无刷直流电机单片机控制系统设计 - 图文

学号：

常 州 大 学 毕业设计（论文） （2012届）

题 目 无刷直流电机单片机控制系统设计 学 生 学 院 专业班级 校内指导教师 专业技术职务

二○一二年六月

无刷直流电机单片机控制系统设计

摘要：无刷直流电动机采用半导体功率开关器件(晶体管、MOSFET、IGBT、IPM)，用霍尔元件、光敏元件等作位置传感器代替有刷直流电机的换向器和电刷部分，以电子换相代替机械换相，从而提高了可靠性。它的外特性和一台有刷直流电动机相似。

论文讲述了无刷直流电动机的工作原理以及电动机驱动电路的驱动原理。本设计利用了单片机控制脉宽的改变来达到变速的目的，还通过控制接通电机三相的桥路的开通顺序和时间使得电机按我们预定的方向和速度运行。本论文设计并展示了无刷直流电机驱动器的外围硬件电路，包括功率硬件电路、键盘驱动电路等，并完成了系统应用软件的设计。经过实验验证，这种驱动方案能够长期稳定高效地驱动无刷直流电机运行。

关键词：无刷直流电机、单片机、换相

I

The design of the brushless DC motor controlled by

Single-chip

Abstract：Brushless dc motor uses semiconductor power switch device (the transistor, the MOSFET, IGBT, IPM), the hall element, photosensitive components ects for position sensor instead of a brush of dc motor commutator and replaces mechanical commutation with the brush part of the electronic commutation, so as to enhance the reliability. Its outside characteristics is similar to a dc motor wih brush.

The working principle and motor driving circuit principle of the driver is mainly described in the paper. Using single chip microcomputer to controls the pulse width to achieve the purpose of variable speed, the motor can run in the right direction and the speed what we have determined through the control on the bridge of the three-phase motor road opening sequence and time. This paper is to design and demonstrate peripheral hardware circuit of the brushless DC motor drives, including power drive circuit, the keyboard driver circuit and so on, it also completed the design of the system application software. Experimental results show this drive scheme can drive BLDC long-time, stable and effectively. Keywords: BLDC ,SCM ,commutation

II

目 录

摘要................................................................................................................................. I Abstract ........................................................................................................................ II 目 录.......................................................................................................................... III 1 绪论............................................................................................................................ 1

1.1 本文研究的意义及主要内容 ......................................................................... 1 1.2 无刷直流电机及其控制技术的发展 ............................................................. 1 1.3 本文主要内容安排 ......................................................................................... 2 2 三相无刷直流电机系统结构及工作原理 ............................................................... 4

2.1电机的分类 ...................................................................................................... 4 2.2 无刷直流电机特点 ......................................................................................... 4 2.3 无刷直流电机的组成 ..................................................................................... 5 2.4 基本工作原理 ................................................................................................. 6 2.5 无刷直流电机参数 ......................................................................................... 6 2.6 三相无刷电动机主电路及工作方式 ............................................................. 7 3 无刷直流电机的微机控制 ..................................................................................... 12

3.1 三相直流电机全桥驱动原理 ....................................................................... 12 3.2 脉宽调制控制方式 ....................................................................................... 12 4 无刷直流电动机控制系统设计 ............................................................................. 15

4.1 单片机和驱动芯片的选择 ........................................................................... 15 4.2 单片机的特点 ............................................................................................... 15 4.3 LM621的特点 ............................................................................................... 17 4.4 起动电流的限制 ........................................................................................... 20 4.5 正反转的控制 ............................................................................................... 20 4.6 单片机控制LM621 ........................................................................................ 21 5 软件部分 ................................................................................................................. 23

5.1 本系统程序组成及流程图 ........................................................................... 23 6 调试记录 ................................................................................................................. 26 结束语.......................................................................................................................... 27 参考文献 ..................................................................................................................... 28 致谢.............................................................................................................................. 29 附录一.......................................................................................................................... 30 附录二.......................................................................................................................... 31

III

常州大学本科生毕业设计

1 绪论

1.1 本文研究的意义及主要内容

无刷直流电动机在电磁结构上和有刷直流电动机一样，但它的电枢绕组放在定子上，转子上安装永久磁钢，电枢绕组一般采用多相形式，经逆变器接到直流电源，定子采用电子换向代替有刷电机的电刷和机械换向器，各相绕组逐次通电，在气隙中产生跳跃式的旋转磁场，与转子磁极主磁场相互作用，产生电磁转矩，使电动机连续运转无刷直流电机和其它电机相比具有高可靠性、高效率和优良的调速性能等诸多优越性，并且随着新型稀土永磁材料性能的提高与价格的下降，带来水磁无刷直流电机成本的降低，这种优越性将更加明显[2]。目前在工业先进的国家里，工业自动化领域中的有刷直流电动机已经逐步被无刷直流所取代。现在从国外进口的设各中，已经很少看到以有刷直流电动机作为执行电动机的系统，一些国家如美国、英国、日本、德国的相关公司经不再大量生产伺服驱动用的有刷直流电动机。

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，采用以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。无刷直流电动机主要完成以下几个方面的控制。

换相控制：对于由位置传感器的系统，要根据位置传感器的信号进行有规律的换相，正确选择哪些相通电、哪些相断电；对于无位置传感器系统，要根据感应电动势信号计算换相点，判断哪些相应该通电、哪些相应该断电。

转速控制：无刷直流电动机的转速控制原理与普通直流电动机一样，可以通过PWM方法来控制电枢的平均电压，实现转速的控制。利用有PWM口的单片机，可以自动地输出PWM波，是控制变得非常容易。

转向控制：只要改变换相的通电顺序就可以实现电动机的正、反转控制。 纯粹利用单片机编程来控制无刷直流电动机是一个比较复杂的过程，相比之下，通过单片机控制芯片，不仅可以大大地简化编程、提高控制性能，还可以使单片机从繁重的电动机控制工作中解脱出来，转而完成其他工作[3]。

由上面的分析可以看出，无刷直流电动机相对于其它类型电动机来说还是一种新型电动机，它的驱动、控制更是和电子技术息息相关。因此，对无刷直流电机本体及其控制方法进行系统、深入的研究有着十分重要的现实意义。 1.2 无刷直流电机及其控制技术的发展

一个多世纪以来，电动机作为机电能量转换装置，其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活之中，电动机主要类型有同步电动机、异步电动机与直流电动机三种，其容量小到几瓦，大致上万千瓦。众所周知，直流电动机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点，但传统的直流电动机均采用电刷，以机械方法进行换向，因而存在机械摩擦，由此带来了噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点，再加上制造成本高及维护困难等缺点，从而大大地限制

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