電氣自動化專業--基于mcs-51單片機控制直流無刷電動機設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 P尋址的堆棧單元中 POP 把有 SP寄存器尋址的棧單元中傳送一個字節到第一操作數然后把 SP減 1 2 累加器專用傳送 XCH 第二操作數的字節于 A 累加器的字節交換 XCHD 第二操作數 的地半字節于 A 累加器的地半字節交換 MOVX 外部數據存儲器和 A 累加器之間傳送一個字節外部抵制可由 DPTR 寄存器 16 位或 R1R0 各 8 位來指定 MOVC 從程序集存器傳送一個字節到 A 寄存器中 3 目標地址傳送 MOV DPTR data 把 16 位立即數裝入一對目的寄存器 DPH 和 DPL 中 2 算術操作 MCS51 系列單片機的指令系統的特點是除了加減法外還有乘法和除法功能因而加快了運算速度增強了運算功能減少了編程工作量此外還有一種調整操作它可以允許對壓縮的十進制數 BCD1 加法四種 INC 加 1 執行源操 作數和 1 的加法結果回送到源操作數中 ADD 執行 A 累加器與第二操作數之間的加法結果送回 A 累加其中 ADDC 帶進位加 執行 A 累加器和第二操作數之間的加法若以前 C 標志置位則加 1 把結果送到 A 累加器中 DA BCD加法的使勁違法調整 對兩個 2位十進制操作數的二進制加法結果進行調整由 DA所形成的壓縮十進制數之間和回送到 A累 加器中如果 BCD結果大于 99 則進位標志位置位否則清 0 2 減法兩種 SUBB 連借位減 執行從第一操作數累加器中間去第二操作數 如果 C 標志位置位則再減 1 把結果回送到 A 寄存器 DEC 減 1 執行從操作數減 1 結果送到操作數中 3 乘法 MUL 執行 A 累加器與 B 寄存器的無符號乘法雙字節乘法的高位字接送 B 寄存器低位字節送 A 累加器如果乘積的高位字節為 0 則 0V 清零若非 0則 0V 置位 C清零 AC 保持不變 4 除法 DIV 執行 A 累加器與 B 寄存器的無符號數除法把上送到累加器 A 余數送到B 寄存器若除數為 0 則累加器 A 和寄存器 B 內容不定并置位 0V 否則 0V 清 0C 清0AC 保持不變 3 邏輯操作 MCS51 系列單片機除了能執行一般操作數的基本邏輯操作數外還能對位進行邏輯操作有較強的布爾處理功能 1 單操作數邏輯操作 CLR 用于 A 累加器和 C 進位標志或任何直接尋址為清 0 SETB C 進位標志或任何直接尋址的位置 1 CPL 把 A 累加器中的操作數取反并把結果回送到 A 累加器中不影響標志位或者將 C 進位標志或任何直接尋址位取反 2 雙操作數邏輯操作 ANL 對兩個操作執行按為邏輯與操作并把結果回送到第一個操作數中 ORL 對兩個操作數字節執行按位邏輯或操作并把結果回送到第一個操作數中 XRL 對兩個操作數字節執行按位邏輯異或操作并把結果回送到第一個操作數中 ACALL 絕對調用指令無條件地調用指定地址的子程序所調用的子 程序的起始地址必須在與 ACALL 后面指令的第一字節在同一 2K 區間的程序存儲器中并不影響標志 LCALL 長調用指令它調用指定地址的子程序所調用的子程序可以從全部64K 字節程序存儲器地址空間的任何地方開始不影響任何標志 RET 轉移控制到前一次調用操作時保存在堆棧中的地址一般為 ACALL 或者是 LCALL 所調用的子程序結束語句 AJMP 轉移控制到目標操作數 AJMP 和 LJMP 操作類似于 ACALL 和 LCALLSJMP指令提供了一下一條指令的起始地址為中心的 256 字節范圍的轉移 128～ 127 JMP 間 接轉移指令把累加器 A的無符號內容與數據指針的 16位數據相加然后把結果送到程序計數器這樣轉移的實際目的可以是程序儲存空間中的任何單元這種間接轉移對程序中實現 N 路散轉很方便 1 有條件轉移 J Z 如果累加器 A 為 0 則執行一次轉移 JNZ 如果是累加器 A 部委 0 則執行一次轉移 J C 如果僅為標志 Cy 為 1 則執行轉移 JNC 如果僅為標志 Cy 為 0 則執行轉移 2 無條件轉移 J B 如果直接尋址位為 1 則執行轉移 JNB 如果直接尋址位為 0 則執行轉移 JBC 如果直接尋址位為 1 則執行轉移然后 直接尋址為清 0 CJNE 把第一操作數以第二操作數相比較如果不相等則執行轉移 DJNE 把操作數減 1結果送回源操作數的地址中若不為 0則轉移試用制條指令可有效地把 RAM 單元用作程序循環計數器 4 中斷操作指令 通過內部或外部終端方法可執行程序的轉移所有的中斷通過把程序計數器進棧然后轉向位于程序存儲器絕對地址 3111927 或 35 號單元來執行轉移 RETI 中斷指令控制轉移方式與 RET 相同他還重新允許現行優先級中斷 單片機在進行實時控制和實時數據處理時需要與外界交換信息人們需要通過人機對話了解系統的工作情況 和進行控制單片機與其他 CPU如 Z80比較功能雖然要強得多但由于芯片結構引腳數目的限制片內 ROM RAMIO口等不能很多在構成實際的應用系統是需要加以擴展以適應各種不同的工作情況 綜上所述 MCS51 系列單片機的指令系統大體上可以分為 5 類數據傳遞類指令 29 條算術運算類指令 24 條邏輯操作和循環移位類指令 24 條控制轉移類指令17條位操作類指令 17條這些指令命令計算機進行操作計算機只能識別二進制數即計算機的指令均由二進制代碼組成但是為了書寫方便常常把它寫成十六進制第 3 章 直流無刷電動機簡介 一個多世紀以來電動機作 為機電能量轉換裝置其應用范圍已遍及國民經濟的各個領域其主要類型有同步電動機異步電動機和直流電動機三種由于傳統的直流電動機均采用電刷以機械方法進行換向因而存在相對的機械摩擦由此帶來了噪聲火化無線電干擾以及壽命短等弱點再加上制造成本高及維修困難等缺點從而大大限制了它的應用范圍致使目前工農業生產上大多數均采用三相異步電動機針對上述傳統直流電動機的弊病早在上世紀 30 年代就有人開始研制以電子換向代替電刷機械換向的直流無刷電動機經過了幾十年的努力直至上世紀 60 年代初終于實現了這一愿望上世紀 70 年代以來隨著電力電子工業的 飛速發展許多高性能半導體功率器件如 GTRMOSFETIGBTIPM 等相繼出現以及高性能永磁材料的問世均為直流無刷電動機的廣泛應用奠定了堅實的基礎 31 直流無刷電動機的基本組成 直流無刷電動機是在直流電動機的基礎上發展而來的直流無刷電動機繼承了直流電動機啟動轉矩大調速性能好的優點克服了直流電動機需要換向器的缺點在交通工具家用電器等生活的方方方面面占有重要的地位 由于直流無刷電動機既具有交流電動機的結構簡單運行可靠維護方便等一系列優點又具備直流電動機的運行效率高無勵磁損耗以及調速性能好等諸多優點故在當今國民經濟各 領域應用日益普及 直流無刷電動機主要由電動機本體位置傳感器和電子開關線路三部分組成其定子繞組一般制成多相三相四相五相不等轉子由永久磁鋼按一定極對數 2p 24組成圖所示為三相兩極直流無刷電機結構三相定子繞組分別與電子開關線路中相應的功率開關器件聯結 ABC 相繞組分別與功率開關管 V1V2V3 相接位置傳感器的跟蹤轉子與電動機轉軸相聯結 圖 31 三相直流無刷電動機結構 當定子繞組的某一相通電時該電流與轉子永久磁鋼的磁極所產生的磁場相互作用而產生轉矩驅動轉子旋轉再由位置傳感器將轉子磁鋼位置變換成電信號去控制電子開關線 路從而使定子各項繞組按一定次序導通定子相電流隨轉子位置的變化而按一定的次序換相由于電子開關線路的導通次序是與轉子轉角同步的因而起到了機械換向器的換向作用 32 直流無刷電動機的工作原理 如圖 32 示為三相直流無刷電動機半控橋電路原理圖此處采用光電器件作為位置傳感器以三只功率晶體管 V1V2 和 V3 構成功率邏輯單元三只光電器件VP1VP2 和 VP3 的安裝位置各相差 120 度均勻分布在電動機一端借助安裝在電動機軸上的旋轉遮光板的作用使從光源射來的光線一次照射在各個光電器件上并依照某一光電器件是否被照射到光線來判斷轉子磁極的 位置開關順序及定子磁場旋轉示意隨著位置傳感器轉子扇形片的轉動定子繞組在位置傳感器VP1VP2VP3 的控制下便一相一相地依次饋電實現了各相繞組電流的換相在換相過程中定子各相繞組在工作氣隙內所形成的旋轉磁場是跳躍式的這種旋轉磁場在 360度電角度范圍內有三種磁狀態每種磁狀態持續 120度電角度位置傳感器在直流無刷電動機中起著測定轉子磁極位置的作用為邏輯開關電路提供正確的換相信息即將轉子磁鋼磁極的位置信號轉換成電信號然后去控制定子繞組換相位置傳感器種類較多且各具特點在直流無刷電動機中常見的位置傳感器有以下幾種電磁式位 置傳感器光電式位置傳感器磁敏式位置接近傳感器電磁式位置傳感器在直流無刷電動機中用得較多的是開口變壓器用于三相直流無刷電動機的開口變壓器由定子和跟蹤轉子兩部分組成定子一般有六個極它們之間的間隔分別為 60 度其中三個極上繞一次繞組并相互串聯后通以高頻電源另外三個極分別繞上二次繞組 WAWBWC 它們之間分別相隔 120 度跟蹤轉子是一個用非導磁材料做成的圓柱體并在它上面鑲一塊 120 度的扇形導磁材料在安裝時將它與電動機轉軸相聯其位置對應于某一磁極一次繞組所產生的高頻磁通通過跟蹤轉子上的到此材料耦合到二次繞組上故在二次繞組上 產生感應電壓而另外兩相二次繞組由于無耦合回路同一次繞組相聯其感應電壓基本為零隨著電動機轉子的轉動扇形片也跟著旋轉使之離開當前耦合一次繞組而向下一個一次繞組靠近就這樣隨著電動機轉子運動在開口變壓器二次繞組上分別感應出電壓扇形導磁片的角度一般略大于 120度電角度常采用 130度電角度左右在三相全控電路中為了換相譯碼器的需要扇形導磁片的角度為 180 度電角度同時扇形導磁片的個數應同直流無刷電動機的極對數相等 接近開關式位置傳感器主要由諧振電路及扇形金屬轉子兩部分組成當扇形金屬轉子接近震 蕩回路電感 L 時使該電路的 Q 值下降導致電路正反饋不足而停振故輸出為零扇形金屬轉子離開電感元件 L時電路的 Q值開始上升電路又重新起振輸出高頻調制信號經二極管檢波后取出有用控制信號去控制邏輯開關電路以保證電動機正確換向 光電式位置傳感器前面已經講過是利用光電效應制成的由跟隨電動機轉子一起旋轉的遮光板和固定不動的光源及光電管等部件組成 磁敏式位置傳感器是指它的某些電參數按一定規律隨周圍磁場變化的半導體敏感元件其基本原理為霍爾效應和磁阻效應常見的磁敏傳感器有霍爾元件或霍爾集成電路磁敏電阻器及磁敏二極管等多種霍爾元件產生的電動勢很低直接應 用很不方便實際應用時采用霍爾集成電路霍爾元件輸出電壓的極性隨磁場方向的變化而變化直流無刷電動機的位置傳感器選用開關型霍爾集成電路 磁阻效應是指元件的電阻值隨磁感應強度而變化根據磁阻效應制成的傳感器叫磁阻電阻 要十分精確地分析直流無刷電動機的運行特性是很困難的一般工程應用中均作如下假定 1 電動機的氣隙磁感應強度沿氣隙按正弦分布 2 繞組通電時該電流所產生的磁通對氣隙所產生的影響忽略不計 3 控制電路在開關狀態下工作功率晶體管壓降 為恒值 4 各繞組對稱其對應的電路完全一致相應的電氣時間常數忽略不計 5 位置 傳感器等控制電路的功耗忽略不計 就是說某一相通以不變的直流后它和轉子磁場作用所產生的轉矩也將隨轉子位置的不同而按正弦規律變化如圖 34 所示 圖 34 在恒定電流下的單相轉矩 它對外負載講所得的電動機的平均轉矩為零但在直流無刷電動機三相半控電路的工作情況下每相繞組中通過 13 周期的矩形波電流該電流和轉子磁場作用所產生的轉矩也只是正弦轉矩曲線上相當于 13 周期的一段且這一段曲線與繞組開始通電時的轉子相對位置有關顯然在圖 6 a所示的瞬間導通晶體管則可產生最大的平均轉矩因為在這種情況下繞組通電 120 度的時間里載流導體正好 處在比較強的氣隙磁場中所以它所產生的轉動脈動最小平均值較大當電機轉動起來控制部會再根據驅動器設定的速度及加減速率所組成的命令 Command 與hallsensor 信號變化的速度加以比對 或由軟件運算 再來決定由下一組 AHBL或 AHCL 或 BHCL 或 開關導通以及導通時間長短速度不夠則開長速度過頭則減短此部份工作就由 PWM 來完成 41 預備知識 直流無刷電動機繼承了直流電動機啟動轉矩大調速性能好等特點克服了直流電動機需要換向器的缺點在交通工具家用電器等生活的方方方面面占有重要的地位隨著微電子技術的發展直流無 刷電動機逐漸的占有了原來異步電動機變頻調速的領域 本畢業設計介紹基于 MCS51 系列單片機的直流無刷電動機控制器的設計它可以實現控制電動機的啟動停止急停正轉反轉加速減速等功能 42 設計要求 1 完成采用單片機控制直流無刷電動機的設計與應用包括實現電動機的正轉反轉控制鎖軸控制速度控制對直流無刷電動機的運行狀態進行檢測和報警 2 采用 MCS51 單片機為控制核心編寫出控制程序軟件實現單片機與外界硬件的接口連接 3 研究直流無刷電動機的工作特性和工作原理本畢業設計中采用的電動機是由北京和利時電機技術有限公司自行研發設 計的永磁直流無刷電動機 43 硬件設計 電動機介紹 本控制系統選擇北京和利時公