【正文】 院 (部 )名 稱 : 電氣信息工程學(xué)院 學(xué) 生 姓 名 : 孫學(xué)文 專 業(yè) : 自動化 學(xué) 號 : 20200274 指導(dǎo)教師姓名 : 王君瑞 論文提交時間 : 論文答辯時間 : 學(xué)位授予時間 : 北方民族大學(xué)教務(wù)處制 2 摘 要 1831 年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象，奠定了現(xiàn)代電機的基本理論基礎(chǔ)。19 世紀(jì) 40 年代第一臺直流電機成功研制， 隨著 科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及新興的的電力電子技 術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)的發(fā)展，直流電機在某些應(yīng)用場合已不能完全很好的應(yīng) 用，由于其機械換向引起的火花、轉(zhuǎn)速受機械換向的限制等一系列問題的出現(xiàn)，科學(xué)家們開始試著研制一種用一些器件實現(xiàn)電機換向代替 電刷 — 換向器 換向 的裝置。 本文從無刷直流電機的研究背景、研究意義、發(fā)展方向及分類，再到電機的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、工作原理、控制 方式都做了一系列 系統(tǒng) 的論述。現(xiàn)代電機有多種控制方式，電機專用控制集成芯片控制、單片機和DSP 控制，本文將采用 MCS/51 系列的單片機實現(xiàn)對電機的轉(zhuǎn)速控制。 關(guān)鍵詞 ： 無刷直流電機， 單片機 ， protues ABSTRACT In 1831, Faraday discovered electromagic induction phenomenon, laid the foundation of basic theory of modern motor. First dc motor developed in the 1840 s, with the progress of science and technology as well as the emerging of the development of power electronic technology, digital electronic technology, dc motors in some applications is not very good application, due to its mechanical mutation spark, speed limited by mechanical mutation, the emergence of a series of problems, such as scientists begin to try to develop a use some device for motor mutation instead of the brush, mutator reversing device. Americans in 1955, Harrison was proposed for the first time use the transistor mutation circuit instead of instead of the electrical motor brush contact, until 1962, was successfully trialproduced with hall element (hall effect rotor position sensor) to implement the mutation of the brushless dc motor. Based on brushless dc motor of the research background, research significance, the development direction and the classification, system structure, working principle to the motor, control mode, do a series of systems in this paper. Especially on the motor control mode. Hyundai motor has a variety of control mode, the special motor control chip control, MCU and DSP control, this article will use the MCS / 51 series microcontroller for motor speed control. By using protues software simulation and verified with keil software testing program, smooth realization of brushless dc motor speed control. KEY WORDS: brushless dc motor , single chip microputer, protues I 目 錄 目 錄 ................................................... I 第 1 章 緒 論 ........................................... 1 引言 ............................................. 1 無刷直流電機分類 .................................. 1 無刷直流電機的研究背景 ............................ 2 無刷直流電機研究的意義 ............................ 3 無刷直流電機未來研究方向 .......................... 4 第 2 章 無刷直流電機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理 ................... 6 相比有刷直流電機無刷直流電機的主要特點 ............ 6 無刷直流電機的構(gòu)成 ................................ 6 工作原理 ......................................... 8 三相無刷直流電機逆變電路及其工作方式 .............. 9 脈寬調(diào)制（ PWM）技術(shù) .............................. 11 第 3 章 無刷直流電機控制系統(tǒng)總體設(shè)計 .................... 13 整體運行思路 ..................................... 13 系統(tǒng)總體框圖 ..................................... 13 基于 Matlab 的控制系統(tǒng) ............................ 14 圖 34 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 ...................................... 14 圖 36 電磁轉(zhuǎn)矩 Te .................................... 15 基于仿真波形的論述 ............................... 15 II 第 4 章 無刷直流電機控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計 .................. 16 各接口電路與所用芯片詳細(xì)功能及使用介紹 ........... 16 AT89C51 芯片的介紹 .......................... 16 單片機與鍵盤接口 ............................ 17 單片機與顯示數(shù)碼管接口 ...................... 19 無刷直流電機的驅(qū)動電路 ...................... 19 軟件部分 ........................................ 20 主程序流程圖如下： .......................... 21 鍵盤、顯示流程圖： .......................... 23 第 5 章 結(jié) 論 .......................................... 25 致 謝 .................................................. 26 參考文獻(xiàn) ............................................... 27 附錄 A： ................................................ 28 附錄 B: ................................................. 37 附錄 C 中文譯文 ......................................... 44 III 北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 第 1 頁 共 47 頁 第 1 章 緒 論 引言 隨著時代的變遷與科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，電機作為一種機電能量轉(zhuǎn)換及成為各種機械原動力的一種不可或缺的裝置，已被應(yīng)用到各個領(lǐng)域。 從 19 世紀(jì) 40 年代研制成功第一臺直流電機到現(xiàn)在，各種類電機應(yīng)運而生，同步電機、異步電機、開關(guān)磁阻電機等。本文將充分利用單片機的外圍電路少，運行穩(wěn)定可靠的特點，將其運用于無刷直流電機的控制，使得控制電機更加方便簡捷。其種類也是在隨著時代的變遷逐漸增加，以此來滿足軍事和民用領(lǐng)域的需求。這就使得它在一些高溫高壓要求比較嚴(yán)格的情況下不能使用。 科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，帶來了科技領(lǐng)域內(nèi)一系列科技成果，電力電子技術(shù) 領(lǐng)域中功率半導(dǎo)體和開關(guān)型晶體管都得到了大力的發(fā)展，為無刷直流電機的應(yīng)運而生創(chuàng)造了有力的條件并在日后得到大力推廣奠定了良好的基礎(chǔ)。 它由信號檢測、晶體開關(guān)和功率放大電路等幾部分構(gòu)成。但是它的缺點也很明顯，轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時，信號繞組內(nèi)就不會有周期性的感應(yīng)電動勢， 這樣的話晶體管就無法 導(dǎo)通，換向也就不能完成。 采用離心裝置的換向器或是將輔助磁鋼安放在定子上，雖然都可以保證電機可靠地啟動，但是相伴而來的仍然是比較大的負(fù)面問題， 加裝離心裝置換向器 致使電機結(jié)構(gòu)上變得復(fù)雜，這就會使日后的維修維護(hù)工作難以進(jìn)行，拆裝上的難題和機械結(jié)構(gòu)上的設(shè)計都會無形中增加高昂的成本。同時操作上也變得麻煩。從而找到了一條發(fā)展新型直流電機的路線。半導(dǎo)體技術(shù)的 快 速發(fā)展，使人們對 于 1879年美國人霍爾發(fā)現(xiàn)的霍爾效應(yīng) 產(chǎn)生 興趣，經(jīng)過多年的 不懈 努力 與研制 ，終于在1962 年成功 試制 了借助 于 霍爾元件（霍爾效應(yīng)轉(zhuǎn)子位置傳感器）來 完成 換相的無刷直流電 機。 1978 年，聯(lián)邦德國Mannesmann公司的 Indramat分部在漢諾威貿(mào)易展覽會上正式推出 MAC無刷直流電機及其驅(qū)動系統(tǒng)，這標(biāo)志著無刷直流電機真正進(jìn)入實用階段 [2]。 正是因為 永磁無刷電機具有 諸多優(yōu)點，因此已成為 目前微特電機發(fā)展 的 主流。它不僅僅繼承了現(xiàn)有交流電機和直流電機的優(yōu)點，而且自身還有獨特的特點。用置傳感器代替機械換向裝置的好處很突出，沒有了機械換向裝置產(chǎn)生的機械摩擦以及摩擦產(chǎn)生的火花，就大大減少了投入維護(hù)運行用的費用，而且從可靠安全的角度上考慮無刷直流電機可以用在高溫高壓等環(huán)境比較惡劣或者是要求比較嚴(yán)格的場合，這些都是以往應(yīng)用的電機所不具備的。這就為人類的工作提供了更加良好的工作環(huán)境，從環(huán)保的角度上考慮也是很好的。 早在 1964 年，無刷直流電機就被 美國國家航空航天局（ NASA）使用，用于衛(wèi)星姿態(tài)控制、太陽電池板的跟蹤控制、衛(wèi)星上泵的驅(qū)動等 [2]。所以永磁材料的研究與發(fā)展從某種程度上來說對無刷直流電機的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。 隨著電力半導(dǎo)體器件的更新與換代，從小功率晶體管，到大功率晶體管（ GTR）、金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（ MOSFET）、絕緣柵雙極性晶體管（ IGBT）等新型 開關(guān)器件的發(fā)展使得無刷直流電機的驅(qū)動電路更加簡單。 由上面的分析可以 看 出， 隨著時代的進(jìn)步與科學(xué)的發(fā)展無刷直流電機在今后的 社會發(fā)展中必定會逐漸成為主流，縱使它的出場成本依然昂貴，但是隨著永磁材料與電力電子微電子技術(shù)的穩(wěn)定發(fā)展，相信成本問題終將不會限制它的成長。 無刷直流電機未來研究方向 由于科技進(jìn)步，各行各業(yè)都有了飛速的發(fā)展。雖然無刷電動機有諸多的優(yōu)點，但是大部分都是基于特定的場合所 設(shè)計的，因此這就造成了現(xiàn)在沒有一款是通用的，所以只有試著從降低生產(chǎn)成本、提供更高的效率、生產(chǎn)自動化和規(guī)?；蟻砜朔@一缺點。 ? 集成芯片的投入使用不但很好的的減少了電子線路的復(fù)雜性 和發(fā)生危險的概率，更是減少了投入人工的維護(hù)，使得檢修與日常保養(yǎng)的工作量也減