基于单片机的无刷直流电机控制

1、学士学位毕业设计（论文）无刷直流电机控制系统的研究与设计学生姓名：董 宇学 号：20114073106指导教师：高 飞 所在学院：信息技术学院专 业：电气工程及其自动化中国·大庆2015年05月本科毕业设计（论文）任务书学生姓名董宇所在班级2011级电气1导师姓名高飞导师职称讲师论文题目Ö无刷直流电机数字控制系统的研究与设计题目分类Ö1应用与非应用类：工程 科研 教学建设 理论分析模拟2软件与软硬结合类：软件硬件软硬结合非软硬件（1、2类中必须各选一项适合自己题目的类型在内打）主要研究内容及指标： 1.了解无刷直流电机的原理构造。2.研究硬件各部分的功能，完成电路

2、的设计。3.设计软件，编写C语言程序。主要参考文献：1王益全.电动机原理与实用技术.北京:科学出版社，20052叶金虎.现代无刷直流永磁电动机的原理和设计.辞学出版社，20073 Microchip PIC18F72 datasheetR ，2002 Microchip Technology Inc.4G.Henneberger. Brushless motors for electric and hybrid vehicles. Machines and Drives for Electric and Hybrid VehiclesR. 1996阶段规划：第一阶段3月2日至3月30日

3、0; 资料收集、整理无刷直流电机背景第二阶段3月31日至4月30日  硬件设计第三阶段4月30日至5月1日  软件设计、论文初稿第四阶段5月1日至5月22日  论文修改、录入开题时间2015-3-2完成论文时间2015-5-24专家审定意见：系主任签字：年 月 日注：1任务书由指导教师填写后交给学生，要求学生妥善保存。2此任务书夹于论文扉页与论文一并装订，作为论文评分依据之。摘要摘要因为本文是研究无刷直流电机的控制系统，所以驱动电机用无刷直流电机。本文以单片机AT89C51为控制核心，LM621为换向器，单片机通过采集得到比较电平并接收到霍尔位

4、置传感器反馈过来的信号，再把它们用软件编程后可以发出指令来驱动无刷直流电机，达到设计要求。关键词：无刷直流电机 AT89C51 LM621 霍尔位置传感器 ABSTRACTABSTRACTBecause this paper is a digital control system for brushless DC motor, so the motor brushless DC motor. The AT89C51 single-chip microcomputer as the control core, LM621 as the commutator, MCU by collec

5、ting the comparative level and receive the Holzer position sensor feedback over the signal, then they use programming software can send out instructions to drive brushless DC motor to achieve design requirements.Keywords:brushless DC motor AT89C51 LM621 Holzer position sensor 目录目录摘要IABSTRACTII前

6、言IIV1 绪论11.1无刷直流电机的背景11.2无刷直流电机的的现状12 无刷直流电机22.1无刷直流电机的构成原理22.2无刷直流电机的工作原理22.3无刷直流电机的控制原理33 无刷直流电机控制器设计63.1无刷直流电机控制器设计方案63.2控制器的基本原理73.3脉宽调制技术（PWM）84 AT89C51系列单片机的结构及工作原理简介104.1 AT89C51单片机的硬件结构104.2 AT89C51单片机的引脚及其功能描述114.3 AT89C51单片机的工作方式124.4 AT89C51单片机的最小应用系统144.5 AT89C51单片机的指令系统155 硬件电路175.1单片机与

7、键盘接口设计175.2单片机与显示数码管接口的设计185.3 逆变器与驱动电路接口设计195.4 限流保护电路226软件设计246.1 控制器软件设计总述 246.2程序流程图24结论28参考文献29致谢30附录A31附录B32I前言前言随着现在竞争力日益提高，很多客户已经不满足于现状，人们需要质量更 好，性能更高，无声，方便携带的电动机，而这推动了无刷直流电机的发展。例如：小型交流异步电机风扇现在很多都被更加简便的无刷直流电机风扇替代 了，同时效率比以前的更高。无刷直流电机与很多技术密切相关，这反映了当 前社会和科技成果，彰显当今的潮流。由于科技水平的飞速发展，

8、无刷直流电机的技术也得到了很大完善。新的 电子器件，集成电路等功能的日益完善，使得器件的数量相比以前大大减小，体型也小了很多，同时更加便宜，降低了成本。生活中的很多有刷直流电机渐 渐被无刷直流电机代替了。黑龙江八一农垦大学毕业设计（论文）1 绪论1.1无刷直流电机的背景无刷直流电机（Brushless DC Motor，BLDCM）是指无机械电刷和换向器 的直流电动机，又叫无换向直流电机。它与电机控制技术、电力电子技术、微 电子技术密切相关。它既有交流电机结构简单，运行可靠的优点，又有像有刷 直流电机工作效率高，无励磁损耗等性能。它最大的特点就是用电子换向代替 了机械换向，克服了机械换向所带来

9、的寿命短、火花、噪声等坏处，同时降低 了成本，使电机的维修变得简单。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。无刷直流电机的基本思想起源于1917年，是由Boliger提出的。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是从二十世纪30年代开始 的，但没有深入研究。直到1978年，人们才开始加大对无刷直流电机的研究， 最后研制出了方波和正弦波无刷直流电机。这些为现今的技术发展而研制的无 刷直流电机铺垫了良好的基础。现在世界各国上对无刷直流的研究取得了良好 的成果，提高了电机的效率。1.2无刷直流电机的的现状在二十世纪70年代，中国的

10、一些科研院所和高等院校对无刷直流电机开 始了研究。但由于我国科技相对落后国际水准，所以目前我国无刷直流电机的 综合水平依旧低于国际水平。但是经过科研人员的不断努力，数字化过程显著 改善。因为我国为发展中国家，需要的资源相对较大，所以发展无刷直流电机 对于我国异常重要。2 无刷直流电机2.1无刷直流电机的构成原理无刷直流电机主要由三部分组成，分别是电动机、电子换向线路和位置传感器。实 际上它用电子换向代替了机械换向， 同时他还有直流电机的调速性质。它的铁心中安置了对称多相绕组，绕组有星形或三角形，这种定子结构与异步电机及普通的同步电机一 样。 转子的材料一般为永磁材料，由于永磁体的形状不同，磁路

11、结构不同，他们的气隙磁场波形也不同，有正弦波、方波和梯形波，而这时反电动势波形也为正弦波、方波和梯形波。永磁同步电机的反电动势为正弦波，永磁无刷直流电机的反电动势为梯形波或方波。在结构上这两种电机类似，但永磁无刷直流电机不具有其他的启动装置和笼形绕组。无刷直流电机的结构图如图1所示，图中的电动机是三相两极，三相定子绕组联接着电子开关线路中与其相对应的功率开关器件。A、B、C 三相绕组分别联接着功率开关V1、V2、V3。位置传感器的转子联接着电动机的转轴。图中电子开关线路即电子换向线路。 图1 无刷直流电机的结构图2.2无刷直流电机的工作原理当把定子绕组的一相连接上电源时，电流和磁极产生的磁场发

12、生作用于是产生了转矩，使转子旋转，再通过位置传感器将转子位置的变动变换成电信号，从而控制了电子换向线路，使得定子的每个绕组按照一定的顺序导通，同时定子相的电流由于转子位置的不断变化而按照一定的顺序发生了换相。因为转子转角和电子换向线路的导通顺序同时变化，步骤一致，于是起到了换向作用。其原理框图如图2所示。位置传感器电动机换向电路直流电源图2 无刷直流电机的原理框图永磁有刷直流电机里面的永久磁钢在作用方面和无刷直流电动机里面转子的永久磁钢是相似的，它们的差异就为：无刷直流电机在转子上安装永磁钢，而有刷直流电机在定子上安装永磁钢。无刷直流电机如图3所示 图3 无刷直流电机图控制电动机定子的每相绕组

13、的导通时间和顺序的为电子换向线路，它主要由两部分组成，分别为位置传感器和功率逻辑开关。而控制整个电路的核心的单元就是功率逻辑开关，它把电源的功率分配给电动机定子上的每个绕组，但并不是盲目的分配，而是有一定的逻辑关系。这样它就能连续的使电动机产生转矩。位置传感器里的转子位置信号决定了每个绕组的导通时间和顺序。但是逻辑开关单元并不能直接被位置传感器发出的信号控制，这个信号想要控制逻辑开关还得需要一定的逻辑处理才可以达到目的。2.3无刷直流电机的控制原理大多数的永磁直流电动机上的定子都是由永久磁钢构成的，它就是为了在气隙中产生磁场。而它想产生磁场只要把它的电枢绕组通上电即可。在直流电机工作的过程中，

14、这两个磁场的方向因为电刷的换向原理而一直保持着相互垂直的状态，这样就可以使转矩达到最大而让电动机一直工作。有刷直流电机其实就是同步电机，它里面的电势和电流是交变的。对于电动机而言，而它的电刷和换向器就是逆变器的作用，它可以把直流电转换成交流电输送到电枢绕组。而对于直流发电机而言，电刷和换向器的作用就是整流。它把电枢发出的交流电变成了直流电运输到负载上。有刷直流电机的电刷的作用是检测电枢电流的换向位置。无刷直流电机和有刷直流电机作用是一样的，都是为了让电动机换相。他们只是结构不同而已。有刷直流电机里的电刷和换向器其实是机械逆变器，而无刷直流电机里则是用电子逆变器代替了机械逆变器。在无刷直流电机里

15、，它在定子上安放电枢绕组，在转子上安放永磁磁钢，目的就是让电机可以无电刷换相。但这样还不够，因为定子上接通的是直流电源，于是只能产生一个固定不变的磁场，而这个固定的磁场不能够和转动着的转子磁钢产生的磁场相互作用。因此它无法产生单一方向的转矩从而让转子转动。综上所述，无刷直流电机还需要一个换向装置，让定子形成的磁场与转子磁钢形成的永久磁场在空间中保持相互垂直的90º角。如图4是三相绕组无刷直流电机的原理图，位置传感器的地方用光电器件VP1、VP2、VP3代替，三个功率逻辑开关用三个功率晶体管代替。定子磁场旋转的示意图如下图5所示，5（a）的位置就是4里转子的初始位置。 图4 三相绕组无

16、刷直流电机 图5 定子磁场旋转示意图当光照射光电器件VP1的时候，V1导通，电流进入绕组A-A´，这时转子的磁极顺时针转动，如图5的箭头方向。当磁极旋转到5（b）时，转子轴上的遮光板也跟着同步旋转，遮住了VP1同时使光线照射到了VP2，这时V1断开，V2导通。A-A´处的电流断开而进入到了绕组B-B´处，继续带动转子磁极顺时针转动。当磁极旋转到图5（c）时，遮光板已经挡住了VP2,而光线照射到了VP3,这时V2断开，V3导通。B-B´处电流断开而进入了C-C´处，于是磁极继续顺时针转动，转到了5（d）处，也就是回到了5（a）的位置。这样，定子绕

17、组便能够实现了每个绕组的依次换相，可以一相一相的馈电。这种定子绕组换相时可以在气隙内产生跳跃式的旋转磁场。这种磁场在一圈内有有三种状况，每种持续120º角。如图 5（a）为第一种状况，Fa为通电后A-A´形成的磁动势，当转子转动了120º角之后，就进入了第二种状况，如图5（b），此时A-A´断开，B-B´导通。转子继续旋转120º时进入了第三种状况，如图5（c），此时B-B´断开，C-C´导通。而当转子继续旋转120º后又回到了初始位置。这样转子就一直旋转。各项绕组通电后的示意图如下图6所示。 图6 各项

18、绕组通电示意图3 无刷直流电机控制器设计3.1无刷直流电机控制器设计方案通过之前的章节，可以得到直流无刷电机的速度控制方法体现了很多的优势，它利用了数字调速的办法，适应了当今社会发展的趋势，以前的直流电机调速大多数是用模拟调速。这种方法有很多的缺点，所以现在已被取代。现今已经进入数字化得时代，模拟调速系统已经被数字化调速控制系统取代，数字调速系统拥有下列两种控制方案： （1）用专门的集成电路。优点：使用它可以使总电路得到简化，可靠性高，还减少了系统投资。缺点：不够灵活。 （2）构成硬件系统的控制核心为微处理器。优点：应用范围广泛，编程灵活，控制容易。 无刷直流电机的可靠性和系统的效率

19、取决于电机的控制器，它主要有下列功能:（1） 对输入的各个信号进行了逻辑处理。 （2） 用来对电机的调速。 （3） 提供各种控制信号用来驱动电路。 （4） 产生了PWM脉宽调制信号。 （5） 对于欠压和过电流的情形做出了反映，实现了保护。 在考虑了两方案的优缺点以后，采用方案二。 下图7为系统设计框图。数码管显示AT89C51逆变电路LM621无刷直流电机位置传感器2*3键盘图7 电动机驱动控制框图3.2控制器的基本原理系统的组成：AT89C51单片机、4位数码管、LM621芯片、2*3矩阵键盘和无刷直流电机。各部位的作用：选择AT89C51作为核心控制器，数码管用来显示速度的大小和转子旋转的

20、方向，LM621用来换相，输入部分选择了2*3矩阵键盘。本设计使用PWM技术来进行调速，用来控制电机的启动和停止控制，速度和大小的调整。 换相的设计：如果换相部分用单片机，那么单片机不仅要不断地执行着换相操作的指令，而且还要监控和处理外部的事件。例如：调整转向和转速的同时，还得监控用户的界面。这样就会降低效率，因此换相部分用芯片LM621。 1.微控制器 电机的旋转方向的要求，以及从转子位置的霍尔传感器传出的三个输出信号，将它们被处理成所需的驱动序列（驱动电平），然后用于驱动六个功率开关器件依次接通。通过AT89C51内部的时钟以及电机发出的制动信号、电信号和模拟

21、信号，经过AD处理产生脉宽调制信号。2.功率驱动单元 采用以MOSFET功率管构成的全桥逆变电路作为功率驱动单元。3.位置传感器 用霍尔位置传感器为位置传感器，它可以反馈转子在各个时刻的信息。4.周边辅助、保护电路 主要有电流采样电路、电压比较电路、过电流保护电路、调速信号和制动信号等输入电路。 3.3脉宽调制技术（PWM）用数字信号（由单片机产生）实现对模拟电路的控制。应用在许多领域中。PWM比模拟电路控制所具有的优点：高抗噪性，很大节约内存空间、经济性能高。在此技术之前常直接运用模拟电路控制，模拟电路虽然设计方便，且设计成本低，但模拟电路存在很多缺点

22、：（1） 模拟电路容易随时间漂移（2） 功率器件存在着损耗（3） 以及对噪声敏感等（4） 容易受干扰故选择运用数字电路来实现本设计，PWM技术克服了以上技术问题，同时用数字方式来控制模拟信号降低了该系统的成本，改善了性能。PWM技术解决了电机调速的问题，利用这个技术便可以实现调速的目的，同时可以通过软件设计实现调速，操作方便。PWM技术的应用范围较广，比如：温度控制、电机调速等场所。PWM控制的原理是在驱动电路中，通过改变开关在一个通断周期内接通的时间，即改变一个周期内高电平的持续时间即占空比的大小，故而改变了平均电压，因此能够改变电动机的转速。如下图8所示。图8 PWM占空比原理由图8得：

23、（3-1） （3-2） 指的是电机的平均速度。定义为电机在在整个通电过程中能够达到的最大速度。 指占空比。因此改变占空比时，电机平均速度Va也发生改变，即实现了调速的目的。由于占空。比的大小可以连续变化，故可以实现平滑调速，使调速的。范围变宽，其实上式3-2的关系式并不一定成立，只是比较接近这个关系，但是为了计。算方便，在普通的计算中，可以将其简。化成线性关系。 本系统对无。刷直流电机的调速采用了PWM控制，通过对单。片机AT89C51进行编程，即可得到所。需要的PWM波形，同时占空比的大小可。任意改变，只需在编程时处理占空比。的大小即可，通过编程比较方便。产生PWM波形。4 AT8

24、9C51系列单片机的结构及工作原理简介4.1 AT89C51单片机的硬件结构8051单片机是最早生产的，但是随着科技的发展，8051的不能满足更高的要求，从而开发出了AT89C51单片机。具有8051的基本功能，并在此基础上增加了一系列新功能，它具有一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器。具有CMOS8位微处理器高性能,低电压的特点。制造技术采用ATMEL高密度非易失性内存,和工业标准的MCS - 51系列单片机的指令集和输出管脚相兼容。与51系列单片机的区别在于AT89C51将8位CPU和闪烁存储器组合在一起，构成单个芯片，因此提高了运算速度。其基本机构如下图9所示:图9 AT89C51

25、单片机结构AT89C51具有一下结构特点如下：·与MCS-51 兼容·5个 中 断源·32可 编 程I/O线·可 编 程串 行 通道·低 功 耗的闲置和掉电模式·两 个16位 定 时 器/计器·128×8位 内 部 RAM·4K字 节可编 程闪 烁 存 储器4.2 AT89C51单片机的引脚及其功能描述下图10为控制器AT89C51单片机。图10 单片机AT89C51VCC：供电电源。GND：接地。P0口：被定义为数据/地址的低八位，端口置1（对端口写1）时，起到作高阻抗输入的作用。P1口：标准输入输出I

26、/O口，端口置1时，端口呈现高电平，用于输入口。P2口：标准输入和输出I/O口，外部程序存储空间的高八位地址也可以用其来访问，数据存储器也是一样，端口置1时，端口呈现高电平，用于输入口。P3口：既可以作标准输入输出I/O，也可做第二功能口，第二功能如下表：表1 P3口第二功能引脚第二功能P3.0RXD串行 口输入 端 P3.1TXD串行 口输出 端 P3.2低 电 平有效， 外 部中 断0请 求输入端 P3.3低 电 平有效， 外 部中 断1请 求输入端 P3.4T0定时器/计数器0计数脉 冲输 入端P3.5T1定时器/计数器1计数脉 冲输 入端P3.6低电平有效，外 部数 据存储器写选 通脉

27、冲输 出端P3.7低电平有效，外 部数 据存储器读选 通脉冲输 出端RST：复位输入端，高电平有效。复位要求RST引脚高电平输入的时间满足两个机器周期。 ALE/PROG： 当访问外部程序存储器或数据存储器时，ALE（地址锁存允许）输出脉冲用于锁存地址的低8位字节。即使不访问外部存储器，ALE 仍以时钟振荡频率的l/6 输出固定的正脉冲信号， 因此它 可对外输 出时钟或用来 定时目的。需要注意的是：每 当访 问外部数 据存储器 时将跳过一 个ALE脉冲。 PSEN：程序储存允许（PSEN）输 出是外部 程序存储 器的读选通 信号，当AT89C51由 外部程序 存储

28、器取 指令（或数据）时，每 个机器周 期两次PSEN有 效，即输出两个脉 冲。在此 期间，当访 问外部数 据存储器，这两次 有效的PSEN信号 出现。EA/VPP：外部访 问允许。欲使CPU 仅访问外部 程序存储器（地址为0000HFFFFH），EA端必 须保持低电 平（接 地）。需要 注意的是：如果加 密位LB1被编程，复位时 内部会锁存 EA端状态。如EA端 为高电平（接 VCC端），CPU则执 行内部程序 存储器中的指 令。Flash存储器 编程时，该引脚 加上+12V的编程 允许电源Vpp，当 然这必须是 该器件是使用 12V编程电压Vpp。XTAL1：用于反向振荡放大器以及内部时钟工

29、作电路的输入。XTAL2：来自反向振荡器的输出。4.3 AT89C51单片机的工作方式AT89C51单片机的常用工作方式有：复位方式，节电工作方式。工作方式与状态一一对应。一下介绍两种常用工作方式。一、复位方式 （1）上电自动复位：由RC电路充放电来实现的，上电的一瞬间，因电压的突加，使复位引脚呈现高电平，但是随着电流的减小，复位引脚呈现低电平得以复位。 （2）按键手 动复位具有脉冲方式、电平方式两种按键电平复位。其原理是相当于在复位引脚经电阻接高电平。图11所示；按键脉 冲复位的原理是因为复 位电 路采用了微 分 电路产 生的正脉冲得以复位的。图11 按键复位电路表2所示为寄存器复位后状态值

30、表2 单片机复位后寄存器值寄存器复位状态寄存器复位状态PC0000HTCON00HACC00HTH000HPSW00HTL000HSP07HTH100HDPTR0000HTL100HIPXX000000BSCON00HIE0XX00000BSBUF不定二、节电工作方式：由其内部的电源控制寄存器PCON决定的，该特殊功能寄存器的地址为87H，AT89C51单。片机的节电工作方式有两种，主要以掉电工作方式为主，在掉电工作方式中，单片机的内部振荡器停止工作。PCON的寄存器如下表3所示：表3 PCON寄存器位序D7D6D5D4D3D2D1D0位符号SMODGF1GF0IDLSMOD：用于对串行口波特

31、率倍率的设置；GF1、GF0：通用标志位；PD：用于对掉电方式的设置， PD为1时，即掉电工作方式； IDL：用于对空闲方式的设置， IDL为1时，即空闲工作方式；4.4 AT89C51单片机的最小应用系统单片机都有自己的最小系统，在这个基础上对单片机的功能进行扩展就是所谓的单片机应用扩展，AT89C51自身就可以组成一个最小系统，AT89C51构成最小系统需要将该芯片与时钟电路以及复位电路相连接即可，需要注意的是应将接高电平，而引脚ALE和不接输入信号，这样便构成了最小系统，并可以工作。注意有一些单片机自身并不能构成最小系统，比如目前国内较多采用的内部无程序存储器的芯片8031来说，则要用外

32、部程序存储器的方法才能构成一个最小应用系统，故在单片机的选取上应特别注意。 如图12所示为单片机的应用系统。图12 AT89C51单片机的应用系统该系统具有以下的特点： l（1）引脚（I/O口）端口较多：P1、P2、P3四个口都可以作为I/O口，故引脚比较丰富。（2）内部存储器空间有限，仅有128B的RAM、4KB的程序存储空间。 （3）应用系统的开发具有特殊性。因P0、P2口作为数据、地址总线时硬件调试只能用模拟的方法进行在开发。片内无程序存储器的芯片构成最小应用系统时，必须在片外扩展程序存储器。由于一般用程序存储器的EPROM芯片不能锁存地址，故扩展时还应外加1个锁存器，构成一个3片最小系

33、统，地址锁存器常用74LS系列地址锁存器，用于锁存低8位地址，应特别注意。4.5 AT89C51单片机的指令系统指令是CPU用于控制功能部件完成某种指定动作的指示和命令。计算机的指令系统是指指令的集合。指令系统体现了计算机的性能，也是运用了计算机进行程序设计的基础。计算机的指令一般是采用汇编语言指令来表示。指令系统可分为四类：数据传送、逻辑操作、算术操作和控制转移。一下以每种类型的一个作简要概述：通用的传送：MOV 将原操作送至目的操作数中，保持源操作数不变化，相当于数据的复制。累加器专用传送：MOVX 用于与外部数据存储器之间进行数据传送，外部数据存储器的选择由R1、R0这两位来决定。目标地

34、址传送：MOV DPTR, #data 是用于把一个立即数的高八位和低八位放进目的寄存器中的高八位，第八位地址中。位操作指令：JB 如果直接寻址位为1，则执行转移。算术操作：ADD 将累加器中的数与操作数进行相加，并将加的结果放进累加器A中。调用指令：ACALL 绝对调用指令、无条件地调用指定地址的子程序，不影响标志。转移指令：转移指令有两种，有条件的转移以及无条件转移指令。无条件转移指令：AJMP 转移控制到目标操作数。有条件转移：JZ 如果累加器A为0则执行一次转移。中断操作指令：单片机的中断操作指令用于对中断事件的处理，每个单片机都具有对内部或外部事件的处理能力，当内部或外部事件发生，对

35、应每一个中断事件都有自己的优先级，处理器一般会根据优先级来判断处理两事件的顺序，所要用到的中断指令：RETI： 中断指令。其控制转移的方式与RET指令相同，RETI是中断返回,并且清中断标志,以保证能继续中断。5 硬件电路硬件设计思路是先将各个功能模块的硬件电路设计出来，然后将各硬件部分连接在一块。本系统将整个硬件电路划分为四个电路模块；单片机与键盘接口设计单片机与显示数码管接口的设计逆变器与驱动电路接口设计限流保护电路的设计。系统的总硬件图如附录A所示。5.1单片机与键盘接口设计本系统使采用2*3矩阵键盘来对整个系统的操作，键盘结构如图13所示：图13 系统键盘接口键盘结构和各键对应的功能及

36、键值如表4：表4 键盘结构和功能启动/制动正反转键位功能键值K1启动/制动0XA0K20X90K3正反转0X88K40X60K50X50K60X48各键详细功能如下： K1：用于启动系统，单片纪上电后会对键盘进行扫描，K1按下则启动系统。K2和K5：按下K4或K6使当前位闪烁，改变当前值的大小通过K2和K5加1或减1操作，之后5秒内无输入的话，系统确定当前值。K4和K6：按下K4或K6系统进入调速状态，此时的4位数码管将从左边开始闪烁，闪烁第一位即当前位，若5S内无输入的话，系统确定当前值，并通过调速达到设定值。   K3：其功能是实现电机的正反转。5.

37、2单片机与显示数码管接口的设计图14 单片机与数码管显示电路设计图如图14示的是单片机与数码管显示电路的连接，数码管采用动态显示方式。该显示部分由一下两部分组成：1. 数码管 （1）4位8段共阴极数码管用于显示的功能（2）位选接P1.0P1.3口（3）P0口用于数码管的段选 （4）单片机P0口接上拉电阻  2. LED发光二极管 两个LED发光二极管用于标志电机的正反转。5.3 逆变器与驱动电路接口设计 图15所示的是逆变器与驱动电路接口电路设计。图15 逆变器与驱动电路接口1. 逆变器 本系统设计采用了MOSFET功率开关组成的三相

38、桥式全控逆变电路。   2. 驱动电路 （1）功率管的导通则选用了换相芯片LM621控制， LM621具有一下特点： ·与三相无刷直流电机兼容性良好·双极性驱动三相角形星型联结绕组·有中心抽头的三相星形联结绕组用单极性驱动·位置传感器空间间距的处理：三相电机空间间距处理为30°或60°；四相电动机可处理为空间间距90° ·输出端用于驱动双极型功率管或者用于MOSFET功率器件的驱动·可调节死区时间和时钟发生器 ·可接PWM信号接口、霍尔位置传感器接口 &#

39、183;具有欠电压封锁的特性LM621引脚如图16所示： 图16 LM621结构图管脚功能定义：  ·引脚1（Vcc1）：逻辑部分和时钟电源信号输入端，加+5V。·引脚2（DIRECTION)：转向控制端。电机转向取决于逻辑电平。 ·引脚3（DEAD-TIME ENABLE):死区时间使能端，高电平有效。用于死区功能的选择。·引脚4（CLOCK TIMING):时钟定时端。将该引脚外接定时电容经电阻接地，只要设定时钟振荡周期，便可设定死区的时间。  ·引脚5、6、7

40、（HS1、HS2、HS3）：传感器输入端（本设计采用霍尔位置传感器）。·引脚8（30/60SELECT): 或选择端，当三相电动机传感器空间间距处理为30度时，在此引脚加高电平；当三相电动机传感器空间间距60°时，施加零电平。·引脚9（LOGIC GROUND):逻辑地。·引脚10（POWER GROUND):功率地。·引脚11、12、13（CURRENT SOURCE OUT)：该系列引脚作为灌电流的输出端。·引脚14、15、16（CURRENT SINK OUT):抽电流

41、输出端。 ·引脚17（OUTPUT INHIBIT)：输出禁止端。当该引脚接高电平时，则输出被关闭。·引脚18（MOTOR SUPPLY VOLTAGE): Vcc2（+540V）端，作为第二等待能源输入端，它的功能是提供1113引脚灌电流输出的电流。其换相译码真值表如表5：表5 LM621换相真值表LM621 CommutationDecoder Truth TableSensorPhasingPositionRangeSensor InputsSink OutputsSource OutputsHS1HS2HS31231

42、2330 deg0-6060-120120-180180-240240-320320-360000111001110011100ONONOffOffOffOffOffOffONONOffOffOffOffOffOffONONOffOffOffONONOffONOffOffOffOffONOffONONOffOffOff60 deg0-6060-120120-180180-240240-320320-360111000001110100011ONONOffOffOffOffOffOffONONOffOffOffOffOffOffONONOffOffOffONONOffONOffOffOffOff

43、ONOffONONOffOffOff90 deg0-9090-180180-270270-36000111001HS2HS2HS2HS2OffONOffOffnanananaOffOffONOffOffOffOffONnanananaONOffOffOffPin Numbers567161514131211换相波形图如图17所示：图17 60º换相波形5.4 限流保护电路如下图18所示的限流电路设计： 图18 限流电路从上图18可知，主回路中的电动机的电流，最终经过电阻R接地。满足的关系。将反馈电压和数/模转换器的输出电压经过LM324运算放大器的两个输入端进行比较，当反馈

44、电压时，则运算放大器输出低电平，运算放大器输出再经过非门电路变为高电平，并输入到LM621的引脚17，使输出关断，使直流无刷电动机定子绕组的所有电流通路截至，导致电动机电流快速下降，当电流下降，致使，则LM324运算放大器输出回到高电平，通过非门变为低电平，接LM621的17脚，LM621工作。限流保护电路的设置对整个系统有重要的意义，可使流过电路的电流限制在一定的范围，从而防止了系统因发生过电流时而烧坏电路的情况。除此之外因限流保护电路经电阻R接地，也提高了系统电路抗干扰的能力。6软件设计6.1 控制器软件设计总述 在软件设计上，要首先考虑到用软件我们需要实现什么样的目的，例如本设

45、计中PWM波形的产生即需要软件设计，在软件设计时应定义一些标志位，比如启动标志位以及闪烁标志位的定义等，这些定义见附录B。系统程序的功能程序由下表6组成：表6 功能程序主程序键盘扫描程序右移程序正反转程序延时程序测速程序左移程序显示程序启动程序中断服务程序向上箭头程序PWM输出程序停机程序向下箭头程序-总设计程序是由多个程序段构成,每个子程序来实现各自的功能,形成一个独立的模块,使单片机执行效率提高,所有的子例程调用返回结果。需要注意在定义了各端口的功能之后，在连接各引脚时应保证引脚之间的连接正确，否则在运行程序时会出现较多的错误，带来很多不必要的麻烦。6.2程序流程图主要模块程序流程图如图1

46、9所示；键盘程序流程图如图20所示；图21为显示程序流程图的设计。本设计程序编程采用C语言，如附录B。开始键盘扫描结束停机制动？驱动电路LM621转速测定转速测定数码管键盘扫描启动键盘按下？启动 否是检测霍尔传感器PWM计算否是 图19 主程序流程图P2.4置高？有按键？开始否延迟并读P2口有按键？是 否是延迟并读P2口P2.3置高？有按键？图20 键盘程序流程图开始Tag1=1？P1.0置高是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0.5s2s内没动作是否否图21 显示程序流程图3

47、7结论结论在本次毕业设计中，使我对单片机以及无刷直流电机的工作原理又加深了进一步认识，虽然在设计的过程中有很多不懂的地方，也遇到了很多麻烦，不过在老师的帮助下，我也都一一的将它们解决，并成功的将硬件连接一起并调试成功实现了用 AT89C51单片机对无刷电机的PWM调速、逆变桥电流限定、同步整流保护等功能的应用。在此期间也意识到自己对专业课掌握的并不很踏实，以及自己的不足。不足之处： （1）硬件方面，由于专业知识的不足以及经验的不足，在硬件设计上走了很多误区，同时也因为在硬件的设计上缺乏实际数据的支持，使硬件的设计进程很慢，在硬件之间的连接上也存在这缺陷； （2）软件方面，在

48、软件设计方面尤其单片机端口的分配这一块中，因为对单片机端口的功能不熟悉，在分配的时候难免出混乱，同时不能熟练进行编程。 本控制系统的设计还有很大的改进空间，例如可不必采用位置传感器的控制方法，用无位置传感器的方法进行替代，这样可以提高可靠性，以及降低设计成本。参考文献参考文献1王益全.电动机原理与实用技术.北京:科学出版社，20052张深.直流无刷电动机原理与其应用.机械工业出版社，19963张兴.电力电子技术. 科学出版社，20104叶金虎.现代无刷直流永磁电动机的原理和设计.辞学出版社，20075黄友锐.单片机原理及应用.合肥工业大学出版社，20066王成元,夏加宽,杨俊友,孙益

49、标.电机现代技术.机械工业出版，20067李岚.电力拖动与控制. 机械工业出版社，20108孙旭东，王善铭.电机学.清华大学出版社，20069黄俊,王兆安.电力电子变流技术. 机械工业出版社，200410张立,黄两一.电力电子场控器件及其应用北京机械工业出版社，199511王季秩.无刷直流电机的现在和将来M.微特电机.199912陈益广.王晓远等.摩托车用直流无刷起动磁电机的设计M.微电机.200013蔡耀成 无刷直流电动机中的霍尔位置传感器M.微特电机.199914丁志刚.无刷直流电动机的研究和开发进展M.微特电机.200015周属德.永磁无刷直流电动机设计中的几个问题M.电机技术.1996

50、16 Microchip PIC18F72 datasheetR ，2002 Microchip Technology Inc. 17Jim Simons. Mastering the PIC16C7X A/D ConverterR，2002 Microchip Technology Inc. 18IRF250(S) & (PbF) datasheetR， 19G.Henneberger. Brushless motors for electric and hybrid vehicles. Machines and Drives for Electric and Hybrid Vehi

51、clesR. 199620S.Ogasawara,H.Akagi.An approach to position sensorless drive for BLDCMJ.IEEE Trans.Ind.Applicat,1991,IA-27:928-933致谢致谢从课程设计选题到完成的过程中，无不凝聚着高飞老师的心血和汗水。在我们做设计期间，老师为我提供了相应专业知识的讲解和一些富于创造性的建议，使得我们的一个个问题迎韧而解，同时也使我认识到了自己的很多不足。没有这样的帮助和关怀，我们不会这么顺利的完成课程设计。在此衷心的感谢老师对我的严格要求及悉心指导，使我学到了很多书本上没有的实用的知识。同

52、时也相当感谢设计过程中帮助过我的同学，我每一步的前进都与这些热心的同学分不开。附录附录A附录B程序代码如下所示： #include<reg51.h>  #define uchar unsigned char  #define ulong unsigned long  extern uchar zs;       /*定义转速变量*/  extern uchar tag=0x0

53、0,tag1=0x00;  /*启动标志位、闪烁标志位的定义*/ extern ulong zssd=3000;     /*转速设定*/  ulong count;      /*脉冲计数*/  ulong zkbg,zkbd;     /*占空比高低*/   sbit P14=P14;  sbit P15

54、=P15; sbit P16=P16;  sbit P17=P17;  uchar code p1=0x00,0x90,0x91,0x92,0x93,0x00;/*数码管位选*/  uchar *zy=p1;     void d_ms(uchar m)   /*延时程序*/   uchar i,j;    for(i=0;i<m;m+) &

55、#160;     for(j=0;j<100;j+)    /*延时m个100微秒*/         ；    void start()     /*开始程序*/      if(tag=0)      /*系统未启动*/ 

56、60;          P0=0xff;     /*数码管的正常检测*/        P1=0xff;     /*数码管全部选通*/         P0=0x00;       

57、  P1=0x00;       tag=1;   /*启动标志位置1系统启动*/          else      tag=0;     /*再次按下，标志位置0*/             &

58、#160;           void up()           /*向上箭头函数*/ f(tag1=0)      /*闪烁标志位为0*/         If(zssd<=4000)  

59、;/*最大转速为4000转*/       zssd+=100;    /*无闪烁，转速设定+100转*/       else        /*有闪烁，位选与转速*/      switch(*zy)      case 0x90: zssd=zs+1000;break; &

60、#160;   case 0x91: zssd=zs+100;break;    case 0x92: zssd=zs+10;break;     case 0x93: zssd=zs+1;break;      void fanzhuan()    /*反转函数*/       P15=0; &#

61、160;      /*P1.5口取反 */  P14=0;         /*P1.4口取反*/    P17=0;         /*P1.7口取反*/  void left()      /*左移函数*/    if(tag1=0)     /*0代表无闪烁*/        tag1=1;       /*闪烁标志位置，1代表开始闪烁*/   zy=p1+1;     &#