1、基于STC89C52单片机无刷直流电动机智能控制器系统硬件电路控制软件的设计毕业论文基于STC89C52单片机无刷直流电动机智能控制器系统硬件电路控制软件的设计1 引言随着人们生活水平的提高，产品质量、精度、性能、自动化程度、功能以及功耗、价格问题已经是选择家用电器的主要因素。就电动机而言，传统的直流电动机均采用电刷, 以机械方法进行换向, 存在着相对的机械摩擦, 由此带来了噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点, 制造成本高及维修困难等缺点,因而大大地限制了它的应用范围。永磁无刷直流电动机是近年随着电力电子器件及新型永磁材料发展而迅速成熟起来的一种新型机电一体化电机，既具有交流电机的结构
2、简单、运行可靠、维护方便等优点，又具备直流电机那样固有的优越的起动性能和调速特性，而无机械式换向机构，现以广泛应用于各种调速驱动场合，其应用前景看好，尤其从当今的环保、能源、效率等综合因素出发，水磁无刷直流电机可望在未来的电动车及冰箱或空调类永磁压缩机领域占有主导地位。就目前而言，永磁无刷直流电动机控制器结构已有多种形式，由最初复杂的模拟式到近来以单片机为核心的数字式，但新型电机控制专用芯片的出现，给无刷直流电机调速装置设计带来了极大的便利，这种集成模拟控制芯片控制功能强、保护功能完善、工作性能稳定，组成的系统所需外围电路简单、抗干扰能力强、特别适用于对控制器体积、价格性能比要求较高的场合。专
3、用控制芯片优点固然多，但往往价格比较昂贵。在一些控制要求精度不是很高的场合，就需要能有一种工作稳定、价格又比较低廉的控制器。本设计就是基于此市场需求，详细介绍了一种利用普通的STC89C5X单片机作为主控芯片的无刷直流电动机控制器的设计。2 无刷直流电动机概述2.1无刷直流电动机的特点传统的直流电机以其优良的转矩特性和调速性能在运动领域中有着广泛的应用，但机械电刷却是它的致命弱点。电刷的存在带来了一系列的问题，如：存在机械摩擦、噪声、电火花无线电干扰及寿命短，再加上它制造成本高及维修困难等缺点，从而大大地限制了它的应用范围。无刷直流电动机就是为了既要保持有刷直流电动机的优异特性，又要革除电刷和
4、换向器的“顽疾”为目的而研制的。控制系统中的执行电动机应该具有下列优点：快速性、可靠性高、体积小、重量轻、节能、效率高、适应环境和经济性。基本性能电机类型效率体积控制特性技术性能结构寿命电机本体成本直流电动机较高小好短高无刷直流电动机机高小较好长高交流电动机低大一般长低开关磁阻电动机较低较小较好长低表2-1 目前应用较为广泛的几种电动机的基本性能的比较在快速性方面，无刷直流电动机的转子是由永磁材料构成的磁极体，电枢绕组在定子上，因而转子外径相对较小，转子转动惯量因而也较小；在转矩方面，只有直流电动机才能达到大的起动转矩和最大转矩，而无刷直流电动机具有直流电机的特性，从而起动转矩和最大转矩都较大
5、。因此无刷直流电动机可以实现快速的起、停、加速和减速。在可控性方面，直流电动机的输出转矩和绕组流过的电流成线性关系，直流电动机的起动转矩又大，因此可控性很好、很方便。无刷直流电动机的输出特性和一般有刷的直流电动机很相似，只要简单的改变电动机的输入电压的大小就可以实现在很大的范围内进行无极调速。在可靠性方面，因为其消除了电刷和换向器，所以也就消除了故障的主要根源，由于无刷直流电机的转子上没有绕组，因此转子上没有电的损耗，又由于主磁场是恒定的，因此铁损也是极小的(在方波电流驱动时，电枢磁势的轴线是脉动的，会在转子铁心内产生一定的铁损)。总的来说除了轴承旋转产生的摩擦损耗外，转子方面的损耗很小，因而
6、进一步增加了可靠性。因此可知：和其它类型的电动机相比，无刷直流电动机不仅较为可靠而且损耗较小，它的电枢在定子上，直接与机壳相连，散热条件好，热传导系数大，由于这样的原因，在相同的条件下，在相同的出力要求下，无刷直流电动机可以设计的更小，重量更轻。无论是电机设计还是系统设计，提高效率、节约能源都具有重要的意义，有着长远的社会和经济效益。而异步电动机运行在轻载时功率因数低，增加了线路和网络的损耗，因此，提高电动机的效率，选择损耗最小、效率最高的电机是很重要的。在环境适应性方面，对于高性能的系统，如果只能采用直流电动机，但同时又要求长寿命，免维护以及防爆，易燃的环境条件下，有刷直流电动机就无能为力了
7、，无刷直流电动机是最好的选择。在经济性方面，随着电子技术的进步，电子工业的发展，电子元器件的价格不断的下降。在国外的市场上，无刷直流电动机驱动，控制器的价格已经和异步电动机的变频器相差不多了。不过由于稀土永磁材料的价格较贵，电机的成本也相应较高。但是考虑到综合指标(系统性能，重量，能量消耗等)之后，无刷直流电动机的应用仍处于上升的趋势。2.2无刷直流电动机的发展历史及研究应用现状无刷直流电动机自1962年问世以来，现已广泛应用于计算机外围设备、办公自动化设备、家电产品、音像设备、汽车、电动车、数控机床、机器人、医疗设备、宇宙飞船、人造卫星等方面和领域。70年代初，随着电机技术及其相关学科的迅猛
8、发展，无刷直流电机进入了实用阶段，在计算机外设等领域开始应用，还先后研究成功方波和正弦波无刷直流电机。近40年来，“无刷直流电机”的概念已由最初的具有电子换向器的直流电机发展到泛指一切具有传统直流电机外部特性的电子换向电机。如今的无刷直流电机集特种电机、变速机构、检测元件、控制软件与硬件于一体，形成为新一代电动调速系统，且体现着当今应用科学的许多最新成果，因此其是机电一体化的高科技产物，在各个领域得到了广泛的应用。进入90年代以来，无刷直流电机调速系统的逆变装置中的开关元件不仅成本降低，而且向高频化、大容量化、小型化、智能化发展。在我国，无刷直流电机的研制始于70年代初期，作为高科技产品受到了
9、我国基础工业落后的制约，其综合水平低于国际水平，大约相当于国外70年代末80年代初的水准。目前，国内研究单位开展无刷直流电机的研究已有时日，积累了丰富的设计理论和设计经验，只是由于自身条件而没有达到规模化生产，大部分仍处于仿真或实验阶段。如今，随着微电子技术的迅速发展和微处理器技术的日益更新，高速微处理器和DSP(数字信号处理器)的出现，以及专用控制芯片的出现，使得无刷直流电动机控制系统的运行速度、处理能力和基本性能有了很大的改善。 2.3 本论文的主要内容本文首先介绍了无刷直流电动机的发展及应用概况，简单分析无刷直流电动机的组成和原理。着重点介绍基于STC89C52单片机无刷直流电动机智能控
10、制器系统硬件电路控制软件的设计。3无刷直流电动机的结构及工作原理3.1无刷直流电动机基本结构 无刷直流电动机属于三相永磁同步电机的范畴，永磁同步电动机的磁场来自电动机转子上的永久磁铁。在这里，永久磁铁的特性，在很大程度上决定电动机的特性。目前采用的永磁材料主要有铁淦氧、铝镍钴、钕铁硼、等 根据几种的磁感应强度和磁场强度成线性关系这一特点，应用最为广泛的就是钕铁硼。它的线性关系范围最大，被称为第三代稀土永磁合金。 在转子上安置永磁铁的方式有两种：一种是将成型的永久磁铁装在转子表面，如图3-1 (a)所示，称为凸极式；另一种是将成型的永久磁铁埋入转子里面，如图3-1 (b)所示，称为内嵌式。定子上
11、开有齿槽，齿槽数与转子极数和相数有关，应是它们的整数倍。图3-1 永磁转子结构类型根据永久磁铁安装方法不同，永久磁铁的形状又可分为扇形和矩形两种。扇形磁铁构造的转子具有电枢电感小、齿槽效应转矩小的优点，但易受电枢反应的影响。且由于磁通不可能集中、气隙磁密度低，电极呈现凸的特性。矩形磁铁构造的转子呈现凸极特性，电感大、齿槽效应转矩大，但磁通可集中，形成高磁通密度，故适于大容量电机，由于电动机呈现凸极特性，可以利用磁阻转矩，此外，这种转子结构的永久磁铁，不易飞出，故可作高速电机使用。 根据确定的转子结构所对应的每相励磁通势合布不同，三相永磁同步电机可分为两种类型：正弦波形和方波形永磁同步电机，前者
12、每相励磁磁通势分布是正弦波形，后者每相则是方波状，根据磁路结构和永磁体形状的不同而不同，对于径向励磁结构，永磁体直接面向均匀气隙如果采用稀大材料，由于采用非均匀气隙或非均匀磁场化方向长度的永磁体的径向励磁结构，气隙磁场波形可以实现正弦分布。 应该指出稀士永磁方波形电机属于永磁无刷直流电机的范畴，而稀土永磁体正弦波形电动机则一般作为三相交流永磁同步伺服电机使用。但这不是绝对的，究竟是三相永磁直流无刷电动机还是三相永磁交流同步电机，主要决定于电动机的控制系统的方式，取决于电动机的转子位置传感器的类型。无刷直流电动机是由电动机本体、转子位置传感器和电子换相线路3部分组成，其内部基本结构原理图和实物图
13、如下图图3-2 (a)、(b)所示：位置传感器（a）霍尔无刷电机内部原理图1 主定子 2 主转子 3 传感器转子 4 传感器定子 5 电子换相开关电路 （b）霍尔无刷电机内部结构图 图3-2 无刷电机基本结构图3.2无刷直流电动机的工作原理3.2.1霍尔位置传感器霍尔式位置传感器是利用霍尔效应进行工作的。霍尔效应是一种磁电效应，是德国物理学家霍尔1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。当电流垂直于外磁场方向通过导体时，在垂直于磁场和电流方向的导体的两个端面之间出现电势差的现象称为霍尔效应，该电势差称为霍尔电势差（霍尔电压）。如下图3-3，半导体材料的长、宽、厚分别为、和。在与X轴相垂
14、直的两个端面和上做两个金属电极，称为控制电极。在控制电极上外加一电压，材料中便形成一个沿X方向流动的电流I，称为控制电流。设图中的材料是N型半导体，导电的载流子是电子。在Z轴方向的磁场作用下，电子将受到一个沿Y轴负方向力的作用，这个力就是洛仑兹力。洛仑兹力用FL表示，大小为： FL = qvB图3-3 霍尔效应A、B-霍尔电极 C、D-控制电极式中，q为载流子电荷；为载流子的运动速度；B为磁感应强度。 在洛仑兹力的作用下，电子向一侧偏转，使该侧形成负电荷的积累，另一侧则形成正电荷的积累。这样，A、B两端面因电荷积累而建立了一个电场EH，称为霍尔电场。该电场对电子的作用力与洛仑兹力的方向相反，即
15、阻止电荷的继续积累。当电场力与洛仑兹力相等时，达到动态平衡，这时有 qEH = qvB霍尔电场的强度为 EH = vB 在A与B两点间建立的电势差称为霍尔电压，用UH表示 UH = EHb = vBb 利用这一原理可以设计制成霍尔位置传感器，霍尔器件通过检测磁场变化，转变为电信号输出，可用于监视和测量物体运行参数的变化。例如位置、位移、角度、角速度、转速等等，并可将这些变量进行二次变换；可测量压力、质量、液位、流速、流量等。在本次毕业设计中，装在无刷电机永磁定转子上的位置传感器便是霍尔位置传感器，单片机根据霍尔信号检测出转子的位置，从而实现对无刷电机的控制。并通过单片机P3.3口检测出单位时间
16、内发出的霍尔信号脉冲数，从而确定了无刷电机的运行速度。3.2.2 霍尔无刷直流电机工作原理普通直流电动机的电枢在转子上，而定子产生固定不动的磁场。为了使直流电动机旋转，需要通过换向器和电刷不断的改变电枢绕组中电流的方向，使两个磁场的方向始终保持相互垂直，从而产生恒定的转矩驱动电动机不断转动。无刷直流电动机为了去掉电刷，将电枢放到定子上去，而转子做成永磁体，这样的结构正好与普通电机相反；然而，即使这样改变还不够，因为定子上的电枢通入直流以后，只能产生不变的磁场，电动机依然不能转动。为了使电动机的转子转起来，必须使定子电枢各相绕组不断的换相通电，这样才能使定子磁场随着转子的位置在不断地变化，使定子
17、磁场与永磁磁场始终保持90o左右的空间角，产生转矩推动转子旋转。霍尔无刷直流电机与普通无刷直流电机相比，只是电机内部多了一个霍尔位置检测器。其工作原理与无位置传感器电机完全一样，只是在相位检测时比较方便。其工作原理框图如下图3-4所示：图3-4 无刷直流电动机基本工作原理框图直流电源通过开关电路向电动机定子绕组供电，位置传感器随时检测到转子所处的位置，并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止，从而自动地控制了那些绕组通电，那些绕组断电，实现电子换向。可以很方便的实现电机的正反转，停止（包括急停）等功能。 霍尔信号与无刷电机（以三相无刷电机为例）三路相位对应关系如下图3-5所示：图3-5 霍
18、尔信号与无刷电机三路相位对应关系4 无刷直流电动机的硬件设计4.1系统组成及主要器件简介系统原理框图如下图4-1所示： 图4-1 总体设计原理框图考虑成本问题，主控芯片选用市场上普通STC89C52单片机作为主控中心，单片机输出与输入的信号先经过光耦隔离（目的消除干扰），运行时，首先采集电机的霍尔信号送主机进行处理，同时输出相应的控制字，六个功率管分成上下臂两部分，通过控制字来控制上下臂有序的导通，从而达到电机三相有序通电，使电机有序运转。电机运转的同时，单片机对采集到的霍尔信号做相应判断，对转速做到实时测量，并将测量结果送外围显示电路显示。同时系统还设计有工作指示检测电路，能实时检测电机运转
19、是否正常。遇到异常情况，立即亮告警指示灯。系统还设计有电平转换（MAX232）电路，用户可以很方便的下载程序，便于系统功能升级。主要功能模块组成元件：1） 微机处理系统：STC89C52单片机STC89C52因为其高可靠性、超低价、低功耗、无法解密等优势，实为首选。图4-2 STC89C52单片机其实物图STC89C52芯片 共40引脚: 18脚: 通用I/O接口p1.0p1.7； 9脚:rst复位键；10 .11脚:RXD串口输入 TXD串口输出；1219:I/O p3接口 (12,13脚 INT0中断0 INT1中断1； 14,15 : 计数脉冲T0 T1 16,17: WR写控制 RD读
20、控制输出端)；18,19: 晶振谐振器 20 地线；2128 p2 接口 高8位地址总线 ；29: psen 片外rom选通端 单片机对片外rom操作时 29脚(psen)输出低电平；30:ALE/PROG 地址锁存器；31:EA rom取指令控制器 高电平片内取 低电平片外取；3239:p0.7p0.0(注意此接口的顺序与其他I/O接口不同 与引脚号的排列顺序相反)；40:电源+5V 2）光耦隔离电路：TLP521-4TLP521是可控制的光电藕合器件，光电耦合器广泛作用在电脑终端机，可控硅系统设备，测量仪器，影印机，自动售票，家用电器，如风扇，加热器，电机等电路之间的信号传输，使之前端与负
21、载完全隔离，目的在于增加安全性，减小电路干扰，减化电路设计。该TLP5214提供了4个孤立的光耦中16引脚塑料DIP封装集电极-发射极电压： 55（最小值）经常转移的比例： 50 （最小） 隔离电压： 2500 Vrms （最小）图4-3 TLP521-4 光藕内部结构图及引脚图注：使用连续负载很重的情况下（如高温/电流/温度/电压和重大变化等），可能会导致本产品的可靠性下降明显甚至损坏。3）程序下载电路：MAX232电平转换芯片图4-4 MAX232芯片引脚图MAX232芯片是美信公司专门为电脑的RS-232标准串口设计的接口电路,使用+5v单电源供电。 内部结构基本可分三个部分： 第一部分
22、是电荷泵电路。由1、2、3、4、5、6脚和4只电容构成。功能是产生+12v和-12v两个电源，提供给RS-232串口电平的需要。 第二部分是数据转换通道。由7、8、9、10、11、12、13、14脚构成两个数据通道。 其中13脚（R1IN）、12脚（R1OUT）、11脚（T1IN）、14脚（T1OUT）为第一数据通道。 8脚（R2IN）、9脚（R2OUT）、10脚（T2IN）、7脚（T2OUT）为第二数据通道。 TTL/CMOS数据从T1IN、T2IN输入转换成RS-232数据从T1OUT、T2OUT送到电脑DB9插头；DB9插头的RS-232数据从R1IN、R2IN输入转换成TTL/CMOS
23、数据后从R1OUT、R2OUT输出。 第三部分是供电。15脚GND、16脚VCC（+5v）。4）速度显示电路：四位一体共阴数码管，74LS138译码器，74LS48七段译码器74LS138 为3 线8 线译码器，其74LS138的工作原理如下： 当一个选通端（G1）为高电平，另两个选通端（/(G2A)和/(G2B)）为低电平时，可将地址端（A、B、C）的二进制编码在一个对应的输出端以低电平译出。74LS138功能:利用 G1、/(G2A)和/(G2B)可级联扩展成 24 线译码器；若外接一个反相器还可级联扩展成 32 线译码器。 若将选通端中的一个作为数据输入端时，74LS138还可作数据分配
24、器.图4-5 74LS138芯片引脚图表4-1 3线-8线译码器74LS138的功能表7段显示译码器74LS48是输出高电平有效的译码器。图4-6 74LS48引脚功能图74LS48除了有实现7段显示译码器基本功能的输入（DCBA）和输出（YaYg）端外，7448还引入了灯测试输入端（LT）和动态灭零输入端（RBI），以及既有输入功能又有输出功能的消隐输入/动态灭零输出（BI/RBO）端。 5）功率变换电路：8050NPN、9014PNP三极管，STP60NF06、STP80PF55功率管8050NPN三极管：8050是常用的NPN小功率三级管。8050三级管参数类型为开关型；极性：NPN；材
25、料：硅；最大集存器电流(A)：0.5 A；直流电增益：10 to 60；功耗：625 mW；最大集存器发射电（VCEO）：25；频率：150 KHz6）单片机I/O口输出驱动电路：7407同相驱动芯片图4-7 74ls07引脚图7407同相驱动芯片A输入为高电平时，Y输出也为高电平，同理，A、Y也同时为低电平。4.2 单片机设计及接口电路单片机设计系统原理电路图如下图4-8所示：图4-8 单片机设计及接口电路单片机P0口接按键电路，接收用户指令。P1口输出电机控制字（P1.0-P1.5），经驱动和光耦隔离电路后，控制功率管的导通。高两位（P1.6P1.7）控制工作指示灯。P2口主要用于速度实时
26、显示，低4位（P2.0P2.3）输出BCD码，高三位（P2.5-P2.7）控制138译码器，控制数码管的选通位。P3口用于接收经过光耦隔离后的霍尔相位信号。同时，（P3.0-P3.1）用于串口通信。4.2.1 按键电路图4-9 按键电路按键电路设计简单，操作方便，采用软件内部消抖。当按键按下时，立即有指示灯提示，用户可以以此判断按键是否的确按下。4.2.2 速度显示电路图4-10 速度显示电路考虑到单片机I/O口资源的富余，直接采用并口输出数据。由图中可以看出，电路比较简单，只需一块74LS48译码器和一块138译码器（最多可以控制8个数码管，便于以后系统升级）。4.2.3 驱动和光耦隔离电路
27、图4-11 I/O口驱动和光耦隔离电路7407驱动芯片主要是为了增加单片机I/O口的驱动能力，光耦芯片是为了消除外界对单片机的干扰。4.3 功率变换电路的设计4.3.1 功率管的选用功率管（功率场效应控制器）是一种用电压信号控制工作电流的电力电子器件。特点是输入阻抗极高，所需驱动功率很小，在控制信号撤除后会自行关断，是一种高性能的自关断器件。目前广泛使用于电机驱动控制电路，特别无刷直流电机的驱动控制。N管选用STP60NF06这种系列MOSFET功率管是一种具有独特的STripFET过程微电子稳压管，特别是具有极小的输入电容和栅极电荷。因此，特别适合作为电信和计算机的先进高效的主要的开关隔离式
28、DC - DC转换器。还可应用在要求低电荷驱动栅极的电路。 主要应用高效DC - DC变换器 不间断电源和电机控制 自动推进装置 P管选用STP80PF55主要应用电动机控制 DC DC和DC- AC变换器4.3.2功率管驱动电路设计MOSFET管工作在高频时，为了防止振荡，有两点必须注意：第一，尽可能减少各端点的连接线长度，特别是栅极引线，如果无法使引线缩短，可以在靠近栅极处串联一个小电阻以便控制寄生振荡；第二，由于MOSFET管的输入阻抗高，驱动电源的阻抗必须比较低，以避免正反馈所引起的振荡，特别是MOSFET管的直流输入阻抗非常高，但它的交流输入阻抗是随频率而改变的，因此MOSFET管的
29、驱动波形的上升和下降时间与驱动脉冲发生器阻抗有关。考虑以上因素，决定采用下图所示的功率管驱动电路，这种方式可以产生足够高的栅压使器件充分导通，有较好的驱动性能，并能保证较高的关断速度。开通时间与关断时间的差别也通过互补电路而消除。同时，在这种驱动方式中的两个外接晶体管起着射极跟随器的作用，因而功率MOSFET管永远不会被驱动到饱和区。STP80PF55、STP60NF06功率管驱动电路分别如下图4-12（a）、（b）所示：图4-12 功率管驱动电路4.3.3功率变换电路上臂采用STP80PF55功率管，低电平导通；下臂采用STP60NF06功率管，高电平导通。图4-13 功率变换电路4.4 电
30、动机换相4.4.1电动机的换相原理由于使用的是带霍尔位置检测器的无刷直流电机，相位检测比较容易，所以换向相对也比较容易，只需要根据单片机接收到的霍尔信号，输出相对应的控制字，控制功率管，进行功率的变换，控制相应的某一相通电，以此循环下去，就会使电机的相位顺序通电。下图是霍尔信号与相位控制字的真值表（表4-2），和电平对应图（图4-14）。表4-2 霍尔信号与相位控制字的真值表注：“1”=高电平，“0”=低电平，“X1”=无论什么，“1”=高阻态无电流，“+”=正电流，“-”=负电流图4-14 电平对应图4.4.2电动机的正反转换相通过上面对无刷电机工作原理的介绍，只需改变开关管的通电顺序就可以实现电机的反转。下面以二二导通方式为例，正反转控制字真值表如下表4-3：霍尔信号导通管单片机P1.0-P1.5控制字H1H2H3P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0101V1V20011100EH100V2V30011010DH110V3V410010125H010V4V510001123H011V5V601001113H001V6V101011016H二二导通方式控制字（正转）霍尔信号导通管单片机P1.0-P1.5控制字H1H2H3P1.5P1.4P1.3P1.2P1.1P1.0101V4V
