基于51单片机无刷直流电动机控制设计.docx
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基于51单片机无刷直流电动机控制设计
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。
图1-2各相绕组导通示意图
由上述的分析可见，要使无刷直流电动机正确的换相运行，必须知道图1-2所示的六个转子关键位置，六个转子关键位置即对应着无刷直流电动机的反电动势的过零点后的360（电角度）处。
如果是有位置传感器无刷直流电动机，则可以通过传感器来直接获得转子的六个转子关键位置的信息，如果是无位置传感器无刷直流电动机，则需要通过无刷直流电动机的三相定子绕组的反电势直接或间接获得转子的位置信息。
1.2.2无刷直流电动机的结构
无刷直流电机内部结构的简化示意图如图1-3所示。
图1-3无刷直流电动机内部结构简化示意图
我们以此来介绍无刷直流电动机内部的结构。
一台无刷直流电动机由一个永磁转子与多极定子绕组组成。
在永磁转子与定子绕组间存在内定子绕组所激发的磁场，它对永磁转子产生磁力矩。
在简化的电机结构图1-3中，电气角一周就是机械角度一周。
在实际的应用中，直流无刷电机有多组定子绕组，相互并行，转子也是多极的。
如果有两组这样电路，机械转动一周电角度转动2周，所以双绕组电机中，每次电流交换经历的机械转动角度是30度。
下面讨论均用电角度，应注意与机械角度区别[4]。
直流电机具有良好线性机械特性，控制相对简单。
无刷直流电动机调速和启动特性好，堵转转矩大，同时它也具有交流电机的结构简单、运行可靠、维护方便等特点；由于解决了换向问题，它的转矩不再受机械换向的限制。
完整的无刷电机系统有电动机、转子位置传感器和电子开关线路三部分组成。
转子位置传感器可分为电磁式（电磁位置变压器）、光电式和磁敏式，电磁式体积较大，得到的是交流高频信号；光电式得到的是直流信号，稳定可靠，信号较弱；磁敏式元件体积小重量轻。
磁敏式元件有霍耳元件、磁敏二极管和磁敏电阻等。
其中，霍耳元件体积小重量轻，结构原理简单。
1.3驱动电动机原理
驱动电路如图1-4所示。
图1-4驱动电机示意图
驱动控制电路包括：
位置信号处理电路，各相信号逻辑分配电路，功率放大电路，保护电路。
位置信号处理电路即为位置传感器获得的转子磁极的位置电信号信号逻辑分配电路，是由于位置传感器所产生的信号一般不能直接用于控制功率放大电路，需经过信号逻辑分配电路处理后才能去控制逻辑开关单元。
功率放大电路是驱动控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定逻辑关系分配给无刷直流电动机定子上各相绕组。
关于保护电路，通常有下列几种，绕组中电流过流保护，总线电流保护，过压保护，欠压保护，过速保护等。
在所有无刷直流电动机驱动控制电路中，保护电路基本相同。
目前，无刷直流电动机专用集成电路，已将各相信号逻辑分配电路，控制电路，以及保护电路集成在一起，使用起来更方便，体积小，可靠性更高。
由工作原理可知，位置传惑器在无刷直流电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息。
考虑到传感器的体积和性能，通常采用的传感器是磁敏式开关式传感器，目前使用最广泛的是霍尔元件集成电路。
霍尔元件是根据霍尔效应制成的，即当有电流通过带有磁场的霍尔元件时，元件内会产生霍尔电势，在磁场位置变化时，霍尔电势会完全反映磁场的变化，这样就可起到传感位器的作用，根据转子磁极的位置来产生位置信号。
为提高霍尔元件的驱动功率和工作可靠性，通常将霍尔元件与其他集成电路相结合构成一个开关型霍尔集成电路，在不增加电路超载体积的情况下，其输出信号可直接驱动功率晶体管。
目前还出现了利用电机定子绕组的反电动势作为转子磁场的位置信号，经数字电路处理，并送给逻辑开关电路去控制电机的换向，由于它省去了位置传感器，使得电动机的结构更加紧凑，近年来的应用日趋广泛。
功率开关器件的导通是顺序实现的，由于安装位置传感器增大了电机的体积，同时安装位置传感器的位置精度要求比较高，带来安装的难度：
因此人们在研究过程中发现，利用电子线路替代位置传感器检测电机在运行过程中产生的反电势来确定电机转子的位置，实现换向。
当无刷直流电动机在运行过程中，总有一相绕组没有导通，此时可以在该相绕组的端口检测到该绕组产生的反电势，该反电势在60度的电角度是连续的，由于电机的规格、制造工艺的差异，导致相同电角度的反电势值是不同，若要通过检测反电势的数值来确定转子的位置，难度极大，因此必须找到该反电势与转子位置的关系，才能确定转子的位置。
如图1-5所示，从中可以看出反电势在60度的电角度过程中总有一次经过坐标轴（过零点），而此点的电角度和下一次换向点的电角度正好相差30度，故可以通过检测反电势过零点，再延时30度换向。
图1-5电机运行时各相产生的反电势示意图
2控制系统硬件方案设计
2.1电动机选择及参数说明
本设计选择北京和利时电机技术有限公司的BL系列无刷直流电动机作为控制对象，电机型号为57BLT-1015H1-LS-B。
其工作参数为：
环境温度为0摄氏度到50摄氏度，环境湿度为小于85%RH，绝缘等级为B级，耐震动/耐冲击为0.5/2.5g。
57BLT-1015H1-LS-B电动机的技术参数如表2-1所示。
表2-1电动机技术参数
货物编号
规格型号
额定功率
/W
额定电压
/V
额定转速
/（r/min）
额定功率
/（N.m）
最大转矩
/（N.m）
定位转矩/（N.m）
额定电流/A
最大电流/A
极对数
5
质量/kg
060060
57BL-101
5H1-LS-B
100
220
（AC）
1500
0.64
1.28
0.015
0.5
1.0
5
1.1
型号说明：
57：
机座号；
BL：
电机系列，BL表示无刷直流电动机系列；
T：
结构类型，T代表特殊结构，若无标注，则为正弦波结构；
10：
电机功率，以10W为单位，10表示10x10=100W；
15：
电动机额定功率，以100r/m为单位，15表示15x100=1500r/min；
H：
施加在电动机绕组上的电压等级，H代表直流300V；
1：
代表位置传感器类型为开关霍尔传感器；
L：
电动机出线类型，L代表引线，350mm长；
S：
轴键形式，S代表光轴；
B：
设计版本，以A、B、C、、、表示，默认为A版；
100：
设计序列号，标准方案省略。
2.2驱动器选择及功能说明
本课题选择与上述无刷直流电动机配套的驱动器，型号为BL-2203C，如图2-1所示。
图2-1电动机驱动器外形
驱动器的特点：
（1）交流220V供电；
（2）输入、输出信号光隔离；
（3）起停及转向控制；
（4）过电流、过电压、过载及堵转保护；
（5）测试信号输出；
（6）故障报警输出；
（7）电动机转速显示；
（8）外部模拟量调速；
（9）制动停车功能；
（10）多挡速度选择。
驱动器的性能指标如表2-2所示。
表2-2驱动器的电气性能
供电电源
单相交流220V（1±15%）V，50Hz，容量为0.8KVA
额定功率
最大600W（依所配电动机而定）
额定转速
依所选电动机确定（最大8000r/min）
额定转矩
依所选电动机确定
调速范围
150r/min而定转速
速度变动率（对负载）
±2%以下（额定转速）
速度表动率（对电压）
±1%以下（电源电压±10%，额定转速无负载）
速度表动率（对温度）
（20～40℃额定转速无负载）
绝缘电阻
在常温下大于100M欧
绝缘强度
在常温常压下1KV、1min
驱动器面板见图2-2所示。
图2-2驱动器面板示意图
驱动器端子说明：
（1）功率端子
①驱动器交流电源输入L、N，接入端子的引线必须使用U形插口。
②U、V、W端子与电动机相连，务必将驱动器的U、V、W端子分别与电动机的U、V、W对应相连。
错误的连接将导致电动机工作异常。
连接原则上不超过6m，并与霍尔线分开布线。
注意，接入端子的引线必须使用U形插头。
③驱动器保护地端子FG。
驱动器保护地端子与电动机机壳不必连接，为安全起见，请务必将驱动器保护地端子与电动机机壳分别可靠接地。
注意，接入端子的引线必须时用U形插头。
（2）霍尔端子（电动机霍尔位置传感器信号端子为S+、S-、SA、SB、SC）务必将驱动器的S+、S-、SA、SB、SC端子分别与电动机霍尔信号输出的S+、S-、SA、SB、SC端子对应连接，错误的连接将导致电动机工作异，甚至损坏驱动器和电动机。
电动机霍尔连接线原则上不超过6m，而且应该使用屏蔽线。
要尽量与电动机线分开布线，而且远离干扰源。
霍尔连接线末接，电动机不运行。
注意，S+、S-只作为霍尔元件电源。
（3）信号输入端子
①+12V-COM。
外接电源，外部调速电位器电源端子，负载小于50mA。
②电动机运行/停止控制R/S。
通过控制端子“R/S”相对于“COM”的通断，可以控制电动机的运行、停止。
端子“R/S”内部以电阻拉到+12V，可以配合无源触点开关使用，也可以配合集电极开路的PLC等控制单元。
当“R/S”端子与“COM”端断开时，电视机停止，反之电视机运行。
使用运行/停止端控制电动机停止时，电动机为自然停车，其运行规律与电动机负载有关。
③电动机正/反转控制（F/R）。
通过控制端子“F/R”与“COM”的通断，可以控制电动机的运转方向。
端子内部以电阻上拉到+12V，可以配合无源触点开关使用，也可以配合集电极开路的PLC等控制单元。
当“F/R”与端子“COM”不接触时，电动机顺时钟方向运行（面对电机轴），反之则逆时针方向运转。
为避免驱动器的损坏，在改变电动机转向时，应先使电动机停止运行后在操作改变转向，避免在电动机运行时进行运转方向控制。
④快速制动BRK。
驱动器可以控制端子BRK-COM的通断来控制直流无刷电动机的迅速停止，制动采用受控制能耗制动方式，相对与R/S的自动停车会快得多，但具体时间受用户系统（尤其是系统惯量）的影响。
⑤外部模拟量调速端子AVI,标准产品中调节范围为0～10V，对应0～3000r/min。
⑥多段速度选择端子CH1～CH3，由CH1～CH3相对COM的状态选择不同的速度。
（4）输出端子
①电动机转速信号输出（SPEED）。
驱动器通过端子SPEED-COM为用户输出与电动机转速成比例的脉冲信号。
每转脉冲数=6×电动机极对数，SPEED频率（Hz）=每转脉冲数×转速（r/min）÷60。
例如，4对电动机，每转24个脉冲，当电动机转速为500r/min时，端子SPEED的输出频率为200Hz。
②过热保护（ALARM）。
由于过载或其他恶劣的条件使驱动器内部的温度高于80℃时，驱动器将自动停止输出，电动机停止运行，ALARM输出低电平信号，驱动器在最末一位显示E，只有将驱动器断电才能解除报警。
如驱动器频繁发生过热保护，用户应该改善驱动器外部散热条件。
③短路保护。
由于接线或其他原因导致电动机绕组突然短路时，驱动器检测进入短路保护状态，切除所有输出，并在显示器的最末端显示“E”，ALARM输出低电平信号，只有将驱动器断电才能解除警报。
发生此故障，请检测接线是否正确。
④过压保护。
由于快速制动、电网电压波动等原因导致的驱动器那那内部出现过电压时，驱动器进入保护状态，驱动器将自动停止输出，电动机停止运行，ALARM输出低电平信号，驱动器在显示器最末端显示“E”，将驱动器断电才能解除报警。
（5）转速显示。
驱动器实时测量带电动机的转速并以4位数码管显示，单位为r/min。
由于测速的延时，在调速时显示会略滞后。
测量的范围限制在8000r/min以内，超出范围可以导致速度显示错误。
2.2.1驱动器调速方式说明
该驱动器提供一下三种调速方式：
（1）内部电位调速。
逆时针旋转驱动器面板上的电位器，电动机转速减小，顺时针旋转则转速增大。
由于测速需要响应时间，速
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