《基于单片机的洗衣机无刷直流电机控制系统设计》15000字

基于单片机的洗衣机无刷直流电机控制系统设计目录摘要 [6]。从其他角度来看STM32芯片仍然是基于KeiluVision3软件来进行编译操作，对于初学者来说也容易进行操作。而如果采用DSP芯片作为主控则在进行具体的工程开发时则要求更深刻的学习各种外部设备的相关指示，并且要熟练掌握TI手册上含有的各种类型的结构，还有深入学习DSP的编译环境。对于STM32芯片而言，不用要求深入理解所有库函数的意义，只要掌握调用手册内包括的库函数就可以达到目的并且很好的实现所需功能，使用STM32芯片不仅使开发者更加节约时间，还使得产品开发时长得到有效的缩短，对于响应当今世界环保呼吁具有深刻意义。在对于上述DSP与STM32的利弊具体分析讨论的前提下，本次设计决定采用STM32F103C8T6芯片作为系统的主控单元。主控芯片电路图如图2-4所示。图2-4主控芯片电路图2.3传感器模块霍尔器件实际上是一种可以将磁性能转化为电信号的传感器。霍尔线性器件和霍尔开关器件共同组成了霍尔器件。其中霍尔线性器件产生的变量为在时间上或者数值上都为连续的物理量，而霍尔开关器件产生的变量为在时间上以及数量上都为不连续的物理量，霍尔器件可用于对磁场的检测和操纵。霍尔器件对比于一些其他类型的传感器来说，其具有非常明显的发光点，霍尔器件的体积较小从而使得电机整体的体积不会过大，并且霍尔器件重量较轻使得电机的重量不会过于繁重，寿命长也是霍尔器件的一个显著优势，并且其运行时功耗小能有效地节约能源，且其频率高达1兆赫兹。除此之外，其工作时的温度区间很广，一般处于负55摄氏度到150摄氏度之间。在对无刷直流电机控制的设计中，不可或缺的一个重要部分是转子的位置传感器。其能够在任意时刻反映出电机转子所处的空间位置，并且输出的电信号经过一系列变换后可以去实现开关三极管的接通或分断，从而使电机中的定子三相绕组能够以规定的前后次序处于接通状态，进一步确保电机能够稳定运行。转子的位置传感器结构与电机相似，其内部也包含转子和定子，并且传感器的转子与电机连接在同一个轴上可以使传感器更好的实现对电机转子所处位置的跟随；而传感器的定子与电机连接在同一个轴上，即与电机的定子或外部表壳相连接，使传感器能够感应出转子的位置信息并将其输出。转子位置传感器的类型多种多样，主要有以下几种：(1)霍尔元件式位置传感器 首先介绍霍尔元件式位置传感器，它是根据物理学中的霍尔效应为原理制造而成的一种半导体器件。将霍尔元件按指定的要求使导体流过一定的电流并放在含有磁场的环境中，此时会发出一个霍尔电势信号，如果其不再受到磁场力的约束，则这时不再有信号发出。使用霍尔元件用于检测转子位置的传感器时常用的有两种不同的工作类型。第一种是在电机壳体的内侧安置霍尔元件，在距离霍尔元件附近不远的一个小空位处，安置一个与电机处在同一轴上的磁体，对于采用Y形连接方式的含有六种工作状态且仅有两相导通的三相无刷直流电机来说，各个霍尔元件都呈现于每一相相隔120°均匀分布。这种连接方式下，当无刷直流电机运行也即转子发生运动时，各个霍尔元件便轮流产生三个波形宽为180度、相角分别相差120度的矩形波。第二种是在定子电枢的气隙的外表层处或者三相绕组顶部距离铁芯不远的地方直接安置霍尔元件，进一步选择放置在电机转子上的磁体的主磁极作为传感器的磁体，再通过分析霍尔元件产生的电信号来检测转子实际所处方位，将放大后的信号传送给逆变器从而使得逆变器正常工作。霍尔元件因其构造简易、体积较小、造价实惠、工作安全可靠而广泛作为位置传感器使用，其缺点是在工作时对于所处环境的温度存在一定的要求，同时霍尔元件应该尽量与传感器的永磁体靠拢，否则会导致其发出电信号电平低于正常值，使得电机无法正常运行。综上所述，在综合考虑环境因素以及是否满足系统要求的情况下可以使用霍尔元件作为检测无刷直流电机转子位置的传感器。(2)电磁式位置传感器磁心、高频率的励磁绕组以及输出绕组共同构成了电磁式位置传感器的定子。其转子则由呈现为一个扇形状的磁心和无法导通磁场的衬套共同构成。当电机开始启动时,会产生高频率的励磁电流流过输入绕组，此时转子的扇形磁心部分会随着转子的旋转而开始运转，当其恰好运转到输出绕组的底部时，输入绕组以及输出绕组会以电机定子和转子的磁心为媒介发生耦合现象，此时输出绕组内部会检测出一个频率相对较高的电信号，通以滤波电路进行滤波操作和一系列的逻辑处理过后，该位置传感器即可完成对逆变器的控制以及检测。此类型的传感器一个独特的优点就是具有比较显著的抗压能力，能够经受住很高等级的震荡力度，也因此其能够广泛使用于航空航天领域中。由于上述电磁式位置传感器的一系列特点，故其产生的电信号一般都不小，通常可以用于驱动开关三极管而无需再通过放大电路放大信号，但注意此时输出的电压属于交流电，必须先通过整流电路进行整流操作后才可用于正常运行。由于这种传感器的体积过大且重量很重，因此在很大程度上都使其发展和应用得到限制。(3)光电式位置传感器对于光电式位置传感器来说，首先其包含安置在电机定子上的一系列以光为媒介传递电信号的耦合开关，其次还包含安置在电机的转子主轴上的挡光板，由这两部分共同组成光电式位置传感器。而定子上的一系列光电耦合开关随着一个单位圆平均的合理安放，其中又由能够发出红外线的发光二极管以及光电三极管共同构成了各光电耦合开关。在发光二极管与光电三极管的中心部分固定有一个挡光盘，挡光盘上还有一系列窗口，该窗口呈规定的角度开启。在进行通电操纵过后，红外发光二极管会发出红外光线。当电机转子旋转时，其上固定的挡光盘也会随着转子的旋转而发生旋转，此时由于挡光盘上具有一系列的窗口，因此红外光线会不连续的照射在光敏三极管上，使光敏三极管呈现一定规律处于导通状态和截止状态，故其输出的电信号会实时检测并反映转子的具体方位，最后通过放大电路将该电信号放大后使其驱动开关三极管。光电式位置传感器工作可靠性好，运行时的抗扰动能力强，调整起来也十分简单方便，因此在无刷直流电机的位置传感器上得到了很广泛的应用。当无刷直流电机选取霍尔传感器作为其位置传感器时，此时霍尔传感器对电机转子的方位实现实时测量，将其固定在电机定子的恰当位置上，使霍尔元件的输出信号与电机的控制装置相互联系起来。当无刷直流电机的转子旋转到靠近霍尔元件的地方时，电机转子产生的磁场会使霍尔元件产生一个电压信号，而后该电压信号被传递到电机的控制装置，进一步控制装置产生一个电信号，从而开通电机定子绕组的供电电路，继而与其相匹配的定子三相绕组会通过电路得到电能，定子的三相绕组继而形成一个磁场，该磁场恰好与转子旋转而形成的磁场具有同样的方向，从而在磁场力的作用下仍然保持转子不断运动。当转子旋转到后一处时，前方的霍尔元件则不再有效，同时后一处的霍尔元件会产生一个信号并且传递给控制装置，控制装置使得定子三相绕组得到供电，进一步产生推力使得电机转子继续旋转，这样反复循环，使得电机不断运转。2.4最小系统模块所谓单片机的最小系统，即能够使得单片机可以行使其正常功能所一定要具备的那一部分。2.4.1复位电路复位电路：所谓复位电路，首先，其能够使得其所连接单片机在刚刚获取电源时可以运行于初始状态，除此之外，如果STM32芯片在工作时出现偏差，此时可以对复位电路中的RESET按键进行操作后，使单片机恢复至原始运行程序的那一状态。复位电路原理图如图2-5所示。图2-5复位电路原理图2.4.2时钟电路外部时钟电路：为了向单片机给定误差更加微小的时钟信号，单片机一般都会在外部连接时钟电路，其由晶振、电容器、电阻器等器件组合而成。时钟电路在任何单片机系统中都必须存在，其在STM32芯片中起到着至关重要的作用，通俗来说，时钟电路能够使得STM32具有非常严谨的时间观念从而让单片机有效的完成各种功能。若一个系统不设置时钟电路，则当系统对于时间上的误差所允许的范围很小时会使得系统受到影响甚至导致整个系统崩溃。时钟电路原理图如图2-6所示。图2-6时钟电路原理图2.5LCD1602显示模块当今世界，各种类型的液晶显示器迅速在电子市场上蔓延开来，液晶显示器市场百花齐放，但在众多种类的液晶显示器当中，LCD1602液晶显示器以其多方面的独特优势成为非常具有代表性且使用领域非常广泛的液晶显示器。下面具体讨论LCD1602液晶显示器的优点所在。首先，其显示时的一大优势是运行时的电压相较于其他显示器更小一些，同时该液晶显示器的功率损耗也进一步更小，在占地面积方面，其占地范围较小能有效的使得整个系统的体积变小，除此之外，其不仅仅能够很好地让一些简单的字符反馈给用户，还能够精确的显示各种各样的点阵和图形以及日常生活中我们经常使用到的汉字。其中1602这四个阿拉伯数字则是表示在我们使用该显示屏时，最多可以有两排位置用来显示所需显示的数据，且每一排最多能够满足16个单位的数据进行显示。LCD1602液晶显示器作为一个显示器件，很显然，其至少需要能够让用户清晰明了的看到其液晶屏上的数据，毫无疑问它可以很好地达到这一目的。并且其工作时能够很好地稳定显示而不会发生波动，同时LCD1602液晶显示屏在显示器市场中与其他各种显示屏相比而言更加经济实惠。LCD1602液晶显示屏在市面上可以由5伏和3.3伏这两种等级的电源进行供电，根据其引脚个数可以分为14引脚LCD和16引脚LCD这两个类型。LCD1602引脚定义表如表1所示。在本次设计中采用LCD1602液晶显示电路对无刷直流电机的转动速度实现同步高效的显示。其显示电路原理图如图2-7所示。表1LCD1602引脚定义表图2-7显示电路原理图3软件系统的设计3.1直流无刷电机控制系统软件总体设计将整个系统的硬件设计部分提出之后，再以硬件设计作为前提进行系统的软件设计。软件设计对于本次无刷直流电机控制系统必不可少也处于本次设计的主导地位，正确有效的软件部分设计也是本次控制系统的核心，一个不适当的软件设计会导致整个系统崩溃无法完成基本的运行。此次设计采用STM32F103C8T6作为电机的主要控制单元，进行无刷直流电机控制系统的软件方面的相关设计。使用KEIL5来进行各个软件部分的程序编写操作，KEIL5以其可以配合单片机C语言开发编程这一特点，广泛受到工程师们的青睐，其具有非常强大的各种功能，软件本身自带C程序设计语言、汇编语言，并且含有许许多多器件库和各种实现仿真的器件，能方便的将实际系统用仿真呈现出来。所谓无刷直流电机控制系统，实际上就是对无刷直流电机的各种工作方式进行操作和调整，使得无刷直流电机实现基本的启动和停止以及正向转动和反向转动还有对电机速度的调控，从而使无刷直流电机可以以给定的转动速度实现正常工作，进一步使得洗衣机的转筒随电机以所需的转速进行旋转，以达到洗衣机清洗和脱水的目的。软件总体设计图如图3-1所示。图3-1软件总体设计图由图3-1可以看到，本系统的软件总体设计由初始化模块、A/D中断模块以及系统运行控制模块这三大部分共同构成。初始化模块主要由系统外部时钟、通用输入输出端口和中断配置以及定时器、A/D中断模块等组成。系统运行控制模块主要包含有电机的初始化、运行、等待和停止四个状态，系统对电机的各种运行状态进行分析后，执行对应的程序进行处理。A/D中断模块的存在是为了完成对电机的各种功能的具体实现，其主要由两大部分组成，分别是转子的位置检测以及PID闭环调节。3.2系统的开发软件在进行本次无刷直流电机控制系统的软件设计过程中，使用Keil-uVision5软件对于STM32F103C8T6微处理器进行代码的总体编写以及调试。ARM公司将德国著名的软件公司Keil收入靡下后，在2013年十月份设计出了一个新一代的集成开发环境Keil5。即使到如今Keil仍然只有英文版本，但其在市场上的发展不容小觑，大部分工程师都对Keil系列软件情有独钟，包括各个大学都会在课程表中安排电气学子学习Keil软件，由此可见该软件各方面功能的优势所在。此软件的程序运行速度非常快，并且其产生的汇编代码也很紧密，学习起来比较简单对于初学者来说也比较能够合理的上手使用。Keil-uVision5这一开发工具不仅可以进行C语言编译和仿真调试，还能够很好的进行程序烧录操作，能够完美的契合本系统软件设计的所有要求，因此在多方面的利弊分析后选择Keil-uVision5进行本次无刷直流电机控制系统软件部分的设计。3.3主程序的设计要想系统能够正常运行，首先必须对系统进行一个初始化操作，系统主程序是用来完成这一操作以及主要的循环步骤的程序设计，主程序流程图如图3-2所示。系统接通电源过后，即刻需要设置外部时钟、对系统进行初始化操作以及设置各种外设模块。STM32的初始化包括对输入输出口的初始化、初始化时钟系统、初始化系统中的各个变量以及对系统各中断优先级的初始化等。外设模块的配置含有通用输入输出端口的设置、对定时器的设置以及模数转换设置等。在此之后启动A/D中断，然后开始实行系统的主循环，系统主循环的首要任务是能够有效的检测本电机实时的运行方式以及运行状态，通过电机实时的运行状态等待中断的到来，在此之后通过一系列中断程序对无刷直流电机进行操作和调控。在系统的初始化过程顺利结束过后按下启动按键，然后电机开始启动，在电机顺利实现启动后，会自动开始进行PID闭环调速，然后截止按下停机键之前电机都会正常运转，按下停机键后电机停止转动。图3-2主程序流程图3.4初始化函数的设计单片机系统在获取电源后，会自发的通过复位电路来对单片机系统进行一个初始化操作，使得此时系统处于一个初始状态，在此操作完成之后，为了使系统能够按照要求顺利运行，STM32微控制器必须对其外围功能模块还有单片机内部相关资源完成一个使其处于初始状态的配置。详细来讨论其包含对复位和时钟控制、通用输入输出端口、直接存储器存取以及模数转换等模块的配置。初始化函数设计流程图如图3-3所示。图3-3初始化函数流程图本次设计选择的STM32F103C8T6芯片，经查询相关资料可知其外部时钟源为HSE模式，振荡器频率的典型值为八兆赫兹，然后通过其后的锁相回路，利用其倍频作用使得系统时钟最高可达72兆赫兹，并且模数转换采样时钟可达12兆赫兹。利用模数转换将输入的模拟量转换为数字量进而监控和检测直流母线上的各种电气参数，然后再把得到的数字量利用直接存储器存取方式进行传送，这种工作方式不用CPU介入仅由直接存储器存取控制器来操作，极大程度上的使得CPU的资源得到更好的利用，进一步使得整个系统的运行速度更快且效率更高。3.5电机调速部分的设计本此设计利用闭环PID控制系统来达到对无刷直流电机转动速度的调控。所谓闭环控制，其本质就是会在回路中形成一个反馈信号，其将输出信号又反馈给系统来进一步对系统产生影响作用，此处用到的闭环由将速度信号作为系统反馈的速度环构成。速度环的工作原理是利用传感器测量出的电信号来得出此时此刻电机转子的速度大小，随后改变输出的电压值来完成对电机转动速度的调控，换句话说就是使驱动器得到的脉冲宽度调制波的占空比发生改变，进而达到调控电机转动速度的目的。PID闭环调速系统使得电机改变转动速度时的反应变快、抗干扰能力增强且精准度也得到进一步的提升同时也使得电机具有优秀的动态性能以及静态性能指标。电机调速部分设计流程图如图3-4所示。在本次设计用到的主控芯片STM32F103C8T6中，其内部含有一个用来对电机实行控制的PWM高级控制定时器，而且可以利用可编程PSC对其进行驱动作用。利用TIM1来输出一个脉冲宽度调制波，且该脉冲宽度调制波的频率为16千赫兹，该脉冲宽度调制波可以利用定时器预分频器来实现其频率以及占空比的调整。图3-4电机调速部分流程图3.6LCD1602显示部分的设计在此次设计中我们使用LCD1602显示模块来对所检测到的电机转速进行实时显示。在上文我们对LCD1602的硬件介绍中可以知道LCD1602的各个引脚的功能，其总共具有的16条引脚有一部分分布在液晶显示屏电路板上而其余部分则分布在LCD1602显示器的内部。在了解掌握了LCD1602的各个引脚功能后，将其管脚与STM32主控芯片进行连接，利用单片机的I/O口来实行对其引脚的控制，从而达到让LCD1602显示所需字符的目的。其中，在进行程序编写时使用到的主要引脚仅有3个，这也更加凸显了LCD1602在使用上的简单和方便。首先是RS引脚也即数据/命令选择引脚，其作用是通过电平信号的高低来选取相应的寄存器，当其管脚电平为High时选择的是数据寄存器，而当其管脚电平为Low时选择的是指令寄存器；其次是R/W引脚也即读/写选择引脚，当其管脚电平为High时为读，而当其管脚电平为Low时为写；最后是使能端，若使能端的电平由High转变为Low时，执行命令。对于LCD1602软件程序的设计便是大部分通过这3个引脚进行语句的编写。由于本次设计是通过LCD1602显示屏来显示我们给定的相关字符，因此我们需要对其进行写指令以及写数据操作来完成本次软件设计。其中，写指令的作用就是对LCD1602的显示模式进行一个设置，具体例如：对LCD1602在哪一排进行字符的显示和具体光标位置的设置以及其显示字符是静止的还是移动的设置。而写数据的作用是把使用者需要显示的数据利用程序语句写入到液晶显示屏中去。通过写指令函数将本次设计涉及到的各种命令写入液晶显示屏中来实现其初始化操作后，再利用写数据操作即可显示数据。LCD1602显示程序流程图如图3-5所示。图3-5LCD1602显示程序流程图4系统测试在上述系统的硬件设计以及软件程序的编写工作完善进行的基础之上，通过对各个元器件的焊接，再利用Keil-uVision5软件将所编写的代码烧录进本次设计采用的STM32主控芯片中，顺利完成了本次无刷直流电机控制器的设计。（1）通过矩阵按键来对电机的转速进行加减操作，并能够在液晶显示屏上快速高效的显示出无刷直流电机实时的转速信息。本文采用闭环PID算法对电机的速度进行调控，通过对PWM占空比的改变来达到调速目的，经测试可知能够很好的实现电机的调速，并能够使电机的转速尽量趋近于设定值。（2）通过按键对电机的启动与停止进行控制，并能够在液晶显示屏上实时的显示无刷直流电机的启动与停止的状态。（3）通过按键对电机的正向转动与反向转动进行掌控，同时在液晶显示屏上实时显示其正反转信息。5总结洗衣机作为我们日常生活中不可或缺的家用电器，其极大程度上的使全人类的生活品质得到更好的提升。利用无刷直流电机作为洗衣机的驱动电机，使得洗衣机在运行过程中的扰动声更小、且功率损耗更低以及对于速度的调控能力更强，由于其在节约能源方面的独特优势而饱受广大消费者的青睐。在本人搜集掌握大量相关学习资料后，设计了基于STM32的无刷直流电机控制器。本文的主要研究内容如下：（1）首先概述了使用无刷直流电机作为洗衣机驱动的市场背景以及研究该课题的意义所在，然后对无刷直流电机的国内外现状进行阐述，并且综合比较了有刷直流电机和无刷直流电机各自的长处与短处。（2）选择STM32F103C8T6作为本系统的主控芯片，进行了无刷直流电机控制系统的硬件设计，主要包括以下具体细节：首先是电源电路的设计，采用12V锂电池组为电机的平稳供电提供保障，并通过LM7805稳压电路使得12V电压转为5V电压为系统供电；然后在对DSP与STM32的优缺点分析后决定选用STM32作为系统的主控单元；紧接着是在对各类型的传感器进行分析比对的基础上选取霍尔位置传感器作为本系统的位置传感器；最后是对显示电路的设计。（3）在硬件设计工作完成后，在此基础上进行了系统的软件部分设计。在综合分析考虑下选择Keil-uVision5软件进行C语言编译和调试以及程序烧录操作，本系统的软件设计包括主程序设计、初始化函数设计、电机调速部分设计以及显示部分设计，其中调速部分是用闭环PID调速系统来实现。（4）最后，在硬件设计和软件设计完成后，绘制整个系统的电路原理图，并且在此基础上以洞洞板作为电路板完成系统中各个元件的焊接和组合，在经过反反复复的检测修正以及调试过后，该无刷直流电机控制系统能够通过按键实现电机转速的调整以及正反转的控制，并能很好的实现恒转速输出，对电机速度的调控也能很好实现，达到了本次设计所期望的目的。本次无刷直