基于单片机的无刷直流电动机控制系统设计.docx

基于单片机的无刷直流电动机控制系统设计.docx

《基于单片机的无刷直流电动机控制系统设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于单片机的无刷直流电动机控制系统设计.docx（21页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

基于单片机的无刷直流电动机控制系统设计

基于单片机的无刷直流电动机控制系统设计

摘要

基于单片机的无刷直流电动机控制系统,主要由无刷直流电动机、单片机和驱动主回路构成,其控制核心是C515C单片机。

该单片机主要完成位置传感器信号的采集,电动机换相信号的输出,电动机转速的测量,以及数字PWM调速信号的输出,电流的采集等功能。

并通过软件编程实现速度的PI调节,构成电动机转速闭环控制系统。

电动机驱动电路采用的是具有开关速度快、损耗低、驱动功率小的MOSFET管构成的全桥式控制方式。

该系统的特点就是结构简单,实现了全数字式控制,在运行中获得了良好的动静态性能。

关键词：

无刷直流电动机，单片机，PWM控制

ABSTRACT

ThecontrolsystemofbrushlessDCmotorwithsinglechipmicrocontrollerisintroduced.ThesystemconsistsofbrushlessDCmotor,singlechipmicrocontrolleranddrivecircuitwithC515Casthecontrollingcore.Theacquisitionofpositionsensorsignals,theoutputofchangephasesignals,themeasurementofspeedofthemotor,outputofthedigitalPWMandA/Dconversionofthemotor'scurrentarecompletedbyC515C.ThespeedPImodulationisrealizedbythesoftware.ThePIrealizesthecloseloopcontrolofthespeed.Inaddition,the3phasefullcontrolbridgeofMOSFETtube,withhighswitchspeed,lowdepreciationandlowdrivepower,isusedinpowerdrivecircuit.Themainpropertiesofthecontrolsystemare:

simplestructure,digitalcontrol,andgooddynamicandstaticproperties.

KEYWORDS：

brushlessDCmotor;singlechipmicrocontroller;PWMcontrol

一、前言（绪论、引言）1

1.1选题背景1

1.2研究背景1

1.3研究目标1

二、国内外现状1

2.1无刷直流电机的发展现状1

2.2单片机的发展现状3

2.2.1内部结构的进步3

2.2.2功耗、封装及电源电压的进步3

2.2.3工艺上的进步4

三、设计原理4

3.1无刷直流电动机简介4

3.2无刷直流电动机的基本工作原理5

3.3无刷直流电动机的换相原理5

3.4单片机简介6

3.5单片机的硬件特性6

四、设计方案7

4.1系统硬件设计7

4.2转子位置检测7

4.3换相控制8

4.4转速的测量和控制8

4.5转速设定8

4.6电流限制8

4.7正反转控制9

4.8系统软件设计9

五、实验结果及结论11

5.1结论与不足11

5.2总结12

致谢13

参考文献13

第1章绪论

一、前言

1.1选题背景

模拟器件有本质的缺陷；元器件特征参数受温度影响；器件的老化；不便于维护、无法升级。

随着微处理器性能的不断提高，以单片机为核心的数字控制系统正逐渐应用于无刷直流电动机的控制，并取得了非常好的效果。

它终将取代模拟控制系统。

1.2研究背景

这种电机结构简单，运行可靠，没有火花，电磁噪声低，广泛应用于现代生产设备、仪器仪表、计算机外围设备和高级家用电器。

无刷直流电机利用电子换向器取代了传统直流电机中的机械电刷和机械换向器，因此不仅保留了直流电动机运行效率高和调速性能好等优点，又具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点。

由于不受机械换向限制，易于做到大容量、高转速，目前在航天、军工、数控、冶金、医疗器械等领域已得到大量应用。

1.3研究目标

直流电动机的机械电刷和换向器因强迫性接触,造成其结构复杂、可靠性差、变化的接触电阻、火花、噪声等一系列问题,影响了直流电动机的调速精度和性能。

随着电子技术、功率元件技术和高性能的磁性材料制造技术的发展,无刷直流电动机利用电子换向器取代了机械电刷和机械换向器,因此,使这种电动机不仅保留了直流电动机的优点,而且又具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等优点。

在宇航、军事设施领域及工业和民用领域都得到了广泛的应用。

无刷直流电动机是伴随着数字控制技术而产生和发展起来的,因此,采用单片机为主的数字控制是无刷直流电动机的主要控制手段之一。

二、国内外现状

2.1无刷直流电机的发展现状

无刷直流电动机是近年来随着电子技术的迅速发展而发展起来的一种新型直流电动机。

它是现代工业设备、现代科学技术和军事装备中的重要的机电元件之一。

无刷直流电动机是在有刷电动机的基础上发展起来的。

无刷直流电动机是一种能够长期处于起动（堵转）状态下工作的低转速、大转矩的执行元件,是由伺服电动机和驱动电动机结合起来发展而成的特殊电机。

该电动机可以不经过齿轮减速而直接驱动负载,这样不仅可以省去复杂的减速机构,同时还能够消除齿轮间隙引起的误差,因此,该电动机除了具有反应速度快、转矩和转速波动小、能在很低转速下稳定运行、机械特性和调节特性线性度好等优点之外,还具有精度高的特点。

本系列电机的特性使其适用于卷绕，开卷、堵转和调速等场合及其他用途，被广泛应用于纺织、电线电缆、金属加工、造纸、橡胶、塑料以及印刷机械等工业领域。

直流无刷电动机一般由电子换相电路、转子位置检测电路和电动机本体三部分组成，电子换相电路一般由控制部分和驱动部分组成，而对转子位置的检测一般用位置传感器来完成。

工作时，控制器根据位置传感器测得的电机转子位置有序的触发驱动电路中的各个功率管，进行有序换流，以驱动直流电动机。

从无刷电动机的三个部分对其发展进行分析。

电动机本体：

无刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动机基本一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子采用的重量、简化了结构、提高了性能，使其可靠性得以提高。

无刷电动机的发展与永磁材料的发展是分不开的，磁性材料的发展过程基本上经历了以下几个发展阶段：

铝镍钴，铁氧体磁性材料，钕铁硼（NdFeB）。

钕铁硼有高磁能积，它的出现引起了磁性材料的一场革命。

第三代钕铁硼永磁材料的应用，进一步减少了电机的用铜量，促使无刷电机向高效率、小型化、节能的方向发展。

目前，为提高电动机的功率密度，出现了横向磁场永磁电机，其定子齿槽与电枢线圈在空间位置上相互垂直，电机中的主磁通沿电机轴向流通，这种结构提高了气隙磁密，能够提供比传统电机大得多的输出转矩。

该类型电机正处于研究开发阶段。

电子换相控制电路：

无刷直流电动机通过控制驱动电路中的功率开关器件，来控制电机的转速、转向、转矩以及保护电机，包括过流、过压、过热等保护。

控制电路最初采用模拟电路，控制比较简单。

如果将电路数字化，许多硬件工作可以直接由软件完成，可以减少硬件电路，提高其可靠性，同时可以提高控制电路抗干扰的能力，因而控制电路由模拟电路发展到数字电路。

目前，控制电路一般有专用集成电路、微处理器和数字信号处理器等三种组成形式。

对电机控制要求不高的场合，由专业集成电路组成控制电路是简单实用的方法；由于数字信号处理器运算快，外围电路少，系统组成简单、可靠，使得直流无刷电动机的组成大为简化，性能大大改进，有利于电机的小型化和智能化，因而数字信号处理器是控制电路发展的方向。

驱动电路：

驱动电路输出电功率，驱动电动机的电枢绕组，并受控于控制电路。

驱动电路由大功率开关器件组成。

正是由于晶闸管的出现，直流电动机才从有刷实现到无刷的飞跃。

但由于晶闸管是只具备控制接通，而无自关断能力的半控性开关器件，其开关频率较低，不能满足无刷直流电动机性能的进一步提高。

随着电力电子技术的飞速发展，出现了全控型的功率开关器件，其中有可关断晶体管（GTO）、电力场效应晶体管（MOSFET）、金属栅双极性晶体管IGBT模块、集成门极换流晶闸管（IGCT）及近年新开发的电子注入增强栅晶体管（IEGT）。

随着这些功率器件性能的不断提高，相应的无刷电动机的驱动电路也获得了飞速发展。

目前，全控型开关器件正在逐渐取代线路复杂、体积庞大、功能指标低的普通晶闸管，驱动电路已从线性放大状态转换为脉宽调制的开关状态，相应的电路组成也由功率管分立电路转成模块化集成电路，为驱动电路实现智能化、高频化、小型化创造了条件。

转子位置检测电路：

永磁无刷电动机是一闭环的机电一体化系统，它是通过转子磁极位置信号作为电子开关线路的换相信号，因此，准确检测转子位置，并根据转子位置及时对功率器件进行切换，是无刷直流电动机正常运行的关键。

用位置传感器来作为转子的位置检测装置是最直接有效的方法。

一般将位置传感器安装于转子的轴上，实现转子位置的实时检测。

最早的位置传感器是磁电式的，既笨重又复杂，已被淘汰；目前磁敏式的霍尔位置传感器广泛应用于无刷直流电动机中，另外还有光电式的位置传感器。

位置传感器的存在，增加了无刷直流电动机的重量和结构尺寸，不利于电机的小型化；旋转时传感器难免有磨损，且不易维护；同时，传感器的安装精度和灵敏度直接影响电机的运行性能；另一方面，由于传输线太多，容易引入干扰信号；由于是硬件采集信号，更降低了系统的可*性。

为适应无刷电动机的进一步发展，无位置传感器应运而生，它一般利用电枢绕组的感应反电动势来间接获得转子磁极位置，与直接检测法相比，省去了位置传感器，简化了电动机本体结构，取得了良好的效果，并得到了广泛的应用。

但对于靠反电动势进行位置检测的无位置传感器无刷电动机，由于静止时不产生反电动势，因而如何顺利启动是该电机需要解决的问题。

近年，有人提出了一种新的无位置传感器的无刷电动机，它不是利用反电动势来检测转子位置，而是通过贴于转子表面的非磁性导电材料，利用定子绕组高频开关工作时非磁性材料上的涡流效应，使开路相电压的大小随转子位置而变化，从而可通过检测开路相电压来判断转子位置，这种无位置传感器的无刷电动机克服了一般无位置无刷电动机的启动和低速运行问题，但该方法需要特殊的电机，对电机的制造工艺提出很高的要求。

2.2单片机的发展现状

数字单片机的技术发展：

数字单片机的技术进步反映在内部结构、功率消耗、外部电压等级以及制造工艺上。

在这几方面，较为典型地说明了数字单片机的水平。

在目前，用户对单片机的需要越来越多，但是，要求也越来越高。

下面分别就这四个方面说明单片机的技术进步状况。

2.2.1内部结构的进步

单片机在内部已集成了越来越多的部件，这些部件包括一般常用的电路，例如：

定时器，比较器，A/D转换器，D/A转换器，串行通信接口，Watchdog电路，LCD控制器等。

有的单片机为了构成控制网络或形成局部网，内部含有局部网络控制模块CAN。

例如，Infineon公司的C505C，C515C，C167CR，C167CS-32FM，81C90；Motorola公司的68HC08AZ系列等。

特别是在单片机C167CS-32FM中，内部还含有2个CAN。

因此，这类单片机十分容易构成网络。

特别是在控制，系统较为复杂时，构成一个控制网络十分有用。

为了能在变频控制中方便使用单片机，形成最具经济效益的嵌入式控制系统。

有的单片机内部设置了专门用于变频控制的脉宽调制控制电路，这些单片机有Fujitsu公司的MB89850系列、MB89860系列；Motorola公司的MC68HC08MR16、MR24等。

在这些单片机中，脉宽调制电路有6个通道输出，可产生三相脉宽调制交流电压，并内部含死区控制等功能。

特别引人注目的是：

现在有的单片机已采用所谓的三核（TrCore）结构。

这是一种建立在系统级芯片（Systemonachip）概念上的结构。

这种单片机由三个核组成：

一个是微控制器和DSP核，一个是数据和程序存储器核，最后一个是外围专用集成电路（ASIC）。

这种单片机的最大特点在于把DSP和微控制器同时做在一个片上。

虽然从结构定义上讲，DSP是单片机的一种类型，但其作用主要反映在高速计算和特殊处理如快速傅立叶变换等上面。

把它和传统单片机结合集成大大提高了单片机的功能。

这是目前单片机最大的进步之一。

这种单片机最典型的有Infineon公司的TC10GP；Hitachi公司的SH7410，SH7612等。

这些单片机都是高档单片机，MCU都是32位的，而DSP采用16或32位结构，工作频率一般在60MHz以上。

2.2.2功耗、封装及电源电压的进步

现在新的单片机的功耗越来越小，特别是很多单片机都设置了多种工作方式，这些工作方式包括等待，暂停，睡眠，空闲，节电等工作方式。

Philips公司的单片机P87LPC762是一个很典型的例子，在空闲时，其功耗为1.5mA，而在节电方式中，其功耗只有0.5mA。

而在功耗上最令人惊叹的是TI公司的单片机MSP430系列，它是一个16位的系列，有超低功耗工作方式。

它的低功耗方式有LPM1、LPM3、LPM4三种。

当电源为3V时，如果工作于LMP1方式，即使外围电路处于活动，由于CPU不活动，振荡器处于1～4MHz，这时功耗只有50mA。

在LPM3时，振荡器处于32kHz，这时功耗只有1.3mA。

在LPM4时，CPU、外围及振荡器32kHz都不活动，则功耗只有0.1mA。

现在单片机的封装水平已大大提高，随着贴片工艺的出现，单片机也大量采用了各种合符贴片工艺的封装方式出现，以大量减少体积。

在这种形势中，Microchip公司推出的8引脚的单片机特别引人注目。

这是PIC12CXXX系列。

它含有0.5～2K程序存储器，25～128字节数据存储器，6个I/O端口以及一个定时器，有的还含4道A/D，完全可以满足一些低档系统的应用。

扩大电源电压范围以及在较低电压下仍然能工作是今天单片机发展的目标之一。

目前，一般单片机都可以在3.3～5.5V的条件下工作。

而一些厂家，则生产出可以在2.2～6V的条件下工作的单片机。

这些单片机有Fujitsu公司的MB89191～89195，MB89121～125A，MB89130系列等，应该说该公司的F2MC-8L系列单片机绝大多数都满足2.2～6V的工作电压条件。

而TI公司的MSP430X11X系列的工作电压也是低达2.2V的。

2.2.3工艺上的进步

现在的单片机基本上采用CMOS技术，但已经大多数采用了0.6nm以上的光刻工艺，有个别的公司，如Motorola公司则已采用0.35nm甚至是0.25nm技术。

这些技术的进步大大地提高了单片机的内部密度和可靠性。

单片机的另外一个名称就是嵌入式微控制器，原因在于它可以嵌入到任何微型或小型仪器或设备中。

目前，把单片机嵌入式系统和Internet连接已是一种趋势。

但是，Internet一向是一种采用肥服务器，用户机的技术。

这种技术在互联上存储及访问大量数据是合适的，但对于控制嵌入式器件就成了"杀鸡用牛刀"了。

要实现嵌入式设备和Internet连接，就需要把传统的Internet理论和嵌入式设备的实践都颠倒过来。

为了使复杂的或简单的嵌入式设备，例如单片机控制的机床、单片机控制的门锁，能切实可行地和Internet连接，就要求专门为嵌入式微控制器设备设计网络服务器，使嵌入式设备可以和Internet相连，并通过标准网络浏览器进行过程控制。

目前，为了把单片机为核心的嵌入式系统和Internet相连，已有多家公司在进行这方面的较多研究。

这方面较为典型的有emWare公司和TASKING公司。

第2章方案论证

三、设计原理

3.1无刷直流电动机简介

直流无刷电机:

又称“无换向器电机交一直一交系统”或“直交系统”。

是将交流电源整流后变成直流，再由逆变器转换成频率可调的交流电,但是,注意此处逆变器是工作在直流斩波方式。

无刷直流电动机BrushlessDirectCurrentMotor,BLDC,采用方波自控式永磁同步电机,以霍尔传感器取代碳刷换向器,以钕铁硼作为转子的永磁材料;产品性能超越传统直流电机的所有优点,同时又解决了直流电机碳刷滑环的缺点,数字式控制,是当今最理想的调速电机。

   无刷直流电动机具有上述的三高特性,非常适合使用在24小时连续运转的产业机械及空调冷冻主机、风机水泵、空气压缩机负载;低速高转矩及高频繁正反转不发热的特性，更适合应用于机床工作母机及牵引电机的驱动;其稳速运转精度比直流有刷电机更高,比矢量控制或直接转矩控制速度闭环的变频驱动还要高,性能价格比更好,是现代化调速驱动的最佳选择。

本系统所使用的是三相两极三角型连接的无刷直流电动机。

下面主要以此为例介绍一下无刷直流电动机的基本工作原理无刷直流电动机由电动机本体、转子位置传感器、电子开关线路和驱动电路4部分组成,是一种典型的机电一体化产品,其原理框图如图1所示。

图中,直流电源通过开关电路和驱动电路向电动机定子绕组供电,位置传感器随时检测到转子位置,并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止,从而实现了电子换向。

3.2无刷直流电动机的基本工作原理

无刷直流电动机由同步电动机和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。

同步电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。

而转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。

驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：

接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等

   无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论转子的起始位置处在何处，电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩，因此转子上不需另设启动绕组。

   由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比，这正是他励直流电动机的电流—转矩特性。

   由于无刷直流电动机的励磁来源于永磁体，所以不象异步机那样需要从电网吸取励磁电流；由于转子中无交变磁通，其转子上既无铜耗又无铁耗，所以效率比同容量异步电动机高10%左右，一般来说，无刷直流电动机的力能指针（ηcosθ）比同容量异步电动机高12%-20%。

3.3无刷直流电动机的换相原理

无刷直流电动机的换相原理如图2所示。

随着转子永磁体的转动,作用于位置传感器的磁场方向N-S极交替变换,使位置传感器产生相位差120°的H1、H2、H3方波（请见图3）,产生有效的六状态编码信号:

101、100、110、010、011、001,通过逻辑组件处理产生T1,T4导通;T1,T6导通;T3,T6导通;T3,T2导通;T5,T2导通;T5,T4导通信号,这样转子每转过一转,T1-T6功率管即按固定组合成的6种状态依次导通。

3.4单片机简介

单片微型计算机简称单片机，是典型的嵌入式微控制器（MicrocontrollerUnit），常用英文字母的缩写MCU表示单片机，它最早是被用在工业控制领域。

单片机由芯片内仅有CPU的专用处理器发展而来。

最早的设计理念是通过将大量外围设备和CPU集成在一个芯片中，使计算机系统更小，更容易集成进复杂的而对体积要求严格的控制设备当中。

3.5单片机的硬件特性

1、单片机集成度高。

单片机包括CPU、4KB容量的ROM（8031无）、128B容量的RAM、2个16位定时/计数器、4个8位并行口、全双工串口行口。

2、系统结构简单，使用方便，实现模块化；

3、单片机可靠性高，可工作到10^6~10^7小时无故障；

4、处理功能强，速度快。

第3章设计方案

四、设计方案

4.1系统硬件设计

本系统是采用C515C单片机实现全数字式的无刷直流电动机控制系统,该系统主要包括无刷直流电动机、电动机驱动电路、C515C单片机控制系统等。

该控制系统主要的功能有电动机的换相控制、正/反转控制、制动控制、电动机转速的测量和闭环调速、电流限制等保护电路的设计。

系统硬件结构原理框图如图4所示。

该系统的核心部件是西门子公司生产的C515C单片机。

C515C单片机的资源丰富、功能强大,其主要特点是:

利用比较功能可以方便地输出PWM（pulsewidthmodulation）信号,大大地减少了CPU的占用时间;利用捕获功能可对电动机的转速进行准确的测量。

C515C具有丰富的中断资源和3种通用的通信接口（USART接口,SSC接口和CAN接口）;而且,该芯片内部集成了10位的A/D转换器和64kB的外部程序存储器和数据存储器等。

该单片机的使用,大大简化了系统的硬件设计和软件设计。

C515C单片机的P1.0,P1.2,P1.3,P1.4,P3.2,P3.3,6个口作为输入口,采集位置传感器信号,同时也作为中断源控制电动机换相。

P5口作为输出口,通过门电路（7426）控制驱动电路的上下桥臂的MOSFET管。

P1.1作为PWM输出口,对电动机的转速进行调制。

P4.0输出高低电平控制电动机的起停。

电机驱动电路如图2所示,采用MOSFET管搭成的三相全控桥。

下面介绍一下该单片机控制系统所能实现的主要功能。

4.2转子位置检测

本系统利用3个霍尔传感器来检测转子位置。

电机在正常运转时,通过霍尔传感器可得到如图3所示的位置信号H1,H2,H3,在每一周内有6个强制换相点,将这3路信号分别输入到单片机C515C的6个外部中断,其中CC0,CC2,CC3是上升沿中断,INT0,INT1,INT2是下降沿中断,这样可实现电动机每转过60º电角度就产生一次中断,即可方便地得到转子位置,而无需附加任何硬件电路。

4.3换相控制

本系统采用的是三相三角型联结,驱动主回路采用二二导通方式,共有6种导通状态,转子每转60°变换一种状态。

导通状态的转换通过软件来完成,即根据位置传感器的输出信号H1,H2,H3,不断地取相应的控制字送P5口来实现。

位置传感器信号与控制字组成的换相真值表如表1所列。

4.4转速的测量和控制

C515C单片机可通过初始化设置自动地发出PWM脉冲波,通过改变脉冲宽度来控制电枢的通电电流,实现转速的控制。

本系统中,通过P1.1口比较输出功能输出PWM脉冲,该脉冲信号控制与非门7426的B输入端。

当P1.1口输出低电平时,使与非门输出高电平,驱动电路中上侧的MOSFET管T1,T3,T5被封锁;当P1.1口输出高电平时,与非门的输出状态取决于单片机的控制字,MOSFET管T1,T3,T5的导通与截止按正常换相状态进行。

利用位置传感器的输出信号作为电动机速度的测量信号,转速的测量主要是通过C515C单片机P1.2口的捕获功能来实