無感無刷直流電機(jī)智能控制器

CHANGZHOU INSTITUTE OF TECHNOLOGY 畢畢 業(yè)業(yè) 設(shè)設(shè) 計(jì)計(jì) 說說 明明 書書 題目題目：無感無刷直流電機(jī)智能控制器 二級學(xué)院： 電子信息與電氣工程學(xué)院 專 業(yè)： 自動(dòng)化 班級： 10 自 2 學(xué)生姓名： 龔帥 學(xué)號(hào)： 10020608 指導(dǎo)教師： 王雁平 職稱： 副教授 評閱教師： 職稱： 2014 年 6 月 SJ005-1 常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 摘要摘要 當(dāng)今社會(huì)，隨著人們生活水平的提高和現(xiàn)代化生產(chǎn)的發(fā)展，家用電器、工業(yè)機(jī)器 人等設(shè)備都越來越趨向于高效率化、小型化及高智能化，而電機(jī)作為執(zhí)行元件的重要 組成部分，必須具有精度高、速度快、效率高等特點(diǎn)，無刷直流電機(jī)的應(yīng)用也因此而 迅速增長。 無刷直流電機(jī)易于維修和護(hù)理，它的控制電路也很簡單 ，更重要的是它擁有很高 的工作效率，而且能夠節(jié)約能源，因此，眾多調(diào)速系統(tǒng)中都應(yīng)用到了無刷直流電機(jī)。 但是傳統(tǒng)的無刷電機(jī)在應(yīng)用范圍上 所需的受到了其轉(zhuǎn)子位置傳感器在一定程度上 的限 制，因此，無刷直流電機(jī)的 無位置傳感器控制技術(shù)的推廣應(yīng)用具有很廣闊的前景。 本文主要是利用反電勢過零檢測法控制無位置傳感器直流無刷電機(jī)，而且由于 單 片機(jī) STC89C52 具有數(shù)字信號(hào)處理器運(yùn)算快、外圍電路少、系統(tǒng)組成簡單、可靠的特 點(diǎn)，因此，本次設(shè)計(jì)將會(huì)運(yùn)用 單片機(jī)作為最小控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)直流無刷電機(jī)的正轉(zhuǎn)， 反轉(zhuǎn),調(diào)速和停止，并運(yùn)用LCD1602液晶顯示屏顯示無刷直流電機(jī)的 狀態(tài)。 關(guān)關(guān)鍵鍵詞詞：LCD1602液晶顯示屏；單片機(jī)STC89C52；直流無刷電機(jī)；反電勢法 常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 Abstract In the modern society, as peoples living standards improve and modernize production, household appliances, industrial robots and other equipment are increasingly tend to be high efficiency, small size and high intelligence, as the implementation of components An important component of the motor must have a high accuracy, speed, high efficiency, brushless DC motor and therefore the application is also growing rapidly. Brushless DC motors(BLDCM)have many adyantages .For example high efficiency，ease of control , low maintenance and so on .So it has been widely used in speed control systems .However，mechanical rotor position sensor restricts its practical application to some extent，SO more and more sensorless control techniques have been developed now，Especially in domestic，this technique is just in the beginning stage，because of the wide application,the sensorless control of BLDCM has bright prospective This paper mainly use back EMF detection to control sensorless BLDCM,STC89c51 has the advantage of fast operation,less peripheral circuitAnd simple structure,so ,this paper use STC89c51 as control system to realize the function of reversal,speed regulation and stop.In addition,I will use LCD to show the state of BLDCM. Keywords:LCD1602;STC89C52;BLDCM; back EMF detection 常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 I 目錄目錄 第一章第一章 緒論緒論 1 1 1.11.1 無刷直流電機(jī)無刷直流電機(jī) 1 1 1.1.11.1.1 無刷直流電機(jī)的發(fā)展無刷直流電機(jī)的發(fā)展 1 1 1 1. .2 2 無無刷刷直直流流電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)的的工工作作原原理理 2 2 1 1. .2 2. .1 1 無無刷刷直直流流電電機(jī)機(jī)的的控控制制方方法法 3 3 1 1. .3 3 無無傳傳感感器器的的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子位位置置檢檢測測法法的的產(chǎn)產(chǎn)生生 3 3 1.41.4 本章小結(jié)本章小結(jié) 3 3 第二章第二章 設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)方案 4 4 2.12.1 總體設(shè)計(jì)方案總體設(shè)計(jì)方案 4 4 2.22.2 總體設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì) 4 4 2 2. .3 3 無無感感無無刷刷電電機(jī)機(jī)驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)器器的的設(shè)設(shè)計(jì)計(jì) 5 5 2 2. .3 3. .1 1 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子位位置置檢檢測測電電路路 5 5 2 2. .3 3. .2 2 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子位位置置檢檢測測方方法法的的選選擇擇 5 5 2 2. .3 3. .3 3 反反電電動(dòng)動(dòng)勢勢法法 5 5 2 2. .3 3. .4 4 反反電電動(dòng)動(dòng)勢勢過過零零檢檢測測法法原原理理 6 6 2 2. .3 3. .5 5 驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)電電路路芯芯片片的的選選擇擇 8 8 2.42.4 調(diào)速方式的選擇調(diào)速方式的選擇 8 8 2.4.12.4.1 脈寬調(diào)制技術(shù)的原理脈寬調(diào)制技術(shù)的原理 8 8 第三章第三章 系統(tǒng)硬件系統(tǒng)硬件 1010 3.13.1 硬件總體說明硬件總體說明 1010 3 3. .2 2 硬硬件件電電路路總總原原理理圖圖 1010 3 3. .3 3 主主控控電電路路1010 3.3.13.3.1 5151 單片機(jī)簡介單片機(jī)簡介 1010 3.3.23.3.2 時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路 1212 3.3.33.3.3 復(fù)位電路復(fù)位電路 1212 3.43.4 驅(qū)動(dòng)器模塊驅(qū)動(dòng)器模塊 1212 3.4.13.4.1 三相橋式逆變電路三相橋式逆變電路 1313 3.4.23.4.2 驅(qū)動(dòng)門電路驅(qū)動(dòng)門電路 1414 3.4.33.4.3 反電動(dòng)勢過零點(diǎn)檢測電路反電動(dòng)勢過零點(diǎn)檢測電路 1616 常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 II 3.53.5 顯示器模塊顯示器模塊 1717 3.5.13.5.1 LCD1602LCD1602 的引腳說明的引腳說明 1717 3.5.23.5.2 LCD1602LCD1602 各寄存器介紹各寄存器介紹 1818 3.63.6 按鍵模塊按鍵模塊 1919 3.73.7 ADAD 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 1919 3.83.8 電源模塊電源模塊 2020 3.8.13.8.1 電源模塊總框圖電源模塊總框圖 2020 3 3. .8 8. .2 2 器器件件選選擇擇 2121 3.93.9 本章小節(jié)本章小節(jié) 2222 4.14.1 主程序流程圖主程序流程圖 2323 4.2.14.2.1 轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)速測量原理原理 2525 4.2.24.2.2 單片機(jī)測速程序設(shè)計(jì)思路及過程單片機(jī)測速程序設(shè)計(jì)思路及過程 2626 4.34.3 按鍵掃描及處理流程圖按鍵掃描及處理流程圖 2727 4.44.4 液晶顯示流程圖液晶顯示流程圖 2828 4.54.5 本章小結(jié)本章小結(jié) 2828 第五章第五章 系統(tǒng)調(diào)試系統(tǒng)調(diào)試 2929 5.15.1 硬件調(diào)試硬件調(diào)試 2929 5 5. .1 1. .1 1 鍵鍵盤盤模模塊塊的的調(diào)調(diào)試試 2929 5 5. .1 1. .2 2 液液晶晶顯顯示示的的調(diào)調(diào)試試 3030 5.25.2 軟件調(diào)試軟件調(diào)試 3030 5 5. .3 3 軟軟硬硬聯(lián)聯(lián)調(diào)調(diào) 3131 5.45.4 測試結(jié)果測試結(jié)果 3131 5.55.5 本章小結(jié)本章小結(jié) 3232 致致謝謝 33 參參考考文文獻(xiàn)獻(xiàn) .34 附錄附錄 1 1 程序清單程序清單35 附錄附錄 2 2 電路圖電路圖 .46 附錄附錄 3 3 實(shí)物圖實(shí)物圖 .49 第一章 緒論 1 第一章第一章 緒論緒論 1.11.1 無刷直流電機(jī)無刷直流電機(jī) 1.1.11.1.1 無刷直流電機(jī)的發(fā)展無刷直流電機(jī)的發(fā)展 從名稱上就可以看出無刷直流電機(jī)是從有刷直流電機(jī)上發(fā)展而來 。19世紀(jì)40年代 為了適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)要求調(diào)速性能優(yōu)良的電機(jī)的需要，有刷電機(jī)誕生了并且一直 被廣泛 的應(yīng)用,但是隨著有刷電機(jī)廣泛應(yīng)用，它的缺點(diǎn)也不斷的暴露出來，如應(yīng)用環(huán)境要求較 高，而且還需要定期的維護(hù)與修理，大大的降低了工業(yè)生產(chǎn)的效率，更糟糕的是有刷 電機(jī)在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)機(jī)械換相裝置易產(chǎn)生換相火花 和電磁干擾等問題，而無刷電機(jī)的誕生便 彌補(bǔ)了有刷電機(jī)的一些問題， 無刷電機(jī)沒有機(jī)械換相裝置 ，所以無需擔(dān)心換相火花問 題，而且這種無刷電機(jī)也具備了優(yōu)良的調(diào)速性能的優(yōu)點(diǎn)，在以后的工業(yè)生產(chǎn)中也將會(huì) 被廣泛的應(yīng)用。 無刷直流電機(jī)的基本思想的產(chǎn)生是在 1917年，當(dāng)時(shí)，Bolgior就提出了用整流管代 替有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械電刷，1955年之后，來自美國的D.Harrison等人更是第一次 提出了將有刷直流電機(jī)的機(jī)械電刷用晶體管換相線路來代替的專利，而這一專利也意 味著現(xiàn)代的無刷直流電機(jī)的產(chǎn)生。 無刷直流電動(dòng)機(jī)在電子電力技術(shù)不斷進(jìn)步的大背景下 有了很大的發(fā)展，其實(shí)無刷 直流電動(dòng)機(jī)在早期發(fā)展和推廣并不順利，因?yàn)?當(dāng)時(shí)的大功率的開關(guān)器件仍然只是處于 發(fā)展階段的初期，而且當(dāng)時(shí)的驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)水平以及永磁材料的性能也較低這就導(dǎo)致 了當(dāng)時(shí)的無刷直流電動(dòng)機(jī)可靠性差，價(jià)格昂貴的問題。 由于這些問題，無刷直流電動(dòng) 機(jī)自發(fā)明以后的一個(gè)相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，性能都不理想，只能停留在實(shí)驗(yàn)室階段，無法 推廣使用，這種局面在1970年以后逐漸得到了改善，由于當(dāng)時(shí)的電力電子半導(dǎo)體工業(yè) 有了迅猛的發(fā)展，進(jìn)而誕生了很多的新型的而且是全控型的半導(dǎo)體的功率器件（如 GTR，IGBT等），再加上后面逐漸出現(xiàn)的具有高磁能積性質(zhì)的永磁材料（如SmCo）， 這些因素促使了無刷直流電動(dòng)機(jī)的迅猛發(fā)展。到了1978年，德國（前聯(lián)邦德國）的 MANNESMANN公司在漢諾威的貿(mào)易博覽會(huì)上正式推出的基于 MAC的無刷直流電動(dòng)機(jī)及 其相關(guān)驅(qū)器，這一無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 頓時(shí)引起了全世界各國的廣泛關(guān)注，在這之后， 國際上更是燃起了各國科研人員研制無刷直流電機(jī)系統(tǒng)以及生產(chǎn)無刷直流電機(jī)系統(tǒng)的 熱情而且這也意味著無刷直流電機(jī)正式的走向了可以投入實(shí)用的新階段。 在無刷直流電機(jī)經(jīng)過實(shí)用階段 之后，無刷直流電動(dòng)機(jī)的特性逐漸的被人們深入的 了解，到了19世紀(jì)80年代，人們更是逐漸得完善了無刷直流電動(dòng)機(jī)的理論。1986年， H.R.Bolton系統(tǒng)的全面的總結(jié)了無刷直流電動(dòng)機(jī)并且無刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)該著手進(jìn)行 研究的領(lǐng)域也被指了出來，而H.R.Bolton的這一總結(jié)也意味著在理論上，無刷直流電 動(dòng)機(jī)也正在逐漸的走向成熟。 常州工學(xué)院電子信息與電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 2 無刷直流電動(dòng)機(jī)的研究對于我國而言起步是算比較晚的。1987 年，聯(lián)邦德國金屬 加工設(shè)備展覽會(huì)在北京成功舉辦，在博覽會(huì)上， SIEMENS 和 BOSCH 兩公司展出的 永磁自同步伺服系統(tǒng)以及驅(qū)動(dòng)器，這一驅(qū)動(dòng)器的展出也引起了國內(nèi)相關(guān)科研人員的密 切關(guān)注，在這之后，國內(nèi)的相關(guān)學(xué)者以及機(jī)構(gòu)便開始著手于引進(jìn)以及研制和開發(fā)無刷 直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)。目前，已有的無刷直流電機(jī)的系列在經(jīng)過我國的一系列努力之 后也有了一定的規(guī)模。 1 1. .2 2 無無刷刷直直流流電電動(dòng)動(dòng)機(jī)機(jī)的的工工作作原原理理 無刷直流電動(dòng)機(jī)是從有刷直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，一般的有刷直流電 動(dòng)機(jī)都具有由永久磁鋼組成的定子，它主要是用于在電動(dòng)機(jī)的氣隙中產(chǎn)生電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)所 需要的磁場，其電樞繞組在通電后也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的磁場。因?yàn)殡娝⒕哂袚Q向的作用， 電機(jī)在運(yùn)行的過程，這兩個(gè)磁場在方向上是始終保持互相垂直的，進(jìn)而，驅(qū)動(dòng)電機(jī)不 停運(yùn)轉(zhuǎn)所需要的最大轉(zhuǎn)矩也因此而產(chǎn)生，而無刷直流電動(dòng)機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與有刷直流電 機(jī)是恰恰相反的，電機(jī)的定子上往往擺放著電樞的繞組，而轉(zhuǎn)子上則擺放著永磁鋼， 但是由于一般直流電源在給定子上 的各個(gè)繞組供電時(shí)只能產(chǎn)生無法與由運(yùn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)子 磁鋼所產(chǎn)生的永磁磁場相互作用的 固定的磁場，故用來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)的單一方向的轉(zhuǎn) 矩?zé)o法產(chǎn)生。所以傳統(tǒng)的無刷直流電動(dòng)機(jī)除了有轉(zhuǎn)子和定子組成的電動(dòng)機(jī)本體以外還 要有控制電路，邏輯開關(guān)以及位置傳感器共同構(gòu)成的換向裝置來驅(qū)動(dòng)電機(jī)但是，位置 傳感器存在必須占用電動(dòng)機(jī)的一些空間、安裝位置對準(zhǔn)、需有較多引線、影響可靠性 等缺點(diǎn)。而且在某些應(yīng)用場合，如壓縮機(jī)內(nèi)，若要用無刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，高溫高壓 環(huán)境，不允許安 放霍爾元件的，因此便出現(xiàn)了無位置傳感器無刷直流電機(jī)，無位置 傳感器無刷直流電機(jī)是指本來在電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)的過程中，作為逆變橋功率器件換向?qū)?時(shí)序的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)不再是由位置傳感器的位置信號(hào)檢測器來提供，而 改由轉(zhuǎn)子位置 檢測電路來代替，這種做法即是以提高控制和電路的復(fù)雜性來降低電機(jī)內(nèi)部構(gòu)造的復(fù) 雜性。傳統(tǒng)有感無刷直流電機(jī)和 無位置傳感器的無刷直流電機(jī)的基本構(gòu)成框圖如圖1- 1和1-2所示： 圖 1-1 傳統(tǒng)無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)框圖 第一章 緒論 3 圖 1-2 無感無刷電機(jī)結(jié)構(gòu)框圖 1 1. .2 2. .1 1 無無刷刷直直流流電電機(jī)機(jī)的的控控制制方方法法 無刷直流電機(jī)由于不存在機(jī)械電刷，轉(zhuǎn)動(dòng)全靠電磁轉(zhuǎn)矩，但是， 電磁轉(zhuǎn)矩存在著 脈動(dòng)問題，這也影響了無刷直流電機(jī)的 的控制性能問題，因此，無刷直流電機(jī)在一些 高精度、高穩(wěn)定性等場合應(yīng)用度不高，為了抑制轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)的問題并且提高其控制系統(tǒng) 性能，現(xiàn)代無刷電動(dòng)機(jī)一般都采用 脈寬調(diào)制（PWM）方式來進(jìn)行調(diào)速。到目前為止 PWM_ON_PWM調(diào)制、半橋調(diào)制以及全橋調(diào)制是具有橋式逆變器結(jié)構(gòu)的無刷直流電機(jī) 實(shí)現(xiàn)調(diào)速的常用的三種調(diào)制方式，當(dāng)采用的PWM調(diào)制方式不同時(shí)，對系統(tǒng)的影響也 是 不同的?？紤]到有些工業(yè)生產(chǎn)中要 同時(shí)解決半橋調(diào)制斷開相續(xù)流產(chǎn)生負(fù)向轉(zhuǎn)矩和全橋 調(diào)制開關(guān)損耗大的問題，其中的PWM_ON_PWM調(diào)制方式是最符合以上要求的一種控 制方式，而且它能消除非導(dǎo)通相的續(xù)流現(xiàn)象 ,從而減小電流脈動(dòng)和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，提高 了 系統(tǒng)的控制性能。 1 1. .3 3 無無傳傳感感器器的的轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子位位置置檢檢測測法法的的產(chǎn)產(chǎn)生生 但是，無論采取何種脈寬調(diào)制調(diào)制方式，無刷直流電機(jī)的運(yùn)行都必須 通過跳躍式 的旋轉(zhuǎn)磁場來驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，而這種跳躍式的磁場恰恰需要依靠正確的轉(zhuǎn)子位置信號(hào) 適時(shí)給繞組換相來產(chǎn)生。傳統(tǒng)無刷直流電機(jī)獲取轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的方法主要是采用機(jī)電 式的位置傳感器進(jìn)行直接測量的，如位置霍爾傳感器、旋轉(zhuǎn)變壓器等，而這些位置傳 感器對電機(jī)的制造工藝要求以及可靠性等都帶來了很多不利影響。因此，無刷直流電 機(jī)的無位置傳感器控制成了 近年來研究的熱點(diǎn)。 1.41.4 本章小結(jié)本章小結(jié) 本章主要講解了無刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展，其工作原理，它的主要構(gòu)成以及無刷直 流電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)原理，最后主要說明了無刷直流電動(dòng)機(jī)無傳感器控制方法的產(chǎn)生，以 及為何其會(huì)是以后無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)研究的熱點(diǎn)。 第二章 設(shè)計(jì)方案 4 第二章第二章 設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)方案 2.12.1 總體設(shè)計(jì)方案總體設(shè)計(jì)方案 本從畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是利用單片機(jī)控制無 位置傳感器無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器并且通過按鍵 來實(shí)現(xiàn)無位置傳感器無刷直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，啟 動(dòng)與停止以及調(diào)速，并能用編碼器來 顯示無感無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速，最后再 使用液晶顯示屏作為人機(jī)界面 。 2.22.2 總體設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)包括單片機(jī)，無感無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng) 器，編碼器，LCD1602 液晶顯示屏，電源等。 1單片機(jī)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，在其外圍添加了按鍵，顯示器，并連接 無感無刷電機(jī) 驅(qū)動(dòng)器來實(shí)現(xiàn)無感無刷電機(jī)的智能控制。 2無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器主要作用是 確保無刷直流電動(dòng)機(jī)擁有能夠正常運(yùn)轉(zhuǎn)并且可以實(shí)現(xiàn) 調(diào)速以及正反轉(zhuǎn)的功能，它的工作主要有以下幾方面： (1)對 PWM 的調(diào)制信號(hào)、轉(zhuǎn)子的位置檢測電路輸出的信號(hào)、剎車的信號(hào)以及正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn)的信號(hào)進(jìn)行綜合，為其驅(qū)動(dòng)電路提供各開關(guān)管的 選通的信號(hào)與斬波信號(hào)，實(shí) 現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)以及其剎車的控制。 (2)產(chǎn)生脈寬調(diào)制的信號(hào)，讓電機(jī)的電壓隨著所給定的速度信號(hào)的變化而自動(dòng)的進(jìn) 行相應(yīng)的變化以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速功能。 (3)為了確保系統(tǒng)能擁有良好的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的性能，對電機(jī)的速度和電流進(jìn)行閉環(huán) 式的調(diào)節(jié)， (4)確保系統(tǒng)不出現(xiàn)過流、短路、欠壓以及過壓等問題。 3編碼器的作用是把轉(zhuǎn)速編成電信號(hào)并且傳到單片機(jī)中。. 4LCD1602 液晶顯示屏主要是用于顯示電機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)。 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖如圖 2-1 所示 常州工學(xué)院電子信息電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 5 圖 2-1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框圖 2 2. .3 3 無無感感無無刷刷電電機(jī)機(jī)驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)器器的的設(shè)設(shè)計(jì)計(jì) 本次設(shè)計(jì)的無感無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器的設(shè)計(jì)中所采用的電路設(shè)計(jì)分別為三相橋式逆變 電路設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)門電路設(shè)計(jì)以及轉(zhuǎn)子位置檢測電路的設(shè)計(jì)。其中 ，位置檢測電路方式 的選擇為本次設(shè)計(jì)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)部分。 2 2. .3 3. .1 1 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子位位置置檢檢測測電電路路 無位置傳感器無刷直流電機(jī)的英文簡稱 Sensorless BLDCM，無刷直流電機(jī)的無位 置傳感器控制主要是指無刷直流電機(jī)在不依靠位置傳感器的情況下，依靠轉(zhuǎn)子位置檢 測電路來間接的得到角速度以及轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)等狀態(tài)量，然后根據(jù)這些狀態(tài)量來切 換逆變器功率管，最終達(dá)到定子繞組的換相并且還要使得定子電流在相位上是和反電 勢是絕對保持一致為目的的一種控制方式。 2 2. .3 3. .2 2 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子子位位置置檢檢測測方方法法的的選選擇擇 無位置傳感器的轉(zhuǎn)子位置檢測策略有方法很多種。如反電勢法、 三次諧波法、反 電動(dòng)勢積分法、端電壓法等。以上列舉的各種無傳感器的轉(zhuǎn)子位置檢測方法，只有反 電動(dòng)勢法是最容易實(shí)現(xiàn)的，而在常見幾種屬于反電勢法的轉(zhuǎn)子位置檢測法中又以反電 勢過零點(diǎn)檢測法最容易實(shí)現(xiàn)。 2 2. .3 3. .3 3 反反電電動(dòng)動(dòng)勢勢法法 反電動(dòng)勢法的英文簡稱為Back-EMF，這種方法主要是通過對電樞的反電勢進(jìn)行 檢測，進(jìn)而獲得轉(zhuǎn)子的位置的各種信號(hào)的控制方法，反電勢法又可以分為反電勢過零 檢測法、反電勢積分法以及反電勢三次諧波積分檢測法等幾種比較常見的方法。 (1)反電勢過零點(diǎn)檢測法 在直流無刷電機(jī)中，在繞組上的反電勢一般都是正負(fù)之間交替變換的，而當(dāng)某相 的反電勢經(jīng)過零點(diǎn)時(shí)，該相繞組的軸線正好是與轉(zhuǎn)子的直軸相互重合的，所以，轉(zhuǎn)子 的若干個(gè)關(guān)鍵的位置點(diǎn)在檢測到各相的反電勢的過零點(diǎn)時(shí)就可以確定下來，進(jìn)而便省 去了轉(zhuǎn)子位置傳感器，最終實(shí)現(xiàn)無刷直流電機(jī)無位置傳感器的控制。 這種方法的缺點(diǎn)是：在電機(jī)端電壓上，不僅僅只有反電動(dòng)勢，而且更有 斬波信號(hào)。 這種斬波信號(hào)會(huì)影響反電勢的波形，這樣會(huì)使得零點(diǎn)變得不明確，導(dǎo)致原本被用來獲 得轉(zhuǎn)子的位置的信號(hào)無法被檢測到。同時(shí)，電抗電勢（電感電勢(Ldi/dt)以及互感電勢 (Mdi/dt)）會(huì)在繞組進(jìn)行換相時(shí)隨著電流變化而產(chǎn)生,因此這時(shí)反電勢的波形的尖峰脈 沖會(huì)在這時(shí)出現(xiàn)，而且在整形后的反電動(dòng)勢即方波信號(hào)之中可能出現(xiàn)的多個(gè)多個(gè)零點(diǎn) 在與尖峰電壓幅值相差較大的情況下 ，這將會(huì)出現(xiàn)不正確的觸發(fā)最終使得無刷直流電 機(jī)無法正常的進(jìn)行工作。 第二章 設(shè)計(jì)方案 6 因此，為了刻服上所述的缺點(diǎn)，我們就必須設(shè)計(jì)出帶有優(yōu)越性能的低通濾波器反 電勢檢測電路，使其輸出的反電動(dòng)勢信號(hào)準(zhǔn)確 。(2)反電勢積分法 反電勢積分法主要是指一定要在其關(guān)斷相上的反電勢過零點(diǎn)的情況下就要對它的 絕對值積分，當(dāng)積分的值等于所設(shè)定的閥值時(shí)就要立刻停止積分，這個(gè)時(shí)候我們就可 以得到轉(zhuǎn)子的位置，當(dāng)定子上的繞組進(jìn)行換流時(shí)，我們要進(jìn)行換流角的超前控制以改 變這個(gè)閥值的方法來實(shí)現(xiàn)在高速的情況下要提高轉(zhuǎn)矩的需要。但是，反電動(dòng)勢信號(hào)在 低速時(shí)會(huì)很弱，因此這種方法的低速性能也不好 ，而且，這種方法的實(shí)現(xiàn)相對而言也 是比較復(fù)雜的。 (3)反電勢三次諧波積分檢測法 一般梯形波的反電勢一定會(huì)有三次諧波的分量，我們可以對這個(gè)分量積分，轉(zhuǎn)子 的位置信息在積分值等于零時(shí)就可以確定下來。這種轉(zhuǎn)子的位置的檢測方法與利用反 電勢過零點(diǎn)檢測轉(zhuǎn)子的位置的方法相比較的話，雖然反電動(dòng)勢三次諧波積分位置檢測 法要比反電勢過零點(diǎn)位置檢測法的調(diào)速范圍大了一點(diǎn)，但是大的不多，幾乎可一忽略 不計(jì)，但是這種方法相對于反電動(dòng)勢過零檢測法來說也顯得復(fù)雜一些 。 綜合考慮到系統(tǒng)的可靠性、技術(shù)成本、成熟性以及簡易程度和本人的個(gè)人能力等 幾點(diǎn)，本次無刷直流電機(jī)的無傳感器控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)子位置檢測方法還是采用比 較成熟且應(yīng)用度比較廣的反電勢過零點(diǎn)檢測法來獲得定子繞組反電動(dòng)勢的過零點(diǎn)，間 接的獲得轉(zhuǎn)子的位置，從而為無刷直流電動(dòng)機(jī)提供準(zhǔn)確換相的時(shí)刻。下面就具體說明 一下本次設(shè)計(jì)的具體方案以及反電動(dòng)勢過零檢測法的原理。 2 2. .3 3. .4 4 反反電電動(dòng)動(dòng)勢勢過過零零檢檢測測法法原原理理 本次設(shè)計(jì)主要是采用三相橋式逆變電路來 連接無刷直流電機(jī)，在任一時(shí)刻的逆變器供 電的瞬間，有一相的上下橋臂總會(huì)都處于懸空狀態(tài)，故該相繞組的相電壓就可以默認(rèn) 為它的感生電勢。在忽略一些影響的前提下， 該相繞組所產(chǎn)生的反電勢就可以近似的 等于這一感生電勢。此時(shí)，反電勢過零點(diǎn)就可以通過 過零點(diǎn)檢測電路檢測得到，只要 我們能夠檢測到過零點(diǎn)，我們就可以 給電機(jī)進(jìn)行換向了。 而在檢測到過零點(diǎn)時(shí)，我們要作適當(dāng)?shù)难舆t一般為30度的電角度，就可以確定功 率器件的正確觸發(fā)時(shí)刻進(jìn)而依次得到轉(zhuǎn)子的六個(gè)關(guān)鍵 的位置信號(hào)，并且可以按照這各 信號(hào)作為參考依據(jù)然后再輪流的對六個(gè)功率管進(jìn)行觸發(fā)和導(dǎo)通進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。 常州工學(xué)院電子信息電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 7 理想反電動(dòng)勢的波形與霍爾傳感器輸出的波形對比如下圖 2-2所示： 圖 2-2 理想反電動(dòng)勢的波形與霍爾傳感器輸出的波形對比圖 從上圖可知，霍爾傳感器輸出的波形的翻轉(zhuǎn)基本上與反電動(dòng)勢的過零點(diǎn)保持一致， 所以用反電動(dòng)勢的過零信號(hào)進(jìn)行程序換向可以獲得和有霍爾無刷電機(jī)一樣的性能 。 第二章 設(shè)計(jì)方案 8 圖 2-3 理想反電動(dòng)勢的波形與霍爾傳感器輸出 的波形進(jìn)行進(jìn)一步的對比圖 理想反電動(dòng)勢的波形與霍爾傳感器輸出的波形進(jìn)行進(jìn)一步的對比如下圖 2-3所示： 通過進(jìn)行對理想反電動(dòng)勢的波形與霍爾傳感器輸出的波形進(jìn)行進(jìn)一步的對比與觀 察，我們可以得知反電動(dòng)勢的過零點(diǎn)比霍爾傳感器的輸出波形提前了半個(gè)電節(jié)拍，即 30度的電角度，為了可以在正確的時(shí)刻進(jìn)行換向，我們就需要 通過延時(shí)，在等到延遲 30度的電角度之后再進(jìn)行換向， 由于無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)速是會(huì)變化的，相應(yīng)的電周期也會(huì) 隨之變化，所以，在通過計(jì)時(shí)器對相鄰的兩個(gè)過零點(diǎn)之間的時(shí)間進(jìn)行計(jì)時(shí)之后，要將 計(jì)時(shí)器所得值除以2便能得到當(dāng)前無刷電機(jī)轉(zhuǎn)速下的30度電角度延遲的時(shí)間值，然后 將該值放入一個(gè)定時(shí)器中，并且打開該定時(shí)器的中斷，在延時(shí)結(jié)束之后，再進(jìn)行中斷， 我們就可以完成無感無刷電機(jī)的換向。 2 2. .3 3. .5 5 驅(qū)驅(qū)動(dòng)動(dòng)電電路路芯芯片片的的選選擇擇 由于于經(jīng)濟(jì)，技術(shù)以及所選用的無感無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子位置檢測電路的選擇 方 面等因素的考慮本次設(shè)計(jì)主要 是選用JY01A芯片,JYO1A芯片主要由以下特點(diǎn)： 工作比較穩(wěn)定且具有商業(yè)級的品質(zhì)； 擁有簡單的外圍電路，而且使用 起來很方 便；適合于直流無霍爾無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng) ； 具有線性調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的功能，調(diào)速性能也比 較好； 具有短路保護(hù)的功能以及過流保護(hù)的功能；可以對電機(jī)的正反轉(zhuǎn)進(jìn)行軟切換 控制的功能；可以調(diào)節(jié)其啟動(dòng)力矩；其具有 DSP核H_PWM的低噪音驅(qū)動(dòng)；其所具有 的特有的JYKJ技術(shù)，可以保證電機(jī)在任何工況下都能正常運(yùn)轉(zhuǎn) 。 2.42.4 調(diào)速方式的選擇調(diào)速方式的選擇 由于本次設(shè)計(jì)的所選用的無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片主要 JY01A芯片所以本次設(shè)計(jì)的調(diào) 速方式主要是選用脈寬調(diào)制技術(shù)。 2.4.12.4.1 脈寬調(diào)制技術(shù)的原理脈寬調(diào)制技術(shù)的原理 脈寬調(diào)制英文簡稱 PWM 其主要是利用數(shù)字輸出對模擬電路進(jìn)行控制的一種有效 控制技術(shù)，在電機(jī)的轉(zhuǎn)速的控制方面，更是有著節(jié)能的優(yōu)點(diǎn)。 脈寬調(diào)制技術(shù)主要是通過控制固定電壓的直流電源的開關(guān)頻率進(jìn)而改變負(fù)載兩端 的電壓最終達(dá)到所需控制要求的一種電壓調(diào)整的方法。脈寬調(diào)制技術(shù)在溫度控制、電 機(jī)調(diào)速以及壓力控制等方面有著廣泛的應(yīng)用， 在脈寬調(diào)制驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，通常是按一個(gè)固定頻率來接通和斷開電源的， 并且根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi) “接通”和“斷開”時(shí)間的長短即通過改變直流電機(jī)電 樞上電壓的“占空比”來改變平均電壓大小從而達(dá)到對直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制的要求 的。也正是因?yàn)檫@個(gè)原因， PWM 又被稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置” 。PWM 占空比原理圖如圖 2- 4 所示: 常州工學(xué)院電子信息電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 9 圖 2-4 PWM 占空比原理 設(shè)電機(jī)始終接通電源時(shí)，最大電機(jī)轉(zhuǎn)速為 Nmax，其占空比為 D= t1 / T，電機(jī)平 均轉(zhuǎn)速為 Na 則電機(jī)的平均速度為 Na = Nmax * D。 由上面的公式可知，當(dāng)我們改變占空比 D 時(shí)，就可以得到不同的電機(jī)平均速度 Na，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 2 2. .4 4. .3 3 脈脈寬寬調(diào)調(diào)制制技技術(shù)術(shù)的的優(yōu)優(yōu)點(diǎn)點(diǎn) 脈寬調(diào)制技術(shù)具有有節(jié)約空間，較強(qiáng)的抗噪性，而且比較經(jīng)濟(jì)等特點(diǎn)。 無刷直 流電動(dòng)機(jī)的脈寬調(diào)制技術(shù)調(diào)速系統(tǒng)有主要以下優(yōu)點(diǎn) ：1 脈寬調(diào)制電路的主電路所需的 功率元件較少，線路也比較簡單便于控制 ；2 因?yàn)槠潆姌须娏魅菀走B續(xù)，穩(wěn)速精度較 高，調(diào)速范圍寬系統(tǒng)的低速性能也比較好 ；3 其開關(guān)頻率較高，響應(yīng)速度也比較快， 系統(tǒng)頻帶較寬，動(dòng)態(tài)抗擾能力也較強(qiáng)；4 其裝置效率高,電動(dòng)機(jī)的損耗和發(fā)熱都較小， 而且對交流電網(wǎng)的影響?。? 最重要的是其功率因數(shù)高，效率高。 2.52.5 測速方式測速方式的選擇的選擇 角度傳感器在航空航天、 自動(dòng)化控制、國防軍事工業(yè)、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域都有著非 常廣泛的應(yīng)用，常用角度測量的方法有 光電測量、電磁測量、機(jī)械測量 等。其中，機(jī) 械測量方法雖然較為簡單，但是其設(shè)備體結(jié)構(gòu)積過于臃腫、測量的精度也較低、實(shí)時(shí) 性也較差，屬于常規(guī)的接觸測量方式。本次設(shè)計(jì)所使用的 AS5040 編碼器是一種新型 的磁旋轉(zhuǎn)式編碼器它主要是利用霍爾效應(yīng)，可以不許要進(jìn)行接觸就可以測量。與其他 的一些無需接觸式的編碼器進(jìn)行比較，所用的新型的磁旋轉(zhuǎn)式編碼器具有以下的優(yōu)點(diǎn)： （1）和一般的常用的光電式傳感器進(jìn)行比較，體積顯得較小、抗沖擊的能力要更強(qiáng)、 結(jié)構(gòu)也更加的簡單，用起來可靠性也更高； （2）不需要用發(fā)光二極管，耗電量也較 少，而且使用的壽命也很長； （3）耐環(huán)境的性能也很好，不怕灰塵和油，在溫度變 化比較大的地方也是可以使用的；（4）與早期的磁編碼器相比較結(jié)構(gòu)也顯得更加簡 單了，只需要 1 個(gè)雙極性的稀土磁鐵就可以了。 2 2. .6 6 本本章章小小結(jié)結(jié) 本章，主要對無感無刷電機(jī)整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行了簡要的闡述，介紹了 無刷電機(jī)無傳感器驅(qū)動(dòng)中的各種以反電動(dòng)勢法為基礎(chǔ)的轉(zhuǎn)子位置檢測法 ，并對其進(jìn)行 了對比，最終選擇了反電動(dòng)勢過零點(diǎn)檢測法，并對其原理進(jìn)行 了進(jìn)一步的研究于闡述。 第三章 系統(tǒng)硬件 10 第三章第三章 系統(tǒng)硬件系統(tǒng)硬件 3.13.1 硬件總體說明硬件總體說明 直流無感無刷直流電動(dòng)機(jī)機(jī)控制系統(tǒng)包括：電機(jī)控制器方面選用 STC89C51 單 片機(jī)，電源（220V 交流電源轉(zhuǎn)化為可調(diào)直流電源） ，顯示器方面選用 LCD1602 液晶 顯示屏，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器方面選用 JY01A 無感無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器和直流無感無刷電動(dòng) 機(jī)。 3 3. .2 2 硬硬件件電電路路總總原原理理圖圖 硬件總原理圖見附錄一 3 3. .3 3 主主控控電電路路 本次課程設(shè)計(jì)中主要是設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)中我們主控電路 部分采用了單片機(jī) STC89C52 芯片來實(shí)現(xiàn)這些功能，STC89C52 單片機(jī)是一個(gè)低電壓， 高性能 CMOS 的 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8KB 的可反復(fù)擦寫的 Flash 只讀程序存儲(chǔ)器和 256B 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）,它使用了 MCS-51 內(nèi)核，因此它屬于 51 單片 機(jī)系列。 3.3.13.3.1 5151 單片機(jī)簡介單片機(jī)簡介 51 單片機(jī)主要是由 CPU 和 8 個(gè)部件組成的，它們分別為震蕩電路，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器， 程序存儲(chǔ)器，中斷系統(tǒng)，并行 I/O 口，串行口，定時(shí)器以及特殊功能存儲(chǔ)器， 它們都 是通過片內(nèi)總線連接的，單片機(jī)片內(nèi)總線又可分為數(shù)據(jù)總線，地址總線以及控制總線， 在功能單元的控制上是采用特殊功能寄存器的集中控制方法。 51 單片機(jī)的基本構(gòu)成框 圖如下圖 3-1 所示： 常州工學(xué)院電子信息電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 11 3-1 8051 基本結(jié)構(gòu)框圖 51 單片機(jī)的各部分組件的作用功能介紹如下： CPU 又稱中央處理器：它是單片機(jī)內(nèi)部的核心主要是完成控制和運(yùn)算的作用。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器：8051 單片機(jī)芯片片內(nèi)共有 128B 的片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，其地址為 00H7FH，簡稱內(nèi)部 RAM，一般起到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的作用 。 內(nèi)部程序存儲(chǔ)器：8051 單片機(jī)芯片內(nèi)部共有 4KB 的片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，簡稱內(nèi)部 ROM，一般起到存儲(chǔ)原始數(shù)據(jù)或表格以及存儲(chǔ)程序等作用。 定時(shí)器：8051 單片機(jī)內(nèi)部有 2 個(gè) 16 位的定時(shí)器有時(shí)也稱為計(jì)數(shù)器，主要是起到 實(shí)現(xiàn)定時(shí)或者計(jì)數(shù)的作用的，并且通常是按照其計(jì)數(shù)或者定時(shí)的結(jié)果來對計(jì)算機(jī)進(jìn)行 相應(yīng)的控制的。 中斷系統(tǒng)：51 單片機(jī)共有 5 個(gè)中斷源，即 1 個(gè)串行中斷，2 個(gè)外部中斷，以及 2 個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)中斷而且可編程為兩個(gè)優(yōu)先級 。 圖 3-2 主控電路 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的總的主控電路如圖 3-2 所示，每個(gè)單片機(jī)控制系統(tǒng)都應(yīng)具備 2 個(gè)最 基本的電路，它們分別為時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。 第三章 系統(tǒng)硬件 12 3.3.23.3.2 時(shí)鐘電路時(shí)鐘電路 單片機(jī)一般都是在統(tǒng)一的由單片機(jī)控制器中的時(shí)序電路發(fā)出的時(shí)鐘的脈沖的控制 下按照一拍一拍的節(jié)奏進(jìn)行工作的。而單片機(jī)的時(shí)序就是 CPU 在執(zhí)行指令時(shí)所需要 的控制信號(hào)的時(shí)間順序。為了確保 各部件間能夠同步的進(jìn)行工作，單片機(jī)的內(nèi)部電路 必須在唯一的時(shí)鐘信號(hào)下嚴(yán)格的按照時(shí)序進(jìn)行工作。 51 單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生方式有兩種 即內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式，而本次的設(shè)計(jì)主要是采用內(nèi)部時(shí)鐘方式 ，如圖 3-2 主控電路中所示。 3.3.33.3.3 復(fù)位電路復(fù)位電路 復(fù)位指的是對單片機(jī)進(jìn)行初始化的操作。單片機(jī)控制系統(tǒng)在上電啟動(dòng)開始運(yùn)行的 時(shí)候，為了確保系統(tǒng)中的其它各個(gè)部件和 CPU 都處于一個(gè)比較確定的初始的狀態(tài)， 必須要先進(jìn)行復(fù)位操作，進(jìn)而從這個(gè)狀態(tài)開始進(jìn)行工作。由此可見，單片機(jī) 要進(jìn)行的 復(fù)位操作是一種非常重要的操作?？墒牵瑔纹瑱C(jī)本身并不能進(jìn)行自動(dòng)復(fù)位，所以單片 機(jī)必須要借助與外部的復(fù)位電路進(jìn)行復(fù)位。單片機(jī)的外部復(fù)位方式有兩種即上電加按 鍵復(fù)位和上電復(fù)位，因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)并不需要按鍵復(fù)位，故選用了電路相對簡單一些的 上電復(fù)位電路，如圖 3-2 主控電路中所示。 3.43.4 驅(qū)動(dòng)芯片模塊驅(qū)動(dòng)芯片模塊 本次設(shè)計(jì)主要是選用 JYO1A 驅(qū)動(dòng)芯片其引腳圖如圖 3-3 所示， 所示以及其各引腳功能： LVD 欠壓保護(hù)輸入（此腳電壓低于1/2 VDD 時(shí)欠壓保 護(hù)就生效） Is 電流檢測輸入端 GND 接地 VDD 相對于 GND 電壓 5V0.5V F/R 電機(jī)正反轉(zhuǎn)控制腳 Fault 錯(cuò)誤指示輸出（電機(jī)異常輸出低電平） AT、BT、CT 電機(jī)驅(qū)動(dòng) A;B;C 上臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出 AB、BB、CB 電機(jī)驅(qū)動(dòng) A;B;C 下臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出 Ha、Hb、Hc 轉(zhuǎn)子位置信號(hào)輸入端（反電動(dòng)勢檢測輸入端） VR 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)（0.25V5V） 圖 3-3 JY01A 引腳圖 常州工學(xué)院電子信息電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 13 3.4.13.4.1 三相橋式逆變電路三相橋式逆變電路 為了實(shí)現(xiàn)三相直流無感無刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選用了 三相橋式逆變電路 來實(shí)現(xiàn)其主要作用是將直流轉(zhuǎn)化為三相交流電以便驅(qū)動(dòng) 電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，為了能夠使得三相 逆變電路能夠通過大電流，本設(shè)計(jì)的低端和高端的 MOSFET均為N溝道IRL3713S，6片 IRL3713S的功率MOSFET組成的三相橋式逆變電路原理圖如圖3-4所示： 圖 3-4 三相橋式逆變電路 圖中A_M,B_M,C_M接三相無感無刷直流電機(jī)的三相，三相橋式逆變電路主要 是 由六個(gè)功率元件所組成的，電路分為Q2一Q5、Q3一Q6、Q4一Q7半橋。 AL、AH、BL、BH、CL、CH分別是控制由功率驅(qū)動(dòng)IR2101柵極所驅(qū)動(dòng)的控制信號(hào)， 上圖中的它主要是通過反電動(dòng)勢檢測電路檢測到無刷直流電機(jī)的端電壓然后再經(jīng)過微 處理器處理之后得到電機(jī)轉(zhuǎn)子信號(hào)然后 再由驅(qū)動(dòng)電路按轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)輪流導(dǎo)通功率 逆變橋的六個(gè)功率管從而控制了六個(gè)功率開關(guān)并且依靠控制6個(gè)功率開關(guān)，來將直流 變成三相無刷直流電機(jī)所需要的可以被控制的三相交流電 從而驅(qū)動(dòng)三相無感無刷直流 電機(jī)。 第三章 系統(tǒng)硬件 14 3.4.23.4.2 驅(qū)動(dòng)門電路驅(qū)動(dòng)門電路 圖 3-5 驅(qū)動(dòng)門電路 本次無感無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)器中的驅(qū)動(dòng)門電路 如圖3-5所示，其中的C6為自舉 電容，驅(qū)動(dòng)電路的主要作用是放大控制電路的信號(hào)使其驅(qū)動(dòng)功率晶體管 ,該電路的主 要任務(wù)是主要將信息電子電路傳來的信號(hào) 按照其控制的目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)化為加在電力 電子器件控制端和公共端之間的能夠使其關(guān)斷或開通的信號(hào) ，當(dāng)上圖三相逆變電路中 的高端MOSFET導(dǎo)通時(shí)相應(yīng)的源極處電壓會(huì)接近電源電壓而上端的 MOSFET要導(dǎo)通 則會(huì)使得柵極源極之間的電壓要超過電源電壓，這就要求上端的 MOSFET導(dǎo)通時(shí)一定 要進(jìn)行相應(yīng)的升壓驅(qū)動(dòng)，同時(shí)也要防止位于同一個(gè)半橋中的 2個(gè)MOSFET同時(shí)導(dǎo)通以 及還要求應(yīng)該具有死區(qū)保護(hù)功能。故本設(shè)計(jì)所采用的集成半橋驅(qū)動(dòng)芯片為 IR2101該 芯片可以實(shí)現(xiàn)上端MOSFET的升壓驅(qū)動(dòng)以及電容自舉功能而且還具備了死區(qū)保護(hù)功能和 PWM調(diào)速控制功能，此外選用IR2101做為驅(qū)動(dòng)門還可以起到隔離與電平轉(zhuǎn)換作用 。 IR2101 簡介： IR2101 是雙通道的柵極驅(qū)動(dòng)的高壓高速功率驅(qū)動(dòng)器，該器件采用了高度集成的電 平轉(zhuǎn)換技術(shù)，功率器件對于邏輯電路而言所需要的復(fù)雜的控制需要被簡化了 ，同時(shí)又 驅(qū)動(dòng)電路也變得更加可靠。同時(shí)由于它上電使用外部的自舉電容，因此，它所需要的 驅(qū)動(dòng)電源數(shù)目比其它 IC 驅(qū)動(dòng)所需要的電源數(shù)目更加少了， 而且在工程上也減少了電 源的數(shù)目以及控制變壓器的體積，產(chǎn)品的成本也降低了，系統(tǒng)也變得更加可靠了。 常州工學(xué)院電子信息電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 15 IR2101 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖 3-6 所示 、 圖 3-6 IR2101 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 IR2101 采用 HVIC 和閂鎖抗干擾自作工藝，集成 SOIC，DIP 的封裝。它的重要 的特性包括它的功率器件的柵極的驅(qū)動(dòng)電壓范圍為 10V-20V，邏輯電源的范圍為 5V- -20V,而且它的功率地與邏輯電源地之間可以允許有+5V 的偏移量，它的懸浮通道電 源采用的是自舉電路，帶有的下拉電阻的 CNOS 施密特輸入端，這就使得其方便與 LSTTL 和 CMOS 電平相匹配，而且它還擁有獨(dú)立的高端與低端的輸入通道。 第三章 系統(tǒng)硬件 16 3.4.33.4.3 反電動(dòng)勢過零點(diǎn)檢測電路反電動(dòng)勢過零點(diǎn)檢測電路 圖 3-7 反電動(dòng)勢過零點(diǎn)檢測電路 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)主要是驅(qū)動(dòng)無傳感器無刷直流電機(jī)，由于無刷電機(jī)本身不自帶位置 傳感器，所以在電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中需要的作為 逆變橋功率器件換向?qū)〞r(shí)序的轉(zhuǎn)子位置 信，不再由位置傳感器提供，而改由上圖 3-7 所示的反電動(dòng)勢檢測電路提供 ，無感無 刷電機(jī)的必須要通過相點(diǎn)與中性點(diǎn)之間的相互比較的方式來獲得它的每相的感生電動(dòng) 勢的過零點(diǎn)以檢測其反電動(dòng)勢，可是無感無刷電機(jī)的連線之中通常是沒有中性點(diǎn)引出 的，本次設(shè)計(jì)主要是通過組成 電阻網(wǎng)絡(luò)的方式來構(gòu)成電機(jī)的虛擬中性點(diǎn)，如圖中的 比 較器 LM339A 的負(fù)端分別接相線 A,B,C 的虛擬地電位，而虛擬地電位的是由電阻的隔 離形成的即所謂的中性點(diǎn)電壓，此時(shí)，相線上產(chǎn)生以虛擬地電位作為參考點(diǎn)的反電動(dòng) 勢電壓即所謂的相點(diǎn)電壓，將這兩種電壓輸入比較器 LM339A 中，當(dāng)每次比較器的輸 常州工學(xué)院電子信息電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 17 出的信號(hào)翻轉(zhuǎn)時(shí)，則證明了已經(jīng)有過零點(diǎn)觸發(fā)了并且檢測到了過零點(diǎn)，最后將所得的 過零點(diǎn)信號(hào)反饋給驅(qū)動(dòng)芯片， 此時(shí)就可以進(jìn)行換向動(dòng)作了。 3.53.5 顯示器模塊顯示器模塊 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)所采用的顯示器為 LCD1602 液晶顯示屏其電路原理圖如圖 3-8 所示： 圖 3-8 液晶顯示屏其電路原理圖 液晶屏的顯示原理： 液晶顯示屏的顯示原理主要是根據(jù)液晶所具有的物理特性，然后對它的顯示區(qū)域 用電壓來控制，有電就可以顯示，這樣就 可以顯示出圖形。液晶顯示器 的厚度薄適中， 可以直接驅(qū)動(dòng)大規(guī)模集成電路還有全彩色的顯示的功能，目前，一些電腦，電視，攝 像機(jī)，電子表，計(jì)算器等眾多的領(lǐng)域都應(yīng)用到了液晶屏的顯示功能 。 3.5.13.5.1 LCD1602LCD1602 的引腳說明的引腳說明 第1 腳：VSS 是地電源。 第2 腳：VCC 要接5V的 正電源。 第3 腳：VO 是液晶顯示器的對比度調(diào)整端，接地時(shí)其對比度最高，接正電源時(shí) 其對比度最弱，對比度過高有時(shí)會(huì)產(chǎn)生“鬼影”，在使用時(shí)一般可以通過一個(gè)10K 的 電位器對對比度進(jìn)行調(diào)整。 第4 腳：RS 為寄存器選擇端，低電平時(shí)選擇指令寄存器，高電平時(shí)選擇數(shù)據(jù)寄 存器。 第5 腳：RW 為讀/寫信號(hào)端，當(dāng)其是低電平的時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)寫操作，當(dāng)其是高 第三章 系統(tǒng)硬件 18 電平的時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)讀操作。當(dāng)RW 是高電平且RS 是低電平的時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)讀忙信 號(hào)的功能，當(dāng)RW 是低電平且RS 是高電平的時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)寫入數(shù)據(jù)的功能，當(dāng)RS和 RW 都是低電平的時(shí)候可以實(shí)現(xiàn)顯示地址或?qū)懭胫噶畹墓δ堋?第6 腳：E 端是使能端，當(dāng)E 端從高電平轉(zhuǎn)變成低電平的時(shí)侯，顯示器的液晶模 塊就接收指令并開始工作。 第714 腳：RBORB7 是8 位的可雙向通信的數(shù)據(jù)線。 第15 腳：BLA是背光源的正極。 第16 腳：BLK是背光源的負(fù)極。 說明：第15、16兩腳主要用于背光模塊，用于不帶背光的模塊時(shí)這兩個(gè)引腳是懸 空不接的。 3.5.23.5.2 LCD1602LCD1602 各寄存器介紹各寄存器介紹 字符型液晶顯示模塊組件內(nèi)部主要由 LCD 顯示頻、驅(qū)動(dòng)器、控制器以及偏壓產(chǎn)生 電路構(gòu)成。 其中的控制器主要由數(shù)據(jù)寄存器 DR、指令寄存器 IR、忙識(shí)標(biāo) BF、地址計(jì)數(shù)器 AC、字符發(fā)生器 CGROM、顯示數(shù)據(jù)寄存器 DDRAM、字符發(fā)生器 CGRAM 以及時(shí)序 發(fā)生電路組成。 各寄存器功能介紹： 1 數(shù)據(jù)寄存器 DR 和指令寄存器 IR 都是 8 位寄存器，用戶可以通過 RS 和 R/W 輸入信號(hào)的組合選擇指定的寄存器，進(jìn)行相應(yīng)的操作。 2 忙標(biāo)識(shí)位 BF:BF=1 時(shí)，模塊則進(jìn)行內(nèi)部操作，不接受外部的指令和數(shù)據(jù)。而當(dāng) RS=0、R/W=1 且 E 是高電平時(shí)，BF 輸出到 RB7,每次的操作之前都應(yīng)該進(jìn)行狀態(tài)字檢測， 只有當(dāng) BF=0 時(shí)，MPU 才可進(jìn)行訪問模塊。 3 地址計(jì)數(shù)器 AC:AC 是 DDRAN 或 CGRAM 的地址指針。當(dāng) IR 中有指令代碼寫 入時(shí)，指令碼中攜帶的地址信息自動(dòng)送入 AC 中，并判斷出 AC 是 DDRAM 的地址還是 CGRAM 的地址，AC 具有自動(dòng)加 1 或減 1 的功能。 4 顯示數(shù)據(jù)寄存器 DDRAM:主要用于顯示數(shù)據(jù)，其容量的大小決定模塊可最多顯 示的字符數(shù)目。 5 字符型發(fā)生器 ROM：其內(nèi)部模塊以 8 位二進(jìn)制數(shù)的形勢，生成 5*8 點(diǎn)陣的字 符字模組字符字模。 6 字符型發(fā)生器 RAM：在字符型發(fā)生器 RAM 中，用戶能夠生成自定義圖形 字符 字模組，在 CGROM 的 00H0FFH 范圍內(nèi)選擇相應(yīng)的字符碼，可以生成 8 組 5*8 點(diǎn) 陣的字符字模。 常州工學(xué)院電子信息電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 19 3.63.6 按鍵模塊按鍵模塊 圖 3-9 按鍵電路圖 本次設(shè)計(jì)，按鍵電路圖如圖 3-9 所示，按鍵模塊總共有 4 個(gè)按鍵，分別控制無感 無刷直流電機(jī)的啟停，加速，減速以及正反轉(zhuǎn)。 鍵盤的結(jié)構(gòu)形式有兩種，獨(dú)立式鍵盤以及行列式鍵盤。當(dāng)鍵數(shù)較多時(shí)為了減少鍵 盤與單片機(jī)接口時(shí)所占用的 I/O 口線的數(shù)目，往往會(huì)將鍵盤排成行列式。而本次設(shè)計(jì) 所用的鍵盤數(shù)目比較少所以選用了獨(dú)立式，如圖所示，獨(dú)立式鍵盤是各按鍵互相獨(dú)立 的接通一條輸入數(shù)據(jù)線，各按鍵互不影響，采用中斷方式讀取鍵值。 由于 STC89C52 單片機(jī)內(nèi)部已有上拉電阻，所以在接按鍵時(shí)可不接上拉電阻。 當(dāng)沒有按鍵按下時(shí)，與之相連的輸入口線為高電平，與門輸出也為高電平。當(dāng)任 一按鍵按下時(shí)，與之相連的輸入口線將會(huì)邊為低電平，與門輸出也會(huì)由高變低，從而 產(chǎn)生外中斷條件，最終在中斷服務(wù)程序中讀取鍵盤值。 3.73.7 ADAD 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路 由于本次設(shè)計(jì)的選用的 CPU 是單片機(jī) STC89C52,此單片機(jī)不帶有 AD 轉(zhuǎn)換功能， 故我選用了 PCF8591 芯片來做 AD 轉(zhuǎn)換電路如下圖 3-10 所示: 第三章 系統(tǒng)硬件 20 圖 3-10 AD 電路轉(zhuǎn)換圖 PCF8591 是一個(gè)單獨(dú)供電，單片集成低功耗的 8-bit 數(shù)據(jù)獲取器，其具有一個(gè)串 行 IC 總線接口，1 個(gè)模擬輸出以及 4 個(gè)模擬輸入，PCF8591 允許在不接額外的硬件 的的情況下在同個(gè) IC 總線上接入 8 個(gè) PCF8591 器件，其一共擁有 3 個(gè)地址引腳，其 分別為 A0,A1 和 A2,它們可用于硬件地址的編程。在 PCF8951 器件上，數(shù)據(jù)、控制 以及地址信號(hào)都是以串行的方式通過雙線雙向 IC 總線進(jìn)行傳輸?shù)摹?PCF8591 的功能主要包括內(nèi)置跟蹤 、多路的模擬輸入以及 8-bit 的數(shù)模和模數(shù)轉(zhuǎn)換。 其中，IC 總線的速率的最大值決定了 PCF8591 的轉(zhuǎn)換率的最大值。 PCF8591 的引腳如圖 3-11 說明： AIN0AIN3：是模擬信號(hào)輸入端。 A0A2： 是引腳的地址端。 VSS 、VDD： 是電源端， 一般接（2.56V） 。 SDA ：IC 總線的數(shù)據(jù)線 SCL ：IC 總線的時(shí)鐘線。 AOUT：是 D/A 轉(zhuǎn)換的輸出端。 AGND：是模擬信號(hào)地。 EXT：是外部、內(nèi)部時(shí)鐘的選擇線。 OSC：是內(nèi)部時(shí)鐘的輸出端，外部時(shí)鐘的輸入端。 VREF：是基準(zhǔn)電源端。 圖 3-11 PCF8591 的引腳圖 3.83.8 電源模塊電源模塊 3.8.13.8.1 電源模塊總框圖電源模塊總框圖 穩(wěn)定直流源設(shè)計(jì)的一般思路是讓輸入電壓先通 過電壓變壓器進(jìn)行變壓，再通過整 流網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行整流，然后經(jīng)過濾波網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行濾波最后經(jīng)過穩(wěn)壓網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行穩(wěn)壓，最后的到 我們所需要的電壓。電源模塊設(shè)計(jì)的總體框圖如下圖 3-12 所示 常州工學(xué)院電子信息電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 21 圖 3-12 電源總體框圖 本次畢業(yè)設(shè)計(jì)由于所選用的無感無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng) 器的驅(qū)動(dòng)電壓為直流電壓， 而所用的STC89C52的工作電壓為直流5V,為了能夠更方便的運(yùn)行無感無刷直流電機(jī)的 控制系統(tǒng)，我制作了一個(gè)將交流220V電源轉(zhuǎn)化為直流電源，該電源符合了無感無刷直 流電機(jī)的控制系統(tǒng)運(yùn)行的電源要求， 電路原理圖如圖3-13所示： 圖 3-13 電源電路圖 如圖 3-15 所示，此開關(guān)電源主要由變壓器，整流器， LM2596 以及和 LM7805 等 元器件以及芯片構(gòu)成。220V 交流電源通過 P3 口變壓器與變壓器相連。在經(jīng)過一系列的 降壓，整流，濾波以及穩(wěn)壓后，220V 的交流電源最終變成了無感無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng) 所需要的直流電源，圖中的輸入電容 C11、C12 用于抑制紋波電壓，輸出電容 C13、C14 用于消振，緩沖沖擊性負(fù)載，保證電路工作穩(wěn)定。 3 3. .8 8. .2 2 器器件件選選擇擇 1穩(wěn)壓三極管選擇： LM7805 集成穩(wěn)壓三極管的輸出電流可以達(dá)到 1A，輸出的電壓為 5V，擁有過流 第三章 系統(tǒng)硬件 22 保護(hù)，過熱保護(hù)以及輸出晶體管的 SOL 保護(hù)等功能。 2整流橋： 整流橋產(chǎn)品一般是由四只整流硅芯片作橋式連接 并且外用絕緣塑料封裝而成的， 大功率的整流橋一般在絕緣層外添加金屬殼進(jìn)行包封，增強(qiáng)其散熱性。整流橋的品種 很多：板凳形、方形、圓形、有扁形（分貼片與直插）等，有 O/J 與 GPP 結(jié)構(gòu)之分。 最大整流電流可以從 0.5A 到 100A，最高反向峰值電壓可從 50V 到 1600V。 選擇整流橋時(shí)一定要考慮工作電壓和整流電路。整流橋一般是被用在全波整流電 路中的，它可以分為半橋和全橋兩種。半橋是將兩個(gè)二極管橋式 整流的一半封在一起， 用兩個(gè)半橋可組成一個(gè)橋式整流電路 ，一個(gè)半橋也可以組成變壓器帶中心抽頭的全波 整流電路，全橋是由 4 只整流二極管按橋式全波整流電路的形式連接并封裝為一體構(gòu) 成的。全橋的正向電流有 0.5A、1A、1.5A、2A、2.5A、3A、5A、10A、20A 等多種 規(guī)格，耐壓值（最高反向電壓）有 25V、50V、100V、200V、300V、400V、500V、600V、800V 等多種規(guī)格。這里選用 DB107 即可符號(hào)要求。 3.電容的選擇： 通過整流橋整流之后的電流是脈動(dòng)的直流電，其波動(dòng)的范圍較大。后面通常要使 用大小兩個(gè)電容來進(jìn)行處理，由于電容兩端的電壓是不能突變的，因此要用大電容來 進(jìn)行穩(wěn)定輸出使得輸出更加平滑。的，為了能輸出純凈的電壓，要用小電容來濾除高 頻率的干擾，用的電容越小，它的諧振頻率就越高，可濾除的干擾頻率也越高。其大 體的原則是： （1）大電容，負(fù)載越重，吸收電流的能力 就會(huì)越強(qiáng)，這個(gè)大電容的容量就 一定 要越大； （2）小電容，憑經(jīng)驗(yàn)，一般 為 104 即可。 本次電源模塊設(shè)計(jì)的輸入電容選取 470uF，輸出電容選取 104。 3.93.9 本章小節(jié)本章小節(jié) 本章主要對無感無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)中的各部分硬件電路進(jìn)行了闡述，并且對 部分用到的器件以及芯片的原理及功能進(jìn)行了簡單的介紹。 常州工學(xué)院電子信息電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 23 第四章第四章 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì) 4.14.1 主程序流程圖主程序流程圖 主程序流程圖如圖 4-1 所示： 圖 4-1 主程序流程圖 第四章 軟件設(shè)計(jì) 24 4.24.2 調(diào)速程序流程圖調(diào)速程序流程圖 本次設(shè)計(jì)的調(diào)速方式為 PWM 調(diào)速方式，其調(diào)速程序流程圖如圖 所示 常州工學(xué)院電子信息電氣工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書 25 圖 4-2 調(diào)速程序流程圖 4.2.14.2.1 轉(zhuǎn)速測量轉(zhuǎn)速測量原理原理 進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)的物體在一個(gè)單位的時(shí)間內(nèi)所轉(zhuǎn)過的圈數(shù)就叫作轉(zhuǎn)速，按照不同的 理論方法,先后產(chǎn)生過同步的測速法、模擬的測速法以及計(jì)數(shù)型測速法。其中計(jì)數(shù)型 測速法又可以分為電子式定時(shí)計(jì)數(shù)法與機(jī)械式定時(shí)計(jì)數(shù)法。本次設(shè)計(jì)所介紹的使用磁 電編碼器和單片機(jī)組成的轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)進(jìn)行轉(zhuǎn)速測量的方法就是采用電子式定時(shí)計(jì)數(shù) 第四章 軟件設(shè)計(jì) 26 法。其實(shí)際上是通過對轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)所引起的周期脈沖的信號(hào)的頻率進(jìn)行測量來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速 的測