毕业设计-无刷直流电动机的单片机设计

1、 摘要：无刷直流电动机是近年来迅速发展起来的一种新型电机，它利用电子换相代替机械挟相，既具有直流电动机的调速性能，又具有交流电机结构简单、运行可靠、维护方便等优点。如今，利用单片机为核心设计的直流无刷电机控制系统，由于其固有的结构简单、调速范围宽、低噪声、高功率密度、启动扭矩大、寿命长等特点，在日常生活中得到了越来越广泛的应用。论文以永磁无刷直流电动机的数学模型为理论基础，研究了无刷直流电动机的基本组成、基本工作原理、运行特性，传递函数；结合AT89C52单片机，提出了以电流环和速度环组成的双闭环全数字无刷直流电动机控制方案，并根据方案进行了硬件电路和系统软件的设计。 在硬件电路设计中，提出了

2、检测方案和调节方案。重点讨论了在调节方案，为了克服经典PID算法中参数不易确定的问题。通过Matlab建立的电机转速。仿真结果表明该模型的输出波形与理论分析完全吻合。采用该仿真模型可以灵活地实现各种控制算法，能有效地节省系统设计周期，加快实际系统设计和调试的进程，因此为分析和设计直流无刷电机控制系统提供了一个理想试验平台。设计结果表明，采用AT89C52单片机和集成驱动器IR2130的无刷直流电动机控制系统硬件电路简单，实用，经济性好。实验结果证明，该设计方案合理，工作稳定，具有较高的性能指标。关键词：无刷直流电动机，单片机，AT89C52 Single-chip microcomputer

3、control of brushless DC motor Abstract: A Brushless DC motor(BLDCM)is a new type of motor in which a electrical Commutator replaces a mechanical commutatorIt has advantages of variable speed as DC motor and simply structure，reliable operation,easy maintenance as AC MotorBLDCM Control system based on

4、 a MCU is widely used because of perfect characteristics such as simple circuit ,high efficiency,wide speed range,low noise,high power density,large start torque,long life period and so on At the beginning,on the theory fundamental of mathematical model about BLDCM，the basic structure，the operation

5、principle,running performance and transfer function were Analyzed and AT89C52s main characteristics produced in the paperThen,a solution of control system of BLDCM using AT89C52 is presentedFor a better effect,the control system includes three closed loops，which are current loop and speed loopThe ha

6、rdware circuits are designed and the software is completed Secondly,on the process design about hardware circuit,detected circuit and adjust Strategy were proposed,specially discussed adjust strategyTo overcome the problems that Parameters in the classical PID algorithm are not selected easily,the f

7、uzzy control is applied t0 the design systemThe models of speed loop and current loop were established by using Matlab The simulation results indicate that the output waves are the same as the Ones analyed in theory The simulation model can product varieties of control algorithm, Shorten system desi

8、gn time and accelerate the process of system design and debuggingAs a result,a ideal testing plate was proposed for the BLDCM control system Finally,The design result shows that the hardware circuit of control system based C805 AT89C52 and IR2130 driver designed simply，practical and economicallyThe

9、experiment result proves that this schematic is reasonable，stable operation and better performance. Keywords: Brushless DC Motor AT89C52 fuzzy control 1 绪论1.1 研究背景及意义在电气时代的今天，电动机一直在现代化的生产和生活中起着十分重要的作用。无论是在工农业生产、交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、商务与办公设备中，还是在日常生活中的家用电器中，都大量地使用着各种各样的电动机。据资料统计，现在有90以上的动力源来自于电动机我国生产的电能大

10、约有60用于电动机。可见，电动机与人们的生活息息相关、密不可分。 由于直流电动机具有非常优秀的线性机械特性、宽的调速范围、大的启动转矩、简单的控制电路等优点，长期以来一直广泛地应用在各种驱动装置和伺服系统中。但是，直流电动机的电刷和换向器却成为阻碍它发展的障碍，机械电刷和换向器因强迫性接触，造成它结构复杂、可靠性差，并且机械换相装置易产生火化、电磁干扰、不适用恶劣环境以及需要定期维护等不足，严重影响了直流电动机的调速精度和性能。因此，长期以来人们一直在寻找一种不用电刷和换向器的直流电动机。 随着电子技术、功率元件技术和高性能的磁性材料制造技术的飞速发展，这种想法已成为现实。无刷直流电动机利用电

11、子换向器取代了机械电刷和机械换向器，因此，使这种电动机不仅保留了直流电动机的优点，而且又具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点，使它一经出现就以极快的速度发展和普及。 近年来，电动机的控制部分已由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制。在选择单片机的过程中，过去很多学者认为8位单片机不适合作为电机控制器，而转向使用16位单片机。但是由于现代8位单片机的功能和速度都与16位单片机不相上下，而且价格便宜，易于与占多数的8位芯片接口，同时越来越多的电动机专用集成电路的使用也使单片机减轻了许多沉重的负担。因此，8位单片机将会成为普通电动机控制的主流处理器。 本文采用的是at89c51

12、单片机，进行了基于8位单片机的无刷直流电动机的控制。12无刷直流电动机的特点及发展历程121无刷直流电动机的特点 同其他电动机，如感应电动机、永磁同步电动机、有刷直流电动机相比，无刷直流电机具有非常优异的性能，具体如下： (1) 与感应电动机相比，无刷直流电动机具有更大的功率密度，更高的效率和更好的性能，主要表现在以下几个方面：由于采用高性能永磁材料，无刷直流电动机转子体积得以减小，可以具有较低的惯性、更快的响应速度、更高的转矩惯量比。由于没有转子损耗，也无需定子励磁电流分量，所以无刷直流电动机具有较高的效和功率密度。对于同等容量输出，感应电动机需要更大功率的整流器和逆变器。由于没有转子发热，

13、无刷直流电动机也无需要考虑转子冷却问题。尽管感应电动机系统应用较为普通和成熟，但由于其非线性本质，控制系统较为复杂。永磁同步电动机把交流电动机复杂的磁场定向控制转换为转子位置定向控制，而无刷直流动机则进一步将其简化为离散六状态的转子位置控制，也无需坐标变换。 (3) 由于采用电力电子器件代替机械换向器，无刷直流电动机克服了有刷直流电动机的致命缺点。与有俐直流电动机相比，无刷直流电动机有以下特点：可靠性高，寿命长。它的工作期限主要取决于轴承及其润滑系统。高性能的无刷直流电动机工作寿命可达数十万小时。而有刷直流电动机寿命一般较短，在高温环境下甚至只有几分钟。无电气接触火花、无线电干扰少，不必经常进

14、行维护和修理，可工作于高真空、不良介质环境。可在高转速下工作，专门设计的高速无刷直流电动机的工作转速可达每分钟10万转以上 ，并且机械噪声很低。必须与一定的电子换向线路配套使用，从而使总体成本增加，但从控制的角度看，有更大的使用灵活性。122无刷直流电动机发展历程 一百多年来，电动机作为机电能量转换装置，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，电动机主要类型有同步电动机、异步电动机与直流电动机三种，其容量小到几瓦，大至上万千瓦。众所周知，直流电动机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，但传统的直流电动机均采用电刷，以及机械方法进行换向，因而存在相对的机械摩擦，由此带来的噪声、

15、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，从而无刷直流电动机应运而生了。1917年，提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电动机的基本思想。20世纪30年代，就有人开始研制以电子换向来代替电刷机械换向的无刷直流电动机，并取得了一定成果。但由于当时大功率电力电子器件仅处于初级发展阶段，而无法推广使用。1955年，美国D哈利森等人首次申请了应用晶体管换向代替电动机机械换向器换向的专利，这就是现代无刷直流电动机的雏形。但由于该电动机尚无起动转矩而不能产品化。 而后又经过人们的多年努力，借助于霍尔元件来实现换向的无刷直流电动机终于在1962年问世，

16、从而开创了无刷直流电动机的新纪元。 20世纪70年代以来，随着电力电子工业的飞速发展，许多新型的高性能大功率电力电子器件，如GTR、MOSFET、IGBT等相继出现，以及高性能永磁材料，如钐钴、铷铁硼等的问世，均为无刷直流电动机的广泛应用奠定了坚实的基础。 无刷直流电动机发展至今已有40余年历史。国外发达国家在民用领域推广，并形成无刷直流电动机及驱动器件的规模化产业；国内研发和生产的无刷直流电动机品种和数量不多主要用于军工国防设备。由于它具有的一系列优点，近年来在空调器、电冰箱、洗衣机、电动自行车及微型风机等应用，一般是输出功率不大的微型与特种无刷直流电动机。机械、纺织、印染、冶金、轻工等行业

17、所需的与小型交流异步电动机功率等级对应的永磁无刷直流电动机(功率在0.75-18.5kW范围)应用才慢慢展开。随着国际经济一体化趋势的到来，我国的无刷直流电动机产业充满发展机会。1.2.3 无刷直流电动机控制专用集成电路 随着微电子技术的发展，各国半导体厂商不断地推出无刷直流电动机专用控制集成电路，解决了电机和电子电路结合问题，也有利于控制器的小型化和可靠性的提高。特别是随着专用控制集成电路的批量生产，价格大幅度下降，解决了妨碍无刷直流电动机向民用领域发展的高价格问题，使无刷直流电动机的应用更方便、更容易推广普及。随着电动机应用技术越来越复杂，系统设计者正在通过利用电动机控制集成电路寻求开发工

18、作的简化。使用电动机控制集成化的一个重要因素是使应用者容易获得最佳的硬件软件解决方案，人们可用最少的开发时间，就能迅速将其最终产品推向市场销售。各国电子元件制造商瞄准无刷直流电动机这一巨大市场，十分重视无刷直流电动机专用控制集成电路芯片的开发和生产。13单片机对电动机控制所起的作用及新型单片机的特点1.3.1 单片机对电动机控制所起的作用 电动机的控制部分已由模拟控制逐渐让位于以单片机为主的微处理器控制。微处理 器取代模拟电路作为电动机的控制器有如下特点网： (1) 使电路更简单 模拟电路为了实现控制逻辑需要许多电子元件，使电路复杂。采用微处理器后，绝大多数控制逻辑可通过软件实现。 (2) 可

19、以实现较复杂的控制 微处理器有更强的逻辑功能，运算速度快、精度高、有大容量的存储单元，因此有能力实现复杂的控制，如优化控制等。 (3) 灵活性和适应性微处理器的控制方式是由软件完成的。如果需要修改控制规律，一般不必改变系统的硬件电路，只需修改程序即可。在系统调试和升级时，可以不断尝试选择最优参数，非常方便。 (4) 无零点漂移，控制精度高 数字控制不会出现模拟电路中经常遇到的零点漂移问题。无论被控量的大或小，都可以保证足够的控制精度。 (5) 可提供人机界面，多机联网工作在电动机的控制中，要用到键盘和显示器作为人机界面。现在普遍采用单片机作为电动机的控制器，单片机是世间上使用量最大的微处理器。

20、1.3.2 新型单片机的特点 单片机产生于20世纪70年代。在我国经历了Z80单板机时代和MCS51单片机时代。随着各种各样的单片机不断出现，新一代的单片机除具有以往MCS-51单片机的特点外，并且还具有一些新的发展趋势。 (1) 功能大大增强 许多单片机公司将16位单片机的性能下移到8位单片机，在单片机内部增加了PWM口、比较和捕捉功能、A/D转换器等，并增加了看门狗、各种串行总线接口等功能，使新一代的单片机功能更强大。PWM口广泛地应用在直流电动机控制中。它一经初始化设定后会自动地发出PWM控制信号，CPU只在需要调整参数时才介入。捕捉功能在电动机控制中可用于测频。它相当于在老式单片机中用

21、计数器与外中断联合测频功能。在有模拟信号存在的情况下(例如用直流测速发电机测速，或测量电动机绕组的输出电压或电流)，如果要将模拟信号输入单片机，A/D转换器是必不可少的，将A/D转换器集成在单片机内，将带来极大的方便。 近年来，单片机的一个重大变化是出现了各种同步串行总线，如s总线、，2c总线。同步串行总线由于使用的信号线少(如SP1使用3条信号线，2C总线只使用2条信号线)，所以电路占用电路板的面积大大减小。与并行总线相比，其信号受干扰的可能性也小。还有一个最突出的优点是单片机可利用的引脚相对增多。这就是同步串行总线风靡起来的原因，它大有取代并行总线之势。在电动机的控制中，要用到键盘和显示器

22、作为人机界面，有时还要用到外接存储器，这时使用有同步串行总线接口的芯片将会大大减小电路的尺寸，降低成本。 (2) 速度更快速度更快了是新一代单片机的又一个最大特点。用单片机对电动机进行实时控制，经常采用一些优化算法，如数字PID控制、数字滤波等。对于实时性很强的控制，速度低的单片机往往不能胜任。新一代单片机的速度比老式单片机的速度提高了1倍多。 (3) 小型化和低功耗 采用同步串行总线可以减少无用的引脚，另外，由于采用了内部FLASH存储器，没有必要保留外接并行存储器的引脚，这些都使单片机引脚的数目可以大大减少。这样一来，一方面提供了更多的引脚作为FO口使用，另一方面也可以去掉众多引脚而使芯片

23、小型化。小型化的单片机给用户提供了低成本、电路尺寸小的选择。 单片机的低电压和低功耗也是新一代单片机的特色。大多数单片机都有休眠省电工作方式，一些单片机还采用3V电压供电，这些措施都可以减少单片机耗电。这对于移动设备的电动机控制提供了帮助。例如，数码摄像机、便携式仪器、便携式视听设备、笔记本电脑中的光盘驱动器和磁盘驱动器等。 89系列单片机和MCS-51系列单片机一样，与一般的微机的存储器配置方式不同。89系列的存储器在物理结构上分为程序存储器空间和数据存储器空间，共4个存储空间。1.4 本论文主要研究内容 国内在无刷直流电动机控制系统领域理论研究多，而基于单片机实现的系统少，本论文针对这种发

24、展现状，将侧重点放在系统的基本实现上，开发设计出一套能够实现无刷直流电机控制的完整软硬件系统。 本文的主要内容如下： 1通过对无刷直流电动机的组成和基本工作原理的简要介绍，分析推导了无刷直流电动机的运行特性及其传递函数，为之后进行的的仿真研究、实际系统的设计和调试提供了有效依据。 2对89系列的微控制器内核和片内存储器、端口输入输出、片内可编程计数器定时器阵列以及片内调试电路等特性进行系统介绍。 3概括介绍了本系统采用电流、转速双闭环控制总体设计方案，其中包括相应的检测方案和采用模糊策略对PID控制器的调节方案，并对其设计方法进行了相关介绍。 4在硬件设计过程中，介绍了驱动MOSFET的集成芯

25、片取IR2130和电源设计。 5采用软件模块化实现了无刷直流电动机系统速度、电流的双闭环软件设计，其中包括转速环、电流环和其他环节的实现，结合软硬件调试整个电路。 2无刷直流电动机控制原理21 无刷直流电动机的组成与交流电动机相比，直流电动机具有运行效率高和调速性能好等优点。但传统的直流电动机采用电刷一换向器结构，以机械方式进行换向，不可避免地存在噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点，再加上制造成本高及维修困难等缺点，大大限制了它的应用范围，致使目前工农业生产中大多采用三相感应电动机。那么，能不能既保持直流电动机的优良特性，又去掉机械换向装置呢?无局4直流电动机正是在直流电动机的基础上发

26、展起来的一种新型电机。无刷直流电动机是一种典型的机电一体化产品，它是由电动机本体、控制电路和转子位置传感器3部分组成，其原理图如图21所示。 图21无刷直流电动机的组成 图21中，直流电源通过控制电路控制电路向电动机定子绕组供电，位置传感器随时检测转子所处的位置，并根据转子的位置信号来控制功率开关管的导通和截止，从而自动地控制了哪些绕组通电，哪些绕组断电，实现电子换向。2.1.1 电机本体无刷直流电动机的基本结构如图22所示。无刷直流电动机最初的设计思想来自普通的有刷直流电动机，不同的是将直流电动机的定、转子位置进行了互换。 无刷直流电动机的转子是由永磁材料制成的，具有一定的磁极对数的永磁体，

27、产生隙磁通。转子的结构分为两种：第一种是将瓦片状的永磁体贴在转子外表上，称为凸极式；另一种是将永磁体内嵌到转子铁芯中，称为内嵌式。 图2.2 无刷直流电动机的结构示意图 无刷直流电动机的定子为电枢，由多相对称的绕组，绕组的相数有二、三、四、五相，但应用最多的是三相和四相。各相绕组分别与电子开关电路相连，开关电路中的开关受位置传感器的信号控制。 目前，无刷直流电动机的电机本体大多采用三相对称绕组，由于三相绕组既可以是星形连接又可以是三角形连接，同时功率逆变器又有桥式和非桥式两种。因此，无刷直流电动机的主电路有星形连接三相半桥式、星形连接三相桥式和三角形连接三相桥式。在此，主要看一下星形连接三相桥

28、式主电路。 图2.3 星形连接三相桥式主电路图 位置检测器的三个输出信号通过逻辑电路控制开关的导通和截止，其控制方式有两种：二二导通和三三导通方式。 （1）二二导通方式二二导通方式是指在任意瞬间使两个开关同时导通。这种方式就是两相导通星形三相六状态方式。下面根据反电动势和电磁转矩的概念来分析其导通规律及特点。 电机的瞬时电磁转矩可由电枢绕组的电磁功率求得： （2.1）式中、为A、B、C三相绕组的反电动势。 、为A、B、C三相绕组的电流。 为转子的机械角速度。 可见，电磁转矩取决于反电动势的大小。在一定的转速下，如果电流一定，反电动势越大，转矩越大。 图2.4给出了无刷直流电动机三相绕组的反电动

29、势波形及其二二导通方式下的开关导通规律。 图2.4 三相绕组的反电动势波形及其二二导通方式下的导通规律 为了使电机获得最大转矩，在二二导通方式下，开关管的导通顺序应为VTI、VT2-VT2、VT3-VT3、VT4VT4、VT5一vT5、VT6-vT6、1。在这种工作方式下，每个电周期共有六种导通状态，每隔600电角度工作状态改变一次，每个开关管导通120电角度。由此可见，如果忽略换相过程的影响，当梯形波反电动势的平顶宽大于等于120电角度时，电机的转矩脉动为0。因此，无刷直流电动机在设计时，应尽量增大磁极的极弧系数，以获得足够宽的磁密度分布波形，从而得到平顶部分较宽的反电动势波形。 同时，如果

30、假定电流为平顶波，电机工作在两相导通星形三相六状态方式时，总的电磁转矩是每相电磁转矩的两倍。 (2) 三三导通方式三三导通方式是任一瞬间使三个开关管同时导通。各开关管导通的顺序为：VTI、VT2、VT3-VT2、VT3、VT4VT3、VT4、VT5-VT4、VT5、VT6-VT5、VT6、VT1-VT6、VT1、vT2。由此可见，三三导通方式也有六种导通状态，同样也是每隔600改变一次导通状态，每改变一次工作状态换相一次，但是每个开关管导通180。，导通的时间增加了。比较两种通电方式可见：在二二通电方式下，每个管子均有600电角度的不导通时间，不可能发生直通短路故障。而在三三通电方式下，因每个

31、管子导通时间为1800电角度，一个管子的导通和关断稍有延迟，就会发生直通短路，导致开关器件损坏。而且，两相导通三相六状态工作方式很好地利用了方波气隙磁场地平顶部分，使电机出力很大，转矩平稳性好 2.1.2 控制电路无刷直流电动机需要用功率电子开关器件组成的功率控制器才能工作。功率逆变器主电路与绕组的联接形式、电机的功率等有关。目前以星形三相三状态和两相导通星形三相六状态两种方式最为常用。逆变器功率开关管是主电路的核心部分。目前，无刷直流电动机中功率开关管主要为功率MOSFET和IGBT。在大功率电机的控制中，也可选择MCT，它是MOSFET与晶闸管的复合器件，具有高电压、大电流(2000V、3

32、00A：1000V、1000 A)、电流密度大(6000Acm2)工作频率高(20kHz)、控制功率小、易驱动、可以采用低成本集成驱动电路控制等优点。为了提高逆变器的可靠性、缩小体积，还可以选择近年来迅速发展的功率集成电路(PIC)。PIC将多个(如2个或6个)功率开关管及其快恢复二极管集成为一体。这样，无刷直流电动机开关主电路的逆变电路就可以由一个功率开关管集成块来实现。目前，三相半桥和三相桥式逆变器主电路均有商品化功率集成电路出售，在设计时可以选用。 在功率半导体器件与微电子技术结合的基础上，还出现了智能功率模块(mM)它是将功率半导体器件与具有信号处理功能、自我保护功能、各种诊断功能等的

33、电路集成或组装在一起，可以实现无刷直流电动机的逆变电路、驱动电路和许多控制电路的功能，使得电机控制器具有体积小、重量轻、设计简单和可靠性高等显著特点，是高性能无刷直流电动机的理想器件。如三菱公司生产的智能功率模块已有完整系列，电压有600V和1200V两个等级，电流包括10600 A多种规格。 2.1.3 转子位置传感器 无刷直流电动机除了由定子和转子组成电动机的本体以外，还要有由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同构成的换向装置，使得无刷直流电动机在运行过程中定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁铁产生的永磁磁场，在空间始终保持在左右的电角度。 位置传感器与电机本体一样也是由静止部分和运动

34、部分组成，即由位置传感器定子和位置传感器转子组成。转子位置传感器目前主要有敏感式、耦合式、谐振式和接近式。 敏感式位置传感器是利用敏感元件来感受转子位置信息，并输出电信号去控制各相绕组的导通顺序。常用的敏感元件有光敏元件(如光电二极管和光电三极管等)和磁敏元件(如霍尔元件、磁敏二极管和磁敏三极管)。 耦合式是指变压器耦合(即磁电式)和高频空心线圈耦合等。 谐振式是利用电感和电容等元件组成的谐振电路，当满足谐振条件时，输出信号最强，以此控制电枢绕组的导通或关断。 接近式是利用某物而动作的原理所组成的一种位置传感器，如接近开关。 由于永磁无刷直流电动机的转子是永磁，因此常用磁敏式霍尔位置传感器检测

35、转子位置。世界上第一台无刷直流电机就使用了霍尔元件式位置传感器，故在本文中采用霍尔元件式位置传感器。霍尔式位置传感器由于结构简单、性能可靠，成本低、是目前在无刷直流电机上使用最多的一种位置式传感器。 霍尔式位置传感器是利用“霍尔效应”来进行工作的。利用霍尔式位置传感器工作的无刷直流电动机的永磁转子，同时也是霍尔式传感器的转子。通过感知转子上的磁场强弱变化来辨别转子所处的位置。 在长方形半导体薄片上通以电流，当将半导体薄片置于外磁场中，并使其与外磁场垂直时，则在与电流和磁感应强度B会构成的平面相垂直的方向上会产生一个电动势，称其为霍尔电动势，其大小为： （2.2） 式中是霍二式原件的灵敏度。当磁

36、场强度方向与半导体薄片不垂直，而是成角时，霍尔电动势的大小改为 （2.3） 利用永磁转子的磁场，对霍尔元件通入直流电，当转子的磁场强度大小和方向随着它的位置不同而发生变化时，霍尔半导体就会输出霍尔电动势，霍尔电动势的大小和相位随着转子位置而发生变化，从而起到了检测转子位置的作用。 22无刷直流电动机的基本工作原理众所周知，一般的永磁式直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要的作用是在电动机气隙中产生磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。由于电刷的换向作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩而驱动电动机不停地运转。无刷直流电动机为了实现无电刷换向，首先要求

37、把一般直流电动机的电枢绕组放在定予上，把永磁磁钢放在转子上。这与传统直流永磁电动机的结构刚好相反。但仅这样做还是不行的，因为用一般直流电源给定子上各绕组供电，只能产生固定磁场，它不能与运动中转子磁钢所产生的永磁磁场相互作用，以产生单一方向的转矩来驱动转子转动。所以，无刷直流电动机除了由定子和转子组成电动机的本体以外，还要有由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同构成的换向装置，使得无刷直流电动机在运行过程中定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁钢产生的永磁磁场，在空间始终保持在左右的电角度，从而使电机能不停的运转。 为了更加清晰地阐述这种无刷直流电动机的工作原理，下面以三相星形连接绕组为例来加

38、以说明。电动机本体的电枢绕组为三相星形连接、位置传感器与电动机本体同轴，控制电路对位置信号进行逻辑变换后产生驱动信号，驱动信号经驱动电路隔离放大后控制逆变器的功率开关管，使电动机的各相绕组按一定的顺序工作。 图2.5 无刷直流电动机的工作原理示意图 电机有六种磁状态，每一状态有两相导通，每相绕组的导通时间对应于转子旋转120度电角度，我们把无刷直流电动机的这种工作方式称为两相导通星形三相六状态。两相导通星形三相六状态工作方式控制简单、性能最好，所以这种工作方式最为常用，这是无刷直流电动机最常用的一种工作方式。2.4无刷直流电机的运行特性和传递函数 要十分精确的分析无刷直流电动机的运行特性是十分

39、困难的。它涉及非线性理路和数值解法等诸多问题，在一般工程应用上尚无此必要。古通常均做如下假设。（1） 电动机的气隙磁感应强度沿气隙按正弦分布。（2） 绕组通电时，该电流产生的磁通对气隙磁通的影响忽略不计。（3） 控制电路在开关状态下工作，功率晶体管压降为恒值。（4） 各相绕组对称，其对应的电路单元完全一致的，相应的电气时间常数忽略不计。（5） 位置传感器等控制电路的功率损耗忽略不计。 下面以三相全控电路，两两通电模式为例分析无刷直流电动机稳态运行时的特性。其电路图如图2.3所示。 由于假设转子磁钢所产生的磁感应强度在电动机气隙中是按正弦规律分布的，即，这样一来，如果在定子中某一相(例如B相)绕

40、组中通入持续的直流电流所产生的转矩为： （2.4）式中：每相绕组的有效导体数； L绕组中导线的有效长度，即磁钢长度，单位m； r电动机中气隙的半径，单位m； I绕组相电流，单位A 在三相全控电路两两通电时，共有六种通电方式，每种方式都由两个绕组线圈串联通电，这时，转子转矩为两个绕组的转矩合成，其大小为： （2.5） 就是说某一相通以持续不变的直流后，它和转子磁场作用所产生的转矩也将随转子位置的不同而按正弦规律变化，如图2.6所示。 图2.6 在恒定电流下的单相转矩它对外负载讲，所得的电动机平均转矩为零。但在无刷直流电动机三相全控电路的工作情况下，实际上各相绕组中通过的不是持续不变的直流电流，只

41、是通过1/6周期的矩形波电流，那么该电流和转子磁场作用所产生的转矩也只是正弦转矩曲线中相当于1/6周期的一段，且这一段曲线与绕组开始通电时的转子相对位置有关。显然在绕组通电的时间里，如果载流导体正好处在比较强的气隙磁场中，它所产生的转矩脉动小，转矩平均值较大。电动机一旦在电动转矩的作用下转动后，旋转了的转子磁场就要切割定子绕组，在各相绕组上感生出电动势，当其转速n不变时，该电动势波形也是正弦波，相位同转矩相位一致。感生电动势波形如图2.7所示。 图2.7 三相无刷直流电动机全控电路的反电动势 由上述分析，可以很方便的求出输出转矩的平均值疋和感生电动势的平均值E。由平均转矩和平均反电动势便可求得

42、无刷直流电动机稳定运行时的电压平衡方程式，为此，首先定义反电动势系数和转矩系数： （2.6） 对于某个具体的电动机，它们为常数。当然，其大小同主回路的接法(如三相半控或三相全控)以及开关管的换相方式(如两两换相或三三换相)有关。 目前己指出，为简便计算，假定各相绕组对称、相应的时间常数忽略不计。由图24可得电动机的电压平衡方程为： (2.8) 式中， ，将上式整理后，可得机械特性方程： (2.9)式中： n电动机转速，单位rmim； U电源电压，单位V； 功率管管压降，单位V； R电动机的内阻，单位Q； 由式(2.7)可知，无刷直流电动机的机械特性方程同一般直流他励电动机的机械特性方程在形式上

43、完全一致。只不过其中的转矩和反电势运用平均转矩和平均反电动势的概念。这是由于它的反电动势和转矩的波动比较大的缘故，式(211)表示电动机在稳定运行时的机械方程，即一般所说的静态方程。 同理，在上述假设条件不变的情况下，无刷直流电动机的动态特性可由下列方程组来描写 目前已指出，为简便计算，假定各相绕组对称、相应的时间常数忽略不计。在AB相导通时，由于绕组中性点电流为零，则可得到如下电压平衡方程组为： (2.10) (2.11) 两式相减得： (2.12) 这里为逆变器输出电压，为平均反电动势。 又因为 ， 式中，为电动机负载阻转矩 电动机转子飞轮转矩，(J为转动惯量)。经拉式变换后得 在零初始条

44、件下，对式取拉氏变换得电压与电流和电流与电动势之间得传递函数分别为： 2.5 本章小结 本章简要介绍了无刷直流电动机的组成和基本工作原理，分析了无刷直流电动机的运行特性，并推出了其传递函数，为后面的仿真研究、实际系统的设计和调试提供了依据。 3 单片机 本课题的控制对象时无刷直流电动机，其控制中心是单片机。3.1 AT89系列单片机简介 AT89C52是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含8k bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通

45、用8位中央处理器和Flash存储单元，AT89C52单片机在电子行业中有着广泛的应用。 3.2 功能特性 1、兼容MCS51指令系统 2、8kB可反复擦写(大于1000次）Flash ROM； 3、32个双向I/O口； 4、256x8bit内部RAM； 5、3个16位可编程定时/计数器中断； 6、时钟频率0-24MHz； 7、2个串行中断，可编程UART串行通道； 8、2个外部中断源，共8个中断源； 9、2个读写中断口线，3级加密位； 10、低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能； 11、有PDIP、PQFP、TQFP及PLCC等几种封装形式，以适应不同产品的需求。 3.2 单片机引脚

46、AT89C52为8 位通用微处理器，采用工业标 PDIP封装的AT89C52引脚图准的C51内核，在内部功能及管脚排布上与通用的8xc52 相同，其主要用于会聚调整时的功能控制。功能包括对会聚主IC 内部寄存器、数据RAM及外部接口等功能部件的初始化，会聚调整控制，会聚测试图控制，红外遥控信号IR的接收解码及与主板CPU通信等。主要管脚有：XTAL1（19 脚）和XTAL2（18 脚）为振荡器输入输出端口，外接12MHz 晶振。RST/VPD（9 脚）为复位输入端口，外接电阻电容组成的复位电路。VCC（40 脚）和VSS（20 脚）为供电端口，分别接+5V电源的正负端。P0P3 为可编程通用I

47、/O 脚，其功能用途由软件定义，在本设计中，P0 端口（3239 脚）被定义为N1 功能控制端口，分别与N1的相应功能管脚相连接，13 脚定义为IR输入端，10 脚和11脚定义为I2C总线控制端口，分别连接N1的SDAS（18脚）和SCLS（19脚）端口，12 脚、27 脚及28 脚定义为握手信号功能端口，连接主板CPU 的相应功能端，用于当前制式的检测及会聚调整状态进入的控制功能。 4 系统总体设计方案与控制策略研究41 系统总体设计方案无刷直流电动机控制系统，根据有无位置传感器，可分为有位置传感器控制系统和无位置传感器控制系统。很多国内外学者对于无位置传感器的无刷直流电机(双无电机)进行了

48、许多研究，针对双无电机位置检测和起动问题提出了不少方案，但这些方案尽管省去了位置传感器，却由于转子位置检测电路、起动控制电路等的加入使得整个控制系统的硬件电路趋于复杂化，不可避免地带来系统工作可靠性和稳定性的问题。综合上述因素，本系统采用了有位置传感器控制方法对无刷直流电动机进行控制。本系统主回路主要由单片机、IR2130、MOSFET组成，控制部分以C8051F330为核心，构成功能齐全的电流、速度双闭环控制系统。电流的反馈是通过检测电阻R上的压降来实现。速度反馈则是通过霍尔位置传感器输出的位置量，经过计算得到的。位置传感器输出的位置量还用于控制换相。系统通过软、硬件的协调配合采用全数字双闭

49、环控制。42 检测方案 电机控制系统中信号检测是必不可少的，不仅开环控制状态的极限控制需要，如过电流、过电压、过热和欠电压等严重影响系统正常工作的信号，而且对于绝大多数闭环控制系统，状态信息的检测更是不可缺少，即进行实时检测并利用检测信号控制电机的正常运行。检测信号分为电量和非电量两类。电量有电流、电压、电荷量和电功率等。在检测系统中占绝大多数检测信号属于非电量信号，如位置、速度等。在电机控制系统中，常用的检测信号主要有电流、电压、转子位置和转速等物理量。下面分别介绍这些物理量的检测方法。4.2.1 转子位置检测方案 位置传感器主要用于转子位置检测和速度计算，为了正确的获得转子位置信息，不仅要

50、合理地设计转子位置传感器与单片机的接口，还要考虑位置信号处理的方法。霍尔位置传感器利用磁敏霍尔元件检测转子永磁磁极位置，假设当转子永磁N极接近霍尔元件时，输出信号为高电平，而当转子S极接近霍尔元件时，输出信号为低电平，那么转子永磁磁极间位置就是霍尔元件输出电平位上升沿或下降沿的位置。检测转子位置传感器信号采用的方法有正交编码接口，数字FO口中断和数字I/O口输入，本文采用数字I/O口输入。 数字I/O口输入是将数字I/O口引脚设置成输入功能，霍尔元件的输出信号经过单片机的数字I/O口输入，定时读取I/O口端口数据寄存器，并判断霍尔位置信号的电平高低变化，从而确定转子位置信息，并估计转子转速，达

51、到控制无刷直流电动机导通顺序的目的。数字I/O口读取数据与霍尔信号变化之间存在时间差别，但是只要PWM开关频率达到一定数值，转子机械惯性的转速平滑作用使得转子转速估计的精度还是能满足调速精度要求的。 4.2.2 电流检测方案电流环调节主要作用是限制电机的最大电流，调节对象的动态结构，加快系统的动态响应，减小因电网电压等因素引起的动态速变。在电机的起动过程中，使电机在所能允许的最大电流下“恒流”起动，保证起动的快速性；在转速的调节过程中，使电流跟随电流给定变化。作为高性能的无刷直流电机均带有电流环。为实现电流环控制，必须有一个能够检测电流的检测电路。电流是电机内部最基本的物理量。电流的检测主要有

52、电阻法、电流互感器法和霍尔效应电流传感器法3种。 （1）电流互感器法 图4.1是电流互感器，它类似于变压器，是利用交流电的电磁感应原理测量电流的，如工频交流电流，适用于高压大电流，但测量动态或低频等信号时，精度不高。 图4.1 电流互感器（2）霍尔效应电流传感器 它是利用霍尔效应和磁场平衡原理设计的精密型电流检测元件，如图42所示。 图4.2 霍尔效应电流传感器 测量系统主要由被测导体，聚磁环、线圈、霍尔元件、放大驱动电流和测量电阻组成。当被检测导体流过电流时，导体产生的磁场集中在聚磁环的气隙中，气隙磁场使安放在气隙中的霍尔元件产生霍尔电势，这是因为霍尔元件上流过恒定电流所致。该电势经过放大器驱动电子器件导电，从而绕在聚磁环上的线圈就流过电流，线圈中流过的电流在聚磁环中也会产生方向正好与被测导体相反的磁场。由于放大器的放大倍数很高，这两种磁场的相互影响最终使得气隙磁场趋近于