毕业设计张华友(终稿)

I目录4787摘要 I31054Abstract II22020第1章绪论 171641.1课程研究背景及意义 1196421.2课题国内外研究现状及趋势 3117111.3毕业设计的研究内容及任务 4326071.3.1研究内容及设计方案 42951.3.2毕业设计采用的方法和手段 5229821.4本论文主要内容安排 512336第2章三相无刷直流电机结构特点及特性 6239552.1电机的分类及无刷直流电机结构特点 639002.1.1电机的分类 6106802.1.2无刷直流电机特点 6299632.1.3无刷直流电机的组成 618402.1.4无刷直流电机工作原理 8263942.1.5无刷直流电机参数 9277112.2无刷直流电动机的数学模型 9302912.2.1无刷直流电压方程 9130532.2.2转矩方程 11138202.3三相无刷直流电机主电路及工作方式 11258512.3.1本系统三相无刷直流电机主电路的选择 11182332.3.2三相无刷直流电机工作方式 1219773第3章无刷直流电机的控制原理 1814503.1无刷直流电机控制系统的基本控制原理和总体框图 18191713.1.1控制系统的基本原理 1815143.1.2系统整体框图 18292343.2三相直流电机全桥驱动原理 18237933.2.1三相无刷直流电机驱动电路 18140523.3脉宽调制(PWM)技术 1981083.3.1脉宽调制原理 19291523.3.2脉宽调制方式 2017488第4章无刷直流电机控制系统硬件设计 22260584.1无刷直流电机控制系统单片机和驱动芯片的选择 2269534.1.1单片机和驱动芯片的选择 22166594.1.2单片机AT89C51的特点 227564.1.3专用集成电路驱动芯片LM621特点 26208364.2无刷直流电机控制系统电流环设计 30238184.2.1无刷直流电机控制系统电流环芯片及A/D转换芯片的选择 30316514.2.2电流环检测芯片特点及工作原理 30102154.2.3电流环A/D转换芯片的参数及特点 31258274.2.4检测芯片与转换芯片在原理图中的应用 3268564.3键盘输入电路及启动电流保护电路设计 32235434.3.1键盘输入电路 32131884.3.2键盘各键功能介绍 33206124.3.3启动电流限制保护电路 34286074.4系统显示电路设计 35194004.4.1系统显示电路驱动芯片选择及芯片特点 35299984.4.2七段数码管引脚及工作原理 36164954.4.3显示电路硬件接线图 3818565第5章无刷直流电机控制系统软件设计 39292235.1无刷直流电机控制系统软件组成 39289935.2无刷直流电机控制系统流程图 39314545.2.1主程序流程图 3962655.2.2键盘程序流程图 41252825.2.3键盘扫描程序 4125417第6章结论 4310625参考文献 443487致谢 4621091附录 47沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）沈阳工业大学本科生毕业设计（论文）第1章绪论1.1课程研究背景及意义1831年，法拉第发现了电磁感应现象，为现代电机的基本理论奠定了基础。从19世纪40年代研制成功了第一台直流电机之后，经过近20年的时间，直流电机技术才趋于成熟。随着电机应用领域的扩大，需要性能更高的直流电机，但是有接触的机械换向装置使有刷的直流电机在许多场合中的应用受到了限制[1]。为了使直流电机实现无刷化，人们曾对此做过长期探索和努力。在20世纪初，美国人Langnall研究出具有控制栅极的汞弧整流器，做出了首个可以实现将直流逆变成交流功能的装置[2]。随着科学技术的日新月异，开关型晶体管的研制成功，为创造新型直流电机—无刷直流电机带来了生机[3]。美国人Harrison首次提出了用晶体管换相线路代替电机电刷接触的思想，这就是无刷直流电机的雏形。无刷直流电机由功率放大部分、信号检测部分、磁极体和晶体管开关电路等组成，其工作原理是当转子旋转时，在信号绕组中感应出周期性的信号电动势，此信号电动势分别使晶体管轮流导通来实现换相[4]。问题在于，首先，当转子不转时，信号绕组内不能产生感应电动势，晶体管无偏置，功率绕组也无法反馈电，所以这种无刷直流电机没有启动转矩；其次，由于信号电动势的前沿陡度不大，晶体管的功耗大。为了克服这些弊病，人们采用离心装置的换向器，或采用在定子上放置辅助磁钢的方法来保证电机可靠地起动[5]。但前者结构复杂，而后者需要附加的起动脉冲。其后，经过反复的试验和不断的实践，人们终于找到了用位置传感器和电子换相线路来代替有刷直流电机的机械换相装置，从而为直流电机的发展开辟了新的途径[6]。在1960年，各种新型的位置传感器不断被研制成功，伴随着对半导体技术研究的不断深入，人们对19世纪70年代末美国人霍尔提出的霍尔效应再次进行了深入研究，最后在20世纪60年代初成功地利用霍尔元件实现了直流电机的换相，达到了电机无刷化的目的[7]。随后，通过利用敏磁二极管来进行换相的无刷直流电机又被研制出来。在20世纪60年代末，德国W.Mieslnger寻求采用电容移相来实现换相的新方法。在此基础上。德国人R.Hanitsch试制成功借助数字式环形分配器和过零鉴别器的组合来实现换相的无位置传感器无刷直流电机，各种永磁无刷直流电机和永磁无刷交流电机统称为永磁无刷电机[8]。由于上述电机的优点显著，已经成为目前微特电机发展主流[9]。无刷直流电机是由特种电机、变速结构、检测元件、控制软件及硬件组成的形成新型伺服系统，是实现机电一体化的典型代表。无刷直流电机不但有交流电机结构简单，易于维护等特点，又有直流电机效率高、调速性能好的特点，同时无励磁损耗[10]。无刷直流电机在电磁结构上和直流电机一样，而且无刷直流电机的外特性与有刷直流电机相似。不同点是无刷直流电机将它的电枢绕组放在定子上，将永久磁钢安放在定子上。无刷直流电机的电枢绕组一般采用多相形式，经过逆变器接到直流电源，定子采用电子换向代替有刷电机的电刷和机械换向器，各项绕组逐次通电，在气隙中产生跳跃式的旋转磁场，与转子磁场主磁场相互作用，产生电磁转矩，使电动机连续运转无刷直流电机和其他类型的电机相比具有更高的可靠性、更高的效率和优良的调速性能等诸多优越性，并且随着新型稀土永磁材料性能的提高与价格的降低带来永磁无刷直流电机成本的降低，使这种优越性将更加明显[11]。无刷直流电动机与数字控制技术的发展息息相关，因此通过以单片机为主的数字控制是无刷直流电机的主要控制方法[12]。无刷直流电机主要进行以下几个方面的控制。换相控制：对于有位置传感器的控制系统，要根据位置传感器获得的信号进行有规律的换相，需要进行正确的选择那些相通电、那些相断电；对于位置传感器的控制系统，要根据得到的感应电动势信号来计算换相点，进而判断哪些相应该通电、哪些相应该断电。转速控制：无刷直流电机的转速控制原理和有刷直流电动机一样，通过PWM方法来控制平均电枢电压，从而实现转速控制。利用带有PWM口的单片机来自动输出PWM波便可以很容易的控制无刷直流电机。转向控制：通过改变换相的通电顺序来实现电动机的正、反转控制。但是，根据以往经验可知，单纯的利用单片机编程来控制无刷直流电机是非常复杂的，可以通过单片机来控制芯片，进而控制无刷电机，这样可以大大简化编程、提高控制性能[13]。由上述的分析可以看出，无刷直流电机对于其它类型的电动机来说是一种相对新型的电动机，而且无刷直流电机的控制、驱动与电子技术的发展十分密切，因此对于无刷直流电机本体及控制系统的了解研究是十分必要的[14]。1.2课题国内外研究现状及趋势多年来，随着电动机的不断发展，在日常生活中电动机已经随处可见。人们通过利用电动机将机电能量进行转换，主要采用的电机可以分为交流电机和直流电机两大类，其中交流电机又可以分为同步电动机和异步电动机两种，对应的容量大到上万千瓦，小到几瓦[15]。但是，众所周知，早期的直流电机是通过机械电刷来进行换相的，因而存在噪声大、无线电干扰及机械摩擦减短使用寿命短等弱点，再加上传统直流电动机的成本高和维护困难等缺点，使它的应用范围大大的受到了限制，所以在目前农业生产上，大多选用三相异步电机。自1962年，人们研制出第一台无刷直流电机以来，永磁无刷直流电机的控制已由单一控制向集中控制转变。无刷直流电机的控制方法的研究及应用已由经典控制理论到现代控制理论再到智能控制理论，如PID控制、变结构控制、模糊控制、无位置传感器控制等等。永磁无刷直流电机、永磁无刷交流同步电机、永磁无刷力矩电机统称为永磁无刷电机。由于永磁无刷电机的诸多优点，已经成为目前微特电机的主要研究方向[16]。近几十年来，由于电机本体和相关学科如电力电子等的不断完善，“无刷直流电机”这一概念已由单纯的通过电子换相的直流电机延伸到指代所有具备既有刷直流电机的外部特性，又具有电子换向功能的电机。与此同时，随着电机逐渐无刷化使电机的理论与模拟及数字专用集成电路等一系列相关学科进一步相辅相成。如今在工业先进的国家里，在工业自动化领域的有刷直流电机已经逐步被无刷直流电机取代，如美国、英国、日本、德国等国家的相关公司已经不再大量生产伺服驱动的有刷直流电动机。现在国内外无刷直流电机的控制技术基本比较成熟，我国已经制定出了GJB1863无刷直流电机通用规范。国外发达国家对无刷直流电机的研究内容与国内基本一致，但是美国与日本具在无刷电机的制造和控制方面领先国内[17]。现阶段无刷直流电机的研究热点如下所述：(1)通过简化位置传感器来提高系统可靠性，将电机的体积在最小化；(2)通过改良电机的设计方法及控制手段，来寻求抑制电机转矩波动的新途径，达到将伺服精度和应用范围最大化的目的；(3)研究用在无刷直流电机中更加稳定、兼容性更好的控制器。由于无刷直流电机既有直流电机效率高、调速性能稳定等特点，又有交流电动机在结构上简单、便于维护等优点，所以在当前国民经济的各个领域都可以看到无刷直流电机的应用，并在如航天、汽车制造业以及民用电器等方面将会更加普及[18]。1.3毕业设计的研究内容及任务1.3.1研究内容及设计方案综合查阅，了解国内外三相无刷直流电机的研究成果，然后自行设计一个三相无刷直流电机的控制系统，完成相对应的驱动控制部分的相关软硬件设计。设计得到性价比较高的三相无刷直流电机控制系统，达到三相无刷直流电动机的控制要求，实现速度—电流双闭环调节。基于单片机的无刷直流电动机控制系统，主要是由电机本体、位置传感器、控制器和功率驱动电路构成，其控制核心是AT89C51单片机。通过采用PWM方式对三相无刷直流电机实现调速控制，首先对输入电流进行整流，得到稳定的8—12V后提供给逆变电路向三相无刷直流电机供电。霍尔传感器检测转子位置信号并将得到的信号经过处理送到LM621，程序根据位置信号发出一系列的PWM波，控制相应的功率管的导通和关断，实现准确换向，使电机运转。电流霍尔传感器采样的实际电流经过A/D转换芯片转换后送入单片机，再进行转速调节。将整个三相永磁无刷直流电机的控制系统分为逆变模块、电机本体模块、速度电流控制模块等几个部分。其中逆变电路采用三相全桥式，双闭环采用PI控来加快系统反应速度以消除系统稳定误差[19]。本系统是采用双闭环实现无刷直流电动机控制系统，通过LM621来完成换相工作，达到控制无刷直流电机的启停、速度和方向，完成了基本要求和发挥部分的要求。在系统中，采用PWM技术对电机进行控制，通过对占空比的改变达到精确调速的目的。该无刷直流电机控制系统分为两部分，硬件部分和软件部分。硬件部分主要包括电动机本体、控制电路、功率变换电路、检测电路和保护电路五部分。其中，功率变换电路包括：PWM信号处理电路和功率管驱动电路。保护电路包括：电流保护电路、过压欠压保护电路。该系统主要的功能有电动机的换相控制、正/反转控制、电动机转速的测量和闭环调速、电流限制等保护电路的设计。软件部分主要包括主程序、键盘扫描程序、显示程序、启动程序、停机程序、正/反转程序、测速程序、PWM输出程序、延时程序等几部分[20]。1.3.2毕业设计采用的方法和手段本毕业设计主要是做三相无刷直流电机的控制系统，通过PWM技术进行调速，其中转子位置信号检测电路采用开关型霍尔元件作为转子位置传感器来实时检测转子位置，通过带有霍尔电流传感器的芯片来检测电流，然后将其转换为数字量送入单片机进行转速电流双闭环控制。功率开关电路采用三相全桥式逆变电路，选用六个功率场效应管（MOSFET）。1.4本论文主要内容安排第1章简单介绍了本论文研究题目的历史背景和现代的发展趋势以及研究课题的意义。第2章详细阐述了电机的分类以及无刷直流电机的组成结构和基本工作原理，并给出无刷直流电机的主电路图。第3章对无刷直流电机的微机控制技术和系统主要控制方案进行说明。第4章详细介绍了AT89C51单片机及无刷直流电机驱动芯片的功能，并给出51系列单片机配合无刷直流电机专用芯片控制电机的完整硬件电路图。第5章是本系统软件部分的设计，给出各个主要部分的软件流程图。

第2章三相无刷直流电机结构特点及特性2.1电机的分类及无刷直流电机结构特点2.1.1电机的分类电机按工作电源种类可以分为直流电机和交流电机，具体划分如下所示，(1)直流电机包括有刷直流电机和无刷直流电机。其中永磁直流电机包括稀土永磁直流电动机、铁氧永磁直流电动机、铝镍永磁直流电动机。电磁直流电机包括串励直流电动机、并励直流电动机、他励直流电动机、复励直流电动机。而无刷直流电机为稀土永磁无刷直流电机。(2)交流电机包括同步电动机和异步电动机。其中同步电动机包括永磁同步电动机、磁阻同步电动机、磁滞同步电动机。而异步电动机包括交流换向器电动机和感应电动机。2.1.2无刷直流电机特点无刷直流电机的特点很多，叙述如下：(1)工作电压种类多：直流供电，高低交流电压均不受限制。(2)容量范围大：标准的无刷直流电机容量可达400KW。(3)低频转矩大：低速时便可达到理想转矩输出，起动转矩可达到两倍以上。(4)高精度运转：不超过1rpm（不受电压或负载变动的影响）。(5)高效率：效率比传统的直流电机高出5～30%。(6)过载容量高：负载转矩变动在200%以内，输出转速不变。(7)调速范围：简易型/通用型（1：10）高精度型（1：100）。(8)体积弹性大：比异步电机尺寸小，可以按需要做成各种形状。(9)制动性能良好：可以在四象限运行。其他：可以设计成外转子电机（定子旋转）；可设计成全封闭型IP-54IP-65防爆型；允许高频度快速启动电机；通用型的产品安装尺寸和一般的异步电动机相同，便于技术改造[21]。2.1.3无刷直流电机的组成无刷直流电机和有刷直流电机类似，内部也有旋转磁场及电枢，但是无刷直流电机中有一个转子位置传感器，用来检测转子的位置，并且将它与换相线路相连，用来代替传统的直流电机中起换相作用的电刷。同时，无刷直流电机中的电枢绕组直接与功率开关器件（如晶闸管、晶体管、电力场效应管等）相连，通过控制功率开关器件的关断及导通来进行换相。无刷直流电机的结构图如图2-1所示。图2-1无刷直流电机结构原理图直流无刷直流电机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路共三部分组成。对于电机本体来说，电动机本体在结构上和交流电机中的永磁同步电动机相似，不同点是无刷直流电机没有笼型绕组和其他的启动装置，定子绕组一般都制成多相，转子则是由永久磁钢按照一定的极对数（2p=2，4，···）组成。对于位置传感器来说，位置传感器在无刷直流电动机中作用是测定转子磁极位置，然后提供正确的换相信息给逻辑开关电路，即将位置传感器获得的转子永久磁钢磁极的位置信号转换成电信号，再去控制定子绕组的换相。在目前的市场中，位置传感器的种类较多，而且特性各异。其中，电磁感应式位置传感器、光电式位置传感器、敏磁式位置传感器、光电编码器式位置传感器[1]都是直流无刷电动机中常用的几种位置传感器。对于无刷直流电动机中的电子开关线路的作用是控制电动机定子各相绕组的通电顺序和时间，主要由功率开关单元和位置传感器信号处理单元两部分组成。其中，功率开关单元作为控制电路的核心，起到将电源的功率分配给电动机定子上的各相绕组的作用，使连续的转矩由电动机产生出来。而位置传感器的转子位置信号决定各相绕组的导通的顺序及时间长短，但是位置传感器的信号需要特定的逻辑处理关系才能控制功率开关。对于无刷电机通过电子换相取代机械换向器换相问题的解决方法是在定子绕组的某一相通电时，该相的电流和转子永久磁钢的磁极所产生的磁极相互作用产生驱动转子旋转的转矩，通过位置传感器将转子永久磁钢的位置信号转化成电信号来控制电子开关电路，从而使定子各相绕组按照一定顺序导通，进而定子相电流会随着转子位置的变化而按照一定的次序换相，而且，电子开关线路的导通顺序与转子转角同步，就保证了电子换相取代机械换向器作用的目的，实现了无刷。无刷直流电机基本结构图如图2-2所示。图2-2无刷直流电机基本结构图2.1.4无刷直流电机工作原理就无刷直流电机的基本结构而言，可以将其看成由电子开关线路、转子磁极位置传感器以及永磁同步电动机三者共同组成的一台“电子电动机系统”。无刷直流电机的原理结构图如图2-3所示。图2-3无刷直流电动机的原理框图一般来说，直流电机的结构都是以电枢为转子，磁铁为定子，在气隙里产生励磁磁场，当电枢通电便产生感应磁场。运行时，为了产生最大的电磁转矩，通过电刷作用使两个磁场在方向上始终保持垂直，来保证电动机的连续运转。与此同时，电刷的换向作用使两个磁场间相互保持正交，在理论上没有耦合作用，就可以独立的对电枢电流进行控制，从而十分方便的来调节电动机的运行速度。但是，为了达到直流电机的无刷换向的目的，首先要把一般直流电动机的电枢绕组安装在定子上，而把永久磁铁放在转子上，恰好跟传统的直流电动机安装结构相反。当然，仅仅这样是不行的，由于在普通的直流电机定子上的各相绕组通以一般的直流电源，只能产生固定不变的磁场，该磁场无法与运动中转子磁铁所产生的永久磁场相互作用，来产生单一方向的驱动转子转动的转矩。因此，除了有由定子和转子组成的电动机本体之外，还要有位置传感器、控制电路和功率逻辑开关所组成的还想装置，保证定子绕组所产生的磁场和在转子中转子磁铁产生的永久磁场在直流无刷电动机在运行过程中，在空间始终保持在900左右的电角度[22]。2.1.5无刷直流电机参数本控制系统选用的无刷直流电机参数：额定功率，100W；额定电压，24V(DC)；额定转速，3000r/min；额定电流，4.0A；最大电流，8.0A；额定转矩，0.23N.m；最大转矩，0.46N.m；定位转矩，0.01N.m；极对数，4；霍尔传感器位置，呈600放置。2.2无刷直流电动机的数学模型分析时将研究对象理想化，假设如下所述：(1)三相绕组完全对称，气隙磁场视为方波，定子电流及转子磁场都对称。(2)将电枢绕组均匀连续的分布在定子的内表面。(3)定子电流视为三相的对称1200（电角度）的矩阵波，定子绕组视为600相宽的集中整矩绕组。(4)忽略温度和电枢反应等影响。2.2.1无刷直流电压方程由电机的电压平衡方程如下：(2-1)式中，U为每相的电压，r为每相的电阻，i为每相的电流，L为每相的电感，E为每相的反电动势，则三相无刷直流电动机的运行电压方程如下所示：(2-2)(2-3)(2-4)其中，ua、ub、uc为外加的对应各相的相电压，ia、ib、ic是对应各相的相电流，L为每相电感的自感，Mab、Mbc、Mca为每相间的互感，ea、eb、ec为对应各相的每相的反电势。ra、rb、rc为对应各相的相电阻。由于是三相六个状态每次导通两相，且为Y形连接，没有中心线，另外，(2-5)其中，ia、ib、ic是A相、B相、C相的相电流。把式(2-5)代入(2-2)，(2-3)，(2-4)中，且Mab=Mbc=Mca=M，方程可化为：(2-6)其中，ua、ub、uc为外加的A相、B相、C相的相电压；ia、ib、ic是A相、B相、C相的相电流；ea、eb、ec为A相、B相、C相每相的反电动势；P为微分算子，P=d/dt。根据式(2-6)可得到一下等效电路如图2-4所示。图2-4无刷直流等效电路图2.2.2转矩方程无刷直流电机的电磁转矩方程与普通直流电动机相似，其电磁转矩大小与磁通和电流幅值成正比，即：(2-7)其中，Te为电动机的额定转矩，Pn为电动机的极对数；为电动机的角速度；ia、ib、ic是A、B、C相的相电流；ea、eb、ec为A相、B相、C相每相的反电动势。在忽略转动时的粘滞系数的情况下，无刷直流电动机的方程如下：(2-8)其中，Te为额定转矩，TL为负载转矩，J为电机转轴上的转动惯量的总和，为机械角速度[24]。2.3三相无刷直流电机主电路及工作方式2.3.1本系统三相无刷直流电机主电路的选择无刷直流电机一般制成多相结构，对应的驱动有半桥驱动和全桥驱动两种。全桥驱动根据联结方式不同分为三角形联结和星形联结，并对应不同的通电方式。对于不同的电机性能要求和成本估计可以有不同的选择方案，这需要每个系统的设计者从实际方面进行考虑。下面将几个需要考虑的方面进行说明：对于绕组的利用率来说，由于无刷直流电动机和普通直流电动机不同的是无刷直流电动机的绕组不是连续通电的（即断续的），所以可以适当的提高绕组利用率不但可以使通电导体数量增加，同时电阻下降，还可以提高效率。因此，从这方面可以看出，三相电机比四相电机好，全桥比半桥好。对于转矩的波动来说，无刷直流电机的输出转矩波动比普通直流电机的转矩波动大，为了提高系统的稳定性，希望转矩波动越小越好。一般来说，相数越多，转矩的波动就越小，同时全桥驱动转矩波动比半桥波动要小。对于电路的成本来说，由于电机的相数越多，驱动电路的需要的开关管越多，所以，成本就会越高。全桥驱动所需的开关管数量是半桥所需数量的两倍[25]。根据基本原理及上面所述可知，无刷电机的连续运行时，定子绕组所产生的磁场和转子磁钢产生的永久磁场在空间始终在（）rad左右的电角度，选用三相电源供给定子绕组，电机主电路图如图2-5所示。图2-5电机主电路图2.3.2三相无刷直流电机工作方式本文是基于单片机研究无刷电机控制系统，因此将单片机的控制信号输入到LM621的输入端，再通过LM621输出控制信号驱动MOSFEI开关，这样就达到单片机的输出端将高压信号加载到无刷直流电机各绕组上的目的。在本系统中，三相逆变电路中应用使用最频繁的三相桥式全控逆变电路。将电机的三相绕组联结为星形（Y联结），选用六个MOSFEI管作为绕组的开关，高电平导通，常见的通电方式为两两导通和三三导通[26]。(1)两两通电方式对于两两通电方式表示有两个功率管在每一瞬间导通，每隔1/6周期（周期3600)进行一次换相，并换一个功率管，每个导通的功率管的导通电角度为1200。六个功率管的以VF1VF2、VF2VF3、VF3VF4、VF4VF5、VF5VF6、VF6VF1、VF1VF2···为导通顺序不断循环。当VF1和VF2导通时，电流经VF1管从A相绕组流入，再从C相绕组流出，再过VF2管流回电源。如果将流入绕组的电流产生的转矩认为是正的，则认为流出绕组的电流对应产生的转矩是负的，合成转矩大小为Ta,对应的方向为Ta和-Tc的角平分线方向。在电机转过600之后，按照到通顺可知，换成VF2与VF3两个管导通。这时电流从B相流入经C相流出，再通过VF2流回电源，合成转矩大小不变，但方向逆时针旋转了600。同理可知，按照导通顺序，每换一次相的同时换另一个功率管，而产生的合成转矩矢量大小保持Ta不变，但方向对应转过了600电角度。星形联结绕组采用两两通电产生的合成转矩矢量图如图2-6所示。(a)VF1、VF2导通时产生的合成转矩；(b)VF2、VF3导通时产生的合成转矩；(c)两两通电时合成转矩矢量图图2-6星形(Y)联结绕组两两通电时的合成转矩矢量图因此，对于同一台无刷直流电机来说，在同样采用星形联结条件下，每相通电绕组在两两换相时三相全控电路相比三相半控电路，合成转矩增加了倍，在一个周期中，每个功率管导通1200，对应每个绕组通电2400，正反相各自通电1200，输出转矩波形如图2-7所示。图2-7全控桥输出波形图通过图2.6可以看出，采用三相全控电路产生的输出转矩比采用三相全控时小很多，仅从0.87Tm到Tm.例如将三个霍尔集成电路以1200的相位差安装在无刷直流电机上，控制电路可以选用一片74LS138型译码器和74LS09、74LS38两片门电路构成，产生的波形如图2-8所示。图2-8全控桥两两通电电路传感器输出转矩波形本系统选用无刷直流电机专用集成LM621来控制电机换相，全控桥两两通电电路原理示意图如图2-9所示。图2-9全控桥两两通电电路原理示意图(2)三三通电方式对于三三通电方式是指在每一瞬间同时有三只功率管导通，每个功率管导通180电角度，每隔600换相一次，以VF1VF2VF3、VF2VF3VF4、VF3VF4VF5、VF4VF5VF6、VF5VF6VF1、VF6VF1VF2、VF1VF2VF3···作为导通顺序。在VF6VF1VF2导通时，电流从VF1管流入A相绕组，经过C相和B相绕组，再分别从VF6管和VF2管流出，这时C相和B相绕组的电流分别为A相绕组流过的电流的一半，如果假定电流的方向从A到B、C到B、A到C所产生的转矩为负。流向A相绕组所产生的转矩为正，而流入B相绕组所产生的转矩为负，其产生的合成转矩的对应矢量方向和A相相同，大小为1.5Ta。当经过了600（电角度），从VF6VF1VF2换相到VF1VF2VF3，先关断VF6而后将VF3由关断状态变成导通，电流分别从VF1和VF3流入，经过A相和B相绕组，最后电流流入C相绕组，再经VF2流出。合成转矩方向相应的转过600（电角度），与-C相同，大小为1.5Ta不变。再经过600（电角度），按照导通顺序换相到VF1VF2VF3，对应的合成转矩如图2-10所示。(a)VF6VF1VF2导通时产生的合成转矩；(b)VF1VF2VF3导通时产生的合成转矩；(c)三三通电时的合成转矩图2-10三三通电时对应的合成转矩矢量图通过对逆变电路的整体分析可知，在三三通电方式中，每个时刻总有三个功率管同时通电，每个功率管导通1800电角度，每次有一个功率管换相。因此，从某一相上看，星形联结三三通电方式的相电压波形如图2-11所示。图2-11星形（Y）联结三三通电方式单相电压波形另外，从直流电源性质的角度可以将逆变电路分为电压型逆变电路和电流型逆变电路两种[27]。对于电压型逆变电路特点如下所述：(1)将电压源作为直流侧，一般并联有大电容，相当于电压源。好处是直流侧的电压基本无脉动，而且直流回路呈现低阻抗。(2)由于直流电压源起到钳位作用，所以交流侧输出矩形波的电压输出，而且和负载阻抗角无关。而交流侧输出电流对应的波形及相位随着负载的变化而变化。(3)当交流侧的负载为阻感性时，需要提供给交流侧无功功率，直流侧的电容起到对无功能量的缓冲作用。在逆变桥的各桥臂上并联二极管用于为交流侧向直流侧提供通道来反馈无功能量。对于电流型逆变电路特点如下所述：(1)将大电感串联在直流侧，起到电流源的作用。直流侧的电流基本上没有脉动，并且直流回路表现为高阻抗。(2)开关器件在电路里的作用仅是改变直流电流的途径，所以交流侧的输出电流波形为矩阵波，而且和负载的阻抗角没有关系。对应交流侧输出的电压波形及相位则随负载阻抗变化而变化。(3)在交流侧接阻感负载的时侯无功功率需要被提供，起缓冲无功能量作用的是直流侧的电感。电流型逆变电路不用在开关器件上并联反馈二极管为无功能量提供流通途径，因为该无功能量并不反向。通过上述比较，本系统采用电压型逆变电路，电压型逆变电路主要应用于笼式交流电机变频调速系统和不停电电源两方面。

第3章无刷直流电机的控制原理3.1无刷直流电机控制系统的基本控制原理和总体框图3.1.1控制系统的基本原理本系统是以AT89C51单片机作为控制核心，利用LM621来控制无刷直流电动机换相，设计2*3键盘输入，通过使用MC14511BCP来拓展单片机端口实现四位数码管来显示转速的目的，通过霍尔传感器将转速反馈给专用集成芯片LM621，通过带有霍尔电流传感器的芯片ACS712将电机电流模拟量经过A/D转换芯片ADC0804转换后将电流数字量反馈给AT89C51实现电机的双闭环调节。在系统中是通过调节占空比来达到转速精确调节的目的，也就是所谓的PWM技术。3.1.2系统整体框图系统整体框图如图3-1所示。图3-1系统整体框图3.2三相直流电机全桥驱动原理3.2.1三相无刷直流电机驱动电路由于本系统是基于单片机对三相无刷直流电机控制系统的研究，所以通过控制专用集成电路芯片来驱动三相全桥逆变电路来实现无刷直流电机的换相。当单片机的控制信号送到控制集成电路芯片的输入端，然后通过集成芯片的内部驱动来控制信号加载到功率管MOSFEI的栅极上，通过控制功率管再进一步控制无刷直流电机换相。这样单片机通过控制各相输出的相位关系在转子到达适当位置时进行换相，这样就可以使单片机端口输出的TTL电平的同时将输出端的高压信号加载无刷直流电机相对应的绕组上[28]。由于全桥驱动器将输入的直流电压直接逆变成为三相交流电压，所以在一定程度上，可以将系统中的全桥驱动器看成全桥逆变电路三相全桥驱动电路如图3-2所示。图3-2三相直流电机全桥驱动电路由上章可以知道本系统采用电压型逆变电路，所以由电压型逆变电路特点可以知道，由于交流侧的负载为阻感性，所以需要供给交流侧无功功率，在逆变桥的各桥臂上并联反馈二极管给交流侧向直流侧反馈无功能量提供通道，这样可以释放感应出的大电流，保护电机线圈，延长电机的使用寿命。3.3脉宽调制(PWM)技术3.3.1脉宽调制原理PWM(PulseWidthModulation)控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术，即通过对一系列脉冲的宽度进行调制，来等效地获得所需要的波形（含形状和幅值）。PWM是一种利用数字输出对模拟电路进行控制的技术，在逆变电路中应用最为广泛。在实际的调速系统中，PWM是控制固定电压的直流电源的开关频率来改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法[29]。在一个PWM驱动控制的调速系统中，以一个固定的频率来接通关断电源，可以根据要求在固定周期中改变接通或者关断时间大小，即改变直流电机电枢上电压的“占空比”来实现调节平均电压的目的，进而控制电动机的转速。如图3-3所示。图3-3PWM占空比原理假设电动机接通电源时，电机的最大转速为Vmax，设占空比的大小D=t1/T，则电机的平均速度公式Va=Vmax*D。其中，Va为电机的平均速度；Vmax为电机通电时的最大转速；D为占空比。因此，由上述公式可知，当改变占空比的大小，对应电机的平均速度Va也随之变化，也就是对电机进行了调速。由于严格来说，电机的平均速度大小Va与占空比大小D不是理想化的线性关系，但是为了计算简便，常常将两者近似当作线性关系计算。由于模拟电路控制容易随时间漂移，容易产生不必要的热损耗，有时模拟电路对噪声也比较敏感，而通过PWM技术可以具有很强的抗噪性，可以节约空间、能源等，实现用数字方式来控制模拟信号的目的，同时大幅降低了成本和功耗[24]。3.3.2脉宽调制方式由于受到电力电子器件发展水平的制约，虽然PWM控制基本原理早已提出，但直到上世纪80年代，伴随着全控型电力电子器件的迅猛发展，PWM控制技术才真正得到应用。到目前为止，已经研究出多种PWM技术，并且该技术与微电子技术、自动控制技术及一些如现代控制理论、非线性控制思想等新的理论方法紧密相联，使PWM技术得到了极大的发展空间。根据不同的PWM控制技术的特点，目前主要包括相电压控制PWM、线电压控制PWM、电流控制PWM、空间电压矢量控制PWM、矢量控制PWM、直接转矩控制PWM等。其中，相电压控制PWM包括等脉宽PWM法、随机PWM法、SPWM法、梯形波与三角波比较法；线电压控制PWM包括马鞍形波与三角波比较法和单元脉宽调制法；电流控制PWM包括滞环比较法、三角波比较法、预测电流控制法。

第4章无刷直流电机控制系统硬件设计4.1无刷直流电机控制系统单片机和驱动芯片的选择4.1.1单片机和驱动芯片的选择选择单片机时，首先要考虑的是该芯片的稳定性，因为当稳定性达到要求时可以最大程度的降低整个开发系统的成本。通过多方面比较我们选择美国ATMEL公司的AT89C51单片机作为控制系统的主控制器。该单片机为51内核，可以使用C51对其进行编程，而且该单片机使用调试方便，价格低廉，性能稳定。在该单片机的内部集成了上电复位、RC振荡器等电路，而且只要使用PL2303对VCC、RXD、TXD、GND四个端口进行电平转换，就可以将程序写入[30]。由于采用软件换相，单片机需要不断的执行换相操作才能保证电动机转动下去，同时单片机还要控制转速、转向等操作，所以这样编程会十分的复杂，所以本控制系统采用专用集成电路芯片LM621来完成电动机的换相工作。4.1.2单片机AT89C51的特点本系统选用ATMEL公司的AT89C51单片机属于51系列，特点如下所述，(1)AT89C51单片机从内部的硬件到软件具有一套完整的按位操作系统，即位处理器，或称作布尔处理器。众所周知，能对位进行逻辑运算的单片机十分少见，51单片机的位处理器的处理对象是位，不但可以对片内特殊功能寄存器的位进行传送、置位、测试、清零等操作，还可以对位进行逻辑运算。(2)AT89C51单片机在片内RAM区间开辟了一个具有双重的地址区间，共十六个字节，单元地址为20H～2FH，该区间既可以对字节进行处理，又可以对位进行处理，使用十分灵活，给使用者提供了极大的方便。因为一个复杂的程序在运行过程中必然会遇到很多的分支，因此需要建立标志位，同时在运行中需要对相关的标志位进行置位、检测或清零，来保证程序运行方向的正确，在51单片机里，实现这一功能只需要一条位操作指令即可。(3)AT89C51单片机的乘法和除法指令给编程带来很多方便。由于很多的八位单片机都不具有乘法功能，需要编上一段子程序来执行乘法。而在51单片机中，做乘法只需一条指令就行了，即MULAB。而八位除以八位的除法指令，由于精度不够，一般不常用。(4)AT89C51单片机的DA指令可以将二进制BCD码转化为十进制的调整指令，这对十进制的计量十分方便，而在其他单片机中，在需要进行二进制-十进制转换需要调用专用的子程序，所以51单片机在这方面更加方便[19]。AT89C51单片机的引脚图如图4-1所示。图4-1AT89C51单片机引脚图P0口：P0口为一个八位漏极开路双向I/O口，每个脚可以吸收8个TTL门电流。当P0口的管脚第一次写“1”P1口：P1口是一个内部提供上位电阻的八位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4个TTL门电流。P1口管脚写入“1”P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接受，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。当对16位地址外部数据存储器进行存取或者把P2口作为外部的程序存储器时，P2口的输出作为地址的高八位。当地址为“1P3口：八个带有内部的上拉电阻的双向I/O口为P3口引脚，该口可以接收或输出4个TTL的门电流。在P3端口写入“1”RST：复位键输入端口。在振荡器复位器件的时侯，需要将RST脚保持在高电平两个机器周期。ALE/PROG：在访问外部的存储器的时候，地址锁存器可以允许输出电平对地址的位字节起到锁存地址的作用。在FLASH编程的时侯，编程脉冲可以通过此引脚输入。在一般情况时，ALE以1/6振荡器的频率将正脉冲信号输出，可以用它来给外部输出脉冲或进行定时。值得注意的地方是在用作外部的数据存储器的时侯，将会把一个ALE脉冲跳过。若需要禁止ALE输出，可以将SFR8H地址置零。这样，只有当执行MOVX,MOVC指令的时候，ALE才会起作用。/PSEN：外部的程序存储器的选通信号输入端。当外部的程序存储器在取指的时侯，在每一个机器周期中，会有两次选通信号输入端有效。在访问外部的数据存储器的时侯，两次有效的/PSEN信号将不会出现。/EA/VPP：将/EA置低电平时，外部的程序存储器地址范围为0000H-FFFFH，不考虑内部的程序存储器。将/EA置高电平时，使用内部的程序存储器。此引脚也可以用来接12V的编程电源，实现VPP功能。XTAL1：作为内部时钟工作电路和反向振荡放大器的输入。XTAL2：作为反向振荡器的输出端接口。XTAL1和XTAL2是反向放大器的输入和输出端。而反向放大器的功能可以通过片内的振荡器来实现。石晶振荡或陶瓷振荡均可采用。注意的是，如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接，同时对外部时钟信号的脉宽没有特殊要求，但必须保证要求的脉冲的高低电平宽度。ATMEL公司的AT89C51提供的标准功能如下所示：一个4K字节的Flash闪速存储器、内部RAM大小为128字节、32个I/O口线、两个16位的定时/计数器、一个五向量的两级中断结构、一个全双工的串行通信口、片内振荡器和时钟电路。此外，AT89C51可降至0Hz静态逻辑操作，可选的节电工作模式支持两种软件。当在闲置模式的时侯，虽然CPU停止工作，但是RAM、定时/计数器、串行通信口和中断系统则继续工作。在掉电模式的时候，自动保存RAM的内容同时冻结振荡器，并且禁止所有其他芯片的功能，直到下一个硬件复位到来为止，有效的防止了信息丢失[31]。片内资源介绍如下：(1)8位CPU·4kbytes程序存储器(ROM)；(2)256bytes的数据存储器(RAM)；(3)32条I/O口线·111条指令；(4)21个专用寄存器；(5)2个可编程定时/计数器·5个中断源，2个优先级；(6)一个全双工串行通信口；(7)64kB的外部数据存储器寻址空间；(8)64kB的外部程序存储器寻址空间；(9)逻辑操作位寻址功能·双列直插40PinDIP封装；(10)单一+5V电源供电；(11)CPU：由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊功能寄存器；(12)RAM：用来存放可以读写的数据，例如运算的中间结果、最终结果以及需要显示的数据；(13)ROM：用来存放程序、部分原始数据及表格；(14)I/O口：4个八位的并行I/O口，既可用作输入，也可用作输出；(15)T/C：两个定时/记数器，既可以工作在定时模式，也可工作在记数模式；(16)五个中断源的中断控制系统；(17)一个全双工UART（通用异步接收发送器）的串行I/O口，可以用来实现单片机之间或者单片机与微机之间的串行通信的功能；(18)片内振荡器和时钟产生电路，需要外接石英晶体和微调电容。最高振荡频率为12M。4.1.3专用集成电路驱动芯片LM621特点LM621是TI公司研发的无刷直流电机专用集成电路驱动芯片，该芯片具有工作性能稳定可靠，与单片机串行方便，抗干扰强，性价比高等一系列优点，是研究无刷直流电机控制系统的首要选择。该芯片是MOS、IGBT功率器件的专用栅极驱动芯片，利用自举电路原理既可以驱动桥式电路中低压侧的功率器件，又可以驱动高压侧的功率器件，在电机控制、伺服驱动等方面应用广泛。对于在无刷直流电机控制系统中，LM621双极型直流无刷电动机专用集成电路，适用于三相和四相电动机，可以直接控制功率开关器件以驱动电动机，设有“死区”，电路避免桥式开关电路直通问题。LM621可以用于驱动母电压不高于600V电路中的MOS门器件，可输出最大正向峰值电流达250mA，对应的反向峰值驱动电流大小为500mA。值得一提的是，LM621内部就有过电流等保护，使用户可以更方便的设计整个硬件电路，同时，该芯片可以对同一桥臂上的上下两个功率器件的门极驱动信号生成2s的互锁延时时间。在LM621的内部还设计有电流放大器，该放大器与被驱动的功率器件的电流成线性关系。通过电路设计保证了内部的三个通道的高压测驱动器和低压驱动器可以单独使用。LM621管脚功能定义：引脚1（Vcc1）：第一电源，逻辑和时钟用电源+5V。引脚2：转向控制端，由所施加的电平决定电动机的转向。引脚3：死区时间使能端。控制死区功能，高电平有效。引脚4：时钟定时端。该端外接定时电容和电阻至地，设定时震荡周期，决定死区时间。引脚5、6、7：霍尔位置传感器输入端。三相电动机3个霍尔转子位置传感器接此三端，四相电动机的两个霍尔传感器接至5和6，7和6短接。引脚8：30/选择端。三相电动机传感器空间间距30°时，该端施加高电平；60°时，施加零电平。对四相电动机，取高电平。引脚9：逻辑地。引脚10：功率地。引脚11、12、13：灌电流输出端。引脚14、15、16：抽电流输出端。引脚17：输出禁止端。对该引脚施加高电平时，输出被关闭。引脚18：Vcc2（+5～40V）端。第二电源，它提供11～13脚输出的灌电流，当该电路用来驱动MOSFEI时，电压可取至40V，足以满足驱动栅极。当用来驱动双极性晶体管时，电压取5V，以降低芯片的功耗与发热。LM621管脚如图4-2所示。图4-2LM621引脚图如表4-1给出了LM621的换相译码真值表。表4-1LM621换相译码真值表传感器空间角度位置角度角传感器输入抽电流输出灌电流输出HS1HS2HS312312330deg0-6060-120120-180180-240240-300300-360000111001110011100ONONoffoffoffoffoffoffONONoffoffoffoffoffoffONONoffoffoffONONoffONoffoffoffoffONoffONONoffoffoff60deg0-6060-120120-180180-240240-300300-360111000001110100011offoffONONoffoffoffoffONONoffoffoffoffoffoffONONoffoffoffONONoffONoffoffoffoffONoffONONoffoffoff90deg0-9090-180180-270270-36000111001HS2HS2HS2HS2offONoffoffnanananaoffoffONoffoffoffoffONnanananaONoffoffoff引脚号：567161514131211对于转子为两对磁极的三相电动机，表中的30°和60°指的是三个霍尔传感器的空间间距，他们分别对应60°和120°电角度。它的内部集成有1个电流比较器，一个电流放大器，一个自身工作电源欠压检测器，一个故障处理单元及一个清除封锁逻辑单元。此外，它内部还集成有三个输入信号处理器，两个脉冲处理和电平移位器，三个上桥臂侧功率管驱动信号锁存器，三个上桥臂侧功率管驱动信号与欠压检测器及六个低输出阻抗MOS功率管驱动器和一个或门电路。在正常工作时，信号处理器将六路驱动信号处理后输出六路输出脉冲，驱动下桥臂功率管的信号L1～L3经输出驱动器功放后，直接送往被驱动功率器件。而驱动上桥臂功率管的信号H1～H3先经集成于LM621内部的3个脉冲处理器和电平移位器中的自举电路进行电位变换，变为3路电位悬浮的驱动脉冲，再经对应的3路输出锁存器锁存并经严格的驱动脉冲与否检验之后，送到输出驱动器进行功放后才加到被驱动的功率管。一旦外电流发生过流或直通，即电流检测单元送来的信号高于0.5V时，则LM621内部的电流比较器迅速翻转，促使故障逻辑处理单元输出低电平，一则封锁3路输入脉冲信号处理器的输出，使LM621的输出全为低电平，保护功率管；另一方面，同时LM621的FAULT脚给出故障指示。同样若发生LM621的工作电源欠压，则欠压检测器迅速翻转，也会进行类似动作。发生故障后，LM621内的故障逻辑处理单元的输出将保持故障闭锁状态。直到故障清除后，在信号输入端LIN1～LIN3同时被输入高电平，才可以解除故障闭锁状态。当LM621驱动上桥臂功率管的自举电源工作电压不足时，则该路的驱动信号检测器迅速动作，封锁该路的输出，避免功率器件因驱动信号不足而损坏。当逆变器同一桥臂上2个功率器件的输入信号同时为高电平，则LM621输出的2路门极驱动信号全为低电平，从而有效的避免“桥臂直通现象”的发生。600间距的换相波形如图4-3所示。图4-3600间距的换相波形4.2无刷直流电机控制系统电流环设计4.2.1无刷直流电机控制系统电流环芯片及A/D转换芯片的选择选用ACS712作为控制系统的电流检测传感器，ACS712是Allegro公司研发的一种线性的电流传感器，在该器件的内部装有霍尔传感器电路，而且该电路是线性的，即输出的电压值跟检测的交流或直流量成比例。该芯片具有噪声低、响应迅速、输出灵敏度高等一系列特点，在电动机控制、载荷检测及管理、开关式电源等方面都有应用，特别是那些要求电气绝缘却未使用光电绝缘器或其他昂贵绝缘技术的应用中。由于AT89C51片内没有A/D转换，根据系统设计要求，需要在片外扩展A/D转换接口。本设计选用ADC0804转换器。ADC0804是属于连续渐进式的A/D转换器，这类型的A/D转换器除了转换速快、分辨率高外，还有价格便宜的优点，被普遍应用与微机接口设计上。4.2.2电流环检测芯片特点及工作原理ACS712采用小型的SOIC8封装，采用单电源5V供电，其引脚图如图4-4所示。图4-4ACS712引脚图ACS712主要由芯片表面附近的电流通路及高精度的低偏置线性霍尔传感器电路构成。在被测电流的通路（1和2、3和4之间的电路）中装有1.2m的内电阻，功耗较低。被测电流通路和传感器引脚（引脚5～8）的绝缘电压大小＞2.1KVRMS，近乎可以看成绝缘。对于流经铜制电流通路的电流所产生的磁场，能够被片内的霍尔IC感应并将其转化成比例的电压。可以由稳定斩波型低偏置BICMOS霍尔集成电路提供精确的成比例的输出电压，在出厂时已对该集成电路进行了精确的编程。稳定斩波技术是一种给片内的霍尔元件和放大器提供最小的偏置电压，该技术几乎可以消除芯片由于温度所产生的输出漂移。其中，ACS712的引脚1和2、3和4均内置有保险，为待测电流的两个输入端，当检测直流电流时，1和2、3和4分别为待测电流的输入端和输出端。ACS712引脚功能如表4-2所示。表4-2ACS712各管脚功能表引脚名称功能描述1和23和45678IP+IP-GNDFILTERVIOUTVCC被测电流输入或输出被测电流输入或输出信号地外接电容模拟电压输出电源电压4.2.3电流环A/D转换芯片的参数及特点本系统中的电流环选用ADC0804转换芯片，该芯片的参数如下所述：工作电压：+5V，即VCC=+5V；模拟输入电压范围：0～5V，即0≤Vin≤+5V；分辨率：8位，即分辨率为1/2=1/256，转换值介于0～256之间；转换时间：100us；转化误差：1LSB；参考电压：2.5V，即Vref=2.5V。ADC0804的管脚图如图4-5所示。其中，各个管脚功能为：D0-D7：八位数字量输出端；CLK：为芯片提供工作脉冲，外接时钟电路；CS：片选信号；WR：写信号输入端；RD：读信号输入端；INTR：转换完毕后中断提供端；其它：是供电或提供参考电压的管脚输入端。图4-5ADC0804管脚图4.2.4检测芯片与转换芯片在原理图中的应用ACS712与ADC0804原理图中的应用如图4-6所示。图4-6ACS712与ADC0804原理图中的应用4.3键盘输入电路及启动电流保护电路设计4.3.1键盘输入电路系统键盘接口如图4-7所示。图4-7系统键盘接口4.3.2键盘各键功能介绍本论文研究的无刷直流电机控制系统采用2*3矩阵键盘来对系统进行操作，如表4-3所示键盘结构设计。表4-3键盘结构设计启动/制动▲正反转▼S1～S6六个键对应的功能和键值如表4-4所示。表4-4各键对应功能和键值键值功能键值S1S2S3S4S5S6启动/制动▲正反转▼0XA0OX900X880X600X500X48各键详细功能如下：(1)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。(2)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。(3)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。(4)S3：正反转，实现点机的反转。4.3.3启动电流限制保护电路限流电路如图4-8所示。图4-8限流保护电路由附录可以看出，在主电路里，通过电动机的电流最后是经过电阻接地的。所以，Uf=R*IM，Uf的大小正比于电动机的电流IM。将Uf和U0分别送给LM324运算放大器，当反馈电压Uf大于来自数/模转换器的给定信号U0，则LM324输出低电平，使VF4、VF6、VF2无法导通，使电动机电流下降，当电流降到小于U0时，则LM324的输出回到高电平，VF4、VF6、VF2又具备导通能力，但电机通电次序仍由P1口控制，该电路起到了限流的作用。对于无刷直流电机的改变转向问题，由于在直流无刷电动机中，由永久磁钢产生磁通量，无法像一般的直流电动机那样通过改变磁场的方向或通过改变电枢电压的极性来改变电机的方向，加之半导体的导电性为单向的，很不方便反接电源电压，所以，无刷直流电机一般都是通过控制定子绕组的换相次序来改变转动方向。具体办法是更换换向控制表来实现电动机反向[32]。4.4系统显示电路设计4.4.1系统显示电路驱动芯片选择及芯片特点由于本系统的核心AT89C51的引脚有限，所以对其进行拓展来设计显示电路，本系统选择MC14511BCP作为驱动芯片，以七段数码管作为显示器件的显示模块作为系统的输出，并在数码管和驱动芯片之间加1K的电阻作为限流电阻，保证驱动芯片和数码管的安全运行。MC14511BCP是一个由二进制编码转换到十进制的七段锁存/译码器/驱动器。它的结构是一个采用互补金属氧化物半导体（MOS）增强模式器件和双极输出驱动器的单一的整体结构。该电路提供的功能是将4个8421二进制编码的位存储锁存器的二进制转换到七段译码器，它具有驱动的能力，可以直接带动LED显示。MC14511BCP可以用来与七段发光二极管，气体放电或晶体读数直接或间接连接，该芯片的电源电压从3V至18V，在计算机显示驱动，驾驶舱显示驱动均可应用。在本系统中，我们采取的是直接强制性的是逻辑电平BI=1LI=1,即是芯片的两个辅助使能端强制的是芯片处于待工作状态，一旦片选信号由低脉冲发生时候，芯片能快速的进入工作状态。MC14511BCP引脚图如图4-9所示。图4-9MC14511BCP引脚图MC14511BCP真值表如表4-5所示。表4-5MC14511BCP真值表输入输出LEBILTDCBAabcdefgDisplayXX0XXXX11111118X01XXXX0000000Blank0000111111110000000000110111101111111111101110001000001101230000111111110000111100110101010110011111011000101110111045670000111111111111000000110101110011001100100010001100110089BlankBlank00001111111111111111001101010000000000000000000000000000BlankBlankBlankBlank111XXXX**4.4.2七段数码管引脚及工作原理在单排年级应用系统和智能化仪器仪表中广泛使用各种显示器来显示数据文字或者图形画面，其中最常用的显示器是LED，因为它具有驱动电路简单，配置灵活方便，功耗低响应速度快，可靠性高以及易于实现及价格低廉等优点。LED显示实际上是有若干发光二极管组成的，当发光管导通时，相应的一个点或者一个笔画发光，控制不同的组合二极管导通，就可以显示出各种字符。在单片机应用系统中，通常使用的是七段的LED。通常的七段LED显示器有八个发光二极管，其中七个二极管构成七段字形“8”，一个发光二极管构成小数点，当某个发光管的样机为高点平时，即逻辑“1图4-10LED接入电路的具体接法七段LEDDE段选码如表4-6所示。表4-6LEDDE段选码表显示字符共阴极段选码01234567893FH06H5BH4FH66H6DH7DH07H7FH6FH4.4.3显示电路硬件接线图系统显示电路原理接线图如图4-11示。图4-11系统显示电路接线图

第5章无刷直流电机控制系统软件设计5.1无刷直流电机控制系统软件组成本系统程序由主程序、中断服务程序、键盘扫描程序、显示程序、启动程序、停机程序、升速程序、降速程序、左移程序、右移程序、正反转程序、测速程序、PWM输出程序、延时程序组成。其中，键盘程序、测速程序、显示程序、PWM输出程序由主程序调用。启动程序、正反转程序、升（降）速程序、左（右）移程序由键盘程序调用。本系统设置两个标志位tag和tag1。其中，tag是启动标志位，tag的值为0时代表运行，值为1时代表停止；tag1是闪烁标志位，当tag1的值为0时代表有闪烁，值为1时代表无闪烁。另外设置两个数组为数码管段选数组dp和位选数组p1。5.2无刷直流电机控制系统流程图5.2.1主程序流程图主程序流程图如图5-1所示。图5-1主程序流程图5.2.2键盘程序流程图键盘流程图如图5-2所示。图5-2键盘程序流程图5.2.3键盘扫描程序voidkeyget() /*键盘扫描函数*/{ ucharx;/*定义变量*/ P2=0xC0;/*键盘扫描，看是否有键按下*/ if((P2&0xC0)==0)/*有键按下*/ { P2=0x80;/*P2.7置1，扫描第一行*/ if((P2&0x80)==0)/*第一行有键按下*/ { d_ms(1500);/*延时去抖*/ x=P2;/*读P2口*/ } P2=0x40;/*P2.6 置1，扫描第二行*/ if((P2&0x40)==0)/*第二行有键按下*/ { d_ms(1500);/*延时去抖*/ x=P2;