基于51单片机的无刷直流电动机

基于51单片机的无刷直流电动机内容摘要：

图 15 电机运行时 各相 产生的 反电势示意图 8 2 控制系统硬件方案设计 电动机选择及参数说明 本设计选择北京和利时电机技术有限公司的 BL系列 无刷 直流 电动机作为控制对象，电机型号为 57BLT1015H1LSB。 其工作参数为：环境温度为 0摄氏度到 50摄氏度，环境湿度为小于 85%RH，绝缘等级为 B级，耐震动 /耐冲击为。 57BLT1015H1LSB电动机的技术参数如表 21所示。 表 21 电动机技术参数 货物编号 规格型号 额定功率 /W 额定电压 /V 额定转速 /（ r/min） 额定功率 /() 最大转矩 /() 定位转矩 /（ ） 额定电流/A 最大电流/A 极对数 5 质量/kg 060060 57BL101 5H1LSB 100 220 (AC) 1500 5 型号说明： 57：机座号 ； BL：电机系列， BL表示 无刷 直流 电动机系列 ； T：结构类型， T代表特殊结构，若无标注，则为正弦波结构 ； 10：电机功率，以 10W为单位， 10表示 10x10=100W； 15：电动机额定功率，以 100r/m为单位， 15表示 15x100=1500r/min； H：施加在电动机绕组上的电压等级， H代表直流 300V； 1：代表位置传感器类型为开关霍尔传感器； L：电动机出线类型， L代表引线， 350mm长； S：轴键形式， S代表光轴； B：设计版本，以 A、 B、 C、 表示，默认为 A版； 100：设计序列号，标准方案省略。 9 驱动器选择及功能说明 本课题选择与上述 无刷 直流 电动机配套的驱动器，型号为 BL2203C， 如图 21所示。 图 21 电动机驱动器外形 驱动器的特点： （ 1） 交流 220V供电； （ 2） 输入、输出信号光隔离； （ 3） 起停及转向控制； （ 4） 过电流、过电压、过载及堵转保护 ； （ 5） 测试信号输出； （ 6） 故障报警输出； （ 7） 电动机转速显示； （ 8） 外部模拟量调速； （ 9） 制动停车功能； （ 10） 多挡速度选择。 驱动器的性能指标如表 22所示。 10 表 22 驱动器的电气性能 供电电源 单相交流 220V（ 1177。 15%） V， 50Hz，容量为 额定功率 最大 600W（ 依所配电动机而定） 额定转速 依所选电动机确定（最大 8000r/min） 额定转矩 依所选电动机确定 调速范围 150r/min而定转速 速度变动率（对负载） 177。 2%以下（额定转速） 速度表动率（对电压） 177。 1%以下（电源电压 177。 10%，额定转速无负载） 速度表动率（对温度） （ 20～ 40℃ 额定转速无负载） 绝缘电阻 在常温下大于 100M欧 绝缘强度 在常温常压下 1KV、 1min 驱动器面板见图 22所示。 图 22 驱动器面板示意图 +12 接口电源 F/R 正 /反转控制器 R/S 运行 /停止控制器 BRK 制动控制端 CH1 速度选择 1 CH2 速度选择 2 CH3 速度选择 3 AVI 模拟量调速 ALARM 报警信号输出 SPEED 转速信号输出 COM 接口公共地 S+ 信号 SA 输入 SB 端子 SC S 电动机 U线 电动机 V线 电动机 W线 电源 AC1 电源 AC2 保护接地 FG 调速电位器 散热风扇风道 11 驱动器 端子说明 ： （ 1） 功率端子 ① 驱动器交流电源输入 L、 N，接入端 子的引线必须使用 U形插口。 ② U、 V、 W端子与电动机相连，务必将驱动器的 U、 V、 W端子分别与电动机的 U、V、 W对应相连。 错误的连接将导致电动机工作异常。 连接原则上不超过 6m，并与霍尔线 分开布线。 注意，接入端子的引线必须使用 U形插头。 ③ 驱动器保护地端子 FG。 驱动器保护地端子与电动机机壳不必连接，为安全起见，请务必将驱动器保护地端子与电动机机壳分别可靠接地。 注意，接入端子的引线必须时用 U形插头。 （ 2） 霍尔端子（电动机霍尔位置传感器信号端子为 S+、 S、 SA、 SB、 SC）务必将驱动器的 S+、 S、 SA、 SB、 SC端子分别与电动机霍尔信号输出的 S+、 S、 SA、SB、 SC端子对应连接，错误的连接将导致电动机工作异，甚至损坏驱动器和电动机。 电动机霍尔连接线原则 上 不超过 6m，而且 应该 使用屏蔽线。 要尽量与电动机线分开布线，而且远离干扰源。 霍尔连接线末接，电动机不运行。 注意， S+、 S只作为霍尔元件电源。 （ 3） 信号输入端子 ① +12VCOM。 外接电源，外部调速电位器电源端子，负载小于 50mA。 ② 电动机运行 /停止控制 R/S。 通过控制端子“ R/S”相对于“ COM”的通断，可以控制电动机的运行、停止。 端子“ R/S”内部以电阻拉到 +12V，可以配合无源触点开关使用，也可以配合集电极开路的 PLC等控制单元。 当“ R/S” 端子与“ COM”端断开时，电视机停止，反之电视机运行。 使用运行 /停止端控制电动机停止时，电动机为自然停车，其运行规律与电动机负载有关。 ③ 电动机正 /反转控制 (F/R)。 通过控制端子“ F/R”与“ COM”的通断，可以控制电动机的运转方向。 端子内部以电阻上拉到 +12V，可以配合无源触点开关使用，也可以配合集电极开路的 PLC等控制单元。 当“ F/R”与端子“ COM”不接触时，电动机顺时钟方向运行 （面对电机轴），反 之则逆时针方向运转。 为避免驱动器的损坏，在改变电动机转向时，应先使电动机停止运行后在操作改变转向，避免在电动机运行时进行运转方向控制。 12 ④ 快速制动 BRK。 驱动器可以控制端子 BRKCOM的通断来控制直流无刷电动机的迅速停止，制动采用受控制能耗制动方式，相对与 R/S的自动停车会快得多，但具体时间受用户系统（尤其是系统惯量）的影响。 ⑤ 外部模拟量调速端子 AVI,标准产品中调节范围为 0～ 10V，对应 0～ 3000r/min。 ⑥ 多段速度选择端子 CH1～ CH3，由 CH1～ CH3相对 COM的状态选择不同的速度。 （ 4） 输出端子 ① 电动机转速信号输出（ SPEED）。 驱动器通过端子 SPEEDCOM为用户输出与电动机转速成比例的脉冲信号。 每转脉冲数 =6 电动机极对数， SPEED频率（ Hz） =每转脉冲数 转速 （ r/min） 247。 60。 例如， 4对电动机，每转 24个脉冲，当电动机转速为 500r/min时，端子 SPEED的输出频率为 200Hz。 ② 过热保护（ ALARM）。 由于过载或其他恶劣的条件使驱动器内部的温度高于 80℃时，驱动器将自动停止输出，电动机停止运行， ALARM输出低电平信号，驱动器在最末一位显示 E，只有将驱动器断 电才能解除报警。 如驱动器频繁发生过热保护，用户应该改善驱动器外部散热条件。 ③ 短路保护。 由于接线或 其他原因导致电动机绕组突然短路时，驱动器检测进入短路保护状态，切除所有输出，并在显示器的最末端显示 “E” ， ALARM输出低电平信号，只有将驱动器断电才能解除警报。 发生此故障，请检测接线是否正确。 ④ 过压保护。 由于快速制动、电网电压波动等原因导致的驱动器那那内部出现过电压 时 ， 驱动器进入保护状态，驱动器将自动停止输出，电动机停止运行， ALARM输出低电平信号，驱动器在显示器最末端显示 “E” ，将驱动器断电才能解除报警。 （ 5） 转速显示。 驱动器实时测量带电动机的转速并以 4位数码管显示，单位为 r/min。 由于测速的延时，在调速时显示会略滞后。 测量的范围限制在 8000r/min以内，超出范围可以导致速度显示错误。 驱动器 调速方式说明 该驱动器提供一下三种调速方式： （ 1） 内部电位调速。 逆时针旋转驱动器面板上的电位器，电动机转速减小，顺时针旋转则转速增大。 由于测速需要响应时间，速度显示会由滞后。 用户使用其他两种方式时，必须将电位器设于最小状态。 13 （ 2） 外部输入调速。 将外部电位器的两个固定端分别接于驱动 器的“ +12V”和“ COM”端上，将调节端接于“ AVI”上，即可使用外接电位器调速。 也可以通过其他控制单元（如 PLC、单片机等）输入模拟电平信号到“ AVI”端实现调速（相对于 COM） ，“ AVI”的接受电压范围为直流 0～ 10V，对应电动机转速为 0～ 3000r/min。 端子内接 200kΩ 到 COM端，因此悬空不接将被解释为 0输入。 端子内含有简单的 RC滤波电路，因此可以接收 PWM信号进行调试控制。 （ 3） 多段速度选择。 通过控制驱动器上的 CH1～ CH3三个端子的状态，可以选择内部预先设定的几种速度 ， 见表 23所示。 表 23 端子信号选择表 CH3 CH2 CH1 转速 /（ r/min） CH3 CH2 CH1 转速 /（ r/min） 0 0 0 3500 1 0 0 1500 0 0 1 3000 1 0 1 1000 0 1 0 2500 1 1 0 500 0 1 1 2020 1 1 1 0 表 23中的转速值为参考值，实际转速可能会有偏差，但一般误差小于 10r/min。 驱动器接线示意图 驱动器的典 型接线图如图 23所示，需要注意的是： 图 23 驱动器的典型接线图 14 （ 1） 因为本驱动器为 220V高压输入，为确保安全，在上电之前必须保证接地端子 FG可靠地与大地链接，任何情况下请不要打开机壳，以避免意外的损伤。 （ 2） 驱动器安装时应保证设备的通风良好，机柜内有多个驱动器并列使用时 应保证相互之间的距离不小于 10cm。 （ 3） 机箱应考虑通风散热，避免密闭式环境而影响散热，同时也要避免灰尘和杂质对驱动器的影响。 驱动器采用风道竖直的立式安装将有利于散热。 15 3 控制电路设计 芯片说明 本电路使用到的芯片有 AT89S5 74HC16 SN74LS160和 SN74LS164，将各芯片进行简单介绍。 （ 1） AT89S52是一种低功耗、高性能 COMS 8位 微控制器，具有 8KB系统内部可编程 Flash存储器。 使用 Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业 80C51产品指令和引脚完全兼容。 片上 Flash存储器允许存储器 ISP可编程，亦适于常规编程器。 在单芯片上，用有灵巧的 8位 CPU和可 ISP编程的 Flash存储器，使得 AT89S52为众多嵌入式应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。 AT89S52芯片 DIP和 PLCC两种封装形式分别如图 31和 32所示。