基于单片机的无刷直流电机控制系统的研究与设计_毕业设计论文

(2)电路中开关器件的作用仅是改变直流电流的流通路径，因此交流侧输出电流为矩形波，并且与负载阻抗角无关。而交流侧输出电压波形和相位则因为负载阻抗情况不同而不同。

(3)当交流侧为阻感负载时需要提供无功功率，直流侧电感起缓冲无功能量的作用。因为反馈无功能量时电流并不反向，因此不必想电压型逆变电路那样给开关器件反并联二极管。

2.2.2本系统采用电压型逆变电路

电压型逆变电路的逆变器输出电压波形为矩形波，输出电流波形近似正弦波。电压型逆变电路对功率开关管的耐压要求比电流型逆变电路的要低，更容易实现。对于电机类感性负载，我们期望电流波形接近正弦波，所以这次设计采用电压型逆变电路。

2.3 控制系统的控制芯片选型

2.3.1 LS芯片简介

本次设计采用长沙柯珞微电子科技有限公司生产的LS052Ax系列MCU（单片机），该单片机是该公司设计、生产的高性能8位系列MCU，其指令系统与MCS-51兼容，内部功能、引脚功能、引脚排列以及引脚的电气特性与AT89S52基本兼容。LS052A系列MCU采用新型的发明专利技术L体系结构技术实现了多核并发处理引擎，支持同时并发地执行三道程序。

2.3.2 LS主要功能特性

LS052Ax片内包含2K～64K字节程序存储器(Flash)，1K～16K字节数据存储器(SRAM)，4个16位定时/计数器，16个中断源/两级中断机制，并发三道处理引擎，36个I/O端口驱动器，2个全双工串行通信端口，1个SPI主从模式通信端口，2个I2C主从模式通信端口，1个一线通信主模式通信端口，7通道空间矢量SVPWM，4/8路10位精度ADC，1个可编程看门狗，振荡器及时钟电路。

LS052Ax的工作频率为0Hz～40MHz，并支持空闲1，空闲2和掉电三种软件可设置的节电工作方式。空闲方式1仅停止CPU的工作，但维持SRAM、定时器/计数器、串行通信口等外设机制继续工作；空闲方式2停止振荡器工作，切断片内所有时钟，SRAM中的内容维持不变。掉电模式切断片内所有供电线路，仅维持唤醒值班模块工作，SRAM中的内容维持不变，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

LS052Ax采用新型的发明专利技术-L体系结构技术，实现了多核多任务并行处理，可以只运行单道程序，也可同时执行关联或非关联的三道程序。执行1道程序的性能是兼容芯片的1.97倍，同时执行三道程序的处理能力最高可达到兼容芯片的5.85倍。 ? 新型体系结构－L结构

? 3核并发处理引擎，可并发执行3道程序

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 指令兼容MCS-51

每个指令周期为6个时钟周期

2～64KB 内部Flash程序存储器，20000次擦写周期 2～16KB内部SRAM

宽电压：1.8～5.5V工作电压 0Hz～40MHz工作频率 两级程序存储器加密机制

36个可编程I/O端口，20mA吸入电流，可直接驱动LED 2级中断机制

16个中断源，2～4个外部中断 4个16位定时器/计数器 2个全双工UART通信端口

空间矢量PWM(SVPWM), 3相双向6路，1路启停控制 4/8路10位精度ADC，转换速率200KBPS 1个可编程看门狗 支持自编程功能 SPI编程接口

温度范围：－45 ℃～＋85℃

2.3.3本次设计选用该芯片的缘由

本次设计的控制芯片是由xxx有限公司提供的，该公司是LS系列芯片的西北代理，该公司经理介绍，这款芯片是一款51内核的8位单片机，但其性能远远超越51单片机，在某种程度上可以和DSP等控制芯片媲美，可以满足本次设计的要求，更重要的是它的价格很低，具有很大的发展潜力。

2.4 系统控制策略分析论证

2.4.1 无刷直流电机的控制方法

a. 有位置传感器控制方式

有位置传感器控制方式，指在无刷直流电机定子上安装位置传感器来检测转子在运转过程中的位置，将转子磁极的位置信号转换成电信号，为电子换相电路提供正确的换相信息，来控制电子换相电路中的功率器件的开关状态，保证电机各相绕组按顺序导通，在空间形成跳跃式的旋转磁场，驱动永磁转子连续不断地旋转。霍尔位置传感器是目前比较成熟的IC器件，具有体积小、简单可靠、安装灵活方便、易于实现机电一体化等优点，是目前应用最为广泛的位置传感器。

b. 无位置传感器控制方式

无位置传感器控制方式是指无刷直流电机不直接安装转子位置传感器，但在电机运转过程中，控制电机换相的转子位置信号还是需要检测的，因此，无刷直流电机无位置传感器控制研究的关键是架构转子位置信号检测电路，通过软硬件间接获得可靠的转子位置信号。为此，国内外的研究人员进行了大量的研究工作，提出了很多种位置信号检测方法，大多是利用检测定子电压、电流

等容易获取的物理量进行转子位置的估算，其中较为成熟的有: 反电势过零点检测法, 反电势3次谐波积分法, 续流二极管法等[2]。

2.4.2 两种控制方式的比较

a. 有位置传感器

优点：

(1) 因为有霍尔位置传感器，所以电机换相准确，转子位置检测的准确度不受

电机转速的影响；

(2) 不需要外加的转子位置检测电路，硬件电路简单；

(3) 电机换相控制编程简单，不需要处理滤波延迟等问题。

缺点：

(1) 增大了电机的体积。安装了位置传感器后，一方面电机结构变复杂了，另

一方面电机的体积相对来说变大了，妨碍了电机的小型化；

(2) 增加了电机成本。容量在数百瓦以下的小容量方波型无刷直流电机常用的

霍尔位置传感器的成本相对于电机本体来说所占比例比较大； (3) 传感器的输出信号易受到干扰。传感器的输出信号都是弱电信号，在高温、

冷冻、湿度大、有腐蚀物质、空气污浊等工作环境及振动、高速运行等工作条件下，都会降低传感器的可靠性。若传感器损坏，还可能连锁反应引起逆变器等器件的损坏；

(4) 传感器的安装精度对电机的运行性能影响很大，相对增加了生产工艺的难

度。

b. 无位置传感器

优点：

(1) 降低成本，减小电机的体积；

(2) 抗干扰能力强，能在高温、湿度大、有腐蚀物质、空气污浊的环境中工作； (3) 无传感器安装的问题，减小电机的生产难度。

缺点：

(1) 如反电势法等转子位置检测方法在低速时检测准确度都不高，需要其他方

法辅助电机起动；

(2) 由于各种滤波、比较电路引起的相位延迟必须在算法中加以补偿，所以算

法编程难度较大；

(3) 由于架构了转子位置检测电路，所以增加了硬件的复杂性。

2.4.3 本次设计所采用的方法

本次设计本着设计一款低成本的控制器的宗旨，在认真分析各种控制方式的优缺点之后，选择了无传感器方式下的基于SPWM的变压变频开环控制方法，SPWM生成的方式采用规则采样法，并且为了克服一些其他方面的不足，采用较为复杂的分段同步调制。这种方法与传统的无刷直流电机控制方法有所不同，它一般用来控制异步电机和同步电机的[5]，但由于小功率无刷直流电机的空间磁场接近正弦波[6]，可以当作永磁同步电机来控制，故本次设计采用变压变频控制方法。这种控制方法被广泛应用于调速性能要求不高的场合[8]。

这种方法是利用逆变器产生频率逐渐增加的三相互差120度的交流电压，三相交流电加在电机定子绕组上产生三相正弦电流进而在电机部产生内圆形旋转磁场，此圆形旋转磁场与电机转子永磁体所产生的磁场互相作用带动转子旋转，最终达到电机的同步运行。