基于8051單片機(jī)無(wú)刷直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)畢業(yè)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　本科畢業(yè)設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)</b></p><p>　　基于8051單片機(jī)無(wú)刷直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)</p><p>　　BASED ON 8051 SINGLE CHIP MICROCOMPUTER CONTROLLER OF BRUSHLESS DC MOTOR DESIGN </p><p>　　學(xué)院（部）：

2、 </p><p>　　專(zhuān)業(yè)班級(jí)： </p><p>　　學(xué)生姓名： </p><p>　　指導(dǎo)教師： </p><p>　　年 月 日</p><p

3、>　　基于8051單片機(jī)無(wú)刷直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的出現(xiàn)源于有刷直流電機(jī)。如今各種直流電動(dòng)機(jī)和交流電動(dòng)機(jī)在傳動(dòng)應(yīng)用中雖占主導(dǎo)地位，但是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的前景更光明。</p><p>　　無(wú)刷直流電機(jī)是隨著社會(huì)的需要而產(chǎn)生的，當(dāng)今世界對(duì)電機(jī)的要求越來(lái)越高，傳統(tǒng)的直流電機(jī)

4、已經(jīng)滿(mǎn)足不了當(dāng)今工業(yè)對(duì)其的需要，因此無(wú)刷直流電機(jī)得以迅速發(fā)展，無(wú)刷直流電機(jī)滿(mǎn)足了人們對(duì)高效率，高精度，高速度的要求，配合微處理器得以智能化，是各知識(shí)領(lǐng)域的重要結(jié)晶成果。</p><p>　　再對(duì)控制器的選用上，選擇單片機(jī)AT89C51，其能夠滿(mǎn)足對(duì)控制器的要求，因本文是對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的控制，顯然驅(qū)動(dòng)電機(jī)用無(wú)刷直流電機(jī)，整個(gè)思路是通過(guò)單片機(jī)采集獲得的比較電平、以及電機(jī)霍爾位置傳感器反饋過(guò)來(lái)的信號(hào)，單片機(jī)將接收到的信

5、號(hào)，將其用軟件編程故而發(fā)出指令驅(qū)動(dòng)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。</p><p>　　關(guān)鍵詞 ：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，單片機(jī)，霍爾位置傳感器</p><p>　　BASED ON 8051 SINGLE CHIP MICROCOMPUTER CONTROLLER OF BRUSHLESS DC MOTOR DESIGN</p><p><b>　　ABSTRACT</b

6、></p><p>　　The appearance of brushless dc motor from a brush dc motor. Now all kinds of dc motor and ac motor is dominant in the drive applications, but a more bright future of brushless dc motor. </p&

7、gt;<p>　　Brushless dc motor is along with the social needs, the demand is higher and higher in today's world of motor, the traditional dc motor has already can't satisfy the need of the industry to its, so

8、 rapidly the brushless dc motor development, meet the brushless dc motor of high efficiency, high precision, high speed requirements, cooperate with the microprocessor to intelligent, is the important achievements of cry

9、stallization in the field of knowledge. </p><p>　　This design is mainly for the selection of controller, the controller selection plays a key role in this design, so the main controller use AT89C51, brushles

10、s dc motor as drive motor, the control method by comparing with the single chip microcomputer collected level, and motor hall position sensor feedback signal, single chip receives the signal, its software programming to

11、issue instructions to drive the brushless dc motor. </p><p>　　KEYWARDS: Brushless dc motor, the microcontroller, hall position sensor</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>

12、　　摘要I</b></p><p>　　ABSTRACTII</p><p><b>　　第一章 緒論1</b></p><p>　　1.1 電機(jī)的分類(lèi)1</p><p>　　1.2 無(wú)刷直流電機(jī)及技術(shù)的發(fā)展及研究意義2</p><p>　　第二章 無(wú)刷直流電機(jī)的介紹3&l

13、t;/p><p>　　2.1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的概念3</p><p>　　2.2 無(wú)刷直流電機(jī)與有刷直流電機(jī)的比較4</p><p>　　2.3 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原理及組成5</p><p>　　2.4 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性7</p><p>　　2.4.1 機(jī)械特性7</p><

14、p>　　2.4.2 調(diào)節(jié)特性8</p><p>　　2.4.3 工作特性8</p><p>　　第三章 無(wú)刷直流電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)9</p><p>　　3.1無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)方案9</p><p>　　3.1.1 設(shè)計(jì)方案比較與選擇9</p><p>　　3.1.2 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)組成框

15、圖9</p><p>　　3.2 控制器的基本原理10</p><p>　　3.3 脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)10</p><p>　　第四章 AT89C5系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理簡(jiǎn)介12</p><p>　　4.1 AT89C51單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)12</p><p>　　4.2 AT89C51單片機(jī)的引腳及其

16、功能描述13</p><p>　　4.3 AT89C51單片機(jī)的工作方式14</p><p>　　4.4 AT89C51單片機(jī)的最小應(yīng)用系統(tǒng)15</p><p>　　4.5 AT89C51單片機(jī)的指令系統(tǒng)16</p><p>　　第五章 硬件電路以及軟件的設(shè)計(jì)17</p><p>　　5.1 硬件電路設(shè)計(jì)1

17、7</p><p>　　5.1.1 單片機(jī)與鍵盤(pán)接口設(shè)計(jì)17</p><p>　　5.1.2 單片機(jī)與顯示數(shù)碼管接口的設(shè)計(jì)18</p><p>　　5.1.3 逆變器與驅(qū)動(dòng)電路接口設(shè)計(jì)18</p><p>　　5.1.4 限流保護(hù)電路21</p><p>　　5.2 軟件設(shè)計(jì)22</p>&l

18、t;p>　　5.2.1 控制器軟件設(shè)計(jì)總述22</p><p>　　5.2.2 程序流程圖22</p><p><b>　　結(jié)論26</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)27</b></p><p><b>　　致謝28</b></p>&

19、lt;p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1電機(jī)的分類(lèi)</b></p><p>　　各領(lǐng)域的發(fā)展是在整個(gè)社會(huì)的科技發(fā)展下帶動(dòng)的，最近幾十年控制領(lǐng)域的發(fā)展令人震驚，它帶來(lái)的巨大成果造福了人民的生活，比如在控制領(lǐng)域中，半導(dǎo)體的發(fā)展及應(yīng)用已經(jīng)在很多領(lǐng)域中得以推廣，使工業(yè)過(guò)程走向自動(dòng)化，智能化，比如功率器件管MO

20、SFET在整流逆變電路中的應(yīng)用，無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)也應(yīng)用了全控型的MOSFET管，脈沖調(diào)制技術(shù)（pulse width modulation,簡(jiǎn)稱(chēng)PWM）是在其基礎(chǔ)上發(fā)展的。</p><p>　　無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是近年來(lái)隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一種新型直流電動(dòng)機(jī)。傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)存在換向器，因而存在碳刷磨損和碳刷粉末玷污線(xiàn)圈絕緣及其它零部件問(wèn)題，由此帶來(lái)火花、維護(hù)困難、壽命短等致命缺陷。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是

21、以法拉第的電磁感應(yīng)定律為基礎(chǔ)，而又以新興的電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)和各種物理原理為后盾。因此它具有很強(qiáng)的生命力。</p><p>　　單片機(jī)具有很多有點(diǎn)，比如：外圍電路少、數(shù)字信號(hào)處理器運(yùn)算快、組成簡(jiǎn)單、可靠，故常被用于無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分。該無(wú)刷直流電機(jī)的設(shè)計(jì)具有組成簡(jiǎn)化、性能優(yōu)越特點(diǎn)，使電機(jī)更加小型化和智能化。</p><p>　　電機(jī)按電源性質(zhì)劃分如表1-1：</p>&l

22、t;p>　　表1-1 電機(jī)按電源性質(zhì)分類(lèi)</p><p>　　1.2無(wú)刷直流電機(jī)及技術(shù)的發(fā)展及研究意義</p><p>　　1831年,英國(guó)物理學(xué)家和化學(xué)家法拉第，成功證明了磁場(chǎng)能由電流產(chǎn)生,即發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)現(xiàn)象,奠定了現(xiàn)代電機(jī)的基本理論的基礎(chǔ)。</p><p>　　1915年,美國(guó)科學(xué)家Hangnail通過(guò)不懈努力，成功地發(fā)明了帶控制柵極的汞弧整流器,直流

23、逆變成交流成為可能。</p><p>　　1955年，美國(guó)人Harrison在當(dāng)時(shí)換向器思想下，設(shè)計(jì)了用離子裝置實(shí)現(xiàn)電機(jī)的定子繞組按轉(zhuǎn)子位置換接，并首次提出用晶體管換相線(xiàn)路代替電機(jī)電刷接觸的思想，即無(wú)刷直流電機(jī)雛形。</p><p>　　1962年，隨著傳感器的生產(chǎn)，比如：接近開(kāi)關(guān)式位置傳感器、電磁諧振式位置傳感器和高頻耦合式位置傳感器以及霍爾效應(yīng)轉(zhuǎn)子位置傳感器，成功試制了用霍爾元件（霍爾

24、效應(yīng)轉(zhuǎn)子位置傳感器）來(lái)完成無(wú)刷直流電機(jī)換相。</p><p>　　1968年,德國(guó)人W·Mudslinger提出電容移相實(shí)現(xiàn)換向的想法。德國(guó)人R·Hanitsch在此思想下，成功的設(shè)計(jì)出借用過(guò)零鑒別器和數(shù)字式環(huán)形分配器的組合，來(lái)完成換相的無(wú)位置傳感器無(wú)刷直流電機(jī)。</p><p>　　無(wú)刷直流電機(jī)的研究意義很重要，作為新型電機(jī)，它的性能越來(lái)越被人們所認(rèn)可，它是許多領(lǐng)域的

25、結(jié)晶產(chǎn)品，將許多領(lǐng)域聯(lián)合在一起，是一種高新技術(shù)產(chǎn)品，是機(jī)電一體化的重要成果。無(wú)刷直流電機(jī)具有很多成功的創(chuàng)新點(diǎn),優(yōu)越于傳統(tǒng)的直流電機(jī),如傳統(tǒng)的直流電機(jī)使用機(jī)械換向,也保留了許多傳統(tǒng)直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn),如具有交流電機(jī)和直流電機(jī),它具有交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便,但是也有直流電機(jī)調(diào)速性能好,沒(méi)有勵(lì)磁損耗,效率高的特點(diǎn)。</p><p>　　西方國(guó)家等發(fā)達(dá)國(guó)家，在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中，無(wú)刷直流電機(jī)的重要性得到體現(xiàn)，并

26、漸漸取代了有刷直流電機(jī)。無(wú)刷直流電機(jī)已成為主流，也符合了當(dāng)今技術(shù)的要求，在發(fā)達(dá)國(guó)家無(wú)刷直流電機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)已成為趨勢(shì)，比如美國(guó)、日本、德國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家等已經(jīng)主要使用刷直流電機(jī)。</p><p>　　從以上介紹可以知道：無(wú)刷直流電機(jī)在很多方面，優(yōu)越于有刷直流電機(jī)，它是科學(xué)技術(shù)的又一突破，之所以這么說(shuō)是因?yàn)闊o(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)綜合了多科學(xué)科，它的驅(qū)動(dòng)結(jié)合了電子技術(shù)知識(shí)，同時(shí)有用微處理器進(jìn)行控制，對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的研究有非

27、常重要的現(xiàn)實(shí)意義。</p><p>　　第二章 無(wú)刷直流電機(jī)的介紹</p><p>　　2.1 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的概念</p><p>　　梯形反電動(dòng)勢(shì)的永磁同步電機(jī)是無(wú)刷直流電機(jī)，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)利用電子開(kāi)關(guān)線(xiàn)路和位置傳感器來(lái)代替電刷和換向器，使這種電動(dòng)機(jī)既具有直流電動(dòng)機(jī)的特性。又具有交流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)；它的轉(zhuǎn)速不再受機(jī)械換向的限制，若采

28、用高速軸承，還可以在高達(dá)每分鐘幾十萬(wàn)轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)要中運(yùn)行。它的特點(diǎn)：質(zhì)量輕、體積小、功率大、效率高、能耗低、啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大、響應(yīng)快和慣量小等特點(diǎn)，性能較有刷直流電機(jī)高，并且不需要電刷，無(wú)刷正是來(lái)源于此。其明顯優(yōu)點(diǎn)在于克服了傳統(tǒng)直流電動(dòng)機(jī)的有接觸的機(jī)械換向裝置的缺點(diǎn)，例如火花、電磁干擾、噪聲、壽命短等缺點(diǎn)。</p><p>　　無(wú)刷直流電機(jī)和有刷直流電機(jī)在結(jié)構(gòu)上有相同地方也有不同地方，總體結(jié)構(gòu)相差無(wú)幾，但是有些差別所帶來(lái)的影

29、響很大，對(duì)電機(jī)的性能也會(huì)影響，比如在磁結(jié)構(gòu)上就是懸殊不多,電樞繞組的位置卻不同,有刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)子上放的是電樞繞組,無(wú)刷直流電機(jī)的定子上放的是電樞繞組則, 兩者恰好相反，而轉(zhuǎn)子被安裝在永久磁鋼上，無(wú)刷直流電機(jī)的一般都是多相工作方式,工作時(shí)候電樞繞組連接到逆變器上，然后連接到直流電源上，電子式的換向多用于定子，使各相繞組逐級(jí)構(gòu)成回路，氣隙空間里產(chǎn)生了一種變化的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，這種變化屬于跳躍式，故而與轉(zhuǎn)子磁極的主磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，在電

30、磁轉(zhuǎn)矩的作用下電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。</p><p>　　無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)用途非常廣泛，可作為一般直流電動(dòng)機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)和力矩電動(dòng)機(jī)等使用，尤其適用于高級(jí)電子設(shè)備、機(jī)器人、航空航天技術(shù)、數(shù)控裝置、醫(yī)療化工等高新技術(shù)領(lǐng)域。</p><p>　　圖2-1 無(wú)刷直流電機(jī)圖</p><p>　　2.2 無(wú)刷直流電機(jī)與有刷直流電機(jī)的比較</p><p>　　

31、將傳統(tǒng)有刷直流電動(dòng)機(jī)與新型無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)作比較即可看出兩種電機(jī)在性能以及應(yīng)用上的各自?xún)?yōu)缺點(diǎn)，現(xiàn)將兩種電機(jī)作一下比較：</p><p>　?。?）換向特點(diǎn)的比較：有刷直流電動(dòng)機(jī)的換向是由電刷和換向器進(jìn)行機(jī)械換向；無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的換向是借助轉(zhuǎn)自子位置傳感器實(shí)現(xiàn)電子換向。</p><p>　?。?）維護(hù)周期的比較：有刷直流電動(dòng)機(jī)因采用機(jī)械換向，機(jī)械磨損大，故一般需要周期性維護(hù)；無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)因采

32、用電子換向，需要的維護(hù)周期較短。</p><p>　?。?）使用年限的比較：直流電機(jī)都有自己的使用年限，即使用周期。有刷直流電動(dòng)機(jī)有個(gè)重要缺點(diǎn)：采用電刷和換向器進(jìn)行機(jī)械換向，故而機(jī)械摩擦較大，壽命較短；無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)則采用電子換向，使用壽命較長(zhǎng)。</p><p>　?。?）機(jī)械（速度/力矩）特性的比較：有刷直流電機(jī)適用于中速,當(dāng)運(yùn)行在高速時(shí)，電刷摩擦增加,有用的轉(zhuǎn)矩下降；無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，因

33、能實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，故能在負(fù)載條件下的所有速度上運(yùn)行。</p><p>　?。?）效率的比較：有刷直流電動(dòng)機(jī)因存在換向的機(jī)械損耗故效率中等；無(wú)刷直流電機(jī)效率比較高。</p><p>　?。?）輸出功率/外形尺寸之比的比較：由于電樞發(fā)熱使氣隙內(nèi)的溫度升高,導(dǎo)致了有刷直流電機(jī)輸出功率屬于中等水平,從而限制了輸出功率/外形尺寸的比率；無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)由于將電樞繞組設(shè)置在與機(jī)殼相連的定子上，所以容易散熱

34、。由于這種優(yōu)異的熱傳導(dǎo)特性，允許減小電動(dòng)機(jī)的尺寸，所以輸出功率/外形尺寸之比高。</p><p>　?。?）轉(zhuǎn)自慣量的比較：有刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)自慣量高，限制了動(dòng)態(tài)特性；無(wú)刷直流由于將永磁體安裝在轉(zhuǎn)子上，從而使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)自慣量低，進(jìn)而改善了動(dòng)態(tài)響應(yīng)。</p><p>　?。?）速度范圍的比較：有刷直流電動(dòng)機(jī)的速度范圍較窄；無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)速度范圍較廣。</p><p>　　

35、（9）噪聲（電氣噪聲）的比較：有刷直流電動(dòng)機(jī)因?yàn)榇嬖陔娝⒌膿Q向過(guò)程，將會(huì)產(chǎn)生電弧，對(duì)附近的設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾；無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電氣噪聲較低。</p><p>　　（10）制造價(jià)格的比較：有刷直流電動(dòng)機(jī)的制造比較便宜；無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)因組成相對(duì)復(fù)雜因此制造價(jià)格比較貴。</p><p>　?。?1）控制條件的比較：有刷直流電機(jī)控制相對(duì)簡(jiǎn)單；無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)因?qū)崿F(xiàn)的功能較多，故而在控制上相對(duì)復(fù)雜。&l

36、t;/p><p>　　（12）控制要求的比較：對(duì)于一個(gè)固定的速度而言，有刷直流電動(dòng)機(jī)不需要控制器來(lái)進(jìn)行控制，但是對(duì)于有變速要求則需要控制器；無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)若想電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)則必須要有控制器來(lái)用于變速控制。</p><p>　　通過(guò)以上比較可以看出，無(wú)刷直流電機(jī)在各個(gè)方面優(yōu)越于有刷直流電機(jī)，無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展成為一種趨勢(shì)。</p><p>　　2.3 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本工作

37、原理及組成</p><p>　　1．無(wú)刷直流電機(jī)的工作規(guī)律</p><p>　　電動(dòng)機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子是主要組成部分,電樞繞組多采用三相星形連接,為了測(cè)得轉(zhuǎn)子在各時(shí)刻的信息,在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子軸上，安裝了位置傳感器，位置傳感器發(fā)送的信號(hào)，經(jīng)處理電路整理，進(jìn)行邏輯變換，故而產(chǎn)生控制信號(hào)，控制信號(hào)再經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路，逆變器的功率開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通信號(hào)來(lái)源于經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路隔離放大后的電信號(hào)，在導(dǎo)通電平下，電機(jī)的各相繞組有

38、序工作。</p><p>　　圖2-2 無(wú)刷直流電機(jī)運(yùn)行原理圖</p><p>　　由圖2-2可知，轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)到圖a時(shí)。，轉(zhuǎn)子軸上的霍爾位置傳感器將測(cè)得數(shù)據(jù)輸送到控制電路，然后再經(jīng)數(shù)字變換后用于驅(qū)動(dòng)逆變器的工作，故而使T1管和T6管通電導(dǎo)通，A、B兩相得以導(dǎo)通，電流的流向是從電源的正極經(jīng)T1管注入到A相，再經(jīng) B相以及T6管返回電源的負(fù)極故而構(gòu)成回路，電流的磁效應(yīng)使定轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)相互作用

39、，產(chǎn)生力矩，即電磁力矩，在它的作用下電機(jī)的轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　圖b所示位置是轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過(guò)60電氣角度后的狀況，轉(zhuǎn)子軸上的傳感器將測(cè)得信號(hào)輸送到控制電路，控制信號(hào)經(jīng)邏輯變換后用于驅(qū)動(dòng)逆變器的工作，故而使T1管和T6管通電，A 、C兩相得以導(dǎo)通，流向是從電源的陽(yáng)極經(jīng)T1管注入到A相，再經(jīng) C相以及T2管返回電源的負(fù)極故而構(gòu)成回路。電流從電源的正極流出，電流的磁效應(yīng)使定轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)相互作用，產(chǎn)生力矩，

40、即電磁力矩，在它的作用下電機(jī)的轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　同理圖cd，由此可知電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)候，有六種磁狀態(tài)，每一狀態(tài)既兩相之間會(huì)導(dǎo)通，每相導(dǎo)通的時(shí)間與電氣角度對(duì)應(yīng)，即120電角度。</p><p>　　2. 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)組成</p><p>　　無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是一種自控變頻的永磁同步電動(dòng)機(jī)，就其基本組成結(jié)構(gòu)而言，可以認(rèn)為是由電動(dòng)機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置傳感器和電子

41、開(kāi)關(guān)電路三部分組成的“電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)”。從圖2-3可以看到無(wú)刷直流電機(jī)由以下部分組成：</p><p>　　圖2-3 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　l.電機(jī)本體</b></p><p>　　無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是將普通直流電動(dòng)機(jī)的定予與轉(zhuǎn)子進(jìn)行了互換。其轉(zhuǎn)子為永久磁鐵，產(chǎn)生氣隙磁通：定子為電樞，由多相繞組組成。在結(jié)構(gòu)上，它與永磁同步電

42、動(dòng)機(jī)類(lèi)似。</p><p><b>　　2．轉(zhuǎn)子位置傳感器</b></p><p>　　轉(zhuǎn)子位置傳感器是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的一個(gè)關(guān)鍵部件?？筛鶕?jù)不同的原理構(gòu)成如電磁感應(yīng)式、光電式、磁敏式等多種不同的結(jié)構(gòu)形式。其中，電磁感應(yīng)式工作可靠，維護(hù)簡(jiǎn)便，壽命長(zhǎng)．所以應(yīng)用較多。它決定著電樞各相繞組開(kāi)始通電的時(shí)刻。它的作用相當(dāng)于一般直流電動(dòng)機(jī)中的電刷。改變位置檢測(cè)器產(chǎn)生信號(hào)的時(shí)刻(相位

43、)．相當(dāng)于直流電動(dòng)機(jī)中改變電刷在空間的位置，對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的特性有很大的影響。</p><p>　　位置傳感器一般也由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成。轉(zhuǎn)子是用來(lái)確定電動(dòng)機(jī)本體磁極的位置，定子的安放是為了檢測(cè)和輸出轉(zhuǎn)子的位置信號(hào)。傳感器種類(lèi)較多．且各具特點(diǎn)。目前在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中常用的位置傳感器有以下幾種形式。</p><p><b>　　3．電子換向電路</b></p&

44、gt;<p>　　無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電子換相線(xiàn)路是用來(lái)控制電動(dòng)機(jī)定子繞組通電的順序和導(dǎo)通的時(shí)間。主要由功率開(kāi)關(guān)管和邏輯控制電路組成．功率開(kāi)關(guān)單元是核心部分．其功能是將電源的功率以一定的邏輯關(guān)系分配給無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定子的各項(xiàng)繞組，從而使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩?？刂撇糠质菍⑼ㄟ^(guò)位置檢測(cè)得到的信號(hào)．根據(jù)需要轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的脈沖信號(hào)去驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管。</p><p>　　2.4 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性<

45、;/p><p>　　無(wú)刷直流電機(jī)的運(yùn)行特性是指電機(jī)在起動(dòng)、正常工作和調(diào)速等情況下，電機(jī)外部的一些可測(cè)物理量之間的關(guān)系。</p><p>　　電機(jī)是一種輸入電功率、輸出機(jī)械功率的原動(dòng)機(jī)械。因此，我們最關(guān)心的是它的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，以及轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速隨輸入電壓、電流、負(fù)載變化而變化的規(guī)律。據(jù)此，電機(jī)的運(yùn)行特性可分為起動(dòng)特性、工作特性、機(jī)械特性和調(diào)速特性。一下簡(jiǎn)介無(wú)刷直流電機(jī)的機(jī)械特性、調(diào)節(jié)特性、工作特性。&

46、lt;/p><p>　　2.4.1 機(jī)械特性</p><p><b>　　機(jī)械特性為：</b></p><p><b>　?。?-1）</b></p><p>　　UT-開(kāi)關(guān)器件的管壓降</p><p><b>　　Ia-電樞電流</b></p>

47、<p>　　Ce-電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)</p><p><b>　　-每級(jí)磁通量</b></p><p>　　由公式2-1可知給定不同的電壓等級(jí)將得到不同的轉(zhuǎn)速，即實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的調(diào)速。如2-4圖所示曲線(xiàn)。</p><p>　　圖2-4 機(jī)械特性曲線(xiàn)</p><p>　　由機(jī)械特性圖我們可以發(fā)現(xiàn)，機(jī)械特性曲線(xiàn)隨著電

48、壓的增大而開(kāi)始彎曲，彎曲的原因如下：</p><p>　　當(dāng)轉(zhuǎn)矩較大、轉(zhuǎn)速較低時(shí)，流過(guò)開(kāi)關(guān)管和電樞繞組的電流很大，這時(shí)管壓降隨著電流增大而增加較快，使在電樞繞組上的電壓有所減小，因而圖所示的機(jī)械特性曲線(xiàn)會(huì)偏離直線(xiàn)，向下彎曲。</p><p>　　2.4.2 調(diào)節(jié)特性</p><p>　　無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性如圖2-5所示。</p><p>

49、;<b>　　圖2-5 調(diào)節(jié)特性</b></p><p>　　調(diào)節(jié)特性的始動(dòng)電壓和斜率分別為：</p><p><b>　?。?-2）</b></p><p><b>　?。?-3）</b></p><p>　　由上圖2-4、2-5可看出，無(wú)刷直流電機(jī)和傳統(tǒng)直流電機(jī)相比，機(jī)械特

50、性和調(diào)節(jié)特性與有刷直流電機(jī)相同,具有調(diào)速性能優(yōu)越,無(wú)級(jí)調(diào)速的特點(diǎn)。但是因?yàn)橛来朋w的限定，不能實(shí)現(xiàn)勵(lì)磁調(diào)速。</p><p>　　2.4.3 工作特性</p><p>　　電樞電流與輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系、效率輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系如圖2-6所示。</p><p><b>　　圖2-6 工作特性</b></p><p>　　通過(guò)以上特性可

51、以看出無(wú)刷直流電機(jī)具有一個(gè)重要特點(diǎn)，即負(fù)載轉(zhuǎn)矩等于額定轉(zhuǎn)矩時(shí),此時(shí)的電機(jī)效率比較高高、勵(lì)磁損耗也低。通過(guò)對(duì)這些特性的了解可以使我們對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的性能得以了解。</p><p>　　第三章 無(wú)刷直流電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)方案</p><p>　　3.1.1 設(shè)計(jì)方案比較與選擇</p><p>　

52、　前兩章中，我們可以看到，直流無(wú)刷電機(jī)的速度控制方法體現(xiàn)了很多優(yōu)勢(shì)，它采用了數(shù)字調(diào)速的方法，結(jié)合了當(dāng)今社會(huì)發(fā)展的要求，以前的直流電機(jī)調(diào)速多是模擬調(diào)速，這種方法有許多缺點(diǎn)，故已被取代?，F(xiàn)在已進(jìn)入數(shù)字化時(shí)代，數(shù)字化調(diào)速控制系統(tǒng)已取代模擬調(diào)速系統(tǒng)，數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)具有兩種控制方案：</p><p>　?。?）用專(zhuān)門(mén)的集成電路。優(yōu)點(diǎn)：使用專(zhuān)門(mén)的集成電路使總電路得以簡(jiǎn)化，且具有高可靠性，同時(shí)減少了系統(tǒng)投資。缺點(diǎn)：不夠靈活。&l

53、t;/p><p>　?。?）用微處理器作為控制核心構(gòu)成硬件系統(tǒng)。優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)用范圍廣，編程靈活，容易控制。 </p><p>　　無(wú)刷直流電機(jī)的可靠性以及系統(tǒng)的效率取決于電機(jī)控制器，它主要有以下功能:</p><p>　　·對(duì)輸入的各個(gè)信號(hào)進(jìn)行邏輯處理 ·用于對(duì)電機(jī)的調(diào)速</p><p>　　·

54、;為驅(qū)動(dòng)電路提供各種控制信號(hào) ·產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號(hào)</p><p>　　·對(duì)欠壓等、過(guò)電流的情況做出反映，實(shí)現(xiàn)保護(hù)</p><p>　　考慮了兩方案的優(yōu)缺點(diǎn)以及以上功能的要求，方案二被采用。</p><p>　　3.1.2無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖 </p><p>　　基于以上考慮

55、,本設(shè)計(jì)系統(tǒng)框圖設(shè)計(jì)如下，如圖3-1所示：</p><p>　　圖3-1 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制框圖</p><p>　　3.2 控制器的基本原理 </p><p>　　系統(tǒng)組成：無(wú)刷直流電機(jī)、AT89C51單片機(jī)、LM621芯片、4位數(shù)碼管、2*3矩陣鍵盤(pán)。各部分作用：核心控制器選擇AT89C51，數(shù)碼管用于顯示速度的大小及轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)的方向，LM621用于換相，輸

56、入則選擇用2*3矩陣鍵盤(pán)來(lái)實(shí)現(xiàn)。用于控制電機(jī)的啟動(dòng)和停止控制，速度和大小的調(diào)整，為了實(shí)現(xiàn)精確的速度控制，本設(shè)計(jì)使用PWM技術(shù)進(jìn)行調(diào)速。 </p><p>　　換相的設(shè)計(jì)：若用單片機(jī)來(lái)?yè)Q相的話(huà)，單片機(jī)一方面要不斷地執(zhí)行換相操作指令，同時(shí)還要監(jiān)控并處理外部事件，例如：調(diào)整轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，監(jiān)控用戶(hù)界面。這樣使系統(tǒng)效率過(guò)低，故采用芯片LM621來(lái)完成換相。 </p><p><

57、;b>　　1.微控制器 </b></p><p>　　電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向的要求，以及從轉(zhuǎn)子位置的霍爾傳感器傳出的三個(gè)輸出信號(hào)，將它們被處理成所需的驅(qū)動(dòng)序列（驅(qū)動(dòng)電平），然后用于驅(qū)動(dòng)六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件依次接通。脈寬調(diào)制信號(hào)產(chǎn)生的方法，是通過(guò)單片機(jī)AT89C51的內(nèi)部時(shí)鐘以及電機(jī)發(fā)來(lái)的電信號(hào)、制動(dòng)信號(hào)、以及轉(zhuǎn)速等模擬信號(hào)，經(jīng)AD處理產(chǎn)生的。</p><p><b&g

58、t;　　2.功率驅(qū)動(dòng)單元 </b></p><p>　　功率驅(qū)動(dòng)單元選擇以MOSFET功率管組成的全橋逆變電路。</p><p><b>　　3.位置傳感器 </b></p><p>　　位置傳感器選擇霍爾位置傳感器，用以反饋轉(zhuǎn)子在各個(gè)時(shí)刻的信息。</p><p>　　4.周邊輔助、保護(hù)電

59、路 </p><p>　　主要有電流采樣電路、電壓比較電路、過(guò)電流保護(hù)電路、調(diào)速信號(hào)和制動(dòng)信號(hào)等輸入電路。 </p><p>　　3.3 脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù) </p><p>　　用數(shù)字信號(hào)（由單片機(jī)產(chǎn)生）實(shí)現(xiàn)對(duì)模擬電路的控制。應(yīng)用在許多領(lǐng)域中。</p><p>　　PWM比模擬電路控制所具有的優(yōu)點(diǎn)

60、：高抗噪性，很大節(jié)約內(nèi)存空間、經(jīng)濟(jì)性能高。在此技術(shù)之前常直接運(yùn)用模擬電路控，模擬電路雖然設(shè)計(jì)方便，且設(shè)計(jì)成本低，但模擬電路存在很多缺點(diǎn)：</p><p>　　·模擬電路容易隨時(shí)間漂移</p><p>　　·功率器件存在著損耗</p><p><b>　　·以及對(duì)噪聲敏感等</b></p><p&

61、gt;<b>　　·容易受干擾</b></p><p>　　故選擇運(yùn)用數(shù)字電路來(lái)實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)，PWM技術(shù)克服了以上技術(shù)問(wèn)題，同時(shí)用數(shù)字方式來(lái)控制模擬信號(hào)降低了該系統(tǒng)的成本，改善了性能。PWM技術(shù)解決了電機(jī)調(diào)速的問(wèn)題，利用這個(gè)技術(shù)便可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速的目的，同時(shí)可以通過(guò)軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)調(diào)速，操作方便。</p><p>　　PWM技術(shù)的應(yīng)用范圍較廣，比如：溫度控制、電機(jī)調(diào)速

62、等場(chǎng)所。PWM控制的原理是在驅(qū)動(dòng)電路中，通過(guò)改變開(kāi)關(guān)在一個(gè)通斷周期內(nèi)接通的時(shí)間，即改變一個(gè)周期內(nèi)高電平的持續(xù)時(shí)間即占空比的大小，故而改變了平均電壓，，因此能夠改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。</p><p><b>　　如圖3-2所示。</b></p><p>　　圖3-2 PWM占空比原理</p><p><b>　　由圖3-2得：</b&

63、gt;</p><p><b>　　（3-1）</b></p><p>　?。?-2）指的是電機(jī)的平均速度；</p><p>　　定義為電機(jī)在在整個(gè)通電過(guò)程中能夠達(dá)到的最大速度；</p><p><b>　　D指占空比；</b></p><p>　　因此改變占空比時(shí)，電機(jī)平均

64、速度Va也發(fā)生改變，即實(shí)現(xiàn)了調(diào)速的目的。由于占空。比的大小可以連續(xù)變化，故可以實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速，使調(diào)速的。范圍變寬，其實(shí)上式3-2的關(guān)系式并不一定成立，只是比較接近這個(gè)關(guān)系，但是為了計(jì)。算方便，在普通的計(jì)算中，可以將其簡(jiǎn)?；删€(xiàn)性關(guān)系。 </p><p>　　本系統(tǒng)對(duì)無(wú)。刷直流電機(jī)的調(diào)速采用了PWM控制，通過(guò)對(duì)單。片機(jī)AT89C51進(jìn)行編程，即可得到所。需要的PWM波形，同時(shí)占空比的大小可。任意改變，只需在

65、編程時(shí)處理占空比。的大小即可，通過(guò)編程比較方便。產(chǎn)生PWM波形。</p><p>　　第四章 AT89C51系列單片機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理簡(jiǎn)介</p><p>　　4.1 AT89C51單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)</p><p>　　8051單片機(jī)是最早生產(chǎn)的，但是隨著科技的發(fā)展，8051的不能滿(mǎn)足更高的要求，從而開(kāi)發(fā)出了AT89C51單片機(jī)。具有8051的基本功能，并在此基礎(chǔ)上

66、增加了一系列新功能，它具有一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器。具有CMOS8位微處理器高性能,低電壓的特點(diǎn)。制造技術(shù)采用ATMEL高密度非易失性?xún)?nèi)存,和工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的MCS - 51系列單片機(jī)的指令集和輸出管腳相兼容。與51系列單片機(jī)的區(qū)別在于AT89C51將8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在一起，構(gòu)成單個(gè)芯片，因此提高了運(yùn)算速度。其基本機(jī)構(gòu)如下圖4-1所示:</p><p>　　圖4-1 AT89C51單片機(jī)結(jié)構(gòu)&

67、lt;/p><p>　　AT89C51具有一下結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如表4-1所示：</p><p>　　表4-1 AT89C51單片機(jī)特點(diǎn)</p><p>　　4.2 AT89C51單片機(jī)的引腳及其功能描述 </p><p><b>　　VCC：供電電源。</b></p><p><b>　　GND：接

68、地。</b></p><p>　　P0口：被定義為數(shù)據(jù)/地址的低八位，端口置1（對(duì)端口寫(xiě)1）時(shí)，起到作高阻抗輸入的作用。</p><p>　　P1口：標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出I/O口，端口置1時(shí)，端口呈現(xiàn)高電平，用于輸入口。</p><p>　　P2口：標(biāo)準(zhǔn)輸入和輸出I/O口，外部程序存儲(chǔ)空間的高八位地址也可以用其來(lái)訪(fǎng)問(wèn)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器也是一樣，端口置1時(shí)，端口呈現(xiàn)高電

69、平，用于輸入口。</p><p>　　P3口：既可以作標(biāo)準(zhǔn)輸入輸出I/O，也可做第二功能口，第二功能如下表： </p><p>　　表4-2 P3口第二功能</p><p>　　RST：復(fù)位輸入端，高電平有效。復(fù)位要求RST引腳高電平輸入的時(shí)間滿(mǎn)足兩個(gè)機(jī)器周期。 </p><p>　　ALE/

70、PROG： 當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器或數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，ALE（地址鎖存允許）輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪(fǎng)問(wèn)外部存儲(chǔ)器，ALE 仍以時(shí)鐘振蕩頻率的l/6 輸出固定的正脈沖信號(hào)，因此它可對(duì)外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是：每當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)將跳過(guò)一個(gè)ALE脈沖。</p><p>　　PSEN：程序儲(chǔ)存允許（PSEN）輸出是外部程序存儲(chǔ)器的讀選通信號(hào)，當(dāng)AT89C51&#

71、160;由外部程序存儲(chǔ)器取指令（或數(shù)據(jù)）時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖。在此期間，當(dāng)訪(fǎng)問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，這兩次有效的PSEN信號(hào)出現(xiàn)。</p><p>　　EA/VPP：外部訪(fǎng)問(wèn)允許。欲使CPU僅訪(fǎng)問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器（地址為0000H—FFFFH），EA端必須保持低電平（接地）。需注意的是：如果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會(huì)鎖存EA端狀態(tài)。如EA端為高電平（接VCC端），CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲(chǔ)

72、器中的指令。Flash存儲(chǔ)器編程時(shí)，該引腳加上+12V的編程允許電源Vpp，當(dāng)然這必須是該器件是使用12V編程電壓Vpp。</p><p>　　XTAL1：用于反向振蕩放大器以及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。</p><p>　　XTAL2：來(lái)自反向振蕩器的輸出。 </p><p>　　4.3 AT89C51單片機(jī)的工作方式</p><p>　　

73、AT89C51單片機(jī)的常用工作方式有：復(fù)位方式，節(jié)電工作方式。工作方式與狀態(tài)一一對(duì)應(yīng)。一下介紹兩種常用工作方式。</p><p><b>　　一、復(fù)位方式</b></p><p>　?。?）上電自動(dòng)復(fù)位：由RC電路充放電來(lái)實(shí)現(xiàn)的，上電的一瞬間，因電壓的突加，使復(fù)位引腳呈現(xiàn)高電平，但是隨著電流的減小，復(fù)位引腳呈現(xiàn)低電平得以復(fù)位。</p><p>

74、　?。?）按鍵手動(dòng)復(fù)位有脈沖方式、電平方式兩種按鍵電平復(fù)位，其原理是相當(dāng)于在復(fù)位引腳經(jīng)電阻接高電平，圖4-3所示；按鍵脈沖復(fù)位的原理是因?yàn)閺?fù)位電路采用了微分電路產(chǎn)生的正脈沖得以復(fù)位的。</p><p>　　圖4-2 按鍵復(fù)位電路</p><p>　　表4-3所示為寄存器復(fù)位后狀態(tài)值</p><p>　　表4-3 單片機(jī)復(fù)位后寄存器值</p><p

75、>　　二、節(jié)電工作方式：由其內(nèi)部的電源控制寄存器PCON決定的，該特殊功能寄存器的地址為87H，AT89C51單。片機(jī)的節(jié)電工作方式有兩種，主要以掉電工作方式為主，在掉電工作方式中，單片機(jī)的內(nèi)部振蕩器停止工作。</p><p>　　PCON的寄存器如下表4-4所示：</p><p><b>　　表4-4</b></p><p>　　SMO

76、D：用于對(duì)串行口波特率倍率的設(shè)置；</p><p>　　GF1、GF0：通用標(biāo)志位；</p><p>　　PD：用于對(duì)掉電方式的設(shè)置， PD為1時(shí)，即掉電工作方式； </p><p>　　IDL：用于對(duì)空閑方式的設(shè)置， IDL為1時(shí)，即空閑工作方式；</p><p>　　4.4 AT89C51單片機(jī)的最小應(yīng)用系統(tǒng)</p><

77、;p>　　單片機(jī)都有自己的最小系統(tǒng)，在這個(gè)基礎(chǔ)上對(duì)單片機(jī)的功能進(jìn)行擴(kuò)展就是所謂的單片機(jī)應(yīng)用擴(kuò)展，AT89C51自身就可以組成一個(gè)最小系統(tǒng)，AT89C51構(gòu)成最小系統(tǒng)需要將該芯片與時(shí)鐘電路以及復(fù)位電路相連接即可，需要注意的是應(yīng)將接高電平，而引腳ALE和不接輸入信號(hào)，這樣便構(gòu)成了最小系統(tǒng)，并可以工作。注意有一些單片機(jī)自身并不能構(gòu)成最小系統(tǒng)，比如目前國(guó)內(nèi)較多采用的內(nèi)部無(wú)程序存儲(chǔ)器的芯片8031來(lái)說(shuō)，則要用外部程序存儲(chǔ)器的方法才能構(gòu)成一個(gè)

78、最小應(yīng)用系統(tǒng)，故在單片機(jī)的選取上應(yīng)特別注意。</p><p>　　如圖4-3所示為單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)。</p><p>　　圖4-3 AT89C51單片機(jī)的應(yīng)用系統(tǒng)</p><p>　　該系統(tǒng)具有以下的特點(diǎn)： ?</p><p>　?。?）引腳（I/O口）端口較多：P1、P2、P3四個(gè)口都可以作為I/O口，故引腳比較豐富。</p>

79、<p>　　（2）內(nèi)部存儲(chǔ)器空間有限，僅有128B的RAM、4KB的程序存儲(chǔ)空間。</p><p>　　（3）應(yīng)用系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)具有特殊性。因P0、P2口作為數(shù)據(jù)、地址總線(xiàn)時(shí)硬件調(diào)試只能用模擬的方法進(jìn)行在開(kāi)發(fā)。</p><p>　　片內(nèi)無(wú)程序存儲(chǔ)器的芯片構(gòu)成最小應(yīng)用系統(tǒng)時(shí)，必須在片外擴(kuò)展程序存儲(chǔ)器。由于一般用程序存儲(chǔ)器的EPROM芯片不能鎖存地址，故擴(kuò)展時(shí)還應(yīng)外加1個(gè)鎖存器，構(gòu)成

80、一個(gè)3片最小系統(tǒng)，地址鎖存器常用74LS系列地址鎖存器，用于鎖存低8位地址，應(yīng)特別注意。</p><p>　　4.5 AT89C51單片機(jī)的指令系統(tǒng)</p><p>　　指令是CPU用于控制功能部件完成某種指定動(dòng)作的指示和命令。計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)是指指令的集合。指令系統(tǒng)體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)的性能，也是運(yùn)用了計(jì)算機(jī)進(jìn)行程序設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)的指令一般是采用匯編語(yǔ)言指令來(lái)表示。指令系統(tǒng)可分為四類(lèi)：數(shù)據(jù)傳

81、送、邏輯操作、算術(shù)操作和控制轉(zhuǎn)移。一下以每種類(lèi)型的一個(gè)作簡(jiǎn)要概述：</p><p>　　通用的傳送：MOV 將原操作送至目的操作數(shù)中，保持源操作數(shù)不變化，相當(dāng)于數(shù)據(jù)的復(fù)制。</p><p>　　累加器專(zhuān)用傳送：MOVX 用于與外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器的選擇由R1、R0這兩位來(lái)決定。</p><p>　　目標(biāo)地址傳送：MOV DPTR, #

82、data 是用于把一個(gè)立即數(shù)的高八位和低八位放進(jìn)目的寄存器中的高八位，第八位地址中。</p><p>　　位操作指令：JB 如果直接尋址位為1，則執(zhí)行轉(zhuǎn)移。</p><p>　　算術(shù)操作：ADD 將累加器中的數(shù)與操作數(shù)進(jìn)行相加，并將加的結(jié)果放進(jìn)累加器A中。</p><p>　　調(diào)用指令：ACALL 絕對(duì)調(diào)用指令、無(wú)條件地調(diào)用指定地址的子程序，不影響標(biāo)志。<

83、/p><p>　　轉(zhuǎn)移指令：轉(zhuǎn)移指令有兩種，有條件的轉(zhuǎn)移以及無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令。</p><p>　　無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令：AJMP 轉(zhuǎn)移控制到目標(biāo)操作數(shù)。</p><p>　　有條件轉(zhuǎn)移：JZ 如果累加器A為0則執(zhí)行一次轉(zhuǎn)移。</p><p>　　中斷操作指令：?jiǎn)纹瑱C(jī)的中斷操作指令用于對(duì)中斷事件的處理，每個(gè)單片機(jī)都具有對(duì)內(nèi)部或外部事件的處理能力，當(dāng)內(nèi)

84、部或外部事件發(fā)生，對(duì)應(yīng)每一個(gè)中斷事件都有自己的優(yōu)先級(jí)，處理器一般會(huì)根據(jù)優(yōu)先級(jí)來(lái)判斷處理兩事件的順序，所要用到的中斷指令：</p><p>　　RETI： 中斷指令。其控制轉(zhuǎn)移的方式與RET指令相同，RETI是中斷返回,并且清中斷標(biāo)志,以保證能繼續(xù)中斷。</p><p>　　第五章 硬件電路以及軟件的設(shè)計(jì)</p><p>　　5.1 硬件電路設(shè)計(jì)</p>

85、<p>　　硬件設(shè)計(jì)思路是先將各個(gè)功能模塊的硬件電路設(shè)計(jì)出來(lái)，然后將各硬件部分連接在一塊。本系統(tǒng)將整個(gè)硬件電路劃分為四個(gè)電路模塊；單片機(jī)與鍵盤(pán)接口設(shè)計(jì)﹑單片機(jī)與顯示數(shù)碼管接口的設(shè)計(jì)﹑逆變器與驅(qū)動(dòng)電路接口設(shè)計(jì)﹑限流保護(hù)電路的設(shè)計(jì)。系統(tǒng)的總硬件圖如附錄A所示。</p><p>　　5.1.1 單片機(jī)與鍵盤(pán)接口設(shè)計(jì) </p><p>　　本系統(tǒng)使采用2*3矩陣鍵盤(pán)來(lái)對(duì)整個(gè)

86、系統(tǒng)的操作，鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖5-1所示：</p><p>　　圖5-1 系統(tǒng)鍵盤(pán)接口</p><p>　　鍵盤(pán)結(jié)構(gòu)和各鍵對(duì)應(yīng)的功能及鍵值如表5-1：</p><p><b>　　表5-1</b></p><p>　　各鍵詳細(xì)功能如下： </p><p>　　K1：用于啟動(dòng)系統(tǒng)，單片紀(jì)上電后會(huì)

87、對(duì)鍵盤(pán)進(jìn)行掃描，K1按下則啟動(dòng)系統(tǒng)。</p><p>　　K2和K5：按下K4或K6使當(dāng)前位閃爍，改變當(dāng)前值的大小通過(guò)K2和K5加1或減1操作，之后5秒內(nèi)無(wú)輸入的話(huà)，系統(tǒng)確定當(dāng)前值。</p><p>　　K4和K6：按下K4或K6系統(tǒng)進(jìn)入調(diào)速狀態(tài)，此時(shí)的4位數(shù)碼管將從左邊開(kāi)始閃爍，閃爍第一位即當(dāng)前位，若5S內(nèi)無(wú)輸入的話(huà)，系統(tǒng)確定當(dāng)前值，并通過(guò)調(diào)速達(dá)到設(shè)定值。  

88、0;</p><p>　　K3：其功能是實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。</p><p>　　5.1.2 單片機(jī)與顯示數(shù)碼管接口的設(shè)計(jì) </p><p>　　如圖5-2示的是單片機(jī)與數(shù)碼管顯示電路的連接，數(shù)碼管采用動(dòng)態(tài)顯示方式。該顯示部分由一下兩部分組成：</p><p><b>　　1. 數(shù)碼管 </b>

89、;</p><p>　　·4位8段共陰極數(shù)碼管用于顯示的功能 ·位選接P1.0——P1.3口</p><p>　　·P0口用于數(shù)碼管的段選 ·單片機(jī)P0口接上拉電阻  </p><p>　　2. LED發(fā)光二極管 </p>&

90、lt;p>　　兩個(gè)LED發(fā)光二極管用于標(biāo)志電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 </p><p>　　圖5-2 單片機(jī)與數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)圖</p><p>　　5.1.3 逆變器與驅(qū)動(dòng)電路接口設(shè)計(jì) </p><p>　　圖5-3所示的是逆變器與驅(qū)動(dòng)電路接口電路設(shè)計(jì)。</p><p>　　圖5-3 逆變器與驅(qū)動(dòng)電路接口

91、</p><p><b>　　1. 逆變器 </b></p><p>　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用了MOSFET功率開(kāi)關(guān)組成的三相橋式全控逆變電路。   </p><p><b>　　2. 驅(qū)動(dòng)電路 </b></p><p>　?。?）功率管的導(dǎo)通則選用了換相

92、芯片LM621控制， LM621具有一下特點(diǎn)：</p><p>　　·與三相無(wú)刷直流電機(jī)兼容性良好</p><p>　　·雙極性驅(qū)動(dòng)三相角形星型聯(lián)結(jié)繞組</p><p>　　·有中心抽頭的三相星形聯(lián)結(jié)繞組用單極性驅(qū)動(dòng)</p><p>　　·位置傳感器空間間距的處理：三相電機(jī)空間間距處理為30°

93、或60°；四相電動(dòng)機(jī)可處理為空間間距90°</p><p>　　·輸出端用于驅(qū)動(dòng)雙極型功率管或者用于MOSFET功率器件的驅(qū)動(dòng)</p><p>　　·可調(diào)節(jié)死區(qū)時(shí)間和時(shí)鐘發(fā)生器</p><p>　　·可接PWM信號(hào)接口、霍爾位置傳感器接口</p><p>　　·具有欠電壓封鎖的特性&

94、lt;/p><p>　　LM621引腳如圖5-4所示： </p><p>　　圖5-4  LM621結(jié)構(gòu)圖</p><p><b>　　管腳功能定義：  </b></p><p>　　·引腳1（Vcc1）：邏輯部分和時(shí)鐘電源信號(hào)輸入端，加+5V。</p><

95、;p>　　·引腳2（DIRECTION)：轉(zhuǎn)向控制端。電機(jī)轉(zhuǎn)向取決于邏輯電平。 </p><p>　　·引腳3（DEAD-TIME ENABLE):死區(qū)時(shí)間使能端，高電平有效。用于死區(qū)功能的選擇。</p><p>　　·引腳4（CLOCK TIMING):時(shí)鐘定時(shí)端。將該引腳外接定時(shí)電容經(jīng)電阻接地，只要設(shè)定時(shí)鐘振蕩周期，便可

96、設(shè)定死區(qū)的時(shí)間。  </p><p>　　·引腳5、6、7（HS1、HS2、HS3）：傳感器輸入端（本設(shè)計(jì)采用霍爾位置傳感器）。</p><p>　　·引腳8（30/60SELECT): 或選擇端，當(dāng)三相電動(dòng)機(jī)傳感器空間間距處理為30度時(shí)，在此引腳加高電平；當(dāng)三相電動(dòng)機(jī)傳感器空間間距60°時(shí)，施加零電平。</p><p&

97、gt;　　·引腳9（LOGIC GROUND):邏輯地。</p><p>　　·引腳10（POWER GROUND):功率地。</p><p>　　·引腳11、12、13（CURRENT SOURCE OUT)：該系列引腳作為灌電流的輸出端。</p><p>　　·引腳14、15、16（

98、CURRENT SINK OUT):抽電流輸出端。 </p><p>　　·引腳17（OUTPUT INHIBIT)：輸出禁止端。當(dāng)該引腳接高電平時(shí)，則輸出被關(guān)閉。</p><p>　　·引腳18（MOTOR SUPPLY VOLTAGE): Vcc2（+5——40V）端，作為第二等待能源輸入端，它的

99、功能是提供11——13引腳灌電流輸出的電流。</p><p>　　其換相譯碼真值表如表5-2：</p><p>　　表5-2  LM621換相真值表</p><p>　　換相波形圖如圖5-5所示： </p><p>　　圖5-5  60°換相波形</p><p>　　5.1.4 

100、;限流保護(hù)電路 </p><p>　　如下圖5-6所示的限流電路設(shè)計(jì)：</p><p><b>　　圖5-6 限流電路</b></p><p>　　從上圖5-6可知，主回路中的電動(dòng)機(jī)的電流，最終經(jīng)過(guò)電阻R接地。滿(mǎn)足=R的關(guān)系。將反饋電壓和數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的輸出電壓經(jīng)過(guò)LM324運(yùn)算放大器的兩個(gè)輸入端進(jìn)行比較，當(dāng)反饋電壓＞時(shí)，則運(yùn)

101、算放大器輸出低電平，運(yùn)算放大器輸出再經(jīng)過(guò)非門(mén)電路變?yōu)楦唠娖?，并輸入到LM621的引腳17，使輸出關(guān)斷，使直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)定子繞組的所有電流通路截至，導(dǎo)致電動(dòng)機(jī)電流快速下降，當(dāng)電流下降，致使＜，則LM324運(yùn)算放大器輸出回到高電平，通過(guò)非門(mén)變?yōu)榈碗娖?，接LM621的17腳，LM621工作。</p><p>　　限流保護(hù)電路的設(shè)置對(duì)整個(gè)系統(tǒng)有重要的意義，可使流過(guò)電路的電流限制在一定的范圍，從而防止了系統(tǒng)因發(fā)生過(guò)電流時(shí)而

102、燒壞電路的情況。除此之外因限流保護(hù)電路經(jīng)電阻R接地，也提高了系統(tǒng)電路抗干擾的能力。</p><p>　　5.2 軟件設(shè)計(jì) </p><p>　　5.2.1 控制器軟件設(shè)計(jì)總述 </p><p>　　在軟件設(shè)計(jì)上，要首先考慮到用軟件我們需要實(shí)現(xiàn)什么樣的目的，例如本設(shè)計(jì)中PWM波形的產(chǎn)生即需要軟件設(shè)計(jì)，在軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)定義一些標(biāo)志位，比如啟

103、動(dòng)標(biāo)志位以及閃爍標(biāo)志位的定義等，這些定義見(jiàn)附錄B。</p><p>　　系統(tǒng)程序的功能程序由下表5-3組成：</p><p><b>　　表5-3 功能程序</b></p><p>　　總設(shè)計(jì)程序是由多個(gè)程序段構(gòu)成,每個(gè)子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)各自的功能,形成一個(gè)獨(dú)立的模塊,使單片機(jī)執(zhí)行效率提高,所有的子例程調(diào)用返回結(jié)果。需要注意在定義了各端口的功能之后，

104、在連接各引腳時(shí)應(yīng)保證引腳之間的連接正確，否則在運(yùn)行程序時(shí)會(huì)出現(xiàn)較多的錯(cuò)誤，帶來(lái)很多不必要的麻煩。</p><p>　　5.2.2 程序流程圖 </p><p>　　主要模塊程序流程圖如圖5-7所示；鍵盤(pán)程序流程圖如圖5-8所示；圖5-9為顯示程序流程圖的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)程序編程采用C語(yǔ)言，如附錄B。</p><p>　　圖5-7 主程序流程

105、圖</p><p>　　圖 5-8 鍵盤(pán)程序流程圖</p><p>　　5-9 顯示程序流程圖</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)中，使我對(duì)單片機(jī)以及無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理又加深了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)，雖然在設(shè)計(jì)的過(guò)程中有很多不懂的地方，也遇到了很多麻煩，不過(guò)在老師的幫

106、助下，我也都一一的將它們解決，并成功的將硬件連接一起并調(diào)試成功實(shí)現(xiàn)了用 AT89C51單片機(jī)對(duì)無(wú)刷電機(jī)的PWM調(diào)速、逆變橋電流限定、同步整流保護(hù)等功能的應(yīng)用。在此期間也意識(shí)到自己對(duì)專(zhuān)業(yè)課掌握的并不很踏實(shí)，以及自己的不足。</p><p><b>　　不足之處： </b></p><p>　?。?）硬件方面，由于專(zhuān)業(yè)知識(shí)的不足以及經(jīng)驗(yàn)的不足，在硬件設(shè)計(jì)上走了很

107、多誤區(qū)，同時(shí)也因?yàn)樵谟布脑O(shè)計(jì)上缺乏實(shí)際數(shù)據(jù)的支持，使硬件的設(shè)計(jì)進(jìn)程很慢，在硬件之間的連接上也存在這缺陷； </p><p>　?。?）軟件方面，在軟件設(shè)計(jì)方面尤其單片機(jī)端口的分配這一塊中，因?yàn)閷?duì)單片機(jī)端口的功能不熟悉，在分配的時(shí)候難免出混亂，同時(shí)不能熟練進(jìn)行編程。 </p><p>　　由于個(gè)人能力的有限以及時(shí)間并不是很充裕，在設(shè)計(jì)上可能會(huì)存在一些不足，本控制系統(tǒng)的設(shè)

108、計(jì)還有很大的改進(jìn)空間，例如可不必采用位置傳感器的控制方法，用無(wú)位置傳感器的方法進(jìn)行替代，這樣可以提高可靠性，以及降低設(shè)計(jì)成本。</p><p><b>　　參考文獻(xiàn)</b></p><p>　　[1] 王益全.電動(dòng)機(jī)原理與實(shí)用技術(shù).北京:科學(xué)出版社，2005</p><p>　　[2] 張深.直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)原理與其應(yīng)用.機(jī)械工業(yè)出版社，1996

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112、<p>　　[14] 余永權(quán),李小青,陳林康.單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的功率接口技術(shù). 北京航空航天大學(xué)出版社,1991</p><p>　　[15] 王季秩.無(wú)刷直流電機(jī)的現(xiàn)在和將來(lái)[M].微特電機(jī).1999</p><p>　　[16] 陳益廣.王曉遠(yuǎn)等.摩托車(chē)用直流無(wú)刷起動(dòng)磁電機(jī)的設(shè)計(jì)[M].微電機(jī).2000</p><p>　　[17] 蔡耀成 無(wú)刷直流電動(dòng)

113、機(jī)中的霍爾位置傳感器[M].微特電機(jī).1999</p><p>　　[18] 丁志剛.無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的研究和開(kāi)發(fā)進(jìn)展[M].微特電機(jī).2000</p><p>　　[19] 周屬德.永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)中的幾個(gè)問(wèn)題[M].電機(jī)技術(shù).1996</p><p>　　[20] 于維順.無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)線(xiàn)路分析[M].江蘇機(jī)械制造與自動(dòng)化.1998</p>

114、<p>　　[21] 鄭吉 王學(xué)普 無(wú)刷直流電機(jī)控制技術(shù)綜述[M].微特電機(jī). 2002</p><p>　　[22] 鄭柒拾.無(wú)刷永磁直流電機(jī)的繞組參數(shù)計(jì)算[M].沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào).2000</p><p>　　[23] Microchip PIC18F72 datasheet[R] ，2002 Microchip Technology Inc. </p>&l

115、t;p>　　[24] Jim Simons. Mastering the PIC16C7X A/D Converter[R]，2002 Microchip Technology Inc. </p><p>　　[25] IR2103(S) & (PbF) datasheet[R]，www.irf.com </p><p>　　[26] G..Henneberger. Brus

116、hless motors for electric and hybrid vehicles. Machines and Drives for Electric and Hybrid Vehicles[R]. 1996</p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　在畢業(yè)設(shè)計(jì)中我遇到了很多困難，對(duì)于這些困難徐老師給與了我耐心的指導(dǎo)，在此感謝徐老師的幫助。

117、正是因?yàn)槔蠋焸兊木闹笇?dǎo)，才使我得以順利完成無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，同時(shí)老師給我提供了很多有用的參考資料，這些資料使我少走了很多彎路。以前并沒(méi)有接觸過(guò)對(duì)一個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在知道這個(gè)課題的時(shí)候，自己一點(diǎn)思路也沒(méi)有，也不知從何入手，于是便上網(wǎng)查閱資料，也從圖書(shū)館里借到了很多相關(guān)的資料，通過(guò)閱讀這些資料后，設(shè)計(jì)思路也慢慢的產(chǎn)生了，同時(shí)也參閱了一些資料，并借鑒了一些新意的思路，在這些準(zhǔn)備之后，便著手于系統(tǒng)的設(shè)計(jì)了，雖有理論進(jìn)行知道，有時(shí)候卻達(dá)