无刷直流电机控制综合系统控制器设计

郑州航空工业管理学院毕业论文（设计）届电气工程及其自动化s专业1206972班级题目无刷直流电机控制系统控制器设计姓名陈垒刚学号指导老师崔建锋职称副教授二О一四年五月六日摘要无刷直流电动机控制系统设计关键包含控制器、功率变换器和软件设计。本人设计关键是进行控制器设计，本设计关键是介绍了直流电动机发展概况、组成结构、工作原理、控制方法和单片机AT89C51在系统中应用。本人设计控制器关键是由AT89C51单片机将位置检测电路、换相逻辑电路、键盘接口回路连接到一起。当无刷直流电动机在转动时，位置传感器依据转子目前转动位置，发出对应信号CAP1-CAP3，然后再由单片机输出PWM调制信号PWM1（P0.6）和AT89C51输出信号(P0.0～P0.5)逻辑组合变换后得到控制6个功率管触发信号（PWM11——PWM16），经过改变PWM脉冲信号占空比来实现对电机转速控制。无刷直流电机定子电枢绕组换相和正反转控制是经过用反应电机转子位置霍尔信号改变MOSFET功率管开通和关断次序来实现。经过键盘输入进而来实现电动机开启、停止、动、正转和反转，从而实现了无刷直流电动机简单自动化控制。关键词无刷直流电动机；AT89C51单片机：PWMAbstractBrushlessDCmotorcontrolsystemdesignincludesacontroller,apowerconverterandsoftwaredesign.Idesignedprimarilyforcontrollerdesign,thedesignismainlyintroducesthedevelopmentofDCmotors,compositionstructure,workingprinciple,methodandSCMAT89C51controlapplicationsinthesystem.IdesignedcontrollerAT89C51microcontrollerprimarilybythepositiondetectioncircuitcommutationlogiccircuit,keyboardinterfacecircuitsconnectedtogether.BrushlessDCmotorcontrolMCUcontrollerismainlybasedonthecurrentrotationalpositionoftherotor,toissuethecorrespondingcontrolword,bychangingthedutycycleofthePWMpulsesignaltoachievethemotorcontrol.BrushlessDCmotorstatorandarmaturewindingcommutationreversingcontrolisachievedbychangingtheopeningofthepowerMOSFETonandoffwiththeorderreflectingtheHallrotorpositionsignalstoachieve.Byenteringthekeyboardandthenstartthemotortoachieve,stop,move,forwardandreverse,inordertoachieveasimpleautomatedcontrolofbrushlessDCmotor.KeywordsBrushlessDCmotor;AT89C51microcontroller:PWM目录TOC\o"1-3"\h\u9438摘要 [6]。S3：正反转，实现电机正反转。3.5位置检测电路设计3.5.1传感器选择霍尔类型器件为一个类型磁性传感器。依据霍尔器件它功效能够把它们分成：霍尔线性器件和霍尔开关器件。在通常无刷类型直流动机中常常会使用转子位置类型传感器，转子位置类型传感器为永磁类型无刷直流电机关键部件。它会进行检测电机它转子位置，然后把它输出来信号经过逻辑改变后去进行控制开关管子通和断，令电机定子各相绕组以一定次序去导通，确保电机连续进行工作。控制无刷直流电动机时，单片机控制器关键是依据转子目前转动位置，发出对应控制字，经过改变PWM脉冲信号占空比来实现对电机控制。无刷直流电动机转子位置是由位置传感器检测出来。在本设计方案中，采取了三个磁敏式位置传感器（霍尔元件）。常见磁敏式位置传感器是由霍尔元件或霍尔集成电路组成，世界上第一台无刷直流电动机就使用了霍尔元件式位置传感器。霍尔元件式位置传感器因为结构简单、性能可靠且成本低，是现在在无刷直流电动机上应用最多一个位置传感器。对于本系统反电动势为梯形波，两相导通Y型三相六状态无刷直流电机，我们将三个霍尔组件以相互间隔120o空间电角度安装在电机定子上，因为电机永磁体极弧宽度为180o电角度，这么当电机旋转时，三个霍尔组件便交替输出三个宽为180o电角度相位互差120o电角度方波信号。而此时得到位置信号是有毛刺友好波干扰脉冲信号，我们要经过整形电路才能得到上升沿和下降沿全部很陡峭矩形脉冲信号。整形电路图3-2所表示。图3-5位置信号整形电路霍尔元件产生电动势很低，我们要加上拉电阻以提升其输出电压。LM324比较器含有电源电压范围宽、静态功耗小、可单电源使用、价格低廉等优点，所以被广泛应用在多种电路中，本系统整形电路首先经LM324比较器进行简单整形，再经施密特触发器得到上升沿和下降沿全部很陡峭矩形脉冲信号。图3-2整形电路所用施密特触发器输入和输出为反相关系，又称作施密特触发器和非门，其特点以下：⑴施密特触发器有两个稳定状态，其维持和转换完全取决于输入电压大小。

⑵电压传输特征特殊，有两个不一样阈值电压（正向阈值电压和负向阈值电压）

⑶状态翻转时有正反馈过程，从而输出边缘陡峭矩形脉冲。图3-6整形电路输出脉冲信号我们知道，门电路有一个阈值电压，当输入电压从低电平上升到阈值电压或从高电平下降到阈值电压时电路状态将发生改变。施密特触发器是一个特殊门电路，和一般门电路不一样，施密特触发器有两个阈值电压，分别称为正向阈值电压和负向阈值电压。在输入信号从低电平上升到高电平过程中使电路状态发生改变输入电压称为正向阈值电压，在输入信号从高电平下降到低电平过程中使电路状态发生改变输入电压称为负向阈值电压。正向阈值电压和负向阈值电压之差称为回差电压，一般门电路电压传输特征曲线是单调，施密特触发器电压传输特征曲线则是滞回，我们称之为回差特征。当传输信号受到干扰而发生畸变时，可利用施密特触发器回差特征，将受到干扰信号整形成很好矩形脉冲。图3-6整形电路输出脉冲信号所表示，我们在每个机械转中得到累计6个上升沿或下降沿，它们恰好对应着6个换向时刻。经过将AT89C51设置为双沿触发捕捉中止功效，能够取得正确换相时刻。用AT89C51P1.0～P1.2分别对应去捕捉CAP1～CAP3，并检测该口电平状态，来得到具体捕捉中止。3.6换相逻辑电路设计本文设计用到逻辑电路，使用芯片是GAL16V8，GAL为通用阵列逻辑。它优点为：1.可擦除作用，可改写次数很高，甚至超出了100次；2.一片GAL器件能够实现多种组态PAL器件输出结构逻辑功效，给电路设计带来了很大方便；GAL由五部分组成，它引脚电路图图10所表示：1.输入端:(2-9引脚)共有8个输入端，每个输入端有一个缓冲器，并由缓冲器引出两个互不输出和阵列。2.输出端：（12-19引脚）共有8个输出端，每个单元电路能够经过编程实现全部输出结构实现功效3.系统时钟：（1引脚）为系统时钟输入端，和每个输出单元中触发器时钟输入端相连。4.输出三态控制端：（11引脚）为器件三态控制公共端。无刷直流电机定子电枢绕组换相和正反转控制是经过用反应电机转子位置霍尔信号改变MOSFET功率管开通和关断次序来实现。AT89C51有2个16位通用定时器/计数器。用通用定时器产生控制电机电压调制PWM波，同时用硬件电路实现电子换相。其电路图3-7所表示：图3-7用GAL16V8实现电子换相电路图该电路图要用到一GAL16V8这一芯片来实现。GAL16V8提议工作电平为5V，也能够工作在3.3V以下。含有64×32逻辑和门阵列和8个可编程输出逻辑单元。也能够对各个输入端口逻辑信号及其非信号按逻辑和连接实现译码功效。其最大传输延时为3.5ns。依据单片机（P1.0，P1.1，P1.2）捕捉霍尔信号（A，B，C），单片机输出六个状态信号PHASE1～PHASE6（接到单片机P0.0～P0.5），单片机输出PWM调制信号PWM1（P0.6）和AT89C51输出信号(P0.0～P0.5)逻辑组合变换后得到控制6个功率管触发信号（PWM11——PWM16）。在前面我们曾经对电机工作原理做过描述，转子在定子电枢绕组合成磁场和永磁磁场相互作用下沿顺时针方向连续转动，三个霍尔传感器交替输出三个宽为180度电角度，相位互差为120度电角度方波信号，该信号经单片机逻辑变换后和PWM调制信号经过逻辑组合变换得到使逆变器功率管按T1T2，T2T3，T3T4，T4T5，T5T6，T6T1…….次序导通触发信号。3.6.1驱动电路将单片机输出PWM调制信号PWM1（P0.6）和AT89C51输出信号(P0.0～P0.5)逻辑组合变换后得到控制6个功率管触发信号（PWM11——PWM16）接到上图对应2～7输入口。第4章控制器软件部分设计4.1控制器软件设计总述控制器向上向下、向左向右移动、开启、正反装程序让键盘程序进行调用，键盘程序、显示器程序、测速程序、PWM输出程序全部让主程序进行调用。4.3程序步骤图关键模块程序步骤图图4-1所表示；键盘程序步骤图图4-2所表示；显示程序步骤图图4-3所表示。图4-1主程序步骤图图4-2键盘程序步骤图图4-3显示程序步骤图结束语本设计所述无刷直流电机控制器设计制作，调速方便，应用广泛。电子换向性线路为无刷类型直流电机它关键组成部分，包含了控制器和功率变换器。本设计关键是简明介绍了AT89C51类型单片机、霍尔类型传感器它们在无刷类型直流电机控制系统中部分应用。本设计先是介绍了直流电动机发展情况、结构、工作原理，然后去选择控制器设计方案，再去介绍控制器每一部分电路组成，跟着介绍单片机最小系统，还有控制器显示电路、按键电路、过电流保护电路、驱动电路原理讲解等等。最终画出控制器控制电路图，然后在由硬件设计去进行部分必需软件设计。致谢在之前学习过程中，我们只了解相关无刷直流电机基础知识，而对于无刷直流电机控制器设计，没接触过。一开始，一头雾水，但在整个设计制作过程中崔老师给我们提供了很多相关设计所需要资料，而且帮助解答了我们在毕业设计中所碰到多种问题，在崔教授指导下我们一点点地克服了困难。做设计过程中我们碰到了很多困扰，当然，这期间也离不开指导老师引导和指点，我们很感谢崔老师认真指导督促和严格要求，是她在我最需要帮助时候立即给我了无私帮助，催老师很耐心和认真来指导我们去作自己毕业设计，可是我就是不省心，给崔老师带来了很多问题和烦恼，可是崔老师不管我有什么问题她全部是很细心和认真来给我讲解。最让我感动就是崔老师每七天全部要和我们见一下，来解答我们多种多样问题，同时呢，她又在催我们去完成自己毕业设计。而且针对每一个人毕业设计去讲解，分析论文中问题，针对每个人问题去分析找出处理措施。感谢在本科阶段给我上课每一位老师，谢谢你们对我培养和教育。在郑州航院着两年我从老师那里学到了很多东西，也是在这里两年使我成长了很多。参考文件张文灼.