基于STCC单片机无刷直流电动机控制系统设计.docx
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基于STCC单片机无刷直流电动机控制系统设计
运动控制系统
课程设计说明书
题目：
基于单片机的无刷直流电动机控制系统设计
专业班级：
电气自动化02班
学号：
13
姓名：
孔令上
指导教师：
文小玲王振
成绩：
2013年6月21日至7月2日
基于单片机的无刷直流电动机控制系统设计
DesignofbrushlessDCmotorcontrolsystemonsingle-chipmicrocontroller
学生姓名:
孔令上
指导教师:
文小玲
王振
课程设计量化评分标准?
指标
分值
评分要素
得分
设计完成
情况
30
能独立查阅文献资料，提出并较好地论述课题的实施方案；设计方案选择合理，分析、设计正确，原理清楚；独立进行设计工作，按期圆满完成规定的任务，设计结果达到预期效果，有实用价值。
报告质量
20
报告结构严谨，逻辑严密，论述层次清晰，语言流畅，表达准确，重点突出，报告完全符合规范化要求。
工作量、
工作态度
20
工作量饱满，难度较大，工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。
答辩成绩
30
思路清晰；语言表达准确，概念清楚，论点正确；分析归纳合理，结论严谨；回答问题有理论根据，基本概念清楚。
总评成绩
答辩记录
答辩时间：
答辩地点：
摘要
电动机作为机电能量的转换装置,其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活之中。
传统的直流电动机均采用电刷,以机械方法进行换向,存在着相对的机械摩擦,由此带来了噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点,制造成本高及维修困难等缺点,因而大大地限制了它的应用范围。
永磁无刷直流电动机是近年随着电力电子器件及新型永磁材料发展而迅速成熟起来的一种新型机电一体化电机，它具有以下特点:
1．无刷直流电动机的转子采用高磁能积的稀土磁钢作为转子磁钢,其转动惯量比鼠笼转子要小,所以对于给定的转矩能够响应得更快,控制特性更好。
2．无刷直流电动机的效率比感应电动机高。
因为在感应电机运行时,转子上不会产生铜损和铁损。
3．在相同容量下,无刷直流电动机的体积相对要比感应电机小,重量轻。
4．无刷直流电机的噪音小。
5．无刷直流电机调速方便,灵活,范围广。
在分析无刷直流电动机（BLDCM）数学模型的基础之上，提出了一种新型的无刷直流电机控制系统建模仿真方法。
在Matlab/Simulink环境之下，利用无刷电机
关键词：
无刷直流电动机；电刷；换向器；单片机
Abstract
Motoraselectromechanicalenergyconversiondevices,andtheirusehasspreadinvariousfieldsofnationaleconomyandpeopleintheirdailylife.TraditionalDCmotorbrushes,mechanicalmethodofcommutation,thereisarelativelymechanicalfriction,whichbringaboutthefatalweaknessofnoise,sparks,radiointerference,andshortlife,manufacturinghighcostandmaintenancedifficultiesandshortcomings.thusgreatlylimitingitsscopeofapplication.ThepermanentmagnetbrushlessDCmotorisrapidlymaturinginrecentyearswiththedevelopmentofpowerelectronicdevicesandnewpermanentmagneticmaterialsupanewthemechatronicsmotor,ithasthefollowingcharacteristics:
1.TherotorofthebrushlessDCmotorwithhighenergyproductrareearthmagnetastherotormagnet,thesquirrelcagerotorinertiaratioissmaller,soforagiventorquecanrespondfastertocontrolfeaturesbetter.2.TheefficiencyofthebrushlessDCmotorishigherthantheinduction
theinductionmotorisrunning,therotordoesnotproducethecopperlossandironloss.3.Inthesamecapacity,thevolumeofthebrushlessDCmotorisrelativelybetterthantheinductionmotorissmall,lightweight.4.BrushlessDCmotornoise.5BrushlessDCmotorspeedconvenient,flexible,andawiderange
PermanentmagnetbrushlessDCmotorcontrollerstructurehasmanyforms,theinitialcomplexanaloguetotherecentlydigitalmicrocontrollerasthecore,butthenewmotorcontrolASIC,brushlessDCmotorspeedcontroldevicedesignagreatconvenience,integratedanalogcontrolchipcontrollingfunction,theprotectionfunction,stableperformance,simplesystemcomposedoftheperipheralcircuitsrequired,andstronganti-jammingcapability,especiallysuitableforvolumecontroller,theperformancerequirementshigheroccasions.Advantagesofadedicatedcontrolchipofcourse,butoftenareexpensive.Intheoccasionofsomecontrolaccuracyisnothigh,youneedtobeabletohaveaworkingstability,priceandrelativelylow-costcontroller.Thisdesignisbasedonmarketdemand.
II
Keywords:
HCCI； ChemicalKinetics； NumericalSimulation； DME；
1设计任务和要求
设计要求
设计一个以AT89C51单片机为控制核心的无刷直流电机调速系统。
系统包括速度设定、速度显示、速度测量、速度控制、正反转控制、声光报警等。
主电路采用MOSFET三相逆变桥，换向电路可以采用电机专用芯片。
已知无刷直流电动机额定数据为60W/24V，调速范围30～3000r/min，采用霍尔位置传感器。
设计任务
本课题总的设计任务如下：
（1）完成系统理论与仿真分析
1）进行系统参数计算，完成转速、电流调节器的结构和参数设计；
2）利用Matlab/Simulink建立系统的仿真模型，对整个调速系统的动态性能（给定输入的跟随性能和负载与电网电压扰动下的抗扰性能）进行仿真分析。
（2）完成系统电气原理图的设计（包括电路原理图设计、参数计算、元器件选型）
1）主电路的设计；
2）单片机控制电路的设计
a.单片机基本系统；
b.A/D接口电路；
c.编码器脉冲输入接口电路；
d.开关量输入输出电路；
e.电压、电流采样电路；
f．电源电路；
g.PWM控制输出通道及驱动电路；
h．给定输入通道（拨码开关、模拟旋钮和串行通信接口电路等）。
（3）PCB板的设计、制作与调试（根据时间选做）
（4）控制算法设计
1）电流控制器结构和参数设计；
2）转速控制器结构和参数设计；
3）采样周期选择；
4）控制算法和运算流程图。
（5）系统软件设计
a．系统初始化程序模块；
b．主程序模块；
c．编码脉冲—中断服务程序模块；
d．给定通道串行通信中断服务程序模块；
e．定时中断服务模块；
f．速度环采样和调节控制模块；
g．电流环采样和调节控制模块。
本文主要是完成位置检测电路和辅助电路的设计（保护电路设计）
（1）通过分析比较两种以上不同结构的晶闸管整流电路组成原理，确定合适的主电路结构；
（2）完成主电路参数计算及其元器件的选型
（3）画出主电路电气原理图
2系统组成原理
无刷电动机的基本结构
无刷直流电动机属于三相永磁同步电机的范畴，永磁同步电动机的磁场来自电
动机转子上的永久磁铁。
无刷直流电动机是由电动机本体、转子位置传感器和电子换相线路3部分组成，其内部基本结构原理图和实物图如图2-1图2-2所示
图2-1-1霍尔无刷电机内部原理图图2-1-2霍尔无刷电机内部结构图
普通直流电动机的电枢在转子上，而定子产生固定不动的磁场。
为了使直流电动机旋转，需要通过换向器和电刷不断的改变电枢绕组中电流的方向，使两个磁场的方向始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电动机不断转动。
?
无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，而转子做成永磁体，这样的结构正好与普通电机相反；然而，即使这样改变还不够，因为定子上的电枢通入直流以后，只能产生不变的磁场，电动机依然不能转动。
为了使电动机的转子转起来，必须使定子电枢各相绕组不断的换相通电，这样才能使定子磁场随着转子的位置在不断地变化，使定子磁场与永磁磁场始终保持90度左右的空间角，产生转矩推动转子旋转。
霍尔无刷直流电机与普通无刷直流电机相比，只是电机内部多了一个霍尔位置检测器。
其工作原理与无位置传感器电机完全一样，只是在相位检测时比较方便。
直流无刷电机的换向原理
图2-2-1为常用的三相星形联接绕组全桥驱动电路。
全控电路的控制方式分为两两导通方式和三三导通方式，其中两两导通用的比较普遍。
本文采用两两导通方式，其三相理想的霍尔信号、反电动势波形、电流波形与六个导通区间功率管的通断关系如图2-2-2所示。
图2-2-1三相星型连接全桥驱动电路
图2-2-2两两导通方式换相原理说明图
由图2-2-2，运行原理分析如下：
当霍尔位置传感器检测到转子处于图2-7（a）所示位置时，由图2-6可知，此时位置传感器的HA信号变为
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