邏輯關(guān)系分配給電動(dòng)機(jī)定子各相繞組，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)各部分的基本結(jié)構(gòu)說(shuō)明如下。1．電機(jī)本體無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)最初的設(shè)計(jì)思想來(lái)自普通的有刷直流電動(dòng)機(jī)，不同的是將直流電動(dòng)機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行了互換，其轉(zhuǎn)子為永磁結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生氣隙磁通；定子為電樞，有多相對(duì)稱(chēng)繞組。原直流電動(dòng)機(jī)的電刷和機(jī)械換向器被逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器所代替。所以無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本體實(shí)際上是一種永磁同步電機(jī)。由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本體為永磁電機(jī)，所以無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)也稱(chēng)為永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。定子的結(jié)構(gòu)與普通同步電動(dòng)機(jī)或感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相同，鐵心中嵌有多相對(duì)稱(chēng)繞組。繞組可以接成星形或三角形，并分別與逆變器中的各開(kāi)關(guān)管相連，三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)最為常見(jiàn)。2．逆變器目前，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的逆變器主開(kāi)關(guān)一般采用IGBT或功率MOSFET等全控型器件，有些主電路已有集成的功率模塊（PIC）和智能功率模塊（IPM），選用這些模塊可以提高系統(tǒng)的可靠性。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定子繞組的相數(shù)可以有不同的選擇，繞組的連接方式也有星形和角型之分，而逆變器又有半橋型和全橋型兩種。不同的組合使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生不同的性能和成本。綜合以下三個(gè)指標(biāo)有助于我們做出正確的選擇：（1）繞組利用率。與普通直流電動(dòng)機(jī)不同，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的繞組是斷續(xù)通電的。適當(dāng)?shù)靥岣呃@組利用率將可以使同時(shí)通電的導(dǎo)體數(shù)增加，使電阻下降，效率提高。從這個(gè)角度來(lái)看，三相繞組優(yōu)于四相和五相繞組。（2）轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比普通直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大。一般相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)越??；采用橋式主電路比采用非橋式主電路的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。（3）電路成本。相數(shù)越多，逆變器電路使用的開(kāi)關(guān)管越多，成本越高。橋式主電路所用的開(kāi)關(guān)管比半橋式多一倍，成本要高；多相電動(dòng)機(jī)的逆變器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也高。因此，目前以星形連接三相橋式主電路應(yīng)用最多。3．位置檢測(cè)器位置檢測(cè)器的作用是檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)與定子繞組的位置信號(hào)，為逆變器提供正確的換相信息。位置檢測(cè)包括有位置傳感器和無(wú)位置傳感器檢測(cè)兩種方式。轉(zhuǎn)子位置傳感器也由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，其轉(zhuǎn)子與電機(jī)本體同軸，以跟蹤電機(jī)本體轉(zhuǎn)子磁極的位置；其定子固定在電機(jī)本體定子或端蓋上，以檢測(cè)和輸出轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。轉(zhuǎn)子位置傳感器的種類(lèi)包括磁敏式、電磁式、光電式、接近開(kāi)關(guān)式、正余弦嚴(yán)程：無(wú)刷直流電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)10旋轉(zhuǎn)變壓器式以及編碼器等。在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中安裝機(jī)械式位置傳感器解決了電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)問(wèn)題。但是位置傳感器的存在增加了系統(tǒng)的成本和體積，降低了系統(tǒng)可靠性，限制了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍，對(duì)電機(jī)的制造工藝也帶來(lái)了不利的影響。因此，國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的無(wú)位置運(yùn)行方式給予高度重視。無(wú)機(jī)械式位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)是通過(guò)檢測(cè)和計(jì)算與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的物理量間接地獲得轉(zhuǎn)子位置信息，主要有反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法、續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測(cè)法、定子三次諧波檢測(cè)法和瞬時(shí)電壓方程法等。4．控制器控制器是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能：（1）對(duì)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器輸出的信號(hào)、PWM調(diào)制信號(hào)、正反轉(zhuǎn)和停車(chē)信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合，為驅(qū)動(dòng)電路提供各開(kāi)關(guān)管的斬波信號(hào)和選通信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及停車(chē)控制。（2）產(chǎn)生PWM調(diào)制信號(hào)，使電機(jī)的電壓隨給定速度信號(hào)而自動(dòng)變化，實(shí)現(xiàn)電機(jī)開(kāi)環(huán)調(diào)速。（3）對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行速度閉環(huán)調(diào)節(jié)和電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。（4）實(shí)現(xiàn)短路、過(guò)流、過(guò)電壓和欠電壓等故障保護(hù)電路。2.2 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)方案2.2.1 設(shè)計(jì)方案比較與選擇無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)兼有直流電動(dòng)機(jī)調(diào)整和起動(dòng)性能好以及異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單無(wú)需維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，因而在高可靠性的電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用。在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方面，絕大多數(shù)場(chǎng)合數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)已取代模擬調(diào)速系統(tǒng)。目前，數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)主要采用兩種控制方案：一種采用專(zhuān)用集成電路。這種方案可以降低設(shè)備投資，提高裝置的可靠性，但不夠靈活。另一種是以微處理器為控制核心構(gòu)成硬件系統(tǒng)。這種方案可以編程控制，應(yīng)用范圍廣，且靈活方便。電機(jī)控制器是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能:對(duì)各種輸入信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合，為驅(qū)動(dòng)電路提供各種控制信號(hào)；產(chǎn)生PWM 脈寬調(diào)制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速；實(shí)現(xiàn)短路、過(guò)流、欠壓等故障保護(hù)功能?？刂破魇请妱?dòng)自行車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它是電動(dòng)自行車(chē)的大腦。其主要作用是在保證電動(dòng)自行車(chē)正常工作的前提下，提高電機(jī)和蓄電池的效率、節(jié)省能源、保護(hù)電機(jī)及蓄電池，以及降低電動(dòng)自行車(chē)在受到破壞時(shí)的損傷程度。目前，市場(chǎng)上常用的電動(dòng)自行車(chē)無(wú)刷直流電機(jī)控制器主要采用專(zhuān)用集成電路為主控芯片，像MOTOLORA公司研制的專(zhuān)用集成電路 MC33035，其針對(duì)無(wú)刷電機(jī)的控制要求，將控制邏輯集成在芯片內(nèi)，一般該類(lèi)控制器稱(chēng)為模擬式控制器，其工作原理是用電子裝置代替電刷控制電機(jī)線圈電流換向，根據(jù)電機(jī)內(nèi)的位置傳感器(霍爾傳感器)信號(hào)，決定換相的順序和時(shí)間，從而決定電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。該控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)是智能性差，保護(hù)措施有限，系統(tǒng)升級(jí)空間小。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)作為主控芯片，用編程的方法來(lái)模擬無(wú)刷電機(jī)的控制邏輯，其安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）11特點(diǎn)是使用靈活，通過(guò)修改程序可適應(yīng)不同規(guī)格的無(wú)刷電機(jī)，增加系統(tǒng)功能方便，通常將此類(lèi)控制器稱(chēng)為數(shù)字式控制器。近幾年，國(guó)外一些大公司紛紛推出較MCU性能更加優(yōu)越的DSP(數(shù)字信號(hào)處理器)芯片電機(jī)控制器 [1]，如ADI公司的ADMC3xx系列， TI公司的TMS320C24系列及Motorola公司的DSP56F8xx系列，都是由一個(gè)以 DSP為基礎(chǔ)的內(nèi)核，配以電機(jī)控制所需的外圍功能電路，集成在單一芯片內(nèi)，使體積縮小，結(jié)構(gòu)緊湊，使用便捷，可靠性提高。但是這些專(zhuān)用芯片價(jià)格昂貴，外圍電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，在廣大的民用市場(chǎng)無(wú)法大規(guī)模推廣應(yīng)用。無(wú)刷電機(jī)控制方法主要分為有位置傳感器控制和無(wú)位置傳感器控制兩種。在有位置傳感器的控制方法中，現(xiàn)今，由于霍爾傳感器性?xún)r(jià)比高，安裝方便，被廣泛應(yīng)用作為無(wú)刷直流電機(jī)的位置傳感器。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器的控制方法主要有反電勢(shì)法、定子三次諧波法、續(xù)流二極管檢測(cè)法、脈沖檢測(cè)法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法等。但是由于無(wú)位置傳感器控制方法在低速時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確的速度調(diào)制，所以現(xiàn)階段在電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域只是處于研究階段，無(wú)法推廣到工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。2.2.2 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖基于2.2.1節(jié)的考慮,可繪出無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)框圖，如圖2-1所示：圖 2-1 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制框圖AT89C51數(shù)碼管顯示LM6212*3 鍵盤(pán)逆變電路無(wú)刷直流電機(jī)位置傳感器嚴(yán)程：無(wú)刷直流電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)122.3 控制器的基本原理本系統(tǒng)以 AT89C51 單片機(jī)為核心，通過(guò) LM621，以 2*3 矩陣鍵盤(pán)作為輸入，4 位數(shù)碼管顯示，達(dá)到控制無(wú)刷直流電機(jī)的啟停、速度和方向，完成了基本要求和發(fā)揮部分的要求 [2]。在系統(tǒng)中，采用了 PWM 技術(shù)對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，通過(guò)對(duì)占空比的計(jì)算達(dá)到精確調(diào)速的目的。如果采用軟件換相，單片機(jī)要不斷地執(zhí)行換相操作，才能使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)下去，同時(shí)還要監(jiān)控用戶(hù)界面，控制轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向操作，因此負(fù)擔(dān)很重，故本系統(tǒng)中采用專(zhuān)用集成電路芯片 LM621 來(lái)完成換相工作。1.微控制器主要功能是根據(jù)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的要求和來(lái)自霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器的三個(gè)輸出信號(hào)，將它們處理成功率驅(qū)動(dòng)單元的六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件所要求的驅(qū)動(dòng)順序。微控制器的另一個(gè)重要作用是根據(jù)電壓、電流和轉(zhuǎn)速等反饋模擬信號(hào)，以及隨機(jī)發(fā)出的制動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)AD變換和必要的運(yùn)算后，借助內(nèi)置的時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)帶有上述各種信息的脈寬調(diào)制信號(hào)。2.功率驅(qū)動(dòng)單元主要包括功率開(kāi)關(guān)器件組成的三相全橋逆變電路和自舉電路。自舉電路由分立器件構(gòu)成的，也可以采用專(zhuān)門(mén)的集成模塊等高性能驅(qū)動(dòng)集成電路。3.位置傳感器位置傳感器在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中起著測(cè)定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為邏輯開(kāi)關(guān)電路提供正確的換相信息。4.周邊輔助、保護(hù)電路主要有電流采樣電路、電壓比較電路、過(guò)電流保護(hù)電路、調(diào)速信號(hào)和制動(dòng)信號(hào)等輸入電路。2.4 脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)1.脈寬調(diào)制的原理脈寬調(diào)制（PWM）是利用數(shù)字輸出對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種有效技術(shù)，尤其是在對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方面，可大大節(jié)省能量。PWM 具有很強(qiáng)的抗噪性，且有節(jié)約空間、比較經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。模擬電路控制有以下缺陷：模擬電路容易隨時(shí)間漂移，會(huì)產(chǎn)生一些不必要的熱損耗，以及對(duì)噪聲敏感等。而在用了 PWM 技術(shù)后，避免了以上缺陷，實(shí)現(xiàn)了用數(shù)字方式來(lái)控制模擬信號(hào)，可以大幅度降低成本和功耗 [4]。PWM（脈沖寬度調(diào)制）是通過(guò)控制固定電壓的直流電源開(kāi)關(guān)頻率，改變負(fù)載兩端的電壓，從而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。PWM 可以應(yīng)用在許多方面，比如：電機(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等等。在 PWM 驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開(kāi)電源，并且根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開(kāi)”時(shí)間的長(zhǎng)短。通過(guò)改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來(lái)達(dá)到改變平均電壓大小的目的，從而來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。也正因?yàn)槿绱?，PWM 又被稱(chēng)為“開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置” 。如圖 2-2 所示。安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）13圖 2-2 PWM 占空比原理設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大為 Vmax，設(shè)占空比為 D= t1 / T，則電機(jī)的平均速度為 Va = Vmax * D，其中 Va 指的是電機(jī)的平均速度； Vmax 是指電機(jī)在全通電時(shí)的最大速度；D = t1 / T 是指占空比。由上面的公式可見(jiàn)，當(dāng)我們改變占空比 D = t1 / T 時(shí)，就可以得到不同的電機(jī)平均速度 Vd，從而達(dá)到調(diào)速的目的。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，平均速度 Vd 與占空比 D 并非嚴(yán)格的線性關(guān)系，但是在一般的應(yīng)用中，我們可以將其近似地看成是線性關(guān)系。2.脈寬調(diào)制方式PWM 控制的基本原理很早就已經(jīng)提出，但是受電力電子器件發(fā)展水平的制約，在上世紀(jì) 80 年代以前一直未能實(shí)現(xiàn)。直到進(jìn)入上世紀(jì) 80 年代，隨著全控型電力電子器件的出現(xiàn)和迅速發(fā)展，PWM 控制技術(shù)才真正得到應(yīng)用。隨著電力電子技術(shù)，微電子技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展以及各種新的理論方法，如現(xiàn)代控制理論，非線性系統(tǒng)控制思想的應(yīng)用，PWM 控制技術(shù)獲得了空前的發(fā)展。 嚴(yán)程：無(wú)刷直流電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)14第 3 章 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器的硬件設(shè)計(jì)3.1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器硬件電路設(shè)計(jì)無(wú)刷直流電機(jī)控制器的總硬件圖如附錄 A 所示。3.2 AT89C51 單片機(jī)簡(jiǎn)介AT89C51 是美國(guó) ATMEL 公司生產(chǎn)的低電壓，高性能 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含4K bytes 的可反復(fù)擦寫(xiě)的只讀程序存儲(chǔ)器（EPROM)和 128 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM)，期間采用 ATMEL 公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS-51 指令系統(tǒng)，片內(nèi)置通用 8 位中央處理器 (CPU)和 Flash 存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的AT89C51 單片機(jī)可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。主要性能參數(shù)：·與 MCS-51 產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容·4K 字節(jié)可重復(fù)擦寫(xiě) Flash 閃存存儲(chǔ)器·1000 次擦寫(xiě)周期·全靜態(tài)操作：0Hz —24MHz·三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器·128*8 字節(jié)內(nèi)部 RAM·32 個(gè)可編程 I/O 口線·2 個(gè) 16 位定時(shí)器/計(jì)時(shí)器·5 個(gè)中斷源·可編程串行 UART 通道·低功耗空閑和掉電模式功能概述：AT89C51 提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能：4K 字節(jié) Flash 閃速存儲(chǔ)器， 128 字節(jié)內(nèi)部 RAM，32個(gè) I/O 口線，兩個(gè) 16 位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè) 5 向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89C51 可降至 0Hz 的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止 CPU 的工作，但允許 RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電方式保存 RAM 中的內(nèi)同，但振蕩器停止工作并禁止其他所有部件工作指導(dǎo)下一個(gè)硬件復(fù)位 [4]。AT89C51 引腳圖如圖 3-1 所示。安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）15圖 3-1 AT89C51 引腳圖3.3 單片機(jī)與鍵盤(pán)接口設(shè)計(jì)本系統(tǒng)使用最簡(jiǎn)單的 2*3 矩陣鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的操作，鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖 3-2所示：P1.01 P1.12P1.23 P1.34P1.45 P1.56P1.67 P1.78RST/VPD9 P3.0/RxD10P3.1/TxD11 P3.2/INT012P3.3/INT113 P3.4/T014P3.5/T115 P3.6/WR16P3.7/RD17 XTAL218XTAL119 GND20VCC 40P0.0 39P0.1 38P0.2 37P0.3 36P0.4 35P0.5 34P0.6 33P0.7 32EA/VPP 31ALE/PROG 30PSEN 29P2.7 28P2.6 27P2.5 26P2.4 25P2.3 24P2.2 23P2.1 22P2.0 21AT89C51S2S1S4 S6S3S5XTAL圖 3-2 系統(tǒng)鍵盤(pán)接口系統(tǒng)鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)和各鍵對(duì)應(yīng)的功能及鍵值分別如表 3-1 和 3-2 所示。表 3-1 系統(tǒng)鍵盤(pán)的結(jié)構(gòu)各鍵對(duì)應(yīng)功能和鍵值啟動(dòng)/制動(dòng) ▲ 正反轉(zhuǎn)? ▼ ?P1.01 P1.12P1.23 P1.34P1.45 P1.56P1.67 P1.78RST/VPD9 P3.0/RxD10P3.1/TxD11 P3.2/INT012P3.3/INT113 P3.4/T014P3.5/T115 P3.6/WR16P3.7/RD17 XTAL218XTAL119 GND20VCC 40P0.0 39P0.1 38P0.2 37P0.3 36P0.4 35P0.5 34P0.6 33P0.7 32EA/VPP 31ALE/PROG 30PSEN 29P2.7 28P2.6 27P2.5 26P2.4 25P2.3 24P2.2 23P2.1 22P2.0 21嚴(yán)程：無(wú)刷直流電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)16表 3-2 各鍵對(duì)應(yīng)功能和鍵值鍵位 功能 鍵值S1 啟動(dòng)/ 制動(dòng) 0XA0S2 ▲ 0X90S3 正反轉(zhuǎn) 0X88S4 ? 0X60S5 ▼ 0X50S6 ? 0X48各鍵詳細(xì)功能如下：S1：?jiǎn)?dòng)系統(tǒng)。單片機(jī)上電初始化后，首先掃描鍵盤(pán)，若 S1 被按下，則啟動(dòng)系統(tǒng)，否則將一直掃描鍵盤(pán)，此時(shí)其他鍵沒(méi)有任何功能 [5]。S4 和 S6：系統(tǒng)運(yùn)行期間，若按下 S4 或 S6，系統(tǒng)進(jìn)入調(diào)速狀態(tài)，此時(shí) 4 位數(shù)碼管從左邊第一位開(kāi)始閃爍，代表當(dāng)前位，若 5S 內(nèi)鍵盤(pán)沒(méi)輸入，則自動(dòng)確認(rèn)當(dāng)前輸入值，通過(guò)調(diào)速達(dá)到設(shè)定值。S2 和 S5：通過(guò)按 S4 或 S6，當(dāng)前位閃爍，此時(shí)通過(guò) S2 和 S5 可對(duì)當(dāng)前位進(jìn)行+1/-1，若 5S 內(nèi)沒(méi)有操作，系統(tǒng)自動(dòng)確認(rèn)當(dāng)前輸入值 [6]。S3：正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。3.4 單片機(jī)與顯示數(shù)碼管接口的設(shè)計(jì)單片機(jī)與數(shù)碼管顯示電路如圖 3-3 所示，其中數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)顯示方式 [7]。整個(gè)顯示電路包括兩部分：1.數(shù)碼管本系統(tǒng)采用 4 位 8 段共陰極數(shù)碼管顯示單片機(jī) P0 口接上拉電阻數(shù)碼管段選通過(guò)限流電阻接 P0 口位選接 P1.0——P1.3 口2.LED 發(fā)光二極管兩個(gè)二極管：一個(gè)代表正轉(zhuǎn)一個(gè)代表反轉(zhuǎn)P1.01 P1.12 P1.23P1.34 P1.45 P1.56P1.67 P1.78 RST/VPD9P3.0/RxD10 P3.1/TxD11 P3.2/INT012P3.3/INT113 P3.4/T014 P3.5/T115P3.6/WR16 P3.7/RD17 XTAL218XTAL119 GND20VCC 40P0.0 39P0.1 38P0.2 37P0.3 36P0.4 35P0.5 34P0.6 33P0.7 32EA/VPP 31ALE/PROG 30PSEN 29P2.7 28P2.6 27P2.5 26P2.4 25P2.3 24P2.2 23P2.1 22P2.0 21AT89C51abfcgdeVCC1234567abcdefg8 dp dp9abfcgdeVCC1234567abcdefg8 dp dp9abfcgdeVCC1234567abcdefg8 dp dp9abfcgdeVCC1234567abcdefg8 dp dp9QRRVCCD1 D2圖 3-3 單片機(jī)與數(shù)碼管顯示電路接口安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）173.5 逆變器與驅(qū)動(dòng)電路接口設(shè)計(jì)逆變器與驅(qū)動(dòng)電路接口電路如圖 3-4 所示。T6T3T2T5T1T4VD1VD6 VD2VD3VD4VD5RRR RRCB AVcc11 DEAD3SEL8 CLK4LOG9 HS15HS26 HS37DIR2 INH17CU1 16CU3 13CU5 15CU4 12CU6 14CU2 11Vcc2 18POW 10LM621VCCRRC+5V12 3A74LS00+-R48V圖 3-4 逆變器與驅(qū)動(dòng)電路接口1.逆變器本系統(tǒng)逆變部分采用三相橋式全控逆變電路，功率開(kāi)關(guān)器件采用 MOSFET[8]。2.驅(qū)動(dòng)電路（1）通過(guò)無(wú)刷直流電機(jī)換相專(zhuān)用芯片 LM621 控制功率管的導(dǎo)通，從而驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)，LM621 的特點(diǎn)：·和三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)兼容·雙極性驅(qū)動(dòng)三相三角形聯(lián)結(jié)或星形聯(lián)結(jié)繞組·單極性驅(qū)動(dòng)三相有中心抽頭的星形聯(lián)結(jié)繞組·三相電動(dòng)機(jī)位置傳感器空間間距 30°或 60°·四相電動(dòng)機(jī)位置傳感器空間間距 90°·輸出端直接驅(qū)動(dòng)雙極型功率管（可提供 35mA 基極電流）或 MOSFET 功率器件·有可調(diào)死區(qū)時(shí)間及其時(shí)鐘振蕩器·直接與 PWM 信號(hào)接口和霍爾位置傳感器接口·欠電壓封鎖（2）其原理如圖 3-5 所示。嚴(yán)程：無(wú)刷直流電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)18圖 3-5 LM621 原理圖換相波形圖如圖 3-6 所示。LM621 換相譯碼真值表如表 3-3[9]。管腳功能定義：·引腳 1（Vcc1）：第一電源，邏輯部分和時(shí)鐘用電源，+5V·引腳 2（DIRECTION)：轉(zhuǎn)向控制端。由于所施加的邏輯電平?jīng)Q定電機(jī)轉(zhuǎn)向·引腳 3（DEAD-TIME ENABLE):死區(qū)時(shí)間使能端?？刂扑绤^(qū)功能，高電平有效。·引腳 4（CLOCK TIMING):時(shí)鐘定時(shí)端。該端外接定時(shí)電容和電阻至地，設(shè)定時(shí)鐘振蕩周期，決定死區(qū)時(shí)間?！ひ_ 5、6、7（HS1、HS2、HS3 ）：霍爾位置傳感器輸入端。·引腳 8（30/60SELECT):30/60 選擇端。三相電動(dòng)機(jī)傳感器空間間距 30°時(shí)，該端施加高電平；60° 時(shí)，施加零電平?！ひ_ 9（LOGIC GROUND):邏輯地?！ひ_ 10（POWER GROUND):功率地?！ひ_ 11、12、13（CURRENT SOURCE OUT) ：灌電流輸出端。 、·引腳 14、15、16（CURRENT SINK OUT):抽電流輸出端。·引腳 17（OUTPUT INHIBIT)：輸出禁止端。對(duì)該引腳施加高電平時(shí)，輸出被關(guān)閉?！ひ_ 18（MOTOR SUPPLY VOLTAGE): Vcc2（+5——40V）端，第二電源，它提供 11——13 腳灌電流輸出的電流。安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）19圖 3-6 60°換相波形嚴(yán)程：無(wú)刷直流電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)20表 3-3 LM621 換相真值表3.6 限流保護(hù)電路限流保護(hù)電路原理圖如圖 3-7 所示T6 T2T4 VD6 VD2VD4RRRRRRC321411 ALM324VCC圖 3-7 限流電路從圖 3-7 可知，主回路中通過(guò)電動(dòng)機(jī)的電流最終是經(jīng)過(guò)電阻 R 接地 [10]。因此，Uf=RIM，其大小正比于電動(dòng)機(jī)的電流 IM。而 Uf 同數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓 U0 分別送到LM324 運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端，一旦反饋電壓 Uf 大于來(lái)自數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的給定信號(hào)U0，則 LM324 運(yùn)算放大器輸出為低電平，通過(guò)非門(mén)變?yōu)楦唠娖捷斎氲?LM621 的引腳17，使輸出關(guān)斷，從而截?cái)嗔酥绷鳠o(wú)刷電動(dòng)機(jī)定子繞組的所有電流通路，迫使電動(dòng)機(jī)電流下降，一旦電流下降到時(shí) Uf 小于 U0，則 LM324 運(yùn)算放大器輸出回到高電平，通過(guò)非門(mén)變?yōu)榈碗娖剑?LM621 的 17 腳，LM621 正常工作。3.7 復(fù)位電路設(shè)計(jì)復(fù)位是單片機(jī)的初始化操作，以便使 CPU 和系統(tǒng)中其他部件都處于一個(gè)確定的初安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）21始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作。除了進(jìn)入系統(tǒng)的正常初始化之外，當(dāng)單片機(jī)系統(tǒng)在運(yùn)行出錯(cuò)或操作錯(cuò)誤使系統(tǒng)處于死鎖狀態(tài)時(shí)，也可按復(fù)位鍵重新啟動(dòng) [11]。復(fù)位后，PC 內(nèi)容初始化為 0000H，使單片機(jī)從 0000H 單元開(kāi)始執(zhí)行程序。單片機(jī)復(fù)位后，除了 PC 之外，還對(duì)片內(nèi)的特殊功能寄存器有影響，它們的復(fù)位狀態(tài)如表 3-4所示。單片機(jī)復(fù)位后不影響內(nèi)部 RAM 的狀態(tài)。89C51 單片機(jī)復(fù)位信號(hào)的輸入端是 RST引腳，高電平有效。其有效時(shí)間持續(xù) 24 個(gè)時(shí)鐘周期（2 個(gè)機(jī)器周期）以上。RST 端的外部復(fù)位電路有兩種操作方式：上電自動(dòng)復(fù)位和按鍵手動(dòng)復(fù)位。上電自動(dòng)復(fù)位是利用電容儲(chǔ)電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。上電瞬間，RC 電路充電，RST 端出現(xiàn)正脈沖，隨著充電電流的減少，RST 的電位逐漸下降。按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式和脈沖方式兩種。按鍵電平復(fù)位是相當(dāng)于 RST 端通過(guò)電阻接高電平，如圖 3-8 所示；按鍵脈沖復(fù)位，利用 RC 微分電路產(chǎn)生正脈沖 [12]。出于應(yīng)用方便，本設(shè)計(jì)采用按鍵電平復(fù)位電路。復(fù)位按鍵為 S7。表 3-4 單片機(jī)寄存器的復(fù)位狀態(tài)表寄存器 復(fù)位狀態(tài) 寄存器 復(fù)位狀態(tài)PC 0000H TCON 00HACC 00H TH0 00HPSW 00H TL0 00HSP 07H TH1 00HDPTR 0000H TL1 00HP1、P3 FFH SCON 00HIP ××000000B SBUF 不定IE 0××00000B 0×××××××B(NMOS)TMOD 00H PCON 0×××0000B(CHMOS)RRCP1.01 P1.12P1.23 P1.34P1.45 P1.56P1.67 P1.78RST/VPD9 P3.0/RxD10P3.1/TxD11 P3.2/INT012P3.3/INT113 P3.4/T014P3.5/T115 P3.6/WR16P3.7/RD17 XTAL218XTAL119 GND20VCC 40P0.0 39P0.1 38P0.2 37P0.3 36P0.4 35P0.5 34P0.6 33P0.7 32EA/VPP 31ALE/PROG 30PSEN 29P2.7 28P2.6 27P2.5 26P2.4 25P2.3 24P2.2 23P2.1 22P2.0 21AT89C51+5V圖 3-8 按鍵復(fù)位電路嚴(yán)程：無(wú)刷直流電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)22第 4 章 控制器軟件部分的設(shè)計(jì)4.1 控制器軟件設(shè)計(jì)總述本系統(tǒng)設(shè)置兩個(gè)標(biāo)志位 tag（啟動(dòng)標(biāo)志位，0 代表運(yùn)行，1 代表停止）和 tag1（閃爍標(biāo)志位，0 代表有閃爍，1 代表無(wú)閃爍） ，另外設(shè)置兩個(gè)數(shù)組：數(shù)碼管段選數(shù)組 d_p和位選數(shù)組 p1[13]。本系統(tǒng)程序主要由以下部分組成：·主程序·中斷服務(wù)程序·鍵盤(pán)掃描程序·顯示程序·啟動(dòng)程序·停機(jī)程序·向上箭頭程序·向下箭頭程序·左移程序·右移程序·正反轉(zhuǎn)程序·測(cè)速程序·PWM 輸出程序·延時(shí)程序其中向上（下） 、左（右）移、啟動(dòng)、正反裝程序由鍵盤(pán)程序調(diào)用，鍵盤(pán)程序、顯示程序、測(cè)速程序、PWM 輸出程序由主程序調(diào)用。4.2 程序流程圖主要模塊程序流程圖如圖 4-1 所示；鍵盤(pán)程序流程圖如圖 4-2 所示；顯示程序流程圖如圖 4-3 所示。安徽工程大學(xué)機(jī)電學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）23圖 4-1 主程序流程圖轉(zhuǎn)速測(cè)定啟動(dòng)檢測(cè)霍爾傳感器PWM 計(jì)算LM621驅(qū)動(dòng)電路制動(dòng)？轉(zhuǎn)速測(cè)定數(shù)碼管鍵盤(pán)掃描是否是否啟動(dòng)鍵按下？鍵盤(pán)掃描開(kāi)始結(jié)束停機(jī)嚴(yán)程：無(wú)刷直流電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)24圖 4-2 鍵盤(pán)程序流程圖是否有鍵按下？P2.7 置高延遲并讀 P2 口P2.6 置高延遲并讀 P2口否是否有鍵按下？是否有鍵按下？是否是否是開(kāi)始