無刷直流電機(jī)控制綜合系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)

鄭州航空工業(yè)管理學(xué)院畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）屆電氣工程及其自動(dòng)化s專業(yè)1206972班級題目無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)控制器設(shè)計(jì)姓名陳壘剛學(xué)號指導(dǎo)老師崔建鋒職稱副教授二О一四年五月六日摘要無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)關(guān)鍵包含控制器、功率變換器和軟件設(shè)計(jì)。本人設(shè)計(jì)關(guān)鍵是進(jìn)行控制器設(shè)計(jì)，本設(shè)計(jì)關(guān)鍵是介紹了直流電動(dòng)機(jī)發(fā)展概況、組成結(jié)構(gòu)、工作原理、控制方法和單片機(jī)AT89C51在系統(tǒng)中應(yīng)用。本人設(shè)計(jì)控制器關(guān)鍵是由AT89C51單片機(jī)將位置檢測電路、換相邏輯電路、鍵盤接口回路連接到一起。當(dāng)無刷直流電動(dòng)機(jī)在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，位置傳感器依據(jù)轉(zhuǎn)子目前轉(zhuǎn)動(dòng)位置，發(fā)出對應(yīng)信號CAP1-CAP3，然后再由單片機(jī)輸出PWM調(diào)制信號PWM1（P0.6）和AT89C51輸出信號(P0.0～P0.5)邏輯組合變換后得到控制6個(gè)功率管觸發(fā)信號（PWM11——PWM16），經(jīng)過改變PWM脈沖信號占空比來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。無刷直流電機(jī)定子電樞繞組換相和正反轉(zhuǎn)控制是經(jīng)過用反應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置霍爾信號改變MOSFET功率管開通和關(guān)斷次序來實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過鍵盤輸入進(jìn)而來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)開啟、停止、動(dòng)、正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了無刷直流電動(dòng)機(jī)簡單自動(dòng)化控制。關(guān)鍵詞無刷直流電動(dòng)機(jī)；AT89C51單片機(jī)：PWMAbstractBrushlessDCmotorcontrolsystemdesignincludesacontroller,apowerconverterandsoftwaredesign.Idesignedprimarilyforcontrollerdesign,thedesignismainlyintroducesthedevelopmentofDCmotors,compositionstructure,workingprinciple,methodandSCMAT89C51controlapplicationsinthesystem.IdesignedcontrollerAT89C51microcontrollerprimarilybythepositiondetectioncircuitcommutationlogiccircuit,keyboardinterfacecircuitsconnectedtogether.BrushlessDCmotorcontrolMCUcontrollerismainlybasedonthecurrentrotationalpositionoftherotor,toissuethecorrespondingcontrolword,bychangingthedutycycleofthePWMpulsesignaltoachievethemotorcontrol.BrushlessDCmotorstatorandarmaturewindingcommutationreversingcontrolisachievedbychangingtheopeningofthepowerMOSFETonandoffwiththeorderreflectingtheHallrotorpositionsignalstoachieve.Byenteringthekeyboardandthenstartthemotortoachieve,stop,move,forwardandreverse,inordertoachieveasimpleautomatedcontrolofbrushlessDCmotor.KeywordsBrushlessDCmotor;AT89C51microcontroller:PWM目錄TOC\o"1-3"\h\u9438摘要 [6]。S3：正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)。3.5位置檢測電路設(shè)計(jì)3.5.1傳感器選擇霍爾類型器件為一個(gè)類型磁性傳感器。依據(jù)霍爾器件它功效能夠把它們分成：霍爾線性器件和霍爾開關(guān)器件。在通常無刷類型直流動(dòng)機(jī)中常常會(huì)使用轉(zhuǎn)子位置類型傳感器，轉(zhuǎn)子位置類型傳感器為永磁類型無刷直流電機(jī)關(guān)鍵部件。它會(huì)進(jìn)行檢測電機(jī)它轉(zhuǎn)子位置，然后把它輸出來信號經(jīng)過邏輯改變后去進(jìn)行控制開關(guān)管子通和斷，令電機(jī)定子各相繞組以一定次序去導(dǎo)通，確保電機(jī)連續(xù)進(jìn)行工作?？刂茻o刷直流電動(dòng)機(jī)時(shí)，單片機(jī)控制器關(guān)鍵是依據(jù)轉(zhuǎn)子目前轉(zhuǎn)動(dòng)位置，發(fā)出對應(yīng)控制字，經(jīng)過改變PWM脈沖信號占空比來實(shí)現(xiàn)對電機(jī)控制。無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置是由位置傳感器檢測出來。在本設(shè)計(jì)方案中，采取了三個(gè)磁敏式位置傳感器（霍爾元件）。常見磁敏式位置傳感器是由霍爾元件或霍爾集成電路組成，世界上第一臺無刷直流電動(dòng)機(jī)就使用了霍爾元件式位置傳感器。霍爾元件式位置傳感器因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡單、性能可靠且成本低，是現(xiàn)在在無刷直流電動(dòng)機(jī)上應(yīng)用最多一個(gè)位置傳感器。對于本系統(tǒng)反電動(dòng)勢為梯形波，兩相導(dǎo)通Y型三相六狀態(tài)無刷直流電機(jī)，我們將三個(gè)霍爾組件以相互間隔120o空間電角度安裝在電機(jī)定子上，因?yàn)殡姍C(jī)永磁體極弧寬度為180o電角度，這么當(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電角度方波信號。而此時(shí)得到位置信號是有毛刺友好波干擾脈沖信號，我們要經(jīng)過整形電路才能得到上升沿和下降沿全部很陡峭矩形脈沖信號。整形電路圖3-2所表示。圖3-5位置信號整形電路霍爾元件產(chǎn)生電動(dòng)勢很低，我們要加上拉電阻以提升其輸出電壓。LM324比較器含有電源電壓范圍寬、靜態(tài)功耗小、可單電源使用、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，所以被廣泛應(yīng)用在多種電路中，本系統(tǒng)整形電路首先經(jīng)LM324比較器進(jìn)行簡單整形，再經(jīng)施密特觸發(fā)器得到上升沿和下降沿全部很陡峭矩形脈沖信號。圖3-2整形電路所用施密特觸發(fā)器輸入和輸出為反相關(guān)系，又稱作施密特觸發(fā)器和非門，其特點(diǎn)以下：⑴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大小。

⑵電壓傳輸特征特殊，有兩個(gè)不一樣閾值電壓（正向閾值電壓和負(fù)向閾值電壓）

⑶狀態(tài)翻轉(zhuǎn)時(shí)有正反饋過程，從而輸出邊緣陡峭矩形脈沖。圖3-6整形電路輸出脈沖信號我們知道，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)電路狀態(tài)將發(fā)生改變。施密特觸發(fā)器是一個(gè)特殊門電路，和一般門電路不一樣，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。在輸入信號從低電平上升到高電平過程中使電路狀態(tài)發(fā)生改變輸入電壓稱為正向閾值電壓，在輸入信號從高電平下降到低電平過程中使電路狀態(tài)發(fā)生改變輸入電壓稱為負(fù)向閾值電壓。正向閾值電壓和負(fù)向閾值電壓之差稱為回差電壓，一般門電路電壓傳輸特征曲線是單調(diào)，施密特觸發(fā)器電壓傳輸特征曲線則是滯回，我們稱之為回差特征。當(dāng)傳輸信號受到干擾而發(fā)生畸變時(shí)，可利用施密特觸發(fā)器回差特征，將受到干擾信號整形成很好矩形脈沖。圖3-6整形電路輸出脈沖信號所表示，我們在每個(gè)機(jī)械轉(zhuǎn)中得到累計(jì)6個(gè)上升沿或下降沿，它們恰好對應(yīng)著6個(gè)換向時(shí)刻。經(jīng)過將AT89C51設(shè)置為雙沿觸發(fā)捕捉中止功效，能夠取得正確換相時(shí)刻。用AT89C51P1.0～P1.2分別對應(yīng)去捕捉CAP1～CAP3，并檢測該口電平狀態(tài)，來得到具體捕捉中止。3.6換相邏輯電路設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)用到邏輯電路，使用芯片是GAL16V8，GAL為通用陣列邏輯。它優(yōu)點(diǎn)為：1.可擦除作用，可改寫次數(shù)很高，甚至超出了100次；2.一片GAL器件能夠?qū)崿F(xiàn)多種組態(tài)PAL器件輸出結(jié)構(gòu)邏輯功效，給電路設(shè)計(jì)帶來了很大方便；GAL由五部分組成，它引腳電路圖圖10所表示：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)互不輸出和陣列。2.輸出端：（12-19引腳）共有8個(gè)輸出端，每個(gè)單元電路能夠經(jīng)過編程實(shí)現(xiàn)全部輸出結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)功效3.系統(tǒng)時(shí)鐘：（1引腳）為系統(tǒng)時(shí)鐘輸入端，和每個(gè)輸出單元中觸發(fā)器時(shí)鐘輸入端相連。4.輸出三態(tài)控制端：（11引腳）為器件三態(tài)控制公共端。無刷直流電機(jī)定子電樞繞組換相和正反轉(zhuǎn)控制是經(jīng)過用反應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置霍爾信號改變MOSFET功率管開通和關(guān)斷次序來實(shí)現(xiàn)。AT89C51有2個(gè)16位通用定時(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所表示：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這一芯片來實(shí)現(xiàn)。GAL16V8提議工作電平為5V，也能夠工作在3.3V以下。含有64×32邏輯和門陣列和8個(gè)可編程輸出邏輯單元。也能夠?qū)Ω鱾€(gè)輸入端口邏輯信號及其非信號按邏輯和連接實(shí)現(xiàn)譯碼功效。其最大傳輸延時(shí)為3.5ns。依據(jù)單片機(jī)（P1.0，P1.1，P1.2）捕捉霍爾信號（A，B，C），單片機(jī)輸出六個(gè)狀態(tài)信號PHASE1～PHASE6（接到單片機(jī)P0.0～P0.5），單片機(jī)輸出PWM調(diào)制信號PWM1（P0.6）和AT89C51輸出信號(P0.0～P0.5)邏輯組合變換后得到控制6個(gè)功率管觸發(fā)信號（PWM11——PWM16）。在前面我們曾經(jīng)對電機(jī)工作原理做過描述，轉(zhuǎn)子在定子電樞繞組合成磁場和永磁磁場相互作用下沿順時(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度電角度方波信號，該信號經(jīng)單片機(jī)邏輯變換后和PWM調(diào)制信號經(jīng)過邏輯組合變換得到使逆變器功率管按T1T2，T2T3，T3T4，T4T5，T5T6，T6T1…….次序?qū)ㄓ|發(fā)信號。3.6.1驅(qū)動(dòng)電路將單片機(jī)輸出PWM調(diào)制信號PWM1（P0.6）和AT89C51輸出信號(P0.0～P0.5)邏輯組合變換后得到控制6個(gè)功率管觸發(fā)信號（PWM11——PWM16）接到上圖對應(yīng)2～7輸入口。第4章控制器軟件部分設(shè)計(jì)4.1控制器軟件設(shè)計(jì)總述控制器向上向下、向左向右移動(dòng)、開啟、正反裝程序讓鍵盤程序進(jìn)行調(diào)用，鍵盤程序、顯示器程序、測速程序、PWM輸出程序全部讓主程序進(jìn)行調(diào)用。4.3程序步驟圖關(guān)鍵模塊程序步驟圖圖4-1所表示；鍵盤程序步驟圖圖4-2所表示；顯示程序步驟圖圖4-3所表示。圖4-1主程序步驟圖圖4-2鍵盤程序步驟圖圖4-3顯示程序步驟圖結(jié)束語本設(shè)計(jì)所述無刷直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)制作，調(diào)速方便，應(yīng)用廣泛。電子換向性線路為無刷類型直流電機(jī)它關(guān)鍵組成部分，包含了控制器和功率變換器。本設(shè)計(jì)關(guān)鍵是簡明介紹了AT89C51類型單片機(jī)、霍爾類型傳感器它們在無刷類型直流電機(jī)控制系統(tǒng)中部分應(yīng)用。本設(shè)計(jì)先是介紹了直流電動(dòng)機(jī)發(fā)展情況、結(jié)構(gòu)、工作原理，然后去選擇控制器設(shè)計(jì)方案，再去介紹控制器每一部分電路組成，跟著介紹單片機(jī)最小系統(tǒng)，還有控制器顯示電路、按鍵電路、過電流保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電路原理講解等等。最終畫出控制器控制電路圖，然后在由硬件設(shè)計(jì)去進(jìn)行部分必需軟件設(shè)計(jì)。致謝在之前學(xué)習(xí)過程中，我們只了解相關(guān)無刷直流電機(jī)基礎(chǔ)知識，而對于無刷直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)，沒接觸過。一開始，一頭霧水，但在整個(gè)設(shè)計(jì)制作過程中崔老師給我們提供了很多相關(guān)設(shè)計(jì)所需要資料，而且?guī)椭獯鹆宋覀冊诋厴I(yè)設(shè)計(jì)中所碰到多種問題，在崔教授指導(dǎo)下我們一點(diǎn)點(diǎn)地克服了困難。做設(shè)計(jì)過程中我們碰到了很多困擾，當(dāng)然，這期間也離不開指導(dǎo)老師引導(dǎo)和指點(diǎn)，我們很感謝崔老師認(rèn)真指導(dǎo)督促和嚴(yán)格要求，是她在我最需要幫助時(shí)候立即給我了無私幫助，催老師很耐心和認(rèn)真來指導(dǎo)我們?nèi)プ髯约寒厴I(yè)設(shè)計(jì)，可是我就是不省心，給崔老師帶來了很多問題和煩惱，可是崔老師不管我有什么問題她全部是很細(xì)心和認(rèn)真來給我講解。最讓我感動(dòng)就是崔老師每七天全部要和我們見一下，來解答我們多種多樣問題，同時(shí)呢，她又在催我們?nèi)ネ瓿勺约寒厴I(yè)設(shè)計(jì)。而且針對每一個(gè)人畢業(yè)設(shè)計(jì)去講解，分析論文中問題，針對每個(gè)人問題去分析找出處理措施。感謝在本科階段給我上課每一位老師，謝謝你們對我培養(yǎng)和教育。在鄭州航院著兩年我從老師那里學(xué)到了很多東西，也是在這里兩年使我成長了很多。參考文件張文灼.