基于51单片机的无刷直流电动机的控制设计教材.docx

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基于51单片机的无刷直流电动机的控制设计教材

基于51单片机的无刷直流电动机

控制器设计

系别：

机电与自动化学院

专业班：

电气工程及其自动化0702班

姓名：

学号：

指导教师：

2011年6月

基于51单片机的无刷直流电动机

控制器设计

TheDesignofBrushlessDCMotorControllerBasedonMCS-51Singlechip

摘要

近年来，无刷直流电动机愈来愈多地在很多领域得到应用，它除了保持有刷直流电动优越的起动性能和调速性能以外，其最大的特点，就是没有换向器和电刷组成的机械接触结构，因而具有寿命长、噪声低、运行可靠、维护简便等一系列优点，且由于其转速不受机械换向的限制，可在宽广的范围内平滑地调速。

例如在电动自行车上应用无刷直流电动机来取代原来的有刷直流电动机，由于采用了电子无接触式换向，不仅延长了电机的使用寿命，而且调速方便，易于控制，运行平稳。

本文以无刷直流电机为研究对象，以无刷直流电机控制系统为控制目标，以

PWM为控制设计技术，采用MCS-51系列单片机为主控芯片，文章主要研究无刷直流电动机的调速功能，实现电动机的起动、制动、正/反转换向，加/减速，并对无刷直流电动机的运行状态进行监视和报警。

文章研究包含硬件和软件两个方面，硬件方面实现的功能有：

电源设计、调速控制设计、驱动电路设计、过热保护电路设计、短路保护电路设计和转速显示设计等部分；软件方面实现的功能有，电路复位模块的设计、按键控制模块的设计、功能模块的设计、电动机判停模块的设计、IPS下载模块的设计和速度显示模块的设计等部分。

文章介绍了无刷直流的功能硬件图和程序结构流程，介绍了利用MCS-51单片机和控制芯片来控制无刷直流电动机速度的方法，并在电动机运行异常时发出警报。

本课题经过理论分析和系统调试，控制系统性能稳定，可靠性佳，实现了既定的功能，达到了设计指标的要求。

关键词：

无刷直流电动机MCS-51单片机调速控制

Abstract

Recently,brushlessDCmotorhasbeenappliedinmanyarea．Besidesthegoodperformanceofstartupandspeedcontrol，itsremarkablecharacteristicisthatthereisnocommutatorandbrush。

SothebrushlessDCmotorhassomeadvantagessuchaslonglife，lownoise，reliableoperationandeasymaintenance．ItsspeedCanberegulatedinalargerangesmoothlybecauseofnolimitationofmechanicalcommutator．Fortheelectricbicycle，themotorwithbrushhasbeenreplacedbythebrushlessone．Duetothecommutationwithouttouch,thelifeofmotorisprolongedandthemotoriseasytobecontrolled．

AbrushlessDCmotorcontrolsystembasedonMCS-51singlechipandPWMcontrolisintroducedinthispaper。

ThepapermainofstudyisthespeedgoverningfunctionsofbrushlessDCmotor,forexample，makethemotorstart、stop、speedup、slowdown、corotationandinversion，andwhenthemotorrunwrongthesystemcandisplayerror．

Bothhardwareandsoftwareareshowninthispaper。

Hardwaredesignincludespowersupply,governorcontrol,drivingcircuit，overheatingprotection,shortcircuitprotectionandrotatespeeddisplay．Sofhvaredesignincludesdrivingcircuitrestorationmodule,keycontrolmodule，functionmodule，judgethemotorrunorstopmodule，IPSdownmoduleandspeeddisplaymodule．

Hardwarediagramsandprogramflowchartsareshown．AndusethesinglechipofMCS-51andControllerChipcontrolthespeedofbrushlessDCmotor．Andwhenthemotorrunwrongthesystemcandisplayerror．

Bytheoreticalanalysisandsystemdebugging,thecontrolsystemisstableandreliable．Thedesiredfunctionsaredesignindicesareachieved．

Keywords：

BrushlessDCmotorsinglechipofMCS-51speedcontrol

绪论

传统的直流电机一直在电机驱动系统中占据主导地位，但由于其本身固有的机械换向器和电刷导致电机容量有限、噪音大和可靠性不高，因而迫使人们探索低噪音、高效率并且大容量的驱动电机。

随着电力电子技术和微控制技术的迅猛发展而成熟起来的直流无刷电机体积小、重量轻、效率高、噪音低、容量大且可靠性高，从而极有希望代替传统的直流电机成为电机驱动系统的主流。

近年来，直流电机的结构和控制方式都发生了很大的变化。

随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，使用全控型的开关功率元件进型脉宽调制（简称PWM）控制方式已成为绝对主流。

这种控制方式很容易在单片机控制中实现，从而为直流电动机控制数字化提供了契机。

本设计主要研究无刷直流电动机的调速功能，通过MCS-51单片机实现电动机的起动、制动、正/反转换向，加/减速。

而且在出错情况下具有自检功能，能对无刷直流电动机在运行过程中的状态进行监视，在出现错误时能及时发出报警信号。

1无刷直流电动机简介

1.1课题的意义及发展状况

直流电动机是最早出现的电动机，也是最早出现能调速的电动机。

由于它具有良好的调速特性、简单的控制特性、较高的效率、优秀的动态特性，所以被广泛应用在各种驱动装置和伺服系统中。

但是，直流电动机采用了电刷和换向器，这阻碍了其发展。

机械电刷和换向器因为强迫性接触，使其结构复杂、可靠性差，而且变化的接触电阻、火花、噪音等一系列问题，影响了直流电动机的调速精度和性能。

因此，长期以来人们一直在寻找一种不用电刷和换向器的直流电动机。

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飞速发展，人们的这一愿望成为了现实，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。

这种电机不但保留了直流电机的优势，又有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点。

无刷直流电动机一出现就以极快的速度发展和普及。

总的来说，无刷直流电动机继承了直流电动机起动转矩大、调速性能好的优点，克服了直流电动机需换向器的缺点，在交通工具、家用电器及中小功率工业市场中占据重要的地位。

无刷直流电动机不仅在电动自行车、电动摩托车、电动汽车上有着广泛的应用前景，而且在新一代的空调机、洗衣机、电冰箱、吸尘器等家用电器中也有逐步采用的趋势和前景。

可以展望在不久的将来，随着微电子技术的发展，无刷直流电动机逐渐地占有原来异步电动机变频调速的领域[1]。

1.2无刷直流电动机原理简介

1.2.1无刷直流电动机运行原理

电动机内部结构分定子和转子两部分。

定子是由定子铁心，电枢绕组及其弓|出线，传感元件及其引出线，定子支架，轴等部分组成。

定子电枢铁心是由硅钢片冲片叠压而成的，由于电机径向尺寸大，轴向尺寸短，定子铁心一般做成多对极多个槽数，以满足大力矩、低转速的要求。

定子绕组的形式和多相的永磁同步电动机类似，它在实现能量转换过程中起着重要的作用。

绕组相数多取三相，并采用Y型联接，三相绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件连接，即为三相半控驱动方式。

工作原理一般所说的直流电动机是指具有换向器和电刷的直流电动机。

在这种电动机中定子侧安装固定主磁极和电刷，转子侧安放电枢绕组和换向器。

直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组，产生电枢电流，电枢电流与主磁场相互作用产生转矩，带动负载。

然而由于电刷和换向器的存在，结果产生了一系列致命的弱点：

结构复杂，可靠牲差，故障多，需要维护，维护又困难，寿命短，换向火花形成电磁干扰。

无刷直流电动机就是在保留有刷直流电动机的优良性能的基础上，为去除电刷和换向器而研究开发的。

由于无刷直流电动机没有电刷和换向器，它的绕组里电流的通、断是通过电子换向电路及功率放大器实现的。

要在电动机中产生恒定方向的电磁转矩，就应使电枢电流随磁场位置的变化而变化。

为实现这一点，就需要确认磁极与绕组之间的相对位置信息。

一般采用位置传感器来完成，由位置传感器将转子磁极的位置信号转换成电信号，然后去驱动功率器件，控制相应绕组电流的通、断。

与有刷直流电动机不同，无刷直流电动机的永久磁钢磁极安放在转子上，而电枢绕组安装在定子上。

位置传感器也有相应的两部分，转动部分和电动机本体中转子同轴连接（转动部分通常由电机转子代替），固定部分与定子相连[2]。

如图1-1所示，在电动机装配过程中，首先调整好位置传感器的三个信号元件（a、b、c）与电机定子三相绕组（AX，BY，CZ）之间的相对位置，使得转子磁场转到定子某相绕组下时，该相绕组才导通，以保证转子磁极下的绕组导体电流方向始终保持一致。

图l-1中，当电动机转子N极位于A（a）处，则传感器a元件感应出信号，使功率晶体管V1导通，A相绕组中便有电流通过，设其方向为A（流入）、X（流出），便产生水平向左的定子磁场，与向上的转子磁场相互作用而产生电磁转矩，驱动转子逆时针旋转；当N极旋转至B（b）处，b元件输出信号使晶体管V2导通而其余关断，B相绕组通过电流，同样产生逆时针方向的电磁转矩，当磁极旋转至C（c）处，其动做过程与前两处相同。

如此反复循环，电动机即可旋转起来。

由于传感器元件安装位置为空间互差120°角度，因此三相绕组轮流通电时间也因为每相120°。

因为功率晶体管的导通和截止是通过位置传感器传感信号来控制的，所以传感器的位置和三相绕组位置之间必须有严格的对应，在电极安装对应加以注意。

图1-1直流无刷电动机原理示意图

三相定子绕组采用Y型连结，逆变器为两两通电方式，通电后能形成旋转磁动势，在这个磁动势的作用下，转子也会随之旋转，如果使开关管反复按上述规律导通，即可使转子持续旋转下去，且定子磁动势总是超前于转子磁极轴线角度60～20度之间。

其各相绕组导通示意图如图l-2所示。