【正文】 ，選擇損耗最小、效率最高的電機是很重要的。 在可靠性方面，因為其消除了電刷和換向器，所以也就消除了故障的主要根源，由于無刷直流電機的轉子上沒有繞組，因此轉子上沒有電的損耗，又由于主磁場是恒定的，因此鐵損也是極小的 (在方波電流驅動時，電樞磁勢的軸線是脈動的，會在轉子鐵心內產生一定的鐵損 )。 基本性能 電機類型 效率 體積 控制特性 技術性能 結構 壽命 電機本體成本 直流電動機 較高 小 好 短 高 無刷直流電動機機 高 小 較好 長 高 交流電動機 低 大 一般 長 低 開關磁阻電動機 較低 較小 較好 長 低 表 21 目前應用較為廣泛的幾種電動機的基本性能的比較 在快速性方面，無刷直流電動機的轉子是由永磁材料構成的磁極體，電樞繞組在定子上，因而轉子外徑相對較小，轉子轉動慣量因而也較小；在轉矩方面， 只 有直流電動機才能達到大的起動轉矩和最大轉矩，而無刷直流電動機具有直流電機的特性，從而起動轉矩和最大轉矩都較大。 南昌航空大學科技學院 2021 屆畢業(yè) 論文 2 2 無刷直流電動機概述 傳統(tǒng)的直流電機以其優(yōu)良的轉矩特性和調速性能在運動領域中有著廣泛的應用，但機械電刷卻是它的致命弱點。 就目前而言，永磁無刷直流電動機控制器結構已有多種形式，由最初復雜的模擬式到近來以單片機為核心的數字式，但新型電機控制專用芯片的出現(xiàn)，給無刷直流電機調速裝置設計帶來了極大的便利，這種集成模擬控制芯片控制功能強、保護功能完善、工作性能穩(wěn)定，組成的系統(tǒng)所需外圍電路簡單、抗干擾能力強、特別適用于對控制器體積、價格性能比要求較高的場合。南昌航空大學科技學院 2021 屆畢業(yè) 論文 1 無刷直流電機控制器的研制 1 引 言 隨著人們生活水平的提高，產品質量、精度、性能、自動化程度、功能以及功耗、價格問題已經是選擇家用電器的主要因素。專用控制芯片優(yōu)點固然多，但往往價格比較昂貴。電刷的存在帶來了一系列的問題，如：存在機械摩擦、噪聲、電火花無 線電干擾及壽命短，再加上它制造成本高及維修困難等缺點，從而大大地限制了它的應用范圍。因此無刷直流電動機可以實現(xiàn)快速的起、停、加速和減速?？偟膩碚f除了軸承旋轉產生的摩擦損耗外，轉子方面的南昌航空大學科技學院 2021 屆畢業(yè) 論文 3 損耗很小，因而進一步增加了可靠性。 在環(huán)境適應性方面，對于高性能的系統(tǒng)，如果只能采用直流電動機，但同時又要求長壽命，免維護以及防爆，易燃的環(huán)境條件下，有刷直流電動機就無能為力了，無刷直流電動機是最好的選擇。但是考慮到綜合指標 (系統(tǒng)性能，重量，能量消耗等 )之后，無刷直流電動機的應用仍處于上升的趨勢。如今的無刷直流電機集特種電機、變速機構、檢測元件、控制軟件與硬件于一體，形成為新一代電動調速系統(tǒng)，且體現(xiàn)著當今應用科學的許多最新成果，因此其是機電一體化的高科技產物，在各個領域得到了廣泛的應用。 如今，隨著微電子技術的迅速發(fā)展和微處理器技術的日益更新，高速微處理器和DSP(數字信號 處理器 )的出現(xiàn)，以及專用控制芯片的出現(xiàn)，使得無刷直流電動機控制系統(tǒng)的運行速度、處理能力和基本性能有了很大的改善。在這里，永久磁鐵的特性，在很大程度上決定 電動機的特性。 定子上開有齒槽，齒槽數與轉子極數和相數有關，應是它們的整數倍。矩形磁鐵構造的轉子呈現(xiàn)凸極特性，電感大、齒槽效應轉矩大，但磁通可集中，形成高磁通密度，故適于大容量電機，由于電動機呈現(xiàn)凸極特性，可以利用磁阻轉矩，此外，這種轉子結構的永久磁鐵，不易飛出，故可作高速電機使用。 無刷直流電動機是由電動機本體、轉子位置傳感器和 電子換相線路 3部分組成，其內部基本結構原理圖和實物圖如下圖 圖 32 (a)、 (b)所示： （ a）霍爾無刷電機內部原理圖 1 主定子 2 主轉子 3 傳感器轉子 4 傳感器定子 5 電子換相開關電路 （ b）霍爾無刷電機內部結構圖 圖 32 無刷電機基本結構圖 無刷直流電動機的 工作原理 霍爾位置 傳感器 霍爾式位置傳感器是利用霍爾效應進行工作的。在與 X 軸相垂直的兩個端面ｃ和ｄ上做兩個金屬電極，稱為控制電極。洛侖茲力用 FL 表示，大小為： FL = qvB 圖 33 霍爾效應 A、 B霍爾電極 C、 D控制電極 式中， q 為載流子電荷；ｖ為載流子的運動速度； B 為磁感應強度。當電場力與洛侖茲力相等時，達到動態(tài)平衡，這時有 qEH = qvB 霍爾電場的強度為 EH = vB 在 A 與 B 兩點間建立的電勢差稱為霍爾電壓，用 UH 表示 UH = EHb = vBb 利用這一原理可以設計制成霍爾 位置 傳感器 ， 霍爾器件通過檢測磁場變化，轉變?yōu)殡娦盘栞敵?，可用于監(jiān)視和測量 物體 運行參數的變化。 霍爾無刷直流電機工作原理 普通直流電動機的電樞在轉子上，而定子產生固定不動的磁場。 霍爾無刷直流電機與普通無刷直流電機相比，只是電機內部多了一個霍爾位置檢測器。 霍爾信號與無刷電機（以三相無刷電機為例）三路相位對應關系如下圖 35 所示： 南昌航空大學科技學院 2021 屆畢業(yè) 論文 8 圖 35 霍爾信號與無刷電機三路相位對應關系 4 無刷直流電動機的硬件設計 系統(tǒng)組成 及 主要器件 簡介 系統(tǒng)原理框圖如下圖 41 所示： 圖 41 總體設計原理框圖 考慮成本問題，主控芯片選用市場上普通 STC89C52 單片機作為主控中心，單片機輸出與輸入的信號先經過光耦隔離（目的消除干擾），運行時，首先采集電機的霍爾信號送主機進行處理，同時輸出相應的控制字，六個功率管分成上下臂兩部分，通過控制字來控制上下臂有序的導通，從而達到電機三相有序通電，使電機有序運轉。系統(tǒng)還設計有電平轉換（ MAX232）電路，用戶可以很方便的下載程序，便于系統(tǒng)功能升級。 3）程序下載電路： MAX232 電平轉換芯片 圖 44 MAX232 芯片引腳圖 MAX232 芯片是美信公司專門為電腦的 RS232 標準串口設計的接口電路 ,使用 +5v 單電源供電。 南昌航空大學科技學院 2021 屆畢業(yè) 論文 11 第二部分是數據轉換通道。 TTL/CMOS 數據從 T1IN、 T2IN 輸入轉換成 RS232 數據從 T1OUT、T2OUT 送到電腦 DB9 插頭； DB9 插頭的 RS232 數據從 R1IN、 R2IN 輸入轉換成 TTL/CMOS 數據后從 R1OUT、 R2OUT 輸出。 74LS138 功能 : 利用 G /(G2A)和 /(G2B)可級聯(lián)擴展成 24 線譯碼器；若外接一個反相器還可 級聯(lián)擴展成 32 線譯碼器。 8050 三級管參數類型 為開關型 ； 極性 ： NPN； 材料 ： 硅 ； 最大集存器電流 (A)： A； 直流電增益 ： 10 to 60；功耗 ： 625 mW； 最大集存器發(fā)射電（ VCEO） ： 25； 頻率 ： 150 KHz 6）單片機 I/O 口輸出驅動電路： 7407 同相驅動芯片 圖 47 74ls07 引腳圖 南昌航空大學科技學院 2021 屆畢業(yè) 論文 13 7407 同相驅動芯片 A 輸 入為高電平時， Y 輸出也為高電平，同理， A、 Y 也同時為低電平。 P2 口主要用于速度實時顯示，低 4 位（ —）輸出 BCD 碼，高三位（ ）控制 138 譯碼器，控制數碼管的選通位。當按鍵按下時，立即有指示燈提示，用戶可以以此判斷按鍵是否的確按下。 功率 變換電路 的設計 功率 管的選用 功率管（功率場效應控制器）是一種用電壓信號控制工作電流的電力電子器件。因此， 特別 適合作為電信和計算機 的 先進高效的 主要的 開關隔離式 DC DC轉換器。開通時間與關斷時間的差別也通過互補電路而消除。下圖是霍爾信號與相位控制字的真值表（ 表 42），和電平對應圖（圖 414）。考慮干擾的影響，只需要在霍爾信號（電機輸出）與單片機之間加一光耦隔離電路即可。當電機啟動時，啟動電流增大，在采樣電阻 R15 上的壓降增大，當壓降等于給定電壓 U0 時，比較器 LM393 輸出低電平，使 MOSFET 開關管 V V V5 被關斷，采樣電阻 R15 上的電流迅速減小， R15 上的壓降也減小；當電壓降到小于給定電壓 U0時，比較器輸出高電平，使 MOSFET 開關管 V V V5恢復正常的通斷順序。 STCISP 是由智峰工作室提供的公共免費下載工具，是針對 STC 系列單片機而設計的，可下載 STC89系列、 12C2052系列和 12C5410等系 列的 STC 單片機，使用簡便，下載程序只需一根串口線即可，現(xiàn)已被廣泛使用。5 系統(tǒng) 軟件設計 軟件 系統(tǒng)概述 單片機測控系統(tǒng)的軟件設計和一般在現(xiàn)成系統(tǒng)機上設計一個應用軟件有所不同，后者是在系統(tǒng)機器操作系統(tǒng)等支持下的純軟件設計，而單片機的軟件設計是在南昌航空大學科技學院 2021 屆畢業(yè) 論文 20 裸機條件下開始的，而且隨系統(tǒng)的不同而不同。 系統(tǒng)程序總體設計 考慮此控制程序不是 很復雜，為了不影響程序執(zhí)行速度，程序全部采用匯編語言編寫。這是一種自上而下的編程方法，即把總的控制過程逐步細分，分化成一個個的子過程。 南昌航空大學科技學院 2021 屆畢業(yè) 論文 21 軟件流程圖與部分代碼 主程序設計 主程序流程圖如下圖 51 所示： 圖 51 主程序流程圖 南昌航空大學科技學院 2021 屆畢業(yè) 論文 22 模塊子程序設計 1）中斷子程序 圖 52 中斷子程序流程圖 中斷入口 重新裝入定時器初值 （ 30H） +1 送 30H 30H 送寄存器 A 清零 30H,調用 Z_HUAN 子程序， 清零速度寄存器（ SP_L,SP_H） 開中斷 A=14H ？ 中斷返回 N Y 南昌航空大學科技學院 2021 屆畢業(yè) 論文 23 2）正、反轉控制模塊子程序 圖 53 正反轉子程序流程圖 正 /反轉程序入口 滅告警指示燈，置正反轉標志 延時 10MS 按鍵按下？ 設定正轉 /反轉啟動速度 SD 速度寄存器加 1 控制字送 P1口， 值不變 根據位置信息送相應的控制字表號 根據相對應的表地址，查正轉 /反轉表 表號值送 A 調用檢測電機當前位置子程序 SD 值送 (31H) A=05H ? 調用 10MS 延時程序 查詢有無加速、急停、停止命令 31H 減 1 值送 31H 31H=0 ? 返回 N Y N Y Y 南昌航空大學科技學院 2021 屆畢業(yè) 論文 24 3) 速度顯示模塊子程序 圖 54 速度顯示子程序流程圖 開始 速度寄存器 值倍乘 30 調數值轉換程序 十六進制轉換為十進制 分別將轉換后的 BCD 碼，個位（ 40H） ,十位（ 41H） ,百位（ 42H） ,千位（ 43H）分離 調動態(tài)顯示程序 返回 南昌航空大學科技學院 2021 屆畢業(yè) 論文 25 4）停止子程序流程圖 圖 55 停止子程序流程圖 5）加減速功能代碼 J_SU: JNB ,EXIT1 。設定加速度系數 。延時 10MS，判斷按鍵是否的確按下 JNB ,G_K0 。BH 管截止 CLR 。CL 管截止 JMP GONGZUO 。高四位與低四位互換 ANL A,00000111B 。調用乘法程序 MOV B,0AH MOV A,SP_L 。 1）硬件靜態(tài)的調試 （ 1）排除邏輯故障 這類故障往往由于設計和加工制板過程中工藝性錯誤所造成的。必要時利用數字萬用表的短路測試功能，可以縮短排錯時間。 （ 3）排除電源故障 在通電前，一定要檢查電源電壓的幅值和極性，否則很容易造成集成塊損壞。 MOV P1/P2,55H； MOV P1/P2,0AAH； （ 2）測試單片機中斷系統(tǒng) 口接一發(fā)光二極管。定時器工作方式