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1、北方民族大学学士学位论文 论文题目: 基于单片机无刷直流电机控制系统统的设计 院(部)名 称: 电气信息工程学院 学 生 姓 名: 孙学文 专 业: 自动化 学 号: 20090274 指导教师姓名: 王君瑞 论文提交时间: 论文答辩时间: 学位授予时间: 北方民族大学教务处制摘 要 1831年，法拉第发现了电磁感应现象，奠定了现代电机的基本理论基础。19世纪40年代第一台直流电机成功研制，随着科学技术的进步以及新兴的的电力电子技术、数字电子技术的发展，直流电机在某些应用场合已不能完全很好的应用，由于其机械换向引起的火花、转速受机械换向的限制等一系列问题的出现，科学家们开始试着研制一种用一些器
2、件实现电机换向代替电刷换向器换向的装置。1955年，美国人Harrison首次提出了用晶体管换向线路代替代替电机电刷接触的思想，直到1962年试制成功了借助霍尔元件（霍尔效应转子位置传感器）来实现换向的无刷直流电机。本文从无刷直流电机的研究背景、研究意义、发展方向及分类，再到电机的系统结构、工作原理、控制方式都做了一系列系统的论述。尤其是在电机控制方式上。现代电机有多种控制方式，电机专用控制集成芯片控制、单片机和DSP控制，本文将采用MCS/51系列的单片机实现对电机的转速控制。通过用protues软件仿真及用keil软件验证过的程序进行测试，实现无刷直流电机平滑的调速。关键词：无刷直流电机，
3、单片机，protuesABSTRACTIn 1831, Faraday discovered electromagnetic induction phenomenon, laid the foundation of basic theory of modern motor. First dc motor developed in the 1840 s, with the progress of science and technology as well as the emerging of the development of power electronic technology, dig
4、ital electronic technology, dc motors in some applications is not very good application, due to its mechanical commutation spark, speed limited by mechanical commutation, the emergence of a series of problems, such as scientists begin to try to develop a use some device for motor commutation instead
5、 of the brush, commutator reversing device. Americans in 1955, Harrison was proposed for the first time use the transistor commutation circuit instead of instead of the electrical motor brush contact, until 1962, was successfully trial-produced with hall element (hall effect rotor position sensor) t
6、o implement the commutation of the brushless dc motor. Based on brushless dc motor of the research background, research significance, the development direction and the classification, system structure, working principle to the motor, control mode, do a series of systems in this paper. Especially on
7、the motor control mode. Hyundai motor has a variety of control mode, the special motor control chip control, MCU and DSP control, this article will use the MCS / 51 series microcontroller for motor speed control. By using protues software simulation and verified with keil software testing program, s
8、mooth realization of brushless dc motor speed control.KEY WORDS: brushless dc motor , single chip microcomputer, protues目 录目 录I第1章 绪 论11.1 引言11.2 无刷直流电机分类11.3 无刷直流电机的研究背景21.4 无刷直流电机研究的意义31.5 无刷直流电机未来研究方向4第2章 无刷直流电机系统结构及工作原理62.1 相比有刷直流电机无刷直流电机的主要特点62.2 无刷直流电机的构成62.3 工作原理82.4 三相无刷直流电机逆变电路及其工作方式92.5 脉宽
9、调制（PWM）技术11第3章 无刷直流电机控制系统总体设计133.1 整体运行思路133.2 系统总体框图133.3基于Matlab的控制系统14图3-4 转子转速14图3-6 电磁转矩Te153.3基于仿真波形的论述15第4章 无刷直流电机控制系统软硬件设计164.1 各接口电路与所用芯片详细功能及使用介绍164.1.1 AT89C51芯片的介绍164.1.2单片机与键盘接口174.1.3单片机与显示数码管接口194.1.4无刷直流电机的驱动电路194.2 软件部分204.2.1 主程序流程图如下：214.2.2 键盘、显示流程图：23第5章 结 论25致 谢26参考文献27附录A：28附录
10、B:37附录C 中文译文44第1章 绪 论1.1 引言随着时代的变迁与科学技术的迅猛发展，电机作为一种机电能量转换及成为各种机械原动力的一种不可或缺的装置，已被应用到各个领域。能源、冶金、采矿、机械加工、航空航天可以说没有电机就没有今天繁荣的一切。从19世纪40年代研制成功第一台直流电机到现在，各种类电机应运而生，同步电机、异步电机、开关磁阻电机等。随着计算机进入控制领域，新型电力电子功率器件及微控制器的不断更新与发展，控制电机的方式也越来越多。本文将充分利用单片机的外围电路少，运行稳定可靠的特点，将其运用于无刷直流电机的控制，使得控制电机更加方便简捷。1.2 无刷直流电机分类 随着科技日新月
11、异的发展，电机除了扮演着工业发展与人们生活水平逐渐提高的不可或缺的角色。其种类也是在随着时代的变迁逐渐增加，以此来满足军事和民用领域的需求。按所需电源种类有刷直流电机直 流 电 机交 流 电 机无刷直流电机单相电机三相电机永磁直流电机电磁直流电机方波驱动正弦波驱动 图1-1 电机分类结构图1.3 无刷直流电机的研究背景从1831年法拉第发现电磁感应现象到第一台直流电机被成功研制，这以后电机就开始逐渐被应用于各个领域，但随着人们对物质生活的需求越来越高及科学技术上的突破，直流电机虽然具有调速范围广、启动转矩大、运行平稳效率高等诸多优点，但是由于传统的直流电机都采用的是电刷机械换向装置，就产生了不
12、可避免的机械摩擦、使用寿命缩短等一系列问题。这就使得它在一些高温高压要求比较严格的情况下不能使用。因此科学家们就开始寻找一些以替换电刷机械换向的装置，这样就避免了上述问题。科学技术的进步，带来了科技领域内一系列科技成果，电力电子技术领域中功率半导体和开关型晶体管都得到了大力的发展，为无刷直流电机的应运而生创造了有力的条件并在日后得到大力推广奠定了良好的基础。1955年，美国人Harrison首次提出了用晶体管换相线路代替电机电刷机械结构接触的构想，这就是无刷直流电机的雏形2。它由信号检测、晶体开关和功率放大电路等几部分构成。它的运行原理是，当转子旋转时，信号绕组内就会感应出周期性的信号电动势，
13、信号电动势就会使相应的晶体管依次导通来完成换向。但是它的缺点也很明显，转子不转时，信号绕组内就不会有周期性的感应电动势，这样的话晶体管就无法导通，换向也就不能完成。由于这种电机存在着没有启动转矩并且由于感应电动势信号前沿抖动较大致使晶体管工作在高功耗下等一系列的缺点，因此后续做了诸多改进。采用离心装置的换向器或是将辅助磁钢安放在定子上，虽然都可以保证电机可靠地启动，但是相伴而来的仍然是比较大的负面问题，加装离心装置换向器致使电机结构上变得复杂，这就会使日后的维修维护工作难以进行，拆装上的难题和机械结构上的设计都会无形中增加高昂的成本。而定子辅助磁钢的运用需要附加脉冲，这就在电机启动时增加了负担
14、。同时操作上也变得麻烦。鉴于此，其后人们又做了无数次的实验验证，最终终于找到了利用位置传感器和电子换向线路来代替机械结构电刷的电子换向线路。从而找到了一条发展新型直流电机的路线。传感器的出现为无刷直流电机快速研制成功与投入应用更是起到了关键性的作用，接近开关式位置传感器、电磁谐振式位置传感器和高频耦合式位置传感器相继出现，然后又相继研制成功了磁电耦合式和光电式位置传感器。半导体技术的快速发展，使人们对于1879年美国人霍尔发现的霍尔效应产生兴趣，经过多年的不懈努力与研制，终于在1962年成功试制了借助于霍尔元件（霍尔效应转子位置传感器）来完成换相的无刷直流电机。在世纪70年代初期，又成功试制了
15、借助比霍尔元件的灵敏度高千倍左右的磁敏二极管实现换相的无刷直流电机2。1978年，联邦德国Mannesmann公司的Indramat分部在汉诺威贸易展览会上正式推出MAC无刷直流电机及其驱动系统，这标志着无刷直流电机真正进入实用阶段2。永磁无刷电机是永磁无刷直流电机、永磁无刷交流同步电机、永磁无刷直线电机和永磁无刷力矩电机的总称。正是因为永磁无刷电机具有诸多优点，因此已成为目前微特电机发展的主流。1.4 无刷直流电机研究的意义无刷直流电机是将控制芯片、检测元件、换向机构、软硬件相结合的一种新型机电产品，综合了许多现代科技的最新成果，是现代机电一体化的最新最好的诠释。它不仅仅继承了现有交流电机和
16、直流电机的优点，而且自身还有独特的特点。沿袭了直流电机调速性能好、机械特性呈线性、运行效率高等一系列优点，并且突出的有点就是没有励磁损耗。用置传感器代替机械换向装置的好处很突出，没有了机械换向装置产生的机械摩擦以及摩擦产生的火花，就大大减少了投入维护运行用的费用，而且从可靠安全的角度上考虑无刷直流电机可以用在高温高压等环境比较恶劣或者是要求比较严格的场合，这些都是以往应用的电机所不具备的。另一方面，从减少机械振动和减少噪音方面无刷直流电机做的也是非常成功的。这就为人类的工作提供了更加良好的工作环境，从环保的角度上考虑也是很好的。虽然由于驱动电路与换向电路在成本上有一定的增加，但是相信这些随着科
17、学技术的进步与发展都会得到客服，随着永磁材料的更新进步，制作转子永磁体变得也越来越容易成本也在下降，这就又为无刷直流电机的推广应用增加了一定的筹码，因此在来，相信很长一段时间里，无刷直流电机会越来越多的应用在民用领域中，渐渐的将会取代现有的直流电机。早在1964年，无刷直流电机就被美国国家航空航天局（NASA）使用，用于卫星姿态控制、太阳电池板的跟踪控制、卫星上泵的驱动等2。现代无刷直流电机都是以永磁励磁的。所以永磁材料的研究与发展从某种程度上来说对无刷直流电机的发展起着至关重要的作用。过去的铝镍钴永磁材料已逐渐被铁氧体、稀土永磁材料所代替，20世纪80年代高慈能积的铷铁硼永磁材料的出现与发展
18、更是极大程度的推动了永磁电机的发展。随着电力半导体器件的更新与换代，从小功率晶体管，到大功率晶体管（GTR）、金属氧化物半导体场效应管（MOSFET）、绝缘栅双极性晶体管（IGBT）等新型开关器件的发展使得无刷直流电机的驱动电路更加简单。微电子技术更是将无刷直流电机的专用控制集成电路与电子电路更好的结合起来。由上面的分析可以看出，随着时代的进步与科学的发展无刷直流电机在今后的社会发展中必定会逐渐成为主流，纵使它的出场成本依然昂贵，但是随着永磁材料与电力电子微电子技术的稳定发展，相信成本问题终将不会限制它的成长。因此，对它的研究在现如今以致在今后未来的很长一段时间里都会具有很深远的意义。1.5
19、无刷直流电机未来研究方向由于科技进步，各行各业都有了飞速的发展。材料、电力电子与微电子技术、数字电路等行业更是日新月异，无刷直流电机也得到了空前的发展。虽然无刷电动机有诸多的优点，但是大部分都是基于特定的场合所设计的，因此这就造成了现在没有一款是通用的，所以只有试着从降低生产成本、提供更高的效率、生产自动化和规模化上来克服这一缺点。 鉴于流水线生产技术的应用与工厂自动化程度的提高，可以大规模的成批量的生产电机的零件，即高效又省时从而一定程度上节约了制作成本。 集成芯片的投入使用不但很好的的减少了电子线路的复杂性和发生危险的概率，更是减少了投入人工的维护，使得检修与日常保养的工作量也减少了，这也
20、从另一个角度降低了成本。而且电机日常工作性能更加稳定，可靠性也随之提高。 随着电子产品日渐趋向高度集成化微型化，对于控制器的要求也就越来越严格，即单片机与DSP相继问世以来电机的控制也就更多样化。各公司也相继开发出了控制电机的专用集成芯片，所以在未来一定还会有多种多样的芯片问世，他们将会更加高度集成化，使用起来将会更加便捷。 虽然无刷直流电机有这样或是那样的优点，但是科技在发展，时代在进步，虽然克服了机械换向所带来的一系列的问题，并不能说明他就是一直适用的。由于引入的位置传感器内嵌在机体内部，而且传感器的组成也是颇为复杂，无位置传感器检测转子位置信号的技术就被人们引入到无刷直流电机的领域中，而
21、且现在有了相对成熟的反电动势法。相信未来电机结构会更加简单，检测转子位置信号的技术会越来多，方便实用。通过上述叙述我们可以确定，想要使无刷直流电机在未来越来越的在民用领域中使用的话，那么就要从其结构、成本、体积等各发面研究，找出一个最佳方案，甚至有可能的话设计一款通用型。第2章 无刷直流电机系统结构及工作原理2.1 相比有刷直流电机无刷直流电机的主要特点1. 因为是电子线路实现换向，所以就没有了机械换向时所产生的机械磨损和火花的问题，由此工作寿命就得以延长。2. 由于是电子换向线路，所以在一定的高温高压及环境比较恶劣的情况下，可以从一定程度上减少来自外界的干扰，从而使得它具有较高的可靠性能，不
22、用经常维护。3. 转子损耗几乎没有，没有了机械换向的摩擦就一定程度上削弱了震动，噪声问题也就随之解决。4. 功率密度较高，定子绕组容易散热。 2.2 无刷直流电机的构成和有刷直流电机一样无刷直流电机同样有转子和定子，不同的是有刷直流电机是将主磁极和电无 刷 直 流 电 机电 机 主 体位 置 传 感 器电 子 换 向 线 路图2-1 无刷直流电机主体图刷安装在定子上，将电枢绕组安装在转子上。而无刷直流电机却恰好性反，它是将绕组装在了定子上，转子上装有永久磁钢。内部装有感受位置变化的霍尔元件，通过霍尔元件检测转子的位置变化，转换成电信号后将信号给到电子换向线路，然后顺序改变功率管的导通，实现电机
23、的连续运转。综上所述，无刷直流电机由三部分组成分别是电机本体，转子位置传感器和电子换相线路，如图2-1，图2-2，图2-3所示图2-2 无刷直流电机内部原理图图2-3 无刷直流电机结构图1.电机主体众所周知，电机由定子和转子组成。定子部分就是指电机不运动的部分，基座、定子绕组，转子部分就是电机启动后在运转的那一部分，带有永磁体的铁心部分。2.位置传感器图2-4 位置传感器结构示意图霍尔位置传感器也是由运动部分和静止部分组成，位置传感器定子和转子。定子是由霍尔元件按照一定的间隔平均的安装在位置传感器定子上，转子和电机主转子一同旋转来检测主转子位置。传感器转子每转过一对磁极（N S）转角，就相应的
24、产生出与电机逻辑分配状态相对应的开关状态数，以此完成电机的一次换流全过程。3. 电子换相当定子绕组通电时，电流就会流经绕组，周围就会产生磁场。这个磁场会和转子永磁体产生的磁场形成一定的角度，就会产生相应的力矩。由位置传感器感受转子位置转换的电信号控制功率开关相应的流通，就会是绕组变换导通相，形成变化的磁场。这样就和转子永磁体产生的磁场始终形成一定的角度，产生连续的转矩，这样就是实现了定子电流随转子位置变化而做相应的变化。实现了电子换向线路代替机械换向。2.3 工作原理图2-5 无刷直流电机运行原理图直流电机由定子产生固定的磁场，当转子线圈上通有电流后通电导体会因为磁场的原因产生力矩，此力矩就会
25、使线圈转动，当线圈转过180由于有换向器的存在通过线圈的电流始终不会改变方向，这样在线圈上就会有连续的力矩，这样就是转子线圈连续的运转起来了。而无刷直流电机没有换向器，并且绕组是在定子上，转子上镶有永磁刚。当定子上的线圈通有直流电后会产生不变的磁场，这个磁场不能与转子产生的磁场始终形成一个电角度来产生力矩推动转子运动，这就要求定子上通电后要产生变化的磁场，可以和转子永磁体产生的磁场在360始终形成一个固定的电角度产生连续的转矩让转子转动。通过位置传感器感受转子位置产生不同的逻辑信号，改变逻辑开关组成的电路中功率管的导通以此改变定子绕组通电相来实现磁场的变化，致使转子永磁体产生的磁场和绕组换相导
26、通的磁场始终保持一个90电角度，这样电机就连续不断的运转起来了。2.4 三相无刷直流电机逆变电路及其工作方式 基于以上阐述的原理，接下来我们就来讨论功率管的导通所带来的绕组换向问题及由功率管所构成的逆变电路。怎么样才能使转子永磁体产生的磁场与绕组产生的磁场在360度电角度内始终形成固定的90度的电角度，通过电路的一系列工作方式来说明这些问题。图2-6 无刷直流电机逆变电路如图2-6所示，图为现代无刷直流电机最常用的三相全桥逆变电路。采用6个MOSFET功率管和6个续流二极管组成。电机采用三相Y型连接方式。三相绕组导通方式通常有120导通方式和180导通方式。下面就两种主要导通方式进行论述和分析
27、。1. 120导通方式所谓120导通方式就是说电机内部绕组为A、B、C三相，两相绕组导通时其中每一项导通电角度是120，而且正相导通的一相与反相导通的一相其相间相位差也是120。按图3所示逆变电路为例，当在其两端加一直流电源时，功率管按顺序导通。首先以A相为基准，AB两相导通时，电流从T1管流过经A相B相绕组再从T6管流回，电流从A相正向流过从B相反向流过。从AB相换到AC相，电流从T1管流经A相C相再从T2管流回，电流还是从A相正向流过从C相反向流过。接下来以B相为基准，电流从T3管流过经B相C相绕组再从T2管流回，电流从B相正向流过从C相反向流回，从BC相换到BA相，电流还是从T3管流过经
28、B相A相再从T4管流回，电流从B相正向流过从A反向流回。最后以C相位基准，电流从T5管流过经C相A相再从T4管流回，电流从C相正向流过从A相反向向流回。从CA相换到CB相，电流从T5管经C相B相再从T6管流回，电流从C相正向流过从B相反向流过。绕组电流换向依次流过，就会在定子绕组中产生变化的磁场。三相绕组的变换顺序不会改变从AB-AC-BC-BA-CA-CB。MOSFET管的标号可以改变，按照上图的标示功率管的导通顺序应该依次是T1T6-T1T2-T3T4-T3T2-T5T4-T5T6。三相全桥逆变电路有6个状态，6个状态角，每个状态角都是60。2. 180导通方式180导通方式就是ABC三相
29、全部处于导通状态。电流正向流过A相，首先电流从CA两相正向流过，最后反向流过B相。接下来电流先从A相正向流过再从BC两相反向流过。然后电流从AB两相正向流过，最后反向流过C相。电流反向流过A相，电流从B相正向流过，从AC两相反向流过。电流从BC两相正向流过，最后从A相反向流过。电流从C相正向流过，从AB两相反向流过。其状态表示为CA/B-A/BC-AB/C-B/CA-BC/A-C/AB。根据状态表示依次使相对应的功率管导通。此外，根据直流侧电源性质的不同可分为两种：直流侧是电压源的称为电压型逆变电路，直流侧是电流源的称为电流型逆变电路。它们各有特点，本系统使用电压型逆变电路，它有以下特点： (
30、1)直流侧为电压源，或接有大电容，相当于电压源，直流侧电压基本无脉动，直流回路呈现低阻抗。 (2)由于直流电压源的钳位作用，交流侧电压波形为矩形波，并且与阻抗角无关，而交流侧电流波形和相位因负载阻抗角而异。(3)当交流侧为阻感性负载时需提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用，为了给交流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥给臂都并联反馈二极管。2.5 脉宽调制（PWM）技术脉宽调制（PWM）是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量。成本较低，对于模拟电路产生的热损耗以及对降低其产生的噪音都有良好的抑制作用，是用数字方式来控制模拟信号的典型例子
31、。PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，比如：电机调速、温度控制、压力控制等等。在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。也正因为如此，PWM又被称为“开关驱动装置”。如图2-7所示。图2-7 PWM占空比原理图占空比是指，信号在一个周期内持续的高电平时间占整个周期的时间比。设电机始终接通电源时，设方波一个周期的时间为T，电
32、机最大转速为Vmax，图2-4中占空比为t1/T,那么电机平均速度Va=Vmax(t1/D),为了得到不同的电机转速，我们可以改变占空比，也就是所谓的高电平持续的时间。严格意义上说来，电机平均转速Va与占空比并不成线性关系，但是这里我们可以将它们近似的看成线性关系。第3章 无刷直流电机控制系统总体设计3.1 整体运行思路本系统采用AT89C51为核心控制芯片，三相交流电源经过晶闸管全桥整流电路为逆变桥提供稳定的整流直流电，加载到逆变桥两端。由控制芯片提供六路PWM波，通过位置传感器感受转子的位置变化并将其转化后的电信号反馈到控制芯片中，控制芯片对此作出判断，通过电机驱动芯片IR2110以此控制
33、相对应的功率管按照既定的方式导通，使得定子绕组产生变化的磁场，产生推动转子连续转动的转矩。3.2 系统总体框图 系统总体框图如图3-1： 微 处 理 器电 机 驱动 电 路逆 变 桥整 流 桥三 相 交流 电 源转 子 位 置 信号无刷电 机电平转换图3-1 整体框图3.3基于Matlab的控制系统图3-2 基于无刷直流电机Matlab的仿真图图3-3 线电压Uab 图3-4 转子转速图3-5 相电流ia和相反电势ea图3-6 电磁转矩Te3.3基于仿真波形的论述 由图3-6可知，电机空载启动，自由加速至稳态后，在0.1s时负载转矩跳变。负载突增时，电机转速下降，图3-5中的相电流周期增大，电
34、流增大引起转矩增大，以平衡负载转矩。由图中波形可知转矩波形幅值和相电流幅值波形都在增大。负载突降时，转速会上升，电压和电流波形的周期会变短，电流和转矩的幅值以及波动程度都会变小。由于负载突增的时候，转速已经很高，反电势也会很大，在母线电压恒定的情况下电流不会很快响应，所以转速的变化过程会较慢，从图3-4中就可以看出。仿真结果表明无刷直流电机的转矩波动较大，动态响应过程较快。第4章 无刷直流电机控制系统软硬件设计4.1 各接口电路与所用芯片详细功能及使用介绍4.1.1 AT89C51芯片的介绍 AT89C51是由美国Atmel公司生产的一种8位单片机，其片内Flash是一种高速电可擦除可编程只读
35、存储器(EEPROM)，可在内部存放程序。“AT”表示由Atmel公司生产，“C”表示CMOS工艺，“LV”表示低电压，“S”表示这种器件含可以下载的Flash存储器。功能概述： AT89C51片内含有4KB的Flash存储器，片内RAM容量为128B，片外的ROM、RAM可以寻址32KB的容量，有4*8个并行的I/O端口，两个定时器和6个中断源，引脚封装形式有DIP 40、PLCC 44、PQFP 44三种形式。AT89C51引脚图如图4-1所示。 图4-1 AT89C51引脚图引脚功能概述：u P0（P0.0P0.7）口是8位漏极开路型双向I/O端口，访问片外存储器时，分时作为低8位的地址
36、线和8位双向数据总线，可以以灌电流的方式驱动8个LSTTL负载，要求外接上拉电阻。u P1（P1.0P1.7）口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端口，驱动4个LSTTL负载。u P2（P2.0P2.7）口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端，访问外部存储器时，由它输出高8位地址，可以驱动4个LSTTL负载。u P3（P3.0P3.7）口是一个带内部上拉电阻的8位双向I/O端，可以驱动4个LSTTL负载。但是它有专门的第二功能：P3.0(RXD)还可以做串行口的输入端，P3.1(TXD)串行口的输出端，P3.2/INT0和P3.3/INT1分别是外部0中断1中断，P3.4 T0与P3.5
37、T1是两个计时器，而P3.6/WR和P3.7/RD分别是访问外部存储器时的写选通和读选通。4.1.2单片机与键盘接口图4-2 系统键盘接口 本系统使用最简单的2*3矩阵键盘实现对整个系统的操作，键盘结构如图4-3所示：图4- 3键盘结构各键对应的功能和键值如表1：表1 各键对应功能和键值：键位功能键值S1启动/制动0XA0S20X90S3正反转0X88S40X60S50X50S60X48各键详细功能如下： S1：启动系统。单片机上电初始化后，首先扫描键盘，若S1被按下，则启动系统，否则将一直扫描键盘，此时其他键没有任何功能。S4和S6：系统运行期间，若按下S4或S6，系统进入调速状态，此时4位
38、数码管从左边第一位开始闪烁，代表当前位，若5S内键盘没输入，则自动确认当前输入值，通过调速达到设定值。 S2和S5：通过按S4或S6，当前位闪烁，此时通过S2和S5可对当前位进行+1/-1，若5S内没有操作，系统自动确认当前输入值。 S3：正反转，实现点机的反转。4.1.3单片机与显示数码管接口图4-4 单片机与数码管显示电路接口 整个显示电路包括两部分： 1.数码管 本系统采用4位8段共阴极数码管显示 P0口接上拉电阻 数码管段选通过限流电阻接P0口 位选接P1.0P1.3口 2.LED发光二极管 两个二极管一个代表正转一个代表反转4.1.4无刷直流电机的驱动电路图 4-5 驱动电路的组成
39、IR2110芯片是由IR公司生产，用于MOSFET驱动电路。由于无刷直流电机是三相绕组Y型接法，逆变电路采用的是六个MOSFET功率管驱动，因此需要单片机产生六路PWM波，因此需要三片IR2110芯片。这里只列两路输出其它两片的电路构成是完全相同的，三片IR2110标有COM的第二引脚是连接在一起的。图4-6 IR2110内部结构图IR2110是采用HVIC和闩锁抗干扰CMOS工艺制造的，内部由辑输入、电平平移和输出保护三个部分构成，VCC1是逻辑电源，VCC2是驱动电源。逻辑电源电压可以加载从+3.3v到+15v之间变化区间的电压，而栅极驱动电压可以加载从+10v到+20v之间中的电压。4.
40、2 软件部分 本系统设置两个标志位tag（启动标志位，0代表运行，1代表停止）和tag1（闪烁标志位，0代表有闪烁，0代表无闪烁），另外设置两个数组:数码管段选数组d_p和位选数组p1。 本系统程序主要由 大本分组成： 主程序中断服务程序 键盘扫描程序 显示程序 启动程序 停机程序 左移程序 右移程序 正反转程序测速程序 PWM输出程序 延时程序其中向上（下）、左（右）移、启动、正反装程序由键盘程序调用，键盘程序、显示程序、测速程序、PWM输出程序由主程序调用。4.2.1 主程序流程图如下： 键 盘 扫 描启 动检测霍尔传感器PWM计算制 动？启动键按？下？开 始结 束 停 机驱 动 电 路转
41、速测定转速测定数码管显示键盘扫描是否是否图4-13 主程序流程图4.2.2 键盘、显示流程图：开 始P2.7置高延迟并读P2口P2.6置高延迟并读P2口是否有键按下？是否有键按下?是否有键按下？是是是否否否图4-14 键盘程序流程图P1.0置高P0查表输出P1.1置高P1.0置低P0查表输出P1.2置高P1.1置低P0查表输出P1.3置高P1.2置低P0查表输出当前位亮延迟0.5s当前位灭延迟0.5sTag1=0?开 始2s内没动作？否是是否图4-15 显示程序流程图第5章 结 论通过本次设计，对无刷直流电机做了全面的了解。对其控制系统的构成做了一定的学习与理解。其控制系统由控制芯片、电机驱动
42、电路、逆变电路以及晶闸管整流电路组成。电机内部结构由相嵌在定子上的电枢绕组、用永磁材料构成的永磁体转子和能感受转子位置信号变化的位置传感器构成。对于电机逆变电路的工作方式及功率管的具体导通情况进行了深入的了解与学习，对于三相绕组的无刷直流电机，工作方式有两两导通和三三导通方式。两两导通是指在360角度内ABC三绕组有两相是在一直处于导通的状态，导通相顺序为AB-AC-BC-BA-CA-CB。转子位置传感器的个数取决于转子的磁极对数，最后通过MATLAB的仿真对其相电压，电流做了观测和理论的对照。致 谢时光飞逝，流水无声。大学四年美好的生活转眼就将结束，一路走来，有苦有乐，这里诚挚地感谢我的父母
43、、老师和一直在帮助我支持我的亲朋好友。正因为有你们一路陪伴着我，才让我的人生路如此平坦。在本次毕业设计的这段时间里，诚挚地感谢我的毕业设计指导老师北方民族大学王君瑞老师。毕业设计中遇到很多难题，王老师在写论文的各方面都给了我细心地指导。从论文的整体结构，到论文的构思、写作、格式的修改、再到论文文献的查找，最后到论文的查重以及更改，可以说在各个环节中都帮助了我。衷心的感谢王君瑞老师对我的帮助。感谢你们，我的父亲母亲，因为你们的关怀备至、细心呵护，我才能接受良好的教育。因为你们的谆谆教诲、正确的教导，我才能茁壮成长。感谢你我的朋友，因为你们，不管是伤心、快乐，还是难过、高兴，是你们一路陪我走过，共
44、同分享。是你们教会了我做人要学会分享，是你们教会了我要懂得站在他人的立场上考虑问题，别人取得好成绩时要真心的祝贺他们，正是因为你们，让我成长，使我变得成熟。 参考文献1夏长亮.无刷直流电机控制系统M.北京：科学出版社.20092谭建成. 永磁无刷直流电机技术M. 北京：机械工业出版社.2011：1-53刘刚，王志强，房建成. 永磁无刷直流电机控制技术与应用M.北京：机械工业出版社.20084李刚民，等.单片机原理及实用技术M.高等教育出版社.20055王兆安，黄俊.电力电子技术.北京：机械工业出版社M.20006马忠梅，等.单片机的C语言应用程序设计.北京：北京航空航天大学出版M.20037郭海英，微机控制PWM直流调速系统的设计J.机电工程技术.2006.8皱大军，升降装置用直流无刷电机驱动系统研究D.成都：西南大学.2010.附录A：程序：#include#define uchar unsigned char#define ulong unsigned longextern uchar zs; /*定义转速变量*/extern uchar tag=0x00,tag1=0x00;
