無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

1、鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計(jì)） 2014 屆 電氣工程及其自動(dòng)化s 專業(yè) 1206972 班級(jí) 題 目 無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì) 姓 名 陳壘剛 學(xué)號(hào) 120697201 指導(dǎo)教師 崔建鋒 職稱 副教授 二一 四 年 五 月 六 日 摘 要 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要包括控制器、功率變換器和軟件設(shè)計(jì)。本人的設(shè)計(jì)主要是進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)主要是介紹了直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展概況、組成結(jié)構(gòu)、工作原理、控制方式以及單片機(jī)AT89C51的在系統(tǒng)中的應(yīng)用。本人設(shè)計(jì)的控制器主要是由AT89C51的單片機(jī)將位置檢測(cè)電路、換相邏輯電路、鍵盤接口回路連接到一起。當(dāng)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，位置

2、傳感器根據(jù)轉(zhuǎn)子當(dāng)前的轉(zhuǎn)動(dòng)位置，發(fā)出相應(yīng)的的信號(hào)CAP1-CAP3，然后再由單片機(jī)輸出的PWM調(diào)制信號(hào)PWM1（P0.6）和AT89C51輸出的信號(hào)(P0.0P0.5)邏輯組合變換后得到控制6個(gè)功率管的觸發(fā)信號(hào)（PWM11PWM16），通過改變PWM脈沖信號(hào)的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。無(wú)刷直流電機(jī)的定子電樞繞組換相和正反轉(zhuǎn)控制是通過用反映電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的霍爾信號(hào)改變MOSFET功率管的開通和關(guān)斷的順序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過鍵盤的輸入進(jìn)而來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的的啟動(dòng)、停止、動(dòng)、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的簡(jiǎn)單的自動(dòng)化控制。 關(guān)鍵詞 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；AT89C51單片機(jī)：PWM AbstractBrus

3、hless DC motor control system design includes a controller, a power converter and software design. I designed primarily for controller design, the design is mainly introduces the development of DC motors, composition structure, working principle, method and SCM AT89C51 control applications in the sy

4、stem. I designed controller AT89C51 microcontroller primarily by the position detection circuit commutation logic circuit, keyboard interface circuits connected together. Brushless DC motor control MCU controller is mainly based on the current rotational position of the rotor, to issue the correspon

5、ding control word, by changing the duty cycle of the PWM pulse signal to achieve the motor control. Brushless DC motor stator and armature winding commutation reversing control is achieved by changing the opening of the power MOSFET on and off with the order reflecting the Hall rotor position signal

6、s to achieve. By entering the keyboard and then start the motor to achieve, stop, move, forward and reverse, in order to achieve a simple automated control of brushless DC motor. Keywords Brushless DC motor; AT89C51 microcontroller: PWM 目 錄摘 要1第一章 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的原理和機(jī)構(gòu)的概述51.1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展概況51.2本設(shè)計(jì)內(nèi)容及研究61.3 無(wú)刷

7、直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本工作原理61.3.1 現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)各部分的基本結(jié)構(gòu)說(shuō)明61.3.2 無(wú)刷電機(jī)的運(yùn)行原理71.3.3 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩分析81.3.4 無(wú)刷的直流電動(dòng)機(jī)與輸出開關(guān)管換流信號(hào)10第二章 無(wú)直類型的流電動(dòng)機(jī)的控制器方案132.1無(wú)刷的直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)132.2無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)方案132.2.2 無(wú)刷的直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖132.3控制器的基本原理142.4脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)152.4.1 脈寬調(diào)制的原理15第三章無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器的硬件設(shè)計(jì)163.1 AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)介163.2單片機(jī)最小系統(tǒng)173.3傳感器選擇213.4單片機(jī)與鍵盤接口設(shè)計(jì)19

8、3.5 位置檢測(cè)電路設(shè)計(jì)213.6換相邏輯電路的設(shè)計(jì)25第4章控制器軟件部分的設(shè)計(jì)284.1 控制器軟件設(shè)計(jì)總述284.2程序流程圖28結(jié) 束 語(yǔ)32致 謝33參考文獻(xiàn)34第一章 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的原理和機(jī)構(gòu)的概述 前 言 無(wú)刷類型直流的電動(dòng)機(jī)為一種很新型的電動(dòng)機(jī)，單片機(jī)被作為了它的控制核心的電動(dòng)機(jī)控制器為本設(shè)計(jì)的目的和要求，其中包括硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)和軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。電動(dòng)的機(jī)的硬件系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)包括：電源電路、串口通信電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)、單片機(jī)電路設(shè)計(jì)；軟件系統(tǒng)采用單片機(jī)語(yǔ)言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)。為了最后設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性而做了大量的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證?？茖W(xué)和技術(shù)它們的很快的發(fā)展，導(dǎo)致了半導(dǎo)通體的技術(shù)的很大的跳躍，開

9、關(guān)類型的晶體管它的出現(xiàn)為了產(chǎn)生了新種類的無(wú)刷的直流型電動(dòng)機(jī)帶來(lái)了未來(lái)。1.1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展概況最近的幾年的對(duì)異步類型的電動(dòng)機(jī)它的變頻和調(diào)速的專研，說(shuō)到到底就是我們?cè)诼娜ヌ剿髟趺慈タ刂片F(xiàn)在的異步類型的電動(dòng)機(jī)它的轉(zhuǎn)矩，無(wú)刷類型的直流的電動(dòng)機(jī)一直依靠它的很寬的調(diào)速、非常小的體積、很高的工作效率以及它的穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)速的誤差非常的小的等優(yōu)點(diǎn)令它在現(xiàn)在的調(diào)速的領(lǐng)域占了很大的優(yōu)勢(shì)。 無(wú)刷類型的直流的電機(jī)不僅擁有了直流類型的有刷的電機(jī)它的工作特性,而且具有頻率的變化類型的裝置,所以它又被叫作直流的變頻,在國(guó)際中的常用型的名詞為BLDC.無(wú)刷的類型的直流的電機(jī)它的運(yùn)轉(zhuǎn)的工作效率很高,還有低速的轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)速

10、的工作精度等等都是很好的。它與任何的控制類型的技術(shù)的什么的變頻器相比，它都是很好的,因此它是很值得我們業(yè)界人士的關(guān)注. 1.2本設(shè)計(jì)內(nèi)容及研究 無(wú)刷類型的直流的電動(dòng)機(jī)和其它的種類的電動(dòng)機(jī)去比較的話，它都是一類新種類的電動(dòng)機(jī)，它的什么驅(qū)動(dòng)啊、控制方法都和現(xiàn)在的電子技術(shù)聯(lián)系非常大，所以我們對(duì)現(xiàn)在的無(wú)刷類型的直流電機(jī)它的本體和它的控制的方法去很系統(tǒng)、深遠(yuǎn)的專研很有重要的現(xiàn)實(shí)意義。無(wú)刷類型的直流的電機(jī)不僅擁有其他的交流類型的電動(dòng)機(jī)和直流類型的電機(jī)它們身上的優(yōu)勢(shì)，它同時(shí)還擁有其他的交流電動(dòng)機(jī)它們的結(jié)構(gòu)上的很簡(jiǎn)單，運(yùn)行方面也是可靠的、維護(hù)方面也是非常的方便等優(yōu)勢(shì)，于此它不僅擁有現(xiàn)在直流類型的電動(dòng)機(jī)它們的運(yùn)

11、行方面的效率很非常的高、調(diào)速方面的性能同時(shí)也非常好的優(yōu)點(diǎn)，還有無(wú)勵(lì)方面的磁性的損耗。無(wú)刷類型的直流的電機(jī)是把特種類型的電機(jī)、還有變速的結(jié)構(gòu)、其他的檢測(cè)性方面的元件、控制方法將要用到的軟件和硬件形成了一體，組成了新一種的的伺服功能的系統(tǒng)，體現(xiàn)了現(xiàn)在應(yīng)用科學(xué)的許多最新研究成果，是實(shí)現(xiàn)機(jī)電的一體化功能的高新科技產(chǎn)品。1.3 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和基本工作原理1.3.1 現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)各部分的基本結(jié)構(gòu)說(shuō)明直流類型的無(wú)刷性質(zhì)的永磁性方面的電動(dòng)機(jī)，主要由電機(jī)的本體、位置的類型方面的傳感器以及電子性的開關(guān)類型的線路組合而成的。它的定子的繞組在一般的情況被制成了很多相的，它的轉(zhuǎn)子是由一種的永久型的磁鋼順著

12、規(guī)的定極它的對(duì)數(shù)形成的。下圖所示為三相兩極直流無(wú)刷電機(jī)結(jié)構(gòu)（1）電機(jī)本體電機(jī)本體實(shí)際上是一種永磁同步電機(jī)。（2）逆變器現(xiàn)在的無(wú)刷類型的直流類型的電動(dòng)機(jī)它的逆變器的主開關(guān)在一般的情況下都是用現(xiàn)在IGBT或著是用功率類型的MOSFET的等全控類型方面的元件，一些它的主電路現(xiàn)在都用上了集成類型的的功率類型的模塊和智能類型的功率的模塊，用上面這一些的模塊都是可以用來(lái)提高電動(dòng)機(jī)它的系統(tǒng)使用的可靠。（3）位置傳感器 位置類型的傳感器在系統(tǒng)中起一定的測(cè)電動(dòng)機(jī)的定子和它的轉(zhuǎn)子們的磁極的位置的工作狀態(tài)下的作用，給電動(dòng)機(jī)的邏輯類型的開關(guān)的電路實(shí)現(xiàn)了換相的功能。1.3.2 無(wú)刷電機(jī)的運(yùn)行原理 無(wú)刷的直流電動(dòng)機(jī)由電機(jī)

13、的本體、位置的檢測(cè)類型的器件、逆變器以及控制器而形成的自己去同步的電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)。第一步位置的檢測(cè)類型的器件通過檢測(cè)它自己的轉(zhuǎn)子們的磁極所在的位置的信號(hào)，然后由控制器把轉(zhuǎn)子位置的信號(hào)去邏輯處理，然后產(chǎn)生與之相應(yīng)的開關(guān)的類型信號(hào)，開關(guān)類型方面的一種信號(hào)是按照規(guī)定好的的順序去觸發(fā)電動(dòng)機(jī)它自己的逆變器中的所用的功率類型的開關(guān)性質(zhì)的器件。同時(shí)把它的電源的功率以邏輯性質(zhì)的關(guān)系分去到定子的每相的繞組，然后令電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生了連續(xù)工作的轉(zhuǎn)矩。1.3.3 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩分析電機(jī)本體它的電樞類型的繞組組成了三相類型的星型的方式，位置類型的傳感器是同電機(jī)它的轉(zhuǎn)子在一個(gè)軸上的，其控制的電路將它的位置的信號(hào)去形成邏輯類

14、型的轉(zhuǎn)變，就去形生一種控制類型的信號(hào)，它的控制的動(dòng)信號(hào)是經(jīng)過一種的驅(qū)動(dòng)類型的電路去隔離后去放大，后來(lái)再去進(jìn)行控制逆變器它的功率類型的開關(guān)性質(zhì)的管，令電機(jī)的每相繞組按著規(guī)定的順序去工作。圖1-1 無(wú)刷類型的直流電動(dòng)機(jī)它的工作原理圖如上面的圖1-1，當(dāng)它的轉(zhuǎn)子去順時(shí)針的進(jìn)行旋轉(zhuǎn)到上面的圖a的所示的位置時(shí)，它的轉(zhuǎn)子的一種的位置類型的的傳感器，把它輸出的一種的信號(hào)然后通過它的控制的電路的邏輯關(guān)系的轉(zhuǎn)變后去驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)的逆變器，令圖中的T1、T2去導(dǎo)通，也就是說(shuō)A、B兩相繞組同時(shí)通電，電流通過電源正向極流出，經(jīng)T1流進(jìn)A相的繞組里，再由B的相繞組里流出，經(jīng)T2流入電源的負(fù)向極，這個(gè)時(shí)候它的定子和它的轉(zhuǎn)子們

15、的磁性場(chǎng)去進(jìn)行相互的作用，令電動(dòng)機(jī)它的轉(zhuǎn)子進(jìn)行一種的順時(shí)針性的轉(zhuǎn)動(dòng)。它的轉(zhuǎn)子將在它的空間進(jìn)行轉(zhuǎn)過了60電角度，然后就到了上圖b所示的位置的時(shí)候，將它的轉(zhuǎn)子的位置類型的傳感器將要輸出的信號(hào)，去通過一種的控制的電路進(jìn)行邏輯轉(zhuǎn)變，再去驅(qū)動(dòng)逆變器，令上圖中的T1、T4導(dǎo)通，A和C的兩相繞組同時(shí)通電，電流再由電源正向極流出來(lái)，經(jīng)T1流進(jìn)A相的繞組，再由C的相繞組流出來(lái)，經(jīng)T2流進(jìn)電源的負(fù)向極。這時(shí)候它的定子以及轉(zhuǎn)子它們自己的磁場(chǎng)通過相互之間作用，令電動(dòng)機(jī)它自己的轉(zhuǎn)子將會(huì)繼續(xù)地區(qū)按照順時(shí)針的方向而轉(zhuǎn)動(dòng)。電機(jī)它自己的轉(zhuǎn)子會(huì)在空間每一次轉(zhuǎn)過60度的時(shí)候，逆變器自己的開關(guān)也將會(huì)進(jìn)行一次的切換，功率的開關(guān)類型的管

16、子形成了導(dǎo)通的邏輯順序是T1、T6T1、T2T3、T2T3、T4T5、T4T5、T6T1、T6。在次期間，轉(zhuǎn)子一直受到按照順時(shí)針旋轉(zhuǎn)的電磁轉(zhuǎn)矩的作用，沿順時(shí)針的方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。它的轉(zhuǎn)子在空間每當(dāng)轉(zhuǎn)過了60度的時(shí)候，電機(jī)它的定子的一次繞組將換流一次，它的定子將會(huì)合成了磁性場(chǎng)它的一種磁狀態(tài)來(lái)一次的很好的躍變。電動(dòng)機(jī)總共是有六種的磁性的狀態(tài)，一個(gè)狀態(tài)是都有兩種的相同的時(shí)候去導(dǎo)通，一相它的繞組們的導(dǎo)通了的時(shí)間將會(huì)對(duì)電動(dòng)機(jī)它的轉(zhuǎn)子進(jìn)行了旋轉(zhuǎn)120度。這樣的工作方式是叫兩相同時(shí)導(dǎo)通的星型的3相6種的狀態(tài)，它就是無(wú)刷類型的直流的電動(dòng)機(jī)中最為常用的一種類型的工作方式。1.3.4 無(wú)刷的直流電動(dòng)機(jī)與輸出開關(guān)管換流

17、信號(hào)圖1-1 無(wú)刷類型的電動(dòng)機(jī)的直流類型的通電候是的控制方式的開關(guān)轉(zhuǎn)換表 無(wú)刷類型的直流工作的電動(dòng)機(jī)它的位置在一般的情況利用三個(gè)在其空間中相間隔120度的霍爾類型的位置傳感器去檢演，在霍爾類型的傳感器的位置里的它的磁場(chǎng)的極性將會(huì)產(chǎn)生變化的時(shí)候，它的傳感器將輸出來(lái)的電平進(jìn)行改變，因?yàn)槿齻€(gè)的霍爾類型的傳感器在它位檢測(cè)性元件們的位置上的空間里各自相差了120度，由此將三個(gè)的檢測(cè)性的元件們的輸出端是可以得到了三個(gè)在它們的時(shí)間上相差了120度、它的寬度是180度的電平性質(zhì)的信號(hào)，用A、B、C來(lái)表示，就如上面的圖1-2中示，把信號(hào)A作例，A相它的位置的寬度是180的電導(dǎo)痛的角：0-60度，T1是要一定必導(dǎo)

18、通的，所以T1的狀態(tài)是1，但是C相在還剩下的60度的導(dǎo)通電性的寬度，因此此段的時(shí)間將是T1加T6時(shí)1，（這個(gè)時(shí)候的下部是可以提供取導(dǎo)通的時(shí)T4、 T6和T2，同時(shí)也為避免一種橋臂的直通，這時(shí)候T4是不能去導(dǎo)通的；同時(shí)T2導(dǎo)通的時(shí)間也是沒有達(dá)到，所以只有T6事導(dǎo)通）；但是如果在60到120度時(shí)，只是A相會(huì)去通電，B、C相在不導(dǎo)電的時(shí)期，所以導(dǎo)通的是T1和T2（T1=T2=1），T2就是去為了B相的導(dǎo)電而去做準(zhǔn)備；如果在120到180度的時(shí)候，因?yàn)槊肯嘀粨碛辛?20的電導(dǎo)角的通電的時(shí)間，所以T1關(guān)斷（T1等于0），這時(shí)候的T2還是在導(dǎo)通的（B相就在這個(gè)時(shí)候開始了將要走進(jìn)了導(dǎo)電期），T1是關(guān)斷，T5

19、是不能去導(dǎo)通（防止了橋臂的直通），所以這個(gè)時(shí)候只有T3是被開通的了，因此T3的信號(hào)在這個(gè)時(shí)間段里是1。別的時(shí)間段里的開關(guān)管們的導(dǎo)通的情況是與著相似的。在理論的基礎(chǔ)上，只要是難呢過確定三個(gè)的位置類型的傳感器能在其空間里相差了120度，開關(guān)的管子們的換流的時(shí)刻就可以推導(dǎo)的。但是，為了去簡(jiǎn)化它的控制的電路，每一個(gè)的霍爾類型的傳感器們的起始的安裝的位置會(huì)在每相的繞組們的基準(zhǔn)的點(diǎn)（r等于0度）上。那么在r等于0度的控制的條件下，A相它自己的繞組將要開始了它的通電的時(shí)刻，剛好和A相的位置類型的傳感器的輸出來(lái)的信號(hào)A它的電平的跳變的時(shí)刻會(huì)重合，這時(shí)候應(yīng)該把T1的開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)開通。同樣的道理，別的開關(guān)管們的開

20、通的時(shí)刻同樣可按著這樣的方法來(lái)確定。本人的設(shè)計(jì)是選用了三相的無(wú)刷類型的永磁性直流的電動(dòng)機(jī)，它額定的電壓是48V,它的額定的功率等于300W。圖1-2 無(wú)刷類型的電動(dòng)機(jī)的位置的檢測(cè)和開關(guān)管子們的驅(qū)動(dòng)的信號(hào)旋轉(zhuǎn)的方向位置類型的傳感器逆變類型的橋開關(guān)管子們的驅(qū)動(dòng)信號(hào)ABCT1T2T3T4T5T6正轉(zhuǎn)001000011010001100011000110100110000101100001110011000反轉(zhuǎn)001011000010100001011110000100000110101001100110000011第二章 無(wú)直類型的流電動(dòng)機(jī)的控制器方案2.1無(wú)刷的直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng) 控制器為無(wú)刷類型的直

21、流的電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行及去實(shí)現(xiàn)了每一種調(diào)速的伺服性質(zhì)的功能，也就是起到了中心的指揮作用。2.2無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)方案2.2.2 無(wú)刷的直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖無(wú)刷類型的直流的電動(dòng)機(jī)的控制的系統(tǒng)的框圖，如下圖所示： 圖2-1 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制框圖2.3控制器的基本原理 本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)把AT89C51類型的單片機(jī)作為了核心，由驅(qū)動(dòng)IR2130，以2乘3的矩陣類型的鍵盤當(dāng)作了輸入，實(shí)現(xiàn)了控制了無(wú)刷類型的直流電機(jī)它的啟動(dòng)停止、正反轉(zhuǎn)，在控制的系統(tǒng)里，用PWM對(duì)與電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)它的控制，由對(duì)它的占空比計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)精確的調(diào)速目標(biāo)?；魻栴愋偷男盘?hào)將會(huì)傳到了控制器，那么控制器將由電機(jī)的相線來(lái)向電機(jī)它的線圈去提供了電源

22、，電機(jī)將會(huì)旋轉(zhuǎn)，磁鋼和線圈也將會(huì)轉(zhuǎn)起來(lái)，霍爾類型的感應(yīng)到的新的位置信號(hào)，那么控制器他自己的粗線同時(shí)也會(huì)去給電機(jī)的線圈進(jìn)行重新去改變它的電流的方向提供了電，那么電機(jī)就會(huì)繼續(xù)去進(jìn)行旋轉(zhuǎn)（線圈以及磁鋼他們的位置如果發(fā)生了改變，線圈一定要去對(duì)應(yīng)的去變化的電流的方向，電機(jī)才會(huì)能在繼續(xù)去向一定的方向去運(yùn)動(dòng)，不然的話電機(jī)將會(huì)在某一個(gè)的位置上去進(jìn)行左右的擺動(dòng)，不是去進(jìn)行連續(xù)性的旋轉(zhuǎn)），此就叫做電子的換相。1.微控制器 它的主要性的功能就是按照電動(dòng)機(jī)它的旋轉(zhuǎn)的方向的要求以及來(lái)自于它的霍爾的轉(zhuǎn)子的位置的傳感器的三個(gè)輸出來(lái)的信號(hào)，把它們成功去處理率來(lái)驅(qū)動(dòng)它的單元的6個(gè)功率性的開關(guān)類型的器件們要求得到的驅(qū)動(dòng)的順序。微

23、型的控制器的一個(gè)最重要的作用就是按照它們的電壓、電流以及轉(zhuǎn)速等等形成了反饋的模擬類型的信號(hào)，還有隨機(jī)地發(fā)出來(lái)的制動(dòng)類型的信號(hào)，經(jīng)過了A/D轉(zhuǎn)變以及必需的的運(yùn)算之后，借單片機(jī)的內(nèi)置的時(shí)鐘類型的信號(hào)來(lái)生成了一個(gè)擁有了上面敘述的各種各樣的信息它的脈寬的調(diào)制信號(hào)。2.功率驅(qū)動(dòng)單元 它主要是由功率類型的開關(guān)性器件形成了的三相全控橋式的逆變類型的電路以及自舉類型的電路。自舉電路由分立器件構(gòu)成的，也可以去利用專門集成類型的電路。3.位置傳感器 位置類型的傳感器是在無(wú)刷類型的直流電動(dòng)機(jī)里起了測(cè)定子和轉(zhuǎn)子它們的磁極的位置的作用，并且也為了邏輯類型的開關(guān)的電路送來(lái)了關(guān)于換相的方面的信息。4.周邊起到輔助作用和保護(hù)

24、作用的電路 主要是由電流的采樣類型的電路、電壓的比較類型的電路、過電流保護(hù)類型的電路、調(diào)速類型的信號(hào)以及制動(dòng)類型的信號(hào)等等輸入的電路組成。2.4脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)2.4.1 脈寬調(diào)制的原理 PWM（脈沖的寬度來(lái)調(diào)制）是利用區(qū)控制一定的電壓的直流類型的電源的開關(guān)的頻率，變換了負(fù)載它的兩端的電壓，來(lái)得到了控制的要求一種新型的電壓調(diào)整的方法。在PWM調(diào)整的系統(tǒng)里，以一個(gè)一定的頻率去接通以及斷開了電源，按照需要來(lái)變換一個(gè)T內(nèi)“開通”以及“關(guān)斷”時(shí)間的長(zhǎng)短。由變換直流的電機(jī)它的電樞上的電壓的“占空比”去得到了變換平均的電壓大小的目標(biāo)，由此來(lái)控制電動(dòng)機(jī)它的轉(zhuǎn)速。PWM又被叫做“開關(guān)的驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的裝置”。

25、如下圖所示。圖2-2 PWM占空比原理第三章無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器的硬件設(shè)計(jì)3.1 AT89C51單片機(jī)簡(jiǎn)介 AT89C51是高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4KB的可以反復(fù)性的去擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（EPROM)和128B的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM)。主要參數(shù)： 與MCS-51產(chǎn)品的指令系統(tǒng)都兼容 4KB可重復(fù)可以擦可以寫Flash閃存的存儲(chǔ)器 1000次可擦可寫周期 全部的靜態(tài)的操作：0到24兆赫茲三級(jí)加密ROM128*8B的內(nèi)部用戶存儲(chǔ)器 32可以用來(lái)編程的I/O口線 16B定時(shí)器/計(jì)時(shí)器 5個(gè)中斷源 可以編程的串行的UART通道 低功率消耗空閑模式、掉電的模式AT89C51引腳圖如下

26、圖所示。 圖3-1 AT89C51引腳圖3.2單片機(jī)最小系統(tǒng)3.2.1 51單片機(jī)最小系統(tǒng)電路介紹 51的單片機(jī)它的最小系統(tǒng)中的起振的電容C2和C3在一般的情況下用1533皮法，電容它自己的距離離晶振的距離如果越近就是越好的，晶振距單片機(jī)自己的距離也是越近的話也是越好的。P0引腳口是開漏的輸出，是輸出口的時(shí)候需要去加上拉的電阻，它的阻值大小一般是1萬(wàn)歐姆。 51單片機(jī)的最小系統(tǒng)電路圖.圖3-2 最小系統(tǒng)電路圖.1、復(fù)位電路的用途如果按下了復(fù)位的按鈕后，那么內(nèi)部程序?qū)?huì)自動(dòng)地從頭重新開始進(jìn)行了。 圖3-3 復(fù)位電路圖2、復(fù)位電路的工作原理 51的單片機(jī)如果要復(fù)位的話僅僅在第九引腳上接以個(gè)高電平并

27、且持續(xù)不斷的2US就行了，單片機(jī)的系統(tǒng)里，系統(tǒng)如果上電去啟動(dòng)的話，這時(shí)候就復(fù)位一次，如果按鍵在按下時(shí)那么系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)行再一次的復(fù)位，當(dāng)釋放以后再去按下的話，系統(tǒng)將還會(huì)進(jìn)行復(fù)位。晶振電路：晶振大小取12MHz3.4單片機(jī)與鍵盤接口設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)用是最簡(jiǎn)單的2乘3矩陣類型的鍵盤(P2.3-P2.7)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)控制系統(tǒng)的操作，鍵盤結(jié)構(gòu)如下圖所示：圖3-4 系統(tǒng)鍵盤接口系統(tǒng)按鍵盤的結(jié)構(gòu)以及各按鍵所對(duì)應(yīng)的功效及按鍵的取值分別如表3-1和3-2所示。表3-1 系統(tǒng)鍵盤的結(jié)構(gòu)各鍵對(duì)應(yīng)功能和鍵值啟動(dòng)/制動(dòng)正反轉(zhuǎn)àß下表為 各種按鍵所對(duì)應(yīng)的功能以及按鍵的取值按鍵的表示實(shí)現(xiàn)的功效按鍵的取值

28、S1啟動(dòng)/制動(dòng)0XA1S20X92S3正轉(zhuǎn)或者是反轉(zhuǎn)0X80S4à0X61S50X52S6ß0X46各鍵詳細(xì)功能如下： S1：?jiǎn)?dòng)系統(tǒng)。單片機(jī)在上電進(jìn)行初始化以后，第一步進(jìn)行掃描鍵盤，如果S1按下去，那么就啟動(dòng)控制系統(tǒng)，如果不就一直進(jìn)行掃描鍵盤，這個(gè)時(shí)候別的鍵什么功能也沒有3。 S4、S6：在系統(tǒng)的正常運(yùn)行的期間，如果按下了S4或著是S6，那么系統(tǒng)將會(huì)進(jìn)入了調(diào)速的狀態(tài)，這個(gè)時(shí)后4位的數(shù)子碼管將從左邊第1位進(jìn)行閃爍，代表的就是當(dāng)前位，如果在5S內(nèi)鍵盤上沒任何的輸入，就會(huì)自動(dòng)的去確認(rèn)它的當(dāng)前得到輸入值，并通過一定的調(diào)速實(shí)現(xiàn)設(shè)定的值。 S2、S5：如果進(jìn)行按下了S4或著按下的是是

29、S6，那么當(dāng)前的位將會(huì)閃爍，這個(gè)時(shí)候經(jīng)過S2以及S5可以將當(dāng)前位實(shí)現(xiàn)+1/-1，如果在5S內(nèi)還沒有任何的操作，則系統(tǒng)將會(huì)自動(dòng)的去確認(rèn)它的當(dāng)前的輸入值6。 S3：正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。3.5 位置檢測(cè)電路設(shè)計(jì)3.5.1傳感器選擇霍爾類型的器件為一種類型的磁性的傳感器。根據(jù)霍爾的器件它的功能可以把它們分成：霍爾的線性器件和霍爾開關(guān)器件。 在一般的無(wú)刷類型的直流動(dòng)機(jī)中經(jīng)常會(huì)使用的轉(zhuǎn)子的位置類型的傳感器，轉(zhuǎn)子的位置類型的傳感器為永磁類型的無(wú)刷的直流電機(jī)的重要的部件。它會(huì)進(jìn)行檢測(cè)電機(jī)它的轉(zhuǎn)子的位置，然后把它輸出來(lái)的信號(hào)通過邏輯改變后去進(jìn)行控制的開關(guān)管子的通與斷，令電機(jī)的定子的各相的繞組以一定的順序去

30、導(dǎo)通，確保電機(jī)的連續(xù)進(jìn)行工作。 控制無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，單片機(jī)控制器主要是根據(jù)轉(zhuǎn)子當(dāng)前的轉(zhuǎn)動(dòng)位置，發(fā)出相應(yīng)的控制字，通過改變PWM脈沖信號(hào)的占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的控制。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子位置是由位置傳感器檢測(cè)出來(lái)的。在本設(shè)計(jì)方案中，采用了三個(gè)磁敏式位置傳感器（霍爾元件）。常見的磁敏式位置傳感器是由霍爾元件或霍爾集成電路構(gòu)成的，世界上第一臺(tái)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)就使用了霍爾元件式位置傳感器?；魻栐轿恢脗鞲衅饔捎诮Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠且成本低，是目前在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)上應(yīng)用最多的一種位置傳感器。 對(duì)于本系統(tǒng)反電動(dòng)勢(shì)為梯形波，兩相導(dǎo)通Y型三相六狀態(tài)無(wú)刷直流電機(jī)，我們將三個(gè)霍爾組件以彼此間隔120o 空間電角度安

31、裝在電機(jī)定子上，由于電機(jī)永磁體的極弧寬度為180o電角度，這樣當(dāng)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，三個(gè)霍爾組件便交替輸出三個(gè)寬為180o電角度相位互差120o 電角度的方波信號(hào)。而此時(shí)得到的位置信號(hào)是有毛刺和諧波干擾的脈沖信號(hào)，我們要經(jīng)過整形電路才能得到上升沿和下降沿都很陡峭的矩形脈沖信號(hào)。整形電路如圖3-2所示。 圖3-5 位置信號(hào)整形電路 霍爾元件產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)很低，我們要加上拉電阻以提高其輸出電壓。LM324比較器具有電源電壓范圍寬、靜態(tài)功耗小、可單電源使用、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用在各種電路中，本系統(tǒng)整形電路首先經(jīng)LM324比較器進(jìn)行簡(jiǎn)單整形，再經(jīng)施密特觸發(fā)器得到上升沿和下降沿都很陡峭的矩形脈沖信號(hào)。圖

32、3-2整形電路所用施密特觸發(fā)器輸入與輸出為反相關(guān)系，又稱作施密特觸發(fā)器與非門，其特點(diǎn)如下： 施密特觸發(fā)器有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，其維持和轉(zhuǎn)換完全取決于輸入電壓的大小。 電壓傳輸特性特殊，有兩個(gè)不同的閾值電壓（正向閾值電壓 和負(fù)向閾值電壓 ） 狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時(shí)有正反饋過程，從而輸出邊沿陡峭的矩形脈沖。圖3-6整形電路輸出脈沖信號(hào) 我們知道，門電路有一個(gè)閾值電壓，當(dāng)輸入電壓從低電平上升到閾值電壓或從高電平下降到閾值電壓時(shí)電路的狀態(tài)將發(fā)生變化。施密特觸發(fā)器是一種特殊的門電路，與普通的門電路不同，施密特觸發(fā)器有兩個(gè)閾值電壓，分別稱為正向閾值電壓和負(fù)向閾值電壓。在輸入信號(hào)從低電平上升到高電平的過程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化

33、的輸入電壓稱為正向閾值電壓，在輸入信號(hào)從高電平下降到低電平的過程中使電路狀態(tài)發(fā)生變化的輸入電壓稱為負(fù)向閾值電壓。正向閾值電壓與負(fù)向閾值電壓之差稱為回差電壓，普通門電路的電壓傳輸特性曲線是單調(diào)的，施密特觸發(fā)器的電壓傳輸特性曲線則是滯回的，我們稱之為回差特性。當(dāng)傳輸?shù)男盘?hào)受 到干擾而發(fā)生畸變時(shí)，可利用施密特觸發(fā)器的回差特性，將受到干擾的信號(hào)整形成較好的矩形脈沖。 如圖3-6 整形電路輸出脈沖信號(hào)所示，我們?cè)诿總€(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)中得到共計(jì)6個(gè)上升沿或下降沿，它們正好對(duì)應(yīng)著6個(gè)換向時(shí)刻。通過將AT89C51設(shè)置為雙沿觸發(fā)捕捉中斷功能，可以獲得正確的換相時(shí)刻。用AT89C51的P1.0P1.2分別對(duì)應(yīng)的去捕捉CA

34、P1CAP3，并檢測(cè)該口的電平狀態(tài)，來(lái)得到具體的捕捉中斷。3.6換相邏輯電路的設(shè)計(jì) 本文設(shè)計(jì)用到的邏輯電路，使用的芯片是GAL16V8，GAL為通用陣列邏輯。它的優(yōu)點(diǎn)為：1.可擦除的作用，可改寫的次數(shù)很高，甚至超過了100次；2.一片GAL器件可以實(shí)現(xiàn)各種組態(tài)的PAL器件輸出結(jié)構(gòu)的邏輯功能，給電路的設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的方便；GAL由五部分組成，它的引腳電路圖如圖10所示：1.輸入端:(2-9引腳)共有8個(gè)輸入端，每個(gè)輸入端有一個(gè)緩沖器，并由緩沖器引出兩個(gè)互不的輸出與陣列。2.輸出端：（12-19引腳）共有8個(gè)輸出端，每個(gè)單元的電路可以通過編程實(shí)現(xiàn)所有輸出結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的功能3.系統(tǒng)時(shí)鐘：（1引腳）為系統(tǒng)

35、時(shí)鐘輸入端，與每個(gè)輸出單元中的觸發(fā)器時(shí)鐘輸入端相連。4.輸出三態(tài)控制端：（11引腳）為器件的三態(tài)控制公共端。 無(wú)刷直流電機(jī)的定子電樞繞組換相和正反轉(zhuǎn)控制是通過用反映電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的霍爾信號(hào)改變MOSFET功率管的開通和關(guān)斷的順序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。AT89C51有2個(gè)16位的通用定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。用通用定時(shí)器產(chǎn)生控制電機(jī)電壓調(diào)制的PWM波，同時(shí)用硬件電路實(shí)現(xiàn)電子換相。其電路圖3-7所示： 圖3-7用GAL16V8實(shí)現(xiàn)電子換相電路圖 該電路圖要用到一GAL16V8這一芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)。GAL16V8的建議工作電平為5V，也可以工作在3.3V以下。具有64×32邏輯與門陣列和8個(gè)可編程輸出邏輯單元。也可以對(duì)

36、各個(gè)輸入端口的邏輯信號(hào)及其非信號(hào)按邏輯與連接實(shí)現(xiàn)譯碼功能。其最大傳輸延時(shí)為3.5ns。根據(jù)單片機(jī)（P1.0，P1.1，P1.2）捕獲的霍爾信號(hào)（A，B，C），單片機(jī)輸出的六個(gè)狀態(tài)信號(hào)PHASE1PHASE6（接到單片機(jī)的P0.0P0.5），單片機(jī)輸出的PWM調(diào)制信號(hào)PWM1（P0.6）和AT89C51輸出的信號(hào)(P0.0P0.5)邏輯組合變換后得到控制6個(gè)功率管的觸發(fā)信號(hào)（PWM11PWM16）。 在前面我們?cè)?jīng)對(duì)電機(jī)的工作原理做過描述，轉(zhuǎn)子在定子電樞繞組合成磁場(chǎng)和永磁磁場(chǎng)的相互作用下沿順時(shí)針方向連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，三個(gè)霍爾傳感器交替輸出三個(gè)寬為180度電角度，相位互差為120度電角度的方波信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)單片機(jī)邏輯變換后與PWM調(diào)制信號(hào)經(jīng)過邏輯組合變換得到使逆變器功率管按T1T2，T2T3，T3T4，T4T5，T5T6，T6T1.的順序?qū)ǖ挠|發(fā)信號(hào)。3.6.1驅(qū)動(dòng)電路將單片機(jī)輸出的PWM調(diào)制信號(hào)PWM1（P0.6）和AT89C51輸出的信號(hào)(P0.0P0.5)邏輯組合變換后得到控制6個(gè)功率管的觸發(fā)信號(hào)（PWM11PWM16）接到上圖的對(duì)應(yīng)的27輸入口。第4章控制器軟件部分的設(shè)計(jì)4.1 控制器軟件設(shè)計(jì)總述 控制器的向上向下、向左向右的移動(dòng)、啟動(dòng)、正反的裝程序讓鍵盤的程序