单片机的无刷直流电机控制系统设计软件子系统
电动机与我们的生活生产乃至我们的衣食住行等方方面面都息息相关。生产运输、机械设程序备、医疗卫生、家用电器等都离不开电动机。据统计，我国有九成以上的动力是依靠电动机来实现的，而我国发电总量有六成左右是用在电动机上面。由此可见，电动机对我们的生活的方方面面都有着重要的作用。无刷直流电机最大的特点就是采用电子换向取代机械换向，克服所带来的寿命短暂，火花和噪声危害的缺点，同时降低了成本，使电机的维护变得简单。本文从系统分析，硬件设计，软件设计以及仿真分析四个方面阐述“基于51单片机的无刷直流电机控制系统设计”。本文系统的介绍了无刷直流电机的基本结构和无刷直流电机的基本概念，设计采用的一些硬件，并详细的说明了软件部分的程序。关键词 无刷直流电机、电子换向、软件部分目 录
1 绪论 1
1.1 无刷直流电机的背景 1
1.2 无刷直流电机控制系统的研究意义 1
1.3 国内外的研究现状 2
1.4 内容章节概述 2
2 无刷直流电机的结构与原理 3
2.1 无刷直流电机的基本结构 3
2.2 无刷直流电机的工作原理 4
2.3 无刷直流电动机的运行特性 6
2.4 无刷直流电机的数学模型 8
3 硬件设计 9
3.1 硬件系统框图 9
3.2 控制方式 10
3.3 单片机选择与电机的参数 11
3.4 电路供电电源的选择 11
3.5 输入设备的选择 12
3.6 显示模块选择 12
3.7 整体电图设计 13
4 软件设计 13
4.1 按键及其消抖 14
4.2 键盘控制程序 16
4.3 1602 LCD液晶显示器 17
4.4 定时/计数器 20
4.5 PWM调速 24
4.6 电流保护 25
4.7 主函数程序 27
5 仿真分析 30
结 论 32
参 考 文 献 33
致 谢 34
附录：程序代码 35
1 绪论
/> 4.3 1602 LCD液晶显示器 17
4.4 定时/计数器 20
4.5 PWM调速 24
4.6 电流保护 25
4.7 主函数程序 27
5 仿真分析 30
结 论 32
参 考 文 献 33
致 谢 34
附录：程序代码 35
1 绪论
1.1 无刷直流电机的背景
从之前的电气时代，一直到现在的信息时代，电动机与我们的生活生产乃至我们的衣食住行等方方面面都息息相关。生产运输、机械设备、医疗卫生、家用电器等都离不开电动机。
据统计，我国有九成以上的动力是依靠电动机来实现的，而我国发电总量有六成左右是用在电动机上面。由此可见，电动机对我们的生活的方方面面都有着重要的作用。
无刷直流电动机（Brushless DC Motor，BLDCM）是指无机械电刷和换向器的直流电动机，也称为无换向直流电动机。无刷直流电机具有工作可靠，结构简单，无励磁损耗，效率高，效率高的优点[1]。
无刷直流电机最大的特点就是采用电子换向取代机械换向，克服所带来的寿命短暂，火花和噪声危害的缺点，同时降低了成本，使电机的维护变得简单。但而现在无刷直流电机应用于各个领域：如车辆的驱动、家用电器的驱动、计算机的驱动医疗器械、化工等等。
无刷直流电动机的基本思想的起源于1917年，是由Boliger最先提出的。从二十世纪30年代初，人们开始研究用电子换相来代替机械换相的无刷直流电机，但一直没有深入的研究。到了1955年，美国人哈里森等人使用换向电路来代替又刷直流电机的机械换向，这便是最初的无刷直流电机。直到1978年，人们开始增加了直流无刷电机的研究，终于研制出方波和正弦波直流无刷电机。如今，无刷直流电机的研究已经取得了良好的效果，提高了电机的效率[2]。
1.2 无刷直流电机控制系统的研究意义
在现代社会中，电力是最常用和最普遍的二次能量。作为机械能和电能转换装置，在电机已经开发了一个多世纪，已经在现代社会和国家经济的各个领域被广泛应用[3]。
为了适应不同的应用，不同的电机慢慢开始出现，其中包括直流电机、异步电机、同步电机和各种其他类型的电机，其容量小到几毫瓦，大到百万千瓦[4]。直流电动机被广泛应用于各种驱动装置和服务器系统中，是由于其良好的调速性能，机械性能，控制简单，效率高，良好的动态特性的特点。
但是，传统直流电机均采用电刷以机械方式换向，导致其结构复杂，可靠性差，变化产生的接触电阻、火花、噪音等一系列问题，影响了直流电动机的调速精度和性能而且它的制造成本高，并且维持困难。因此，长期以来人们一直在寻找一种不用电刷和换向器的直流电动机[5]。
1.3 国内外的研究现状
20世纪70年代开始，我国就已经开始的对无刷直流电机的研究，但由于适用领域少，需求量小，所以对无刷直流电机的研究比较缓慢。
直到20世纪90年代，我国对无刷直流电机的研究才略有起步。因此，带有无刷直流电机的一系列高新技术产品在质量、产量等方面与国际先进水平还有很大的差距。
目前，我国在小功率无刷直流电机上已经从科学研究转型投向了生产工艺上，但在大功率无刷直流电机的研究或大批量生产的生产单位发展并不快。
在日本、德国等无刷电机的主要生产国在无刷直流电机的研究、生产以及应用方面取得了极大的成就。他们的无刷直流电机的年产量超过千万台，而且在大功的无刷直流电机率方面已经能达到10万W的功率。
目前我国的无刷直流电机的市场已经处在开发的阶段，相信有着极好的发展前景。现在已经有许多公司正在积极的研制和开发，而随着科学技术的发展，对无刷电机的需求也会不断增加，这也会进一步促进我国在无刷电机上的开发与生产[6]。
1.4 内容章节概述
本文从系统分析，硬件设计，软件设计以及仿真分析四个方面阐述“基于51单片机的无刷直流电机控制系统设计”。
开始说明了无刷直流电机的基本结构和无刷直流电机的基本概念，首先介绍了无刷直流电机的基本结构和其工作原理，接着介绍了无刷直流电机的运行特性包括机械特性和调速特性，简要说明了无刷直流电机的数学模型。
接着简要说明了设计采用的一些硬件，包括设计采用的单片机型号，电动机的参数，显示模块的选择，电路控制方式，电路供电电源的选择，输入设备的选择。同时还介绍了硬件的系统框图和整体的电路设计。
软件设计方面是本文介绍的重点部分。首先介绍了按键及其消抖，主要包括按键原理以及消抖原理。接着介绍了键盘功能及其控制程序。然后详细的叙述了LCD液晶显示器，包括它的基本组成，引脚功能以及它的模块指令。接着叙述了利用定时/计数器实现的换向，包括定时/计数器的组成、工作原理以及它的工作方式详细的介绍了如何使用定时/计数器是如何实现的换向。然后介绍了PWM调速，包括它的调制原理以及详细的介绍了在程序中如何利用PWM调速。接着阐述了电流保护程序。最后介绍了主程序的流程。
文章最后用仿真测试说明程序的可行性。
2 无刷直流电机的结构与原理
2.1 无刷直流电机的基本结构
无刷直流电机是由电动机本体、转子位置传感器以及开关电路即电子换向电路（包括控制电路以及驱动电路）三大部分组成。
它的基本原理是通过检测转子位置的转子位置传感器的输出信号
1 绪论 1
1.1 无刷直流电机的背景 1
1.2 无刷直流电机控制系统的研究意义 1
1.3 国内外的研究现状 2
1.4 内容章节概述 2
2 无刷直流电机的结构与原理 3
2.1 无刷直流电机的基本结构 3
2.2 无刷直流电机的工作原理 4
2.3 无刷直流电动机的运行特性 6
2.4 无刷直流电机的数学模型 8
3 硬件设计 9
3.1 硬件系统框图 9
3.2 控制方式 10
3.3 单片机选择与电机的参数 11
3.4 电路供电电源的选择 11
3.5 输入设备的选择 12
3.6 显示模块选择 12
3.7 整体电图设计 13
4 软件设计 13
4.1 按键及其消抖 14
4.2 键盘控制程序 16
4.3 1602 LCD液晶显示器 17
4.4 定时/计数器 20
4.5 PWM调速 24
4.6 电流保护 25
4.7 主函数程序 27
5 仿真分析 30
结 论 32
参 考 文 献 33
致 谢 34
附录：程序代码 35
1 绪论
/> 4.3 1602 LCD液晶显示器 17
4.4 定时/计数器 20
4.5 PWM调速 24
4.6 电流保护 25
4.7 主函数程序 27
5 仿真分析 30
结 论 32
参 考 文 献 33
致 谢 34
附录：程序代码 35
1 绪论
1.1 无刷直流电机的背景
从之前的电气时代，一直到现在的信息时代，电动机与我们的生活生产乃至我们的衣食住行等方方面面都息息相关。生产运输、机械设备、医疗卫生、家用电器等都离不开电动机。
据统计，我国有九成以上的动力是依靠电动机来实现的，而我国发电总量有六成左右是用在电动机上面。由此可见，电动机对我们的生活的方方面面都有着重要的作用。
无刷直流电动机（Brushless DC Motor，BLDCM）是指无机械电刷和换向器的直流电动机，也称为无换向直流电动机。无刷直流电机具有工作可靠，结构简单，无励磁损耗，效率高，效率高的优点[1]。
无刷直流电机最大的特点就是采用电子换向取代机械换向，克服所带来的寿命短暂，火花和噪声危害的缺点，同时降低了成本，使电机的维护变得简单。但而现在无刷直流电机应用于各个领域：如车辆的驱动、家用电器的驱动、计算机的驱动医疗器械、化工等等。
无刷直流电动机的基本思想的起源于1917年，是由Boliger最先提出的。从二十世纪30年代初，人们开始研究用电子换相来代替机械换相的无刷直流电机，但一直没有深入的研究。到了1955年，美国人哈里森等人使用换向电路来代替又刷直流电机的机械换向，这便是最初的无刷直流电机。直到1978年，人们开始增加了直流无刷电机的研究，终于研制出方波和正弦波直流无刷电机。如今，无刷直流电机的研究已经取得了良好的效果，提高了电机的效率[2]。
1.2 无刷直流电机控制系统的研究意义
在现代社会中，电力是最常用和最普遍的二次能量。作为机械能和电能转换装置，在电机已经开发了一个多世纪，已经在现代社会和国家经济的各个领域被广泛应用[3]。
为了适应不同的应用，不同的电机慢慢开始出现，其中包括直流电机、异步电机、同步电机和各种其他类型的电机，其容量小到几毫瓦，大到百万千瓦[4]。直流电动机被广泛应用于各种驱动装置和服务器系统中，是由于其良好的调速性能，机械性能，控制简单，效率高，良好的动态特性的特点。
但是，传统直流电机均采用电刷以机械方式换向，导致其结构复杂，可靠性差，变化产生的接触电阻、火花、噪音等一系列问题，影响了直流电动机的调速精度和性能而且它的制造成本高，并且维持困难。因此，长期以来人们一直在寻找一种不用电刷和换向器的直流电动机[5]。
1.3 国内外的研究现状
20世纪70年代开始，我国就已经开始的对无刷直流电机的研究，但由于适用领域少，需求量小，所以对无刷直流电机的研究比较缓慢。
直到20世纪90年代，我国对无刷直流电机的研究才略有起步。因此，带有无刷直流电机的一系列高新技术产品在质量、产量等方面与国际先进水平还有很大的差距。
目前，我国在小功率无刷直流电机上已经从科学研究转型投向了生产工艺上，但在大功率无刷直流电机的研究或大批量生产的生产单位发展并不快。
在日本、德国等无刷电机的主要生产国在无刷直流电机的研究、生产以及应用方面取得了极大的成就。他们的无刷直流电机的年产量超过千万台，而且在大功的无刷直流电机率方面已经能达到10万W的功率。
目前我国的无刷直流电机的市场已经处在开发的阶段，相信有着极好的发展前景。现在已经有许多公司正在积极的研制和开发，而随着科学技术的发展，对无刷电机的需求也会不断增加，这也会进一步促进我国在无刷电机上的开发与生产[6]。
1.4 内容章节概述
本文从系统分析，硬件设计，软件设计以及仿真分析四个方面阐述“基于51单片机的无刷直流电机控制系统设计”。
开始说明了无刷直流电机的基本结构和无刷直流电机的基本概念，首先介绍了无刷直流电机的基本结构和其工作原理，接着介绍了无刷直流电机的运行特性包括机械特性和调速特性，简要说明了无刷直流电机的数学模型。
接着简要说明了设计采用的一些硬件，包括设计采用的单片机型号，电动机的参数，显示模块的选择，电路控制方式，电路供电电源的选择，输入设备的选择。同时还介绍了硬件的系统框图和整体的电路设计。
软件设计方面是本文介绍的重点部分。首先介绍了按键及其消抖，主要包括按键原理以及消抖原理。接着介绍了键盘功能及其控制程序。然后详细的叙述了LCD液晶显示器，包括它的基本组成，引脚功能以及它的模块指令。接着叙述了利用定时/计数器实现的换向，包括定时/计数器的组成、工作原理以及它的工作方式详细的介绍了如何使用定时/计数器是如何实现的换向。然后介绍了PWM调速，包括它的调制原理以及详细的介绍了在程序中如何利用PWM调速。接着阐述了电流保护程序。最后介绍了主程序的流程。
文章最后用仿真测试说明程序的可行性。
2 无刷直流电机的结构与原理
2.1 无刷直流电机的基本结构
无刷直流电机是由电动机本体、转子位置传感器以及开关电路即电子换向电路（包括控制电路以及驱动电路）三大部分组成。
它的基本原理是通过检测转子位置的转子位置传感器的输出信号
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