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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

23、。电机主体的结构可参照永磁同步电机的结构，下图2-2显示了电机体结构剖视图。a)电机本体纵切面b)电机本体横切面图2.2 无刷直流电机本体结构剖面图从图2.2可以看出，定子是由钢板和电枢绕组组成的电枢绕组，多极定子绕组由多个线圈或线圈组构成。因此，无刷的直流发动机有一个旋转的磁场和一个恒定的电枢。在无刷直流电动机工作的情况下，发生于转子的磁场是固定的永磁场，转子不可以与发动机的固定磁场产生相互作用。当定子切断由转子产生的磁感应线时，它只能将转子驱动到转子，通过产生单向的扭矩。单个运动方向不能满足电动机的正常运行，所以，经过附加位置传感器测定转子位置，以便使电动机换向。转子位置传感器，也称为接近

24、开关，是无刷直流发动机的主要构成部分。它在检测转子在运行期间的位置和测量转子磁极的位置方面起作用。通常情况下，位置传感器之中，含有电磁定位、光磁敏感传感器等。位通过获取位置信号并对其精度幅度速度温度，抗干扰能力，功率消耗和稳定性是主要的技术指标。转子位置传感器被安设在直流无刷发动机的帽盖上。当电动机旋转时，检测到的转子极的位置信号能够被变更为脉冲电信号以供输出，且可向电子开关电路供应逻辑控制信号。代替机械换向（来自有刷直流电机）。换向器必须确保无刷直流电机连续工作。电力电子逻辑开关电路和位置信号处理电路包含在无刷直流电机的电子开关电路中。电力电子逻辑开关电路通常采用桥式结构逆变电路，并通过电源

25、开关装置（包含在逆变器之中）。该序列与转子的旋转角度同步，并且改变不同的触发状态以实现机械换向器的功能。所以，按照转子的位置精确地控制转子位置和功率装置，并且切换至起动组合状态，这是控制当前无刷电动机的主要方法。2.2 无刷直流电机的运行原理2.2.1 无刷直流电机换向控制原理转子的位置对电动机的换向力矩具有决定性作用13。图2-1所示，定子线圈的中心连接到电源的开关。当转子位置传感器被触发时，电源接通，线圈通电，与此同时，各个相线圈按顺序地被激活，使得磁场中定子的方向发生转变。转子也发生转变。转子位置传感器通常安装在三相120位置，每120度就安装一个位置传感器，当无刷直流发动机的转子转动时

26、，三个转子位置的传感器已经开始工作，在实时的情况下，它们也可以检测到转子位置。一个180C的电角和一个120C的电角这样交替输出矩形脉冲电压。图2-3显示了转子位置传感器的输出信号。图2-3 转子位置传感器输出信号上图可以看出，每个传感器为转子的每个旋转一次，就完成一个脉冲输出循环，然而，因为位置传感器利用120的三相安装手段，3个位置传感器的输出也依次有120的电的角度差。因此，三个位置传感器具有6种不同的输出组合。图2-4无刷直流电机换向控制原理图a）F0垂直Fa b) F0、Fa相差120图2-5 无刷直流电机磁场作用示意图在图2-4中为换向控制原理图。上方的图2-5为无刷直流电机的磁场

27、作用的示意图。当V1和V6接通时，如图2-5（a）所示，定子绕组穿过iAB电流，图2-5（a）所示，定子绕组合成磁通势Fa垂直C相轴线，励磁磁场F0与电枢磁场Fa相差120,在实际操作中，这是最大的阶段，由于两磁场互相作用，按照顺时针方向，转子进行旋转F01位置时，转矩最大，F0和Fa相差为90。维持转子持续转动。当转子的磁极上处于图2-5（b）所标方位处时，F0和Fa的相位差为60度。在此期间，控制电路控制着V6的切断、V2电路的接通和定子线圈绕组的循环，使用电流的iAC，Fa定子磁势为60度，这时，F0和Fa之间的相位差恢复到120度。重复这种方式，每当转子极旋转60时，相应的功率晶体管在

28、控制电路的控制下接通和断开，从而定子执行换向，改变电枢磁场的方向，以及转子随着电枢磁场旋转。励磁磁场和旋转电枢磁场之间存在作用，使电机能够旋转，每移动60度电流就变换一次，他们之间的运转存在有关键电枢磁场FA和F0激励磁势之间的相位差总是在60C至120C之间，均匀处于正交点，在最大值的状况下，使转矩最大，让定子电流一样。从本原上看，无刷直流发动机的磁场是一个步进式的旋转磁场、产生的电磁转矩是脉动的。因此，通过以一定顺序触发电力电子开关装置，无刷直流电机可以产生旋转变化扭矩并驱动转子旋转。位置传感器经过六种不同样的输出组合六种换向位置信号。下表2-1在每个时刻，两个开关管接通。电角度每60反转

29、一次，当无刷直流电动机反转时，开关管的导通顺序反转。表2-1 无刷直流电机换向表换向状态位置信号状态导通功率开关导通功率开关H1H2H3正转正转反转1001ABV1、V6V3、V42011ACV1、V2V3、V23010BCV3、V2V1、V24110BAV3、V4V1、V65100CAV5、V4V5、V66101CBV5、V6V5、V42.2.2 无刷直流电机PWM调速原理脉冲宽度模块(PWM)是脉冲宽度的调整，主要通过调整一系列脉冲宽度，可以等效地获得所要波形和振幅,从而改变输出的信号14。在运转无刷直流电机的时间里，采用双极可逆PWM控制，完成发动机转速控制和发动机制动。在对无刷直流电机

30、开关电路进行转换时，每次只接通两个电源管，电子开关电路在某一时刻的导通状态如图2-6所示， 构成了VT1和VT2，VD1和VD2电路。 具有有控制作用的是VT1，这是一个主要的控制管，组成发动机的制动电路的是VT2，它主要是辅助作用，VD1和VD2是续流二极管。图2-7为电机正常运行、制动电压、电流波形图。图2-6 某一时刻电子开关线路导通电路图a）电机正常运行电压、电流 b）电机制动电压、电流图2-7 电机正常运行、制动电压、电流1）电机正常运行如图所示,在2-7（a）中，当使用VT1和VT2的 Ub1=Ub2驱动电压时，电机正常工作，负脉冲窄于正脉冲，电流的平均值为正，在一个周期内被分成两

31、部分。在0tton时，Ub 1是+，VT1是饱和，Ub 2是-，VT2是截止电压。我们在的电机两侧添加Us，并且当前id沿着图像中的环1流动。当前，有：（2-1） 电枢电路的总电阻是R，定子电枢电压是使用电压Us，而id1是连接VT1的电枢电流，L是电枢电路电感，E是无刷直流电动机电势。在tont Ud，此时VT2需要工作。可以看出，对于无刷的直流电动机，转速取决于定子电枢绕组的电压和电流。当改变电子开关电路的占空比D时，我们通过调整它来控制电压脉冲宽度，能够将变速器改变为定子电枢绕组的电压幅度。所以，实现了无刷DC电动机的无级调速。随着占空比范围增加，定子端电压扩大，发动机转速越快；相对的，

32、定子端子处的电压越低，电动机速度越慢。2）电机制动在tontT阶段，因为UB2是正极的，因此，当VT2接通时，E-Ud产生反向id电流，该电流沿三回路通过VT2，从而导致制动功率消耗达到t=T。在阶段tT+ton中，VT2被关闭,并且-id总是沿着电路4沿着VD1传递，电源被关闭,并且VD1上的电压降阻止了VT1的接通。在整个的制动状态下，VT2和VD1是按序打开的，VT1则一直被关闭。图2-7（b）显示了电压和电流波形。由于制动模式中的反向电流，电动机速度将降低到新的恒定状态。值得留心的是，无刷直流电机的转速均值n和占空比D不一定是线性的。在一般的应用程序中，可将其视作线性关系为了给出正弦波

33、频率，得到所需要的PWM波形。2.3 本章小结本章主要对无刷直流电动机的主要结构进行介绍，包括电动机外壳、电路和电路开关，还有转子位置传感器。随后，本章以无刷直流电动机构成为基础，对无刷直流电动机的电子换向原理和PWM运行速度的原则进行了简单的剖析，为无刷的直流电动机控制系统设计打下了坚实的地基，同时，为之后的实验做好了理论准备。第三章 无刷直流电机的控制系统设计3.1 无刷直流电机控制系统设计方案下图3-1为本文设计的无刷直流电机控制系统框图。图3-1 无刷直流电机控制系统结构框图如图3-1所示，转子位置检测，电流检测和过流保护，主控芯片，输入和显示，驱动电路和逆变电路，一起形成了无刷直流电

34、动机控制系统15。位置传感器收集了转子位置信息，并把转子位置量转化成电压信号，并将其发送到主控制芯片。主控芯片分析收集的转子位置数据，对一个无刷直流电动机进行实际速度计算，控制数字PWM调制速度信号的输出，并发出控制信号。驱动程序将主程序芯片传送的控制信号转换为可逆变电路识别的信号，使逆变电路中的电力电子开关装置工作，控制电机的换向和速度可调。键盘可根据输入的操作参数输入无刷直流电机的运行状态和速度进行控制。 LCD显示屏幕显示关于发动机工作速度和状态的讯息。3.2 无刷直流电机控制系统硬件设计3.2.1 最小系统的设计系统主控制芯片的选取对整个无刷直流电机控制系统的运行有着直接性的影响。在考

35、虑到控制系统的成本和设计要求后，将STC12C5A60S2单片机作为本文选用的主控芯片，并在这个设计中充分运用了它。STC12C5A60S2是由Macro Technology（Macro Technology）生产的一个时间/机器周期装置，STC12C5A60S2设备整合了内部反馈电路，2 路PWM，8 路10bit A/D高速转换器，4个16bit定时器，2个时钟输出，2个系列通信，确定了中断在四个状态下的优先顺序。同时，STC12C5A60S2已被RAM所包含，无限制访问量为1280字节，内存空间大，并提供给互联网服务提供商（系统编程）/IAP（软件开发）。在应用程序中，不需要专门的程序

36、员，也不需要专门的模拟器，这些模拟器能够很简洁地使用和调试，直接通过应用程序。前端程序P3.0和P3.1。整块机STC12C5A60S2可以专门用于控制发动机。有快速干扰的功能，还有低能量消耗，高抗干扰性等优势。下图3-2显示了最小系统。它由5V电源供电。复位电路采用上电设计，上电后可实现一键复位。串行端口P3.0与P3.1供应软件编程下载功能。另一方面，拥有A/D转换功能的单片机STC15C5A60S2可直接将输入的模拟信号转换为数字信号并实施处理和分析，从而节省了外围A/D转换电路，还使系统设计得到了简化。图3-2 STC12C5A60S2单片机最小系统分析位置传感器收集转子位置的信号，并

37、对无刷直流发动机的实际速度执行实际计算。同时，STC12C5A60S2将控制信号发送到驱动电路，实现变向。另外，主控芯片可以根据键盘输入设定的电机转速计算逆变电路所需的占空比，从而输出相应的控制信号，实现电机转速的可调。3.2.2 转子位置测量在这个设计中，检测转子位置时，一般运用霍尔传感器作为位置传感器。霍尔位置传感器在工作的时候，物体在不同位置下时会产生磁场变化，通过检测磁场及其变化实现位置信号的检测，其输出波形为矩形的脉冲数字信号，表现为具有开关特性的磁开关。当传感器探测到磁场时，霍尔电压会随之产生。霍尔位置传感器具有耗能低、频率高、耐久性、耐振、重量轻等长处。在电动机和风扇的控制范围、

38、转速表、计数器、无相位换向、气流传感领域的直流电刷中有广泛运用。下图3-3为使用霍尔传感器的转子位置测量电路的示意图。图3.3 转子位置测量电路图SS41F霍尔位置传感器用于此设计。SS41F是霍尔的单极元件，工作电压范畴很广，约为3.8V-28V。它可以检测一个N磁或一个S磁。当极贴近标高的表面时，霍尔位置传感器将被打开，输出将为低；当处于远处的时候，霍尔位置传感器将被关闭，输出将为高。霍尔位置传感器安装位置图3-4展示了HS1、HS2和HS3霍尔位置的三个传感器在转子四周安插，并将其相位偏移量定为120。图3-4 霍尔位置传感器安装位置3.2.3 驱动电路及逆变电路图3.5 驱动及逆变电路

39、图驱动和逆变器的示意图如图3.5显示。逆变器电路挑选三相六臂全动驱动方式。三相六臂全动传动装置是一种简单的驱动装置，可以节减电流振动和保持旋转力矩的恒定。三相六臂全传动装置利用12伏的电压和六个FET功率控制输出电压。驱动程序采用的是PMOS和NMOS的集合形式。 PMOS是IR的IRF9310（P通道），NMOS是IR的IRF7831（N通道），FET包含一个连续的二极管，当FET关闭时，它提供一个续流通路，避免管道反向击穿。驱动芯片使用TC442A。TC4427A是一种可用于开关电源、电路导管和脉冲变压器驱动的MOSFET驱动器。三相全桥有六种触发状态，驱动芯片一次只能打开两根管子。驱动器

40、芯片根据微控制器发出的控制信号控制MOSFET功率管的导通和截止，且每60电角度实施一次角度转换。对无刷直流电动机定子电枢绕组的电流循环方向进行改进，以实现电动机的连续运转。驱动器芯片产生可调节的占空比，并通过改变PWM信号的占空比来控制六臂全桥三相控制电路中的功率FET的断开，同时PWM驱动信号控制三相全桥的输出电压。结果是，改变了无刷直流电动机的定子的电枢电压，改变了定子的电枢电流，并且实现了改变电动机速度的目的。占空比越高，电动机速度越高，定子电枢电压越高，占空比越低，电动机速度越低，电枢电压越低。3.2.4 电流检测及过流保护存在许多用于检测电流的方法，例如使用专用电流传感器，串联电阻

41、器等。在本文中，定子电流信号通过电阻采样方法收集。在该电路中，使用一系列精密电阻器将定子相电流转换为电压信号。获得的电压模拟量不能直接输入到STC12C5A60S2 单片机引脚，需要由LM358放大和处理，以满足MCU引脚的输入电压和电流范围。当电流超过设定值时，单片机发送过流保护信号以保护系统免受电源故障，通过防止在重新启动或发动机过载时产生高电流，以防止发动机损坏。图3-6 电流检测及过流保护电路图上图3-6显示了电流检测及过流保护电路。LM358显示了两个比较器。其中一个比较器将取样器的电压与规则上的参考电压进行比较。当采样电压超出参考电压时，即电路电流超过限值时，LM358输出的CON

42、_I为低电平，单片机控制引擎使其停止工作，否则，输出CON_I为高电平，电机正常运行。LM358中的另一个比较器执行运算放大，以放大采样的电流信号M_I。输入单片机控制相应的PWM输出。如果电流超过设定值，单片机会发送过流保护信号，保护系统不停电，防止电机重新启动或过载运行时产生的大电流损坏电机。3.2.5 LCD显示LCD显示器使用LCD1602模块，LCD1602具有背光的作用。经由使用LCD1602显示功能，它能够充分地契合无刷直流电机控制系统的显示请求。图3-7 LCD1602显示电路图下图3-7描述了LCD1602的显示电路原理图。主芯片将数据传送给LCD1602监测器。 LCD16

43、02以显现发电机目前的工作状态和速度为目的。它可以与按键一起来执行无刷直流电机的工作状态、速度的输入操作。3.2.6 按键输入本设计采用五键输入设计，通过按键可以设定加减电机速度，选择正反转运行状态，进行电机制动控制。为了防止误操作，为此设计了单独的OK按钮，用于输入操作确认。图3-8 按键输入电路图下图3-8显示了按键输入电路图。按下按钮的相应组件时，低电平信号被单片机的I / O端口输入；当按钮未运行时，单片机的I / O端口维持高电平，因此对于单片机，键输入为低电平有效。3.2.7 电压转换在本设计中，逆变电路和无刷直流电机使用12V电源，STC12C5A60S2，LCD1602，SS4

44、1F等单片机，它们需要5V电源，于是将12V的电压换成5V的电压。图3-9 电压转换电路图3-9显示了电压转换电路。电压转换电路使用了7805三端稳压器的集成芯片。输入、接地、输出分别为三个引脚，输入和输出并联电容器滤波，输出稳定的5V电压，电路外围电路很少。3.3 无刷直流电机的系统软件设计模块化设计思想是系统软件设计的基本思想，包括主程序和若干子程序。每一个子程序都履行其职能，并在主程序中被调用。通话结束后，返回运行结果。这种设计可以改善单片机的运行性能，降低程序的复杂度，便于程序的调试和维护。系统的软件部分可分为主程序，PWM控制程序，速度程序，按钮程序，计数器/定时器中断程序和显示程序

45、等，其主要目的是控制无刷DC电机的方向和速度。具有键盘输入和显示等功能。3.3.1 无刷直流电机控制系统主程序系统采取了发动机转速和电流双闭环的控制结构，下图3-10显示了其原理框图。电流滞回路控制提供电动机启动时的初始位置信号的判断依据，能够在发动机工作时提高转矩。总线电流在过滤器加强后，输入控制器A/D通道进行收集。A/D值是在A/D文件执行中断期间获得的，收集这些值是为了过滤窗口和平均值。从这一过程中获得的A/D值被用来作为电流滞环的PI指令返回值。在这种情况下，保护系统一直存在于双闭环控制过程中。用康铜线将电流保护从母线电流信号输入到比较器的负输入，并且来自比较器的正输入信号根据电动机的额定电流设置。如果比较器的输出处于低电平，就表示电动机过电流，软件立即对其进行处理,并进行停止。图3-10 双闭环控制结构框图基于控制结构，部署了基于STC12C5A60S2主控芯片的无刷直流电机控制系统。该控制系统的主要任务是实现电机的