-基于单片机的无刷直流电机控制系统设计.docx
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1、论文分类号:TP368密 级:公开吉林师范大学毕业论文(设计)基于单片机的无刷直流电机控制系统设计学院、专业:信息技术学院光电信息科学与工程姓名学号:李 强(201445040113)年 级 班:2016级6班指导教师:董 贺(讲师)2020年1月10日吉林师范大学信息技术学院本科毕业论文基于单片机的无刷直流电机控制系统设计李强(吉林师范大学信息技术学院2016级 6班 吉林四平 136000)指导教师: 董贺(讲师)中文摘要无刷直流电动机控制系统是一种新型的调速系统,具有良好的可操作性、可控性和经济性,有利于提高效率,具有较高的发展潜力。同时无刷直流电机以电子换向器代替机械换向器,不仅具有直
2、流电动机良好的调速性能,而且具有交流电动机结构简单、运行可靠、维护方便等特点。无刷直流电动机在许多领域得到了广泛的应用。本文的讨论集中在基于单片机的无刷直流电动机控制系统上,该系统具有双闭环控制电路,主要由无刷直流电动机,电路主驱单片机组成。控制的核心是单片机。单片机主要完成的任务有:位置传感器信号的采集,电机换向信号的输出,电机速度的测量,PWM的输出和采集。使用PID,改进了控制器算法,实现了速度的PI调节,形成用于电动机速度的双闭环控制系统。电机的驱动电路采用全桥控制方法,拥有有快速开关速度,低损耗和低驱动功率的MOSFET管。本系统控制方便,结构简单,全数字化,并在操作期间获得良好的动
3、态和静态性能。本人还对系统的硬件进行设计,如MOSFET转向和速度参考电路以及液晶显示电路,包括三相逆变器及其控制电路的设计,并根据此给出了软件的流程。关键词:无刷直流电机;单片机;PWM控制Design of Brushless DC Motor Control System Based on Single Chip MicrocomputerLiQiang(Class6 Grade2016 in College of Information&Technology,Jilin Normal University, Jilin Siping 136000)Directive Teacher:
4、DongHe(lecturer)AbstractBrushless dc motor control system is a new type of speed regulation system, which has good operability, controllability and economy, is conducive to improving efficiency and has high development potential. At the same time, the brushless dc motor replaces the mechanical commu
5、tator with electronic commutator, which not only has good speed regulation performance of dc motor, but also has the characteristics of simple structure, reliable operation and convenient maintenance of ac motor. Brushless dc motor has been widely used in many fields.This paper focuses on the contro
6、l system of brushless DC motor based on single-chip computer. The system has double closed-loop control circuit, which is mainly composed of brushless DC motor and main driver single-chip computer. The core of control is STC12C5A60S2. The main tasks accomplished by MCU are: position sensor signal ac
7、quisition, motor commutation signal output, motor speed measurement, PWM output and acquisition.PID, is used to improve the controller algorithm, which can realize the PI regulation of speed and form a double closed-loop control system for motor speed. The circuit drive switch speed of the motor is
8、very fast, for MOSFET The loss of tube is very low, and the control mode is the whole bridge mode. The system has the advantages of convenient control, simple structure, full digitization, and good dynamic and static performance during operation. I also design the hardware of the system, such as ste
9、ering and speed reference circuit, LCD display circuit composed of MOSFET and three-phase electric and driving circuit, and give the flow chart of the software.Key words :Brushless DC Motor; Single Chip Microcomputer; PWM Control-III-目 录中文摘要IAbstractII第一章 绪论11.1 研究课题背景及意义11.2 无刷直流电机的国内外研究现状21.3 无刷直流
10、电机的发展趋势31.4 本文的主要工作4第二章 无刷直流电机的基本结构及原理52.1 无刷直流电机的基本结构52.2 无刷直流电机的运行原理62.2.1 无刷直流电机换向控制原理62.2.2 无刷直流电机PWM调速原理92.3 本章小结12第三章 无刷直流电机的控制系统设计133.1 无刷直流电机控制系统设计方案133.2 无刷直流电机控制系统硬件设计133.2.1 最小系统的设计133.2.2 转子位置测量143.2.3 驱动电路及逆变电路163.2.4 电流检测及过流保护173.2.5 LCD显示173.2.6 按键输入183.2.7 电压转换183.3 无刷直流电机的系统软件设计193.
11、3.1 无刷直流电机控制系统主程序193.3.2 键盘扫描子程序213.3.3 PWM控制子程序213.3.4 测速子程序223.3.5 控制器算法233.3.6 电流滞环控制253.4 本章小结26第四章 无刷直流电机控制系统的仿真及结果分析284.1 基于Proteus的无刷直流电机控制系统模型284.2 无刷直流电机控制系统仿真及分析294.2.1 无刷直流电机运行294.2.2 无刷直流电机调速304.3 本章小结31结论32参考文献33附录35致谢46第一章 绪论1.1 研究课题背景及意义上个世纪四十年代,有刷发动机具有价格低,可靠性好,换档稳定等一系列优点1。然而,有刷发动机有一个
12、致命的缺陷。刷子的主要材料是碳。碳刷易于磨损,并且由于工艺问题而难以更换。而且,随着工业发展所需的电流越来越大,在这种情况下电动机的寿命将大大降低。无刷直流电动机(BDCM)作为一种新式的综合发动机出现在大众面前。它随着电子信息技术的快速发展和国际事件的涌现而涌现。下图1-1显示了无刷直流电机的示意图。图1-1 无刷直流电机美国科学家D.哈里森于1955年发布了一项专利,该专利是第一款无刷直流电动机的原型,用于取代直流电动机的直流电刷来改变晶体管的换向线。从60年代至今,无刷发电机已经有了50多年的历史2。与有刷直流电动机相比,无刷设备可避免电刷和转换器之间的磨擦,拥有结构简单,速度控制优良,
13、性能可靠,没有反向火花,体积小,控制灵活等优点3。广泛用于电子设备,工业传动与控制,对电动车辆和家用电器、军用和航空工业的有重要作用。在无刷直流电动机的控制中,由于科学和技术的迅速发展,让半导体技术领域获得了重大进展。开关晶体管的发展为新型无刷直流电机的诞生带来了新的机遇。随着单芯片技术的快速发展,基于单芯片技术和数字信号处理器技术的数字系统逐渐取代了传统的模拟系统。在此期间,显现出了以单片机为基础的无刷直流电动机控制系统,可长期有针对性的节省无刷控制系统的生产成本。同时,还可以降低电路PCB布局的难度,便于集成和多功能控制系统的开发和设计。因此,无刷直流电机技术的发展被大大地带动了。单片机控
14、制器电路作为核心不仅拥有高智能,高可靠性和多样化的控制功能,还比专用的集成芯片控制器电路操作容易。目前,无刷直流电机正在形成新一代的电子速度控制系统,其中包括发动机、传输装置、传输元件、软件和控制设备和硬件,使电机的驱动电路设计更小。无刷直流电机具有出色的速度控制功能,控制简单,成本低廉,因此其他的类型发动机被他取代,使用更加广泛。使用无刷电机已成为一种难以改变的趋势。1.2 无刷直流电机的国内外研究现状在应用领域中,无刷直流电机有着光明的未来,为此,各国加速无刷直流电机的新产品的开发,急速占据着市场。1955年,哈里森申请对晶体管开关换向方案,这项专利前所未有并且预示着现代无刷直流电动机逐渐
15、走进历史舞台。 20世纪六十年代,“固态换向直流电动机”专利被提出,这标志着直流无刷电机完全体已经出现。1978年,原西德曼内斯曼公司电机开发部引进了MAC型无刷直流电机,这表明无刷直流电机能够满足工业应用的要求,可以用于工业应用中4。1968年,德国学者Mieslinger W.在他的论文中初次提议使用电容移向算法。以便实时探测转子地点和掌握对象的转变。1980年,Lehue H.等学者提议了一种检测反电举措的步骤,以探测转子的位置。经由在电动机运转时期实时检测线圈组的电气性能来损害转子的位置。学者Mikasa Hara.wait提出了一种二极管开关诊断方法,以便通过综合驾驶检测电流。发动机
16、管中的二极管的开启和关闭,以得到转子位置的讯息5。在国际上,经过多年的研究和制造经验,美国,日本和西方国家拥有更先进的技术来制造和控制无刷的直流发动机,在一些国家,例如美国、英国、日本和德国,公司不生产大批附带直接伺服驱动的有刷直流电机。进口到国外的发动机的操作系统中很少是有刷。因此,无刷直流电机多被这些系统采用。出于政治和历史缘由,中国工业自动化起步非常慢,而且过程缓慢。随着改革的自由化,工业自动化取得了真正迅速的发展。在改革发展之前,中国的工业控制行业使用了一种相对简单的电机。交流异步电动机被大多数工程师认知,具有局限性。20世纪70年代初,中国开始研发和开发主要由中国开发的无刷直流电动机
17、。军事装备和航空航天技术得到发展和匹配6。此时,在国外,无刷直流电动机多年来一直在被研究应用。无刷的直流电动机的工艺渐渐丰富了起来。然而,通过中国研究人员的不懈努力,中国对无刷直流电机的转子实行了定位测试,转子的初始位置和启动策略以及换向误差校正等方面进行了广泛的研究,并取得了一系列的研究结果,在新产品开发方面,我们正在逐步赶上和超越国外先进水平。科学家如严乐阳、刘刚、黄腾云等探讨了无刷发动机转子的位置传感器。文件严密剖析了对转子位置的个体和多个霍尔位置传感器的反映7。考虑系统故障或安装偏差导致的输出霍尔信号误差的情况,分析并修改霍尔脉冲信号。增加了发动机转速和转子位置的准确性。在中国,研究人
18、员更是对它进行了深入的研究。关于最常见的反电动势勘测方法,薛晓明、杨伟等学者通过检测PWM信号周期的非导通相端电压,倡议了集合无刷直流电动机的直接反电动势法,以准确地得到反电动势,修改了过零点反电势法8。李志强,夏长亮,陈炜等人对无位置传感控制进行了研究,这是基于反电动势的无刷直流电机。研究结果表示无刷直流机和反电动势的关系,证明了实际换向点即为线反电动势过零点9。荣军,李一鸣,万俊华和其余学者探讨了不同方法的PWM调制对无刷直流电机速率的教化,结果证明,拣选得当的PWM调制方法能够有效地矫正机器输出波形,提高调制旋转精度10。目前,在我国的电子设备中,无刷直流电动机被充分利用,例如工业传动与
19、控制,军事和航空航天工业。但是,由于中国技术水平,零部件和集成模块的局限性,在我国,无刷直流电机在生产、种类、质量和应用上依然远远低于先进的国际水平,需要再接再厉。1.3 无刷直流电机的发展趋势2015,无刷直流电机的输出已超过150亿台,在这之中,包括台湾和香港中国占世界总产量的70%,与此同时,每年还在以五个百分点的速度进行增长。无刷直流电机在各领域中逐渐成为重要的基础部件。其产量增长迅速,年增长率约为15%11。随着无刷的直流发动机生产的陆续增加和应用范围的陆续扩大,研究者对与这些发动机有关的技术给予了极大的关注,国内外的研究也越来越多。下面展示了当今国内外无刷直流电机技术的趋势与前景:
20、(1)为了发展新一代的综合电子和电气技术,有一种趋向是将发动机、兑换机构、检测元件、控制软件和装置放入无刷直流电机的系统,以防止电动机的错乱外缘。控制电路下降了发动机总容量,达成了微型化和控制系统高度集成化。(2)将现代控制理论和数字技术相结合,进一步完善和完善无刷直流电动机控制算法也是研究者的研究热点,可控性好,速度范围宽等优点,发动机的性能参数,如速度、控制精确度等,已经得到改善,同时也大大有助于稳定无刷的直流发动机的连续运行,运行的噪音降低,延长电动机寿命,效率有所提升。(3)无刷直流电动机的智能化和自适应化也是研究和应用的热点和关键方向。未来的无刷直流电机将具有多种智能功能,自适应控制
21、和调整,以满足各种不同的运行需求。1.4 本文的主要工作无刷直流发动机使用电子换向器,而不是传统的有刷直流发动机的机械换向器,它在启动速度、可控性、稳定性、节能性和成本效益等方面明确占了上风。基于无刷直流电动机的结构,对于硬件和软件程序,系统进行了规划和调试。调速等辅助功能。最后,调试设计的控制系统,并分析其操作结果。本文内容可分为以下几个部分:1.针对无刷直流电动机的电动机主体电路等部分,了解了它们的工作性能,分析了无刷电机运行的无刷换向原理和PWM调速原理。2.按照无刷直流电机的测量和控制方向,选择电路中涉及的芯片,选择合适的电子元件参数,最后,对测控系统硬件电路的部署进行收尾。3.提前对
22、系统设计进行规划。在设计硬件电路期间,需要在设计系统之前提前规划无刷电机的系统设计。比如制定计算机的控制系统和子软件系统。4.基于ISIS7 proteus仿真软件,对系统模型进行仿真搭建,对其波形进行分析,使其实现控制要求,并对运行结果进行分析。- 45 -第二章 无刷直流电机的基本结构及原理2.1 无刷直流电机的基本结构无刷直流电机是复杂的同步电机,具有永磁体,它主要含有一个电子开关,电动机本体,传感器12。图2-1显示了无刷直流电机的主要构造。能够看到电机的主体、转子的位置传感器和电动开关之间的电力连接。图2-1 无刷直流电机结构原理图它们中的大多数通过三相对称星形连接或三角形连接来连接
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- 基于 单片机 直流电机 控制系统 设计
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