基于單片機無刷直流電機控制系統的設計畢業設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 阻抗。 (2)由于直流電壓源的鉗位作用，交流側電壓波形為矩形波，并且與阻抗角無關，而交流側電流波形和相位因負載阻抗角而異。 (3)當交流側為阻感性負載時需提供無功功率，直流側電容起緩沖無功能量的作用，為了給交流側反饋的無功能量提供通道，逆變橋給臂都并聯反饋二極管。 脈寬調制（ PWM）技術 脈寬調制（ PWM）是利用數字輸出對模擬電路進行控制的一種有效技術，尤其是在對電機的轉速控制方面，可大大節 省能量。 成本較低，對于模擬電路產生的熱損耗以及對降低其產生的噪音都有良好的抑制作用，是用數字方式來控制模擬信號的典型例子。 PWM（脈沖寬度調制）是通過控制固定電壓的直流電源開關頻率，改變負載兩端的電壓，從而達到控制要求的一種電壓調整方法。 PWM 可以應用在許多方面，比如：電機調速、溫度控制、壓力控制等等。 在 PWM 驅動控制的調整系統中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并且根據需要改變一個周期內“接通”和“斷開”時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的“占空比”來達到改變平均電壓大小的目的，從而來控制電動機 的轉速。也正因為如此， PWM 又被稱為“開關驅動裝置”。如圖 27所示。 圖 27 PWM占空比原理 圖 基于單片機無刷直流電機控制系統的設計 12 占空比是指，信號在一個周期內持續的高電平時間占整個周期的時間比。設電機始終接通電源時， 設方波一個周期的時間為 T，電機最大轉速為 Vmax，圖 24 中占空比為 t1/T,那么電機平均速度 Va=Vmax? (t1/D),為了得到不同的電機轉速，我們可以改變占空比，也就是所謂的高電平持續的時間。嚴格意義上說來，電機平均轉速 Va 與占空比并不成線性關系，但是這里我們可以將它們近似的看成線性關系。 北方民族大學學士學位論文 第 13 頁 共 47 頁 第 3 章 無刷直流電 機控制系統 總體 設計 整體運行思路 本系統采用 AT89C51 為核心控制芯片， 三相交流電源經過晶閘管全橋整流電路為逆變橋提供穩定的整流直流電，加載到逆變橋兩端。由控制芯片提供六路 PWM 波，通過位置傳感器感受轉子的位置變化并將其轉化后的電信號反饋到控制芯片中，控制芯片對此作出判斷，通過電機驅動芯片 IR2110 以此控制相對應的功率管按照既定的方式導通，使得定子繞組產生變化的磁場，產生推動轉子連續轉動的轉矩。 系統 總體框圖 系統總體框圖 如圖 31： 圖 31 整體框圖 微 處 理 器 電 機 驅動 電 路 逆 變 橋 整 流 橋 三 相 交流 電 源 轉 子 位 置 信號 無刷電 機 電平轉換 基于單片機無刷直流電機控制系統的設計 14 基于 Matlab 的控制系統 圖 32 基于無刷直流電機 Matlab 的仿真圖 圖 33 線電壓 Uab 圖 34 轉子轉速 北方民族大學學士學位論文 第 15 頁 共 47 頁 圖 35 相電流 ia 和相反電勢 ea 圖 36 電磁轉矩 Te 基于仿真波形的論述 由圖 36可知，電機空載啟動，自由加速至穩態后，在 時負載轉矩跳變。 負載突 增時，電機轉速下降，圖 35 中的相電流周期增大，電流增大引起轉矩增大，以平衡負載轉矩。由圖中波形可知轉矩波形幅值和相電流幅值波形都在增大。負載突降時，轉速會上升，電壓和電流波形的周期會變短，電流和轉矩的幅值以及波動程度都會變小。由于負載突增的時候，轉速已經很高，反電勢也會很大，在母線電壓恒定的情況下電流不會很快響應，所以轉速的變化過程會較慢，從圖 34 中就可以看出。仿真結果表明無刷直流電機的轉矩波動較大， 動態響應過程較快。 基于單片機無刷直流電機控制系統的設計 16 第 4 章 無刷直流電機控制系統軟硬件設計 各接口電路與所用芯片詳 細功能及使用 介紹 AT89C51 芯片的介紹 AT89C51 是由美國 Atmel 公司生產的一種 8 位單片機， 其片內 Flash 是一種高速電可擦除可編程只讀存儲器 (EEPROM)， 可在內部存放程序。“ AT”表示由Atmel 公司生產，“ C”表示 CMOS 工藝，“ LV”表示低電壓，“ S”表示這種器件含可以下載的 Flash 存儲器。 功能概述： AT89C51 片內含有 4KB 的 Flash 存儲器，片內 RAM容量為 128B，片外的 ROM、RAM可以尋址 32KB 的容量，有 4*8 個并行的 I/O 端口，兩個定時器和 6個中斷源，引腳封裝形式有 DIP PLCC 4 PQFP 44 三種形式。 AT89C51 引腳圖如圖 41 所示。 圖 41 AT89C51引腳圖 北方民族大學學士學位論文 第 17 頁 共 47 頁 引腳功能概述： ? P0（ ~） 口 是 8 位漏極開路型雙向 I/O 端口，訪問片外存儲器時，分時作為低 8 位的地址線和 8 位雙向數據總線 ，可以以灌電流的方式驅動 8 個 LSTTL 負載，要求外接上拉電阻。 ? P1（ ~） 口是一個帶內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端口，驅動 4 個 LSTTL 負載。 ? P2（ P2..0~）口是一個 帶內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端，訪問外部存儲器時，由它輸出高 8位地址，可以驅動 4個 LSTTL負載。 ? P3（ ~）口是一個帶內部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 端，可以驅動 4個 LSTTL負載。但是它有專門的第二功能 ： (RXD)還可以做串行口的輸入端， (TXD)串行口的輸出端， ， T0 與 T1 是兩個計時器，而 。 單片機與鍵盤接口 圖 42 系統鍵盤接口 本系統使用最簡單的 2*3 矩陣鍵盤實現對整個系統的操作，鍵盤結構如圖 43所示： 基于單片機無刷直流電機控制系統的設計 18 圖 4 3 鍵盤結構 各鍵對應的功能和鍵值如表 1： 表 1 各鍵對應功能和鍵值： 鍵位 功能 鍵值 S1 啟動 /制動 0XA0 S2 ▲ 0X90 S3 正反轉 0X88 S4 ? 0X60 S5 ▼ 0X50 S6 ? 0X48 各鍵詳細功能如下： S1：啟動系統。單片機上電初始化后，首先掃描鍵盤，若 S1 被按下，則啟動系統，否則將一直掃描鍵盤，此時其他鍵沒有任何功能。 S4 和 S6：系統運行期間，若按下 S4或 S6，系統進入調速狀態，此時 4位數碼管從左邊第一位開始閃爍，代表當前位，若 5S內鍵盤沒輸入，則自動確認 當前輸入值，通過調速達到設定值。 S2 和 S5：通過按 S4 或 S6，當前位閃爍，此時通過 S2 和 S5 可對當前位進行 +1/1，若 5S 內沒有操作，系統自動確認當前輸入值。 S3：正反轉，實現點機的反轉。 北方民族大學學士學位論文 第 19 頁 共 47 頁 單片機與顯示數碼管接口 圖 44 單片機與數碼管顯示電路接口 整個顯示電路包括兩部分： 本系統采用 4位 8 段共陰極數碼管顯 示 P0 口接上拉電阻 數碼管段選通過限流電阻接 P0口 位選接 —— 口 發光二極管 兩個二極管一個代表正轉一個代表反轉 無刷直流電機的 驅動電路 圖 45 驅動電路 的組成 基于單片機無刷直流電機控制系統的設計 20 IR2110 芯片是由 IR公司生產，用于 MOSFET 驅動電路 。由于無刷直流電機是三相繞組 Y型接法， 逆變電路采用的是六個 MOSFET 功率管驅動，因此需要單片機產生六路 PWM 波，因此需要三片 IR2110 芯片。這里只列兩路輸出其它兩片的電路構成是完全 相同的，三片 IR2110 標有 COM的第二引腳是連接在一起的。 圖 46 IR2110 內部結構圖 IR2110 是采用 HVIC 和閂鎖抗干擾 CMOS 工藝制造的， 內部由輯輸入、電平平移和輸出保護三個部分構成， VCC1 是邏輯電源， VCC2 是驅動電源。邏輯電源電壓可以加載從 + 到 +15v 之間變化區間的電壓，而柵極驅動電壓可以加載從 +10v 到 +20v 之間中的電壓。 軟件部分 本系統設置兩個標志位 tag（啟動標志位， 0代表運行， 1代表停止）和 tag1（閃爍標志位， 0代表有閃爍， 0代表無閃爍），另外 設置兩個數組 :數碼管段選數組 d_p 和位選數組 p1。 本系統程序主要由 大本分組成： 主程序 中斷服務程序 鍵盤掃描程序 顯示程序 啟動程序 停機程序 左移程序 北方民族大學學士學位論文 第 21 頁 共 47 頁 右移程序 正反轉程序 測速程序 PWM輸出程序 延時程序 其中向上（下）、左（右）移、啟動、正反裝程序由鍵盤程序調用，鍵盤程序、顯示程序、測速程序、 PWM 輸出程序由主程序調用。 主程序流程圖 如下： 基于單片機無刷直流電機控制系統的設計 22 圖 413 主程序流程圖 鍵 盤 掃 描 啟 動 檢測霍爾傳感器 PWM 計算 制 動？ 啟動鍵按？下？ 開 始 結 束 停 機 驅 動 電 路 轉速測定 轉速測定 數碼管顯示 鍵盤掃描 是 否 是 否 北方民族大學學士學位論文 第 23 頁 共 47 頁 鍵盤、顯示流程圖 ： 圖 414 鍵盤程序流程圖 開 始 置高 延遲并讀 P2口 置高 延遲并讀 P2口 是否有鍵按下？ 是否有鍵按下 ? 是否有鍵按下？ 是 是 是 否 否 否 基于單片機無刷直流電機控制系統的設計 24 圖 415 顯示程序流程圖 置高 P0查表輸出 置高 置低 P0查表輸出 置高 置低 P0查表輸出 置高 置低 P0查表輸出 當前位亮 延遲 當前位滅 延遲 Tag1=0? 開 始 2s 內沒動作？ 否 是 是 否 北方民族大學學士學位論文 第 25 頁 共 47 頁 第 5 章 結 論 通過本次設計，對無刷直流電機做了全面的了解。對其控制系統的構成做了一定的學習與理解。其控制系統由控制芯片、電機驅動電路、逆變電路以及晶閘管整流電路組成。電機內部結構由相嵌在定子上的電 樞繞組、用永磁材料構成的永磁體轉子和能感受轉子位置信號變化的位置傳感器構成。對于電機逆變電路的工作方式及功率管的具體導通 情況進行了深入的了解與學習，對于三相繞組的無刷直流電機，工作方式有兩兩導通和三三導通方式。兩兩導通是指在 360176。角度內 ABC 三繞組有兩相是在一直處于導通的狀態，導通相順序為ABACBCBACACB。轉子位置傳感器的個數取決于轉子的磁極對數，最后通過 MATLAB 的仿真對其相電壓，電流做了觀測和理論的對照。 基于單片機無刷直流電機控制系統的設計 26 致 謝 時光飛逝 ，流水無聲。大學四年美好的生活轉眼 就將結束，一路走來，有苦有樂，這里誠摯地感謝我的父母、老師和一直在幫助我支持我的親朋好友。正因為有你們一路陪伴著我，才讓我的人生路如此平坦。 在本次畢業設計的這段時間里，誠摯地感謝我的畢業設計指導老師北方民族大學王君瑞老師。畢業設計中遇到很多難題，王老師在寫論文的各方面都給了我細心地指導。從論文的整體結構，到論文的構思、寫作、格式的修改、再到論文文獻的查找，最后到論文的查重以及更改，可以說在各個環節中都幫助了我。衷心的感謝王君瑞老師對我的幫助。 感謝你們，我的父親母親，因為你們的關懷備至、細心呵護，我才能接 受良好的教育。因為你們的諄諄教誨、正確的教導，我才能茁壯成長。感謝你我的朋友，因為你們，不管是傷心、快樂，還是難過、高興，是你們一路陪我走過，共同分享。 是你們教會了我做人要學會分享，是你們教會了我要懂得站在他人的立場上考慮問題，別人取得好成績時要真心的祝賀他們，正是因為你