毕业论文无刷直流电机调速控制系统设计方案11036

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1、无刷直流电机调速控制系统设计方案摘 要无刷直流电机控制系统是一种新型的调速系统，具有良好的运行、控制及经济性能，有着巨大的发展潜力。其中无刷直流电机是利用电子换相替代机械换相和电刷，既具有直流电动机良好的调速性能，又具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等优点，在众多领域中得到了广泛的应用。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。现阶段，虽然各种交流电动机和直流电动机在传动应用中占主导地位，但无刷直流电动机正受到普遍的关注。本设计是把无刷直流电动机是以ATS89S52单片机为控制电路，单片机采集比较电平及电机霍尔反馈信号，通过软件编程控制无刷直流电动机。关键词：无刷直流电动机，单

2、片机，霍尔位置传感器，辨相电路，逆变电路。Brushless DC motor control system designAbstractBrushless DC motor(BLDCM)is a new type of motor that gets much popularityin the past few yearsIt combines the characteristics of AC motor and DC motoL，Therefore，it has excellent timing capability,high efficiency,simple configuratio

3、n，reliable operation，and Can be controlled and maintained easilyBLDCM has beenwidely using in various fieldsBrushless DC motor in a brush DC motor developed on the basis of. At this stage, although exchanges of all kinds of DC motors and motor drive in the application of the dominant, but brushless

4、DC motor is under common concern.This design of the brushless DC motor control system is based on ATS8952 microcontroller for control circuit, SCM collection and comparison-level electrical signal Hall feedback, software programming through brushless DC motor control .Key words： bldcm;the single chi

5、p processor;hall position sensor;Phase circuit judge;Inverter circuits.IIII目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 无刷直流电动机的发展概况1无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较21.3 无刷直流电动机的结构及基本工作原理21.4 无刷直流电动机的运行特性61.4.1 机械特性61.4.2 调节特性71.5 无刷直流电动机的应用与研究动向8第2章 无刷直流电动机控制系统设计方案10系统设计要求102.2 无刷直流电动机系统的组成10系统设计方案论证12转速测量方案论证12电机驱动方案论证12键盘输

6、入方案论证13显示方案论证132.3.5 PWM调速工作方式132.3.6 PWM软件实现方案论证14直流电动机转速检测方案论证14系统原理框图设计14第3章 系统硬件分析与设计16单片机的介绍16显示电路的设计20显示电路的分析20显示电路硬件原理21键盘电路的设计22键盘电路的分析22键盘电路硬件原理23逆变主电路设计243.4.1 功率开关主电路24逆变电路驱动设计25辨相电路模块26霍尔位置传感器模块27第4章 软件程序设计29系统初始化程序模块29键盘模块314.3 显示模块334.4 转速调节程序设计34结束语36参考文献37致 谢38毕业设计（论文）知识产权声明39毕业设计（论文

7、）独创性声明40附录A 无刷直流电机调速控制系统电路原理图41附录B 程序清单42附录C PCB电路版图55附录D 外文翻译56绪论第1章 绪论无刷直流电动机的发展概况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，这一渊源关系从其名称中就可以看出来。有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来，以其优良的转矩控制特性，在相当长的一段时间内一直在运动控制领域占据主导地位。但是，有机械接触电刷-换向器一直是电流电机的一个致命弱点，它降低了系统的可靠性，限制了其在很多场合中的使用。为了取代有刷直流电动机的机械换向装置，人们进行了长期的探索。早在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流

8、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。无刷直流电动机的发展在很大程度上取决于电力电子技术的进步，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

9、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，无刷直流电动机系统因而得到了迅速的发展。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，这业标志着无刷直流电动机走向实用阶段。随着人们对无刷直流电动机特性了解的日益深入，无刷直流电动机的理论也逐渐得到了完善。1986年，H.R.Bolton对无刷直流电动机作了全面系统的总结，指出了无刷直流电动机的研究领域，成为无刷直流电动机的经典文献，标志着无刷直流电动机在理论上走

10、向成熟。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。9西安工业大学毕业设计（论文）无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较表1.1 无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较项目无刷直流电动机有刷直流电动机换向借助转自子位置传感器实现电子换向由电刷和换向器进行机械换向维护由于没有电刷和换向器，很少需要维护需要周期性维护寿命比较长比较短机

11、械（速度/力矩）特性平（硬）在负载条件下能在所有速度上运行中等平（中等硬）。在较高速度上运行时，电刷摩擦增加，有用力矩减小效率由于没有电刷压降，所以效率高中等输出功率/外形尺寸之比高由于电枢绕组设置在与机壳相连的定子上，容易散热。这种优异的热传导特性允许减小电动机的尺寸，所以输出功率/外形尺寸之比高中等/低。电枢产生的热量消散在气隙内，这样增加了气隙温度，从而限制了输出功率/外形尺寸之比转自惯量低。因为永磁体设置在转子上，改善了动态响应转自惯量高，限制了动态特性速度范围比较高。没有电刷/换向器给予的机械限制比较低，存在电刷给予的机械限制电气噪声低电刷的电弧将对附近的设备产生电磁干扰制造价格比较

12、高低控制复杂和价格贵简单和价格不贵控制要求为了使电动机运转必须要有控制器，但同样的控制器可用于变速控制对于一个固定的速度而言，不需要控制器；有变速要求的时候才需要控制器无刷直流电动机的结构及基本工作原理1无刷直流电动机转矩分析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。 图1.1 无刷直流电动机工作原理示意图如图1.1所示，当转子旋转（顺时针）到图a所示的位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使T1、T6 导通，即A、B

13、两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经T1流入A相绕组，再从B相绕组流出，经T6回到电源的负极，此时定转子磁场相互作用，使电机的转子顺时针转动。当转子在空间转过60电角度，到达图b所示位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使T1、T2导通，A、C两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经T1流入A相绕组，再从C相绕组流出，经T2回到电源负极。此时定转子磁场相互作用，使电机的转子继续顺时针转动。转子在空间每转过60电角度，逆变器开关就发生一次切换，功率开关管的导通逻辑为T1、T6T1、T2T3、T2T3、T4T5、T4T5、T6T1、T6。在次期间，转子始终受到顺时针方向的

14、电磁转矩作用，沿顺时针方向连续旋转。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相导通星型三相六状态，这是无刷直流电动机最常用的一种工作方式。2无刷直流电动机与输出开关管换流信号 无刷直流电动机的位置一般采用三个在空间上相隔120电角度的霍尔位置传感器进行检测，当位于霍尔传感器位置处的磁场极性发生变化时，传感器的输出电平将发生改变，由于三个霍尔传感器位检测元件的位置在空间上各差120电角度，因此从这三个检测元件输出端可以获得三个在

15、时间上互差120度、宽度为180度的电平信号，分别用A、B、C来表示，如图1.2所示，以信号A为例，A相位置宽度为180电导角：在0-60度，T1必须导通，故T1状态为1，而C相还剩下60度通电宽度，所以此段时间为T1和T6等于1，（此时下部可供导通的管子为T4、 T6和T2，而为避免桥臂直通，T4不能导通；T2的导通时间未到，故只能是T6导通）；而在60度120度，此时只有A相通电，B和C相处于非导电期，故导通的开关管为T1和T2（T1和T2等于1），其中T2是为B相导电作准备；而在120度180度时，由于 每一相只有120电导角导电时间，故此时T1关断（T1=0），T2仍然导通（B相开始进

16、入导电期），此时可知，T1关断，T5不能开通（防止桥臂直通），则此时只能开通T3，所以T3信号此时间段为1。其他时间段的开关管导通情况与此类似。理论上，只要保证三个位置传感器在空间上互差120度，开关管的换流时刻总是可以推算出来的。然而，为了简化控制电路，每个霍尔传感器的起始安装位置在各自相绕组的基准点（r0=000=00的控制条件下，A相绕组开始通电的时刻（即该相反电势相位30度位置）恰好与A相位置传感器输出信号A的电平跳变时刻重合，此时应将T1开关管驱动导通。同理，其他开关管的导通时刻也可以按同样方法确定。 图1.2 无刷电动机位置检测及开关管驱动信号表1.2 无刷电动机直流通电控制方式开

17、关切换表旋转方向位置传感器逆变桥开关管驱动信号ABCT1T2T3T4T5T6正转001000011010001100011000110100110000101100001110011000反转0010110000101000010111100001000001101010011001100000111.4 无刷直流电动机的运行特性机械特性无刷直流电动机的机械特性为： （1.1）UT-开关器件的管压降Ia-电枢电流Ce-电机的电动势常数-每级磁通量可见无刷直流电动机的机械特性与一般直流电动机的机械特性表达式相同，机械特性较硬。在不同的供电电压驱动下，可以得到如1.3图所示机械特性曲线簇。图1.3

18、 机械特性曲线簇当转矩较大、转速较低时，流过开关管和电枢绕组的电流很大，这时，管压降随着电流增大而增加较快，使在电枢绕组上的电压有所减小，因而图所示的机械特性曲线会偏离直线，向下弯曲。调节特性无刷直流电动机的调节特性如图1.4所示。图1.4 调节特性调节特性的始动电压和斜率分别为： （1.2） （1.3）从机械特性和调节特性可以看出，无刷直流电动机与一般直流电动机一样，具有良好的调速控制性能，可以通过调节电源电压实现无级调速。但不能通过调节励磁调速，因为永磁体的励磁磁场不可调。无刷直流电动机的应用与研究动向现阶段，虽然各种交流电动机和直流电动机在传动应用中占主导地位，但无刷直流电动机正受到普遍

19、的关注。自20世纪90年代以来，随着人们生活水平的提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都越来越趋向于高效率化、小型化及高智能化，作为执行元件的重要组成部分，电机必须具有精度高、速度快、效率高等特点，无刷直流电机的应用也因此而迅速增长。尤其在节能已成为时代主题的今天，无刷直流电机高效率的特点更显示了其巨大的应用价值。无刷直流电机转子采用永久磁铁，其产生的气隙磁通保持为常值，因而特别适用于恒转矩运行；对于恒功率运行，无刷直流电机虽然不能直接改变磁通实现弱磁控制，但通过控制方法的改进也可以获得弱磁控制的效果。由于稀土永磁材料的矫顽力高、剩磁大，可产生很大的气隙磁通，这样可以

20、大大缩小转子半径，减小转子的转动惯量，因而在要求有良好的静态特性和高动态响应的伺服驱动系统中，如数控机床、机器人等应用中，无刷直流电机比交流伺服电机和直流伺服电机显示了更多的优越性。目前无刷直流电机的应用范围已遍及国民经济的各个领域，并日趋广泛，特别是在家用电器、电动汽车、航空航天等领域已得到大量应用。目前，无刷直流电机的研究主要集中在以下方面：（1）无机械式转子位置传感器控制。转子位置传感器是整个驱动系统中最为脆弱的部件，不仅增加了系统的成本和复杂性，而且降低系统的可靠性和抗干扰能力，同时还需要占据一定的空间位置。在很多应用场合，例如空调器和计算机外设都要求无刷直流电动机以无转子位置传感器方

21、式运行。无转子位置传感器运行实际上就是要求在不采用机械传感器的条件下，利用电机的电压和电流信息获得转子磁极的位置.目前比较成熟的无转子位置传感器运行方式有：1 反电动势法包括直接反电动势法、间接反电动势法以及派生出来的反电动势积分法等。2 定子三次谐波检测法。3 续流二极管电流通路检测法。但现有方法都存在各自的局限性，仍在不断完善之中。（1）转矩脉动控制。存在转矩脉动是无刷直流电动机的固有缺点，特别是随着转速升高，换相导致转矩脉动加剧，并使平均转矩显著下降。减小转矩脉动是提高无刷直流电动机性能的重要方面。（2）智能控制。随着信息技术和控制理论的发展，在运动控制领域中，一个新的发展方向就是先进控

22、制理论，尤其是智能控制理论的应用。目前，专家系统、模糊逻辑控制和神经网络控制是三个最主要的理论和方法。其中，模糊控制是把一些具有模糊性的成熟经验和规则有机地融入到传动控制策略当中，现已成功地应用到许多方面。随着无刷直流电动机应用范围的扩大，智能控制技术将受到更广泛的重视。无刷直流电动机控制系统设计方案第2章 无刷直流电动机控制系统设计方案本设计以AT89C52单片机为核心，以4*4矩阵键盘作为输入达到控制直流电机的启动、停止、加速和减速，本系统主要完成的功能是： (1) 启动该系统后可以显示实时转速值和给定转速值； (2) 可以通过键盘输入给定转速 (3) 可以通过调节电位器实现平滑调速； (

23、4) 可以实现限流保护。当流过电动机的电流大于某个值时，电动机的转速降为0。2.2 无刷直流电动机系统的组成无刷直流电动机(Brushless DC Motor,简称BLDCM)是一种典型的机电一体化产品,它是由电动机本体、位置检测器、逆变器和控制器组成的自同步电动机系统或自控式变频同步电动机.位置检测器检测转子磁极的位置信号,控制器对转子位置信号进行逻辑处理并产生相应的开关信号,开关信号以一定的顺序触发逆变器中的功率开关器件,将电源功率以一定的逻辑关系分配给电动机定子各相绕组,使电动机产生持续不断的转矩.现对无刷直流电动机各部分的基本结构说明如下。1电机本体无刷直流电动机最初的设计思想来自普

24、通的有刷直流电动机，不同的是将直流电动机的定子、转子位置进行了互换，其转子为永磁结构，产生气隙磁通；定子为电枢，有多相对称绕组。原直流电动机的电刷和机械换向器被逆变器和转子位置检测器所代替。所以无刷直流电动机的电机本体实际上是一种永磁同步电机。由于无刷直流电动机的电机本体为永磁电机，所以无刷直流电动机也称为永磁无刷直流电动机。定子的结构与普通同步电动机或感应电动机相同，铁心中嵌有多相对称绕组。10西安工业大学毕业设计(论文)绕组可以接成星形或三角形，并分别与逆变器中的各开关管相连，三相无刷直流电动机最为常见。69西安工业大学毕业设计（论文）2逆变器西安工业大学毕业设计（论文） 目前，无刷直流电

25、动机的逆变器主开关一般采用IGBT或功率MOSFET等全控型器件，有些主电路已有集成的功率模块（PIC）和智能功率模块（IPM），选用这些模块可以提高系统的可靠性。无刷直流电动机定子绕组的相数可以有不同的选择，绕组的连接方式也有星形和角型之分，而逆变器又有半桥型和全桥型两种。不同的组合使电动机产生不同的性能和成本。综合以下三个指标有助于我们做出正确的选择：（1）绕组利用率。与普通直流电动机不同，无刷直流电动机的绕组是断续通电的。适当地提高绕组利用率将可以使同时通电的导体数增加，使电阻下降，效率提高。从这个角度来看，三相绕组优于四相和五相绕组。（2）转矩脉动。无刷直流电动机的输出转矩脉动比普通直

26、流电动机的转矩脉动大。一般相数越多，转矩的脉动越小；采用桥式主电路比采用非桥式主电路的转矩脉动小。（3）电路成本。相数越多，逆变器电路使用的开关管越多，成本越高。桥式主电路所用的开关管比半桥式多一倍，成本要高；多相电动机的逆变器结构复杂，成本也高。因此，目前以星形连接三相桥式主电路应用最多。3位置检测器位置检测器的作用是检测转子磁极相对与定子绕组的位置信号，为逆变器提供正确的换相信息。位置检测包括有位置传感器和无位置传感器检测两种方式。转子位置传感器也由定子和转子两部分组成，其转子与电机本体同轴，以跟踪电机本体转子磁极的位置；其定子固定在电机本体定子或端盖上，以检测和输出转子位置信号。转子位置

27、传感器的种类包括磁敏式、电磁式、光电式、接近开关式、正余弦旋转变压器式以及编码器等。在无刷直流电动机系统中安装机械式位置传感器解决了电机转子位置的检测问题。但是位置传感器的存在增加了系统的成本和体积，降低了系统可靠性，限制了无刷直流电动机的应用范围，对电机的制造工艺也带来了不利的影响。因此，国内外对无刷直流电动机的无位置运行方式给予高度重视。无机械式位置传感器转子位置检测是通过检测和计算与转子位置有关的物理量间接地获得转子位置信息，主要有反电动势检测法、续流二极管工作状态检测法、定子三次谐波检测法和瞬时电压方程法等。4控制器控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要

28、完成以下功能：（1）对转子位置检测器输出的信号进行逻辑综合，为驱动电路提供各开关管的斩波信号和选通信号，实现电机的正反转及停车控制。（2）产生调制信号，使电机的电压随给定速度信号而自动变化，实现电机开环调速。（3）对电动机进行速度闭环调节和电流闭环调节，使系统具有较好的动态和静态性能。（4）实现短路、过流、过电压和欠电压等故障保护电路。根据设计任务，要求调速采用PID控制器，因此需要设计一个闭环直流电机控制系统。该系统采用脉宽调速，使电机速度等于设定值，并且实时显示电机的转速值。通过对设计功能分解，设计方案论证可以分为：速度测量方案论证，电机驱动方案论证，键盘显示方案论证，PWM软件实现方案论

29、证等等。方案一：采用记数的方法。具体是通过单片机单位时间S（秒）内的脉冲数N，每分钟的转速：M=N/S60。方案二：采用定时的方法。是通过定时器记录脉冲的周期T，这样每分钟的转速：M=60/T。本设计采用方案一。方案一：采用专用小型直流电机驱动芯片。这个方案的优点是驱动电路简单，几乎不添加其它外围元件就可以实现稳定的控制，使得驱动电路功耗相对较小，而且目前市场上此类芯片种类齐全，价格也比较便宜。方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对电动机的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单、在触点上允许流过较大的电流，缺点是继电器的响应时间慢，无法实现直流电动机正反转的快速切换、

30、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。所以继电器不适合应用在要求快速动作的场合。方案三：采用由晶体管组成的PWM电路。用单片机控制晶体管或达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；所以是一种广泛采用的PWM调速技术。兼于方案三调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，因此本设计采用方案三。方案一：采用独立式键盘，其特点是：一键一线，即每个按键单独占用一条检测线，并与主机相连。当某一按键被按下时，对应的检测线就变成了低电平，而与他按键相连的检测线

31、仍然为高电平，从而很容易识别出哪个按键被按下。这种连接方式的优点是：键盘结构简单，各条测试线相互独立，容易识别被按下的键，软件结构简单，适用于少量使用键盘的场合。缺点是：如果键盘数量较多，将占用较多的检测线，所以不适用于组成大型键盘。方案二：采用矩阵式键盘，其特点是：一组定为行线，另一组定为列线，在行线和列线的交叉点上放置按键。每个按键都通过不同的行线和列线与单片机相连。44矩阵键盘共使用16个按键，但只需要8条测试线。不难看出，mn矩阵键盘与单片机之间的测试线共需要m+n条，显然，键盘的规模越大，矩阵式键盘的优点越显著。当需要的按键大于8时，一般都采用矩阵式键盘。由于本系统所需的按键数目较多

32、，因此，本设计系统采用方案二。通过查阅资料设想了两种方案为本系统的显示模块。方案一：LCD显示，LCD是一种被动式显示器，由于他的功耗低，抗干扰能力强因而在低功耗的单片机系统中大量使用。LCD不发光他只调节光的亮度。液晶显示器的驱动方式由电极引线的选择方式确定。因此在选择好液晶显示器后用户无法更改其驱动方式。方案二：数码管是一类显示屏通过对其不同的管脚输入相对的电流会使其发亮从而显示出数字，它可以显示时间、日期、温度等所有可以用数字代替的参数。由于它的价格便宜、使用简单，在电器特别是家电领域应用极为广泛。 在本设计中，屏幕需要显示的信息较少，采用LED数码管完全可以满足要求。2.3.5 PWM

33、调速工作方式方案一：双极性工作制。双极性工作制是在一个脉冲周期内，单片机两个控制口各输出一个控制信号，两信号高低电平相反，两信号的高电平时差决定电动机的转向和转速。方案二：单极性工作制。单极性工作制是单片机控制口一端口置低电平，另一端输出PWM信号，两口的输出切换和对PWM的占空比调节决定电动机的转向和转速。本设计系统采用了方案一。2.3.6 PWM软件实现方案论证脉宽调制的方式有三种：定频调宽、定宽调频和调宽调频。本设计采用了定频调宽方式，采用这种方式的优点是电动机在运转时比较稳定，并且在采用单片机产生PWM脉冲的软件实现上比较方便。对于实现方式则有两种方案。方案一：采用定时/计数器方式获得

34、PWM信号。常用的有两种：一种是定时/计数器的定时时间固定，这种方法类似于利用软件延时做基准时间：另一种方法是定时/计数器的定时时间按照高低电平的要求变化。方案二：采用软件延时方式获得PWM信号。以P1.0输出PWM信号为例，在软件中设计一个基准的软件延时程序，通过反复调用这个延时程序，从而获得不同的时间长度。本设计采用方案一。在应用直流电动机作为执行部件时，如果要很好的控制直流电动机，首先要知道直流电动机的转速。对于转速的检测方法有很多种。方案一：采用霍尔传感器。霍尔传感器是应用电磁感应的方式进行检测，由于其安装结构的限制，这种传感器检测的精度很低，所以常常用在高转速并且对精度要求不高的场合

35、。方案二：采用光电传感器。光电传感器又称光电开关，由于光电传感器属于非接触式检测器件，对检测器件不会造成损伤。方案三：采用光电编码器。光电编码器的检测精度非常高，通常旋转一圈可输出几百至几千个脉冲，适用于转速较低的场合。由于光电编码器的检测精度最高，本设计选择方案一。通过位置传感器的对电机的位置进行检测，将其位置信号传入微控制器，微控制器对其信号进行逻辑出来，产生相应的脉冲驱动信号，经功率驱动单元放大，放大控制信号对逆变电路进控制，通过电力全控晶体管的开通达到将交流电流转变为直流电流的工作。其电机速度的调节依靠改变单片机输出的PWM脉冲信号的占空比来调节,如图所示 系统原理框图系统硬件分析与设

36、计第3章 系统硬件分析与设计如图 3.1 是本设计选用的主控芯片AT89S52单片机的外部引脚结构图。 图3.1 AT89S52的外部引脚结图下面简要介绍其主要性能。主要性能：l 与MCS-51单片机产品兼容l 8K字节在系统可编程Flash存储器l 1000次擦写周期l 全静态操作：0Hz33Hzl 三级加密程序存储器l 32个可编程I/O口线l 三个16位定时器/计数器西安工业大学毕业设计（论文）l 八个中断l 全双工UART串行通l 低功耗空闲和掉电模式l 掉电后中断可唤醒l 看门狗定时器l 双数据指针l 掉电标识符下面对其功能进行简要描述。功能特性描述： AT89S52是一种低功耗、高

37、性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52具有以下标准功能：8k字节Flash，256字节RAM，32 位I/O口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89S52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种

38、软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。对各个引脚及外部接口做以下说明：VCC：电源GND：地P0口：P0口是一个8位漏极开路的双向I/O口。作为输出口，每位能驱动8个TTL逻辑电平。对P0端口写“1”时，引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时，P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下，P0具有内部上拉电阻。在flash编程时，P0口也用来接收指令字节；在程序校验时，输出指令字节。程序校验时，需要外部上拉电阻。P1口：P1口

39、是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，p1输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平。对P1端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。此外，和分别作定时器/计数器2的外部计数输入（）和时器/计数器2的触发输入（），具体如表3.2所示。在flash编程和校验时，P1口接收低8位地址字节。表3.2 P1口的第二功能引脚号第二功能T2 （定时器/计数器T2的外部计数输入），时钟输出T2EX （定时器/计数器T2的捕捉/重载触发信号和方向控制）MOSI （在系统编程用）MISO （在系统编程用）SCK （在系

40、统编程用） P2口：P2口是一个具有内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器（例如执行MOVX DPTR）时，P2 口送出高八位地址。在这种应用中，P2口使用很强的内部上拉发送1。在使用8位地址（如MOVX RI）访问外部数据存储器时，P2口输出P2锁存器的内容。在flash编程和校验时，P2口也接收高8位地址字节和一些控制信号。P3口：P3口是一个具有内部上拉电阻

41、的8位双向I/O口，P3输出缓冲器能驱动4个TTL 逻辑电平。对P3端口写“1”时，内部上拉电阻把端口拉高，此时可以作为输入口使用。作为输入使用时，被外部拉低的引脚由于内部电阻的原因，将输出电流（IIL）。P3口亦作为AT89S52特殊功能（第二功能）使用，如表 3.3所示。在flash编程和校验时，P3口也接收一些控制信号。表 3.3 P3口的第二功能引脚号 第二功能RXD （串行输入）TXD （串行输出） （外部中断0） （外部中断1）T0 （定时器0外部输入）T1 （定时器1外部输入） （外部数据存储器写选通） （外部数据存储器度选通） RST: 复位输入。晶振工作时，RST脚持续2个机

42、器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完成后，RST脚输出96个晶振周期的高电平。特殊寄存器AUXR（地址8EH）上的DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下，复位高电平有效。本系统主控芯片AT89S52的复位电路如图3.4所示。图3.4 AT89S52的复位电路ALE/PROG：地址锁存控制信号（ALE）是访问外部程序存储器时，锁存低8位地址的输出脉冲。在flash编程时，此引脚（PROG）也用作编程输入脉冲。在一般情况下，ALE以晶振六分之一的固定频率输出脉冲，可用来作为外部定时器或时钟使用。然而，特别强调，在每次访问外部数据存储器时，ALE脉冲将会跳过。如果需要，通过将地址

43、为8EH的SFR的第0位置 “1”，ALE操作将无效。这一位置 “1”，ALE 仅在执行MOVX 或MOVC指令时有效。否则，ALE 将被微弱拉高。这个ALE 使能标志位（地址为8EH的SFR的第0位）的设置对微控制器处于外部执行模式下无效。在此系统中ALE/悬空默认为高电平。PSEN: PSEN是外部程序存储器选通信号。当AT89S52从外部程序存储器执行外部代码时，PSEN在每个机器周期被激活两次，而在访问外部数据存储器时，PSEN将不被激活。EA/VPP: 访问外部程序存储器控制信号。为使能从0000H到FFFFH的外部程序存储器读取指令，EA必须接GND。为了执行内部程序指令，EA应该

44、接VCC。在flash编程期间，EA也接收12伏的VPP电压。XTAL1: 振荡器反相放大器和内部时钟发生电路的输入端。XTAL2: 振荡器反相放大器的输出端。本设计系统的晶振电路如图3.5所示。图3.5 AT89S52的晶振电路显示电路的分析LED数码管实际上是由7个发光二级管组成“8”字形构成的，加上小数点就是8个。这些段分别由字母a，b,c,d,e,f,g,dp来表示。通过不同的组合可用来显示数字09、字符AF、H、L、P、U等。根据LED显示的硬件设计方法的不同，LED显示驱动分为静态显示和动态显示俩种方法。所谓静态显示驱动法，是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O端口进行驱

45、动，或者使用如BCD码二-十进制译码器译码进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O端口多，如驱动5个数码管静态显示则需要5840根I/O端口来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O端口才32个），实际应用时必须增加译码驱动器进行驱动，增加了硬件电路的复杂性。所谓动态显示，是指无论在任何时刻只有一个数码管处于显示状态每个数码管轮流显示。当数码管处于动态显示时，所有位选线分离，而每个数码管的各条段选线相连。当需要显示数字或字符时，需要将所有数码管轮流点亮这时对每个数码管的点亮周期有一个较严格的要求：由于发光体从通入电流开始点亮到完全发光需要一定的时间，叫做响应周期，这

46、个时间对于不同的发光材质是不同的，通常情况下为几百微妙，所以数码管的刷新周期（所有数码管被轮流点亮一次的时间）不要过短，这也与数码管的数量有关，一般的数码管的刷新周期应控制在510ms，即刷新率为200100Hz，这样既保证了数码管每一次刷新都被完全点亮，同时又不会产生闪烁现象。进行动态显示时，在向各位LED传送显示码之前，必须先暂时关闭LED，然后再传送显示码，否则容易造成视觉干扰。动态显示的优点是硬件电路简单（数码管越多，这个优势越明显），由于每个时刻只有一个数码管被点亮，所以所有数码管消耗的电流较少；缺点是数码管亮度不如静态显示时的亮度高。8段LED的字型码如表3.6所示。表3.6 8段

47、LED的字型码显示字符共阴极字型码共阳极字型码03FHC0H106HF9H25BHA4H34FHB0H466H99H56DH92H67DH82H707HF8H87FH80H96FH90HA77H88HB7CH83HC39HC6HD5EHA1HE79H86HF71H8EH硬件原理速度显示模块有驱动电路和LED显示器组成。驱动芯片分别用到74LS244八路驱动芯片和74LS06六路驱动芯片。其中74LS244用于对LED显示器的八位段码管的驱动；74LS06用于对每个LED显示器的VCC电源接线端的驱动，控制每个晶体管的工作状态是“工作”还是“非工作”状态，即“位控制”。 单片机的P0口“位控制”

48、。 显示电路硬件原理图键盘电路的分析在人机交互功能中，起到“手”的作用的是键盘，键盘是现代单片机系统中不可缺少的组成部分，应用键盘主要完成用户指令的输入、功能的切换等。随着电子技术的不断发展，键盘的种类也比较多，有按键式、感应式、触摸式等，最常用的是按键式键盘，因为它有硬件结构简单、功能容易实现、软件调试方便等优点。键盘的任务大体可分为三项：1）识键：判断是否有键按下。若有，进入下一步工作。 2）译键：识别出哪一个按键被按下并求出相应的键值。 3）键值分析：根据键值，找到相应的处理程序入口并执行。 根据本系统的需要，采用了按键式键盘中的矩阵式键盘,并采用了查询工作方式来检测键盘上有无键按下，采

49、用行扫描法实现对按键的识别。 矩阵式键盘工作原理：在键盘中按键数量较多时，为了减少I/O口的占用，通常将按键排列成矩阵形式，在矩阵式键盘中，每条水平线和垂直线在交叉处不直接连通，而是通过一个按键加以连接。这样，一个端口（如P1口）就可以构成44=16个按键，比之直接将端口线用于键盘多出了一倍，而且线数越多，区别越明显，比如再多加一条线就可以构成20键的键盘，而直接用端口线则只能多出一键。由此可见，在需要的键数比较多时，采用矩阵法来做键盘是合理的。矩阵式键盘的输入原理：矩阵式结构的键盘显然比直接法要复杂一些，识别也要复杂一些，在图3.中，列线通过电阻接正电源，并将行线所接的单片机的I/O口作为输

50、出端，而列线所接的I/O口则作为输入。当按键没有按下时，所有的输出端都是高电平，代表无键按下。行线输出是低电平，一旦有键按下时，则输入线就会被拉低，这样，通过读入输入线的状态就可得知是否有键按下了。其可分为以下三步：CPU先通过输出口使所有行线输出为低电平，然后从输入口读入所有列线的状态。若列线状态都为高电平，则说明没有键被按下，若列线中有低电平，则表明有键被按下。判断按键位置。CPU通过输出口使行线从低位至高位逐位变低电平输出，每次均读入列线的状态，以确定那条行线为“0”状态。由行、列线的状态就可以判断是哪一个键被按下（行、列交叉处）。当判断出哪个键压下后，程序转入相应的键处理程序。本系统采

51、用4*4矩阵式键盘。共16键位。S1S10分别对应数字键09; S16对应“启动和关闭按键”，按一下启动键盘，再按一下禁止输入。S11对应“删除键”。对当前输入有误的数值进行修改。S12“确定键”，在输入当前值完毕的情况下，按此键表示运行当前输入的数值速度。S12键是系统启动键。S13键是系统停止键。S14键是电动机加速键。S15键是电动机减速键。键盘的信号通过单片机上的P3口传给单片机。单片机通过中断或者查询方式来判断键盘IO是否有数据传输。单片机通过运行键盘扫描法的的程序对菌体键位进行识别。键盘电路硬件原理图功率开关主电路无刷电机的连续运行，定子绕组所产生的的磁场和装洞中转子磁钢产生的永磁

52、场，在空间始终保持在（/2）rad左右的电角度，因此定子绕组需要加三相电源，此电源可通过下图的逆变电路产生。Q1、Q2、Q6为六只MOSFET功率管，起绕组的开关作用,高电平是导通，其控制信号靠单片机的P3.0-P3.5拐角发出的信号控制。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导通120电角度。各功率管的导通顺序是Q1Q2、Q2Q3、Q3Q4、Q4Q5、Q5Q6、Q6Q1 逆变主电路图逆变电路驱动设计其中驱动部分采用芯片IR2130对逆变电路进行驱动。IR2130 芯片IR2130拐角图IR2130 是国际整流器公司最新推出的高压集成驱动器, 可作

53、为交直流调速、UPS电源、电子镇流器以及永磁无刷电机调速电路中主功率元件的驱动电路。IR2130 可直接驱动中小容量的功率场效应管(MOSFET )、绝缘栅晶体管(IGB T ) 和场效应控制晶闸管(MCT ) 等。IR2130 具有六路输入信号和六路输出信号, 其中六路输出信号中的三路具有电平转换功能, 因而它既能驱动桥式电路中低压侧的功率器件, 又能驱动高压侧的功率元件。也就是说,该驱动器可共地运行,且只需一路控制电源, 而常规的驱动系统通常包括光电隔离器件或者脉冲变压器, 同时还必须向驱动电路提供相应的隔离电源IR2130 引脚功能:VCC 为输入电源, HIN1、HIN2、HIN3、L

54、 IN1、L IN2、L IN3 为输入端,FALU T 为故障输出端, ITRIP 为电流比较器输入端, CAO 为电流放大器输出端, CA -为电流放大器反向输入端,VSS为电源地,VSD为驱动地, L 01 , L 02 , L 03 为三路低侧输出,VB1 、VB2 、VB3为三路高侧电源端, HO1、VS1 ,HO2、VS2、HO3、VS3 为三路高侧输出端。IR2130芯片的特点1）可直接驱动600V 高压系统;2）具有电流放大和过电流保护功能;3）自动产生成上、下侧驱动所必需的死区时间(2s ) ;4）具有欠压锁定功能并能指示欠压和过电流状态;5）输入端具有噪声抑制功能。3.5辨

55、相电路模块分辨三相电源相序在电气设备中是一项十分重要的工作. 在风机系统、电力调速、电网并网运行、电焊设备及军用电源等场合中常常用到. 市场上许多传统产品的鉴相装置为体积大、成本高、工作不灵敏、不易推广的鉴相电路. 如电磁继电器式分辨电路, 其电路复杂、可靠性差;使用自耦变压器分辨电路, 自然体积大、成本高. 也有使用单片机系统来控制. 这在技术上太浪费, 且不易维护、推广为了让单片机辨别电动机的正传还是反转，此处用到了辨相电路来辨别电动机的运行方向。其电路原理图本设计相连接，矢量处于正半周期时，矢量才能导通，由于在矢量的正半周期矢量在两个对称晶体管Q9.Q10中的导通时间不一样，导致两电容c

56、9,c10充电后之间存在电压差，电压差通过有源放大器作用产生相应信号传给单片机判别电机的运行方向。矢量滞后矢量时xy处为低电位。超前时xy处为高电位。所以可以根据xy处的高低电平判断电机的转向问题。本设计中xy处的信号与单片机P2.6相连接。 逆变电路原理图转子位置传感器是永磁无刷直流电机的关键部件。它对电机转子位置进行检测，其输出信号经过逻辑变换后去控制开关管的通断，使电机定子各相绕组按顺序导通，保证电机连续工作。转子位置传感器也由定、转子组成，其转子与电机本体同轴，以跟踪电机转子的位置；其定子固定于电机本体定子或端盖上，以感应和输出转子位置信号霍尔元件式位置传感器是磁敏式位置传感器的一种。

57、它是一种半导体器件，是利用霍尔效应制成的。当霍尔元件按要求通以电流并置于外磁场中，即输出霍尔电势信号，当其不受外磁场作用时，其输出端无信号。用霍尔元件作转子位置传感器通常有两种方式。第一种方式是将霍尔元件粘贴于电机端盖内表面，靠近霍尔元件并与之有一小间隙处，安装在与电机轴同轴的永磁体对于两相导通星形三相六状态无刷直流电机，三个霍尔元件在空间彼此相隔120电角度，永磁体的极弧宽度为180电角度。这样，当电机转子旋转时，三个霍尔元件便交替输出三个宽度为180电角、相位互差120电角的矩形波信号。第二种方式是直接将霍尔元件敷贴在定子电枢铁心气隙表面或绕组端部紧靠铁心处，利用电机转子上的永磁体主极作为

58、传感器的永磁体，根据霍尔元件的输出信号即可判断转子磁极位置，将信号放大处理后便可驱动逆变器工作。霍尔元件式位置传感器结构简单、体积小、价格低、可靠，但对工作温度有一定要求，同时霍尔元件应靠近传感器的永磁体，否则输出信号电平太低，不能正常工作。因此，在对性能和环境要求不是很高的永磁无刷直流电机应用场合大量使用霍尔元件式位置传感器。 霍尔传感电路接线图 当霍尔传感器用作无刷直流电机转子位置信息检测装置时，将其安放在电机定子的适当位置，霍尔器件的输出与控制部分相连。当无刷直流电机的永磁转子经过霍尔器件附近时，永磁转子的磁场令霍尔器件输出一个电压信号，该信号被送到控制部分，由控制部分发出信号使得定子绕

59、组供电电路导通，给相应的定子绕组供电，从而产生和转子磁场极性相同的磁场，推斥转子继续转动。当转子到下一位置时，前一位置的霍尔器件停止工作，下一位置的霍尔器件输出电压信号，控制部分使得对应定子绕组通电，产生推斥场使转子继续转动，如此循环，维持电机运转软件设计程序第4章 软件程序设计在现实生活中，一个实际的电动机系统是由硬件电路和软件电路两个部分组成的，二者是缺一不可的。软件设计既是软件程序的设计，所谓软件程序是根据设计者的要求编写出来的一系列指令，它是存放在单片机内部的，当单片机接通电源开始工作时，单片机就会按照要求逐条的执行指令，完成设计者需要完成的功能。软件程序通常是在PC机上通过专用的软件

60、进行编写，然后利用专门的工具将程序放到单片机内。在本次设计中是在KeilC51软件开发环境下进行的编程，然后再将程序烧写到单片机中。Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发环境；集编辑、编译、仿真于一体，支持汇编、PLM 语言和C语言的程序设计提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows界面，界面友好，易学易用。而最新发布的Vision3开发环境工具和C51优化编译器，具有代码源概述、功能导航、模板编译和附加搜索等功能。在Vision3的仿真功能中，有两种仿真模式：软件仿真方式和目标板仿真方式。在软件仿真方式下，不需要任何单片

61、机硬件电路即可完成用户程序的仿真调试，极大的提高了用户程序的开发效率。在目标板仿真方式下，用户可以通过连接器，将程序下载到目标板上，利用单片机的串行通信接口与PC进行通信，实现用户程序的实时在线仿真。在编写程序的语言方面，通常有汇编语言和C语言，在本设计中我们采用C语言。因为它具有以下优点：(1) 不需要了解51单片机的指令系统，仅仅要求初步了解存储器结构。(2) 程序有规范的结构，可分为不同的函数，使程序结构化。(3) 程序可读性好。(4) 提供很多标准库函数，数据处理能力强。(5) 程序易于做到模块化，移植性好。 本系统的程序主要分为六大模块：系统初始化模块、键盘模块、显示模块、PWM波输出模块、转速调节模块、测速模块。分别编写好各模块之后进行总程序调试直到满足条件