无刷直流电机控制综合系统控制器设计.docx
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1、郑州航空工业管理学院毕 业 论 文(设 计) 届 电气工程及其自动化s 专业 1206972 班级 题 目 无刷直流电机控制系统控制器设计 姓 名 陈垒刚 学号 指导老师 崔建锋 职称 副教授 二一 四 年 五 月 六 日 摘 要 无刷直流电动机控制系统设计关键包含控制器、功率变换器和软件设计。本人设计关键是进行控制器设计,本设计关键是介绍了直流电动机发展概况、组成结构、工作原理、控制方法和单片机AT89C51在系统中应用。本人设计控制器关键是由AT89C51单片机将位置检测电路、换相逻辑电路、键盘接口回路连接到一起。当无刷直流电动机在转动时,位置传感器依据转子目前转动位置,发出对应信号CAP
2、1-CAP3,然后再由单片机输出PWM调制信号PWM1(P0.6)和AT89C51输出信号(P0.0P0.5)逻辑组合变换后得到控制6个功率管触发信号(PWM11PWM16),经过改变PWM脉冲信号占空比来实现对电机转速控制。无刷直流电机定子电枢绕组换相和正反转控制是经过用反应电机转子位置霍尔信号改变MOSFET功率管开通和关断次序来实现。经过键盘输入进而来实现电动机开启、停止、动、正转和反转,从而实现了无刷直流电动机简单自动化控制。 关键词 无刷直流电动机;AT89C51单片机:PWM AbstractBrushless DC motor control system design incl
3、udes a controller, a power converter and software design. I designed primarily for controller design, the design is mainly introduces the development of DC motors, composition structure, working principle, method and SCM AT89C51 control applications in the system. I designed controller AT89C51 micro
4、controller primarily by the position detection circuit commutation logic circuit, keyboard interface circuits connected together. Brushless DC motor control MCU controller is mainly based on the current rotational position of the rotor, to issue the corresponding control word, by changing the duty c
5、ycle of the PWM pulse signal to achieve the motor control. Brushless DC motor stator and armature winding commutation reversing control is achieved by changing the opening of the power MOSFET on and off with the order reflecting the Hall rotor position signals to achieve. By entering the keyboard an
6、d then start the motor to achieve, stop, move, forward and reverse, in order to achieve a simple automated control of brushless DC motor. Keywords Brushless DC motor; AT89C51 microcontroller: PWM 目 录摘 要1第一章 无刷直流电动机原理和机构概述51.1 无刷直流电动机发展概况51.2本设计内容及研究61.3 无刷直流电动机结构和基础工作原理61.3.1 现对无刷直流电动机各部分基础结构说明61.3.
7、2 无刷电机运行原理71.3.3 无刷直流电动机转矩分析81.3.4 无刷直流电动机和输出开关管换流信号10第二章 无直类型流电动机控制器方案132.1无刷直流电动机系统132.2无刷直流电动机控制器设计方案132.2.2 无刷直流电动机控制系统组成框图132.3控制器基础原理142.4脉宽调制(PWM)技术152.4.1 脉宽调制原理15第三章无刷直流电动机控制器硬件设计163.1 AT89C51单片机介绍163.2单片机最小系统173.3传感器选择213.4单片机和键盘接口设计193.5 位置检测电路设计213.6换相逻辑电路设计25第4章控制器软件部分设计284.1 控制器软件设计总述2
8、84.2程序步骤图28结 束 语32致 谢33参考文件34第一章 无刷直流电动机原理和机构概述 前 言 无刷类型直流电动机为一个很新型电动机,单片机被作为了它控制关键电动机控制器为本设计目标和要求,其中包含硬件系统设计和软件系统设计。电动机硬件系统电路设计包含:电源电路、串口通信电路、电机驱动电路设计、单片机电路设计;软件系统采取单片机语言进行程序设计。为了最终设计正确性而做了大量试验进行了验证。科学和技术它们很快发展,造成了半导通体技术很大跳跃,开关类型晶体管它出现为了产生了新种类无刷直流型电动机带来了未来。1.1 无刷直流电动机发展概况最近几年对异步类型电动机它变频和调速专研,说到到底就是
9、我们在慢慢去探索怎么去控制现在异步类型电动机它转矩,无刷类型直流电动机一直依靠它很宽调速、很小体积、很高工作效率和它稳定态转速误差很小等优点令它在现在调速领域占了很大优势。 无刷类型直流电机不仅拥有了直流类型有刷电机它工作特征,而且含有频率改变类型装置,所以它又被叫作直流变频,在国际中常见型名词为BLDC.无刷类型直流电机它运转工作效率很高,还有低速转矩,转速工作精度等等全部是很好。它和任何控制类型技术什么变频器相比,它全部是很好,所以它是很值得我们业界人士关注. 1.2本设计内容及研究 无刷类型直流电动机和其它种类电动机去比较话,它全部是一类新种类电动机,它什么驱动啊、控制方法全部和现在电子
10、技术联络很大,所以我们对现在无刷类型直流电机它本体和它控制方法去很系统、深远专研很相关键现实意义。无刷类型直流电机不仅拥有其它交流类型电动机和直流类型电机它们身上优势,它同时还拥有其它交流电动机它们结构上很简单,运行方面也是可靠、维护方面也是很方便等优势,于此它不仅拥有现在直流类型电动机它们运行方面效率很很高、调速方面性能同时也很好优点,还有没有励方面磁性损耗。无刷类型直流电机是把特种类型电机、还有变速结构、其它检测性方面元件、控制方法将要用到软件和硬件形成了一体,组成了新一个伺服功效系统,表现了现在应用科学很多最新研究结果,是实现机电一体化功效高新科技产品。1.3 无刷直流电动机结构和基础工
11、作原理1.3.1 现对无刷直流电动机各部分基础结构说明直流类型无刷性质永磁性方面电动机,关键由电机本体、位置类型方面传感器和电子性开关类型线路组合而成。它定子绕组在通常情况被制成了很多相,它转子是由一个永久型磁钢顺着规定极它对数形成。下图所表示为三相两极直流无刷电机结构(1)电机本体电机本体实际上是一个永磁同时电机。(2)逆变器现在无刷类型直流类型电动机它逆变器主开关在通常情况下全部是用现在IGBT或着是用功率类型MOSFET等全控类型方面元件,部分它主电路现在全部用上了集成类型功率类型模块和智能类型功率模块,用上面这部分模块全部是能够用来提升电动机它系统使用可靠。(3)位置传感器 位置类型传
12、感器在系统中起一定测电动机定子和它转子们磁极位置工作状态下作用,给电动机逻辑类型开关电路实现了换相功效。1.3.2 无刷电机运行原理 无刷直流电动机由电机本体、位置检测类型器件、逆变器和控制器而形成自己去同时电动机控制系统。第一步位置检测类型器件经过检测它自己转子们磁极所在位置信号,然后由控制器把转子位置信号去逻辑处理,然后产生和之对应开关类型信号,开关类型方面一个信号是根据要求好次序去触发电动机它自己逆变器中所用功率类型开关性质器件。同时把它电源功率以逻辑性质关系分去到定子每相绕组,然后令电动机产生了连续工作转矩。1.3.3 无刷直流电动机转矩分析电机本体它电枢类型绕组组成了三相类型星型方法
13、,位置类型传感器是同电机它转子在一个轴上,其控制电路将它位置信号去形成逻辑类型转变,就去形生一个控制类型信号,它控制动信号是经过一个驱动类型电路去隔离后去放大,以后再去进行控制逆变器它功率类型开关性质管,令电机每相绕组按着要求次序去工作。图1-1 无刷类型直流电动机它工作原理图如上面图1-1,当它转子去顺时针进行旋转到上面图a所表示位置时,它转子一个位置类型传感器,把它输出一个信号然后经过它控制电路逻辑关系转变后去驱动电动机逆变器,令图中T1、T2去导通,也就是说A、B两相绕组同时通电,电流经过电源正向极流出,经T1流进A相绕组里,再由B相绕组里流出,经T2流入电源负向极,这个时候它定子和它转
14、子们磁性场去进行相互作用,令电动机它转子进行一个顺时针性转动。它转子将在它空间进行转过了60电角度,然后就到了上图b所表示位置时候,将它转子位置类型传感器将要输出信号,去经过一个控制电路进行逻辑转变,再去驱动逆变器,令上图中T1、T4导通,A和C两相绕组同时通电,电流再由电源正向极流出来,经T1流进A相绕组,再由C相绕组流出来,经T2流进电源负向极。这时候它定子和转子它们自己磁场经过相互之间作用,令电动机它自己转子将会继续地域根据顺时针方向而转动。电机它自己转子会在空间每一次转过60度时候,逆变器自己开关也将会进行一次切换,功率开关类型管子形成了导通逻辑次序是T1、T6T1、T2T3、T2T3
15、、T4T5、T4T5、T6T1、T6。在次期间,转子一直受到根据顺时针旋转电磁转矩作用,沿顺时针方向连续旋转。它转子在空间每当转过了60度时候,电机它定子一次绕组将换流一次,它定子将会合成了磁性场它一个磁状态来一次很好跃变。电动机总共是有六种磁性状态,一个状态是全部有两种相同时候去导通,一相它绕组们导通了时间将会对电动机它转子进行了旋转120度。这么工作方法是叫两相同时导通星型3相6种状态,它就是无刷类型直流电动机中最为常见一个类型工作方法。1.3.4 无刷直流电动机和输出开关管换流信号图1-1 无刷类型电动机直流类型通电候是控制方法开关转换表 无刷类型直流工作电动机它位置在通常情况利用三个在
16、其空间中相间隔120度霍尔类型位置传感器去检演,在霍尔类型传感器位置里它磁场极性将会产生改变时候,它传感器将输出来电平进行改变,因为三个霍尔类型传感器在它位检测性元件们位置上空间里各自相差了120度,由此将三个检测性元件们输出端是能够得到了三个在它们时间上相差了120度、它宽度是180度电平性质信号,用A、B、C来表示,就如上面图1-2中示,把信号A作例,A相它位置宽度是180电导痛角:0-60度,T1是要一定必导通,所以T1状态是1,不过C相在还剩下60度导通电性宽度,所以此段时间将是T1加T6时1,(这个时候下部是能够提供取导通时T4、 T6和T2,同时也为避免一个桥臂直通,这时候T4是不
17、能去导通;同时T2导通时间也是没有达成,所以只有T6事导通);不过假如在60到120度时,只是A相会去通电,B、C相在不导电时期,所以导通是T1和T2(T1=T2=1),T2就是去为了B相导电而去做准备;假如在120到180度时候,因为每相只拥有了120电导角通电时间,所以T1关断(T1等于0),这时候T2还是在导通(B相就在这个时候开始了将要走进了导电期),T1是关断,T5是不能去导通(预防了桥臂直通),所以这个时候只有T3是被开通了,所以T3信号在这个时间段里是1。别时间段里开关管们导通情况是和着相同。在理论基础上,只要是难呢过确定三个位置类型传感器能在其空间里相差了120度,开关管子们换
18、流时刻就能够推导。不过,为了去简化它控制电路,每一个霍尔类型传感器们起始安装位置会在每相绕组们基准点(r等于0度)上。那么在r等于0度控制条件下,A相它自己绕组将要开始了它通电时刻,刚好和A相位置类型传感器输出来信号A它电平跳变时刻会重合,这时候应该把T1开关管驱动开通。一样道理,别开关管们开通时刻一样可按着这么方法来确定。本人设计是选择了三相无刷类型永磁性直流电动机,它额定电压是48V,它额定功率等于300W。图1-2 无刷类型电动机位置检测和开关管子们驱动信号旋转方向位置类型传感器逆变类型桥开关管子们驱动信号ABCT1T2T3T4T5T6正转001000011010001100011000
19、110100110000101100001110011000反转001011000010100001011110000100000110101001100110000011第二章 无直类型流电动机控制器方案2.1无刷直流电动机系统 控制器为无刷类型直流电动机在运行及去实现了每一个调速伺服性质功效,也就是起到了中心指挥作用。2.2无刷直流电动机控制器设计方案2.2.2 无刷直流电动机控制系统组成框图无刷类型直流电动机控制系统框图,以下图所表示: 图2-1 电动机驱动控制框图2.3控制器基础原理 本设计系统把AT89C51类型单片机作为了关键,由驱动IR2130,以2乘3矩阵类型键盘看成了输入,实
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