1、xx 航空大学学士学位论文1前言电动机作为机电能量的转换装置,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。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，它具有以下特点:1无刷直流电动机的转子采用高磁能积的稀土磁钢作为转子磁钢, 其转动惯量比鼠笼转子要小, 所以对于给定的转矩能够响应得更快, 控制特性更好。2无刷直流电动机的效率比感应电动机高。
2、因为在感应电机运行时, 转子上不会产生铜损和铁损。3在相同容量下, 无刷直流电动机的体积相对要比感应电机小, 重量轻。4无刷直流电机的噪音小。5无刷直流电机调速方便, 灵活, 范围广。目前永磁无刷直流电动机控制器结构已有多种形式，有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、性能要求较高的场合。专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，
3、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。该控制器成本低廉，功能齐全，通过实验测试工作性能稳定，特别适用于对控制器精度要求不是很高的场合。xx 航空大学学士学位论文2第一章 无刷直流电动机概述1.1 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。无刷直流电动机就是为了既要保持有刷直流电动机的特性、又要革除电刷和换向器的目的研究开发的。控制系统中的执行电动机应该具有下列优点:快速性、可控性、可靠性、体积小、重量轻、节能、效率高
4、、适应环境和经济性。下面将就这些方面具体分析无刷直流电动机的优点所在。为了实现快速的起、停、加速、减速，要求电动机具有小的转动惯量和大的起动转矩和最大转矩，无刷直流电动机的转子主要是由永磁材料构成的磁极体组成，电枢绕组在定子上，因而转子外径可以相对较小，转子惯量也就较小;转矩方面，只有直流电动机才能达到大的起动转矩和大的最大转矩，而无刷直流电动机具有直流电动机的特性，起动转矩和最大转矩都较大。这使得它具有快速性的特点。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，因此可控性最好、最方便。无刷直流电动机具有一般有刷直流电动机的调速特性，只要简单地改变电动
5、机的输入电压的大小就可以在广阔的范围内进行无级调速。在可靠性方面，消除了电刷，也就消除故障的主要根源，无刷直流电动机的转子上没有绕组，因而在转子上没有电的损耗，又由于主磁场使恒定的，因此铁损也是极小的，总的来说，除了轴承旋转产生摩擦损耗外，转子方的损耗很小，进一步增加了无刷直流电动机工作的可靠性。由此可知 ，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，直接和机壳相连，散热条件好，热传导系数大。由于这样的关系，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得体积更小，重量更轻。不论是电机设计还是系统设计，提高效率、节约能量都具有重要意义，有着长远
6、的社会、经济效益。据报道，美国 55%以上的电力是消耗在电动机的运行上，美国 GE 公司曾预测，仅在制冷器具的应用中，若用无刷电机取代传统的异步电动机，其效率可提高 20%，全美国一年可节约用电 2.2MkWh。而异步电动机运行在轻载时功率因素低，增加线路和电网的损耗，根据有关报导，我国消耗在电动机上的电力占整个电力的 65%以上。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。从以上的分析可以看出，相对于其他类型的电机，xx 航空大学学士学位论文3无刷直流电动机的损耗最小、节能效率最高。一份资料作过对比分析，对于 7.5kW的异步电动机系统效率可达 86.4%，但是同样容量的
7、无刷直流电动机效率可达 92.4%。在环境适应性方面，对于高性能系统，只能采用直流电动机，但在同时要求长寿命，免维修以及防爆、防燃的环境条件下，有刷直流电动机就无法适应，无刷直流电动机才是最好的选择。在经济性方面，随着电子技术的发展，电子元器件的价格不断的下降，无刷直流电动机驱动、控制器的价格己经和异步机的变频器相差不多了，只是由于稀土永磁材料的价格较贵，无刷直流电动机的成本也较高.但是在考虑综合指标(系统性能、重量、能量消耗)之后，无刷直流电动机的应用仍呈上升趋势。1.2 无刷直流电动机的发展历史及研究应用现状1917 年，Boliger 提出用整流管代替有刷直流电机的基本思想。1955 年
8、, 美国D. Harrison 等人首次申请了用整流管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专利, 标志着现代无刷电机的诞生。上世纪 60 年代末至 70 年代初方波无刷直流电动机一般采用光敏元件和遮光板位置传感器, 采用三相半控 120相带导通驱动方式。由于受到功率开关器件、永磁材料和驱动控制技术发展水平的制约, 这一时期的无刷直流电动机并未进入实用阶段。近 40 年来, 由于电机本体及其相关学科的迅猛发展,“无刷直流电机”的概念已由最初的具有电子换向的直流电机发展到泛指一切具有有刷直流电机外部特性的电子换向电机。无刷直流电机的发展亦使得电机理论与大功率开关器件、模拟和数字专用集成电路、微处理技
9、术、现代控制理论以及高性能材料的结合更加紧密。在10 多年的时间里, 无刷直流电机在国际上已得到较为充分的发展发达的国家里, 无刷直流电机将在未来的几年中成为主导电机, 并逐步取代其它类型的电机。进入上世纪90 年代, 随着永磁材料的出现和完善, 特别是钕铁硼的热稳定性和耐腐蚀性能的进一步的发展和改进, 加上电力电子器件的大容量、高性能化以及功率变换技术和传动控制技术的确立, 以及用于控制的DSP、MPU 、ASIC 等电子设备的高速、低价格化, 使得无刷直流电动机系统控制技术使用了最新控制理论而取得了飞跃发展, 在扩大应用领域和提高性能等方面都有长足的进步。直流无刷电动机既具有交流电动机的结
10、构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点, 又具有直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多特点, 已经广泛的应用到我们的日常生活和国民经济各个领域之中。目前我国已有很多单位xx 航空大学学士学位论文4正在积极开发, 引进国外先进技术, 进一步提高无刷电动机的性能,未来市场对无刷电机的需求量还将急剧增加。 1.3 本论文的主要内容本论文主要介绍了一款数字式霍尔位置传感无刷直流电动机控制器的设计。首先简要介绍了无刷直流电动机的一些特点，发展概况及应用前景，紧接着简单分析了无刷直流电动机的组成和工作原理。最后着重介绍了以 STC89C52 单片机为核心的无刷直流电动机智能控制器硬件电路和
11、控制软件的设计。文中对硬件各个模块电路都做了详细的分析说明；对软件的控制原理，都用流程图做了详细的阐述。xx 航空大学学士学位论文5第二章 无刷直流电动机的结构及工作原理2.1 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，即所谓外装
12、式；另一种是将成型的永久磁铁埋入转子里面，即所谓内装式。根据永久磁铁安装方法不同，永久磁铁的形状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，前者每相励磁磁通势分布是正弦波形
13、，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如下图2.1(a)、(b)所
14、示：xx 航空大学学士学位论文61 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（a）霍尔无刷电机内部原理图 （b）霍尔无刷电机内部结构图图图 2.1 无刷电机基本结构图2.2 无刷直流电动机的工作原理2.2.1 霍尔位置检测器霍尔式位置检测器是利用“霍尔效应”进行工作的。利用霍尔式位置传感器工作的无刷直流电动机的永磁转子，同时也是霍尔式位置传感器的转子。通过感知转子上的磁场强弱变化来辨别转子所处的位置。霍尔传感器按功能和应用可分为线性型和开关型两种：1.线性型：线性型传感器是由电压调整器、霍耳元件、差分放大器、输出级等部分组成，输入为变化的磁感应强度得到与磁场强度
15、成线性关系的输出电压，可用于磁场测量、电流测量、电压测量等。2.开关型：开关型传感器是由电压调整器、霍耳元件、差分放大器、施密特触发器和输出级等部分组成。输入为磁感应强度，输出为开关信号。直流无刷电动机的转子位置检测器属于开关型的传感元件。它的外形像一直普通的晶体管，如下图2.2（a）所示，集成电路原理如下图2.2（b）所示。电动机本体霍尔位置检测器电子换相线路xx 航空大学学士学位论文7(a)霍尔集成电路外形 (b)集成电路原理图图2.2 霍尔位置检测器直流无刷电机的霍耳位置传感器和电机的本体一样，也是由静止部分和运动部分组成，即位置传感器定子和传感器转子。其转子与电机主转子一同旋转，以指示
16、电动机主转子的位置，即可以直接利用电动机的永磁转子，也可以在转轴其它位置上另外安装永磁转子。定子由若干个霍耳元件，按一定的间隔，等距离的安装在传感器定子上，以检测电动机转子的位置。 位置传感器的基本功能是在电动机的每一个电周期内，产生出所要求的开关状态数。位置传感器的永磁转子每转过一对磁极（N、S 几极）的转角，也就是说每转过 360 电角度，就要产生出与电动机绕组逻辑分配状态相对应的开关状态数。以完成电动的一个换流全过程，如果转子的极对数越多，则在 360 机械角内完成该换流全过程的次数也就越多。霍耳位置传感器必须满足以下两个条件：1.位置传感器在一个电周期内所产生的开关状态是不重复的，每一
17、个开关状态所占的电角度相等。 2.位置传感器在一个电周期内所产生的开关状态数应和电动机的工作状态数相对应。位置传感器输出的开关状态能满足以上条件，那么总可以通过一定的逻辑变换将位置传感器的开关状态与电动机的换相状态对应起来，进而完成换相。对于三相无刷直流电动机，其位置传感器的霍耳元件的数量是 3，安装位置应当间隔 120 电角度，其输出信号是 Ha、 Hb、Hc 。霍尔式位置传感器由于结构简单，性能可靠，成本低，因此是目前在无刷直流电动机上应用最多的一种位置传感器。2.2.2 无刷直流电动机的驱动和绕组连接方式无刷直流电动机的驱动方式主要有三相半桥式和全桥式驱动两种。前种方式的xx 航空大学学
18、士学位论文8优点是结构简单，每相通电时间只有 1/3，即 120o，其绕组利用率很低，另外，它的输出转矩波动较大。因此，此种方式只在要求较低的场合中应用，而应用较多的则是全桥式驱动。全桥式驱动下的绕组主要分为星型联结和角型联结。下面以三相无刷直流电动机为例，主要对这两种联结方式的特点进行分析。1.三相星型联结全桥驱动方式驱动电路原理图如下图 2.3 所示：图 2.3 三相星型联结全桥驱动方式以二二导通方式为例，开关管的导通顺序为：AH、CLCL、BHBH、ALAL、CHCH、BL BL 、AH，共有六种导通状态，因此，每隔 60o 改变一次导通状态，每改变一次状态更换一个开关管，每个开关管导通
19、 120o。当 AH、CL 导通时，电流线路为：电源 AHA 组绕相C 组绕相CL地。转子转过 60o 角后，位置传感器送过来的控制信号使 AH、CL 管截止，CL、BH 管导通。电流线路变为：电源BHB 组绕相 C 组绕相CL地。按照这一规律，每换一次导通状态电流流向变换一次，合成电磁转矩的矢量方向就转过60o 角，电机就会持续转动。2.三相角型联结全桥驱动方式驱动电路原理图如下图 2.4 所示：CB Axx 航空大学学士学位论文9图 2.4 三相角型联结全桥驱动方式开关管的导通顺序与电流流向，换相变换和三相星型联结全桥驱动方式相同，这里不再赘述。2.2.3 霍尔无刷直流电机工作原理普通直流
20、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
21、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 2.5 所示：直流电源 开关电路位置传感器电动机图 2.5 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。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 2.6 所示：xx 航空大学学士学位论文10H1H2H3导通管 V1 V1 V3 V3 V5 V5V4 V6 V6 V2 V2 V4
22、图 2.6 霍尔信号与无刷电机三路相位对应关系EAIAEBIBECICxx 航空大学学士学位论文11第三章 无刷直流电动机的硬件设计3.1 系统组成系统原理框图如下图 3.1 所示：微机处理中心单片机 I/O 口输出驱动电路光耦隔离电路功率变换电路光耦隔离电路 M速度显示电路按键电路工作指示灯程序下载电路霍尔信号图 3.1 系统原理框图为了降低成本，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，
23、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；2.光耦隔离电路：TLP521-4, TLP521-1；3.程序下载电路：MAX232 电平转换芯片；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；5.功率变换电路：
24、8050NPN、9014PNP 三极管，STP60NF06、STP80PF55 功率管；6.单片机 I/O 口输出驱动电路：7407 同相驱动芯片。3.2 单片机设计及接口电路xx 航空大学学士学位论文12单片机设计系统原理电路图如下图 3.2 所示：1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 23-Jun-2009 Sheet of File: C:Documents and SettingsAdministrator下下05042237下下下下下下下下下下下下下.ddbDrawn By:P3.6P3.7P3.4P3.1P3
25、.0P3.5K0K2K3K4K5P1.0P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5RESETS6SW-PBR46R45Y0CRYSTALC11CAPC10CAPC12ELECTRO1CAP 1+1RR-IN2 8CAP- 6CAP 2- 5CAP 1-3CAP +2 CAP 2+4RT-OUT2 7R-OUT29T-IN210 T-IN111R-OUT112 RR-IN1 13RT-OUT1 14GND 15VCC16U2C8CAPC7CAPC9CAPC5CAPC6CAP1 6 2 7 3 8 4 9 5J3下下下下下下下下下DB9K1VCCVCC
26、VCCP1.6P1.7EA/VP31X119 X218RESET9RD17 WR16INT012 INT113T014 T115P10/T1 P11/T2P123 P134P145 P156P167 P178P00 39P01 38P02 37P03 36P04 35P05 34P06 33P07 32P20 21P21 22P22 23P23 24P24 25P25 26P26 27P27 28PSEN 29ALE/P30TXD 11RXD 10U?STC89C52VCCR48VCCR47D6 D7图 3.2 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
27、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显示，低 4 位（P2.0 P2.3）输出 BCD 码，高三位（P2.5-P2.7）控制 74LS138 译码器，控制数码管的选通位。P3 口（P3.4 P3.6）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。3.2.1 按键电路1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 23-Jun-2009 Sheet of File: C:Documents an
28、d SettingsAdministrator下下05042237下下下下下下下下下下下下下.ddbDrawn By:R41R40R39 R42 R43 R44S0SW-PB S1SW-PB S2SW-PB S3SW-PB S4SW-PB S5SW-PBK0K1K2K3K4K5VCCD0 D1 D2 D3 D4 D5图 3.3 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。xx 航空大学学士学位论文133.2.2 速度显示电路1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSiz
29、eBDate: 23-Jun-2009 Sheet of File: C:Documents and SettingsAdministrator下下05042237下下下下下下下下下下下下下.ddbDrawn By:BI/RBO4 RBI5LT3 A7B1 C2D6a 13b 12c 11d 10e 9f 15g 14U4P2.0P2.1P2.2P2.3BIT412BIT38BIT29BIT16D2E1F10C4B7A11DP3G5DS1SEG7-4A1 B2C3G2A4 G2B5 G16Y7 7Y69Y5 10Y4 11Y312Y2 13Y1 14Y015U3LEDP2.5P2.6P2.7图
30、 3.4 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 74LS138 译码器（最多可以控制 8个数码管，便于以后系统升级） 。3.2.3 驱动和光耦隔离电路图 3.5 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。3.3 功率变换电路的设计3.3.1 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。xx 航空大学学士学位论文14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
31、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，特别是应用于无刷直流电机的驱动控制中。本设计选用的功率管如下：1. 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 DC - DC 转换器。还可应用在要求低电荷驱动栅极的电路。 2. P 管选用 STP80PF55，主要应用于电动机控制、DC-DC 和 DC-AC 变换器中。3.3.2 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
32、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
33、，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 3.8 所示：1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 23-Jun-2009 Sheet of File: C:Documents and SettingsAdministrator下 下 05042237下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 .ddbDrawn By:Q12Q14R5R6Q15R7Q1724V 24VQ13 Q16R9BH BLQ2 Q3Q14R5Q14R5图 3.8 功率管
34、驱动电路3.3.3 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xx 航空大学学士学位论文15电平导通。图 3.9 功率变换电路3.4 电动机换相3.4.1 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 1）表 1 霍尔信号与相位控制字的真值表xx 航空大学学士学位论文16霍尔位置信号与三相线驱动电流
35、时序对应关系如下图 3.10 所示：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 3.10 霍尔位置信号与三相线驱动电流时序对应图3.4.2 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 2，3 所示：表 2 二二导通方式正转控制字真值表霍尔信号 单片机 P1.0-P1.5H1 H2 H3导通管P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0控制字1 0 1 V1 V2 0 0 1 1 1 0 0EH1 0
36、0 V2 V3 0 0 1 1 0 1 0DH1 1 0 V3 V4 1 0 0 1 0 1 25H0 1 0 V4 V5 1 0 0 0 1 1 23H0 1 1 V5 V6 0 1 0 0 1 1 13H0 0 1 V6 V1 0 1 0 1 1 0 16H表 3 二二导通方式反转控制字真值表霍尔信号 单片机 P1.0-P1.5H1 H2 H3导通管P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P1.1 P1.0控制字1 0 1 V4 V5 1 0 0 0 1 1 23H0 0 1 V3 V4 1 0 0 1 0 1 25Hxx 航空大学学士学位论文170 1 0 V2 V3 0 0 1 1 0
37、 1 0DH0 1 0 V1 V2 0 0 1 1 1 0 0EH1 1 0 V6 V1 0 1 0 1 1 0 16H1 0 0 V5 V6 0 1 0 0 1 1 13H3.5 相位检测电路的设计本系统电动机选用的是霍尔无刷直流电动机，电动机内部自带有霍尔位置检测器。随着电机的转动会实时输出电机的位置信息，可以根据位置信息很方便的输出控制字，变换相位。考虑干扰的影响，只需要在霍尔信号（电机输出）与单片机之间加一光耦隔离电路即可。3.6 过流保护电路的设计电机启动和堵转时会产生一个很大的峰值电流，当电流超过功率管的最大流过电流时，会将功率管烧坏或者击穿。所以电路设计中必须加一限流保护电路。系
38、统限流保护电路设计如下图所示，电路由一采样电阻和比较器 LM393 组成。当电机启动时，启动电流增大，在采样电阻 R15 上的压降增大，当压降等于给定电压 U0 时，比较器 LM393 输出低电平，使 MOSFET 开关管 V1、V3、V5 被关断，采样电阻 R15 上的电流迅速减小，R15 上的压降也减小；当电压降到小于给定电压 U0 时，比较器输出高电平，使 MOSFET 开关管 V1、V3、V5 恢复正常的通断顺序。如此下去，电流被限制在 U0/R15 上下，达到限流的目的。图中元件参数确定：参考电压 U0 由 R16，R17 分压得到，取U0=5V,R16=2K,R17=1K。电动机流
39、过的电流要被限制在 2.5A 以下，由此可以计算出采样电阻 R15=U0/IMAX=2。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 23-Jun-2009 Sheet of File: C:Documents and SettingsAdministrator下 下 05042237下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 下 .ddbDrawn By:R16R1715VR20R18 R1932184U1ALM393R15下 下 下 下 下 下AL BL CL注：1 电机电流：流过电机绕组回路的电流，2 AL、BL、CL
40、：分别接功率换相电路的下臂输入xx 航空大学学士学位论文18图 3.11 过流保护电路3.7 系统主要应用软件简介1. Keil C 单片机开发软件简介Keil C51是美国 Keil Software 公司出品的51系列兼容单片机 C 语言软件开发系统，与汇编相比，C 语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。Keil C51软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全 Windows 界面。 2. STC_ISP_V3.5单片机程序下载软件简介STC-ISP 是由智峰工作室提供的公共免费下载工具，是针对 STC 系列单片机而设计的，可下载 STC89系列、
41、12C2052系列和12C5410等系列的 STC 单片机，使用简便，下载程序只需一根串口线即可，现已被广泛使用。STC_ISP_V3.5是它的最新版本。3. protelDXP 绘制电路板软件简介protel 设计系统是世界上第一套将 EDA 设计环境引入 PC 机 Windows 环境的 EDA开发工具，该软件功能强大，人机界面友好，易学易用，实用该软件设计者可以容易地设计电路原理图、画元件图、设计电路板图、画元件封装图和电路仿真。Protel-DXP 是继 protel99SE 之后的一个新版本，其功能更加强大，用户操作更为方便。xx 航空大学学士学位论文19第四章 系统软件设计4.1
42、软件系统概述单片机测控系统的软件设计和一般在现成系统机上设计一个应用软件有所不同，后者是在系统机器操作系统等支持下的纯软件设计，而单片机的软件设计是在裸机条件下开始的，而且随系统的不同而不同。对于单片机软件系统的设计，不论程序的大小,在软件设计过程中采用的都是模块化思想。此系统软件设计要求中，要实现的功能有正转，反转，速度显示，工作指示，停止（包括急停）等方面。有了基本模块思路后，针对各部分进行分割，细分成各子程序合成，最后进行整合，形成一个完整的软件控制系统。4.2 系统程序总体设计考虑此控制程序不是很复杂，为了不影响程序执行速度，程序全部采用汇编语言编写。单片机控制应用系统的硬件确定后，接
43、下来就要进行软件的设计，设计的主要内容是应用系统的主程序和各应用模块程序。整个系统是在应用程序的控制下进行的，应用程序由主程序和各个子程序构成。此系统采用结构化程序设计方法（对于较大的系统，更应如此） 。这是一种自上而下的编程方法，即把总的控制过程逐步细分，分化成一个个的子过程。一直分化到所导出的子过程能直接用编程语言来实现时为止。这种设计思路把注意力集中到编程中最容易出错的一点，即程序的逻辑结构，只要总体逻辑结构是正确的，再复杂的程序也可以按划分出来的逻辑功能模块逐个设计出来。有了这一设计思想，下来的工作就是编写各模块子代码，最后再整合。4.3 软件流程图与部分代码4.3.1 主程序设计P0
44、.0 接启动按键，P0.1 接停止按键，P0.2 接正转命令按键，P0.3 接反转命令按键。系统上电后，主程序首先查询 P0.0 口是否为高电平，为高则启动系统（清零各工作区，开中断） ，亮工作指示灯，否则等待系统启动。系统启动后进入工作查询状态（查询 P0.1，P0.2， P0.3） ，是否有正转，反转，停止命令。有，进入相应程序工作，否则继续查询。主程序流程图如下图 4.1 所示：xx 航空大学学士学位论文20开始初始化各控制端口，清零显示速度寄存器(40H-43H)转到正转子程序转到反转子程序开中断 T1， （2S 定时）置 100MS 定时器初值TH1=3CH,TL1=0B0H启动命令
45、？ NYYY转到停止子程序正转命令？反转命令？停止命令？YNNN启动命令查询图 4.1 主程序流程图4.3.2 模块子程序设计1. 中断子程序系统选用 6M 晶振，定时 100MS，计数器初值为 TH1=3CH,TL1=B0H。系统测速是间隔 2S 读取并更新一次速度寄存器的值，所以还得设一寄存器(30H)，检测是否定时到 2S,定时到，调用数值转换子程序，将速度寄存器（SP_L,SP_H）的值倍乘 30后，转换为十进制 BCD 码，分别依次存入 40H-43H 单元。最后重新开中断，返回原xx 航空大学学士学位论文21程序。中断子程序流程图如下图 4.2 所示：中断入口重新装入定时器初值（3
46、0H）+1 送30H30H 送寄存器 A清零 30H,调用 Z_HUAN 子程序，清零速度寄存器（SP_L,SP_H）开中断A=14H ？中断返回NY30H,定时计数器单元，SP_L(32H)速度寄存器地位，SP_H(33H)速度寄存器高位图 4.2 中断子程序流程图2. 正、反转控制模块子程序设计本模块的硬件连接如下：P0.4 接急停按键，P0.5 接加速按键， P0.6 接减速按键。系统运行时，若接到正/反转命令，则跳到正/反转程序入口，首先进行软件消抖（延时 10MS，再判断按键是否按下）后，发现按键并未真正按下，返回源程序；若按键的确按下，执行正/反转程序，首先置正/反转标志（Z_B/
47、F_B）为“1” ，设定启动速度，给 SD(34H)速度控制寄存器设定一正转/反转启动初值。指针寄存器（DPTR）指向正转/反转控制字表首地址。读取霍尔信号，判断电机位置信息，根据位置信息查表，输出相应的控制字，查询有无加/减速，急停命令，有调用相应程序，xx 航空大学学士学位论文22否则程序继续往下执行，查询有无停止命令，有转到停止，否则返回正转/反转程序，继续输出下一控制字。程序流程框图如下图 4.3 所示：正/反转程序入口灭告警指示灯，置正反转标志延时 10MS按键按下？ NY设定正转/反转启动速度 SD调用检测电机当前位置子程序，SD 值送(31H)表号值送 A根据位置信息送相应的控制
48、字表号A=05H ?速度寄存器加1根据相对应的表地址，查正转/反转表控制字送 P1 口，P1.6-P1.7 值不变调用 10MS 延时程序NYxx 航空大学学士学位论文23调用加速程序转到急停程序转到停止程序31H 减 1 值送 31H加速命令？急停命令？停止命令？31H=0 ?返回YNYNYNN图 4.3 正反转子程序流程图3. 速度显示模块子程序开始速度寄存器值倍乘 30调数值转换程序十六进制转换为十进制分别将转换后的 BCD 码，个位（40H）,十位（41H）,百位（42H）,千位（43H）调动态显示程序返回图 4.4 速度显示子程序流程图Yxx 航空大学学士学位论文244. 停止子程序
49、流程图进入停止程序，首先消抖，确认按键的确按下。紧接着判断是哪里程序接受到得的停止命令，若是系统刚启动，电机还没接到正反转命令时，选择直接停止，退出系统，再跳转到等待系统启动查询。若是正反转时接收到得停止命令，先判断是正转还是反转，然后进入相应的缓慢减速停止程序，最后跳转到等待系统启动查询。开始延时 10MS，判断停止按键是否的确按下P0.1=1 ?Z_B=1 ?F_B=1 ?Z_TAB 值送 DPTR 直接停止 F_TAB 值送 DPTR正转缓慢减速停止 反转缓慢减速停止退出NYYNYN启动命令查询F_B:正转标志位，内存单元（35H） Z_B：反转标志位, 内存单元（36H）Z_TAB:正转控制字表首地址 F_TAB：反转控制字表首地址图 4.5 停止子程序流程图5. 其他小模块核心代码（1）加减速功能核心代码转速主要决定于相位变换的频率，而频率的变换则由单片机输出的控制字决定，xx 航空大学学士学位论文25所以只要控制输出控制字的频率就可以达到控制转速的目的。程序中 SD（34H）为控制字输出频率寄存器。J_SU:JNB P0.5
