基于单片机的无刷直流电动机控制系统设计本科毕业论文.docx

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基于单片机的无刷直流电动机控制系统设计本科毕业论文

基于单片机的无刷直流电动机控制系统设计

摘要

基于单片机的无刷直流电动机控制系统,主要由无刷直流电动机、单片机和驱动主回路构成,其控制核心是C515C单片机。

该单片机主要完成位置传感器信号的采集,电动机换相信号的输出,电动机转速的测量,以及数字PWM调速信号的输出,电流的采集等功能。

并通过软件编程实现速度的PI调节,构成电动机转速闭环控制系统。

电动机驱动电路采用的是具有开关速度快、损耗低、驱动功率小的MOSFET管构成的全桥式控制方式。

该系统的特点就是结构简单,实现了全数字式控制,在运行中获得了良好的动静态性能。

关键词：

无刷直流电动机，单片机，PWM控制

ABSTRACT

ThecontrolsystemofbrushlessDCmotorwithsinglechipmicrocontrollerisintroduced.ThesystemconsistsofbrushlessDCmotor,singlechipmicrocontrolleranddrivecircuitwithC515Casthecontrollingcore.Theacquisitionofpositionsensorsignals,theoutputofchangephasesignals,themeasurementofspeedofthemotor,outputofthedigitalPWMandA/Dconversionofthemotor'scurrentarecompletedbyC515C.ThespeedPImodulationisrealizedbythesoftware.ThePIrealizesthecloseloopcontrolofthespeed.Inaddition,the3phasefullcontrolbridgeofMOSFETtube,withhighswitchspeed,lowdepreciationandlowdrivepower,isusedinpowerdrivecircuit.Themainpropertiesofthecontrolsystemare:

simplestructure,digitalcontrol,andgooddynamicandstaticproperties.

KEYWORDS：

brushlessDCmotor;singlechipmicrocontroller;PWMcontrol

目录

摘要Ⅴ

AbstractⅤ

一、前言（绪论、引言）1

1.1选题背景1

1.2研究背景1

1.3研究目标1

二、国内外现状1

2.1无刷直流电机的发展现状1

2.2单片机的发展现状3

2.2.1内部结构的进步3

2.2.2功耗、封装及电源电压的进步3

2.2.3工艺上的进步4

三、设计原理4

3.1无刷直流电动机简介4

3.2无刷直流电动机的基本工作原理5

3.3无刷直流电动机的换相原理5

3.4单片机简介6

3.5单片机的硬件特性6

四、设计方案7

4.1系统硬件设计7

4.2转子位置检测7

4.3换相控制8

4.4转速的测量和控制8

4.5转速设定8

4.6电流限制8

4.7正反转控制9

4.8系统软件设计9

五、实验结果及结论11

5.1结论与不足11

5.2总结12

致谢13

参考文献13

第1章绪论

一、前言

1.1选题背景

模拟器件有本质的缺陷；元器件特征参数受温度影响；器件的老化；不便于维护、无法升级。

随着微处理器性能的不断提高，以单片机为核心的数字控制系统正逐渐应用于无刷直流电动机的控制，并取得了非常好的效果。

它终将取代模拟控制系统。

1.2研究背景

这种电机结构简单，运行可靠，没有火花，电磁噪声低，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。

无刷直流电机利用电子换向器取代了传统直流电机中的机械电刷和机械换向器，因此不仅保留了直流电动机运行效率高和调速性能好等优点，又具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点。

由于不受机械换向限制，易于做到大容量、高转速，目前在航天、军工、数控、冶金、医疗器械等领域已得到大量应用。

1.3研究目标

直流电动机的机械电刷和换向器因强迫性接触,造成其结构复杂、可靠性差、变化的接触电阻、火花、噪声等一系列问题,影响了直流电动机的调速精度和性能。

随着电子技术、功率元件技术和高性能的磁性材料制造技术的发展,无刷直流电动机利用电子换向器取代了机械电刷和机械换向器,因此,使这种电动机不仅保留了直流电动机的优点,而且又具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点。

在宇航、军事设施领域及工业和民用领域都得到了广泛的应用。

无刷直流电动机是伴随着数字控制技术而产生和发展起来的,因此,采用单片机为主的数字控制是无刷直流电动机的主要控制手段之一。

二、国内外现状

2.1无刷直流电机的发展现状

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直流无刷电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部分组成，电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。

工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机。

从无刷电动机的三个部分对其发展进行分析。

电动机本体：

无刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动机基本一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子采用的重量、简化了结构、提高了性能，使其可靠性得以提高。

无刷电动机的发展与永磁材料的发展是分不开的，磁性材料的发展过程基本上经历了以下几个发展阶段：

铝镍钴，铁氧体磁性材料，钕铁硼（NdFeB）。

钕铁硼有高磁能积，它的出现引起了磁性材料的一场革命。

第三代钕铁硼永磁材料的应用，进一步减少了电机的用铜量，促使无刷电机向高效率、小型化、节能的方向发展。

目前，为提高电动机的功率密度，出现了横向磁场永磁电机，其定子齿槽与电枢线圈在空间位置上相互垂直，电机中的主磁通沿电机轴向流通，这种结构提高了气隙磁密，能够提供比传统电机大得多的输出转矩。

该类型电机正处于研究开发阶段。

电子换相控制电路：

无刷直流电动机通过控制驱动电路中的功率开关器件，来控制电机的转速、转向、转矩以及保护电机，包括过流、过压、过热等保护。

控制电路最初采用模拟电路，控制比较简单。

如果将电路数字化，许多硬件工作可以直接由软件完成，可以减少硬件电路，提高其可靠性，同时可以提高控制电路抗干扰的能力，因而控制电路由模拟电路发展到数字电路。

目前，控制电路一般有专用集成电路、微处理器和数字信号处理器等三种组成形式。

对电机控制要求不高的场合，由专业集成电路组成控制电路是简单实用的方法；由于数字信号处理器运算快，外围电路少，系统组成简单、可靠，使得直流无刷电动机的组成大为简化，性能大大改进，有利于电机的小型化和智能化，因而数字信号处理器是控制电路发展的方向。

驱动电路：

驱动电路输出电功率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于控制电路。

驱动电路由大功率开关器件组成。

正是由于晶闸管的出现，直流电动机才从有刷实现到无刷的飞跃。

但由于晶闸管是只具备控制接通，而无自关断能力的半控性开关器件，其开关频率较低，不能满足无刷直流电动机性能的进一步提高。

随着电力电子技术的飞速发展，出现了全控型的功率开关器件，其中有可关断晶体管（GTO）、电力场效应晶体管（MOSFET）、金属栅双极性晶体管IGBT模块、集成门极换流晶闸管（IGCT）及近年新开发的电子注入增强栅晶体管（IEGT）。

随着这些功率器件性能的不断提高，相应的无刷电动机的驱动电路也获得了飞速发展。

目前，全控型开关器件正在逐渐取代线路复杂、体积庞大、功能指标低的普通晶闸管，驱动电路已从线性放大状态转换为脉宽调制的开关状态，相应的电路组成也由功率管分立电路转成模块化集成电路，为驱动电路实现智能化、高频化、小型化创造了条件。

转子位置检测电路：

永磁无刷电动机是一闭环的机电一体化系统，它是通过转子磁极位置信号作为电子开关线路的换相信号，因此，准确检测转子位置，并根据转子位置及时对功率器件进行切换，是无刷直流电动机正常运行的关键。

用位置传感器来作为转子的位置检测装置是最直接有效的方法。

一般将位置传感器安装于转子的轴上，实现转子位置的实时检测。

最早的位置传感器是磁电式的，既笨重又复杂，已被淘汰；目前磁敏式的霍尔位置传感器广泛应用于无刷直流电动机中，另外还有光电式的位置传感器。

位置传感器的存在，增加了无刷直流电动机的重量和结构尺寸，不利于电机的小型化；旋转时传感器难免有磨损，且不易维护；同时，传感器的安装精度和灵敏度直接影响电机的运行性能；另一方面，由于传输线太多，容易引入干扰信号；由于是硬件采集信号，更降低了系统的可*性。

为适应无刷电动机的进一步发展，无位置传感器应运而生，它一般利用电枢绕组的感应反电动势来间接获得转子磁极位置，与直接检测法相比，省去了位置传感器，简化了电动机本体结构，取得了良好的效果，并得到了广泛的应用。

但对于靠反电动势进行位置检测的无位置传感器无刷电动机，由于静止时不产生反电动势，因而如何顺利启动是该电机需要解决的问题。

近年，有人提出了一种新的无位置传感器的无刷电动机，它不是利用反电动势来检测转子位置，而是通过贴于转子表面的非磁性导电材料，利用定子绕组高频开关工作时非磁性材料上的涡流效应，使开路相电压的大小随转子位置而变化，从而可通过检测开路相电压来判断转子位置，这种无位置传感器的无刷电动机克服了一般无位置无刷电动机的启动和低速运行问题，但该方法需要特殊的电机，对电机的制造工艺提出很高的要求。

2.2单片机的发展现状

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第2章方案论证

三、设计原理

3.1无刷直流电动机简介

直流无刷电机:

又称“无换向器电机交一直一交系统”或“直交系统”。

是将交流电源整流后变成直流，再由逆变器转换成频率可调的交流电,但是,注意此处逆变器是工作在直流斩波方式。

无刷直流电动机BrushlessDirectCurrentMotor,BLDC,采用方波自控式永磁同步电机,以霍尔传感器取代碳刷换向器,以钕铁硼作为转子的永磁材料;产品性能超越传统直流电机的所有优点,同时又解决了直流电机碳刷滑环的缺点,数字式控制,是当今最理想的调速电机。

   无刷直流电动机具有上述的三高特性,非常适合使用在24小时连续运转的产业机械及空调冷冻主机、风机水泵、空气压缩机负载;低速高转矩及高频繁正反转不发热的特性，更适合应用于机床工作母机及牵引电机的驱动;其稳速运转精度比直流有刷电机更高,比矢量控制或直接转矩控制速度闭环的变频驱动还要高,性能价格比更好,是现代化调速驱动的最佳选择。

本系统所使用的是三相两极三角型连接的无刷直流电动机。

下面主要以此为例介绍一下无刷直流电动机的基本工作原理无刷直流电动机由电动机本体、转子位置传感器、电子开关线路和驱动电路4部分组成,是一种典型的机电一体化产品,其原理框图如图1所示。

图中,直流电源通过开关电路和驱动电路向电动机定子绕组供电,位置传感器随时检测到转子位置,并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止,从而实现了电子换向。

3.2无刷直流电动机的基本工作原理

无刷直流电动机由同步电动机和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。

同步电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。

而转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。

驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：

接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等

   无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论转子的起始位置处在何处，电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩，因此转子上不需另设启动绕组。

   由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比，这正是他励直流电动机的电流—转矩特性。

   由于无刷直流电动机的励磁来源于永磁体，所以不象异步机那样需要从电网吸取励磁电流；由于转子中无交变磁通，其转子上既无铜耗又无铁耗，所以效率比同容量异步电动机高10%