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开题报告资料
本课题设计是以AT89C51单片机为控制核心，研制的一套数字式直流电动机调速系统。
特点是用单片机取代模拟触发器、电流调节器、速度调节器及逻辑切换等硬件设备。
最后通过软件配合硬件实现对直流电动机的调速控制。
该数字直流调速控制系统实现了电流和转速双闭环的恒速调节，并具有结构简单，控制精度高，成本低，易推广等特点，而且各项性能指标优于模拟直流调速系统，从而能够实际的应用到生产生活中，满足现代化生产的需要。
以单片机为控制核心的直流电动机调速系统与模拟系统相比具有许多优点；由于速度给定和测速采用数字化，能够在很宽的范围内高精度测速，所以扩大了调速范围，提高了速度控制的精度;由于硬件高度集成化，所以零部件数量和触点大大减少。
很多功能都是由软件（即程序）来完成的，使硬件得以简化，所以故障率比模拟系统小;单片机以数字信号工作，控制手段灵活方便，抗干扰能力强。
随着现代科技的不断发展，现在的电子产品越来越多，在早期，电子产品一般是纯硬件电路，没有使用单片机，电路复杂难以设计，也难以检查问题，随着微控制技术的不断完善和发展，集成芯片越来越多，单片机便出来了，换言之，单片机的应用是对传统控制技术的一场革命。
具有划时代的意义。
在电机控制方面也是靠人的感觉，没有侧速和侧距的概念，以前人机界面一般采用LED数码二极管，随着LCD液晶显示器的出现，人机界面更加人性化、智能化，它能显示数字、汉字和图象，控制LCD液晶显示器也很方便，电路设计也比较简单；加上单片机，组合实现的功能也比较强大，还可方便以后电路的升级与扩展。
本文结合LCD显示、电机控速、红外侧距、键盘操作等多种技术，实现了基于51单片机的电机转速测量控制系统的设计。
随着电力电子技术、微电子技术、控制理论以及永磁材料的快速发展，直流电机得以迅速发展。
在现代工业生产中，生产机械一般都用电动机拖动。
随着现代化的发展，工业自动化水平不断提高，各种自动控制系统中也日益广泛地应用各种控制电机。
为了提高生产率和保证产品质量，大量的生产机械要求直流电机以不同的速度工作。
这就要求人们采用一定的方法来改变机组的转速，即对直流电机进行调速。
对电机的转速不仅要能调节，而且要求调节的范围宽广，过程平滑，调节的方法要简单、经济。
直流电机在上述方面都具有独到的优点，使它得到广泛的应用。
本文针对直流电机具有起动转距大、体积小、重量轻、转矩和转速容易控制以及效率高等十分优良的特点,根据自动控制原理,采用PWM控制方式,设计了一个直流电机控制系统，以更好地对直流电机进行精确而又迅速的控制。
1.1课题背景
在工业自动控制系统和各种智能产品中常常会用电动机进行驱动、传动和控制，而现代智能控制系统中，对电机的控制要求越来越精确，对环境的适应要求越来越高。
随着科技的发展，通过对电机的改造，出现了一些针对各种应用要求的电机，如伺服电机、步进电机、开关磁阻电机等非传统电机。
但是在一些对位置控制要求不高的电机控制系统如传动控制系统中，传统电机如直流电机仍有很大的优势，而要对其进行精确而又迅速的控制，就需要复杂的控制系统。
在工业控制中，按偏差的比例P、积分I和微分D进行控制的PID调节器现在得到广泛的应用。
在小型微型计算机用于生产过程以前，连续过程系统中采用的气动、液动和电动的PID调节器几乎占垄断地位。
由最优控制理论可以证明，它能适应不少工业控制对象的要求。
单片机控制技术不断发展，特别是软件PID算法控制器的使用，代替了原来很多的硬件PID调节器，在工业控制系统和嵌入式系统中得到广泛的应用。
...... ......
一、选题的依据及意义
1.1选题依据：
传统的直流电动机均采用电刷，以机械方式进行换相，因而存在相对的机械摩擦，带来火花、噪声、无线电干扰及寿命短等致命缺点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，大大限制了它的应用范围。
近年来，随着半导体大功率MOSFET,IGBT等元器件的发展，各种专用集成电路不断出现，特别是单片机控制技术的越来越普及，使电动机产品不断推陈出新，一种以电子换相取代机械换相的直流电动机一直流无刷电动机（BrushlessDCMotor一BLDCM）应运而生，它既具备交流电动机结构简单、运行可靠、维修方便等优点，又具备直流电动机的运行特性，故在仪表、家电、计算机、电动助力车中得到了广泛应用。
直流无刷电机之所以能够自同步运行且具有良好的调速性能，是因为其逆变器功率器件的导通与关断取决于转子的位置，因此转子位置信号在控制中是必不可少的。
传统的无刷直流电机大多以霍尔元件或其它位置检测元件为位置传感器，以光电码盘为速度检测元件，安装在电机内部。
它的存在给直流无刷电机的应用带来很多的缺陷与不便:
首先，位置传感器会增加电机的体积和成本;其次，连线众多的位置传感器会降低电机运行的可靠性;再次，在某些恶劣的工作环境中，如在密封的空调压缩机中，由于制冷剂的强腐蚀性，常规的位置传感器根本就无法使用。
此外，传感器的安装精度还会影响电机的运行性能，增加生产的工艺难度。
位置传感器所带来的种种不利影响促使人们对直流无刷电动机的无传感器控制展开研究。
永磁无刷同步电动机是近阶段随着电力电子器件及新型永磁材料而迅速成熟起来的一种新型机电一体化电机,既具有交流电机结构简单,运行可靠,维护方便,又具有直流电机那样良好的调速特性而无机械式换向器。
无刷同步电机具有体积小、出力大、系统结构简单等优点,现己广泛应用于各种高性能驱动场合。
无刷直流电动机的特点决定了其只有在位置传感器的协助下才能顺利工作，但是这也带来了很多弊端。
因此，出现了很多的方法来实现无刷直流电动机的无位置传感器化。
在本文中无刷直流电动机的转子位置的检测是通过检测逆变器中续流二极管的导通状态来实现的，它的原理也是利用断开相的反电势过零。
该方法的特点是能够较精确的检测到电机反电势的过零点，从而保证电机能够在较低的转速下工作在无刷直流电动机状态，同时起动的程序也比较简单。
由于无位置传感器的特殊性，使得在起动的过程中不得不采用特殊的起动方
法，本文采用的是“三段式”起动，即:
定位，加速和切换。
本文采用了一种续流二极管的导通检测电路，并以此为基础结合控制电路实现了无刷直流电动机的无位置运行，实验结果证明此种方法具有较好的控制效果和较强的实用性，同时也说明SOC196MC十分适合于电机控制。
1.2 选题意义：
无刷直流电机具有调速性能好、控制方法灵活多变、效率高、起动转矩大、过载能力强、无换向火花、无无线电干扰、无励磁损及运行寿命长等诸多优点，故在当今国民经济各个领域，诸如医疗器械、仪器仪表、化工、轻纺以及家用电器等方面的应用日益普及。
如计算机硬盘、软盘及光盘驱动器里的主轴电动机、CD唱机的光盘主轴驱动、随身听的磁带主动轮驱动、数控加工设备、宇航自动机器、各种记录仪和绘图仪表的驱动均数以百万计地运用无刷直流电机。
但是传统的有位置传感器的控制方法存在着如下几方面的缺点:
1.位置传感器带来过多的信号线，使连线变得复杂而且容易出错;
2.在高温、冷冻和有腐蚀的环境中，位置传感器的可靠性会降低，甚至无法工作;
3.位置传感器的安装位置直接影响到电机的运行性能，而在某些对电机体积大小有限制的场合，位置传感器可能无法安装;
4.位置传感器的使用无疑会增加无刷直流电机控制系统的成本，使其市场竟争力降低。
因此，略去位置传感器而采用其他方法检测转子的位置信号，研究无位置传感器无刷直流电机的控制方案是一项很有意义的工作。
针对直流无刷电机无传感器控制，一个主要问题是如何准确的检测电机转子位置。
目前，对于无传感器永磁直流无刷电机位置的测量，有反电动势法，定子三次谐波法等，但用的较多的还是反电动势法。
这种方法是通过反电动势的过零点判断转子磁极的位置，从而确定逆变器中功率器件的切换时间。
虽然这种方法简单，实用，但是由于反电动势迭加有由逆变器输出的PWM（脉宽调制）波形和开关过程的尖峰干扰，使检测反电动势过零点的难点就变成了如何滤除混于反电动势中强干扰脉冲的问题。
目前，直流无刷电机无传感器控制器通常采用模数混合的系统结构。
通过模拟电路检测电机的反电动势，再通过单片机或逻辑电路等数字系统判断电机转子位置并产生电机驱动所需要的脉冲信号。
这种方法电路实现复杂，成本高，而且位置信号检测误差大，电机的驱动效率低，维护困难。
随着科技的高速发展，各类用于电机控制的高性能的单片机及DSP的功能越来越丰富，运算速度也有了质的飞跃，而且价格越来越低廉。
例如美国TI公司出品的TMS320X240系列DSP芯片，以及德国Infineon最新推出的XC164CM电机控制16位单片机。
其内部具有电机控制单元，功能强大，单条指令的运算速度达到了25ns，是普通MCU的50倍，并且内部具有数字信号处理单元以及高速的数模转换单元。
在上述的硬件基础上，完全可以实现性能优良的实时控制算法，编写完善的监控软件，如Kalman滤波、自适应控制、模糊控制和神经元控制等，从而可以进一步提高系统的控制精度和实时性。
因此我们可以舍弃传统的数模结合的电机控制方法，以先进的数字技术为基础，开发出一种高性能全数字化的无刷直流电机无传感器控制系统。
二、国内外研究现状及发展趋势（含文献综述）
2.1国内研究现状及发展趋势：
传统的有刷直流电机虽然有机械特性好、调速范围宽、起动转矩大、控制电路简单等优点，但却由于机械换向装置的存在而带来了以下的不足之处:
机械换向装置易产生换向火花、电磁干扰、不适用恶劣环境以及需要定期维护等。
因此需要研制一种新型的没有机械换向装置的直流电机，而且这种电机既要满足优良的调速性能，又能避免有刷直流电机存在机械换向装置的不足。
电力电子技术和永磁材料的发展，为一种利用电子换向原理的永磁无刷直流电机的提出创造了硬件条件;而后来高性能单片机以及DSP芯片的出现为无刷直流电机复杂控制算法的实现提供了软硬件保障。
近几十年，稀土永磁材料迅速发展，其本征矫顽力高、抗去磁能力强且常规去磁曲线在大范围线性可逆等特点为永磁无刷直流电机的设计开辟了广阔的前景。
同时，现代电力电子器件日臻成熟，出现了电力晶体管（GTR）、门极可关断晶闸管（GTO）、功率场效应晶体管（VDMOS）等新器件。
特别是绝缘门极晶体管（IGBT）和MOS可控晶闸管（MCT）的开发成功，使无刷直流电机的功率驱动电路的可靠性和稳定性得到保障。
因此，无刷直流电机成为国内外研究的热门课题，数十年经久不衰。
20世纪90年代以后，无刷直流电机调速系统逆变装置中的开关元件不仅成本降低，而且向高频化、大容量化、小型化、智能化发展，同时永磁材料的性能不断提高和完善，加上永磁电机研究和开发经验的逐步成熟，稀土永磁直流无刷电动机的应用和开发进入了一个新的阶段。
当前，无刷直流电机控制技术的发展在以下几方面都取得了长足的进步，其
研究动向主要有:
1.无传感器矢量控制
近年来，国际上对这方面的研究热度比较高，使之有了长足的发展。
但其性能却仍比不上有位置传感器的控制系统。
目前尚处于研究阶段，有待于实用化。
此控制方法需要大量复杂计算，所以采用DSP等高性能微处理器配合改善速度控制特性的新方法是一个很好的研究方向。
2.永磁材料的高性能化
电机永磁材料由铁氧体向铆铁硼永磁材料发展，使得电机的体积、重量和转子惯量都大大减小，从而提高了系统的快速性。
3.功率模块的智能化
伺服系统的逆变器从采用双极性大功率晶体管GTR向MOSFET,IGBT等新型功率集成模块PIC方向发展。
大大方便了使用并且提高了系统的可靠性。
4.控制技术的数字化
无刷直流电机控制系统正由传统的模拟控制技术转向使用微处理器的数字控制技术。
数字控制技术使得许多硬件工作都由软件完成，从而减少了硬件电路，提高了可靠性和性能，减小了尺寸，提高了效率。
数字控制技术不仅使系统获得高精度、高可靠性，还为新控制理论（如矢量控制、直接转矩控制、参量自适应控制、模糊控制、滑模变结构控制等）的应用提供了物质基础。
特别是适用于实时控制的工业单片机和高速数字信号处理器（DSP）在调速系统中的应用，大大简化了系统结构，提高了系统的性能。
因此在今后的相当长时期内，发展基于微处理器的全数字式变频调速系统将一直是研究的重点。
5.智能化
近年来，国内外关于智能控制的研究十分活跃。
智能控制就是将人工智能与控制理论结合起来，完成一定的控制功能，主要是应用专家系统、模糊逻辑及神经网络理论来实现自学习或自组织控制。
因此，实现智能控制有三条途径，即基于专家系统的专家控制，基于模糊集合理论的模糊控制，以及基于人工神经网络的神经控制。
目前智能控制主要应用于过程控制领域，将其应用于直流电机调速系统的研究才刚刚开始。
由上述介绍可以看出无刷直流电机及其控制技术的发展与控制理论、电力电子技术、材料科学以及相关技术的发展是密不可分的。
相信随着科学技术的不断发展，无刷直流电机控制系统也必将更加成熟。
2.2国外研究现状与发展趋势：
通常意义上的无刷直流电动机BLDCM（BrushlessDCMotor）是指以变频器方波驱动的永磁同步电动机加上转子闭环控制系统，又称为方波（或矩形波）永磁同步电动机。
1975年无刷直流电机首次出现在NASA的报告中。
随着电子技术和材料科学的发展，高性能、低成本的第三代永磁材料以及大功率、全控型功率器件的出现，无刷直流电机的应用与研究得到了迅速的发展。
1977年，出现了采用杉钻永磁材料的无刷直流电机。
具有高磁能积、高矫顽力、低成本特性的第三代永磁材料—NdFeB（钱铁硼）开始得到广泛应用，同时采用霍尔元件作为位置传感器，并采用三相全桥驱动方式提高了电机的输出力矩，使其更具应用价值。
1986年，H.R.Bolton对方波无刷直流电机系统进行了全面的总结，该文献标志着方波无刷直流电动机系统在理论上和驱动控制方法上己基本成熟[3]。
为了克服方波无刷直流电机力矩平稳性差的缺点，人们又研制出了正弦波无刷直流电机，一般称之为永磁同步电动机PMSM（PermanentMagnetSynchronousMotor）[4]。
这种电动机实际上是带有位置传感器的逆变器驱动的永磁同步电动机，它的反电动势波形为正弦波，相应的相电流也为正弦波。
正弦波无刷直流电机的研究主要集中于电机的新型结构形式、气隙磁场设计、计算和绕组电流的控制。
其中绕组电流的控制为大部分研究工作的焦点。
1987年，P.Pillay在总结正弦波无刷直流电机各种研究成果的基础上，提出了基于旋转坐标系下的正弦波无刷直流电机系统绕组电流控制方法—id,抽法。
1992年，Gpfaff从理论上得到两种获得正弦绕组电流的有效方法，即静止坐标下的电流控制方法—电流调节型SPWM控制方法（（CRPWM）和电流滞环控制方法，给出了其应用范围，并进行了试验验证。
至今，这两种方法在正弦波无刷直流电机系统中仍然是使用最广泛最主要的方法。
[s]此后的研究虽然在控制手段上不断地改进，但控制方法没有本质的突破。
随着电机技术及相关学科的迅猛发展，无刷直流电机进入了实用阶段，其在诸如计算机外设等领域开始被应用。
方波无刷直流电机系统和正弦波无刷直流电机系统的理论日趋成熟，由此，“无刷直流电机”的概念已由最初的具有电子换向器的直流电机发展到泛指一切具有传统直流电机外部特性的电子换向电机。
在技术上研究方向主要分为电机本体和电子线路两方面。
在电机本体方面的研究主要是围绕永磁转子的结构进行的。
目前比较流行的结构形式主要有以下几种:
表面磁钢结构、嵌入式磁钢结构、外转子结构等。
根据永磁体充磁方式的不同主要有瓦形永磁体径向磁化、矩形永磁体向磁化、环形永磁体径向磁化、矩形永磁体径向磁化等结构形式。
而在电子线路的研究方面，用观测电量的方法代替
位置传感器的作用是一个必然趋势。
如何对电动势和电流进行采样，通过控制电路进行适当处理，使电机按正常的逻辑运行都是当前课题的研究任务。
向更高一步发展，利用计算机发出数字信号来控制电机运行，使电机的控制人工智能化，这也是研究的主导方向。
三、本课题研究内容
本课题以永磁方波无刷直流电机（BLDCM）为控制对象（若无特别说明，以后本文中出现的无刷直流电机均指的是方波无刷直流电机），设计了一套无位置传感器的无刷直流电机调速系统。
该系统基于单片机的全数字化直流无刷电机无传感器控制系统，主要围绕无位置传感器无刷直流电机（BLDCM）控制系统设计中的几个关键技术—位置检测、起动和控制方法进行了深入的研究，对无位置传感器无刷直流电机运行方式进行了全面的分析。
利用当前先进的数字技术和现代控制理论，在强干扰环境中精确检测转子位置，提高可靠性，降低成本。
其研究内容包括以下几部分:
1.研究无刷直流电机的工作原理及各种控制方法。
重点研究利用反电动势检测电机转子位置信号的方法。
2.以凌阳的SPMC75F2313A微处理器为主控芯片，完成控制系统的硬件电路设计。
这其中包括MCU及其外围电路、EMI滤波和整流电路、IPM逆变电路、反电动势检测电路等部分。
3.PWM调制方式对系统的影响。
4.电机静止启动方法的研究。
5.电机闭环控制方法的研究。
6.根据系统功能要求，编写控制系统的软件程序。
7.对控制系统进行软硬件调试，分析实验得出的结果，验证控制系统方案的正确性。
8.根据实验结果，探讨系统的不足之处以及实际应用中可能遇到的问题。
四、本课题研究方案
本文首先研究讨论了无刷直流电机控制方案，并详细讨论了PWM调制方式对系统的影响;而后研究无传感器控制下电机转子位置的检测，以反电势法为基础，提出了一种新型的转子位置检测新方法;研究并讨论了如何通过“三段式”方法可靠实现电机起动问题;在控制方法上采用基于PID方法的速度闭环控制，实现了电机的稳定运转;最后，采用凌阳的SPMC75F2313A微处理器作为控制核心，设
计了一套直流无刷电机无传感器控制系统。
借助于该芯片的强大的处理能力和丰富的外设，整套系统省去了以往复杂的硬件电路，从而提高了系统的可靠性。
五、研究目标、主要特色及工作进度
5.1研究目标
该控制系统起动快速、稳定，具有较宽的调速范围，控制精度高、稳定性好和抗干扰能力强，高性能、高可靠性、低成本以及在电机控制方面的通用性，性能上优于数模混合结构的控制器，具有广泛的应用前景。
5.2主要特色
一是实现了SPMC75F2313A单片机的数字控制;
二是无位置检测采用的是检测续流二极管的导通状态来判断转子的位置，取消了位置传感器降低了系统成本增加了系统的可靠性;
三是在起动时采用三段式起动:
定位，加速和切换;
四是开发了一整套的数字控制及信号检测实验装置。
这套实验装置可用于实验研究电机调速系统，也可以研究不同的控制算法，只需改变控制算法软件即可。
六、参考文献
[1] ISHIGUROA,FURUHASHIT•TMS320X24XDSP•Control-lersreferenceset（peripherallibraryandspecificdrive）[J]•TexasInstruments,1997
（2）:
128-132.
[2] 任海鹏.DSP在无刷直流电动机伺服系统中的应用[J].微电机,2000
（2）:
32-33.
[3] HISAOK,KOUKIM•DSP_basedspeedadaptivefluxobserverofinductionmotor[J].IEEETransOnIndustryApplication,1993,29
（2）:
138-142.
[4] 李先祥,周波.智能控制器在稀土永磁无刷方波电机调速系统中的应用[J].电气自动化,1997（4）:
13-15.
[5] 章云，谢莉萍，熊红艳编著.DSP控制器及其应用［M］.北京:
机械工业出版社.2002年3月.
[6] 王潞刚编著.DSPC2000程序员高手进阶〔M].北京:
机械工业出版社.2005年1月.
[7] 刘和平，王维俊，江渝，邓力等编著.TMS320LF240xDSPC语言开发应用〔M].北京:
北京航
空航天大学出版社.2003年10月.
[8] 张雄伟，曹铁勇编著.DSP芯片的原理与开发应用.北京:
电子工业出版社.2000年9月.
[9] 彭启琼，张诗雅，常冉等编译.TIDSP集成化开发环境（CCS）使用手册［M］.清华
大学出版社.
[10] 张深编著.直流无刷电动机原理及应用.北京:
机械工业出版社.2001年10月.
[11]李钟明，刘卫国等编著.稀土永磁电机.北京:
国防工业出版社.1997年7月.
[12]黄正瑾，徐坚等编著，CPLD系统设计技术入门与应用［M］.北京:
电子工业出版社.2002.
[13]黄任编著.VHDL入门。
解惑.经典实例.经验总结［M］.北京:
北京航空航天大学出版社.2005年1月.
[13]廖日坤编著.CPLD/FPGA嵌入式应用开发技术白金手册〔M].北京:
中国电力出版社2005年10月.
[15]杨恒，卢飞成编著.FPGA/CPLD快速工程实践入门与提高【MJ.北京:
北京航空航天大学出版社.2003年4月.
[16]黄英哲，董胜源编著，TMS320C240原理与C语言控制应用联系[M].北京:
中国水利水电出版社.2003年3月.
[17]于海生等编著.微型计算机控制技术〔M].清华大学出版社.1999.
[18] Y.S.Chen,Z.Q.Zhu,D.Howe.SlotlessBrushlessPermanentMagnetMachines:
InfluenceofDesighParameter[J}}IEEE.TransactionsonEnergy Loversion,1999,14（3）}686-691。
[19] H.CChen,C.MLiaw.SensorlessControlViaInf一elligentConmutationTuningforBrushlessDCMotor[J].IEEPor一Electr.PowerAool,1999,146（6），678-684.
[20]DSPSolutionsforBLDCMotors,TexasInstrumentsEuropeMarch1997
[21]DC12-24V30AThreePhasePowerHardwareforPMSMorACInductionMachine,TexasInstrumentsInc,1997
[22]ImplementationofaSpeedControlledBrushlessDCDriveUsingTMS320F240,TexasInstrumentsInc,1997
[23]TMS320C2XX/C24XCodeComposerUser'sGuild,TexasInstrumentsInc,October2000
[24]GettingStartedinCandAssemblyCodeWiththeTMS320LF240xDSP, Texas InstrumentsInc,July2002
[25] RasmussenKF.AnalyticalandNumericalComputationofAirGapMagneticFieldsinBrushlessMotorswithSurfacePermanentMagnets[J].IEEETrans. OnIA, 2000
[26] HendershotJ
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