单片机的无刷直流电机控制系统设计硬件子系统(附件)
本文首先论述了无刷直流电机的基本结构、工作原理、数学模型、控制方法。根据设计要求，选用STC12C5A60S2单片机作为主控芯片。根据了无刷直流电机的特点和51单片机的性能，提出了基于单片机技术的有位置传感器的控制方案，并利用PWM（脉宽调制）实现开环调速。以57BL55S06-230TF0型号电机为基础，硬件部分先做了整体设计，然后着重论述了几个主要模块的电路设计。最后给出了控制系统实际运行时的实验测试情况，并对实验结果进行了分析。功能上可实现：转速设定、电机正反转、启停、相关参数LCD显示、过压过流保护、堵转保护功能。实验结果表明基于51单片机的无刷直流电机控制系统可以使电机稳定运行。关键词 无刷直流电机，51单片机，控制，PWM 目 录
1 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2研究意义 1
1.3国内外发展现状 2
1.4内容安排 3
2 无刷直流电机原理分析 4
2.1 无刷直流电机的基本结构 4
2.1.1电机本体 4
2.1.2转子位置传感器 5
2.1.3开关电路 5
2.2无刷直流电机的工作原理 6
2.2.1基本工作原理 6
2.2.2主回路的构成 9
2.3无刷直流电机的数学模型 10
2.3.1电流与转矩方程 10
2.3.2电流与控制电压方程 10
2.3.3负载转矩和转速方程 11
2.3.4传递函数 11
2.4无刷直流电机的调速控制 12
2.4.1PWM调速原理 12
2.4.2无刷直流电机的控制策略 13
2.5小结 13
3 控制系统的硬件设计 14
3.1总体设计方案 14
3.1.1控制芯片的选择 14
3.1.2电机选择 14
3.1.3硬件系统框图 15
3.2驱动电路设计 16
3.2.1场效应管选择 16
3.2.2逆变电路设计 16
3.2.3半桥驱动 17
3.3外围电
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> 3 控制系统的硬件设计 14
3.1总体设计方案 14
3.1.1控制芯片的选择 14
3.1.2电机选择 14
3.1.3硬件系统框图 15
3.2驱动电路设计 16
3.2.1场效应管选择 16
3.2.2逆变电路设计 16
3.2.3半桥驱动 17
3.3外围电路设计 18
3.3.1单片机最小系统 18
3.3.2供电电路的设计 19
3.3.3与门电路设计 20
3.3.4输入模块设计 21
3.3.5显示模块设计 22
3.4电压、电流检测电路 22
3.4.1电流检测电路设计 22
3.4.2电压检测电路设计 23
3.5小结 24
4 硬件实验 24
4.1PWM波形 24
4.2霍尔位置信号与相电压波形 25
4.3相电压、相电流波形 26
4.4小结 27
总结 28
致谢 29
参考文献 30
附录A 31
附录B 33
1 绪论
1.1研究背景
近年来全世界经济以及科技水平迅猛提升，各式各样的电机在人们的生活生产过程中扮演着越来越重要的角色。统计数据显示，我国六成至七成的发电总量消耗在各类电动机上[1]，由此可见高性能的电机及其控制系统对各个行业产业都有着极大的作用。
电机控制系统最初被分为直流电机系统和交流电机系统。电机控制系统中的核心部件就是电动机，长期以来，驱动装置和伺服控制系统中基本都采用直流电动机，主要原因在于与交流电动机相比，直流电动机具有更加优越的调速性能，结构更加简单的控制系统。但是，直流电动机采用机械换向器，可靠性差，容易产生火花和电磁干扰；长期使用的电刷需要维护或更换；严重限制了直流电动机的应用场合。
上世纪七十年代，一种代替传统有刷直流电机的新型电机问世，这种无刷直流电机在各行各业被迅速推广并在商业上取得了巨大成功 [2]。
无刷电机的永磁体部分由稀土材料制成，?我国的稀土资源含量占全世界总量八成以上，这在资源基础上保证了无刷电机的发展与推广 [3~4]。
无刷电机的控制手段主要分为两种：第一种是针对控制要求，设计出专用的集成电路来进行控制，这种方法可以有效减少硬件设备的投入成本，装置的可靠性明显提高，缺点是灵活性不足。另一种方法是运用单片机或者微处理器作为核心器件再结合周围辅助电路对电机进行控制，其特点是根据要求给出灵活的解决方案，而且成本不高，但需要另外编写程序 [5~6]。
目前，市场上可以见到的无刷直流电机控制器主要采用专用集成电路为主控芯片，此类产品的电机主要是有感无刷电机，按照无刷直流电机的控制要求，位置传感器输出转子位置信号，来确定驱动电路换相的顺序，达到控制电机的目的 [7~10]。
1.2研究意义
无刷直流电机有着诸多优点，所以在各行各业被大范围使用，而传统的电机则被淘汰。无论是高科技的航天航海、军事领域，还是和人们生活息息相关的电子产品、家电、电动车，到处都可以见到无刷直流电机的存在。无刷直流电机与传统有刷直流电机的优缺点主要如表1-1所示：
表1-1 无刷直流电机与传统有刷直流电机优缺点
电机
优点
缺点
无刷直流电机
电子换相，寿命长
低频换相时略有震动
高效节能、空载低功耗
造价成本较高，需要配套装置
体积小
可能形成共振
传统有刷直流电机
调速无振动
结构上需要碳刷
发热低，性能可靠
碳刷磨损、磁体消磁影响寿命
成本低廉，被市场认可
效率较低、体积较大
例如最常见的PC硬件，其光驱、机械硬盘、独显风扇部分都运用到了无刷直流电机。在元器件高度集成的空间里对无刷电机的功耗、体积、性能都有着十分高的要求。
在家用电器领域，如洗衣机、冰箱、空调等产品中，传统使用的异步电机存在诸多缺陷，性能优异的无刷直流电机正逐步将其淘汰。家电产品提倡能耗比、低碳排放、坚固耐用、质量可靠，无刷电机的优势可以满足这些要求，其良好的降噪、体积小、低返修率等特点深受用户青睐[11~12]。
从以上内容可以得出，无刷直流电机的研究有着非常重要的意义。
1.3国内外发展现状
1955年美国D．Harrison等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利，标志着现代无刷电动机的诞生。而电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段，是在1978年的MAC经典无刷直流电动机及其驱动器的推出。之后，国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究，先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。20多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展。无刷直流电动机已经不是专指具有电子换相的直流电机，而是泛指具有有刷直流电动机外部特性的电子换相电机[5]。
纵观各个国家地区近年来对无
1 绪论 1
1.1研究背景 1
1.2研究意义 1
1.3国内外发展现状 2
1.4内容安排 3
2 无刷直流电机原理分析 4
2.1 无刷直流电机的基本结构 4
2.1.1电机本体 4
2.1.2转子位置传感器 5
2.1.3开关电路 5
2.2无刷直流电机的工作原理 6
2.2.1基本工作原理 6
2.2.2主回路的构成 9
2.3无刷直流电机的数学模型 10
2.3.1电流与转矩方程 10
2.3.2电流与控制电压方程 10
2.3.3负载转矩和转速方程 11
2.3.4传递函数 11
2.4无刷直流电机的调速控制 12
2.4.1PWM调速原理 12
2.4.2无刷直流电机的控制策略 13
2.5小结 13
3 控制系统的硬件设计 14
3.1总体设计方案 14
3.1.1控制芯片的选择 14
3.1.2电机选择 14
3.1.3硬件系统框图 15
3.2驱动电路设计 16
3.2.1场效应管选择 16
3.2.2逆变电路设计 16
3.2.3半桥驱动 17
3.3外围电
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: 3_5_1_9_1_6_0_7_2
> 3 控制系统的硬件设计 14
3.1总体设计方案 14
3.1.1控制芯片的选择 14
3.1.2电机选择 14
3.1.3硬件系统框图 15
3.2驱动电路设计 16
3.2.1场效应管选择 16
3.2.2逆变电路设计 16
3.2.3半桥驱动 17
3.3外围电路设计 18
3.3.1单片机最小系统 18
3.3.2供电电路的设计 19
3.3.3与门电路设计 20
3.3.4输入模块设计 21
3.3.5显示模块设计 22
3.4电压、电流检测电路 22
3.4.1电流检测电路设计 22
3.4.2电压检测电路设计 23
3.5小结 24
4 硬件实验 24
4.1PWM波形 24
4.2霍尔位置信号与相电压波形 25
4.3相电压、相电流波形 26
4.4小结 27
总结 28
致谢 29
参考文献 30
附录A 31
附录B 33
1 绪论
1.1研究背景
近年来全世界经济以及科技水平迅猛提升，各式各样的电机在人们的生活生产过程中扮演着越来越重要的角色。统计数据显示，我国六成至七成的发电总量消耗在各类电动机上[1]，由此可见高性能的电机及其控制系统对各个行业产业都有着极大的作用。
电机控制系统最初被分为直流电机系统和交流电机系统。电机控制系统中的核心部件就是电动机，长期以来，驱动装置和伺服控制系统中基本都采用直流电动机，主要原因在于与交流电动机相比，直流电动机具有更加优越的调速性能，结构更加简单的控制系统。但是，直流电动机采用机械换向器，可靠性差，容易产生火花和电磁干扰；长期使用的电刷需要维护或更换；严重限制了直流电动机的应用场合。
上世纪七十年代，一种代替传统有刷直流电机的新型电机问世，这种无刷直流电机在各行各业被迅速推广并在商业上取得了巨大成功 [2]。
无刷电机的永磁体部分由稀土材料制成，?我国的稀土资源含量占全世界总量八成以上，这在资源基础上保证了无刷电机的发展与推广 [3~4]。
无刷电机的控制手段主要分为两种：第一种是针对控制要求，设计出专用的集成电路来进行控制，这种方法可以有效减少硬件设备的投入成本，装置的可靠性明显提高，缺点是灵活性不足。另一种方法是运用单片机或者微处理器作为核心器件再结合周围辅助电路对电机进行控制，其特点是根据要求给出灵活的解决方案，而且成本不高，但需要另外编写程序 [5~6]。
目前，市场上可以见到的无刷直流电机控制器主要采用专用集成电路为主控芯片，此类产品的电机主要是有感无刷电机，按照无刷直流电机的控制要求，位置传感器输出转子位置信号，来确定驱动电路换相的顺序，达到控制电机的目的 [7~10]。
1.2研究意义
无刷直流电机有着诸多优点，所以在各行各业被大范围使用，而传统的电机则被淘汰。无论是高科技的航天航海、军事领域，还是和人们生活息息相关的电子产品、家电、电动车，到处都可以见到无刷直流电机的存在。无刷直流电机与传统有刷直流电机的优缺点主要如表1-1所示：
表1-1 无刷直流电机与传统有刷直流电机优缺点
电机
优点
缺点
无刷直流电机
电子换相，寿命长
低频换相时略有震动
高效节能、空载低功耗
造价成本较高，需要配套装置
体积小
可能形成共振
传统有刷直流电机
调速无振动
结构上需要碳刷
发热低，性能可靠
碳刷磨损、磁体消磁影响寿命
成本低廉，被市场认可
效率较低、体积较大
例如最常见的PC硬件，其光驱、机械硬盘、独显风扇部分都运用到了无刷直流电机。在元器件高度集成的空间里对无刷电机的功耗、体积、性能都有着十分高的要求。
在家用电器领域，如洗衣机、冰箱、空调等产品中，传统使用的异步电机存在诸多缺陷，性能优异的无刷直流电机正逐步将其淘汰。家电产品提倡能耗比、低碳排放、坚固耐用、质量可靠，无刷电机的优势可以满足这些要求，其良好的降噪、体积小、低返修率等特点深受用户青睐[11~12]。
从以上内容可以得出，无刷直流电机的研究有着非常重要的意义。
1.3国内外发展现状
1955年美国D．Harrison等人首次申请了用晶体管换相电路代替机械电刷的专利，标志着现代无刷电动机的诞生。而电子换相的无刷直流电动机真正进入实用阶段，是在1978年的MAC经典无刷直流电动机及其驱动器的推出。之后，国际上对无刷直流电动机进行了深入的研究，先后研制成方波无刷电机和正弦波直流无刷电机。20多年以来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术特别是大功率开关器件的发展，无刷电动机得到了长足的发展。无刷直流电动机已经不是专指具有电子换相的直流电机，而是泛指具有有刷直流电动机外部特性的电子换相电机[5]。
纵观各个国家地区近年来对无
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