基于单片机的无刷直流电机调速系统的设计
基于单片机的无刷直流电机调速系统的设计[20200211151925]
摘 要
无刷直流电机的速度调控系统有很好的运行、控制和经济性能。无刷直流电机不仅有直流电机良好的调速性能，还有交流电机的结构简单、维护方便和运行可靠等优点，在很多领域中有着广泛的应用。
无刷直流电机的应用从20世纪90年代开始，随着百姓的生活水平的不断提高，现代化的生产需要，以及工业机器、家用的电器等越来越趋于小型化和高效率化，因此而迅速增长。无刷直流电机作为最重要的执行元件，必须要有精度高和效率高的优点。
本设计是用无刷直流电机，以STC89C51单片机作为控制电路，用单片机采集电机的霍尔反馈信号和比较电平，再通过软件的编程控制，达到调控电机的速度，通过LCD显示模块显示转速，从而实现了整个系统设计的要求。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:无刷直流电机霍尔传感器单片机调速
目 录
第1章 绪论 1
1.1无刷直流电机的发展概况 1
1.2无刷直流电机的应用与研究方向 1
1.3本论文的主要内容 3
第2章 硬件模块介绍 4
2.1无刷直流电机的工作原理 4
2.2 液晶显示器的工作原理 5
2.3单片机介绍 6
2.4霍尔传感器的工作原理 7
2.5驱动芯片NJM2624A的介绍 7
2.6本章小结 10
第3章 系统硬件设计 11
3.1单片机最小系统的设计 11
3.2显示电路的设计 13
3.3键盘电路的设计 14
3.4霍尔位置传感器模块 14
3.5逆变电路设计 15
3.6本章小结 16
第4章 系统软件设计 17
4.1系统的主程序模块 17
4.2键盘模块 20
4.3显示模块 22
4.4调试与分析 24
4.5无刷直流电机调速系统的调试总结 28
总 结 29
致 谢 30
参考文献 31
附 录 32第1章 绪论
1.1无刷直流电机的发展概况
电动机在一个多的世纪里经历了很大的改革，因此它的应用范围也得到了很大的扩张。由于各个领域对电机的需求不同，因此科学家们发明了很多不同种类的电机。最早在1831年的时候，电磁感应现象被科学家发现，并开始运用到无刷直流电机中来。在19世纪40年代的时候，科学家们发明了第一台直流电机，由于当时条件的限制，再过了一个世纪后无刷直流电机才被发明出来。在这一个多世纪里，有刷直流电机技术的发展越来越成熟，但是由于存在机械换相的问题，加上生产应用的要求越来越高，有刷直流电机的使用受到了很大的限制。科学家们终于在不断的探索中发现了一个新的换相装置终于诞生了——无刷直流电机。
科学的探索的路途中，并不是一帆风顺的，在20世纪30年代，科学家为了做出新的换向器电机提出用离子装置从而达到定子绕组按照转子位置进行换接的目的，可是这种电机的缺点很多而且没有实用的价值，因而没有得到广泛的使用。经过了反反复复的试验以及不断的实践，科学家们发明了位置传感器来代替机械换相装置。位置传感器的发明与应用给无刷直流电机带来了质的飞跃，为无刷直流电机。在1970年后，新型的半导体材料不断涌现以及高性能永磁材料的发明，无刷直流电机的发展又进了一大步，为后面的发展打下了很好的基础。1978年的时候，联邦德国Mannesmann公司展示MAC无刷直流电机，这是无刷直流电机发展史上的一个里程碑，说明了无刷直流电机已经进入实用阶段。在20世纪90年代后，新进技术的不断涌现，特别是计算机技术的控制理论的发展，另外很多处理器的诞生，比如单片机以及数字信号处理器（DSP）等的发展，再加上存储空间和指令速度都得到了很大的提高，从而使得无刷直流电机在发展的道路上又迈出了一大步。无刷直流电机的系统抗干扰性能大大的提高如：转速动态、转矩波动抑制以及和稳态响应，这让无刷直流电机在更多的领域受到了欢迎，并且还使得控制的理论部分得到了很大程度的丰富。
1.2无刷直流电机的应用与研究方向
直流电机有着很好的转矩特性，但是由于存在机械换相的缺点，在换相的时候产生的噪声很大，而且对电机本身也有很大的伤害，因此还需要不定期的经行检查和护理工作。无刷直流电机的诞生，很好的解决了这些问题，它具有很好的静、动态调速特性，而且它的控制也很方便。它的应用范围很广，不仅在军事工业上使用广泛，在我们的日常生活中比如医疗和家电方面都有使用。无刷直流电机由三个部分组成，这三个部分的发展状况如下：
1、电机本体
无刷直流电动机的电磁结构与有刷直流电机基本上是相同的，但它的电枢绕组是放在定子上面，转子的结构简化，以提高其性能。永磁材料的发展进一步推动了无刷电机的发展，使得电机的用铜量也大大的减少。无刷直流电机的往小型化、耗能少和效率高的方向发展。
2、电子换相电路
无刷直流电机转速、转矩和转向都是由逆变电路的功率开关控件控制的，并且还要保护无刷直流电机防止电机受到过压、过流和过热的损坏。最初的时候是为了使控制比较简单，所以采用了模拟电路控制，但是因为这样一来，外围的电路很多，使得无刷电机的硬件搭建很复杂，为了使电机的小型化，因此后来采用了数字信号处理器。这也为无刷直流电机往小型化和智能化发展奠定了很好的基础。
3、转子位置检测电路
无刷直流电机区别与有刷直流电机最主要的就是换相的不同，有刷直流电机采用的是机械换相，缺点很多，无刷电机则是采用位置传感器来检测转子位置，这种方法最为直接而且可以很准确的检测到转子的位置，从而依据位置传感器传送的信号来对功率器件进行切换。起初使用的位置传感器是磁电式的，但是由于其既笨重又复杂，已经淘汰了。目前应用最广泛的是霍尔传感器，此外还有精度更高的光电精密位置传感器。现在大多数无刷电机都是使用霍尔位置传感器来检测转子位置，在一些要求精度更高的设备可以采用光电式的位置传感器。
无刷直流电机的发展很快，但是仍有待研究的问题。
1、转矩脉动控制
转矩脉动的存在一直是无刷直流电机首先需要解决的。转矩脉冲的存在对电机的速度控制影响很大，因此在一定程度上限制了无刷直流电机的发展。这个问题已经引起了科学家们的关注，并且对它展开了深入的探讨和分析，也提出了很多种方法来削弱转矩脉冲。虽然对直流无刷电机的性能有一定的提高，但是没有从根本上解决问题。如果解决了转矩脉动的问题，那么无刷直流电机的发展又将进入一个新的篇章。
2、智能控制
在运动控制的领域中，智能控制理论的应用被作为一个新的发展方向。随着现代科技的发展，人们对设备的智能化操作的要求越来越高，因为智能控制技术受到了很多人的重视，为无刷直流电机能在更广泛的范围被应用做好了铺垫。
1.3本论文的主要内容
本论文对无刷直流电机调速系统进行设计，从无刷直流电机调速系统的选题、硬件介绍和软件设计都做了详细的分析。本文首先对无刷直流电机速度控制系统的发展进行了概述以及一个粗略的介绍了研究方向，从而验证无刷直流电机速度控制系统的意义。本论文第二章对硬件模块经行了介绍，第三章对硬件进行了设计，第四章对软件经行了设计。
第2章 硬件模块介绍
无刷直流电动机的电流在人们生活中有着广泛的应用，最常见的应用是一个电动自行车。本次设计是通过按键调节电机设定的速度，改变单片机给驱动电路的脉冲信号频率，根据霍尔传感器传递的电机转子的位置信息，转换为驱动芯片的驱动信号，脉冲驱动信号通过放大器放大，放大控制信号控制逆变电路，从而改变了电机的转速。
2.1无刷直流电机的工作原理
无刷直流电机的工作原理如图2-1所示。
图2-1 无刷直流电机工作原理示意图
当转子顺时针旋转到图a所示位置的时候，位置传感器检测转子的位置信号再经过驱动芯片变化为驱动信号，再由逆变器逆变为三相交流电，控制电机转速，从而T1、T6导通，即A、B绕组通电，电流从正极流出，通过T1流入A绕组，再通过B绕组流出，最后通过T6流回负极，电机转子受到定转子的磁场相互作用按照顺时针的方向继续转动。
摘 要
无刷直流电机的速度调控系统有很好的运行、控制和经济性能。无刷直流电机不仅有直流电机良好的调速性能，还有交流电机的结构简单、维护方便和运行可靠等优点，在很多领域中有着广泛的应用。
无刷直流电机的应用从20世纪90年代开始，随着百姓的生活水平的不断提高，现代化的生产需要，以及工业机器、家用的电器等越来越趋于小型化和高效率化，因此而迅速增长。无刷直流电机作为最重要的执行元件，必须要有精度高和效率高的优点。
本设计是用无刷直流电机，以STC89C51单片机作为控制电路，用单片机采集电机的霍尔反馈信号和比较电平，再通过软件的编程控制，达到调控电机的速度，通过LCD显示模块显示转速，从而实现了整个系统设计的要求。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:无刷直流电机霍尔传感器单片机调速
目 录
第1章 绪论 1
1.1无刷直流电机的发展概况 1
1.2无刷直流电机的应用与研究方向 1
1.3本论文的主要内容 3
第2章 硬件模块介绍 4
2.1无刷直流电机的工作原理 4
2.2 液晶显示器的工作原理 5
2.3单片机介绍 6
2.4霍尔传感器的工作原理 7
2.5驱动芯片NJM2624A的介绍 7
2.6本章小结 10
第3章 系统硬件设计 11
3.1单片机最小系统的设计 11
3.2显示电路的设计 13
3.3键盘电路的设计 14
3.4霍尔位置传感器模块 14
3.5逆变电路设计 15
3.6本章小结 16
第4章 系统软件设计 17
4.1系统的主程序模块 17
4.2键盘模块 20
4.3显示模块 22
4.4调试与分析 24
4.5无刷直流电机调速系统的调试总结 28
总 结 29
致 谢 30
参考文献 31
附 录 32第1章 绪论
1.1无刷直流电机的发展概况
电动机在一个多的世纪里经历了很大的改革，因此它的应用范围也得到了很大的扩张。由于各个领域对电机的需求不同，因此科学家们发明了很多不同种类的电机。最早在1831年的时候，电磁感应现象被科学家发现，并开始运用到无刷直流电机中来。在19世纪40年代的时候，科学家们发明了第一台直流电机，由于当时条件的限制，再过了一个世纪后无刷直流电机才被发明出来。在这一个多世纪里，有刷直流电机技术的发展越来越成熟，但是由于存在机械换相的问题，加上生产应用的要求越来越高，有刷直流电机的使用受到了很大的限制。科学家们终于在不断的探索中发现了一个新的换相装置终于诞生了——无刷直流电机。
科学的探索的路途中，并不是一帆风顺的，在20世纪30年代，科学家为了做出新的换向器电机提出用离子装置从而达到定子绕组按照转子位置进行换接的目的，可是这种电机的缺点很多而且没有实用的价值，因而没有得到广泛的使用。经过了反反复复的试验以及不断的实践，科学家们发明了位置传感器来代替机械换相装置。位置传感器的发明与应用给无刷直流电机带来了质的飞跃，为无刷直流电机。在1970年后，新型的半导体材料不断涌现以及高性能永磁材料的发明，无刷直流电机的发展又进了一大步，为后面的发展打下了很好的基础。1978年的时候，联邦德国Mannesmann公司展示MAC无刷直流电机，这是无刷直流电机发展史上的一个里程碑，说明了无刷直流电机已经进入实用阶段。在20世纪90年代后，新进技术的不断涌现，特别是计算机技术的控制理论的发展，另外很多处理器的诞生，比如单片机以及数字信号处理器（DSP）等的发展，再加上存储空间和指令速度都得到了很大的提高，从而使得无刷直流电机在发展的道路上又迈出了一大步。无刷直流电机的系统抗干扰性能大大的提高如：转速动态、转矩波动抑制以及和稳态响应，这让无刷直流电机在更多的领域受到了欢迎，并且还使得控制的理论部分得到了很大程度的丰富。
1.2无刷直流电机的应用与研究方向
直流电机有着很好的转矩特性，但是由于存在机械换相的缺点，在换相的时候产生的噪声很大，而且对电机本身也有很大的伤害，因此还需要不定期的经行检查和护理工作。无刷直流电机的诞生，很好的解决了这些问题，它具有很好的静、动态调速特性，而且它的控制也很方便。它的应用范围很广，不仅在军事工业上使用广泛，在我们的日常生活中比如医疗和家电方面都有使用。无刷直流电机由三个部分组成，这三个部分的发展状况如下：
1、电机本体
无刷直流电动机的电磁结构与有刷直流电机基本上是相同的，但它的电枢绕组是放在定子上面，转子的结构简化，以提高其性能。永磁材料的发展进一步推动了无刷电机的发展，使得电机的用铜量也大大的减少。无刷直流电机的往小型化、耗能少和效率高的方向发展。
2、电子换相电路
无刷直流电机转速、转矩和转向都是由逆变电路的功率开关控件控制的，并且还要保护无刷直流电机防止电机受到过压、过流和过热的损坏。最初的时候是为了使控制比较简单，所以采用了模拟电路控制，但是因为这样一来，外围的电路很多，使得无刷电机的硬件搭建很复杂，为了使电机的小型化，因此后来采用了数字信号处理器。这也为无刷直流电机往小型化和智能化发展奠定了很好的基础。
3、转子位置检测电路
无刷直流电机区别与有刷直流电机最主要的就是换相的不同，有刷直流电机采用的是机械换相，缺点很多，无刷电机则是采用位置传感器来检测转子位置，这种方法最为直接而且可以很准确的检测到转子的位置，从而依据位置传感器传送的信号来对功率器件进行切换。起初使用的位置传感器是磁电式的，但是由于其既笨重又复杂，已经淘汰了。目前应用最广泛的是霍尔传感器，此外还有精度更高的光电精密位置传感器。现在大多数无刷电机都是使用霍尔位置传感器来检测转子位置，在一些要求精度更高的设备可以采用光电式的位置传感器。
无刷直流电机的发展很快，但是仍有待研究的问题。
1、转矩脉动控制
转矩脉动的存在一直是无刷直流电机首先需要解决的。转矩脉冲的存在对电机的速度控制影响很大，因此在一定程度上限制了无刷直流电机的发展。这个问题已经引起了科学家们的关注，并且对它展开了深入的探讨和分析，也提出了很多种方法来削弱转矩脉冲。虽然对直流无刷电机的性能有一定的提高，但是没有从根本上解决问题。如果解决了转矩脉动的问题，那么无刷直流电机的发展又将进入一个新的篇章。
2、智能控制
在运动控制的领域中，智能控制理论的应用被作为一个新的发展方向。随着现代科技的发展，人们对设备的智能化操作的要求越来越高，因为智能控制技术受到了很多人的重视，为无刷直流电机能在更广泛的范围被应用做好了铺垫。
1.3本论文的主要内容
本论文对无刷直流电机调速系统进行设计，从无刷直流电机调速系统的选题、硬件介绍和软件设计都做了详细的分析。本文首先对无刷直流电机速度控制系统的发展进行了概述以及一个粗略的介绍了研究方向，从而验证无刷直流电机速度控制系统的意义。本论文第二章对硬件模块经行了介绍，第三章对硬件进行了设计，第四章对软件经行了设计。
第2章 硬件模块介绍
无刷直流电动机的电流在人们生活中有着广泛的应用，最常见的应用是一个电动自行车。本次设计是通过按键调节电机设定的速度，改变单片机给驱动电路的脉冲信号频率，根据霍尔传感器传递的电机转子的位置信息，转换为驱动芯片的驱动信号，脉冲驱动信号通过放大器放大，放大控制信号控制逆变电路，从而改变了电机的转速。
2.1无刷直流电机的工作原理
无刷直流电机的工作原理如图2-1所示。
图2-1 无刷直流电机工作原理示意图
当转子顺时针旋转到图a所示位置的时候，位置传感器检测转子的位置信号再经过驱动芯片变化为驱动信号，再由逆变器逆变为三相交流电，控制电机转速，从而T1、T6导通，即A、B绕组通电，电流从正极流出，通过T1流入A绕组，再通过B绕组流出，最后通过T6流回负极，电机转子受到定转子的磁场相互作用按照顺时针的方向继续转动。
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