基于STCC单片机无刷直流电动机控制系统设计

1、运动控制系统课程设计说明书题 目： 基于单片机的无刷直流电动机控制系统设计 专业班级： 电气自动化 02班 学 号： 姓 名： 孔令上 指导教师： 文小玲 王振 成 绩： 2013年6月21日至7月2日基于单片机的无刷直流电动机控制系统设计Design of brushless DC motor control system on single-chip microcontroller学 生 姓 名: 孔令上 指 导 教 师: 文小玲 王振 课程设计量化评分标准指标分值评分要素得分设计完成情况30能独立查阅文献资料，提出并较好地论述课题的实施方案；设计方案选择合理，分析、设计正确，原理清楚；独

2、立进行设计工作，按期圆满完成规定的任务，设计结果达到预期效果，有实用价值。报告质量20报告结构严谨，逻辑严密，论述层次清晰，语言流畅，表达准确，重点突出，报告完全符合规范化要求。工作量、工作态度20工作量饱满，难度较大，工作努力，遵守纪律；工作作风严谨务实。答辩成绩30思路清晰；语言表达准确，概念清楚，论点正确；分析归纳合理，结论严谨；回答问题有理论根据，基本概念清楚。总 评 成 绩答辩记录答辩时间： 答辩地点： 摘 要电动机作为机电能量的转换装置,其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活之中。传统的直流电动机均采用电刷, 以机械方法进行换向, 存在着相对的机械摩擦, 由此带来了噪

3、声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点, 制造成本高及维修困难等缺点,因而大大地限制了它的应用范围。永磁无刷直流电动机是近年随着电力电子器件及新型永磁材料发展而迅速成熟起来的一种新型机电一体化电机，它具有以下特点: 1无刷直流电动机的转子采用高磁能积的稀土磁钢作为转子磁钢, 其转动惯量比鼠笼转子要小, 所以对于给定的转矩能够响应得更快, 控制特性更好。 2无刷直流电动机的效率比感应电动机高。因为在感应电机运行时, 转子上不会产生铜损和铁损。 3在相同容量下, 无刷直流电动机的体积相对要比感应电机小, 重量轻。 4无刷直流电机的噪音小。 5无刷直流电机调速方便, 灵活, 范围广。 在分析无刷直

4、流电动机（BLDCM）数学模型的基础之上，提出了一种新型的无刷直流电机控制系统建模仿真方法。在Matlab/Simulink环境之下，利用无刷电机关键词：无刷直流电动机；电刷；换向器；单片机AbstractMotor as electromechanical energy conversion devices, and their use has spread invarious fields of national economy and people in their daily life. Traditional DC motor brushes, mechanical method o

5、f commutation, there is a relatively mechanical friction, which bring about the fatal weakness of noise, sparks, radio interference, and short life, manufacturing high cost and maintenance difficulties and shortcomings. thus greatly limiting its scope of application. The permanent magnet brushless D

6、C motor is rapidly maturing in recent years with the development of power electronic devices and new permanent magnetic materials up a new the mechatronics motor, it has the following characteristics: 1. The rotor of the brushless DC motor with high energy product rare earth magnet as the rotor magn

7、et, the squirrel cage rotor inertia ratio is smaller, so for a given torque can respond faster to control features better. 2. The efficiency of the brushless DC motor is higher than the induction motor.Because the induction motor is running, the rotor does not produce the copper loss and iron loss.

8、3. In the same capacity, the volume of the brushless DC motor is relatively better than the induction motor is small, light weight. 4. Brushless DC motor noise. 5 Brushless DC motor speed convenient, flexible, and a wide range Permanent magnet brushless DC motor controller structure has many forms,

9、the initial complex analogue to the recently digital microcontroller as the core, but the new motor control ASIC, brushless DC motor speed control device design a great convenience, integrated analog control chip controlling function, the protection function, stable performance, simple system compos

10、ed of the peripheral circuits required, and strong anti-jamming capability, especially suitable for volume controller, the performance requirements higher occasions. Advantages of a dedicated control chip of course, but often are expensive. In the occasion of some control accuracy is not high, you n

11、eed to be able to have a working stability, price and relatively low-cost controller. This design is based on market demand.IIKeywords: HCCI； Chemical Kinetics； Numerical Simulation；DME；目 录摘 要IAbstractI1设计任务和要求11.1 设计要求11.2 设计任务12系统组成原理12.1无刷电动机的基本结构12.2直流无刷电机的换向原理12.3 单片机控制最小系统12.4光耦隔离电路12.5 滤波电路和限

12、幅电路12.6 保护电路12.7 主电路设计12.8 总控制电路设计12.9系统原理框图13控制算法与系统软件设计13.1转速控制器结构参数设计13.2电流控制器结构参数设计13.3采样周期选择13.4控制算法和运算流程图13.4.1算法思路及初始化简述13.4.2运算流程图13.5系统软件设计13.5.1系统初始化程序模块13.5.2主程序模块13.5.3编码脉冲中断服务程序模块13.5.4速度环采样和调节控制模块13.5.5电流环采样和调节控制模块14仿真（实验）结果分析14.1 换向逻辑控制模块14.2 控制器和控制电平转换及PWM发生环节设计14.3换相逻辑控制模块15总 结1参考文献

13、1附录I系统原理图11设计任务和要求1.1 设计要求 设计一个以AT89C51单片机为控制核心的无刷直流电机调速系统。系统包括速度设定、速度显示、速度测量、速度控制、正反转控制、声光报警等。主电路采用MOSFET三相逆变桥，换向电路可以采用电机专用芯片。已知无刷直流电动机额定数据为60W/24V，调速范围303000r/min，采用霍尔位置传感器。1.2 设计任务 本课题总的设计任务如下：（1）完成系统理论与仿真分析1）进行系统参数计算，完成转速、电流调节器的结构和参数设计；2）利用Matlab/Simulink建立系统的仿真模型，对整个调速系统的动态性能（给定输入的跟随性能和负载与电网电压扰

14、动下的抗扰性能）进行仿真分析。（2）完成系统电气原理图的设计（包括电路原理图设计、参数计算、元器件选型）1）主电路的设计；2）单片机控制电路的设计a. 单片机基本系统；b. A/D接口电路；c. 编码器脉冲输入接口电路；d. 开关量输入输出电路；e. 电压、电流采样电路； f电源电路；g. PWM控制输出通道及驱动电路；: ) A8 p- s0 T# : Wh给定输入通道（拨码开关、模拟旋钮和串行通信接口电路等）。 （3）PCB板的设计、制作与调试（根据时间选做） （4）控制算法设计 1）电流控制器结构和参数设计； 2）转速控制器结构和参数设计； & b# H,

15、 i e$ ayG; j1 3）采样周期选择； 6 x- e j# : m. n e& I免费提供全国各地大学的精品教学课件，课程设计，毕业设计，论文资源!为大学生学习交流提供课程设计,毕业设计论文,习题答案,课件PPT的下载社区 4）控制算法和运算流程图。 （5）系统软件设计- ; gi5 : s0 w; t2 课程设计,毕业设计论文,习题答案,课件PPT# rQ! D+ d. _x/ X2 Wa系统初始化程序模块； b主程序模块； + M. q8 G9 e. G$ B$ uc编码脉冲中断服务程序模块； / x. g2 r/

16、# i, c: |d给定通道串行通信中断服务程序模块； 2 ) A8 4 7 Q. ; / f% T0 c) 1 Z大学课件论文设计e定时中断服务模块； 6 ! o( Y8 y1 A b$ % Q5 k+ U大学设计,大学课程,大学课程设计,毕业设计,毕业论文,习题答案,课件PPT,精品课件- ?0 R# c; 0 C9 G7 g4 Q$ A q大学设计,大学课程,大学课程设计,毕业设计,毕业论文,习题答案,课件PPT,精品课件f速度环采样和调节控制模块； . W7 O1 M, v( $ W* x大学设计,大学课程,大学课程设计,毕业设计,毕业论文,习题答案,课

17、件PPT,精品课g电流环采样和调节控制模块。6 x- e j# : m. n e& I免费提供全国各地大学的精品教学课件，课程设计，毕业设计，论文资源!为大学生学习交流提供课程设计,毕业设计论文,习题答案,课件PPT的下载社区 文本文主要是完成位置检测电路和辅助电路的设计（保护电路设计）（1）通过分析比较两种以上不同结构的晶闸管整流电路组成原理，确定合适的主电路结构；（2）完成主电路参数计算及其元器件的选型（3）画出主电路电气原理图2系统组成原理2.1无刷电动机的基本结构无刷直流电动机属于三相永磁同步电机的范畴，永磁同步电动机的磁场来自电动机转子上的永久磁铁。无刷直流电动机是由电动机本体、转子

18、位置传感器和电子换相线路3部分组成，其内部基本结构原理图和实物图如图2-1 图2-2所示 图2-1-1 霍尔无刷电机内部原理图 图2-1-2 霍尔无刷电机内部结构图 普通直流电动机的电枢在转子上，而定子产生固定不动的磁场。为了使直流电动机旋转，需要通过换向器和电刷不断的改变电枢绕组中电流的方向，使两个磁场的方向始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电动机不断转动。 无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，而转子做成永磁体，这样的结构正好与普通电机相反；然而，即使这样改变还不够，因为定子上的电枢通入直流以后，只能产生不变的磁场，电动机依然不能转动。为了使电动机的转子转起来，必须使定子电

19、枢各相绕组不断的换相通电，这样才能使定子磁场随着转子的位置在不断地变化，使定子磁场与永磁磁场始终保持90度左右的空间角，产生转矩推动转子旋转。 霍尔无刷直流电机与普通无刷直流电机相比，只是电机内部多了一个霍尔位置检测器。其工作原理与无位置传感器电机完全一样，只是在相位检测时比较方便。2.2直流无刷电机的换向原理 图 2-2-1 为常用的三相星形联接绕组全桥驱动电路。全控电路的控制方式分为两两导通方式和三三导通方式，其中两两导通用的比较普遍。本文采用两两导通方式，其三相理想的霍尔信号、反电动势波形、电流波形与六个导通区间功率管的通断关系如图 2-2-2所示。 图2-2-1 三相星型连接全桥驱动电

20、路 图 2-2-2 两两导通方式换相原理说明图由图 2-2-2，运行原理分析如下：当霍尔位置传感器检测到转子处于图 2-7（a）所示位置时，由图 2-6 可知，此时位置传感器的 HA 信号变为高电平。由控制电路对当前的转子位置信号进行逻辑运算，产生驱动脉冲，控制逆变器的通断状态，使 V1、V6 导通，也就是使 A、B 两相绕组通电。此时电枢绕组产生的磁动势Fs如图 2-7（a）所示，Fs与定子磁场Fr相互作用，使电机的转子顺时针旋转。 当上述两个磁场的作用下，转子顺时针转过 60电角度，到达图 2-7（b）所示位置。此时霍尔位置传感器的 HC 信号输出低电平。经过控制电路和驱动电路的作用，使

21、V1、V2 导通，也就是使 A、C 两相绕组通电，电枢绕组产生的磁动势Fs 如图 2-7（b）所示，此时Fs 与Fr 相互作用，使电机的转子继续顺时针旋转。 在Fs与Fr的相互作用下，转子每转过 60电角度，电机的定子绕组就换流一次，sF的方向也跃变一次，所以在一个电角度周期内，电机换相六次，每次有两相导通，每相绕组正、反向各导通 120电角度。顺时针旋转时功率管的导通逻辑依次为 V5V6、V1V6、V1V2、V3V2、V3V4、V5V4、V5V6，如图 2-2-1所示，在此期间，转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用，沿顺时针方向连续旋转。而对于电机逆时针旋转的控制，只需要将各个功率管的导通顺

22、序按照逆时针旋转时的导通次序依次导通各相定子绕组，就可以实现电机的逆时针旋转控制。附上如下星形连接二二导通方式的正转通电规律，见表2-1通电顺序正转（逆时针）转子位置（电角度/（）06060120120180180240240300300360开关管序号1、22、33、44、55、61、6A相+-+B相+-C相-+表2-2-1 星形连接二二导通方式的正转通电规律 此外，由于换相控制逻辑与位置传感器定转子与电机本体定转子的相对位置直接相关，所以不同的位置传感器安装位置，决定了不同的换相控制逻辑。如下给出转子位置与霍尔传感器输出脉冲的对应图。见图2-2-3.图 2-2-3 无刷直流电机霍尔传感器工

23、作示意图2.3 单片机控制最小系统此次设计采用的是AT89C51单片机来实现的控制，单片机的最小系统是能够让单片机工作的最小硬件电路。除了单片机外，一般包括单片机的供电电路、复位电路和时钟电路等。如图2-3-1图2-3-1 单片机最小系统2.4光耦隔离电路由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。光耦合器的主要优点是：信号

24、单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。光耦隔离就是采用光耦合器进行隔离,光耦合器的结构相当于把发光二极管和光敏(三极)管封装在一起。发光二极管把输入的电信号转换为光信号传给光敏管转换为电信号输出，由于没有直接的电气连接，这样既耦合传输了信号，又有隔离作用。图2-4-1 光耦隔离电路2.5 滤波电路和限幅电路 此次课程设计中由于是数字控制，所以在信号的传输过程中，需要经过A/D转换，但是在A/D转换之前，需要将已有的信号高次谐波滤去，然后经过限幅电路再传给A/D转换器图2-5-1二阶低通滤波电路图2-5-2

25、 限幅电路2.6 保护电路2.7 主电路设计 本次课程设计中，主电路由整流电路、缓冲电路、逆变电路等组成，从而驱动无刷直流电动机运转。图2-7-1 主电路设计2.8 总控制电路设计 由于时间有限，为了硬件电路的简便和软件编程易于实现，本次设计采用了无刷直流电机的专用芯片Si9979CS。 Si9979CS可用于控制三相和单相无刷直流电机。要求无刷直流电动机带有霍尔传感器，可选择相位差为60或120电角度的传感器位置关系。该芯片内部集成电压调节器，允许使用2040V宽范围直流功率电源。集成自举电路和充电泵电路，可以为上桥臂开关管驱动电路供电保护功能：直流保护、电流限制和欠压保护。当有故障信号输出

26、时，表示可能出现欠压、过流、失效或传感器信号错误组合。2.9系统原理框图 图2-9-1总体设计原理框图 考虑成本问题，主控芯片选用市场上普通AT89C51单片机作为主控中心，单片机输出与输入的信号先经过光耦隔离（目的消除干扰），运行时，首先采集电机的霍尔信号送主机进行处理，同时输出相应的控制字，六个功率管分成上下臂两部分，通过控制字来控制上下臂有序的导通，从而达到电机三相有序通电，使电机有序运转。电机运转的同时，单片机对采集到的霍尔信号做相应判断，对转速做到实时测量，并将测量结果送外围显示电路显示。总体设计原理图如图2-4所示。3控制算法与系统软件设计3.1转速控制器结构参数设计为了实现零静差

27、，参考书上的设计方法，采用工程设计方法设计典型I系统的速度控制器。传递函数如下：参数如下：1. KS=24.57；2. ts=0.087；PI实现流程图如下：图3-1-13.2电流控制器结构参数设计为了实现零静差，参考书上的设计方法，采用工程设计方法设计典型I系统的速度控制器。传递函数如下：参数如下：1. KI=0.019；2. ti=0.002;3.3采样周期选择根据使用的Si9979CS芯片，测出电机的转速，从而根据这个转速得出采样周期。软件测出电机转子转过60度的时间dt，采样转速位转子转过120采样一次，故:Tsam=23.4控制算法和运算流程图3.4.1算法思路及初始化简述1.ADC

28、0809采样：依照ADC0809数据手册，将IN0设置为采样，即为采样转速给定号地址为ADDA0=0,ADDA1=0,ADDA2=0.将IN1设置为电流采样信号，ADDA0=0,ADDA1=0,ADDA2=1。参考电压为+5V。2.ASR、ACR参数初始化：两环当前误差输入e1、e2以及前一采样时刻误差e11、e22 输入均为0；两环当前输出值ui、uc以及前一采样时刻输出值uii、ucc均为0；由PWM要求和单片机定时器精度给定ucmax和uimax。具体过程如下：设将某下管导通的120内的调速PWM波分成10周期。可得每周期时间（按3000r/min计算）为2dt/10=dt/5。一周期内

29、高电平时间为。假设uc=1，则一周期PWM内高电平最短时间为。由于dt最小值（对应3000r/min）为约3.3ms，单片机延时最小精度为1us（12Mhz晶振），故推断分析有ucmax=100。这样，最高速下，PWM一个周期内高电平最短时间（此时uc=1）为6us。再设置uimax。知e2max=uimax。假设uimaxKi=ucmax。得uimax=5263。假设，这样一来，e1max=214.21。而实际上e1输出的最大值为100=314.1。意味着实际上，调速变阻器瞬间给定到三分之二的位置时候ASR就已经饱和了。此时的速度给定值就对应调速范围最大值3000r/min。这也是本程序最大

30、的不足。限于时间有限，并未解决。3.电流检测中的初始化:在电流检测中，由于,i=故=1403.57。在程序中直接给出了的数值，并未设置变量表示。4转速检测：本文采用的Si9979CS芯片，在转子每次转过60的时候会输出一个低脉冲，这个脉冲引发中断，并在第一次进入中断的时候开定时器，第二次进入的时候关定时，读出转动60所需要的时间，循环往后，由此可以确定转速。可以看出，测速方式为T法测速。更具T法测速计算测速误差的公式可以得出即使在最高速时，=0.03%，在本设计中该误差可以忽略，在更高精度的设计中，这是不行的。并可以发现，采样周期为转子转过120所需时间。5.数字PI调节器设计思路：ASR、A

31、CR控制算法采用积分分离的增量式数字PI算法，这样一来，在大偏差时可快速响应输入的变化，同时也实现了稳态无静差。具体算法公式略。PI实现流程图如图3-4-1。在ASR中。对应的转速为100r/min，即为给定转速与反馈转速之差为100r/min为积分分离的临界值。图3-4-13.4.2运算流程图、图3-4-23.5系统软件设计3.5.1系统初始化程序模块void read_speed_online()/测速初始化模块EA=1;ET0=1;TL0=0;TH0=0;TMOD=0X01;/定时器0工作在方式1；EX1=1;IT1=1;3.5.2主程序模块void main()uint8 t;read

32、_speed_online();EX0=1; /诊断后刹车用中断IT0=1;while(1)tsam=2*dt;/采样周期实时更新read_speed_set();e1=w0-w;if(e1=0)ui=uii;goto next1;if(e1)(10*3.14/3)/比例算法ui=ks*e1;else/增量式PI算法 ui=uii+(ks*(e1-e11)+(1/ts)*tsam*e1);if(ui=uimax)ui=uimax;next1:uii=ui;e11=e1;/asr 完成read_i_online();e2=ui-i;if(e2=0)uc=ucc;goto next2; if(e2

33、)1)/比例算法uc=ki*e2;else/增量式PI算法 uc=ucc+(ki*(e2-e22)+(1/ti)*tsam*e2);if(uc=ucmax)uc=ucmax;next2:ucc=uc;e22=e2;/acr 完成doPWM=1;delay(uc*dt/500);if(dt!=0)PWM=0;delay(1-(uc/100)*(dt/5);while(inter2%2)=1);/每个管子导通120的时间分成10份，ucmax=100。/PWM完成3.5.3编码脉冲中断服务程序模块void protect() interrupt 0BRK=1;void speed_online()

34、 interrupt 2inter2+;if(inter2%2)=1)TR0=1;if(inter2%2=0)TR0=0;dt=0x0000|TH0;dt=8;dt|=TL0;dt=dt/;/转换成秒w=3.14/(3*dt);TL0=0X00;TH0=0X00;3.5.4速度环采样和调节控制模块void read_speed_online()/速度环采样初始化EA=1;ET0=1;TL0=0;TH0=0;TMOD=0X01;/定时器0工作在方式1；EX1=1;IT1=1; void speed_online() interrupt 2/中断法采样速度inter2+;if(inter2%2)=

35、1)TR0=1;if(inter2%2=0)TR0=0;dt=0x0000|TH0;dt=0。因为u2路连接的是Input3即转速偏差信号，当u2大于0时可知电机转速要小于给定转速，所以电机要加速，因此Switch模块选择u1路信号输出，而u1路信号连接的是EMF2ControlSingal Forward子系统也即正转译码子系统的输出，这正满足了电机需要正向加速运行的要求。反之当u2小于0时亦可推出同样的结论。无刷直流电机的可逆调速便由此得以实现。4.2 控制器和控制电平转换及PWM发生环节设计基于无刷直流电机的速度控制系统的控制方法可分为开环控制和闭环控制两大类。常用的控制方法一般为双闭环

36、调速，内环为电流环（转矩环），外环为速度环（电压环）。电机正常运行及基速以下运行时，一般通过PWM调制改变电枢端的输入电压来实现速度可控制，而电机的基速以上运行常采用相电流提前导通、辅助励磁等手段实现的弱磁控制技术来完成。图4-2-1 无刷直流电机PWM调速系统的仿真模型本设计采用了转速单闭环的控制方法转速调节器采用PI调节器，PI调节器的传递函数可以直接调用simulink中的传递函数或零极点模块，这些模块是线性的，为了充分反映在饱和和限幅非线性影响下调速系统的工作情况，需要构建考虑饱和和输出限幅的PI调节器，线性PI调节器的传递函数为 (4-1)式中：-比例系数，-积分系数，考虑饱和和输出

37、限幅的PI调节器中比例和积分调节分为两个通道，其中积分调节器integrate的限幅表示调节器的饱和限幅值，而调节器的输出限幅值由饱和模块saturation设定。当调节器用作转速调节器ASR时，在起动中由于开始转速偏差大，调节器输出很快达到输出限幅值，在转速超调后首先积分器退饱和，然后转速调节器输出才从限幅值开始下降。图4-2-2 PI调节器结构4.3换相逻辑控制模块此模块的功能为将3霍尔传感器信号与结合PWM信号和转速偏差信号译码产生逆变桥开关器件的控制信号，从而实现对逆变桥的受限式单极性控制和无刷直流电机的可逆调速。此模块结构如下图：图4-2-3 系统Decoder模块此模块有3个输入端

38、一个输出端，它们分别为：Input1：三个霍尔信号Input2：PWM信号Input3：转速偏差信号Output1：逆变桥开关器件控制信号此模块的重点在于Hall2EMF Decoder、EMF2ControlSingal Forward、EMF2ControlSingal Backward三个子系统，它们结合起来共同实现了无刷直流电机的换相逻辑控制，下面重点叙述其设计原理。无刷直流电机的驱动方式与传统直流电机有着根本的区别。相对于传统直流电机，无刷直流电机驱动装置要复杂一些。驱动无刷直流电机的核心问题是定子多相绕组要配合转子磁极的位置按一定次序通电也即换相，从而使定子与转子的磁场相互作用产生最大的转矩。下面将以采用两两通电方式的三相两极无刷直流电机控制系统为例，对其驱动过程进行系统的分析。 此二图分别为EMF2ControlSingal Forward、EMF2ControlSingal Backward子系统的内部结构，它们实现了将反电动势正负信号译码为逆变桥开关器件控制信号。下面的表4-3到表