学位论文无刷直流电机控制系统的设计与实现.docx
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学位论文无刷直流电机控制系统的设计与实现
目录
内容摘要：
3
关键词：
3
1设计要求4
2设计系统总框架图4
3无刷直流电动机5
3.1无刷直流电机简介5
3.2无刷直流电机的结构6
3.2.1定子绕组6
3.2.2永磁转子7
3.2.3位置传感器7
3.2.4相序输入7
3.3无刷直流电动机的工作原理7
3.4直流电动机的主要驱动方式8
3.4.1单极性驱动方式8
3.4.2双极性驱动方式10
4MC33035与MC33039的应用13
4.1MC33035简介13
4.1.1转子位子译码器：
14
4.1.2正/反旋转控制管脚15
4.1.3制动管脚15
4.1.4误差放大器15
4.1.5脉宽调制器15
4.1.6电流限制16
4.2MC3303916
4.3无刷电机驱动模块的硬件设计19
4.4无刷电机接线口19
5主控模块20
5.1单片机的原理与应用20
5.2主控系统的硬件设计21
5.2.1最小系统21
5.2.2手控模块22
5.2.3显示模块22
6软件模块23
7硬件调试图和结果24
总结:
25
参考文献：
25
诚信协议书27
内容摘要：
伴随着机械与电子的科技发展，无刷直流电动机在社会生产生活中占据着越来越重要的地位，本着可塑性宽，工作稳定的特点，无刷直流电动机的使用也日益壮大。
本设计是基于单片机的无刷直流电机控制系统，通过无刷直流电机的工作原理，以及在其以MC33035和MC33039为驱动芯片中的应用，设计成闭环控制系统其能实现正转，反转，启动，停止，电机转速可调和转速可显示的。
整个设计，硬件由主控模块，驱动模块，显示模块和调速模块构成，并通过软件实现速度测量以及显示。
本设计已能实现正反转，停止或启动，以及转速可调的功能。
关键词：
AT89S52；MC33035；MC33039；无刷直流电机
正文：
1设计要求
1.1应用MC33035和MC33039驱动无刷直流电机，实现正反转，启动或停止以及转速可调。
1.2基于单片机来实现以上功能，并能显示转速。
1.3能从设计中认识无刷直流电机的原理以及提高调试能力，软件和硬件设计的能力，巩固并更进一步认识专业知识。
2设计系统总框架图
图1-1
3无刷直流电动机
3.1无刷直流电机简介
无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的,是电动机从一个成就到另一个成就的进步成品。
有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来，以其灵活的控制特性而广为人所用。
而其机械接触的电刷-换向的特点则是电流电机最显著的弱点，电刷的运用让其不仅工作性能不稳定，体型大却无法优化，限制了有刷电机在特别场合中的使用。
早在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想。
1955年美国的D.Harrison等首次申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利，标志着现代无刷直流电动机的诞生。
在无刷直流电动机发展的早期，由于当时大功率开关器件仅处于初级发展阶段，可靠性差，价格昂贵，加上永磁材料和驱动控制技术水平的制约，使得无刷直流电动机自发明以后的一个相当长的时间内，性能都不理想，只能停留在实验室阶段，无法推广使用，1970年以后，随着电力半导体工业的飞速发展，许多新型的全控型半导体功率器件（如GTR、MOSFET、IGBT等）相继问世，加之高磁能积永磁材料（如SmCo、NsFeB）陆续出现，这些均为无刷直流电动机广泛应用奠定了坚实的基础。
无刷直流电动机的发展在电力电子技术的发展中萌生了许多新的创造和发展。
在1978年汉诺威贸易博览会上，前联邦德国的MANNESMANN公司正式推出了MAC无刷直流电动机及其驱动器，引起了世界各国的关注，随即在国际上掀起了研制和生产无刷直流系统的热潮，无刷直流电动机从此迅速的走向实用阶段。
我国对无刷直流电动机的研究起步较晚。
1987年，在北京举办的联邦德国金属加工设备展览会上，SIEMENS和BOSCH两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了国内有关学者的广泛注意，自此国内掀起了研制开发和技术引进的热
潮。
经过多年的努力，目前，国内已有无刷直流电动机的系列产品，形成了一定的生产规模。
无刷直流电机（BrushlessDirectCurrentMotor,BLDCM）目前的应用已经十分广泛，与有刷直流电机相比其具有许多的优点，无刷直流电机工作更稳定，使用寿命更长，无噪声的工作以及更宽的速度范围。
由于其在实现同转矩下使用时可以把电机做得更小，因此在对体积和重量要求比较苛刻的场合应用十分灵活。
3.2无刷直流电机的结构
无刷直流电动机（BLDCM）是一种典型的机电一体化产品，它是由定子绕组、永磁转子、相序输入和位置传感器组成的自同步电动机系统或自控式变频同步电动机，如图3-1所示。
当电机正常工作时，位置传感器检测到转子磁极的位置信号，译码器则对转子位置信号进行逻辑处理并产生相应的信号，导通或关闭驱动桥中对应的功率管而使电动机定子各相绕组按一定逻辑相序开关电源，维持电动机持续不断地转动。
图3-1无刷直流电动机系统的结构
3.2.1定子绕组
无刷电机的三相绕组线圈就是定子，也就是在电机本体中是不动的一个部分，并负责供给电机转子转动驱动力的部件。
如果能给三相绕组正确的通/关电顺序，则电机便可以连续的发生扭矩，也就是能持续转动。
3.2.2永磁转子
永磁转子就是电机中，在定子发生磁场变化时做出扭矩的运动部件，其能发生扭矩是磁场所特有的磁场效应，也就是同极相斥，异极相吸，三相绕组就提供了这个变化的磁极，永磁转子有着固定的磁极，所以在变化的磁场中，转子便可以发生相应的扭矩，磁场有序变化时就如同一根不停息的牵引转子的绳子。
3.2.3位置传感器
位置传感器即电机内部的霍尔元件，作用是检测转子磁极相对于定子绕组的位置信号，为译码器提供转子的位置信号。
3.2.4相序输入
相序的输入决定着定子绕组的磁场变化顺序，也就决定了永磁转子的扭矩和连贯性，同样是霍尔传感器工作的目的和起因，所以相序的输入是一个电机重要的动力来源。
本设计采用的是三相带霍尔传感器的无刷直流电动机，输入有三路相序信号，输出也有三路位置传感器信号。
3.3无刷直流电动机的工作原理
众所周知，一般的永磁式直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要的作用是在电动机气隙中产生磁场。
其电枢绕组通电后产生磁场。
由于电刷换向作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩而驱动电动机不停地运转。
直流无刷电动机为了实现无电刷换向，首先要求把一般直流电动机电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上，这与传统直流永磁电动机的结构刚好相反。
但仅这样做还是不行的，因为用一般直流电源给定子上各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子转动。
所以直流无刷电动机除了由定子和转子组成电动机本体以外，还要由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同构成换相装置，使得直流无刷电动机在运行过程中定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁钢产生永磁磁场，在空间始终保持（π/2）rad左右的电角度。
为了更加详细的阐述这种直流无刷电动机的工作原理和特点，下面就以三相星型联结绕组无刷直流电机的控制来介绍。
如图3-2，无刷电机有A、B、C三相绕组，当定子绕组在某相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，每发生一次转矩，位置传感器都会有其对应的转子位置信号输出。
当初始状态如途中实线所在位置，在B相通电，转子由于磁场发生变化而发生顺时针扭矩转至C-H3的位置，断开B相而通A相，转子继续发生扭矩,转至B-H2的位置，再断开A相通C相，则转子就会转至初始位置。
如此看来，在三相无刷直流电机中，定子各相绕组在工作换相器件是跳跃式的，形成跳跃变化的磁场角度为120°/240°。
图3-2
3.4直流电动机的主要驱动方式
3.4.1单极性驱动方式
就是使用单个开关驱动、斩波控制的电路，如图3-3所示，使用一个功率MOSFET开关管，并在电动机两端并接一个二极管做续流用。
开关管由一个MOSFET栅极驱动器驱动，它又接受一个模拟控制器或一个微控制器的PWM斩波控制。
如图3-3所示功率开关串接在电动机下方（靠近电源地），其栅极驱动器应采用低侧栅极驱动器。
如果功率开关管串接在电动机上方（靠近电源正极），其栅极驱动器应采用高侧栅极驱动器。
图3-3
图3-4给出高侧（HS）和低侧（LS）两种驱动方式。
对于高侧开关，它的栅极驱动需要附加的电平提升电路，所以大多采用低侧驱动方式。
典型应用是小型风机、泵的驱动。
当采用斩波控制时，电流通过续流二极管续流，时间较长，损耗较大。
图3-4
图3-5的半桥驱动电路可以避免这个缺点。
它有低损耗和快速的特点。
其中的二极管VD1、VD2实际上是DMOS管的“体”二极管，这是由于工艺原因和与DMOS管一起自动生成的。
这样，不必在另外附加续流二极管。
另外，半桥驱动电路一个附加的优点是可实现电动机制动控制：
断开VF1停止对电动机供电的同时，将VF2连续开通，电动机的电动势（EMF）经VF2短路，使电动机制动。
此时，如果VF2不是连续开通，而是PWM控制，可实现电动机的软制动。
图3-5
3.4.2双极性驱动方式
由四个功率开关组成的H桥电路（又称全桥电路），它需要两个半桥驱动器。
利用H桥式电路和PWM控制实现对直流电动机正反两个方向的调速控制和伺服控制，如图3-6所示。
双极性驱动也可以想单极性驱动那样，将EMF短路实现电动机制动。
例如，将两个低侧开关同时开通，或将两个高侧开关同时开通。
如果希望制动作用缓和些，可让短路电流过一个开关和一个二极管。
双极性驱动有另一种十分有效的制动方式——反向制动，是单极性驱动不能实现的。
反向制动电流的幅值大约可达到堵转电流的两倍。
此脉冲电流对电动机和驱动器都是有害的，它可以通过只能制动程序来避免。
通过只能制动控制可获得所需的系统阻尼。
图3-6
电机本体的电枢绕组为三相星型连接，位置传感器与电机转子同轴，控制电路对位置信号进行逻辑变换后产生控制信号，控制动信号经驱动电路隔离放大后控制逆变器的功率开关管，使电机的各相绕组按一定的顺序工作。
本设计是实现对三相无刷直流电动机的控制，控制三相的驱动桥采用的是H全桥式驱动桥控制，如图3-7所示。
图3-7
转子在空间每转过60电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁场的磁状态就发生一次跃变。
可见，电机有6种磁状态，每一状态有两相导通，每相绕组的导通时间对应于转子旋转120电角度。
无刷直流电动机的这种工作方式叫两两换相导通法，这是无刷直流电动机最常用的一种工作方式。
就图3-7而言，所谓两两导通方式是指每一瞬间有两个功率管导通，每隔1/6周期（60°电角度）换相一次，每次换相一个功率管，每一功率管导通120°电角度。
个功率管的导通顺序是Q1Q2、Q2Q3、Q3Q4、Q5Q6、Q6Q1、……。
当功率管Q1和Q2导通时，电流从Q1管流入A相绕组，再从C相绕组流出，经过Q2流回电源。
如果认定流入绕组的电流所产生的转矩为正，那么从绕组流出所产生的转矩则为负，他们合成的转矩如图3-8a所示，其大小可为
Ta，方向在Ta和-Tc的角平分线上。
当电动机转过60°后，由Q1Q2通电换成Q2Q3通电。
这时，电流从Q3流入B相绕组再从C相绕组流出，经过Q2流回电源。
此时合成的转矩如图3-8b所示，其大小同样为
Ta。
但合成转矩Tbc的方向转过60°电角度。
而后每次换相一个功率管，合成转矩矢量方向就随着转过60°电角度，但大小始终保持
Ta不变。
图3-8
本设计使用的电机输入输出波形如下表所示：
转
度
电角度
06012018024030036060120180240300360
机械角度
0153045607590105120135150165180
S1OUT
S2OUT
S3OUT
A
-
0
+
+
0
-
-
0
+
+
0
-
B
+
+
0
-
-
0
+
+
0
-
-
0
C
0
-
-
0
+
+
0
-
-
0
+
+
从上表波形可以看出，该电机内有4对磁极转子，既8个极对数，转子每转过机械度15°，相电改变一次，所以一圈需改变相电次数24次，相电每6次为一个周期，则经过4个周期，电机方可旋转一圈，从图中可知，一周期相电包含一个高脉冲的传感器输出，则电机旋转的机械转度360°一次会输出4个脉冲的位置传感器信号。
这为下面所提及的转速运算提供帮助。
4MC33035与MC33039的应用
4.1MC33035简介
MC33035是一款高性能多功能的无刷直流电机驱动芯片，它具有开环三相或四相电机控制所需要的全部功能。
该器件由一个整流序列的转子位置译码器、提供传感器电源的温度补偿参考电压、频率可编程的锯齿波振荡器、三个集电极开路的顶部驱动器和三个适用于驱动大功率Mosfet的底部驱动器组成。
MC33035包含的保护结构有欠压锁定、带可选时间延迟锁存关断模式的逐周限流、内部热关断、及特有的可接入微处理器的错误指示。
典型的电机控制功能包括开环速度、正向或反向、运行使能、及阻尼式制动。
MC33035设计为控制带传感器的电气角度为120°/240°或者60°/360°的无刷电机，并且还能有效地控制有刷直流电机。
下图为芯片的管脚定义：
特性：
●10到30伏电压可以正常工作
●内有欠电压锁定功能
●可供给调速芯片MC33039和电动机传感器所需电源6.25伏特参考电压
●完全可访问的误差放大器，用于闭环伺服应用
●大电流驱动器，可控制三相的功率管驱动桥
●逐周限流
●带电流检测参考引脚
●内部热关断
●可选60°/120°传感器相位
●具有错误指示信号
下面就三相无刷直流电机的控制来介绍该芯片的在此设计中的主要功能：
4.1.1转子位子译码器：
MC33035之所以能自动提供正确的相序来驱动桥式功率管，就是因为内部特有的位置译码器，译码器从芯片的位置输入管脚（4、5、6）得到无刷电机的转子位置信号（输入与门限典型值为2.2V的TTL点平兼容），从而在上下桥驱动管脚输出正确的相序驱动信号，上驱动桥信号由1、2、24管脚输出；下驱动桥信号由19、20、21管脚输出。
MC33035还可在60°/120°传感器的电机中选择控制（22管脚），可输出相应电机的相序信号。
对于三个传感器输入，有8种可能的输入编码组合，其中只有6种是有效输入编码组合，另外两种是无效的编码组合，通常是由于传感器的开路或者短路造成的。
4.1.2正/反旋转控制管脚
正向/反向输出管脚（管脚3）通过翻转定子绕组上的电压用来改变电机转向，当输入状态被改变，一个指定的传感器输入编码从高电平变为低电平，具有相同字母标示的可用顶部和底部驱动输出相互交换（AT变AB，BT变BB，CT变CB）。
实际上，整流时序被反向，电机就改变转动方向。
该管脚通过给其输入低电平或高电平来切换电机的旋转方向。
4.1.3制动管脚
MC33035的第23管脚是阻尼式控制电机工作与否的管脚，为控制电机提供了安全保证。
当制动管脚23脚接入高电平时，顶部驱动输出全部关断，底部驱动全部接通，电机短接产生电动势（EMF）。
4.1.4误差放大器
该芯片内设有高性能，全补偿的误差放大器。
在闭环速度控制时，该放大器的直流电压增益为80dB，增益带宽为0．6MHz，输入共模电压范围从地到VREf（典型值为6．25V），可得到良好性能。
作开环速度控制时，可将此放大器改接成增益为l的电压跟随器，即速度设定电压从其同相输入端脚ll输入。
4.1.5脉宽调制器
除非由于过电流或故障状态使6个驱动输出调闭锁，在正常情况下，误差放大器输出与振荡器输出锯齿波信号比较后，产生脉宽调制（PWM）信号，控制3个下侧驱动输出。
改变输出脉冲宽度，相当于改变供给电动机绕组的平均电压，从而控制其转速和转矩。
4.1.6电流限制
外接逆变桥经一电阻RS接地作电流采样。
采样电压由脚9和脚15输入至电流检测比较器。
比较器反相输入端设置有100mV基准电压，作为电流限流基准。
在振荡器锯齿波上升时间内，若电流过大，此比较器翻转，使下Rs触发器重置，将驱动输出关闭，以限制电流继续增大。
在锯齿波下降时间，重新将触发器置位，使驱动输出开通。
利用这样的逐个周期电流比较，实现了限流，若允许最大电流为Imax，则采样电阻按下式选择：
Rs＝0．1/Imax
为了避免由换相尖峰脉冲引起电流检测误动作，在脚9输入前可设置RC低通滤波器。
4.2MC33039
MC33039是高性能闭环速度控制适配器，专门设计为用于无刷直流电机控制系统。
实现允许精确的速度调整而不需要磁性或光学速度计。
该器件包含三个输入缓冲器，每个都为噪声抑制而带有滞后；三个数字边沿检测器、一个可编程单稳态和一个内部并联稳压器。
还包含一个用于需要传感器相位转换的反相器输出。
尽管该器件最初为与MC33035无刷电机控制器同用，但它也能低成本用于许多其他闭环速度控制应用中。
MC33039是为无刷直流电动机闭环速度控制专门设计的集成电路，系统不必使用高价的电磁式或光电测速机，就可实现精确调速控制。
它直接利用三相无刷直流电动机转子位置传感器3个输出信号，经F／V变换成正比于电动机转速的电压。
从MC33039结构图可知，脚1、2、3接收位置传感器3个信号，经有滞后的
缓冲电路，以抑制输入噪声。
经“或”运算得到相当于电动机每对极下6个脉冲的信号。
再经有外接定时元件CT和RT的单稳态电路，从脚5输出的fout信号的占空比与电动机转速有关，其直流分量与转速成正比，此信号在外接低通滤波器处理后，即可得到与转速成正比的测速电压。
三相电动机中应用时的波形图中，fout是脚5输出，Vout（AVG）表示它的平均值，即直流分量。
下图为MC33039在调速控制中对应的脉冲波形输入输出：
4.3无刷电机驱动模块的硬件设计
4.4无刷电机接线口
5主控模块
5.1单片机的原理与应用
单片微型计算机（Single-chipMicrocomputer）简称单片机。
它在一块芯片内集成了计算机的组成单元，包括中央处理单元（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、定时器/计数器以及I/O等主要计算机部件，它们是通过片内总线连接起来的。
虽然单片机只是一个芯片，但它具有微机系统的组成和功能特征。
单片机经历了4位单片机、8位抵挡单片机、8位高档单片机、16位单片机等阶段，现在正向高性能、高速度、高集成度、大容量、多功能、低功耗、加强I/O能力及结构兼容的32位和双CPU方向发展。
就单片机的工作方式而言，主要有：
复位方式、程序执行方式、低功耗方式和在线仿真四种。
单片机时序是CPU在执行指令时控制信号的时间顺序。
CPU本身是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，时序电路应在唯一的时钟信号控制下，严格地按时序在时钟脉冲的推动下进行工作。
则需要提供以下外围电路：
复位电路（图5-1），振荡器与时钟电路（图5-2）。
图5-1图5-2
单片机I/O端口，或称为I/O通道或I/O通路。
I/O端口是单片机与外围器件或外部设备实现控制和信息交换的桥梁。
AT89C52单片机有4个双向8位I/O端口P0~P3，共32根I/O引线。
每个双向I/O端口都包含了一个锁存器，即专用寄存器P0~P3，一个输出驱动器和输入缓冲器。
在单片机测量控制系统中，常需要有实时时钟和计数器，以实现计时（或延时）控制及对外界时间进行计数。
AT89C52单片机内部有三个16位的计时器/计数器T0、T1、T2。
还有6个中断源：
2个外部输入中断源INTO（P3.2）和INT1（P3.3）；3个内部中断源T0、T1、T2的溢出中断源TF0（TCON.5）、TF1（TCON.7）、TF2（T2CON.7）；1个串行端口发送和接收中断源TI（SCON.1）和RI（SCON.0）。
其中计时中断由内部计时器计数产生计数溢出时所引起的中断，属于内部中断。
当计时器计数溢出时，表明即使时间到或计数值已满，此时TCON中的TF0/TF1或T2CON的TF2置位，向CPU申请中断。
计时器的计时时间或计数值由用户通过程序设定。
5.2主控系统的硬件设计
5.2.1最小系统
图5-3
5.2.2手控模块
正/反转控制与制动控制分别由MC33035的第3管脚和第23管脚控制，高电平和低电平的切换可以方便的实现电机的正/反转动，以及启动和停止。
利用拨动开关对无刷电机的驱动模块进行正转与反转，启动或停止的控制。
原理图如5-4所示：
图5-4
5.2.3显示模块
6软件模块
这个设计中所需要的程序设计比较简单，主要是利用单片机的中断功能，以及定时器/计数器的功能，在设定单位时间1S内计算来自电机位置传感器脉冲信号的脉冲数，每一秒钟通过定时器0产生中断，并将所计算的脉冲数值计算出电机转速。
传感器脉冲的计算来自计数器1的中断，每当遇到负跳变则计数加1，并存于n（寄存器）中，在优先权优于计数器1的定时器0中断时将寄存器内的累加脉冲数按公式V=n*60/4（r/min）计算出实际机械转速，并将该值经由显示程序显示出来，同时计数器1清零，并再次累计，直至下一个定时器0的中断产生。
程序流程图
中断执行程序脉冲计数程序
中断程序：
#include
voidxuanshi（）;
inttemp,n,tt;
voidmain（void）
{
TMOD=0x02;//定时器0方式2
TH0=0x47;//赋T0的预置值，溢出1次是0.2毫秒钟
TL0=0x47;
ET0=1;//允许定时器0中断
TR0=1;//启动定时器0
IT1=1;//外中断1,负跳变产生中断
EX1=1;//允许外中断
EA=1;//打开总中断
while
（1）//主程序循环
{xuanshi（）;
}
}
voidxuanshi（）
{……}
voidint2（）interrupt2//外中断1计数
{n++;}
voidtimer0（）interrupt1//定时器0中断处理，中断5000次是一秒钟
{tt++;
if（tt==5000）
{
tt=0;
temp=n*60/4;
n=0;
}
}
voiddelay（unsignedinti）//延时程序,i是形式参数,i为1时延时约1MS
{unsignedintj;
for（;i>0;i--）//变量i由实际参数传入一个值,因此i不能赋初值
for（j=
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