無刷電機(jī)散熱風(fēng)扇控制器設(shè)計(jì)

1、中國計(jì)量學(xué)院現(xiàn)代科技學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）中國計(jì)量學(xué)院現(xiàn)代科技學(xué)院本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）無刷電機(jī)散熱風(fēng)扇控制器設(shè)計(jì)Controller design of brushless motor cooling fan學(xué)生姓名 章昀璐 學(xué)號 1030114238 學(xué)生專業(yè) 電氣工程及其自動化 班級 電氣102班 系 機(jī)電工程系 指導(dǎo)教師 孫冠群 中國計(jì)量學(xué)院現(xiàn)代科技學(xué)院2014年5月鄭 重 聲 明 本人呈交的畢業(yè)設(shè)計(jì)論文，是在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果，所有數(shù)據(jù)、圖片資料真實(shí)可靠。盡我所知，除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本學(xué)位論文的研究成果不包含他人享有著作權(quán)的內(nèi)容。對本論文所涉及的研究工作

2、做出貢獻(xiàn)的其他個(gè)人和集體，均已在文中以明確的方式標(biāo)明。本學(xué)位論文的知識產(chǎn)權(quán)歸屬于培養(yǎng)單位。學(xué)生簽名： 日期： 分類號：TP368 密 級： 公開 UDC： 621 學(xué)校代碼： 13292 中國計(jì)量學(xué)院現(xiàn)代科技學(xué)院 本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 無刷電機(jī)散熱風(fēng)扇控制器設(shè)計(jì)Controller design of brushless motor cooling fan作 者 章昀璐 學(xué) 號 1030114238 申請學(xué)位 工學(xué)學(xué)士 指導(dǎo)教師 孫冠群 學(xué)科專業(yè)電氣工程及其自動化 培養(yǎng)單位中國計(jì)量學(xué)院現(xiàn)代科技學(xué)院答辯委員會主席 謝岳 評 閱 人 蔡慧 2014 年 5月致 謝經(jīng)過了3個(gè)多月的辛苦努力，本次畢業(yè)

3、設(shè)計(jì)終于進(jìn)入了尾聲，從一開始的畢業(yè)設(shè)計(jì)到目前基本差不多完成論文，我感悟頗多。由于經(jīng)驗(yàn)的匱乏，在電路的設(shè)計(jì)和制作過程中都遇到了許多難題。但這次設(shè)計(jì)應(yīng)該是第一次自己真正意義上完成的作品，收獲的經(jīng)驗(yàn)是任何知識都代替不了的。在這里我首先要感謝我的導(dǎo)師孫冠群老師，孫老師平常自己要上課，而且工作也比較忙，但在我做畢業(yè)設(shè)計(jì)中，從開始的開題報(bào)告到方案確定修改以及電路設(shè)計(jì)，還有實(shí)物的調(diào)試等過程中都給了我很大幫助。由于一開始開題報(bào)告就偏題，老師給了一些中肯的意見，才有了后面方案的確認(rèn)，并且有了大致的方向。其次我要感謝一些同學(xué)對我無私的幫助，由于自己不經(jīng)常在學(xué)校，所以學(xué)校的文庫資料不能及時(shí)查找，都是同學(xué)幫忙下載給我

4、。而且在畢業(yè)設(shè)計(jì)的過程中遇到一些弄不明白的地方，有些同學(xué)也能一下點(diǎn)醒我，真的很感謝。最后，要感謝我的母校中國計(jì)量學(xué)院現(xiàn)代科技學(xué)院，是母校提供給我們?nèi)绱撕玫牡膶W(xué)習(xí)環(huán)境，也還要感謝中國計(jì)量學(xué)院的圖書館提供了免費(fèi)閱讀查找資料的機(jī)會，為自己的畢業(yè)論文提供很很大的幫助。另外，還要謝謝所有給我們上過課的老師，是你們讓我們學(xué)會了很多專業(yè)知識，并且這四年受益良多。 無刷電機(jī)散熱風(fēng)扇控制器設(shè)計(jì)摘要： 在早期，電機(jī)都是以有刷直流電機(jī)為主，如今伴隨著時(shí)代的發(fā)展，無刷直流電機(jī)正在迅速取代有刷直流電機(jī)，在各個(gè)領(lǐng)域中，無刷電機(jī)已成為主流，而且目前散熱風(fēng)扇中幾乎全部使用無刷電機(jī)。有刷電機(jī)采用機(jī)械換向，壽命短，噪聲大，產(chǎn)生電

5、火花，效率低，長期使用碳刷，磨損嚴(yán)重，較易損壞。無刷電機(jī)以電子換向取代機(jī)械換向，無機(jī)械摩擦，無磨損，無電火花，免維護(hù)且能做到更加密封等特點(diǎn)要更加優(yōu)于有刷電機(jī)。在本次設(shè)計(jì)中，為了方便，電機(jī)的選取采用了霍爾無刷直流電機(jī)，霍爾式無刷電機(jī)取消了換向器和電刷，而采用霍爾元件來檢測轉(zhuǎn)子和定子之間的相位值，其輸出信號經(jīng)放大、整形后觸發(fā)電子線路，從而控制電流電樞的換向，維持電動機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。單片機(jī)采用8051系列的STC12C5A60S2為主控芯片，由熱敏電阻的電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓信號，把電壓信號傳給具有A/D轉(zhuǎn)換的單片機(jī)STC12C5A60S2里面，再由單片機(jī)發(fā)出一個(gè)信號給MOSFET驅(qū)動兩臺風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)起來。如

6、果其中一臺風(fēng)扇發(fā)生故障停轉(zhuǎn)，同時(shí)在溫度升高的情況下，另一臺風(fēng)扇將加倍運(yùn)轉(zhuǎn)。經(jīng)過反復(fù)測試，系統(tǒng)具有相對較強(qiáng)的穩(wěn)定性，基本能夠滿足本次設(shè)計(jì)的所有的要求。關(guān)鍵詞：STC12C5A60S2；MOSFET；無刷直流電機(jī)；散熱風(fēng)扇；控制器中圖分類號：TP368Controller design of brushless motor cooling fanAbstract: In the early days, motors were mainly brush motors. With the development of the times, brushless DC motors are rapidly

7、 replacing the brush DC motors. In various fields, brushless motors have become the mainstream, and almost all current cooling fans use brushless motors. Brush motors adopt mechanical commutation, which has short life span, makes noises, generates sparks, has low efficiency, and long-term used carbo

8、n brushes are badly worn and easily damaged. Brushless motors replace the mechanical commutation by electronic commutation, which has no mechanical friction, no wear, no sparks, free maintenance and better seal etc. These characteristics make brushless motors more superior than brush motors.In this

9、design, for convenience, Hall brushless DC motor is selected to use. Hall brushless motor removed commutator and brushes, instead, it used Hall elements to detect the phase values between the rotor and the stator. Its output signal will be used to trigger the electronic circuit after amplifying and

10、shaping, which controls the commutation of armature current and maintains the normal operation of the motor. MCU uses 8051 series STC12C5A60S2 as the main control chip, the changes of thermistor resistance are converted to voltage signals, then voltage signals are transmitted to MCU STC12C5A60S2 whi

11、ch has inside A / D conversion , and then MCU sends a signal to the MOSFET which drives two fans. If one fan fails and stops while the temperature is going up, the other fan will double running. After multiple tests, the system shows a relatively strong stability and basically meets all the requirem

12、ents of this design .Keywords: STC12C5A60S2； MOSFET；BLDCM；Cooling Fan；ControllerClassification: TP368目 次摘要I目 次III1 緒論11.1 研究的背景與意義11.2 無刷電機(jī)國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r11.3 論文的主要內(nèi)容22 散熱風(fēng)扇控制器總設(shè)計(jì)方案32.1 設(shè)計(jì)要求32.2 設(shè)計(jì)思路32.3 設(shè)計(jì)方案43 散熱風(fēng)扇控制器元器件的選用及介紹63.1 霍爾無刷電機(jī)的介紹63.2 STC12C5A60S2 單片機(jī)介紹73.3 7085穩(wěn)壓芯片的介紹93.4 熱敏電阻的介紹93.5 MOS管的介紹104

13、 散熱風(fēng)扇控制器的硬件設(shè)計(jì)114.1 散熱風(fēng)扇控制器的電路原理圖114.2 電源部分的設(shè)計(jì)114.3 溫度檢測電路設(shè)計(jì)124.4 電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)135 散熱風(fēng)扇控制器的軟件系統(tǒng)145.1 軟件主流程圖145.2 子程序流程圖156 系統(tǒng)的調(diào)試效果166.1 電路板的制作與實(shí)物展示166.2 PWM測試效果177 總結(jié)19主要參考文獻(xiàn)20附錄 單片機(jī)程序清單21作者簡介26學(xué)位論文數(shù)據(jù)集27IV 1 緒論1.1 研究的背景與意義 在現(xiàn)代生活中，風(fēng)扇系統(tǒng)等的散熱問題也越來越重要，我們常使用風(fēng)扇來降溫的情況已經(jīng)是常見了，但風(fēng)扇會出現(xiàn)各種機(jī)械故障，而且還增加功耗與噪音污染。而且在重要設(shè)備的內(nèi)部都會布

14、置散熱風(fēng)扇多臺，用以給設(shè)備降溫或者保持設(shè)備內(nèi)部的空氣流通，這種方法在發(fā)熱設(shè)備內(nèi)部的散熱解決方案已經(jīng)沿用多年。以前傳統(tǒng)的直流風(fēng)扇使用機(jī)械電刷，會產(chǎn)生較高的電磁干擾，并且容易損壞。如今，市場上大部分產(chǎn)品都使用無刷電機(jī)。無刷直流電機(jī)本質(zhì)上是多相交流電動機(jī)，但經(jīng)控制獲得類似直流電動機(jī)的特性，需要多相逆變器驅(qū)動，由于沒有電刷和換向器，即使在很高的轉(zhuǎn)速下，也可以得到較高的可靠性，有較高的效率，總系統(tǒng)成本比直流電動機(jī)高5。近年來無刷直流電機(jī)已經(jīng)成為主導(dǎo)力量，早期是以有刷直流電機(jī)為主，但隨著無刷直流電機(jī)制造工藝和控制技術(shù)的飛速發(fā)展，有刷電機(jī)逐漸被無刷電機(jī)淘汰，無刷電機(jī)也變成迅速發(fā)展起來的一種新型直流電機(jī)。本設(shè)

15、計(jì)中采用三相無刷直流電機(jī)。沒有換向器和電刷組成的機(jī)械機(jī)構(gòu)是無刷直流電機(jī)最大的特點(diǎn)，再加上它一般都沒有激磁損耗，沒有換向火花，沒有無線電干擾，采用永磁體為轉(zhuǎn)子，無刷電機(jī)不僅延長了電機(jī)的使用壽命，而且運(yùn)行可靠，維護(hù)起來也比較方便，同時(shí)它的轉(zhuǎn)速也不會受機(jī)械換向的限制1-4。BLDCM的控制使用純硬件專用芯片的很多，而我最后還是選擇用51系列的單片機(jī)寫軟件。51系列的單片機(jī)可靠性高，而且它是一款通用的單片機(jī)，相對于專用的電機(jī)芯片和電機(jī)控制的電路板來說，相對容易而且花的時(shí)間要少點(diǎn)，對整個(gè)系統(tǒng)提供很大的方便7。此外，在設(shè)計(jì)中控制器需同時(shí)供電并控制兩臺無刷直流電機(jī)風(fēng)扇，而且速度隨著溫度的升高而升高，隨著溫度

16、的降低而降低。從而控制兩臺風(fēng)扇的的優(yōu)點(diǎn)在于：如果一臺風(fēng)扇發(fā)生故障從而風(fēng)扇停轉(zhuǎn)，不能正常散熱，安全系數(shù)降低，同時(shí)環(huán)境溫度升高，那么另一臺加大工作量，確保維持一定時(shí)間設(shè)備持續(xù)運(yùn)行后，方便時(shí)再檢修另一臺故障風(fēng)扇。1.2 無刷電機(jī)國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r國外對無刷直流電機(jī)研究較早，在80年代出就已經(jīng)投入生產(chǎn)和應(yīng)用了。20多年來，隨著永磁新材料、微電子技術(shù)、自動控制技術(shù)以及電力電子技術(shù)的進(jìn)步，無刷直流電機(jī)得到了很大的發(fā)展。國內(nèi)無刷直流電機(jī)技術(shù)起步稍晚，20世紀(jì)八十年代，我國開始進(jìn)入方波無刷直流電機(jī)與永磁同步電機(jī)(即正弦波無刷直流電機(jī))等研究領(lǐng)域，掀起了無刷直流電機(jī)的研制與技術(shù)引進(jìn)的熱潮，近20年逐步縮小了與國際

17、水平的技術(shù)差距。近年來，我國的中小型電機(jī)以及微特電機(jī)行業(yè)發(fā)展迅速，無刷直流電機(jī)廣泛應(yīng)用于汽車、家電等行業(yè)?？偖a(chǎn)量高達(dá)全球的70%，并以每年15%的速度增長6。在小功率范圍內(nèi)，已有成熟軍用、民用系列產(chǎn)品，但是大功率低轉(zhuǎn)速的電機(jī)發(fā)展不快，引進(jìn)國外成熟產(chǎn)品居多。綜合而言，盡管近年來我國的無刷直流電機(jī)研究研發(fā)發(fā)展迅速，特別在制造工藝與設(shè)備上尚有差距，離國際先進(jìn)技術(shù)水平還有很長的路要走。作為新型機(jī)電一體化的產(chǎn)品，無刷直流電動機(jī)鮮明的技術(shù)特征得到國內(nèi)外各個(gè)行業(yè)的廣泛認(rèn)同，無刷直流電動機(jī)在較大的轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)可以獲得較高的效率，更適合家電的需要，因此無刷電機(jī)的應(yīng)用面不斷的擴(kuò)大，用量也幅度上升，設(shè)置以數(shù)億臺記。1

18、.3 論文的主要內(nèi)容 本設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要是通過STC12C5A60S2單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制單元，熱敏電阻的電阻轉(zhuǎn)換成電壓，把電壓輸入具有A/D轉(zhuǎn)換的單片機(jī)，無刷電機(jī)內(nèi)的霍爾元件將信號傳給單片機(jī)處理，再通過軟件處理產(chǎn)生控制信號，通過MOSFET驅(qū)動電路使風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)。主要內(nèi)容如下：第一章：緒論。介紹了無刷電機(jī)的研究背景與意義和國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r。第二章：介紹的是設(shè)計(jì)方案、思路和原理。第三章：器件的選用和介紹。第四章：介紹硬件的設(shè)計(jì)。第五章：介紹軟件設(shè)計(jì)。第六章：系統(tǒng)的調(diào)試結(jié)果。第七章：總結(jié)。2 散熱風(fēng)扇控制器總設(shè)計(jì)方案2.1 設(shè)計(jì)要求 對于本次設(shè)計(jì)，總要任務(wù)是在重要設(shè)備內(nèi)部散熱風(fēng)扇多臺，有無刷直流電機(jī)

19、驅(qū)動，該控制器需要同時(shí)供電并且控制兩臺無刷直流電動機(jī)風(fēng)扇，根據(jù)設(shè)備內(nèi)部的環(huán)境溫度將自動調(diào)節(jié)散熱風(fēng)扇的速度，溫度越高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速就會越快，溫度越低風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速就越慢，并且在低溫時(shí)，這樣做的優(yōu)點(diǎn)是節(jié)電。2.2 設(shè)計(jì)思路本設(shè)計(jì)的具體思路是：檢測環(huán)境溫度，通過環(huán)境溫度的反饋值來調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。查閱相關(guān)文獻(xiàn)后提出一種實(shí)現(xiàn)方案，對于實(shí)現(xiàn)方案的核心內(nèi)容是：1）通過熱敏電阻測量環(huán)境溫度；2）可以由霍爾元件測量電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)子的位置；3）通過PWM開關(guān)信號控制變頻器達(dá)到調(diào)節(jié)同步電機(jī)風(fēng)扇的目的。熱敏電阻本身就是一個(gè)溫度傳感器，可以實(shí)時(shí)傳輸當(dāng)前的環(huán)境溫度，熱敏電阻感受到溫度變化后，是自身的電阻值發(fā)生變化，通過一個(gè)橋式電路或

20、者更簡單的分壓電路，把電阻的變化轉(zhuǎn)換為電壓信號，把這個(gè)電壓信號輸入到具有A/D轉(zhuǎn)換器的單片機(jī)里面，就可以測量溫度并且溫度控制。由于現(xiàn)階段市面上量產(chǎn)的熱敏電阻很多，且性能穩(wěn)定、過載能力強(qiáng)，因此本設(shè)計(jì)選用熱敏電阻。同時(shí)熱敏電阻可以很好的實(shí)現(xiàn)溫度控制，穩(wěn)定性和靈敏度都很好。此風(fēng)扇控制器設(shè)計(jì)系統(tǒng)的控制中心是以STC12C5A60S2單片機(jī)，單片機(jī)在數(shù)字化芯片的使用中具有一定的可靠性、穩(wěn)定性。單片機(jī)內(nèi)部通過程序設(shè)定，可以設(shè)定線性或非線性的比較單元，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的無級或有級調(diào)速。其中線性比較單元可以直接通過單片機(jī)自帶的數(shù)學(xué)運(yùn)算來實(shí)現(xiàn)；非線性比較可以通過分段函數(shù)或者自定義查表來實(shí)現(xiàn)。單純從節(jié)能角度考慮，使用線性

21、的無級調(diào)節(jié)效果很好，但是線性無級調(diào)節(jié)對于變頻器造成的損耗很大，因此對于特定場合可以考慮非線性方式。調(diào)節(jié)風(fēng)扇的通風(fēng)排量的實(shí)質(zhì)就是調(diào)節(jié)通風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，查閱資料發(fā)現(xiàn)對于同步機(jī)的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)最常用的方法是調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)磁場的旋轉(zhuǎn)速度，也就是調(diào)節(jié)電壓頻率。而單片機(jī)屬于低電壓的數(shù)字芯片，無法直接控制電機(jī)的運(yùn)行，因此在通風(fēng)機(jī)的控制端選擇的是“單片機(jī)逆變器電機(jī)”這樣的控制方式。逆變器的開關(guān)頻率通過單片機(jī)控制，具體的開關(guān)頻率值由單片機(jī)的溫度輸入端決定，以達(dá)到通風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速受控于環(huán)境溫度的目的。單片機(jī)系統(tǒng)同時(shí)控制兩臺電機(jī)，其對信號的處理需要比較高的要求。尤其是當(dāng)電機(jī)使用雙閉環(huán)控制時(shí)，電機(jī)控制結(jié)構(gòu)為單閉環(huán)控制結(jié)構(gòu)，檢測轉(zhuǎn)子速度作為

22、速度反饋信號。設(shè)計(jì)的難點(diǎn)在于，如果使用一片單片機(jī)同時(shí)控制兩臺電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，單片機(jī)需要處理兩臺電機(jī)的六路霍爾信號，同時(shí)要輸出電機(jī)控制信號，內(nèi)部軟件的協(xié)調(diào)統(tǒng)一是難點(diǎn)內(nèi)容。此外，但一臺電機(jī)停轉(zhuǎn)時(shí)，另一臺電機(jī)需要能夠繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，也需要從單片機(jī)的內(nèi)部進(jìn)行軟件的協(xié)調(diào)。設(shè)計(jì)中，當(dāng)一臺風(fēng)扇停轉(zhuǎn)時(shí)，需要提高另外一臺風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)排風(fēng)量的增大保持內(nèi)部溫度恒定，當(dāng)然，前提是在溫度升高的情況下，如果環(huán)境溫度不變，期中一臺風(fēng)扇發(fā)生故障也不會使另一臺風(fēng)扇加倍運(yùn)轉(zhuǎn)。2.3 設(shè)計(jì)方案 一個(gè)完整的無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)由電機(jī)本體、控制核心模塊、驅(qū)動逆變功率橋電路、位置檢測模塊、轉(zhuǎn)速/電流/電壓等狀態(tài)量采集模塊以及上位機(jī)指令控制與

23、數(shù)據(jù)反饋顯示模塊等子系統(tǒng)組合而成。其結(jié)構(gòu)框架如圖2.1所示。無刷直流電機(jī)工作時(shí)需要一個(gè)三相的直流斬波電路、轉(zhuǎn)子位置檢測電路、以及控制電路，具體電路結(jié)構(gòu)如圖2.2所示。圖2.1 無刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖圖2.2 三相無刷直流電機(jī)系統(tǒng)示意圖本設(shè)計(jì)將使用單片機(jī)作為控制器的核心，同時(shí)控制兩臺無刷電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。根據(jù)以上電機(jī)系統(tǒng)的示意圖，設(shè)計(jì)如下圖2.3所示。圖2.3 方案結(jié)構(gòu)圖 通上電源，霍爾無刷直流電機(jī)中的霍爾元件通過磁鋼的磁力線時(shí)會產(chǎn)生相應(yīng)的信號，傳給控制器，再產(chǎn)生相應(yīng)的PWM信號通過逆變器控制電機(jī)轉(zhuǎn)動。熱敏電阻是感受到外界的溫度變化后，才自身的電阻值發(fā)生了變化，把電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓信號，把這個(gè)電壓信

24、號輸入到具有A/D轉(zhuǎn)換的STC12C5A60S2單片機(jī)里，就可以對風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，風(fēng)扇是隨著溫度的改變從而改變轉(zhuǎn)速。3 散熱風(fēng)扇控制器元器件的選用及介紹3.1 霍爾無刷電機(jī)的介紹本設(shè)計(jì)采用的是以霍爾傳感器的無刷直流電機(jī)為控制對象，這種形式的電機(jī)被稱為霍爾無刷直流電機(jī)。其工作原理如下：在主定子繞組U和V的軸線上，放置了H1和H2這兩個(gè)霍爾元件，且相差90度電角度。四個(gè)相互間隔90度電角度的集中線圈組成了電動機(jī)本體的主定子繞組，因?yàn)槠錇槲恢脗鞲衅鞫ㄗ?。霍爾元件的輸出部分是和功率開關(guān)晶體管的基極上相連，晶體管且與主定子繞組連接。主轉(zhuǎn)子磁鋼的作用不僅是電動機(jī)本體的主轉(zhuǎn)子，而且可以起到霍爾元件的激磁

25、磁場的作用。激磁磁場又可以表示為位置傳感器轉(zhuǎn)子。如3.1圖所示，當(dāng)轉(zhuǎn)子處在這個(gè)位置時(shí)，在事先控制住電流，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場通過霍爾元件H1時(shí)，霍爾元件H1就會產(chǎn)生霍爾電勢。功率放大管BG2放大輸出X1并且給定子繞組V饋電。當(dāng)轉(zhuǎn)子以順時(shí)針轉(zhuǎn)到90度是經(jīng)過轉(zhuǎn)子磁場與電流的互相作用。霍爾元件H2可以產(chǎn)生霍爾電勢，當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場經(jīng)過霍爾元件H2時(shí)。功率放大管BG3放大它的輸出Y1并且給定繞組W饋電。轉(zhuǎn)子這時(shí)順著順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度，這時(shí)的轉(zhuǎn)子磁場仍然會通過霍爾元件H1，但是極性已經(jīng)相反，磁場的方向發(fā)生變化，霍爾電勢的方向也發(fā)生變化，功率放大管BG2放大輸出X2并且給定子繞組X饋電，又使轉(zhuǎn)子繞順時(shí)針旋轉(zhuǎn)90度電角度；同

26、樣的，轉(zhuǎn)子磁場又一次通過霍爾元件H2，功率放大管BG1放大輸出的霍爾電勢并且給定子繞組U饋電，轉(zhuǎn)子回到了初始的狀態(tài)。接著，定子繞組按照順序饋電，由它產(chǎn)生超前轉(zhuǎn)子的跳躍式磁場，使電動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)起來。圖3.1霍爾無刷直流電機(jī)原理圖霍爾傳感器可以為邏輯開關(guān)電路提供可靠準(zhǔn)確的換相信息，因?yàn)榛魻杺鞲衅骺梢詼y定轉(zhuǎn)子磁極位置在無刷直流電機(jī)中?？梢允罐D(zhuǎn)子磁鋼磁極的位置信號轉(zhuǎn)化為電信號，之后再去控制定子繞組換相。位置傳感器通?？梢杂袃煞N方式由霍爾開關(guān)組成。在電機(jī)頂蓋的內(nèi)表面仿真霍爾開關(guān)，將和電機(jī)同軸的永磁體安置于與霍爾開關(guān)有一定間隙的附近處為其中一種方法。傳感器的永磁體可以利用電機(jī)轉(zhuǎn)子上的永磁主磁體的主磁極，判斷轉(zhuǎn)

27、子的位置可以利用霍爾開關(guān)的輸出信號，在繞組頂部緊挨鐵芯的位置或者在定子電樞鐵芯的表面處安置霍爾開關(guān)為另一種方式。兩相導(dǎo)通的星形三相六狀態(tài)的無刷直流電動機(jī)的互相相差120電角度的三相繞組的中心線上各有一個(gè)霍爾開關(guān)、。傳感器磁體的極性都為S極或N極，可以根據(jù)霍爾開關(guān)的需求而定，在空間中與相同極性的主磁體相互處于對等的位置，數(shù)量可以為主磁極磁體數(shù)的一半。圖3.2 位置信號與功率開關(guān)管通斷關(guān)系無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子能在不同位置由永磁轉(zhuǎn)子和定子的電樞反應(yīng)生成的合成磁場所感應(yīng)出不同磁感應(yīng)強(qiáng)度，通過霍爾元件將信號傳遞給單片機(jī)處理。3.2 STC12C5A60S2 單片機(jī)介紹本設(shè)計(jì)核心控制模塊是有單片機(jī)實(shí)現(xiàn)的，其主

28、要表現(xiàn)與各個(gè)模塊信息交互和定時(shí)的功能。單片機(jī)STC12C5A60S2是8051系列單片機(jī)，本身就有很好的特性，因此滿足了此設(shè)計(jì)的要求。STC12C5A60S2的管腳圖如圖3.3所示圖3.3 STC12C5A60S2管腳圖單片機(jī)STC12C5A60S2的主要特性：為8051系列，但是8051的增強(qiáng)版，甚至比8051更具有兼容性;STC12C系列的單片機(jī)的工作的電壓大致都為5V左右;STC12C系列的單片機(jī)的工作頻率范圍為0 - 35MHz，與普通51單片機(jī)的 0420MHz差不多;ISP/IAP，不需要專門的編程器，不需要專用仿真器，且可以通過串口(P3.0/P3.1)直接下載用戶程序，幾秒就可

29、以迅速完成一片;具有EEPROM的功能，STC12C5A62S2/AD/PWM是沒有內(nèi)部EEPROM;具有看門狗功能;內(nèi)部集成MAX810專用復(fù)位電路(外部晶體12M以下時(shí)，復(fù)位腳可直接1K電阻到地);外部掉電檢測電路:在P4.6口有一個(gè)低壓門檻比較器，5V單片機(jī)為1.32V，誤差為+/-5%,3.3V單片機(jī)為1.30V，誤差為+/-3%;含有時(shí)鐘源和復(fù)位的功能，時(shí)鐘：控制單片機(jī)內(nèi)部運(yùn)作的時(shí)間，復(fù)位：將電路回復(fù)到初試狀態(tài)，就好比計(jì)數(shù)器清零的功能是一樣的;STC12C系列共4個(gè)16位定時(shí)器，兩個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器,16位定時(shí)器T0和T1，沒有定時(shí)器2，但有獨(dú)立波特率發(fā)生器，做串行通訊的波特率發(fā)生器

30、再加上2路PCA模塊可再實(shí)現(xiàn)2個(gè)16位定時(shí)器;2個(gè)時(shí)鐘輸出口，由T0的傳入在P3.4/T0輸出時(shí)鐘，可由T1的傳入在P3.5/T1輸出時(shí)鐘;都具有PWM輸出功能;具有A/D轉(zhuǎn)換功能;3.3 7085穩(wěn)壓芯片的介紹7805是我們最常用到的穩(wěn)壓芯片，它使用起來很方便，用很簡單的電路就可以輸入一個(gè)直流穩(wěn)壓電源，它的輸出電壓恰好就是5V，剛好是51系列單片機(jī)運(yùn)行所需要的電壓，它有很多的系列，如：KA7805，ADS7805，CW7805等，性能有微小的差別，用的最多的還是L7805CV，下面就來介紹下它的3個(gè)引腳，如圖3.4所示圖3.4 L7805CV 引腳圖 L7805CV的主要特征如下所示：輸出電

31、流可達(dá)1.5A不需外接補(bǔ)償元件內(nèi)含限流保護(hù)電流，防止負(fù)載短路燒毀元件內(nèi)含高溫過熱保護(hù)電路，防止結(jié)溫過熱燒毀器件內(nèi)含功耗限制電路，防止燒毀輸出驅(qū)動器晶體管3.4 熱敏電阻的介紹在市面上有很多類型的溫度傳感器，例如DS18B20，LM35等多種選擇。本設(shè)計(jì)基于整體設(shè)計(jì)的需要，最后還是選擇用熱敏電阻來控制環(huán)境的溫度。熱敏電阻是熱電阻的一種，所以說，原理都是溫度引起電阻變化。再本身加上熱敏電阻本身就是一種溫度傳感器，是溫度越高時(shí)電阻就越低，溫度越低時(shí)電阻就越大。同樣熱敏電阻也可以用在制冷方面。當(dāng)溫度低時(shí)，通過高電阻切斷電流（這個(gè)時(shí)候電流是很小的,幾乎是沒有的），當(dāng)溫度高時(shí)，電阻就幾乎相當(dāng)于一根導(dǎo)線，通

32、過的電流是可以讓電機(jī)正常運(yùn)作的電流。 熱敏電阻的主要特點(diǎn)如下： 它的靈敏度相當(dāng)來說比較高，金屬要比熱敏電阻的溫度系數(shù)要小很多； 熱敏電阻的工作溫度范圍也比較廣，高溫的器件適用于高溫超過315攝氏度，低溫器件適用與低溫范圍大概是-27355，常溫的器件適用的范圍是-55315； 熱敏電阻的體積不大，較小，所以能夠測量的范圍較廣，甚至是其他溫度測量儀都測量不到的空間內(nèi)部； 它使用起來也很方便，而且在0.1100k之間的電阻值可以隨意挑選； 可以適合大量的生產(chǎn)，容易加工成各種復(fù)雜的形狀供使用； 它的穩(wěn)定性極好，而且過載能力很強(qiáng)3.5 MOS管的介紹如果單片機(jī)想要控制電機(jī)，單片機(jī)是不能直接連接電機(jī)的，

33、中間是需要一個(gè)“電機(jī)驅(qū)動模塊”的。本文設(shè)計(jì)需要的MOSFET為FQD1N60C晶體管。“MOSFET”是英文MetalOxide Semicoductor Field Effect Transistor的縮寫，它翻譯成中文的意思是“金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管”，或者可以更精確的稱為MOS管或MOS。 MOS管導(dǎo)通其實(shí)就是作為開關(guān)的意思，就好比是開關(guān)的閉合。NMOS的特性就是在Vgs大于某個(gè)特定的值就會導(dǎo)通，在低端電壓驅(qū)動時(shí)，一般柵極電壓達(dá)到4V或10V就行了。PMOS的特性是在高端驅(qū)動的時(shí)候，Vgs小于某個(gè)特定的值就會導(dǎo)通。盡管PMOS可以很方便地用作高端驅(qū)動，但由于導(dǎo)通的電阻較大，而且價(jià)格貴，

34、替換的種類少等原因，在高端驅(qū)動中，一般還是使用NMOS的。MOS管與一般雙極性的晶體管來說，除了不需要電流之外，雖然只需要GS電壓值高于特定的值就可以，可能這個(gè)是很容易，但是還是需要速度。其實(shí)在MOS管的驅(qū)動中，電容在電路的作用就是對電容充放電。從而對電容充電是需要一個(gè)電流，在電路中，插上電源，對電容充電的瞬間把電容看成一個(gè)短路，電流可能瞬間會增大。第二注意的是，普遍用于高端驅(qū)動的NMOS，導(dǎo)通的時(shí)候，源極的電壓要小于柵極的電壓。而高端驅(qū)動的MOS管導(dǎo)通時(shí)源極電壓與漏極電壓(VCC)相同，因此，VCC應(yīng)該要比柵極電壓小這4V或10V。如果在一個(gè)系統(tǒng)內(nèi)，要得到比VCC大的電壓，就要專門的升壓電路

35、了。很多馬達(dá)驅(qū)動器都集成了電荷泵，要注意的是應(yīng)該選擇合適的外接電容，驅(qū)動MOS管都必須要有足夠的短路電流。 前面提到，4V或10V是常用的MOS管的導(dǎo)通電壓，因此設(shè)計(jì)的時(shí)候肯定是需要有一定余量的。而且電壓越高，導(dǎo)通的速度越快，導(dǎo)通電阻也越小。目前，還有更小的MOS管出現(xiàn)在各個(gè)領(lǐng)域里面，除了12V汽車電子系統(tǒng)之外，一般用4V導(dǎo)通就夠了。4 散熱風(fēng)扇控制器的硬件設(shè)計(jì)4.1 散熱風(fēng)扇控制器的電路原理圖本設(shè)計(jì)的內(nèi)容主要是通過STC12C5A60S2單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制單元，熱敏電阻的電阻轉(zhuǎn)換成電壓，把電壓輸入具有A/D轉(zhuǎn)換的單片機(jī)，無刷電機(jī)內(nèi)的霍爾元件將信號傳給單片機(jī)處理，再通過軟件處理產(chǎn)生控制信

36、號，通過MOSFET驅(qū)動電路使風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)。圖4.1為電路總的原理圖。圖4.1 電路原理圖4.2 電源部分的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中的電源部分在電路板中的作用就是把一個(gè)12V的直流輸入電壓轉(zhuǎn)化為一個(gè)5V的電壓輸出，最大輸出電流1A。電源部分中的7805就是一個(gè)穩(wěn)壓芯片，為了設(shè)計(jì)方便，利用7805芯片設(shè)計(jì)了一個(gè)簡單電路，7805就是使電路中的電壓保持在5V的。其中1腳接的是整流器輸出的電壓，2腳接地，3腳就是電路所需要的正5V輸出電壓。電源電路圖如圖4.2所示。 圖4.2 電源電路設(shè)計(jì)4.3 溫度檢測電路設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，溫度檢測這塊的設(shè)計(jì)是為了檢測外界環(huán)境的溫度，好控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。熱敏電阻是感受到外界的溫度變

37、化后，才自身的電阻值發(fā)生了變化。通過一個(gè)橋式電路或者一個(gè)更簡單的分壓電路，可以把電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓信號，把這個(gè)電壓信號輸入到具有A/D轉(zhuǎn)換的STC12C5A60S2單片機(jī)里，就可以測量環(huán)境的溫度并且進(jìn)行對溫度的控制。溫度檢測電路如下圖4.3所示。 圖4.3 溫度檢測電路4.4 電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 單片機(jī)不可以直接控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)，所以中間得加一個(gè)電機(jī)驅(qū)動部分。此驅(qū)動電路的作用是接收由霍爾信號傳給單片機(jī)轉(zhuǎn)換的PWM控制信號，再輸出給MOSFET，由MOSFET輸出的信號驅(qū)動兩臺風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)。因此MOSFET管在電機(jī)驅(qū)動模塊占有重要作用。 圖4.4 驅(qū)動電路5 散熱風(fēng)扇控制器的軟件系統(tǒng)5.1 軟件主流程

38、圖由于本設(shè)計(jì)的核心是熱敏電阻產(chǎn)生的信號輸入到具有A/D轉(zhuǎn)換的單片機(jī)里面去，然后讀取溫度，霍爾無刷電機(jī)產(chǎn)生的霍爾信號傳給單片機(jī)，根據(jù)單片機(jī)轉(zhuǎn)換的不同值對變頻器實(shí)現(xiàn)控制，達(dá)到調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)動的目的，因此程序設(shè)計(jì)的主要流程圖如下圖5.1所示：圖5.1 主流程圖 在主程序中，熱敏電阻對溫度的測量，自身的電阻值發(fā)生變化，由電阻的變化轉(zhuǎn)換成電壓信號，把電壓信號輸入到單片機(jī)里面進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)化；霍爾無刷電機(jī)本身就帶有霍爾元件，霍爾元件將檢測的信號傳遞給單片機(jī)，同樣進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，單片機(jī)把信號轉(zhuǎn)換成PWM信號，輸入到MOSFET促使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。溫度測量的信號其實(shí)是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，與電機(jī)如果發(fā)生故障也有關(guān)系。5.2 子

39、程序流程圖其中，在風(fēng)扇調(diào)速的子程序中，還需要加入電機(jī)狀態(tài)故障檢測，具體流程如下圖5.2所示：圖5.2 子程序圖檢測電機(jī)的狀態(tài)，是否發(fā)生故障。如果兩臺都停轉(zhuǎn)，那么停止運(yùn)行。如果一臺發(fā)生故障，另一臺還是正常運(yùn)轉(zhuǎn)，那么判斷溫度是否升高，溫度如果升高，那么另一臺的轉(zhuǎn)速提高一倍；如果溫度不變，那另一臺轉(zhuǎn)速也不會變化。6 系統(tǒng)的調(diào)試效果 6.1 電路板的制作與實(shí)物展示由于已經(jīng)設(shè)計(jì)完大概的電路模擬圖，因此先根據(jù)設(shè)計(jì)圖上面所需要的材料去網(wǎng)上購買。想在電路板上排出最簡單的路線和美觀電路板，先對電路按各個(gè)模塊進(jìn)行仔細(xì)的排版，然后再開始下手焊接電路。因?yàn)閷ψ约阂蟊容^嚴(yán)格，希望電路板能焊接得比較好，所以對板子的焊接

40、相對來說比較認(rèn)真，最后再對已經(jīng)焊接好的電路板盡快進(jìn)行調(diào)試，假如出現(xiàn)虛焊、焊錯或者漏焊等問題，也好可以及時(shí)糾正彌補(bǔ)，或者利用萬用表查找錯誤并認(rèn)真修改。實(shí)物圖如下圖6.1與圖6.2所示。圖6.1 實(shí)物圖圖6.2 實(shí)物圖6.2 PWM測試效果 實(shí)物做完之后，并且能正常運(yùn)行，測試了兩個(gè)管腳的輸出波形。圖6.3是單片機(jī)轉(zhuǎn)換出來的PWM控制信號的波形。圖6.4則是PWM信號傳給MOSFET管，再由MOSFET輸出的信號波形。圖6.3 如上圖6.3所見，霍爾元件發(fā)出的霍爾信號傳給單片機(jī)，再由單片機(jī)的第21腳輸出的波形為方波。此波形大致達(dá)到設(shè)計(jì)的要求，在風(fēng)扇運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)波形較為穩(wěn)定。為了改變此信號的占空比和頻率，可

41、以改變電阻值，從而可以控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速。圖6.4 由上圖6.4所見，控制信號傳給MOSFET的1腳，由MOSFET的4腳輸出的波形為三角波?？赡苡捎谠陔娐方泳€、焊接或者電容大小選擇方面存在一定的誤差，波形存在相應(yīng)的偏差。7 總結(jié)此次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要功能是實(shí)現(xiàn)無刷電機(jī)控制風(fēng)扇散熱調(diào)節(jié)的功能，當(dāng)在無刷電機(jī)同時(shí)控制兩臺風(fēng)扇的情況下，也可以根據(jù)環(huán)境溫度的改變從而改變風(fēng)扇的運(yùn)轉(zhuǎn)的目的，同時(shí)如果兩臺中的其中一臺發(fā)生故障不能正常運(yùn)轉(zhuǎn)，再加上環(huán)境溫度升高，另一臺將加大工作量。因此本次設(shè)計(jì)具有較好的實(shí)用性。此設(shè)計(jì)整體的方案和其他設(shè)計(jì)的同學(xué)比起來相對來說具有比較簡潔、節(jié)省成本的優(yōu)點(diǎn)，而且電機(jī)采用的是霍爾無刷直流電機(jī)，所

42、以實(shí)物設(shè)計(jì)起來比較簡單。在硬件各個(gè)方面也考慮得比較清楚，使用PCB板的焊接制作相對比較美觀，在焊接之前反復(fù)檢查電路圖和板子的排版，因此在板子的焊接問題上出現(xiàn)的錯誤比較少，同時(shí)也避免了很多焊接不當(dāng)或者導(dǎo)致調(diào)試失敗等錯誤。在硬件中采用的各個(gè)元器件成本都比較低，而且性價(jià)比高，也都是經(jīng)過反復(fù)考慮再決定使用的。在軟件的設(shè)計(jì)方面，程序是采用單片機(jī)KEIL軟件進(jìn)行編寫和調(diào)試的，能基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)此次設(shè)計(jì)方案的要求與功能的實(shí)現(xiàn)。同樣，雖然此次設(shè)計(jì)相對來說比較成功，但是還是存在一些不足的地方，因?yàn)樽约罕旧淼乃接邢?，再加上很多問題自己沒有想得太多等不利因素，因此在設(shè)計(jì)實(shí)物的穩(wěn)定性方面還存在一點(diǎn)問題：對于溫度與速度的測量

43、沒有想太多，當(dāng)時(shí)只覺得可以實(shí)現(xiàn)功能就可以，于是沒有對此進(jìn)行設(shè)置與測量。還有在PWM信號調(diào)試方面也有點(diǎn)誤差，MOSFET輸出的信號是三角波，但是我調(diào)試出來的波形不是很明顯，但還是可以看波形的的。此外，在實(shí)物的各個(gè)方面還是有很多可以提高的空間，如有足夠的時(shí)間，應(yīng)該可以制作得更好。主要參考文獻(xiàn)1 胡文靜.永磁無刷電動機(jī)的發(fā)展及展望J.微電機(jī)，2003 (4)，37-382 龔春雨.施進(jìn)浩.無刷直流電動機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀和質(zhì)量特點(diǎn)J.微特電機(jī)，2006 (8)3 袁海林.永磁無刷電機(jī)是微特電機(jī)發(fā)展主流J.世界儀表與自動化，20074 強(qiáng)曼若.無刷直流電動機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用J.微電機(jī)，1995，28(l)，23-

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46、 optical lithography and the prospects of its successorsJ. Microelectronic Engineering, 2006, 83: 604-613 附錄 單片機(jī)程序清單AD轉(zhuǎn)換及風(fēng)扇控制#include12c5a_AD.h#include12864_ser.huchar ADC_digit10=0123456789; unsigned char ad_result_data10; /AD轉(zhuǎn)換高八位 unsigned char ad_result_low210; /AD轉(zhuǎn)換低八位 unsigned char ad_result_to

47、tal10; /AD轉(zhuǎn)換總十位 unsigned char ad_average_result; /AD轉(zhuǎn)換十次的平均值 unsigned char Ain,Vin0,Vin1; unsigned char b,t,R0,R1; char tp=0; /* AD轉(zhuǎn)換程序 */ void AD_initiate() /初始化函數(shù) ES=0; TMOD=0x21; /定時(shí)計(jì)數(shù)器方式控制寄存器,自動重裝,16位計(jì)數(shù)器. TH1=0xfa; TL1=0xfa; TR1=1; void ADC_Power_On() /AD轉(zhuǎn)換電 ADC_CONTR|=0x80; delay170us(5); /必要的延時(shí) void get_ad_result() /取AD結(jié)果函數(shù),它是十位AD轉(zhuǎn)換，每十次平均，最后取低八位作為AD采樣數(shù)據(jù) uint i,q=0; for(i=0;i10;i+) tp=0; ADC_RES=0; /高八位數(shù)據(jù)清零,STC12C5A60S2 AD數(shù)據(jù)寄存名與STC12C54系列不同 ADC_RESL=0; /低兩位清零 ADC_CONTR|=0x08; /啟動AD轉(zhuǎn)換 while(!tp) /判斷AD轉(zhuǎn)換是否完成 tp=0x10; tp&=ADC_CONTR;