无感无刷直流电机智能控制器

CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY 毕毕 业业 设设 计计 说说 明明 书书 题目题目：无感无刷直流电机智能控制器 二级学院： 电子信息与电气工程学院 专 业： 自动化 班级： 10 自 2 学生姓名： 龚帅 学号： 10020608 指导教师： 王雁平 职称： 副教授 评阅教师： 职称： 2014 年 6 月 SJ005-1 常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书 摘要摘要 当今社会，随着人们生活水平的提高和现代化生产的发展，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，而电机作为执行元件的重要 组成部分，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。 无刷直流电机易于维修和护理，它的控制电路也很简单 ，更重要的是它拥有很高 的工作效率，而且能够节约能源，因此，众多调速系统中都应用到了无刷直流电机。 但是传统的无刷电机在应用范围上 所需的受到了其转子位置传感器在一定程度上 的限 制，因此，无刷直流电机的 无位置传感器控制技术的推广应用具有很广阔的前景。 本文主要是利用反电势过零检测法控制无位置传感器直流无刷电机，而且由于 单 片机 STC89C52 具有数字信号处理器运算快、外围电路少、系统组成简单、可靠的特 点，因此，本次设计将会运用 单片机作为最小控制系统，实现直流无刷电机的正转， 反转,调速和停止，并运用LCD1602液晶显示屏显示无刷直流电机的 状态。 关关键键词词：LCD1602液晶显示屏；单片机STC89C52；直流无刷电机；反电势法 常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书 Abstract In the modern society, as peoples living standards improve and modernize production, household appliances, industrial robots and other equipment are increasingly tend to be high efficiency, small size and high intelligence, as the implementation of components An important component of the motor must have a high accuracy, speed, high efficiency, brushless DC motor and therefore the application is also growing rapidly. Brushless DC motors(BLDCM)have many adyantages .For example high efficiency，ease of control , low maintenance and so on .So it has been widely used in speed control systems .However，mechanical rotor position sensor restricts its practical application to some extent，SO more and more sensorless control techniques have been developed now，Especially in domestic，this technique is just in the beginning stage，because of the wide application,the sensorless control of BLDCM has bright prospective This paper mainly use back EMF detection to control sensorless BLDCM,STC89c51 has the advantage of fast operation,less peripheral circuitAnd simple structure,so ,this paper use STC89c51 as control system to realize the function of reversal,speed regulation and stop.In addition,I will use LCD to show the state of BLDCM. Keywords:LCD1602;STC89C52;BLDCM; back EMF detection 常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书 I 目录目录 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1.11.1 无刷直流电机无刷直流电机 1 1 1.1.11.1.1 无刷直流电机的发展无刷直流电机的发展 1 1 1 1. .2 2 无无刷刷直直流流电电动动机机的的工工作作原原理理 2 2 1 1. .2 2. .1 1 无无刷刷直直流流电电机机的的控控制制方方法法 3 3 1 1. .3 3 无无传传感感器器的的转转子子位位置置检检测测法法的的产产生生 3 3 1.41.4 本章小结本章小结 3 3 第二章第二章 设计方案设计方案 4 4 2.12.1 总体设计方案总体设计方案 4 4 2.22.2 总体设计总体设计 4 4 2 2. .3 3 无无感感无无刷刷电电机机驱驱动动器器的的设设计计 5 5 2 2. .3 3. .1 1 转转子子位位置置检检测测电电路路 5 5 2 2. .3 3. .2 2 转转子子位位置置检检测测方方法法的的选选择择 5 5 2 2. .3 3. .3 3 反反电电动动势势法法 5 5 2 2. .3 3. .4 4 反反电电动动势势过过零零检检测测法法原原理理 6 6 2 2. .3 3. .5 5 驱驱动动电电路路芯芯片片的的选选择择 8 8 2.42.4 调速方式的选择调速方式的选择 8 8 2.4.12.4.1 脉宽调制技术的原理脉宽调制技术的原理 8 8 第三章第三章 系统硬件系统硬件 1010 3.13.1 硬件总体说明硬件总体说明 1010 3 3. .2 2 硬硬件件电电路路总总原原理理图图 1010 3 3. .3 3 主主控控电电路路1010 3.3.13.3.1 5151 单片机简介单片机简介 1010 3.3.23.3.2 时钟电路时钟电路 1212 3.3.33.3.3 复位电路复位电路 1212 3.43.4 驱动器模块驱动器模块 1212 3.4.13.4.1 三相桥式逆变电路三相桥式逆变电路 1313 3.4.23.4.2 驱动门电路驱动门电路 1414 3.4.33.4.3 反电动势过零点检测电路反电动势过零点检测电路 1616 常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书 II 3.53.5 显示器模块显示器模块 1717 3.5.13.5.1 LCD1602LCD1602 的引脚说明的引脚说明 1717 3.5.23.5.2 LCD1602LCD1602 各寄存器介绍各寄存器介绍 1818 3.63.6 按键模块按键模块 1919 3.73.7 ADAD 转换电路转换电路 1919 3.83.8 电源模块电源模块 2020 3.8.13.8.1 电源模块总框图电源模块总框图 2020 3 3. .8 8. .2 2 器器件件选选择择 2121 3.93.9 本章小节本章小节 2222 4.14.1 主程序流程图主程序流程图 2323 4.2.14.2.1 转速测量转速测量原理原理 2525 4.2.24.2.2 单片机测速程序设计思路及过程单片机测速程序设计思路及过程 2626 4.34.3 按键扫描及处理流程图按键扫描及处理流程图 2727 4.44.4 液晶显示流程图液晶显示流程图 2828 4.54.5 本章小结本章小结 2828 第五章第五章 系统调试系统调试 2929 5.15.1 硬件调试硬件调试 2929 5 5. .1 1. .1 1 键键盘盘模模块块的的调调试试 2929 5 5. .1 1. .2 2 液液晶晶显显示示的的调调试试 3030 5.25.2 软件调试软件调试 3030 5 5. .3 3 软软硬硬联联调调 3131 5.45.4 测试结果测试结果 3131 5.55.5 本章小结本章小结 3232 致致谢谢 33 参参考考文文献献 .34 附录附录 1 1 程序清单程序清单35 附录附录 2 2 电路图电路图 .46 附录附录 3 3 实物图实物图 .49 第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 无刷直流电机无刷直流电机 1.1.11.1.1 无刷直流电机的发展无刷直流电机的发展 从名称上就可以看出无刷直流电机是从有刷直流电机上发展而来 。19世纪40年代 为了适应工业生产要求调速性能优良的电机的需要，有刷电机诞生了并且一直 被广泛 的应用,但是随着有刷电机广泛应用，它的缺点也不断的暴露出来，如应用环境要求较 高，而且还需要定期的维护与修理，大大的降低了工业生产的效率，更糟糕的是有刷 电机在运转时机械换相装置易产生换相火花 和电磁干扰等问题，而无刷电机的诞生便 弥补了有刷电机的一些问题， 无刷电机没有机械换相装置 ，所以无需担心换相火花问 题，而且这种无刷电机也具备了优良的调速性能的优点，在以后的工业生产中也将会 被广泛的应用。 无刷直流电机的基本思想的产生是在 1917年，当时，Bolgior就提出了用整流管代 替有刷直流电动机的机械电刷，1955年之后，来自美国的D.Harrison等人更是第一次 提出了将有刷直流电机的机械电刷用晶体管换相线路来代替的专利，而这一专利也意 味着现代的无刷直流电机的产生。 无刷直流电动机在电子电力技术不断进步的大背景下 有了很大的发展，其实无刷 直流电动机在早期发展和推广并不顺利，因为 当时的大功率的开关器件仍然只是处于 发展阶段的初期，而且当时的驱动控制技术水平以及永磁材料的性能也较低这就导致 了当时的无刷直流电动机可靠性差，价格昂贵的问题。 由于这些问题，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，这种局面在1970年以后逐渐得到了改善，由于当时的电力电子半导体工业 有了迅猛的发展，进而诞生了很多的新型的而且是全控型的半导体的功率器件（如 GTR，IGBT等），再加上后面逐渐出现的具有高磁能积性质的永磁材料（如SmCo）， 这些因素促使了无刷直流电动机的迅猛发展。到了1978年，德国（前联邦德国）的 MANNESMANN公司在汉诺威的贸易博览会上正式推出的基于 MAC的无刷直流电动机及 其相关驱器，这一无刷直流电机驱动器 顿时引起了全世界各国的广泛关注，在这之后， 国际上更是燃起了各国科研人员研制无刷直流电机系统以及生产无刷直流电机系统的 热情而且这也意味着无刷直流电机正式的走向了可以投入实用的新阶段。 在无刷直流电机经过实用阶段 之后，无刷直流电动机的特性逐渐的被人们深入的 了解，到了19世纪80年代，人们更是逐渐得完善了无刷直流电动机的理论。1986年， H.R.Bolton系统的全面的总结了无刷直流电动机并且无刷直流电动机的应该着手进行 研究的领域也被指了出来，而H.R.Bolton的这一总结也意味着在理论上，无刷直流电 动机也正在逐渐的走向成熟。 常州工学院电子信息与电气工程学院毕业设计说明书 2 无刷直流电动机的研究对于我国而言起步是算比较晚的。1987 年，联邦德国金属 加工设备展览会在北京成功举办，在博览会上， SIEMENS 和 BOSCH 两公司展出的 永磁自同步伺服系统以及驱动器，这一驱动器的展出也引起了国内相关科研人员的密 切关注，在这之后，国内的相关学者以及机构便开始着手于引进以及研制和开发无刷 直流电动机驱动技术。目前，已有的无刷直流电机的系列在经过我国的一系列努力之 后也有了一定的规模。 1 1. .2 2 无无刷刷直直流流电电动动机机的的工工作作原原理理 无刷直流电动机是从有刷直流电动机的基础上发展而来的，一般的有刷直流电 动机都具有由永久磁钢组成的定子，它主要是用于在电动机的气隙中产生电机运转所 需要的磁场，其电枢绕组在通电后也会产生相应的磁场。因为电刷具有换向的作用， 电机在运行的过程，这两个磁场在方向上是始终保持互相垂直的，进而，驱动电机不 停运转所需要的最大转矩也因此而产生，而无刷直流电动机的内部结构与有刷直流电 机是恰恰相反的，电机的定子上往往摆放着电枢的绕组，而转子上则摆放着永磁钢， 但是由于一般直流电源在给定子上 的各个绕组供电时只能产生无法与由运动中的转子 磁钢所产生的永磁磁场相互作用的 固定的磁场，故用来驱动转子转动的单一方向的转 矩无法产生。所以传统的无刷直流电动机除了有转子和定子组成的电动机本体以外还 要有控制电路，逻辑开关以及位置传感器共同构成的换向装置来驱动电机但是，位置 传感器存在必须占用电动机的一些空间、安装位置对准、需有较多引线、影响可靠性 等缺点。而且在某些应用场合，如压缩机内，若要用无刷直流电动机驱动，高温高压 环境，不允许安 放霍尔元件的，因此便出现了无位置传感器无刷直流电机，无位置 传感器无刷直流电机是指本来在电机的运转的过程中，作为逆变桥功率器件换向导通 时序的转子位置信号不再是由位置传感器的位置信号检测器来提供，而 改由转子位置 检测电路来代替，这种做法即是以提高控制和电路的复杂性来降低电机内部构造的复 杂性。传统有感无刷直流电机和 无位置传感器的无刷直流电机的基本构成框图如图1- 1和1-2所示： 图 1-1 传统无刷电机结构框图 第一章 绪论 3 图 1-2 无感无刷电机结构框图 1 1. .2 2. .1 1 无无刷刷直直流流电电机机的的控控制制方方法法 无刷直流电机由于不存在机械电刷，转动全靠电磁转矩，但是， 电磁转矩存在着 脉动问题，这也影响了无刷直流电机的 的控制性能问题，因此，无刷直流电机在一些 高精度、高稳定性等场合应用度不高，为了抑制转矩脉动的问题并且提高其控制系统 性能，现代无刷电动机一般都采用 脉宽调制（PWM）方式来进行调速。到目前为止 PWM_ON_PWM调制、半桥调制以及全桥调制是具有桥式逆变器结构的无刷直流电机 实现调速的常用的三种调制方式，当采用的PWM调制方式不同时，对系统的影响也 是 不同的。考虑到有些工业生产中要 同时解决半桥调制断开相续流产生负向转矩和全桥 调制开关损耗大的问题，其中的PWM_ON_PWM调制方式是最符合以上要求的一种控 制方式，而且它能消除非导通相的续流现象 ,从而减小电流脉动和转矩脉动，提高 了 系统的控制性能。 1 1. .3 3 无无传传感感器器的的转转子子位位置置检检测测法法的的产产生生 但是，无论采取何种脉宽调制调制方式，无刷直流电机的运行都必须 通过跳跃式 的旋转磁场来驱动转子旋转，而这种跳跃式的磁场恰恰需要依靠正确的转子位置信号 适时给绕组换相来产生。传统无刷直流电机获取转子位置信号的方法主要是采用机电 式的位置传感器进行直接测量的，如位置霍尔传感器、旋转变压器等，而这些位置传 感器对电机的制造工艺要求以及可靠性等都带来了很多不利影响。因此，无刷直流电 机的无位置传感器控制成了 近年来研究的热点。 1.41.4 本章小结本章小结 本章主要讲解了无刷直流电动机的发展，其工作原理，它的主要构成以及无刷直 流电动机的驱动原理，最后主要说明了无刷直流电动机无传感器控制方法的产生，以 及为何其会是以后无刷直流电机驱动研究的热点。 第二章 设计方案 4 第二章第二章 设计方案设计方案 2.12.1 总体设计方案总体设计方案 本从毕业设计主要是利用单片机控制无 位置传感器无刷电机驱动器并且通过按键 来实现无位置传感器无刷直流电机的正反转，启 动与停止以及调速，并能用编码器来 显示无感无刷电机的转速，最后再 使用液晶显示屏作为人机界面 。 2.22.2 总体设计总体设计 系统包括单片机，无感无刷电机驱动 器，编码器，LCD1602 液晶显示屏，电源等。 1单片机是整个系统的核心，在其外围添加了按键，显示器，并连接 无感无刷电机 驱动器来实现无感无刷电机的智能控制。 2无刷电机驱动器主要作用是 确保无刷直流电动机拥有能够正常运转并且可以实现 调速以及正反转的功能，它的工作主要有以下几方面： (1)对 PWM 的调制信号、转子的位置检测电路输出的信号、刹车的信号以及正转 反转的信号进行综合，为其驱动电路提供各开关管的 选通的信号与斩波信号，实 现电机的正转、反转以及其刹车的控制。 (2)产生脉宽调制的信号，让电机的电压随着所给定的速度信号的变化而自动的进 行相应的变化以实现电机的调速功能。 (3)为了确保系统能拥有良好的静态和动态的性能，对电机的速度和电流进行闭环 式的调节， (4)确保系统不出现过流、短路、欠压以及过压等问题。 3编码器的作用是把转速编成电信号并且传到单片机中。. 4LCD1602 液晶显示屏主要是用于显示电机的当前状态。 系统的总体设计框图如图 2-1 所示 常州工学院电子信息电气工程学院毕业设计说明书 5 图 2-1 系统的总体设计框图 2 2. .3 3 无无感感无无刷刷电电机机驱驱动动器器的的设设计计 本次设计的无感无刷电机驱动器的设计中所采用的电路设计分别为三相桥式逆变 电路设计，驱动门电路设计以及转子位置检测电路的设计。其中 ，位置检测电路方式 的选择为本次设计的关键设计部分。 2 2. .3 3. .1 1 转转子子位位置置检检测测电电路路 无位置传感器无刷直流电机的英文简称 Sensorless BLDCM，无刷直流电机的无位 置传感器控制主要是指无刷直流电机在不依靠位置传感器的情况下，依靠转子位置检 测电路来间接的得到角速度以及转子的位置信号等状态量，然后根据这些状态量来切 换逆变器功率管，最终达到定子绕组的换相并且还要使得定子电流在相位上是和反电 势是绝对保持一致为目的的一种控制方式。 2 2. .3 3. .2 2 转转子子位位置置检检测测方方法法的的选选择择 无位置传感器的转子位置检测策略有方法很多种。如反电势法、 三次谐波法、反 电动势积分法、端电压法等。以上列举的各种无传感器的转子位置检测方法，只有反 电动势法是最容易实现的，而在常见几种属于反电势法的转子位置检测法中又以反电 势过零点检测法最容易实现。 2 2. .3 3. .3 3 反反电电动动势势法法 反电动势法的英文简称为Back-EMF，这种方法主要是通过对电枢的反电势进行 检测，进而获得转子的位置的各种信号的控制方法，反电势法又可以分为反电势过零 检测法、反电势积分法以及反电势三次谐波积分检测法等几种比较常见的方法。 (1)反电势过零点检测法 在直流无刷电机中，在绕组上的反电势一般都是正负之间交替变换的，而当某相 的反电势经过零点时，该相绕组的轴线正好是与转子的直轴相互重合的，所以，转子 的若干个关键的位置点在检测到各相的反电势的过零点时就可以确定下来，进而便省 去了转子位置传感器，最终实现无刷直流电机无位置传感器的控制。 这种方法的缺点是：在电机端电压上，不仅仅只有反电动势，而且更有 斩波信号。 这种斩波信号会影响反电势的波形，这样会使得零点变得不明确，导致原本被用来获 得转子的位置的信号无法被检测到。同时，电抗电势（电感电势(Ldi/dt)以及互感电势 (Mdi/dt)）会在绕组进行换相时随着电流变化而产生,因此这时反电势的波形的尖峰脉 冲会在这时出现，而且在整形后的反电动势即方波信号之中可能出现的多个多个零点 在与尖峰电压幅值相差较大的情况下 ，这将会出现不正确的触发最终使得无刷直流电 机无法正常的进行工作。 第二章 设计方案 6 因此，为了刻服上所述的缺点，我们就必须设计出带有优越性能的低通滤波器反 电势检测电路，使其输出的反电动势信号准确 。(2)反电势积分法 反电势积分法主要是指一定要在其关断相上的反电势过零点的情况下就要对它的 绝对值积分，当积分的值等于所设定的阀值时就要立刻停止积分，这个时候我们就可 以得到转子的位置，当定子上的绕组进行换流时，我们要进行换流角的超前控制以改 变这个阀值的方法来实现在高速的情况下要提高转矩的需要。但是，反电动势信号在 低速时会很弱，因此这种方法的低速性能也不好 ，而且，这种方法的实现相对而言也 是比较复杂的。 (3)反电势三次谐波积分检测法 一般梯形波的反电势一定会有三次谐波的分量，我们可以对这个分量积分，转子 的位置信息在积分值等于零时就可以确定下来。这种转子的位置的检测方法与利用反 电势过零点检测转子的位置的方法相比较的话，虽然反电动势三次谐波积分位置检测 法要比反电势过零点位置检测法的调速范围大了一点，但是大的不多，几乎可一忽略 不计，但是这种方法相对于反电动势过零检测法来说也显得复杂一些 。 综合考虑到系统的可靠性、技术成本、成熟性以及简易程度和本人的个人能力等 几点，本次无刷直流电机的无传感器控制系统的设计的转子位置检测方法还是采用比 较成熟且应用度比较广的反电势过零点检测法来获得定子绕组反电动势的过零点，间 接的获得转子的位置，从而为无刷直流电动机提供准确换相的时刻。下面就具体说明 一下本次设计的具体方案以及反电动势过零检测法的原理。 2 2. .3 3. .4 4 反反电电动动势势过过零零检检测测法法原原理理 本次设计主要是采用三相桥式逆变电路来 连接无刷直流电机，在任一时刻的逆变器供 电的瞬间，有一相的上下桥臂总会都处于悬空状态，故该相绕组的相电压就可以默认 为它的感生电势。在忽略一些影响的前提下， 该相绕组所产生的反电势就可以近似的 等于这一感生电势。此时，反电势过零点就可以通过 过零点检测电路检测得到，只要 我们能够检测到过零点，我们就可以 给电机进行换向了。 而在检测到过零点时，我们要作适当的延迟一般为30度的电角度，就可以确定功 率器件的正确触发时刻进而依次得到转子的六个关键 的位置信号，并且可以按照这各 信号作为参考依据然后再轮流的对六个功率管进行触发和导通进而驱动电机的运转。 常州工学院电子信息电气工程学院毕业设计说明书 7 理想反电动势的波形与霍尔传感器输出的波形对比如下图 2-2所示： 图 2-2 理想反电动势的波形与霍尔传感器输出的波形对比图 从上图可知，霍尔传感器输出的波形的翻转基本上与反电动势的过零点保持一致， 所以用反电动势的过零信号进行程序换向可以获得和有霍尔无刷电机一样的性能 。 第二章 设计方案 8 图 2-3 理想反电动势的波形与霍尔传感器输出 的波形进行进一步的对比图 理想反电动势的波形与霍尔传感器输出的波形进行进一步的对比如下图 2-3所示： 通过进行对理想反电动势的波形与霍尔传感器输出的波形进行进一步的对比与观 察，我们可以得知反电动势的过零点比霍尔传感器的输出波形提前了半个电节拍，即 30度的电角度，为了可以在正确的时刻进行换向，我们就需要 通过延时，在等到延迟 30度的电角度之后再进行换向， 由于无刷电机的转速是会变化的，相应的电周期也会 随之变化，所以，在通过计时器对相邻的两个过零点之间的时间进行计时之后，要将 计时器所得值除以2便能得到当前无刷电机转速下的30度电角度延迟的时间值，然后 将该值放入一个定时器中，并且打开该定时器的中断，在延时结束之后，再进行中断， 我们就可以完成无感无刷电机的换向。 2 2. .3 3. .5 5 驱驱动动电电路路芯芯片片的的选选择择 由于于经济，技术以及所选用的无感无刷直流电机的转子位置检测电路的选择 方 面等因素的考虑本次设计主要 是选用JY01A芯片,JYO1A芯片主要由以下特点： 工作比较稳定且具有商业级的品质； 拥有简单的外围电路，而且使用 起来很方 便；适合于直流无霍尔无刷电机的驱动 ； 具有线性调节转速的功能，调速性能也比 较好； 具有短路保护的功能以及过流保护的功能；可以对电机的正反转进行软切换 控制的功能；可以调节其启动力矩；其具有 DSP核H_PWM的低噪音驱动；其所具有 的特有的JYKJ技术，可以保证电机在任何工况下都能正常运转 。 2.42.4 调速方式的选择调速方式的选择 由于本次设计的所选用的无刷电机的驱动芯片主要 JY01A芯片所以本次设计的调 速方式主要是选用脉宽调制技术。 2.4.12.4.1 脉宽调制技术的原理脉宽调制技术的原理 脉宽调制英文简称 PWM 其主要是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效 控制技术，在电机的转速的控制方面，更是有着节能的优点。 脉宽调制技术主要是通过控制固定电压的直流电源的开关频率进而改变负载两端 的电压最终达到所需控制要求的一种电压调整的方法。脉宽调制技术在温度控制、电 机调速以及压力控制等方面有着广泛的应用， 在脉宽调制驱动控制的调整系统中，通常是按一个固定频率来接通和断开电源的， 并且根据需要改变一个周期内 “接通”和“断开”时间的长短即通过改变直流电机电 枢上电压的“占空比”来改变平均电压大小从而达到对直流电动机的转速控制的要求 的。也正是因为这个原因， PWM 又被称为“开关驱动装置” 。PWM 占空比原理图如图 2- 4 所示: 常州工学院电子信息电气工程学院毕业设计说明书 9 图 2-4 PWM 占空比原理 设电机始终接通电源时，最大电机转速为 Nmax，其占空比为 D= t1 / T，电机平 均转速为 Na 则电机的平均速度为 Na = Nmax * D。 由上面的公式可知，当我们改变占空比 D 时，就可以得到不同的电机平均速度 Na，从而达到调速的目的。 2 2. .4 4. .3 3 脉脉宽宽调调制制技技术术的的优优点点 脉宽调制技术具有有节约空间，较强的抗噪性，而且比较经济等特点。 无刷直 流电动机的脉宽调制技术调速系统有主要以下优点 ：1 脉宽调制电路的主电路所需的 功率元件较少，线路也比较简单便于控制 ；2 因为其电枢电流容易连续，稳速精度较 高，调速范围宽系统的低速性能也比较好 ；3 其开关频率较高，响应速度也比较快， 系统频带较宽，动态抗扰能力也较强；4 其装置效率高,电动机的损耗和发热都较小， 而且对交流电网的影响小；5 最重要的是其功率因数高，效率高。 2.52.5 测速方式测速方式的选择的选择 角度传感器在航空航天、 自动化控制、国防军事工业、交通运输等领域都有着非 常广泛的应用，常用角度测量的方法有 光电测量、电磁测量、机械测量 等。其中，机 械测量方法虽然较为简单，但是其设备体结构积过于臃肿、测量的精度也较低、实时 性也较差，属于常规的接触测量方式。本次设计所使用的 AS5040 编码器是一种新型 的磁旋转式编码器它主要是利用霍尔效应，可以不许要进行接触就可以测量。与其他 的一些无需接触式的编码器进行比较，所用的新型的磁旋转式编码器具有以下的优点： （1）和一般的常用的光电式传感器进行比较，体积显得较小、抗冲击的能力要更强、 结构也更加的简单，用起来可靠性也更高； （2）不需要用发光二极管，耗电量也较 少，而且使用的寿命也很长； （3）耐环境的性能也很好，不怕灰尘和油，在温度变 化比较大的地方也是可以使用的；（4）与早期的磁编码器相比较结构也显得更加简 单了，只需要 1 个双极性的稀土磁铁就可以了。 2 2. .6 6 本本章章小小结结 本章，主要对无感无刷电机整个控制系统设计方案，进行了简要的阐述，介绍了 无刷电机无传感器驱动中的各种以反电动势法为基础的转子位置检测法 ，并对其进行 了对比，最终选择了反电动势过零点检测法，并对其原理进行 了进一步的研究于阐述。 第三章 系统硬件 10 第三章第三章 系统硬件系统硬件 3.13.1 硬件总体说明硬件总体说明 直流无感无刷直流电动机机控制系统包括：电机控制器方面选用 STC89C51 单 片机，电源（220V 交流电源转化为可调直流电源） ，显示器方面选用 LCD1602 液晶 显示屏，电机驱动器方面选用 JY01A 无感无刷直流电机驱动器和直流无感无刷电动 机。 3 3. .2 2 硬硬件件电电路路总总原原理理图图 硬件总原理图见附录一 3 3. .3 3 主主控控电电路路 本次课程设计中主要是设计一个控制系统。该设计中我们主控电路 部分采用了单片机 STC89C52 芯片来实现这些功能，STC89C52 单片机是一个低电压， 高性能 CMOS 的 8 位单片机，片内含 8KB 的可反复擦写的 Flash 只读程序存储器和 256B 的随机存取数据存储器（ RAM）,它使用了 MCS-51 内核，因此它属于 51 单片 机系列。 3.3.13.3.1 5151 单片机简介单片机简介 51 单片机主要是由 CPU 和 8 个部件组成的，它们分别为震荡电路，数据存储器， 程序存储器，中断系统，并行 I/O 口，串行口，定时器以及特殊功能存储器， 它们都 是通过片内总线连接的，单片机片内总线又可分为数据总线，地址总线以及控制总线， 在功能单元的控制上是采用特殊功能寄存器的集中控制方法。 51 单片机的基本构成框 图如下图 3-1 所示： 常州工学院电子信息电气工程学院毕业设计说明书 11 3-1 8051 基本结构框图 51 单片机的各部分组件的作用功能介绍如下： CPU 又称中央处理器：它是单片机内部的核心主要是完成控制和运算的作用。 数据存储器：8051 单片机芯片片内共有 128B 的片内数据存储器，其地址为 00H7FH，简称内部 RAM，一般起到数据存储的作用 。 内部程序存储器：8051 单片机芯片内部共有 4KB 的片内程序存储器，简称内部 ROM，一般起到存储原始数据或表格以及存储程序等作用。 定时器：8051 单片机内部有 2 个 16 位的定时器有时也称为计数器，主要是起到 实现定时或者计数的作用的，并且通常是按照其计数或者定时的结果来对计算机进行 相应的控制的。 中断系统：51 单片机共有 5 个中断源，即 1 个串行中断，2 个外部中断，以及 2 个定时/计数中断而且可编程为两个优先级 。 图 3-2 主控电路 本次毕业设计的总的主控电路如图 3-2 所示，每个单片机控制系统都应具备 2 个最 基本的电路，它们分别为时钟电路和复位电路。 第三章 系统硬件 12 3.3.23.3.2 时钟电路时钟电路 单片机一般都是在统一的由单片机控制器中的时序电路发出的时钟的脉冲的控制 下按照一拍一拍的节奏进行工作的。而单片机的时序就是 CPU 在执行指令时所需要 的控制信号的时间顺序。为了确保 各部件间能够同步的进行工作，单片机的内部电路 必须在唯一的时钟信号下严格的按照时序进行工作。 51 单片机的时钟产生方式有两种 即内部时钟方式和外部时钟方式，而本次的设计主要是采用内部时钟方式 ，如图 3-2 主控电路中所示。 3.3.33.3.3 复位电路复位电路 复位指的是对单片机进行初始化的操作。单片机控制系统在上电启动开始运行的 时候，为了确保系统中的其它各个部件和 CPU 都处于一个比较确定的初始的状态， 必须要先进行复位操作，进而从这个状态开始进行工作。由此可见，单片机 要进行的 复位操作是一种非常重要的操作。可是，单片机本身并不能进行自动复位，所以单片 机必须要借助与外部的复位电路进行复位。单片机的外部复位方式有两种即上电加按 键复位和上电复位，因为本次设计并不需要按键复位，故选用了电路相对简单一些的 上电复位电路，如图 3-2 主控电路中所示。 3.43.4 驱动芯片模块驱动芯片模块 本次设计主要是选用 JYO1A 驱动芯片其引脚图如图 3-3 所示， 所示以及其各引脚功能： LVD 欠压保护输入（此脚电压低于1/2 VDD 时欠压保 护就生效） Is 电流检测输入端 GND 接地 VDD 相对于 GND 电压 5V0.5V F/R 电机正反转控制脚 Fault 错误指示输出（电机异常输出低电平） AT、BT、CT 电机驱动 A;B;C 上臂驱动信号输出 AB、BB、CB 电机驱动 A;B;C 下臂驱动信号输出 Ha、Hb、Hc 转子位置信号输入端（反电动势检测输入端） VR 转速调节（0.25V5V） 图 3-3 JY01A 引脚图 常州工学院电子信息电气工程学院毕业设计说明书 13 3.4.13.4.1 三相桥式逆变电路三相桥式逆变电路 为了实现三相直流无感无刷电机的驱动，本次毕业设计选用了 三相桥式逆变电路 来实现其主要作用是将直流转化为三相交流电以便驱动 电机运转，为了能够使得三相 逆变电路能够通过大电流，本设计的低端和高端的 MOSFET均为N沟道IRL3713S，6片 IRL3713S的功率MOSFET组成的三相桥式逆变电路原理图如图3-4所示： 图 3-4 三相桥式逆变电路 图中A_M,B_M,C_M接三相无感无刷直流电机的三相，三相桥式逆变电路主要 是 由六个功率元件所组成的，电路分为Q2一Q5、Q3一Q6、Q4一Q7半桥。 AL、AH、BL、BH、CL、CH分别是控制由功率驱动IR2101栅极所驱动的控制信号， 上图中的它主要是通过反电动势检测电路检测到无刷直流电机的端电压然后再经过微 处理器处理之后得到电机转子信号然后 再由驱动电路按转子的位置信号轮流导通功率 逆变桥的六个功率管从而控制了六个功率开关并且依靠控制6个功率开关，来将直流 变成三相无刷直流电机所需要的可以被控制的三相交流电 从而驱动三相无感无刷直流 电机。 第三章 系统硬件 14 3.4.23.4.2 驱动门电路驱动门电路 图 3-5 驱动门电路 本次无感无刷直流电机的驱动器中的驱动门电路 如图3-5所示，其中的C6为自举 电容，驱动电路的主要作用是放大控制电路的信号使其驱动功率晶体管 ,该电路的主 要任务是主要将信息电子电路传来的信号 按照其控制的目标的要求，转化为加在电力 电子器件控制端和公共端之间的能够使其关断或开通的信号 ，当上图三相逆变电路中 的高端MOSFET导通时相应的源极处电压会接近电源电压而上端的 MOSFET要导通 则会使得栅极源极之间的电压要超过电源电压，这就要求上端的 MOSFET导通时一定 要进行相应的升压驱动，同时也要防止位于同一个半桥中的 2个MOSFET同时导通以 及还要求应该具有死区保护功能。故本设计所采用的集成半桥驱动芯片为 IR2101该 芯片可以实现上端MOSFET的升压驱动以及电容自举功能而且还具备了死区保护功能和 PWM调速控制功能，此外选用IR2101做为驱动门还可以起到隔离与电平转换作用 。 IR2101 简介： IR2101 是双通道的栅极驱动的高压高速功率驱动器，该器件采用了高度集成的电 平转换技术，功率器件对于逻辑电路而言所需要的复杂的控制需要被简化了 ，同时又 驱动电路也变得更加可靠。同时由于它上电使用外部的自举电容，因此，它所需要的 驱动电源数目比其它 IC 驱动所需要的电源数目更加少了， 而且在工程上也减少了电 源的数目以及控制变压器的体积，产品的成本也降低了，系统也变得更加可靠了。 常州工学院电子信息电气工程学院毕业设计说明书 15 IR2101 内部结构如图 3-6 所示 、 图 3-6 IR2101 内部结构图 IR2101 采用 HVIC 和闩锁抗干扰自作工艺，集成 SOIC，DIP 的封装。它的重要 的特性包括它的功率器件的栅极的驱动电压范围为 10V-20V，逻辑电源的范围为 5V- -20V,而且它的功率地与逻辑电源地之间可以允许有+5V 的偏移量，它的悬浮通道电 源采用的是自举电路，带有的下拉电阻的 CNOS 施密特输入端，这就使得其方便与 LSTTL 和 CMOS 电平相匹配，而且它还拥有独立的高端与低端的输入通道。 第三章 系统硬件 16 3.4.33.4.3 反电动势过零点检测电路反电动势过零点检测电路 图 3-7 反电动势过零点检测电路 本次毕业设计主要是驱动无传感器无刷直流电机，由于无刷电机本身不自带位置 传感器，所以在电机运转过程中需要的作为 逆变桥功率器件换向导通时序的转子位置 信，不再由位置传感器提供，而改由上图 3-7 所示的反电动势检测电路提供 ，无感无 刷电机的必须要通过相点与中性点之间的相互比较的方式来获得它的每相的感生电动 势的过零点以检测其反电动势，可是无感无刷电机的连线之中通常是没有中性点引出 的，本次设计主要是通过组成 电阻网络的方式来构成电机的虚拟中性点，如图中的 比 较器 LM339A 的负端分别接相线 A,B,C 的虚拟地电位，而虚拟地电位的是由电阻的隔 离形成的即所谓的中性点电压，此时，相线上产生以虚拟地电位作为参考点的反电动 势电压即所谓的相点电压，将这两种电压输入比较器 LM339A 中，当每次比较器的输 常州工学院电子信息电气工程学院毕业设计说明书 17 出的信号翻转时，则证明了已经有过零点触发了并且检测到了过零点，最后将所得的 过零点信号反馈给驱动芯片， 此时就可以进行换向动作了。 3.53.5 显示器模块显示器模块 本次毕业设计所采用的显示器为 LCD1602 液晶显示屏其电路原理图如图 3-8 所示： 图 3-8 液晶显示屏其电路原理图 液晶屏的显示原理： 液晶显示屏的显示原理主要是根据液晶所具有的物理特性，然后对它的显示区域 用电压来控制，有电就可以显示，这样就 可以显示出图形。液晶显示器 的厚度薄适中， 可以直接驱动大规模集成电路还有全彩色的显示的功能，目前，一些电脑，电视，摄 像机，电子表，计算器等众多的领域都应用到了液晶屏的显示功能 。 3.5.13.5.1 LCD1602LCD1602 的引脚说明的引脚说明 第1 脚：VSS 是地电源。 第2 脚：VCC 要接5V的 正电源。 第3 脚：VO 是液晶显示器的对比度调整端，接地时其对比度最高，接正电源时 其对比度最弱，对比度过高有时会产生“鬼影”，在使用时一般可以通过一个10K 的 电位器对对比度进行调整。 第4 脚：RS 为寄存器选择端，低电平时选择指令寄存器，高电平时选择数据寄 存器。 第5 脚：RW 为读/写信号端，当其是低电平的时候可以实现写操作，当其是高 第三章 系统硬件 18 电平的时候可以实现读操作。当RW 是高电平且RS 是低电平的时候可以实现读忙信 号的功能，当RW 是低电平且RS 是高电平的时候可以实现写入数据的功能，当RS和 RW 都是低电平的时候可以实现显示地址或写入指令的功能。 第6 脚：E 端是使能端，当E 端从高电平转变成低电平的时侯，显示器的液晶模 块就接收指令并开始工作。 第714 脚：RBORB7 是8 位的可双向通信的数据线。 第15 脚：BLA是背光源的正极。 第16 脚：BLK是背光源的负极。 说明：第15、16两脚主要用于背光模块，用于不带背光的模块时这两个引脚是悬 空不接的。 3.5.23.5.2 LCD1602LCD1602 各寄存器介绍各寄存器介绍 字符型液晶显示模块组件内部主要由 LCD 显示频、驱动器、控制器以及偏压产生 电路构成。 其中的控制器主要由数据寄存器 DR、指令寄存器 IR、忙识标 BF、地址计数器 AC、字符发生器 CGROM、显示数据寄存器 DDRAM、字符发生器 CGRAM 以及时序 发生电路组成。 各寄存器功能介绍： 1 数据寄存器 DR 和指令寄存器 IR 都是 8 位寄存器，用户可以通过 RS 和 R/W 输入信号的组合选择指定的寄存器，进行相应的操作。 2 忙标识位 BF:BF=1 时，模块则进行内部操作，不接受外部的指令和数据。而当 RS=0、R/W=1 且 E 是高电平时，BF 输出到 RB7,每次的操作之前都应该进行状态字检测， 只有当 BF=0 时，MPU 才可进行访问模块。 3 地址计数器 AC:AC 是 DDRAN 或 CGRAM 的地址指针。当 IR 中有指令代码写 入时，指令码中携带的地址信息自动送入 AC 中，并判断出 AC 是 DDRAM 的地址还是 CGRAM 的地址，AC 具有自动加 1 或减 1 的功能。 4 显示数据寄存器 DDRAM:主要用于显示数据，其容量的大小决定模块可最多显 示的字符数目。 5 字符型发生器 ROM：其内部模块以 8 位二进制数的形势，生成 5*8 点阵的字 符字模组字符字模。 6 字符型发生器 RAM：在字符型发生器 RAM 中，用户能够生成自定义图形 字符 字模组，在 CGROM 的 00H0FFH 范围内选择相应的字符码，可以生成 8 组 5*8 点 阵的字符字模。 常州工学院电子信息电气工程学院毕业设计说明书 19 3.63.6 按键模块按键模块 图 3-9 按键电路图 本次设计，按键电路图如图 3-9 所示，按键模块总共有 4 个按键，分别控制无感 无刷直流电机的启停，加速，减速以及正反转。 键盘的结构形式有两种，独立式键盘以及行列式键盘。当键数较多时为了减少键 盘与单片机接口时所占用的 I/O 口线的数目，往往会将键盘排成行列式。而本次设计 所用的键盘数目比较少所以选用了独立式，如图所示，独立式键盘是各按键互相独立 的接通一条输入数据线，各按键互不影响，采用中断方式读取键值。 由于 STC89C52 单片机内部已有上拉电阻，所以在接按键时可不接上拉电阻。 当没有按键按下时，与之相连的输入口线为高电平，与门输出也为高电平。当任 一按键按下时，与之相连的输入口线将会边为低电平，与门输出也会由高变低，从而 产生外中断条件，最终在中断服务程序中读取键盘值。 3.73.7 ADAD 转换电路转换电路 由于本次设计的选用的 CPU 是单片机 STC89C52,此单片机不带有 AD 转换功能， 故我选用了 PCF8591 芯片来做 AD 转换电路如下图 3-10 所示: 第三章 系统硬件 20 图 3-10 AD 电路转换图 PCF8591 是一个单独供电，单片集成低功耗的 8-bit 数据获取器，其具有一个串 行 IC 总线接口，1 个模拟输出以及 4 个模拟输入，PCF8591 允许在不接额外的硬件 的的情况下在同个 IC 总线上接入 8 个 PCF8591 器件，其一共拥有 3 个地址引脚，其 分别为 A0,A1 和 A2,它们可用于硬件地址的编程。在 PCF8951 器件上，数据、控制 以及地址信号都是以串行的方式通过双线双向 IC 总线进行传输的。 PCF8591 的功能主要包括内置跟踪 、多路的模拟输入以及 8-bit 的数模和模数转换。 其中，IC 总线的速率的最大值决定了 PCF8591 的转换率的最大值。 PCF8591 的引脚如图 3-11 说明： AIN0AIN3：是模拟信号输入端。 A0A2： 是引脚的地址端。 VSS 、VDD： 是电源端， 一般接（2.56V） 。 SDA ：IC 总线的数据线 SCL ：IC 总线的时钟线。 AOUT：是 D/A 转换的输出端。 AGND：是模拟信号地。 EXT：是外部、内部时钟的选择线。 OSC：是内部时钟的输出端，外部时钟的输入端。 VREF：是基准电源端。 图 3-11 PCF8591 的引脚图 3.83.8 电源模块电源模块 3.8.13.8.1 电源模块总框图电源模块总框图 稳定直流源设计的一般思路是让输入电压先通 过电压变压器进行变压，再通过整 流网络进行整流，然后经过滤波网络进行滤波最后经过稳压网络进行稳压，最后的到 我们所需要的电压。电源模块设计的总体框图如下图 3-12 所示 常州工学院电子信息电气工程学院毕业设计说明书 21 图 3-12 电源总体框图 本次毕业设计由于所选用的无感无刷直流电机的驱动 器的驱动电压为直流电压， 而所用的STC89C52的工作电压为直流5V,为了能够更方便的运行无感无刷直流电机的 控制系统，我制作了一个将交流220V电源转化为直流电源，该电源符合了无感无刷直 流电机的控制系统运行的电源要求， 电路原理图如图3-13所示： 图 3-13 电源电路图 如图 3-15 所示，此开关电源主要由变压器，整流器， LM2596 以及和 LM7805 等 元器件以及芯片构成。220V 交流电源通过 P3 口变压器与变压器相连。在经过一系列的 降压，整流，滤波以及稳压后，220V 的交流电源最终变成了无感无刷直流电机控制系统 所需要的直流电源，图中的输入电容 C11、C12 用于抑制纹波电压，输出电容 C13、C14 用于消振，缓冲冲击性负载，保证电路工作稳定。 3 3. .8 8. .2 2 器器件件选选择择 1稳压三极管选择： LM7805 集成稳压三极管的输出电流可以达到 1A，输出的电压为 5V，拥有过流 第三章 系统硬件 22 保护，过热保护以及输出晶体管的 SOL 保护等功能。 2整流桥： 整流桥产品一般是由四只整流硅芯片作桥式连接 并且外用绝缘塑料封装而成的， 大功率的整流桥一般在绝缘层外添加金属壳进行包封，增强其散热性。整流桥的品种 很多：板凳形、方形、圆形、有扁形（分贴片与直插）等，有 O/J 与 GPP 结构之分。 最大整流电流可以从 0.5A 到 100A，最高反向峰值电压可从 50V 到 1600V。 选择整流桥时一定要考虑工作电压和整流电路。整流桥一般是被用在全波整流电 路中的，它可以分为半桥和全桥两种。半桥是将两个二极管桥式 整流的一半封在一起， 用两个半桥可组成一个桥式整流电路 ，一个半桥也可以组成变压器带中心抽头的全波 整流电路，全桥是由 4 只整流二极管按桥式全波整流电路的形式连接并封装为一体构 成的。全桥的正向电流有 0.5A、1A、1.5A、2A、2.5A、3A、5A、10A、20A 等多种 规格，耐压值（最高反向电压）有 25V、50V、100V、200V、300V、400V、500V、600V、800V 等多种规格。这里选用 DB107 即可符号要求。 3.电容的选择： 通过整流桥整流之后的电流是脉动的直流电，其波动的范围较大。后面通常要使 用大小两个电容来进行处理，由于电容两端的电压是不能突变的，因此要用大电容来 进行稳定输出使得输出更加平滑。的，为了能输出纯净的电压，要用小电容来滤除高 频率的干扰，用的电容越小，它的谐振频率就越高，可滤除的干扰频率也越高。其大 体的原则是： （1）大电容，负载越重，吸收电流的能力 就会越强，这个大电容的容量就 一定 要越大； （2）小电容，凭经验，一般 为 104 即可。 本次电源模块设计的输入电容选取 470uF，输出电容选取 104。 3.93.9 本章小节本章小节 本章主要对无感无刷直流电机控制系统中的各部分硬件电路进行了阐述，并且对 部分用到的器件以及芯片的原理及功能进行了简单的介绍。 常州工学院电子信息电气工程学院毕业设计说明书 23 第四章第四章 软件设计软件设计 4.14.1 主程序流程图主程序流程图 主程序流程图如图 4-1 所示： 图 4-1 主程序流程图 第四章 软件设计 24 4.24.2 调速程序流程图调速程序流程图 本次设计的调速方式为 PWM 调速方式，其调速程序流程图如图 所示 常州工学院电子信息电气工程学院毕业设计说明书 25 图 4-2 调速程序流程图 4.2.14.2.1 转速测量转速测量原理原理 进行圆周运动的物体在一个单位的时间内所转过的圈数就叫作转速，按照不同的 理论方法,先后产生过同步的测速法、模拟的测速法以及计数型测速法。其中计数型 测速法又可以分为电子式定时计数法与机械式定时计数法。本次设计所介绍的使用磁 电编码器和单片机组成的转速测量系统进行转速测量的方法就是采用电子式定时计数 第四章 软件设计 26 法。其实际上是通过对转子旋转所引起的周期脉冲的信号的频率进行测量来实现转速 的测