基于单片机无刷直流电机控制系统的设计毕业设计论文(编辑修改稿)

基于单片机无刷直流电机控制系统的设计毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

阻抗。 (2)由于直流电压源的钳位作用，交流侧电压波形为矩形波，并且与阻抗角无关，而交流侧电流波形和相位因负载阻抗角而异。 (3)当交流侧为阻感性负载时需提供无功功率，直流侧电容起缓冲无功能量的作用，为了给交流侧反馈的无功能量提供通道，逆变桥给臂都并联反馈二极管。 脉宽调制（ PWM）技术 脉宽调制（ PWM）是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节 省能量。 成本较低，对于模拟电路产生的热损耗以及对降低其产生的噪音都有良好的抑制作用，是用数字方式来控制模拟信号的典型例子。 PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。 PWM 可以应用在许多方面，比如：电机调速、温度控制、压力控制等等。 在 PWM 驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。 通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机 的转速。 也正因为如此， PWM 又被称为“开关驱动装置”。 如图 27所示。 图 27 PWM占空比原理 图 基于单片机无刷直流电机控制系统的设计 12 占空比是指，信号在一个周期内持续的高电平时间占整个周期的时间比。 设电机始终接通电源时， 设方波一个周期的时间为 T，电机最大转速为 Vmax，图 24 中占空比为 t1/T,那么电机平均速度 Va=Vmax (t1/D),为了得到不同的电机转速，我们可以改变占空比，也就是所谓的高电平持续的时间。 严格意义上说来，电机平均转速 Va 与占空比并不成线性关系，但是这里我们可以将它们近似的看成线性关系。 北方民族大学学士学位论文 第 13 页 共 47 页 第 3 章 无刷直流电 机控制系统 总体 设计 整体运行思路 本系统采用 AT89C51 为核心控制芯片， 三相交流电源经过晶闸管全桥整流电路为逆变桥提供稳定的整流直流电，加载到逆变桥两端。 由控制芯片提供六路 PWM 波，通过位置传感器感受转子的位置变化并将其转化后的电信号反馈到控制芯片中，控制芯片对此作出判断，通过电机驱动芯片 IR2110 以此控制相对应的功率管按照既定的方式导通，使得定子绕组产生变化的磁场，产生推动转子连续转动的转矩。 系统 总体框图 系统总体框图 如图 31： 图 31 整体框图 微 处 理 器 电 机 驱动 电 路 逆 变 桥 整 流 桥 三 相 交流 电 源 转 子 位 置 信号 无刷电 机 电平转换 基于单片机无刷直流电机控制系统的设计 14 基于 Matlab 的控制系统 图 32 基于无刷直流电机 Matlab 的仿真图 图 33 线电压 Uab 图 34 转子转速 北方民族大学学士学位论文 第 15 页 共 47 页 图 35 相电流 ia 和相反电势 ea 图 36 电磁转矩 Te 基于仿真波形的论述 由图 36可知，电机空载启动，自由加速至稳态后，在 时负载转矩跳变。 负载突 增时，电机转速下降，图 35 中的相电流周期增大，电流增大引起转矩增大，以平衡负载转矩。 由图中波形可知转矩波形幅值和相电流幅值波形都在增大。 负载突降时，转速会上升，电压和电流波形的周期会变短，电流和转矩的幅值以及波动程度都会变小。 由于负载突增的时候，转速已经很高，反电势也会很大，在母线电压恒定的情况下电流不会很快响应，所以转速的变化过程会较慢，从图 34 中就可以看出。 仿真结果表明无刷直流电机的转矩波动较大， 动态响应过程较快。 基于单片机无刷直流电机控制系统的设计 16 第 4 章 无刷直流电机控制系统软硬件设计 各接口电路与所用芯片详 细功能及使用 介绍 AT89C51 芯片的介绍 AT89C51 是由美国 Atmel 公司生产的一种 8 位单片机， 其片内 Flash 是一种高速电可擦除可编程只读存储器 (EEPROM)， 可在内部存放程序。 “ AT”表示由Atmel 公司生产，“ C”表示 CMOS 工艺，“ LV”表示低电压，“ S”表示这种器件含可以下载的 Flash 存储器。 功能概述： AT89C51 片内含有 4KB 的 Flash 存储器，片内 RAM容量为 128B，片外的 ROM、RAM可以寻址 32KB 的容量，有 4*8 个并行的 I/O 端口，两个定时器和 6个中断源，引脚封装形式有 DIP PLCC 4 PQFP 44 三种形式。 AT89C51 引脚图如图 41 所示。 图 41 AT89C51引脚图 北方民族大学学士学位论文 第 17 页 共 47 页 引脚功能概述：  P0（ ~） 口 是 8 位漏极开路型双向 I/O 端口，访问片外存储器时，分时作为低 8 位的地址线和 8 位双向数据总线 ，可以以灌电流的方式驱动 8 个 LSTTL 负载，要求外接上拉电阻。  P1（ ~） 口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端口，驱动 4 个 LSTTL 负载。  P2（ P2..0~）口是一个 带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端，访问外部存储器时，由它输出高 8位地址，可以驱动 4个 LSTTL负载。  P3（ ~）口是一个带内部上拉电阻的 8 位双向 I/O 端，可以驱动 4个 LSTTL负载。 但是它有专门的第二功能 ： (RXD)还可以做串行口的输入端， (TXD)串行口的输出端， ， T0 与 T1 是两个计时器，而。 单片机与键盘接口 图 42 系统键盘接口 本系统使用最简单的 2*3 矩阵键盘实现对整个系统的操作，键盘结构如图 43所示： 基于单片机无刷直流电机控制系统的设计 18 图 4 3 键盘结构 各键对应的功能和键值如表 1： 表 1 各键对应功能和键值： 键位 功能 键值 S1 启动 /制动 0XA0 S2 ▲ 0X90 S3 正反转 0X88 S4 ◁ 0X60 S5 ▼ 0X50 S6 ▷ 0X48 各键详细功能如下： S1：启动系统。 单片机上电初始化后，首先扫描键盘，若 S1 被按下，则启动系统，否则将一直扫描键盘，此时其他键没有任何功能。 S4 和 S6：系统运行期间，若按下 S4或 S6，系统进入调速状态，此时 4位数码管从左边第一位开始闪烁，代表当前位，若 5S内键盘没输入，则自动确认 当前输入值，通过调速达到设定值。 S2 和 S5：通过按 S4 或 S6，当前位闪烁，此时通过 S2 和 S5 可对当前位进行 +1/1，若 5S 内没有操作，系统自动确认当前输入值。 S3：正反转，实现点机的反转。 北方民族大学学士学位论文 第 19 页 共 47 页 单片机与显示数码管接口 图 44 单片机与数码管显示电路接口 整个显示电路包括两部分： 本系统采用 4位 8 段共阴极数码管显 示 P0 口接上拉电阻 数码管段选通过限流电阻接 P0口 位选接 —— 口 发光二极管 两个二极管一个代表正转一个代表反转 无刷直流电机的 驱动电路 图 45 驱动电路 的组成 基于单片机无刷直流电机控制系统的设计 20 IR2110 芯片是由 IR公司生产，用于 MOSFET 驱动电路。 由于无刷直流电机是三相绕组 Y型接法， 逆变电路采用的是六个 MOSFET 功率管驱动，因此需要单片机产生六路 PWM 波，因此需要三片 IR2110 芯片。 这里只列两路输出其它两片的电路构成是完全 相同的，三片 IR2110 标有 COM的第二引脚是连接在一起的。 图 46 IR2110 内部结构图 IR2110 是采用 HVIC 和闩锁抗干扰 CMOS 工艺制造的， 内部由辑输入、电平平移和输出保护三个部分构成， VCC1 是逻辑电源， VCC2 是驱动电源。 逻辑电源电压可以加载从 + 到 +15v 之间变化区间的电压，而栅极驱动电压可以加载从 +10v 到 +20v 之间中的电压。 软件部分 本系统设置两个标志位 tag（启动标志位， 0代表运行， 1代表停止）和 tag1（闪烁标志位， 0代表有闪烁， 0代表无闪烁），另外 设置两个数组 :数码管段选数组 d_p 和位选数组 p1。 本系统程序主要由 大本分组成： 主程序 中断服务程序 键盘扫描程序 显示程序 启动程序 停机程序 左移程序 北方民族大学学士学位论文 第 21 页 共 47 页 右移程序 正反转程序 测速程序 PWM输出程序 延时程序 其中向上（下）、左（右）移、启动、正反装程序由键盘程序调用，键盘程序、显示程序、测速程序、 PWM 输出程序由主程序调用。 主程序流程图 如下： 基于单片机无刷直流电机控制系统的设计 22 图 413 主程序流程图 键 盘 扫 描 启 动 检测霍尔传感器 PWM 计算 制 动。 启动键按。 下。 开 始 结 束 停 机 驱 动 电 路 转速测定 转速测定 数码管显示 键盘扫描 是 否 是 否 北方民族大学学士学位论文 第 23 页 共 47 页 键盘、显示流程图 ： 图 414 键盘程序流程图 开 始 置高 延迟并读 P2口 置高 延迟并读 P2口 是否有键按下。 是否有键按下 ? 是否有键按下。 是 是 是 否 否 否 基于单片机无刷直流电机控制系统的设计 24 图 415 显示程序流程图 置高 P0查表输出 置高 置低 P0查表输出 置高 置低 P0查表输出 置高 置低 P0查表输出 当前位亮 延迟 当前位灭 延迟 Tag1=0? 开 始 2s 内没动作。 否 是 是 否 北方民族大学学士学位论文 第 25 页 共 47 页 第 5 章 结 论 通过本次设计，对无刷直流电机做了全面的了解。 对其控制系统的构成做了一定的学习与理解。 其控制系统由控制芯片、电机驱动电路、逆变电路以及晶闸管整流电路组成。 电机内部结构由相嵌在定子上的电 枢绕组、用永磁材料构成的永磁体转子和能感受转子位置信号变化的位置传感器构成。 对于电机逆变电路的工作方式及功率管的具体导通 情况进行了深入的了解与学习，对于三相绕组的无刷直流电机，工作方式有两两导通和三三导通方式。 两两导通是指在 360176。 角度内 ABC 三绕组有两相是在一直处于导通的状态，导通相顺序为ABACBCBACACB。 转子位置传感器的个数取决于转子的磁极对数，最后通过 MATLAB 的仿真对其相电压，电流做了观测和理论的对照。 基于单片机无刷直流电机控制系统的设计 26 致 谢 时光飞逝 ，流水无声。 大学四年美好的生活转眼 就将结束，一路走来，有苦有乐，这里诚挚地感谢我的父母、老师和一直在帮助我支持我的亲朋好友。 正因为有你们一路陪伴着我，才让我的人生路如此平坦。 在本次毕业设计的这段时间里，诚挚地感谢我的毕业设计指导老师北方民族大学王君瑞老师。 毕业设计中遇到很多难题，王老师在写论文的各方面都给了我细心地指导。 从论文的整体结构，到论文的构思、写作、格式的修改、再到论文文献的查找，最后到论文的查重以及更改，可以说在各个环节中都帮助了我。 衷心的感谢王君瑞老师对我的帮助。 感谢你们，我的父亲母亲，因为你们的关怀备至、细心呵护，我才能接 受良好的教育。 因为你们的谆谆教诲、正确的教导，我才能茁壮成长。 感谢你我的朋友，因为你们，不管是伤心、快乐，还是难过、高兴，是你们一路陪我走过，共同分享。 是你们教会了我做人要学会分享，是你们教会了我要懂得站在他人的立场上考虑问题，别人取得好成绩时要真心的祝贺他们，正是因为你。