最新简易航模直流电机调速系统设计.docx
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最新简易航模直流电机调速系统设计
摘要
随着当今世界科技的迅速发展，电动遥控模型的技术进步也十分迅速。
其最具革命性的突破就是采用无刷电机作为高效的动力系统。
由此使电动遥控航模进入到一个完全可以与燃油发动机航模媲美的崭新时代。
无刷直流电机是近年来发展起来的一种新型电机，它利用电子换向取代传统直流电机的机械换向，既具有直流电机的良好调速性能，又具有异步电机结构简单、运行可靠等优点。
随着对无刷直流电机及其控制系统研究的不断深入，无刷直流电机在许多领域得到了广泛的应用。
所以，在航模领域，用无刷电机代替传统的有刷电机之所以已成必然。
首先，无刷电机运用于航模领域，优点确实突出。
其次，无刷电机工作效率很高，一般的有刷电机工作效率在50％---60％；而无刷电机的工作效率通常都不低于80％。
因此获得同样的功率，无刷电机就比传统的有刷电机体积小、重量轻。
无刷电机工作时没有碳刷电机那样的火花干扰，也不存在碳刷磨损，因此采用无刷电机更有利于远距离遥控，且使用寿命长，基本无需维护。
本论文针对动力系统中的无刷电机调速进行研究，详细论述了该控制器所涉及到的关键技术，接着以AT89S51单片机为核心设计了硬件系统，采用C语言完成对控制软件设计。
关键词：
传感器；直流无刷电动机；单片机控制；PID；PWM
Abstract
Withtherapiddevelopmentoftechnology,electricremotecontrolledmodelandthedevelopmentoftechnologicalprogressveryrapidly．ItsmostrevolutionarybreakthroughistheadoptionofabrushlessDCmotorwithahighefficiencyofthedynamicsystems.Consequentlyelectricremote．controlledmodelaircraftenteredaneweracompletelybetterthanfuelenginemodelaircraft．
ThebrushlessDCmotor（BLDCM）isanewlydevelopedtypeofmotorwhichreplacesthemechanicalcommutationbytheelectriccommutation．IthasthemeritsofboththegoodspeedcontrolperformanceoftheBrushDCmotorandthesimplestructureoftheasynchronousmotor．WiththeresearchdevelopmentonBLDCManditscontrolsystem．theBLDCMhasbeenwidelyappliedinindustryespeciallyinelectricvehicle（EV）fieldinwhichtheBLDCMhasbecomethepreferredmotor．So,intheareaofthemodelwithbrushlessmotorsinsteadofthetraditionalmotorhasbecomeinevitable.Firstly,themodelusedinthefieldofbrushlessmotorsadvantageisobvious．Secondly,thehighefficiencybrushlessmotor，thegeneralefficiencyofamotorbrushinthe50％t060％,whiletheefficiencyofbrushlessmotorisusuallynotlessthan80％．Sogetthesamepower,brushlessmotorsmallerandlighterthanthetraditionalmotors．BrushlessmotordoesnotworkassparksinterferencenorBrushwear,thereforemoreconducivetoabrushlessmotorremotecontrol，andlongservicelire,andbasicmaintenancefree．
Byresearchingtheelectronicspeedcontrollerofpowersystem，thisthesisanalyzethekeytechnologyofthiscontrollerinvolved．ThandesignedthehardwarebaseonAT89S51andtheCsoftware．
Thisthesisstudythecontrolsystemofthebrushlessmotoranddiscussedindetailthekeytechnologiesinvolved,thanusingAT89S51designofthehardwaresystemandcompletethedesignofthecontrolsoftwarewithClanguage.
KeyWords：
Sensor,BrushlessDCmotor,MCUcontrol，PID，PWM
引言
航模科技是一项方兴未艾的科技活动。
它将先进的航空技术、机械设计、电子技术、光学技术、计算机处理技术、控制技术、传感器应用、小型航空发动机等多方面技术成果综合于一体的高技术产品。
具有和尺寸小、重量轻、无人损伤，经济性好，在灾情监视、交通巡视、航空测绘等方面有广泛用途。
航模系统的速度控制设备一直是航模业研究设计的一大焦点，设备的稳定性，精确性，干扰性直接影响到航模飞行器的操控性能和系统安全。
随着竞赛用航模、车模、船模的飞速发展对航模电子系统提出了更高的要求，在提高性能的同时还要着重考虑到重量，电磁兼容性，环保及成本等各种因素。
所以航模控制系统的设计技术一直是国内外航模界具特色，具挑战性的技术之一。
本文对无刷直流电机的控制与调速进行了研究。
1绪论
1.1国内外无刷直流电机调速发展
传统的直流电机采用电刷和换向器以机械方式进行换向。
电刷和换向器间的机械摩擦带来了噪声、火花、电磁干扰等问题，再加上制造成本高、使用寿命短及维修困难等缺点，在很多场合的应用受到了限制。
针对上述传统直流电机的弊病，早在1917年就有人提出可用整流管代替机械电刷换向，为无刷直流电动机的诞生提供了理论基础。
上世纪30年代有人开始研究以电子换相代替机械换向的无刷直流电机。
但由于当时大功率电子器件仅处于初级发展阶段，没能找到理想的开关器件，使得这种电机只能停留在实验室研究阶段，而无法推广使用。
1955年，美国D．哈里森等人首次申请了应用晶体管换相代替电动机机械换向器的专利，这就是现代无刷直流电机的雏形。
但由于该电动机尚无起动转矩而不能产品化。
而后又经过人们多年的努力，借助于霍尔元件来实现换相的无刷直流电动机终于在1962年问世，从而开创了无刷直流电机产品化的新纪元。
20世纪70年代以来，电力电子工业得到了飞速的发展，许多新型的高性能半导体开关器件，如GTO，MOSFET，1GBT等的相继出现，以及高性能的永磁材料衫钻、钕铁硼等问世，均为无刷直流电机的广泛应用奠定了坚实的基础。
20世纪80年代，国际上对无刷直流电动机开展了深入的研究，先后研制成方波和正弦波无刷直流电动机。
20世纪90年代以后，控制技术尤其是控制理论发展十分迅猛，单片机、DSP、FPGA、CPLD等微处理器也得到了空前的发展，指令速度和存储空间都有了质的飞跃。
人们不断尝试着将一些先进的控制策略和方法（如滑摸控制、神经网络控制、变结构控制、模糊控制、专家控制等）引入无刷直流电动机控制器。
以微处理器芯片为核心的全数字电路取代原来的模拟电路，使整个无刷直流电动机传动系统的性能大大提高，并且简化了系统的复杂性，推动着无刷直流电动机朝着高智能化、柔性化、全数字化方向发展，为其更好地满足新世纪数字化时代发展的需要开辟了道路。
新材料技术的发展，例如稀土永磁材料Nd．Fe_B、磁性复合材料的出现，给电机设计插上了翅膀，各种新型、高效、特种电机层出不穷。
我们国家稀土资源十分丰富，近年来，永磁电机的研究十分活跃。
采用永磁材料激磁，特别是采用高性能稀土永磁材料，可大大提高电动机效率，缩小电机体积。
据不完全统计，500W以下的直流微电机中，永磁电机占92％，而10W以下永磁电机占99％。
而在无刷化方面，主要是发展无刷直流电机，以提高产品的可靠性和寿命。
当前，电子产品正经历着从模拟到数字的转化，电力电子技术、计算机技术和控制理论的发展更使得电机调速技术得到很快的发展，新的电力电子器件，高性能的数字集成电路以及先进的控制理论的应用，使得控制部件功能日益完善，所需的控制器件数目愈来愈少，控制器件的体积也日益缩小，控制器的可靠性提高而成本日益降低。
1.2无刷直流电机调速系统的研究现状
目前，无刷直流电机与传统的有刷直流电机及异步电机相比，已经表现出明显的性能价格比优势。
无刷直流电机综合了永磁材料、电机设计、传感器技术、微电子技术、功率变换技术以及现代控制理论等多学科的成果，代表了电气传动技术的发展方向。
目前，国内外主要从以下几个方面进行研究：
1、采用CAD技术，通过合理的设计及加工工艺，将功率变换控制器与电机本体组合成一个整体，以使整个调速系统体积小、材料省、应用简便。
2、对定子绕组不同相数结构以及功率变换器电路的选择进行研究，以取得良好的性能价格比。
3、通过电机优化设计改善磁场分布波形，减小转矩脉动，降低损耗。
4、针对位置传感器，一方面研究新型高性能的位置传感器，采用信号处理技术提高转角检测精度；另一方面研究基于“反电动势法”和“定子磁链估计算法”的无位置传感器的无刷直流电机。
5、选择性能高的微处理器（CPU）及智能功率集成电路（PIC），提高控制器的集成度与数据处理能力，简化控制线路，提高系统的可靠性与灵活性。
6、采用基于现代控制理论和智能控制理论的控制策略，如自适应控制和模糊控制，实现速度、电流和位置的闭环调节，以增强系统的鲁棒性，消除参数变化对系统性能的影响，增加系统对负载转矩变化的适应性。
由于无刷直流电机既具有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点又具有直流电机的运行效率高、调速性能好的特点，故在当今国民经济的各个领域，如医疗器械、仪表仪器、化工、轻纺以及家用电器等方面的应用日益普及。
1.3设计主要任务
本设计将采用PID控制技术，使用AT89S51单片机产生PWM波对无刷电机进行控制与调速。
第二章主要介绍了无刷直流电机的基本原理。
并介绍了本设计所用到的主要器件。
第三章主要介绍了本设计用的主要控制原理及PWM控制和PID控制。
第四章主要介绍了本设计各个硬件模块的设计即键盘模块、控制模块、电机驱动模块、显示模块。
第五章主要介绍了各个硬件部分的程序设计，主要有PWM波的产生，PID参数的设定等。
2课题所用硬件及相关原理
2.1无刷直流电机
无刷直流电动机是近年来随着处理器技术、新型电力电子器件、新型控制理论的发展，以及低成本、高磁能积的永磁材料出现而发展起来的一种新型直流电动机。
无刷直流电机是集交流电机和直流电机优点于一体的机电一体化品，它既具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便、运行效高、调速性能好、同时无励磁损耗等优点。
目前在工业先进的国家里，工业自动化领域中的有刷直流电动机己经渐渐被无刷直流电动机所代替。
在从国外进口的设备中，已经很少看到有刷直流电动机了。
无刷电机以其高速、可控、高效率、高可靠性和体积小等优点在航模领域有着巨大的发展前景。
无刷直流电机是一种正快速普及的电机类型，它可在家用电器、汽车、航空航天、消费品、医疗、工业自动化设备和仪器等行业中使用。
正如名称指出的那样，无刷直流电机不用电刷来换向，而是使用电子换向。
无刷直流电机和有刷直流电机以及感应电机相比，有许多优点。
其中包括：
•更好的转速－转矩特性
•快速动态响应
•高效率
•使用寿命长
•运转无噪音
•较高的转速范围
2.1.1定子
无刷直流电机的定子由铸钢叠片组成，绕组置于沿内部圆周轴向开凿的槽中。
定子与感应电机的定子十分相似，但绕组的分布方式不同。
多数无刷直流电机都有三个星型连接的定子绕组。
这些绕组中的每一个都是由许多线圈相互连接组成的。
在槽中放置一个或多个线圈，并使它们相互连接组成绕组。
沿定子圆周分布这些绕组，以构成均匀分布的磁极。
有两种类型的定子绕组：
梯形和正弦电机。
以定子绕组中线圈的互连方式为依据来区分这两种电机，不同的连接方式会产生不同类型的反电动势。
正如它们的名称所示，梯形电机具有梯形的反电动势，正弦电机具有正弦形式的反电动势。
除了反电动势外，两类电机中的相电流也有梯形和正弦之分。
这就使正弦电机输出的转矩比梯形电机平滑。
但是，随之会带来额外的成本，这是因为正弦电机中线圈在定子圆周上的分布形式会使绕组之间有额外的互连，从而增加了耗铜量。
根据控制电源的输出能力，选择定子的额定电压合适的电机。
2.1.2转子
转子用永磁体制成，可有2到8对磁极，南磁极和北磁极交替排列。
要根据转子中需要的磁场密度选择制造转子的合适磁性材料。
传统使用铁氧体来制造永磁体。
随着技术的进步，稀土合金磁体正越来越受欢迎。
铁氧体比较便宜，但缺点是给定体积的磁通密度低。
相比之下，合金材料单位体积的磁场密度高，生成相同转矩所需的体积小。
同时，这些合金磁体能改善体积与重量之比，比使用铁氧体磁芯的同体积电机产生的转矩更大。
2.1.3霍尔传感器
霍尔效应原理：
磁场会对位于其中的带电导体内运动的电荷载流子施加一个垂直于其运动方向的力，该力会使正负电荷分别积聚到导体的两侧。
这在薄而平的导体中尤为明显。
电荷在导体两侧的积累会平衡磁场的影响，在导体两侧建立稳定的电势差。
和有刷直流电机不同，无刷直流电机的换向是以电子方式控制的。
要使无刷直流电机转动，必须按一定的顺序给定子绕组通电。
为了确定按照通电顺序哪一个绕组将得电，知道转子的位置很重要。
转子的位置由定子中嵌入的霍尔效应传感器检测。
多数无刷直流电机在其非驱动端上的定子中嵌入了三个霍尔传感器。
每当转子磁极经过霍尔传感器附近时，它们便会发出一个高电平或低电平信号，表示北磁极或南磁极正经过该传感器。
根据这三个霍尔传感器信号的组合，就能决定换向的精确顺序。
2.1.4无刷直流电机运行原理
无刷直流电机采用电子换向装置代替了传统直流电机的机械换向装置，又具有与直流电机类似的机械特性。
其永久磁钢置于转子处，用于在电动机气隙中产生磁场哪。
其定子电枢绕组通电产生感应磁场，在两个磁场相互作用下，驱动转子转动，为使转子不停转动，需要不断地变换定子绕组通电方式，产生旋转磁场。
为保证产生最大的电磁转矩，通常需要使绕组磁场与转子磁场保持垂直。
由于采用换相的控制方式，其定子绕组产生的旋转磁场并非连续，而是跳变的磁场，使得其磁场在与转子磁场保持垂直的一个区间，而非绝对垂直。
2.1.5无刷直流电机的基本控制方法
无刷直流电动机的驱动方式包括半桥驱动和全桥驱动。
目前以三相星形全桥驱动方式最多，控制方法分为两两导通（120度导通）、三三导通（180度）两种。
在具体控制方法中，又分为有、无位置传感器两种情况侧。
三相绕组产生的磁场在360度电角度内将产生多种状态。
在半桥驱动时，绕组合成磁场取决于通电相绕组在气隙中产生的磁场，将有三种状态。
在全桥驱动时，绕组合成磁场将有六种合成状态。
半桥驱动电路下电动机绕组利用率低，每个绕组只通电l／3时间，没有充分利用，且转矩波动较大。
因此，对于三相星形连接绕组的无刷直流电机，通常采用三相全桥控制电路。
其控制系统结构如图2.1所示：
图2.1无刷电机控制系统结构图
由VI—V6六只功率管构成的驱动全桥可以控制绕组的通电状态。
按照功率管的通电方式，可为两两导通和三三导通两种控制方式。
（1）两两通电方式
在两两导通方式下，每一瞬间有两个功率管导通，每隔1／6周期即60度电角度换相一次。
每次换相一个功率管，每只功率管持续导通120度电角度。
每个绕组正向通电，反向通电各120度。
对应每相绕组持续导通120度，在此期间对于单相绕组电流方向保持不变。
假设流入绕组的电流产生正的转矩，流出绕组的电流产生负的转矩。
在A相电流为正，C相电流为负时，则有合成转矩如图2．2（a）所示。
每隔60度换相一次意味着每隔60度合成转矩方向转过60度，大小保持为
Ta。
图2.2转矩合成矢量图
（2）三三通电方式
每一瞬间有三只功率管通电，每60度换相一次，每只功率管通电180度。
对于三三通电方式，每一瞬间有三只功率管导通，每隔60度换相一次，每一功率管通电180度电角度。
在电流流入A相，经B、C相流出时，合成转矩如图2-2（b）所示。
每隔60度换相一次意味着每隔60度合成转矩方向转过60度，合成转矩大小为由于两两导通方式提供了相比三三导通方式更大的电磁转矩而被广泛采用因而本文在电动车用无刷直流电机控制系统中采用此种控制方式。
在两两导通方式下，相电流波形如图2.3所示。
以位置传感器的信号状态区分，将无刷直流电机的运行状态分割为六个状态。
为保证产生最大的电磁转矩，通常需要使绕组合成磁场与转子磁场保持垂直。
由于采用换相控制方式，其定子绕组产生的磁场并非连续旋转，使得该磁场与转子磁场的位置保持在60度到120度相对垂直的范围区间。
功率管的换相信号需要从位置传感器的状态得出，换相时刻也就是霍尔传感器的信号状态改变的时刻。
图2.3相电流与反电动势相位关系
2.2AT89S51
2.2.1AT89S51简介
MCS-51系列单片机及其兼容机在国内拥有广泛的用户。
目前，国内市场上，Intel公司生产的MCS-51系列单片机已少见，代之以其它公司生产的MCS-51系列兼容单片机。
在Ateml公司的系列产品中，常用的AT89C系列单片机己经停产，另外AT89S系列单片机的价格比AT89C系列单片机低，而且AT89S系列单片机相对于AT89C系列单片机新增不少功能，性能有了较大提升。
AT89S系列单片机价格便宜、性能可靠，所以采用AT89S51单片机作为处理芯片。
2.2.2定时器简介
T定时器实际上是加1计数器，它对内部固定频率的机器周期进行计数称之为定时器。
TH1、TL1是T1的计数器，TH0、TL0时T0的计数器。
TH1和TL1、TH0和TL0分别构成两个16位加法计数器，它们的工作状态及工作方式由两个特殊功能寄存器TMOD和TCON的各位来决定。
工作状态有定时和计数两种，由TMOD的第2位（T0）或第6位（T1）决定。
工作模式共有0-3四种，也是由TMOD其中的两位（1个定时器）来决定。
TMOD和TCON的内容由软件写入。
T0或T1加1溢出后，计满溢出信用使TCON中的TF0或TF1置1，作为定时器/计数器的溢出中断标志。
当加法计数器的初值被设置后，用指令改变TMOD和TCON的内容，就会在下一条指令的第一个机器周期的S1P1时刻按设定的方式自动进行工作。
T0（T1）输入的时钟脉冲是由晶体振荡器的输出经12分频后得到的，所以定时器可看作是对单片机机器周期的计数器，因此它的计数频率为晶振频率的1/12。
这里需要注意的是：
加法计数器是加1计满溢出时才申请中断；所以在给计数器赋初值时不能直接输入所需的计数值，而应输入计数器的最大值与这一计数值的差值。
设最大值为M，初值为X，则X的计算方法如下：
定时工作方式时初值：
X=M-定时时间/T
T=12/晶振频率
定时器的控制字
定时器有4种工作模式，由TMOD设置并由TCON控制。
特殊功能寄存器TMOD的地址为89H，它不能位寻址，在设置时一次写入。
其各位的定义如图所示。
其高4位用于定时器T1，低4位用于定时器T0。
下面介绍各位功能。
MSB
6
5
4
3
2
1
LSB
GATE
C/T
M1
M0
GATE
C/T
M1
M0
T1模式控制位
T0模式控制位
表2.1TMOD功能表
M1M0工作模式控制位
M1M0对应4种不同的二进制组合，分别对应4种工作模式
M1M0
模式
说明
00
0
13位定时器，TH高8位和TL的低5位
01
1
16位定时器
10
2
自动重装入初值的8位定时器
11
3
T0分成两个独立的8位计数器，T1没有模式3
定时器控制寄存器TCON除可字节寻址外，各位还可以位寻址。
MSB
6
5
4
3
2
1
LSB
TF1
TR1
TF0
TR0
IE1
IT1
IE0
IT0
表2.1TCOND功能表
TF0、TF1分别是T0、T1的溢出标志位，加1计满溢出时置1，并申请中断，在中断响应后自动清0。
TR0、TR1分别为T0、T1的运行控制位，通过软件置1后，定时器才开始工作，在系统复位时清0。
工作模式1
该模式对应的是一个16位的定时器，当TL0溢出时，向TH0进位；TH0溢出时，向中断标志位TF0进位，并申请中断。
T0是否溢出可查询TF0是否被置位，以产生T0中断。
定时时间为
t=（2-T0初值）*振荡周期*12
其他工作模式与方式1类似。
2.3LCD1602
该部分采用LCD1602液晶模块。
LCD1602是一种使用非常广泛的液晶模块,它支持5*7点阵和2行*16字符2两种模式,背光亮度和显示对比度可调,是一种功能较齐全,价格较便宜的液晶显示器件。
它由显示屏和驱动器两部分组成,单片机可通过写控制字的方式访问驱动器来实现对显示屏的控制。
根据显示的容量可以分为1行16个字、2行16个字、2行20个字等等。
1602液晶模块内部的控制器共有11条控制指令
指令
RS
R/W
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
1
清显示
0
0
0
0
0
0
0
0
0
1
2
光标返回
0
0
0
0
0
0
0
0
1
*
3
置输入模式
0
0
0
0
0
0
0
1
I/D
S
4
显示开/光控制
0
0
0
0
0
0
1
D
C
B
5
光标或字符移位
0
0
0
0
0
1
S/C
R/L
*
*
6
置功能
0
0
0
0
1
DL
N
F
*
*
7
置字符发生存储器地址
0
0
0
1
字符发生存储器地址（AGG）
8
置数据存储器地址
0
0
1
显示数据存储器地址（ADD）
9
读忙标志或地址
0
1
BF
计数器地址（AC）
10
写数到CGRAM或DDRAM
1
0
要写的数
11
从CGRAM或DDRAM读数
1
1
读出的数据
表2.3LCD指令表
指令1：
清显示，
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