【正文】 eversing 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目 錄目 錄 I第1章 緒 論 1 引言 1 無刷直流電機(jī)分類 1 無刷直流電機(jī)的研究背景 2 無刷直流電機(jī)研究的意義 3 無刷直流電機(jī)未來研究方向 4第2章 無刷直流電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理 6 相比有刷直流電機(jī)無刷直流電機(jī)的主要特點(diǎn) 6 無刷直流電機(jī)的構(gòu)成 6 工作原理 8 三相無刷直流電機(jī)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(jī)控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 13 整體運(yùn)行思路 13 系統(tǒng)總體框圖 13 14圖34 轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速 14圖36 電磁轉(zhuǎn)矩Te 15 15第4章 無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì) 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 17 19 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 44III北方民族大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文第1章 緒 論 引言隨著時(shí)代的變遷與科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，電機(jī)作為一種機(jī)電能量轉(zhuǎn)換及成為各種機(jī)械原動(dòng)力的一種不可或缺的裝置，已被應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域。從19世紀(jì)40年代研制成功第一臺(tái)直流電機(jī)到現(xiàn)在，各種類電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生，同步電機(jī)、異步電機(jī)、開關(guān)磁阻電機(jī)等。本文將充分利用單片機(jī)的外圍電路少，運(yùn)行穩(wěn)定可靠的特點(diǎn)，將其運(yùn)用于無刷直流電機(jī)的控制，使得控制電機(jī)更加方便簡(jiǎn)捷。其種類也是在隨著時(shí)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?？茖W(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(jī)的應(yīng)運(yùn)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(hào)檢測(cè)、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(diǎn)也很明顯，轉(zhuǎn)子不轉(zhuǎn)時(shí)，信號(hào)繞組內(nèi)就不會(huì)有周期性的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，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(jī)可靠地啟動(dòng)，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(jī)結(jié)構(gòu)上變得復(fù)雜，這就會(huì)使日后的維修維護(hù)工作難以進(jìn)行，拆裝上的難題和機(jī)械結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)都會(huì)無形中增加高昂的成本。同時(shí)操作上也變得麻煩。從而找到了一條發(fā)展新型直流電機(jī)的路線。半導(dǎo)體技術(shù)的快速發(fā)展，使人們對(duì)于1879年美國(guó)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(jī)。1978年，聯(lián)邦德國(guó)Mannesmann公司的Indramat分部在漢諾威貿(mào)易展覽會(huì)上正式推出MAC無刷直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，這標(biāo)志著無刷直流電機(jī)真正進(jìn)入實(shí)用階段[2]。正是因?yàn)橛来艧o刷電機(jī)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，因此已成為目前微特電機(jī)發(fā)展的主流。它不僅僅繼承了現(xiàn)有交流電機(jī)和直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)，而且自身還有獨(dú)特的特點(diǎn)。用置傳感器代替機(jī)械換向裝置的好處很突出，沒有了機(jī)械換向裝置產(chǎn)生的機(jī)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(yùn)行用的費(fèi)用，而且從可靠安全的角度上考慮無刷直流電機(jī)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(chǎng)合，這些都是以往應(yīng)用的電機(jī)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(jī)就被美國(guó)國(guó)家航空航天局（NASA）使用，用于衛(wèi)星姿態(tài)控制、太陽(yáng)電池板的跟蹤控制、衛(wèi)星上泵的驅(qū)動(dòng)等[2]。所以永磁材料的研究與發(fā)展從某種程度上來說對(duì)無刷直流電機(jī)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(chǎng)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(jī)的驅(qū)動(dòng)電路更加簡(jiǎn)單。由上面的分析可以看出，隨著時(shí)代的進(jìn)步與科學(xué)的發(fā)展無刷直流電機(jī)在今后的社會(huì)發(fā)展中必定會(huì)逐漸成為主流，縱使它的出場(chǎng)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(huì)限制它的成長(zhǎng)。 無刷直流電機(jī)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(dòng)機(jī)有諸多的優(yōu)點(diǎn)，但是大部分都是基于特定的場(chǎng)合所設(shè)計(jì)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(dòng)化和規(guī)?；蟻砜朔@一缺點(diǎn)。 鑒于流水線生產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用與工廠自動(dòng)化程度的提高，可以大規(guī)模的成批量的生產(chǎn)電機(jī)的零件，即高效又省時(shí)從而一定程度上節(jié)約了制作成本。 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(xiǎn)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)的工作量也減少了，這也從另一個(gè)角度降低了成本。216。各公司也相繼開發(fā)出了控制電機(jī)的專用集成芯片，所以在未來一定還會(huì)有多種多樣的芯片問世，他們將會(huì)更加高度集成化，使用起來將會(huì)更加便捷。 雖然無刷直流電機(jī)有這樣或是那樣的優(yōu)點(diǎn)，但是科技在發(fā)展，時(shí)代在進(jìn)步，雖然克服了機(jī)械換向所帶來的一系列的問題，并不能說明他就是一直適用的。相信未來電機(jī)結(jié)構(gòu)會(huì)更加簡(jiǎn)單，檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)的技術(shù)會(huì)越來多，方便實(shí)用。第2章 無刷直流電機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理 相比有刷直流電機(jī)無刷直流電機(jī)的主要特點(diǎn)1. 因?yàn)槭请娮泳€路實(shí)現(xiàn)換向，所以就沒有了機(jī)械換向時(shí)所產(chǎn)生的機(jī)械磨損和火花的問題，由此工作壽命就得以延長(zhǎng)。3. 轉(zhuǎn)子損耗幾乎沒有，沒有了機(jī)械換向的摩擦就一定程度上削弱了震動(dòng)，噪聲問題也就隨之解決。 無刷直流電機(jī)的構(gòu)成和有刷直流電機(jī)一樣無刷直流電機(jī)同樣有轉(zhuǎn)子和定子，不同的是有刷直流電機(jī)是將主磁極和電無 刷 直 流 電 機(jī)電 機(jī) 主 體位 置 傳 感 器電 子 換 向 線 路圖21 無刷直流電機(jī)主體圖刷安裝在定子上，將電樞繞組安裝在轉(zhuǎn)子上。內(nèi)部裝有感受位置變化的霍爾元件，通過霍爾元件檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置變化，轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后將信號(hào)給到電子換向線路，然后順序改變功率管的導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。定子部分就是指電機(jī)不運(yùn)動(dòng)的部分，基座、定子繞組，轉(zhuǎn)子部分就是電機(jī)啟動(dòng)后在運(yùn)轉(zhuǎn)的那一部分，帶有永磁體的鐵心部分。定子是由霍爾元件按照一定的間隔平均的安裝在位置傳感器定子上，轉(zhuǎn)子和電機(jī)主轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)來檢測(cè)主轉(zhuǎn)子位置。3. 電子換相當(dāng)定子繞組通電時(shí)，電流就會(huì)流經(jīng)繞組，周圍就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)。由位置傳感器感受轉(zhuǎn)子位置轉(zhuǎn)換的電信號(hào)控制功率開關(guān)相應(yīng)的流通，就會(huì)是繞組變換導(dǎo)通相，形成變化的磁場(chǎng)。實(shí)現(xiàn)了電子換向線路代替機(jī)械換向。由于有換向器的存在通過線圈的電流始終不會(huì)改變方向，這樣在線圈上就會(huì)有連續(xù)的力矩，這樣就是轉(zhuǎn)子線圈連續(xù)的運(yùn)轉(zhuǎn)起來了。當(dāng)定子上的線圈通有直流電后會(huì)產(chǎn)生不變的磁場(chǎng)，這個(gè)磁場(chǎng)不能與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的磁場(chǎng)始終形成一個(gè)電角度來產(chǎn)生力矩推動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，這就要求定子上通電后要產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，可以和轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)在360176。通過位置傳感器感受轉(zhuǎn)子位置產(chǎn)生不同的邏輯信號(hào)，改變邏輯開關(guān)組成的電路中功率管的導(dǎo)通以此改變定子繞組通電相來實(shí)現(xiàn)磁場(chǎng)的變化，致使轉(zhuǎn)子永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)和繞組換相導(dǎo)通的磁場(chǎng)始終保持一個(gè)90176。 三相無刷直流電機(jī)逆變電路及其工作方式 基于以上闡述的原理，接下來我們就來討論功率管的導(dǎo)通所帶來的繞組換向問題及由功率管所構(gòu)成的逆變電路。圖26 無刷直流電機(jī)逆變電路如圖26所示，圖為現(xiàn)代無刷直流電機(jī)最常用的三相全橋逆變電路。電機(jī)采用三相Y型連接方式。導(dǎo)通方式和180176。下面就兩種主要導(dǎo)通方式進(jìn)行論述和分析。導(dǎo)通方式所謂120176。而且正相導(dǎo)通的一相與反相導(dǎo)通的一相其相間相位差也是120176。首先以A相為基準(zhǔn)，AB兩相導(dǎo)通時(shí)，電流從T1管流過經(jīng)A相B相繞組再?gòu)腡6管流回，電流從A相正向流過從B相反向流過。接下來以B相為基準(zhǔn)，電流從T3管流過經(jīng)B相C相繞組再?gòu)腡2管流回，電流從B相正向流過從C相反向流回，從BC相換到BA相，電流還是從T3管流過經(jīng)B相A相再?gòu)腡4管流回，電流從B相正向流過從A反向流回。從CA相換到CB相，電流從T5管經(jīng)C相B相再?gòu)腡6管流回，電流從C相正向流過從B相反向流過。三相繞組的變換順序不會(huì)改變從ABACBCBACACB。三相全橋逆變電路有6個(gè)狀態(tài)，6個(gè)狀態(tài)角，每個(gè)狀態(tài)角都是60176。導(dǎo)通方式180176。電流正向流過A相，首先電流從CA兩相正向流過，最后反向流過B相。然后電流從AB兩相正向流過，最后反向流過C相。電流從BC兩相正向流過，最后從A相反向流過。其狀態(tài)表示為CA/BA/BCAB/CB/CABC/AC/AB。此外，根據(jù)直流側(cè)電源性質(zhì)的不同可分為兩種：直流側(cè)是電壓源的稱為電壓型逆變電路，直流側(cè)是電流源的稱為電流型逆變電路。 (2)由于直流電壓源的鉗位作用，交流側(cè)電壓波形為矩形波，并且與阻抗角無關(guān)，而交流側(cè)電流波形和相位因負(fù)載阻抗角而異。 脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)脈寬調(diào)制（PWM）是利用數(shù)字輸出對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種有效技術(shù)，尤其是在對(duì)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方面，可大大節(jié)省能量。PWM（脈沖寬度調(diào)制）是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，改變負(fù)載兩端的電壓，從而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。在PWM驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來接通和斷開電源，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(zhǎng)短。也正因?yàn)槿绱?，PWM又被稱為“開關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置”。圖27 PWM占空比原理圖占空比是指，信號(hào)在一個(gè)周期內(nèi)持續(xù)的高電平時(shí)間占整個(gè)周期的時(shí)間比。嚴(yán)格意義上說來，電機(jī)平均轉(zhuǎn)速Va與占空比并不成線性關(guān)系，但是這里我們可以將它們近似的看成線性關(guān)系。由控制芯片提供六路PWM波，通過位置傳感器感受轉(zhuǎn)子的位置變化并將其轉(zhuǎn)化后的電信號(hào)反饋到控制芯片中，控制芯片對(duì)此作出判斷，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片IR2110以此控制相對(duì)應(yīng)的功率管按照既定的方式導(dǎo)通，使得定子繞組產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)，產(chǎn)生推動(dòng)轉(zhuǎn)子連續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)矩。負(fù)載突增時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速下降，圖35中的相電流周期增大，電流增大引起轉(zhuǎn)矩增大，以平衡負(fù)載轉(zhuǎn)矩。負(fù)載突降時(shí)，轉(zhuǎn)速會(huì)上升，電壓和電流波形的周期會(huì)變短，電流和轉(zhuǎn)矩的幅值以及波動(dòng)程度都會(huì)變小。仿真結(jié)果表明無刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩波動(dòng)較大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程較快?！癆T”表示由Atmel公司生產(chǎn)，“C”表示CMOS工藝，“LV”表示低電壓，“S”表示這種器件含可以下載的Flash存儲(chǔ)器。AT89C51引腳圖如圖41所示。u P1（~）口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端口，驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載。u P3（~）口是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O端，可以驅(qū)動(dòng)4個(gè)LSTTL負(fù)載。圖42 系統(tǒng)鍵盤接口 本系統(tǒng)使用最簡(jiǎn)單的2*3矩陣鍵盤實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的操作，鍵盤結(jié)構(gòu)如圖43所示：圖4 3鍵盤結(jié)構(gòu)各鍵對(duì)應(yīng)的功能和鍵值如表1：表1 各鍵對(duì)應(yīng)功能和鍵值：鍵位功能鍵值S1啟動(dòng)/制動(dòng)0XA0S2▲0X90S3正反轉(zhuǎn)0X88S4?0X60S5▼0X50S6?0X48各鍵詳細(xì)功能如下： S1：?jiǎn)?dòng)系統(tǒng)。S4和S6：系統(tǒng)運(yùn)行期間，若按下S4或S6，系統(tǒng)進(jìn)入調(diào)速狀態(tài)，此時(shí)4位數(shù)碼管從左邊第一位開始閃爍，代表當(dāng)前位，若5S內(nèi)鍵盤沒輸入，則自動(dòng)確認(rèn)當(dāng)前輸入值，通過調(diào)速達(dá)到設(shè)定值。 S3：正反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)機(jī)的反轉(zhuǎn)。由于無刷直流電機(jī)是三相繞組Y型接法，逆變電路采用的是六個(gè)MOSFET功率管驅(qū)動(dòng)，因此需要單片機(jī)產(chǎn)生六路PWM波，因此需要三片