51單片機(jī)直流無(wú)刷電機(jī)控制

1、51單片機(jī)直流無(wú)刷電機(jī)控制電氣信息工程學(xué)院基于MCS-51單片機(jī)控制直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)學(xué)號(hào)：3100501044班級(jí)：電氣1002姓名：王輝軍摘要直流無(wú)刷電機(jī)是同步電機(jī)的一種，由電動(dòng)機(jī)本體、位置傳感器和電子開(kāi)關(guān)線路三部分組成。其定子繞組一般制成多相（三相、四相、五相不等），轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對(duì)數(shù)（2p=2,4,）組成。電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度及轉(zhuǎn)子極數(shù)（P）影響：N=120.f/Po在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。直流無(wú)刷電機(jī)即是將同步電機(jī)加上電子式控制（驅(qū)動(dòng)器），控制定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率并將電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速回授至控制中心反復(fù)校正，以期達(dá)到接近直流電

2、機(jī)特性的方式。也就是說(shuō)直流無(wú)刷電機(jī)能夠在額定負(fù)載范圍內(nèi)當(dāng)負(fù)載變化時(shí)仍可以控制電機(jī)轉(zhuǎn)子維持一定的轉(zhuǎn)速。MCS-51單片機(jī)是美國(guó)英特爾公司生產(chǎn)的一系列單片機(jī)的總稱(chēng)，是一種集成電路芯片，采用超大規(guī)模技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的微處理器（CPU）、隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）、輸入輸出接口電路、定時(shí)計(jì)算器、串行通信口、脈寬調(diào)制電路、A/D轉(zhuǎn)換器等電路集成到一塊半導(dǎo)體硅片上，這些電路能在軟件的控制下準(zhǔn)確、迅速、高效地完成程序設(shè)計(jì)者事先規(guī)定的任務(wù)。本論文將介紹基于MCS-51單片機(jī)控制直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，它可以實(shí)現(xiàn)控制直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、急停、正反轉(zhuǎn)、加減速等功能。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)，直流

3、無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，控制系統(tǒng)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)是在直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)之上發(fā)展而來(lái)的，它是步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一種，繼承了直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速性能好等特點(diǎn)克服了需要換向器的缺點(diǎn)在交通工具、家用電器及中小功率工業(yè)市場(chǎng)占有重要的地位。直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)不僅在電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)摩托車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)上有著廣泛的應(yīng)用，而且在新一代的空調(diào)機(jī)、洗衣機(jī)、電冰箱、吸塵器，空氣凈化器等家用電器中也有逐步采用的趨勢(shì)，尤其是隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)逐漸占有原來(lái)異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速的領(lǐng)域，這就使得直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍越來(lái)越廣。本設(shè)計(jì)就是基于MCS-51系列單片機(jī)控制直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)，利用所學(xué)的知識(shí)實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、

4、停止、急停、正反轉(zhuǎn)，加減速等控制，并對(duì)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和報(bào)警。詳細(xì)介紹單片機(jī)的種類(lèi)、結(jié)構(gòu)、功能、適用領(lǐng)域和發(fā)展歷史、未來(lái)前景及其直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的工作原理、控制結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，既著重單片機(jī)的基本知識(shí)、功能原理的深入闡述，又理論聯(lián)系實(shí)際詳細(xì)剖析單片機(jī)控制直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的過(guò)程。1.直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的基本組成直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)是在直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)繼承了直流電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、調(diào)速性能好的優(yōu)點(diǎn)，克服了直流電動(dòng)機(jī)需要換向器的缺點(diǎn)，在交通工具、家用電器等生活的方方方面面占有重要的地位。由于直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)既具有交流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電動(dòng)機(jī)

5、的運(yùn)行效率高、無(wú)勵(lì)磁損耗以及調(diào)速性能好等諸多優(yōu)點(diǎn)，故在當(dāng)今國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域應(yīng)用日益普及。直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)主要由電動(dòng)機(jī)本體、位置傳感器和電子開(kāi)關(guān)線路三部分組成。其定子繞組一般制成多相（三相、四相、五相不等），轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對(duì)數(shù)（2p=2,4,）組成。圖3-1所示為三相兩極直流無(wú)刷電機(jī)結(jié)構(gòu)。三相定子繞組分別與電子開(kāi)關(guān)線路中相應(yīng)的功率開(kāi)關(guān)器件聯(lián)結(jié)，A、B、c相繞組分別與功率開(kāi)關(guān)管VI、V2、V3相接。位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子與電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸相聯(lián)結(jié)。當(dāng)定子繞組的某一相通電時(shí)，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼位置變換成電信號(hào)，去控制電子開(kāi)關(guān)線路

6、，從而使定子各項(xiàng)繞組按一定次序?qū)?，定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。由于電子開(kāi)關(guān)線路的導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，因而起到了機(jī)械換向器的換向作用。2.直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的工作原理如圖3-2示為三相直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)半控橋電路原理圖。此處采用光電器件作為位置傳感器，以三只功率晶體管VI、V2和V3構(gòu)成功率邏輯單yu©圖3-2三相直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)半控橋電路原理圖三只光電器件VPKVP2和VP3的安裝位置各相差120度，均勻分布在電動(dòng)機(jī)一端。借助安裝在電動(dòng)機(jī)軸上的旋轉(zhuǎn)遮光板的作用，使從光源射來(lái)的光線一次照射在各個(gè)光電器件上，并依照某一光電器件是否被照射到光線來(lái)判斷轉(zhuǎn)子磁極的位置。圖3-

7、3所示為開(kāi)關(guān)順序及定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)示意圖。A1圖33開(kāi)關(guān)順序及定子磁場(chǎng)旋轉(zhuǎn)示意圖隨著位置傳感器轉(zhuǎn)子扇形片的轉(zhuǎn)動(dòng)，定子繞組在位置傳感器VPLVP2、VP3的控制下，便一相一相地依次饋電，實(shí)現(xiàn)了各相繞組電流的換相。在換相過(guò)程中，定子各相繞組在工作氣隙內(nèi)所形成的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)是跳躍式的。這種旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)在360度電角度范圍內(nèi)有三種磁狀態(tài)，每種磁狀態(tài)持續(xù)120度電角度。位置傳感器在直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中起著測(cè)定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為邏輯開(kāi)關(guān)電路提供正確的換相信息，即將轉(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后去控制定子繞組換相。位置傳感器種類(lèi)較多，且各具特點(diǎn)。在直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)中常見(jiàn)的位置傳感器有以下幾種：電磁式位置傳感器、

8、光電式位置傳感器、磁敏式位置接近傳感器。3 .設(shè)計(jì)要求(1)完成采用單片機(jī)控制直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，包括實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制，鎖軸控制、速度控制，對(duì)直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)和報(bào)警。(2)采用MCS-51單片機(jī)為控制核心，編寫(xiě)出控制程序軟件，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)與外界硬件的接口連接。(3)研究直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的工作特性和工作原理，設(shè)計(jì)中采用的電動(dòng)機(jī)是由北京和利時(shí)電機(jī)技術(shù)有限公司自行研發(fā)設(shè)計(jì)的永磁直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)。4 .硬件設(shè)計(jì)4.1 電動(dòng)機(jī)介紹本控制系統(tǒng)選擇北京和利時(shí)公司生產(chǎn)的森創(chuàng)牌直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)作為控制對(duì)象，具體型號(hào)為57BLT-1015H1-L-S-B100,該型號(hào)的電動(dòng)機(jī)屬于和利時(shí)公

9、司生產(chǎn)的57系列電動(dòng)機(jī)。4.2 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器介紹本畢業(yè)設(shè)計(jì)所選擇的驅(qū)動(dòng)器是與上面選擇的直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)配套的，具體型號(hào)為BL-2203Co(1)驅(qū)動(dòng)器的特點(diǎn)交流220V電壓；輸入、輸出信號(hào)光隔離；啟停及其轉(zhuǎn)向控制；過(guò)電流、過(guò)電壓、過(guò)載及堵轉(zhuǎn)保護(hù)；測(cè)速信號(hào)輸出；故障報(bào)警輸出；電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速顯示；外部模擬量調(diào)速；制動(dòng)停車(chē)功能；多檔速度選擇。（2）性能指標(biāo)具體性能見(jiàn)表4-2所示。表4-2驅(qū)動(dòng)器電氣性能供電電源單相交流220(1±15%)V,50Hz,容量為0.8kVA額定功率最大600W（根據(jù)所配的電動(dòng)機(jī)而言）額定轉(zhuǎn)速根據(jù)所選的電動(dòng)機(jī)確定（不超過(guò)8000r/min）額定轉(zhuǎn)矩根據(jù)所選的電動(dòng)機(jī)確定調(diào)

10、速范隹150r/min額定轉(zhuǎn)速速度變動(dòng)率（對(duì)負(fù)載）±2%以下（額定轉(zhuǎn)速）速度變動(dòng)率（對(duì)電壓）±1%以下（電源電壓±10%,額定轉(zhuǎn)速無(wú)負(fù)載）速度變動(dòng)率（對(duì)溫度）±2%以下（2040額定轉(zhuǎn)速無(wú)負(fù)載）絕緣電俄JML在常溫下大于C絕緣強(qiáng)度在常溫下lkV>Imin（3）驅(qū)動(dòng)器面板BL-2203C型號(hào)的驅(qū)動(dòng)器面板上面有調(diào)速電位器、速度顯示表、散熱風(fēng)扇風(fēng)道、控制信號(hào)端子、霍爾信號(hào)輸入端子等等。（4）驅(qū)動(dòng)器接線圖該型號(hào)的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的典型接線圖如圖4-5所示，不過(guò)需要注意的是：因本驅(qū)動(dòng)器位220V高壓輸入，為了確保安全，在上電之前必須保證接地端子FG可靠地與大地連

11、接，任何情況下請(qǐng)不要打開(kāi)機(jī)殼，以免意外的損傷。無(wú)SI直旅 電機(jī)220VAC。mrFS+ w小電普.正SA、SB a霍爾恰號(hào)SCS-雷爾電源災(zāi)-4)鱉產(chǎn)哪件mA COMA圖4-5典型接線圖驅(qū)動(dòng)器安裝時(shí)安裝保證設(shè)備的通風(fēng)良好，機(jī)柜內(nèi)有多個(gè)驅(qū)動(dòng)器并列使用時(shí)應(yīng)保證相互之間的距離不小于lOcnu機(jī)箱應(yīng)考慮通風(fēng)散熱，避免密閉式環(huán)境而影響散熱，同時(shí)也要避免灰塵和雜質(zhì)對(duì)驅(qū)動(dòng)器的影響。驅(qū)動(dòng)器采用風(fēng)道豎直的立式安裝將有利于散熱。圖4-6所示為驅(qū)動(dòng)器的外形尺寸。圖4-6驅(qū)動(dòng)器外形尺寸圖3.3控制電路設(shè)計(jì)(1)芯片說(shuō)明：本電路中的芯片采用基于MCS-51單片機(jī)為內(nèi)核的芯片有AT89s52、74HC14/SN74LS1

12、60>和SN74LS164(2)整體電路設(shè)計(jì)的整體電路如圖4-9所示。 32>yxn im>A>Vi八3, r»oiHW01 IWT1 rtMitme”riMtxiir1 JT , 7，-，tg ，f圖4-9h:a士.整體電路設(shè)計(jì)(3)電路模塊說(shuō)明電路復(fù)位模塊該電路模塊可以實(shí)現(xiàn)電路的上電復(fù)位和手動(dòng)復(fù)位(即按鍵按下，電路復(fù)位)，其電路圖如圖4-10所示。注意：復(fù)位信號(hào)由74HC14的輸出端接AT89S52的引腳9,復(fù)位電路可以使單片機(jī)的CPU和系統(tǒng)的其他部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開(kāi)始工作。vcc_LC1Cap IDOpF_L<2RI Res

13、】10K.74HC14A. M74f C14BIRRST 9LC3-rCapPol2lOuFSI SW-PB圖4-10復(fù)位模塊電路按鍵控制模塊單片機(jī)的P0.0P0.5作為按鍵輸入，以啟動(dòng)程序,并由LED燈顯示按鍵狀態(tài)圖4-12顯示模塊電路在該電路中，P0.0P0.5分別為代表接到單片機(jī)的P0.0P0.5引腳的標(biāo)號(hào)。功能模塊單片機(jī)的引腳P0.6、P0.7、P2.0P2.3通過(guò)雙排8針插槽與電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的相應(yīng)端子連接，用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的狀態(tài)并設(shè)定電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)預(yù)期的功能，LED燈顯示驅(qū)動(dòng)器的端子輸入狀態(tài)。電動(dòng)機(jī)判停模塊單片機(jī)引腳P2.4P2.6、P0.0P0.5、P3.0P3.3與十進(jìn)制計(jì)數(shù)器相

14、連，電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器的SPEED端子作為計(jì)數(shù)器的CLK信號(hào)輸入。單片機(jī)通過(guò)對(duì)計(jì)數(shù)器置數(shù)并檢測(cè)進(jìn)位引腳TC是否輸出進(jìn)位信號(hào)來(lái)判斷SPEED端子是否輸出脈沖，即電動(dòng)機(jī)是否停轉(zhuǎn)。若電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)，則SPEED端子不輸出脈沖，計(jì)數(shù)器也無(wú)進(jìn)位輸出。其電路圖如圖圖415所示。ISP下載模塊本電路可以實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)使用ISP下載線來(lái)完成程序向單片機(jī)31引腳(EA/VPP)必須接高電平。通過(guò)以下通道，單片機(jī)可以實(shí)現(xiàn)程序的寫(xiě)入：相應(yīng)下載軟件f計(jì)算機(jī)并口DB25-ISP下載線f雙排八針插槽Plf單片機(jī)芯片(AT89S52)速度顯示模塊此模塊用來(lái)顯示設(shè)定的速度。本畢設(shè)設(shè)計(jì)選擇方式0作為串口工作方式，串行數(shù)據(jù)從單片機(jī)RXD引腳輸出

15、，在SN74ALs164中轉(zhuǎn)為并行，輸出至八段數(shù)碼管，同時(shí)并行數(shù)據(jù)由SN74ALs164的QA引腳轉(zhuǎn)為串行輸出，作為下一級(jí)SN74ALS164的輸出，以此類(lèi)推。單片機(jī)的RXD引腳輸出移位脈沖。當(dāng)單片機(jī)復(fù)位時(shí)，顯示模塊也同時(shí)復(fù)位。4軟件設(shè)計(jì)4.1程序流程圖1.主程序流程圖如圖4-18所示。開(kāi)始圖4-1主程序流程圖2.子程序流程圖啟動(dòng)程序流程圖如圖4-19所示。序流程圖圖4-19啟動(dòng)程反轉(zhuǎn)程序流程圖如圖4-20所示。流程圖急停程序流程圖如圖4-21所示。圖4-21急停程序流程圖圖4-22停止程序流程圖加速程序流程圖如圖4-23所示。圖4-23加速程序流程圖減速程序流程圖如圖4-24所示。圖4-24

16、減速程序流程圖4.4.2程序清單基于MCS51單片機(jī)控制直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)程序:ORG00HAJMPSTARTORG30H檢測(cè)鍵盤(pán)狀態(tài)的程序:START:MOVPO,JNPPO.O,JNPP0.1,JNPP0.2,JNPP0.3,JNPP0.4,JNPP0.5,#OFFHQIDONGFANZHUANJITINGJIASUJIANSUTINGZHIAJMPSTART啟動(dòng)程序，默認(rèn)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為2000r/min：QIDONG:JNBPO.O,QILJMPSTARTQI：ELRP0.6SETBP0.7MOVP2,#0BHLCALLXIANSHILJMPSTART反轉(zhuǎn)程序：FANZHUAN：LCAL

17、LYANSHIJNBP0.1,FANLJMPSTARTFAN：CLRP2.3LCALLPANTINGSETBP2.3CLRP0.7LCALLYANSHILJMPSTART急停程序：JITING：LCALLYANSHIJNBP0.2,JILJMPSYARTJI：CLRP2.3LCALLPANTINGLJMPSTART加速程序，每按一次鍵，加速500r/min：JIASU：LCALLYANSHIJNBP0.3,JIALJMPSTARTJIA：MOVA,P2ANLA,#07HJZSTARTMOVRO,P2DECROMOVP2,ROLCALLXIANSHILJMPSTART減速程序，每按一次鍵，減速5

18、00i7min：JIANSU：LCALLYANSHIJNBP0.4,JIANLJMPSTARTJIANSU：MOVA,P2ANLA,#07HCJNEA,#07H,JSLJMPSTARTJS：MOVA,P2INCAMOVP2,ALCALLXIANSHILJMPSTART停止程序：TINGZHI：JNBP0.5,TINGLJMPSTARTTING：SETBP0.6LCALLPANTINGLJMPSTART延時(shí)程序，這是一個(gè)子程序，功能是延時(shí)10ms：YANSHI：MOVA,#0Y：MOVRI,#00HINCRICJNERI,#0FFH,YINCACJNEA,#10,YRET判停程序，這是一個(gè)子程序，若能從判停程序中返回，則說(shuō)明電動(dòng)機(jī)已停：PANTING-JNBP2.4,YANSHI250msAJMPPANTINGYANSHI250ms：