单片机的无刷直流电机控制系统设计硬件子系统
论文概述了课题研究的背景和意义，介绍了无刷直流电机的发展现状与发展趋势。根据任务书要求，完成控制系统设计并选择器件，能实现控制要求，最后进行实物调试，电机运行流畅且可靠。本文主要介绍的是基于单片机的无刷直流电机控制系统设计——硬件子系统，在硬件选择上，采用STC12C5A60S2单片机进行控制，换向线路采用三相桥式电路，在主电路中，还用到6个功率效应管和IR2104芯片，并且调速方法选用脉冲宽度调制（PWM），本次设计可以实现电机的正反转、加减速和LCD显示等功能，并且转速可以在显示屏上显示出来。通过实验，电机运行稳定。关键词 无刷直流电机，单片机，PWM
目 录
1 绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2课题研究相关现状及前景 1
1.3工作安排 3
2 系统分析 3
2.1 无刷直流电机概念 4
2.2 直流电动机调速原理 5
2.3霍尔传感器 6
3硬件设计与选择 7
3.1硬件系统框图 7
3.2控制方式 8
3.3单片机 9
3.4无刷直流电机 11
3.5电路供电电源 12
3.6驱动电路 12
3.7输入设备 14
3.8显示模块 14
3.9 电流电压检测电路 16
4 电路仿真 19
4.1软件设计 19
4.2 Proteus仿真 22
4.3 Proteus波形图 23
5 硬件调试 23
5.1设计过程中遇到的问题 23
5.2实物图片 24
5.3实物调试 25
5.4测试结论 29
结 论 30
致 谢 31
参 考 文 献 32
1 绪论
1.1 课题研究背景
随着时代的变迁与科学技术的迅猛发展，电力电子技术和磁性材料的发展，使永磁直流无刷电机在机电产品集成方面的应用越来越普遍。特别是大功率直流无刷电机在工业领域上的应用具有比直 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
流有刷电机更大的优势．无刷直流电机放弃了传统的机械换向，采用了电子换向，电动机不仅具有结构简单、操作可靠、维修方便等优点，而且具有高效、无励磁损耗和简单调速方法的优点。电机作为驱动的重要装置，在很多工业上都得到了广泛的应用。电机通过电能接入，然后通过线圈磁场产生电磁力，最终拖动电机进行旋转，从而实现机械能的输出。由于对于电机的使用要求越来越多，市场上的电机种类也越来越多，主要分为直流电机和交流电机。直流电机是通过直流电的输入进行控制，可以进行速度以及一些基本参数的控制。交流电机是通过输入交流电进行控制，同样可以进行各种的运行要求的控制。
1.2 课题相关研究现状及前景
有刷直流电动机是最先使用的电动机，它在工农业的各个方面都得到了普遍应用，由于优秀的调速性能，在需求调速的应用方面占有着重要地位，但是有刷直流电机采用的是机械换向，因此其使用范围得到了很大的限制。直流有刷电机的电刷和换向器会产生机械接触，从而使器件磨损，影响电机的使用寿命，而且有刷电机的噪声也是极大的缺点，另外，电刷与换向器接触时，可能会产生火花，因此，限制了其在一些场合上的运用。更重要的是有刷直流电机的结构复杂。[18]
在近几年，随着科学技术的快速发展，半导体技术得到了质的飞跃，开关型晶体管的制作成功使新型无刷直流电机得到巨大的发展。1955年，科学家第一次建议舍弃机械换相，并且在多次尝试后终于成功的用电子换向电路代替了机械换向，在技术的快速发展下，位置传感器出现了多种类型，如霍尔式传感器、光电式和磁电耦合式。之后，一些无位置传感器的电动机也相继被发明出来，让电机的类型变得越来越多样化。
无刷直流电动机不仅具有调速和起动性能良好，还具有异步电动机结构简单等优点，因其的高可靠性，在电机的调速领域得到了普遍应用。在电机转速控制领域，很多方面数字调速系统已经代替了模拟调速系统。基于单片机的无刷直流电机控制系统在国内外的发展还是比较乐观的。早期的时候电机控制系统都是采用一些基本的逻辑电路，没有采用单片机类似的控制芯片，使得直流电机的控制非常的麻烦，并且控制的精度也不高。随着半导体器件的发展，可编程的逻辑器件渐渐走向市场，使得控制系统变得更加的灵活[911]。本文基于单片机的电机控制系统就是可编程的逻辑器件为控制核心的，也是当前控制系统的核心原件。对于控制系统的研究，在国内外早就开始了，从刚开始的开环控制系统到闭环控制系统，使得控制系统越来越完善。同时也促进了各种智能芯片控制系统的发展。单片机作为当前可编程半导体元件使用最普遍的元件，开发的难度低，成本也低，并且功能也比较强大。如今很多的智能设备中都用到了该类芯片，使得控制的更加方便、快捷。对于单片机的控制而言，只需要采用简单的C语言就能进行控制，通过各个引脚的编程，可以直接对硬件进行输入输出的操作，因此对与硬件控制比较直接。通过单片机对控制系统进行设计，可以有很多的好处，也是当前控制系统中的主流设计。对于控制系统的软件设计方面会使用到许多算法，尤其是在复杂的控制系统中，会用到一些智能的算法对控制系统的运行进行设计。本文对于无刷直流电机的控制也用到了一些简单的算法，例如电机的转速控制以及转向调节都用到了相应的算法，可以让系统的控制更加的方便，对于单片机内部进行程序的设计，从而实现控制的要求。对于系统控制也是需要一些常见的硬件方面的知识，例如单片机最小系统的设计以及一些常见的外围电路，都需要进行学习，达到软硬结合。对于本设计所涉及到的知识来说在控制领域的发展还是非常有意义的因为本文所设计的系统基本的控制，也是底层的控制。从最基本的方面进行研究是很有意义的，他可以从系统的组成到整体的构架进行设计，可以让我们对控制系统的设计更有基础性。因此本文的设计可以从基础性的东西进行系统的设计，同时在研究的过程中也是可以积累大量的经验，在今后的系统的设计中也可以运用到。从本文的设计思路以及设计的内容上可以看出无刷直流电机还有着很大的发展前景，在本次课题研究中可以提升个人的综合开发的能力水平，这是一个很有意义的研究课题[1215]。
1.3 工作安排
目 录
1 绪论 1
1.1课题研究背景 1
1.2课题研究相关现状及前景 1
1.3工作安排 3
2 系统分析 3
2.1 无刷直流电机概念 4
2.2 直流电动机调速原理 5
2.3霍尔传感器 6
3硬件设计与选择 7
3.1硬件系统框图 7
3.2控制方式 8
3.3单片机 9
3.4无刷直流电机 11
3.5电路供电电源 12
3.6驱动电路 12
3.7输入设备 14
3.8显示模块 14
3.9 电流电压检测电路 16
4 电路仿真 19
4.1软件设计 19
4.2 Proteus仿真 22
4.3 Proteus波形图 23
5 硬件调试 23
5.1设计过程中遇到的问题 23
5.2实物图片 24
5.3实物调试 25
5.4测试结论 29
结 论 30
致 谢 31
参 考 文 献 32
1 绪论
1.1 课题研究背景
随着时代的变迁与科学技术的迅猛发展，电力电子技术和磁性材料的发展，使永磁直流无刷电机在机电产品集成方面的应用越来越普遍。特别是大功率直流无刷电机在工业领域上的应用具有比直 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
流有刷电机更大的优势．无刷直流电机放弃了传统的机械换向，采用了电子换向，电动机不仅具有结构简单、操作可靠、维修方便等优点，而且具有高效、无励磁损耗和简单调速方法的优点。电机作为驱动的重要装置，在很多工业上都得到了广泛的应用。电机通过电能接入，然后通过线圈磁场产生电磁力，最终拖动电机进行旋转，从而实现机械能的输出。由于对于电机的使用要求越来越多，市场上的电机种类也越来越多，主要分为直流电机和交流电机。直流电机是通过直流电的输入进行控制，可以进行速度以及一些基本参数的控制。交流电机是通过输入交流电进行控制，同样可以进行各种的运行要求的控制。
1.2 课题相关研究现状及前景
有刷直流电动机是最先使用的电动机，它在工农业的各个方面都得到了普遍应用，由于优秀的调速性能，在需求调速的应用方面占有着重要地位，但是有刷直流电机采用的是机械换向，因此其使用范围得到了很大的限制。直流有刷电机的电刷和换向器会产生机械接触，从而使器件磨损，影响电机的使用寿命，而且有刷电机的噪声也是极大的缺点，另外，电刷与换向器接触时，可能会产生火花，因此，限制了其在一些场合上的运用。更重要的是有刷直流电机的结构复杂。[18]
在近几年，随着科学技术的快速发展，半导体技术得到了质的飞跃，开关型晶体管的制作成功使新型无刷直流电机得到巨大的发展。1955年，科学家第一次建议舍弃机械换相，并且在多次尝试后终于成功的用电子换向电路代替了机械换向，在技术的快速发展下，位置传感器出现了多种类型，如霍尔式传感器、光电式和磁电耦合式。之后，一些无位置传感器的电动机也相继被发明出来，让电机的类型变得越来越多样化。
无刷直流电动机不仅具有调速和起动性能良好，还具有异步电动机结构简单等优点，因其的高可靠性，在电机的调速领域得到了普遍应用。在电机转速控制领域，很多方面数字调速系统已经代替了模拟调速系统。基于单片机的无刷直流电机控制系统在国内外的发展还是比较乐观的。早期的时候电机控制系统都是采用一些基本的逻辑电路，没有采用单片机类似的控制芯片，使得直流电机的控制非常的麻烦，并且控制的精度也不高。随着半导体器件的发展，可编程的逻辑器件渐渐走向市场，使得控制系统变得更加的灵活[911]。本文基于单片机的电机控制系统就是可编程的逻辑器件为控制核心的，也是当前控制系统的核心原件。对于控制系统的研究，在国内外早就开始了，从刚开始的开环控制系统到闭环控制系统，使得控制系统越来越完善。同时也促进了各种智能芯片控制系统的发展。单片机作为当前可编程半导体元件使用最普遍的元件，开发的难度低，成本也低，并且功能也比较强大。如今很多的智能设备中都用到了该类芯片，使得控制的更加方便、快捷。对于单片机的控制而言，只需要采用简单的C语言就能进行控制，通过各个引脚的编程，可以直接对硬件进行输入输出的操作，因此对与硬件控制比较直接。通过单片机对控制系统进行设计，可以有很多的好处，也是当前控制系统中的主流设计。对于控制系统的软件设计方面会使用到许多算法，尤其是在复杂的控制系统中，会用到一些智能的算法对控制系统的运行进行设计。本文对于无刷直流电机的控制也用到了一些简单的算法，例如电机的转速控制以及转向调节都用到了相应的算法，可以让系统的控制更加的方便，对于单片机内部进行程序的设计，从而实现控制的要求。对于系统控制也是需要一些常见的硬件方面的知识，例如单片机最小系统的设计以及一些常见的外围电路，都需要进行学习，达到软硬结合。对于本设计所涉及到的知识来说在控制领域的发展还是非常有意义的因为本文所设计的系统基本的控制，也是底层的控制。从最基本的方面进行研究是很有意义的，他可以从系统的组成到整体的构架进行设计，可以让我们对控制系统的设计更有基础性。因此本文的设计可以从基础性的东西进行系统的设计，同时在研究的过程中也是可以积累大量的经验，在今后的系统的设计中也可以运用到。从本文的设计思路以及设计的内容上可以看出无刷直流电机还有着很大的发展前景，在本次课题研究中可以提升个人的综合开发的能力水平，这是一个很有意义的研究课题[1215]。
1.3 工作安排
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