基于无刷电机的调速

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1、常州工学院毕业设计论文 I 摘 要 这篇文章设计了以C8051F单片机、MC33035、MC33039和HD7279A显示芯片为 核心的无刷直流电机闭环调速控制系统。 MC33035是高性能第二代无刷直流电机专用集成控制器，可用来控制开环两 相、三相或四相无换向电机所需的全部有效功能。该器件由具有良好整流序列 的转子位置译码器、误差放大器、可提供传感器功率的温度补偿参考、频率可 设定的锯齿波振荡器、3个集电极开路顶端驱动输出和3个非常适用于驱动功率 场效应管(MOSFET)的大电流图腾柱式底部输出器构成。 MC33039是一款高性能的闭环速度控制芯片，专用于各种无刷直流电机控制 系统中。利用M

2、C33039无需专门的磁性或光学转速计就能完成精确地速度控制。 HD7279A是一片真正的单片LED数码管显示和键盘接口芯片，无需外围电路， 只需要外接少量的电阻等即可构成完善的显示、键盘接口电路。 关键词 无刷直流电机；C8051F单片机；MC33035；MC33039；HD7279A 常州工学院毕业设计论文 II Abstract This paper designed a closed loop velocity adjustment control system of brushless DC motor based on C8051F, MC 33035、MC33039 and HD

3、7279A. The MC33035 is a high performance second generation monolithic brushless DC motor controller containing all of the active functions required to implement a full featured open loop, three or four phase motor control system. This device consists of a rotor position decoder. for proper commutati

4、on sequencing, temperature compensated reference capable of supplying sensor power, frequency programmable sawtooth oscillator, three open collector top drivers,and three high current totem pole bottom drivers ideally suited for driving power MOSFETs. The MC33039 is a high performance closedloop spe

5、ed control adapter specifically designed for use in brushless DC motor control systems. Implementation will allow precise speed regulation without the need for a magnetic or optical tachometer. HD7279A is a new LED and keyboard interface intelligent control chip,it can construct good display and key

6、board interface circuit using few resistances instead of outside circuit. KEY WORDS brushless DC motor；C8051F；singlechip；MC33035；MC33039；HD7279A 常州工学院毕业设计论文 III 目 录 摘 要 .I ABSTRACT.II 目 录 .III 第 1 章 绪论 .- 4 - 1.1 课题来源 .- 5 - 1.2智能排风系统的特点 .- 5 - 1.3智能排风系统发展现状及发展趋势 .- 5 - 1.3.1智能排风系统发展现状 .- 5 - 1.3.2智

7、能排风系统的发展趋势 .- 6 - 第 2 章智能排风系统中电机的控制原理 .- 7 - 2.1排风电机（直流无刷电机）的控制特性 .- 7 - 2.2排风电机（直流无刷电机）的控制结构 .- 7 - 2.3排风电机（直流无刷电机）的控制原理 - 8- 第 3 章智能排风系统设计方案论证 .- 9 - 3.1 方案简介 .- 9 - 3.1.1电机的选取及驱动发案 .- 7 - 3.1.2单片机的选取及按键显示方案 .- 9 - 3.2 系统方案论证 .- 10 - 第4章 基于C8051F330单片机直流无刷电机的智能排风控制系统 - 11 - 4.1 IR2110简介 .- 11 - 4.

8、2 单片机 330简介 .- 15 - 4.3 HD7279简介 .- 16 - 4.4 系统电路介绍 .- 24 - 4.4.1 电源电路 .- 24 - 4.4.2 8051F330D单片机控制电路 .- 24 - 4.4.3 键盘显示电路 .- 25 - 第 5 章 控制系统软件设计 .- 26 - 5.1 系统功能概述 .- 26 - 5.2 程序流程图 .- 26 - 5.3 程序清单 .- 28 - 5.4 软件程序调试与仿真 .- 33 - 结 论 .- 35 - 致 谢 .- 38 - 附 录 .- 39 - 常州工学院毕业设计论文 - 0 - 第 1 章 绪论 1.1 课题来

9、源 无刷直流电机上世纪50 年代由国外研发，我国60 年代开始研究并有产品 出现；因为控制器昂贵的价格，早先主要用于军事武器装备中。70 年代初，西 安微电机研究所就为低噪音摄影机研制生产过无刷直流电动机。早期的无刷电 机因电子元器件技术发展缓慢而进步不快，90 年代以后，随着计算机技术、集 成电路控制技术、电机控制理论的进步，而且无刷电机的技术特征也逐渐为用 户所认识，因此发展速度极快，目前已成为微特电机中最具发展前途的机种。 无刷直流电机实际上是定、转子倒置的同步电动机，因此既具有交流电动机的 结构简单、运行可靠和免维护的特点，又具备直流电动机运行效率、调速性能 好等优点，故在国民经济各个

10、领域，如家用电器、工业控制、仪表仪器等方面 的应用日益普及。目前，计算机软、硬磁盘驱动的主轴电机和风扇电机，录像 机中的伺服电机，电动自行车中的驱动电机，均数以千、百万计地使用无刷直 流电动机。 由于通过电刷和换向器的配合作用实现换向的直流电机具有调速范围宽广、 线性机械特性、控制电路简单、起动转矩大、效率较高等优点，因此在诸多领 域中得到了广泛的应用；但它的电刷和换向器存在着可靠性较低、使用寿命较 短、易产生火花等弊端。随着大功率电子器件、模拟和数字集成电路、高性能 磁性材料的进步，采用电子换向的无刷直流电机与大功率电子器件、专用集成 电路、微机、稀土永磁材料、新型控制理论及电机理论的发展紧

11、密结合，得到 了越来越广的应用。 1.2 无刷直流电机的技术特征 和直流电动机和异步电动机相比较，无刷直流电动机的关键技术特征是： 1、经电子控制获得类似直流电动机的运行特性，有较好的可控性，宽调速 范围； 2、需要转子位置反馈信息和电子多相逆变驱动器； 3、本质上是交流电动机，由于没有电刷和换向器的火花、磨损问题，可工 作于高速，可得到较高的可靠性，工作寿命长，无需经常维护； 4、无刷直流电动机功率因数高，转子无损耗和发热，有较高的效率；有资 料对比，7.5kW异步电动机效率为86.4%，同容量的无刷直流电动机效率达 92.4%； 5、必须有电子控制部分，总成本比直流电动机高。 尽管成本较高

12、，由于永磁无刷直流电动机性能有明显的优势。近年，经业 者的努力，无刷直流电动机市场已不断扩展，在许多领域的竞争中，永磁无刷 直流电动机已经争中，永磁无刷直流电动机已经并正在不断地取代直流电动机 常州工学院毕业设计论文 - 1 - 和异步电动机，获得越来越多的应用。永磁无刷直流电动机驱动电流方可分为 方波驱动和正弦波驱动，后者又称为同步型永磁交流伺服电动机，主要用于伺 服控制。上世纪80年代才进入实用阶段的同步型永磁交流伺服电动机是可与直 流伺服电机性能匹敌的伺服电机。据国际电机会议专家分析，交流伺服电动机 正以每年15% 的速度取代直流伺服电动机，交流伺服电动机将会占据首位，其 前景是极其美好

13、的。因此，国际上有电机专家断言，21 世纪是永磁无刷直流电 动机广泛推广应用的世纪。特别是在小型电动机领域，无刷直流电动机将占据 主导地位。 1.3 直流无刷电机发展现状及发展趋势 1.3.1 直流无刷电机发展现状 直流无刷电动机与一般直流电动机具有相同的工作原理和应用特性，而其 组成是不一样的。除了电机本身外，前者还多一个换向电路，电机本身和换向 电路紧密结合在一起。许多小功率电动机的电机本身是与换向电路合成一体， 从外观上看直流无刷电动机与直流电动机完全一样。 直流无刷电动机的电机本身是机电能量转换部分，它除了电机电枢、永磁 励磁两部分外，还带有传感器。电机本身是直流无刷电机的核心，它不仅

14、关系 到性能指标、噪声振动、可靠性和使用寿命等，还涉及制造费用及产品成本。 由于采用永磁磁场，使直流无刷电机摆脱一般直流电机的传统设计和结构，满 足各种应用市场的要求，并向着省铜节材、制造简便的方向发展。永磁磁场的 发展与永磁材料的应用密切相关，第三代永磁材料的应用，促使直流无刷电机 向高效率、小型化、节能方向迈进。 为了实现电子换向必须有位置信号来控制电路。早期用机电位置传感器获 得位置信号，现已逐步用电子式位置传感器或其它方法得到位置信号，最简便 的方法是利用电枢绕组的电势信号作为位置信号。 要实现电机转速的控制必须有速度信号。用获得位置信号相近方法取得速 度信号，最简单的速度传感器是测频

15、式测速发电机与电子线路相结合。 直流无刷电机的换向电路由驱动及控制两部分组成，这两部分是不容易分 开的，尤其小功率用电路往往将两者集成化成为单一专用集成电路。 在功率较大的电机中，驱动电路和控制电路可各自成为一体。驱动电路输 出电功率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于控制电路。目前，驱动电路已从 线性放大状态转成脉宽调制的开关状态，相应电路组成也从晶体管分立电路转 成模块化集成电路。模块化集成电路有功率双极晶体管、功率场效应管和隔离 栅场效应双极晶体管等组成形式。虽然，隔离栅场效应双极晶体管价格较贵， 但从可靠安全和性能角度看，选用它还是较合适的。 控制电路用作控制电机的转速、转向、电流(或转矩

16、)以及保护电机的过流、 过压、过热等。上述参数容易转成模拟信号，用此来控制较简单，但从发展来 看，电机的参数应转换成数字量，通过数字式控制电路来控制电机。当前，控 制电路有专用集成电路、微处理器和数字信号处理器等三种组成方式。在对电 机控制要求不高的场合，专用集成电路组成控制电路是简单实用的方式。采用 数字信号处理器组成控制电路是今后发展方向，有关数字信号处理器将在下面 交流同步伺服电动机中介绍。 常州工学院毕业设计论文 - 2 - 目前，在微小功率范畴直流无刷电动机是发展较快的新型电机。由于各个 应用领域需要各自独特的直流无刷电动机，所以直流无刷电动机的类型较多。 大体上有计算机外存储器以及

17、 VCD、DVD、CD 主轴驱动用扁平式无铁心电机结构， 小型通风机用外转子电机结构，家电用多极磁场结构及内装式结构，电动自行 车用多极、外转子结构等等。上述直流无刷电动机的电机本身和电路均成一体， 使用十分方便，它的产量也非常大。为了满足大批量、低成本的市场需要，直 流无刷电动机的生产必须要形成规模经济。因此，直流无刷电动机是一种高投 入、高产出的行业。同时，我们应该考虑到市场也在不断地发展，如家用空调 用电机正由 3A转向 3D，需要大量的中小功率的直流无刷直流电动机，研究和 开发中小功率的直流无刷电动机也成当务之急。 1.3.2 直流无刷电机的发展趋势 永磁无刷直流电机是一种电子电动机。

18、随着电力电子技术的发展，许多新 型的高性能半导体功率器件，如 GTR、MOSFET、IGBT 等相继出现以及高性能永 磁材料，如稀土永磁材料的问世，为无刷直流电动机的广泛应用奠定的基础, 它由直流电源经过逆变器、位置检测装置向电动机供电，因而既保持了直流电 机的结构简单，运行可靠，维护方便的一系列优点，又改善了有刷直流电机效 率低、耗电多、噪音大、维护困难、使用寿命短等运行状况，还具备交流电机 运行效率高，无励磁损耗及调速性能好等诸多优点。电机系统属环保节能型产 品，是国家产业政策支持的高新技术项目，正处在产品成长期，具有广阔的市 场前景。无刷永磁直流电机正在以其特有的优势不断蓬勃发展。 直流

19、无刷电动机有着很多其它电动机无可比拟的优点使得它在很多领域得 到了很广泛的应用。 1直流无刷电动机在家用电器中的应用。 在空调器行业，永磁直流无刷电动机的应用已成为衡量空调技术水准的重 要指标之一。目前，变频空调技术已从异步电机变频控制发展到无刷电动机的 变转速控制，即市场上宣传的“直流变频空调” ，其压缩机电机和室内、室外风 机都采用永磁直流无刷电动机，与采用异步电机的交流变频空调相比，直流变 转速空调具有起动功率大、高效节能，抗电压波动能力强等优点。目前直流变 转速空调电控系统的技术难点主要包括:压缩机控制系统的换相转矩脉动抑制技 术，无位置传感器控制技术，高效率低噪音的室内外风机驱动系统

20、。 变频洗衣机是近年来进入居民家庭消费的又一热门产品。目前应用于变频 洗衣机的电机类型主要有三相异步电动机，开关磁阻电动机和直流无刷电动机 三大类。永磁直流无刷电动机直接驱动洗衣机具有机械传动结构简单、高效节 能、洗涤脱水运行噪音低等一系列优点，代表了未来的发展趋势。 2直流无刷电动机在计算机外设和办公自动化设备中的应用。 3直流无刷电动机在工业中的应用。 4直流无刷电动机在汽车、摩托车、自行车等交通工具中的应用。 5直流无刷电动机在其他领域中的应用. 随着电子技术、控制技术的发展, 位置检测可以通过芯片配合适当的算法 来实现。高速微处理器和DSP 器件以及专用的控制芯片的出现, 使得运行速度

21、、 处理能力有很大的提高。DSP 固有的计算能力可用来在无刷电机上实现无传感 器控制。采用DSP 实现无位置传感器控制成为研究的热点, 低成本DSP 无位置 传感器无刷电动机, 成为无刷直流电机的发展方向。 常州工学院毕业设计论文 - 3 - 第2章 无刷直流电机的控制原理 2.1 无刷直流电机的控制特性 图2-1 所示为无刷直流电动机系统基本结构,它由直流电源、控制电路、电 机本体和位置传感器这几部分构成,控制电路是系统的关键部分。 直流电源 控制电路 电动机本体 位置传感器 图2-1 无刷直流电机的基本结构 系统中电子开关线路是用来控制电动机定子上各相绕组通电的顺序和时间 的,主要由逻辑开

22、关单元和位置传感器信号处理单元2 个部分组成。功率逻辑开 关单元是控制电路的核心,其功能是将电源的功率按一定的逻辑关系分配给无刷 直流电动机定子上的各相绕组,以便使电动机产生持续不断的转矩;而各相绕组 导通的顺序和时间,主要取决于来自位置传感器的信号,但位置传感器的信号一 般不能直接用来控制功率逻辑开关单元,往往需要经过一定的逻辑处理后才能控 制逻辑开关单元。 2.2 无刷直流电机的控制结构 直流无刷电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋 转磁场的速度及转子极数(P)影响：N=120*f / P。在转子极数固定情况下，改 变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流无刷电机

23、即是将同步电机 加上电子式控制(驱动器)，控制定子旋转磁场的频率，并将电机转子的转速回 授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说直流无 刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转 速。直流无刷驱动器包括电源部及控制部如图 2-2：电源部提供三相电源给电 机，控制部则依需求转换输入电源频率。 电源部可以直接以直流电输入(一般 为 24V)或以交流电输入(110V/220 V)，如果输入是交流电就得先经转换器 (converter)转成直流。不论是直流电输入或交流电输入要转入电机线圈前须先 将直流电压由换流器 (inverter)转成 3相电压来驱动

24、电机。换流器(inverter) 一般由 6个功率晶体管(Q1Q6)分为上臂(Q1、Q3、Q5)/下臂 (Q2、Q4、Q6)连 常州工学院毕业设计论文 - 4 - 接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部则提供 PWM(脉冲宽度调制)决定 功率晶体管开关频度及换流器(inverter)换相 的时机。直流无刷电机一般希望 使用在当负载变动时速度可以稳定于设定值而不会变动太大的速度控制，所以 电机内部装有能感应磁场的霍尔传感器(hall- sensor)，做为速度之闭回路控 制，同时也做为相序控制的依据。但这只是用来做为速度控制并不能拿来做为 定位控制。 图2-2 电机控制结构 2.3 无刷直流电

25、机的控制原理 要让电机转动起来，首先控制部就必须根据 hall-sensor感应到的电机转 子目前所在位置，然后依照定子绕线决定开启(或关闭)换流器 (inverter)中功 率晶体管的顺序，如下（图 2-3 ）inverter 中之 AH、BH、CH(这些称为上臂功 率晶体管)及 AL、BL、CL(这些称为下臂功率晶体管)，使电流依序流经电机线 圈产生顺向(或逆 向)旋转磁场，并与转子的磁铁相互作用，如此就能使电机顺 时/逆时转动。当电机转子转动到 hall-sensor感应出另一组信号的位置时，控 制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环电机就可以依同一方向继续转动直 到控制部决定要电机转子

26、停止则关闭功率晶体管(或只开下臂功率晶体管)；要 电机转子反向则功率晶体管开启顺序相反。 基本上功率晶体管的开法可举例如 下： AH、BL 一组AH、CL 一组BH、CL 一组BH、AL 一组CH、AL 一组 CH、BL 一组 但绝不能开成 AH、AL 或 BH、BL 或 CH、CL。此外因为电子零 件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应 时间考虑进去，否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭，下臂(或上臂)就已开启， 结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。 常州工学院毕业设计论文 - 5 - 图2-3 电机控制原理 当电机转动起来，控制部会再根据驱动器设定的速度及加

27、/减速率所组成的 命令 (Command)与 hall-sensor信号变化的速度加以比对(或由软件运算)再来 决定由下一组(AH、BL 或 AH、CL 或 BH、CL 或)开关 导通，以及导通时间 长短。速度不够则开长，速度过头则减短，此部份工作就由 PWM来完成。PWM 是决定电机转速快或慢的方式，如何产生这样的 PWM才是要 达到较精准速度控 制的核心。高转速的速度控制必须考虑到系统的 CLOCK 分辨率是否足以掌握处 理软件指令的时间，另外对于 hall-sensor信号变化的资料存取方式也影响到 处理器效能与判定正确性、实时性。至于低转速的速度控制尤其是低速起动则 因为回传的 hal

28、l-sensor信号变化变得更慢，怎样撷取信号方式、处理时机以 及根据电机特性适当配置控制参数值就显得非常重要。或者速度回传改变以 encoder变化为参考，使信号分辨率增加以期得到更佳的控制。电机能够运转 顺畅而且响应良好，P.I.D.控制的恰当与否也无法忽视。之前提到直流无刷电 机是闭回路控制，因此回授信号就等于是告诉控制部现在电机转速距离目标速 度还差多少，这就是误差(Error)。知道了误差自然就要补偿，方式有传统的工 程控制如 P.I.D.控制。但控制的状态及环境其实是复杂多变的，若要控制的坚 固耐用则要考虑的因素恐怕不是传统的工程控制能 完全掌握，所以模糊控制、 专家系统及神经网络

29、也将被纳入成为智能型 P.I.D.控制的重要理论。 常州工学院毕业设计论文 - 6 - 第3章 控制系统总体设计方案论证 3.1 方案简介 3.1.1 基于专用集成电路构成的无刷电机调速系统的设计方法 采用专用集成芯片构成的无刷电机调速系统控制原理图如图3-1所示。 C1B2A4R/Fout5GND7V8M09TSOErefnscP+alIikK.LHUdbp?W 图3-1 三相无刷直流电机闭环控制电路 如图3-1所示，为专用集成芯片MC33039，MC33035,MPM3003组成的三相全波 无刷直流电动机闭环速度控制系统。MPM3003三相逆变桥功率模块是12脚塑料封 装模块。上侧三个P沟

30、道功率MOSFET的导通电阻为0.28，下侧三个P沟道功率 MOSFET的导通电阻为0.15，漏-源电压为60V，电流为10A。各功率管均带有反 向续流二极管。 常州工学院毕业设计论文 - 7 - 该闭环速度控制系统中，用三个霍尔集成电路作为转子位置传感器。用 MC33035的8脚参考电压（6.24V）作为它们的电源。霍尔集成电路输出信号送至 MC33039和MC33035。从MC33039的5脚输出脉冲数是电动机每一转输出12个脉冲。 按电动机最高转速来选择定时元件。设最高转速为5000r/min，即83r/s。此时 每秒输出脉冲数是8312=996个。即其功率约为1000Hz，周期约为1m

31、s。由 MC33039说明书，取定时元件参数R1=1M，C1=750pF，单稳态电路产生脉冲宽 度为950us。8脚接MC33035的基准电压。5脚输出经电阻R3接MC33035的12脚，即 误差放大器反相输入端。放大器此时增益为10，电容C3起滤波平滑作用。 MC33035振荡器参数：R2=5.1k,C2=0.01uF，PWM频率约为24kHz。 系统采用无感电阻R21（0.05，1W）作为电流检测用，并经R8，R9分压后 再连接到9脚。C5是小滤波电容。这样，系统限流为8A。 系统的转速闭环控制如图3-2所示,MC33039 对输入的转子位置信号进行有 关的处理, 产生与电机实际转速成正比

32、的转速电压信号。MC33039 的输出经低 通滤波器平滑, 引入MC33035 的误差放大器的反相输入端, 而转速给定信号经 积分环节输入MC33039 误差放大器的同相输入端，从而构成系统转速闭环控制。 图3-2 转速闭环控制电路 (1) 基于MPM3003模块的驱动单元 常州工学院毕业设计论文 - 8 - 图3-3 MPM3003内部电路原理图 图3-3中，MPM3003管脚7、10、3为上侧三个P沟道功率MOSFET的栅极，管脚 2、5、8则为下侧三个N沟道功率MOSFET的栅极，它们均由MC33035驱动。上侧功 率MOSFET由低电平驱动，下侧功率MOSFET由高电平驱动。每次各有一

33、个上侧功 率MOSFET和一个下侧功率MOSFET导通，且受MC33035的控制。正常工作时，上下 两个导通的功率MOSFET应不在同一桥臂上。其连接方式为：MPM3003的管脚 7、10、3依次与MC33035的管脚1、2、24相连，MPM3003的管脚2、5、8依次与 MC33035的管脚19、20、21相连。MPM3003的管脚11为上侧三个功率MOSFET的源 极，接电源1830V。管脚1为下侧三个功率MOSFET的源极，与电流检测电路相 连。管脚4、6、9为各管的漏极，依次与电动机绕组A、B、C相连。在应用时， MPM3003应按实际情况加合适的散热片。 (2) 转子位置检测 在无刷

34、直流电机控制系统中，位置传感器一方面用来测定转子磁极的位置， 以便为实现电子换向提供信息；另一方面用来检测电动机转速，以便为闭环速 度反馈提供电动机的实时转速。本设计采用霍尔型位置传感器来采集转子磁极 位置。它将霍尔元件及其半导体集成电路集成在一块N型外延片上，其外形与一 般小型晶体管相似，采用这种方式体积小、灵敏度高，因而大多数无刷直流电 动机均采用霍尔型位置传感器。 (3) 速度检测 通过MC33039可利用转子位置传感器的输出信号，经变换得到正比于电动机 转速的脉冲信号FB，并将该信号反馈给控制器，即可形成转速闭环控制。 其连接方式是将MC33039的管脚1、2、3接位置传感器三个信号；

35、管脚5的输 出接MC33035的12脚(即误差放大器反相输入端)；管脚7接地；管脚8接MC33035 的管脚8 (即其基准电压)；管脚6和8则连接定时元件R1、C1。 (4) 速度给定 常州工学院毕业设计论文 - 9 - 速度给定是速度环的一个组成部分。本系统采用的是电位器给定的方式， 电位器接在06.25V之间，给出的模拟电压幅值在06.25 V之间。在管脚8与11 之间加一个电位器可以控制速度的大小，两管脚之间的电阻越小，速度越快。 3.1.2 基于 8051F 单片机直流无刷电机控制系统的设计方法简介 该设计是以C8051F330D单片机为核心，利用MC33035和MC33039构成的无

36、刷 直流电机闭环速度控制系统。 该电路如图3-4所示，主要由MC33035，MC33039，驱动电路和电机组成。但 是这与之前介绍的基于专用集成电路构成的无刷电机调速系统的设计方法不同， 此电路中电机的启动和停止，正反转，机动刹车以及加速和减速等功能都是由 单片机控制的。 C1B2A34R/6Fout5GND7M0TSOErefnscP+alIikK.LHUdb?pm 图 3-4 电机控制原理图 8051F330D单片机的P0.1口接一个运放器，运放的输出馈入到MC33035的11 脚即误差信号放大器同向输入端来产生与速度成比例的直流电压，从而来改变 电机的转速。 P1.1接MC33035的2

37、3脚使能端，当P1.1为低电平时允许马达运行，为高电平 时马达运行停止。 P1.2控制电机的转动方向，它接MC33035的3脚正反向输入端，当该脚为高 电平时，电机正转，为低电平时电机反转。 P1.3控制电机的启动和停止，它接MC33035的7脚，当该脚为高电平时，电 机转动，为低电平时电机停止转动。 常州工学院毕业设计论文 - 10 - 3.2 系统方案论证 以上介绍了两种直流无刷电机速度控制设计方法，两种设计都能实现电机 的启动和停止，正反转，机动刹车以及加速和减速等功能。 第一种方法，基于MC33035,MC33039，MPM3003专用集成电路及一些外围电 路构成的直流无刷电机速度闭环

38、控制系统可以很好地实现电机控制的一些功能， 方便简单而且有效。但是该电路在速度调节上面不是太精确，而且不可以显示 当前电机的转速，只能进行单机控制,缺乏智能性。 基于8051F330D单片机直流无刷电机控制系统实用且性价比高，可以显示电 机当前转速，电路结构简单，控制方便，运算速度快，兼容了第一种设计方法 的优点，所以通过对比论证，我们决定采用该设计方法来实现电机的速度控制。 第4章 基于8051F单片机直流无刷电机控制系统 该设计是以C8051F330D单片机为核心，利用MC33035和MC33039构成的无刷 直流电机闭环速度控制系统。该系统结构简单,价格低廉,运行性能良好。 C8051F

39、系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片( SoC),具有与8051 兼容 的高速C IP251内核(运算速度高达25 M IPS) ,与MCS251指令集完全兼容; C8051F单片机具有片内调试电路,通过4脚JTAG接口,可以进行非侵入式、全速的 在系统调试; C8051F高速SoC的芯片上还集成了构成单片机控制系统所需的几乎 所有模拟、数字外设及其他功能部件(包括ADC、DAC、可编程增益放大器;电压 比较器、电压基准、温度传感器、SMBus/ I2C、UART、SP I、定时器、可编程 计数器/定时器阵列( PCA) 、内部振荡器、看门狗定时器及电源监视器等) 。 这些外设的高度集成,

40、为设计小体积、低功耗、高可靠性、高性能的单片机应用 系统提供了极大的方便,可大大降低系统的整体成本。 4.1 MC33035简介 MC33035 是MOTOROLA公司第二代高性能无刷直流电机专用芯片,它采用双极 性模拟工艺制造,在任何恶劣的环境条件下仍然具有很高的稳定性和优秀品质。 芯片内包含有误差信号放大器、PWM脉冲调制放大器、频率可编程的锯齿波振荡 器、3个集电极开路顶端驱动输出和3个非常适用于驱动功率场效应管(MOSFET) 的大电流图腾柱式底部输出器。它还有可用于正确整流时序的转子位置译码器、 可对传感器的温度进行补偿的参考电平。还带有欠锁定功能及欠压保护、过流 保护、芯片过热保护

41、、故障信号输出、单独驱动、制动输入等功能。MC33035内 部原理图如图4-1所示。总之,它是一种具有典型的包括开环速度、正向运转和 反向运转、以及运行使能等的电机控制专用小型系统。 该集成电路的主要组成部分包括： 转子位置传感器译码器电路 带温度补偿的内部基准电源 频率可设定的锯齿波振荡器 误差放大器 脉宽调制（PWM）比较器 输出驱动电路 欠电压封锁保护、芯片过热保护等故障输出 常州工学院毕业设计论文 - 11 - 限流电路 MC33035芯片的特点： 工作的电源电压范围很宽,有1030V； 芯片内含有基准电压源6.25V； 传感器相角可以选择60/300度或120/240度； 带外部频率

42、调整的锯齿波发生器； 可直接控制电机正反转； 可直接实现电机刹车制动； 可直接控制电机启停。 MC33035是24脚的双列直插窄式集成电路块，其内部结构如图4-1所示。 图 4-1 MC33035内部电路原理图 其主要功能有：(1) 转子位置译码器接受转子位置检测器的信号, 处理 后生成6 路输出驱动信号控制逆变桥的正确换流; (2) 故障与处理包括欠压、 过热、误码、过流等; (3) 正/反转控制改变6路输出驱动信号的顺序, 以改 变定子绕组的电流方向,从而改变电机转向; (4) 制动封锁所有上桥臂的驱动 信号, 使电机与电源隔离, 同时打开所有下桥臂的驱动信号, 短接电机的电动 势, 使电

43、机迅速减速; (5) 内部振荡器决定PWM 的调制频率; (6) 转速给定 包括1个误差放大器和1 个PWM 比较器, 给定的转速信号与振荡器的输出锯齿波 常州工学院毕业设计论文 - 12 - 相比较, 产生PWM 控制信号; (7)内部基准电压不仅用于内部比较器和振荡器 的电源,还输出作为转子位置检测器的电源。 表4-1 MC33035引脚功能说明 引脚号 符号与功能 功能说明 1，2，24 3 4，5，6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19，20， 21 22 Bt, At, Ct 正向/反向 Sa, Sb, Sc 使能控制 基准电压输出 电流检测输入

44、振荡器 误差放大器输入 误差放大器输入 误差放大器输出 故障信号输出 电流检测输入 地 Vcc Vc Cb, Bb, Ab 60/120选择 集电极开路输出，可用来驱动三相桥上侧三个功率开 关。最大允许电压为40V，最大吸入电流为50mA 改变电动机转向 转子位置传感器输入端 逻辑高电平使电动机起动，逻辑低电平使电动机停车 典型值6.24V 电流检测比较器的同相输入端 由外接定时元件Rt和Ct决定其振荡频率 同相输入端 反相输入端 在闭环控制时连接校正阻容元件。此引脚亦连接到内 部PWM比较器反相输入端 集电极开路输出，故障时输出低电平 反相输入端 供给本集成电路的正电源，10-30V 给下驱

45、动输出提供正电源，10-30V 下侧驱动输出端 高电平对应传感器相差60，低电平对应传感器相差 常州工学院毕业设计论文 - 13 - 23 制动输入 120 逻辑低电平使电动机正常运转，逻辑高电平使电动机 制动减速 MC33035功能说明 （1） 转子位置传感器译码电路 该译码电路将电动机的转子位置传感器信号转换成六路驱动输出信号，三 路上侧驱动输出和三路下侧驱动输出。它适合于集电极开路的霍尔集成电路或 光耦合电路等传感器。输入端脚 4、5、6 都设有提升电阻，输入电路分 TTL 电路电平兼容，门槛电压为 2.2V。该集成电路适用于传感器相位差为,60、 120、240、300 四种情况的三相

46、无刷电动机。 由于 3 个输入逻辑信号，可有 8 种逻辑组合。其中 6 种正常状态决定了 电动机的不同位置状态。其余 2 种组合对应于位置传感不正常状态，即 3 个 信号线开路或对地短路状态，此时脚 14 将输出故障信号（低电平）。 用脚 3 逻辑电平来确定电动机转向。当脚 3 逻辑状态改变时，传感器信 号在译码器内将原来的逻辑状态改变成非，再经译码后，得到反相序的换向输 出，使电动机反转。电动机的起停控制由脚 7 使能端来实现。当脚 7 悬空时， 内部有电流源使驱动输出电路正常工作。若脚 7 接地，3 个上侧驱动输出开路 （1 状态），3 个下侧驱动输出强制为低电平（ 0 状态），使电动机失

47、去激励 而停车，同时故障信号输出为零。 当加到脚 23 上的制动信号为高电平时，电动机进行制动操作。它使 3 个 上侧驱动输出开路，下侧 3 个驱动输出为高电平，外接逆变桥下侧 3 个功率 开关导通，使电动机 3 个绕组端对地短接，实现能耗制动。芯片内设一个四与 门电路，其输入端是脚 23 的制动信号和上侧驱动输出 3 个信号，它的作用是 等待 3 个上侧驱动输出确实已转变为高电平状态后，才允许 3 个下侧驱动输 出变为高电平状态，从而避免逆变桥上下开关出现同时导通的危险。 （2） 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

48、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 1 的电压跟随器，即速度设定电压从其同相输入端脚 11 输入。 脚 1213 短接。 （3） 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。脉宽调制时序图，如图 4-2所示。 常州工学院毕业设计论文 - 14 - 图 4-2 脉冲调制时序图

49、 （4） 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。 4.2 电子测速芯片MC33039 M

50、C33039是 Motorola公司配合 MC33035专门设计的无刷电机闭环速度控制 器,这是一个 8脚的双列直插窄式集成电路块。系统不必试用较高价格的电磁式 或光电式测速机，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 子位置传感器三个输出信号，经 F/V变换成正比于电动机转速的电压。 该芯片包含三个输入缓冲，每路输入缓冲都带有一个延时器以提高抗干扰 能力，此外，MC33039还带有三个数字信号边沿检测器, 一个可编程单稳态以及 一个内部并联调节器。同时该芯片还包含一个变换器输出，故可满足要求传感 器进行相位转换的系统。图4-3所示是其内部结构。虽然MC33039芯片主要与 MC3

51、3035芯片构成无刷电机控制器，但也可以有效、廉价地在其它闭环速度控制 中应用。 MC33039的主要特点如下： 1. 可对每个输入变化进行数字检测，以用于改进低速电机的工作； 2. 与TTL输入兼容，带滞后； 3. 可直接由MC33035 参考源供电，运行电压可低至5.5 V； 4. 内部旁路稳压器允许从非稳压的电源中获得电源； 5. 带倒相器输出，可提供方便的60/300或120/240传感器相位转 换。 常州工学院毕业设计论文 - 15 - 图4-3 MC33039原理框图 MC33039的工作原理：MC33039可通过一种低成本的手段来实现无刷直流电 机闭环速度的控制。 在这只列举了6

52、0传感器的相位输入。MC33039可直接将 三相无刷直流电机转子位置传感器的三个方波输入信号，经F/V变换成正比于电 机转速的电压信号。它的1、2、3脚可接收电机位置传感器的三个信号，并经有 滞后的缓冲电路来抑制输入噪声，再经“或”运算后得到相当于电机每对极下 六个脉冲的信号，然后经外接定时组件的单稳态电路(RT、CT) 引起CT放电。 MC33039从5脚输出的信号的占空比与电机的转速有关，其直流分量与转速成正 比。当电机加速时，输出脉冲序列的平均电压将会上升。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。这样，采用经济的三相电机 就能实现100转/分钟的恒定速度运行。而A

53、变换器输出(引脚4)则可用在控制 器和电机传感器相位转换不兼容的系统中。 4.3 MPM3003 MPM3003是一种三相逆变桥功能模块，包括三个P 沟道和三个N沟道功率 MOSFET。MPM3003可理想地应用在磁盘驱动、伺服电机驱动器中。MPM3003 采用12脚塑料封装，其内部集成了6个MOSFET。 4.4 C8051F330D微控制器概述 （1） C8051F330D 简介 模拟外设 10位 ADC（只限于 F330） 转换速率可达200ksps 可多达16个外部单端或差分输入 VREF可在内部VREF、外部引脚或VDD中选择 常州工学院毕业设计论文 - 16 - 内部或外部转换启动

54、源 内置温度传感器 10位电流输出DAC （只限于F330） 比较器 可编程回差电压和响应时间 可配置为中断或复位源 小电流（0.4A） 在片调试 片内调试电路提供全速、非侵入式的在系统调试（不需仿真器！） 支持断点、单步、观察/修改存储器和寄存器 比使用仿真芯片、目标仿真头和仿真插座的仿真系统有更优越的性能 廉价而完整的开发套件 供电电压2.7V - 3.6V 典型工作电流：6.4mA 25MHz 9A 32KHz 典型停机电流：0.1A 温度范围：-40C - +85C 高速8051微控制器内核 流水线指令结构；70%的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期 速度可达25MIPS （时钟频

55、率为25MHz时） 扩展的中断系统 存储器 768字节内部数据 RAM（256+512） 8KB FLASH；可在系统编程，扇区大小为512字节 数字外设 17个端口I/O ；均耐5V电压，大灌电流 硬件增强型UART、SMBus和增强型SPI串口 4个通用16 位计数器/定时器 16位可编程计数器 /定时器阵列（PCA），有3个捕捉/比较模块 使用PCA或定时器和外部时钟源的实时时钟方式 时钟源 两个内部振荡器： 24.5MHz，2%的精度，可支持无晶体UART操作 80/40/20/10 kHz低频率、低功耗振荡器 外部振荡器：晶体、RC、C、或外部时钟 可在运行中切换时钟源，适用于节电方

56、式 封装：20脚MLP （2） C8051F330D原理框图 常州工学院毕业设计论文 - 17 - 图4-4 C8051F33OD原理框图 （3） C8051F330引脚定义 表 4-2 C8051F330引脚定义 引脚名称 引脚号 引脚类型 说明 VDD 3 电源 GND 2 地 /RST C2CK 4 数字 I/O 数字 I/O 器件复位。内部上电复位或 VDD监视器的漏极开路输出。 一个外部源可以通过将该引 脚驱动为低电平（至少 10s）来启动一次系统复位。 C2调试接口的时钟信号 P2.0 C2D 5 数字 I/O 数字 I/O 端口 P2.0 C2调试接口的双向数据信号 P0.0 V

57、REF 1 数字 I/O或模拟输入 模拟输入 端口 P0.0 外部 VREF输入 P0.1 IDA0 20 数字 I/O或模拟输入 模拟输出 端口 P0.1 IDA0输出 P0.2 19 数字 I/O或模拟输入 端口 P0.2 常州工学院毕业设计论文 - 18 - XTAL1 模拟输入 外部时钟输入。对于晶体或 陶瓷谐振器，该引脚是外部 振荡器电路的反馈输入 P0.3 XTAL2 18 数字 I/O 模拟 I/O或数字输入 端口 P0.3 外部时钟输出。该引脚是晶 体或陶瓷谐振器的激励驱动 器。对于 CMOS时钟、电容或 RC振荡器配置，该引脚是外 部时钟输入。 P0.4 17 数字 I/O或

58、模拟输入 端口 P0.4 P0.5 16 数字 I/O或模拟输入 端口 P0.5 P0.6 CNVSTR 15 数字 I/O或模拟输入 数字输入 端口 P0.6 ADC0外部转换启动输入或 IDA0更新源输入 P0.7 14 数字 I/O或模拟输入 端口 P0.7 P1.0 13 数字 I/O或模拟输入 端口 P1.0 P1.1 12 数字 I/O或模拟输入 端口 P1.1 P1.2 11 数字 I/O或模拟输入 端口 P1.2 P1.3 10 数字 I/O或模拟输入 端口 P1.3 P1.4 9 数字 I/O或模拟输入 端口 P1.4 P1.5 8 数字 I/O或模拟输入 端口 P1.5 P

59、1.6 7 数字 I/O或模拟输入 端口 P1.6 P1.7 6 数字 I/O或模拟输入 端口 P1.7 （4） 系统概述 图 4-5 C8051F330D引脚图 C8051F330D器件是完全集成的混合信号片上系统型MCU，主要特性有： 1）高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核（可达25MIPS）； 2）全速、非侵入式的在系统调试接口（片内）； 常州工学院毕业设计论文 - 19 - 3）真正10位200 ksps的16通道单端/差分ADC，带模拟多路器； 4）10位电流输出DAC； 5）高精度可编程的25MHz内部振荡器； 6）8KB可在系统编程的FLASH存储器； 7）768字

60、节片内RAM； 8）硬件实现的SMBus/ I 2C、增强型UART和增强型SPI串行接口； 9）4个通用的16位定时器； 10）具有3 个捕捉/比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器/定时器 列（PCA）； 11）片内上电复位、VDD监视器和温度传感器； 12）片内电压比较器； 13）17个端口I/O（容许5V输入）。 具有片内上电复位、VDD 监视器、看门狗定时器和时钟振荡器的 C8051F330D是真正能独立工作的片上系统。FLASH 存储器还具有在系统重新编 程能力，可用于非易失性数据存储，并允许现场更新 8051固件。用户软件对所 有外设具有完全的控制，可以关断任何一个或所有外设以

61、节省功耗。 片内 Silicon Labs二线（C2）开发接口允许使用安装在最终应用系统上的 产品 MCU进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试。调试逻辑支 持观察和修改存储器和寄存器，支持断点、单步、运行和停机命令。在使用 C2 进行调试时，所有的模拟和数字外设都可全功能运行。两个 C2接口引脚可以与 用户功能共享，使在系统调试功能不占用封装引脚。 每种器件都可在工业温度范围（-45到+85）内用 2.7V-3.6V 的电压工 作。端口 I/O 和/RST 引脚都容许 5V 的输入信号电压。 各组成部分： 1.CIP-51TM 微控制器核 C8051F330/1 系列器件使用Sil

62、icon Labs的专利CIP-51 微控制器内核。 CIP-51 与MCS-51TM指令集完全兼容，可以使用标准803x/805x的汇编器和编译 器进行软件开发。CIP-51 内核具有标准8052 的所有外设部件，包括4个16位计 数器/定时器、一个具有增强波特率配置的全双工UART、一个增强型SPI端口、 768 字节内部RAM、128 字节特殊功能寄存器（SFR）地址空间及17 个I/O端口。 CIP-51 采用流水线结构，与标准的8051 结构相比指令执行速度有很大的 提高。在一个标准的8051中，除MUL和DIV以外所有指令都需要12或24个系统时 钟周期，最大系统时钟频率为12-2

63、4MHz。而对于CIP-51 内核，70%的指令的执 行时间为1 或2 个系统时钟周期，只有 有4 条指令的执行时间大于4 个系统时 钟周期。 CIP-51 共有111 条指令。下表列出了指令条数与执行时所需的系统时钟周 期数的关系。 执行周期数 1 2 2/3 3 3/4 4 4/5 5 8 常州工学院毕业设计论文 - 20 - 指令数 26 50 5 16 7 3 1 2 1 2.片内存储器 CIP-51 有标准8051 的程序和数据地址配置。它包括256 字节的数据RAM， 其中高128字节为双映射。用间接寻址访问通用RAM 的高128 字节，用直接寻址 访问128 字节的SFR地址空间

64、。数据RAM 的低128 字节可用直接或间接寻址方式 访问。前32 个字节为4 个通用寄存器区，接下来的16 字节既可以按字节寻址 也可以按位寻址。 程序存储器包含8KB 的FLASH。该存储器以512 字节为一个扇区，可以在系 统编程，且不需特别的编程电压。图3.12 给出了MCU 系统的存储器结构。 3.片内调试电路 C8051F330/1器件具有片内Silicon Labs 2线（C2）接口调试电路，支持使 用安装在最终应用系统中的产品器件进行非侵入式、全速的在系统调试。 Silicon Labs的调试系统支持观察和修改存储器和寄存器，支持断点和单步执 行。不需要额外的目标RAM、程序存

65、储器、定时器或通信通道。在调试时所有的 模拟和数字外设都正常工作。当MCU单步执行或遇到断点而停止运行时，所有的 外设（ADC和SMBus除外）都停止运行，以保持与指令执行同步。 开发套件C8051F330DK具有开发应用代码和对C8051F330/1 MCU进行在系统 调试所需要的全部硬件和软件。开发套件中包括开发者工作室软件和调试器、 一个集成的8051汇编器和一个RS-232转换到C2的串行适配器。套件中还有一个 目标应用板，上面有对应的MCU和一大块样机区域。套件中还包括RS-232和C2电 缆及一个墙装电源。开发套件需要一个运行Windows95/98/Me/2000并有一个可 用R

66、S-232串口的计算机。如图1.6所示，PC机通过RS-232与串行适配器连接。一 条六英寸的扁平电缆将串行适配器和用户的应用板连接起来，使用2个C2引脚和 VDD及GND。串行适配器从应用板获取其电源。对于不能从目标板上提取足 够电源的应用，可以将套件中提供的电源直接连到串行适配器上。 对于开发和调试来说，Silicon Labs IDE接口比采用标准MCU仿真器要优越 得多。标准的MCU仿真器要使用在板仿真芯片和目标电缆，还需要在应用板上有 MCU的插座。Silicon Labs的调试环境既便于使用又能保证精确模拟外设的性能。 4.可编程数字I/O 和交叉开关 C8051F330有17个I/O引脚（两个8位口和一个1位口）。C8051F330/1端口的 工作情况与标准8051相似，但有一些改进。每个端口引脚都可以被配置为模拟 输入或数字I/O。被选择作为数字I/O的引脚还可以被配置为推挽或漏极开路输 出。在标准8051中固定的“弱上拉”可以被总体禁止，这为低功耗应用提供了 进一步节电的能力。 数字交叉开关允许将内部数字系统资源映射到端口I/O引脚 。可通过设置 交叉开关控制寄存器将