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基于stc89c52单片机无刷直流电动机智能控制器系统硬件电路控制软件的设计-学位论文.doc
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基于stc89c52单片机无刷直流电动机智能控制器系统硬件电路控制软件的设计-学位论文.doc
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南昌航空大学科技学院 2010 届毕业论文
1
基于 STC89C52 单片机无刷直流电动机智能控制器系统硬件电
路控制软件的设计
1 引言
随着人们生活水平的提高,产品质量、精度、性能、自动化程度、功能以
及功耗、价格问题已经是选择家用电器的主要因素。就电动机而言,传统的直流
电动机均采用电刷, 以机械方法进行换向, 存在着相对的机械摩擦, 由此带来了噪声、
火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点, 制造成本高及维修困难等缺点,因而大大
地限制了它的应用范围。永磁无刷直流电动机是近年随着电力电子器件及新型永磁材
料发展而迅速成熟起来的一种新型机电一体化电机,既具有交流电机的结构简单、运
行可靠、维护方便等优点,又具备直流电机那样固有的优越的起动性能和调速特性,
而无机械式换向机构,现以广泛应用于各种调速驱动场合,其应用前景看好,尤其从
当今的环保、能源、效率等综合因素出发,水磁无刷直流电机可望在未来的电动车及
冰箱或空调类永磁压缩机领域占有主导地位。
就目前而言,永磁无刷直流电动机控制器结构已有多种形式,由最初复杂的模拟
式到近来以单片机为核心的数字式,但新型电机控制专用芯片的出现,给无刷直流电
机调速装置设计带来了极大的便利,这种集成模拟控制芯片控制功能强、保护功能完
善、工作性能稳定,组成的系统所需外围电路简单、抗干扰能力强、特别适用于对控
制器体积、价格性能比要求较高的场合。专用控制芯片优点固然多,但往往价格比较
昂贵。在一些控制要求精度不是很高的场合,就需要能有一种工作稳定、价格又比较
低廉的控制器。本设计就是基于此市场需求,详细介绍了一种利用普通的 STC89C5X
单片机作为主控芯片的无刷直流电动机控制器的设计。
南昌航空大学科技学院 2010 届毕业论文
2
2 无刷直流电动机概述
2.1 无刷直流电动机的特点
传统的直流电机以其优良的转矩特性和调速性能在运动领域中有着广泛的应用,
但机械电刷却是它的致命弱点。电刷的存在带来了一系列的问题,如:存在机械摩擦、
噪声、电火花无线电干扰及寿命短,再加上它制造成本高及维修困难等缺点,从而大
大地限制了它的应用范围。
无刷直流电动机就是为了既要保持有刷直流电动机的优异特性,又要革除电刷和
换向器的“顽疾”为目的而研制的。控制系统中的执行电动机应该具有下列优点:快
速性、可靠性高、体积小、重量轻、节能、效率高、适应环境和经济性。
基本性能
电机类型
效率
体积
控制特
性
技术性
能
结构
寿命
电机本体成
本
直流电动机
较高
小
好
短
高
无刷直流电动机机
高
小
较好
长
高
交流电动机
低
大
一般
长
低
开关磁阻电动机
较低
较小
较好
长
低
表 2-1 目前应用较为广泛的几种电动机的基本性能的比较
在快速性方面,无刷直流电动机的转子是由永磁材料构成的磁极体,电枢绕组在
定子上,因而转子外径相对较小,转子转动惯量因而也较小;在转矩方面,只有直流
电动机才能达到大的起动转矩和最大转矩,而无刷直流电动机具有直流电机的特性,
从而起动转矩和最大转矩都较大。因此无刷直流电动机可以实现快速的起、停、加速
和减速。
在可控性方面,直流电动机的输出转矩和绕组流过的电流成线性关系,直流电动
机的起动转矩又大,因此可控性很好、很方便。无刷直流电动机的输出特性和一般有
刷的直流电动机很相似,只要简单的改变电动机的输入电压的大小就可以实现在很大
的范围内进行无极调速。
在可靠性方面,因为其消除了电刷和换向器,所以也就消除了故障的主要根源,
由于无刷直流电机的转子上没有绕组,因此转子上没有电的损耗,又由于主磁场是恒
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定的,因此铁损也是极小的(在方波电流驱动时,电枢磁势的轴线是脉动的,会在转
子铁心内产生一定的铁损)。总的来说除了轴承旋转产生的摩擦损耗外,转子方面的
损耗很小,因而进一步增加了可靠性。
因此可知:和其它类型的电动机相比,无刷直流电动机不仅较为可靠而且损耗较
小,它的电枢在定子上,直接与机壳相连,散热条件好,热传导系数大,由于这样的
原因,在相同的条件下,在相同的出力要求下,无刷直流电动机可以设计的更小,重
量更轻。无论是电机设计还是系统设计,提高效率、节约能源都具有重要的意义,有
着长远的社会和经济效益。而异步电动机运行在轻载时功率因数低,增加了线路和网
络的损耗,因此,提高电动机的效率,选择损耗最小、效率最高的电机是很重要的。
在环境适应性方面,对于高性能的系统,如果只能采用直流电动机,但同时又要
求长寿命,免维护以及防爆,易燃的环境条件下,有刷直流电动机就无能为力了,无
刷直流电动机是最好的选择。
在经济性方面,随着电子技术的进步,电子工业的发展,电子元器件的价格不断
的下降。在国外的市场上,无刷直流电动机驱动,控制器的价格已经和异步电动机的
变频器相差不多了。不过由于稀土永磁材料的价格较贵,电机的成本也相应较高。但
是考虑到综合指标(系统性能,重量,能量消耗等)之后,无刷直流电动机的应用仍处
于上升的趋势。
2.2 无刷直流电动机的发展历史及研究应用现状
无刷直流电动机自 1962 年问世以来,现已广泛应用于计算机外围设备、办公自
动化设备、家电产品、音像设备、汽车、电动车、数控机床、机器人、医疗设备、宇
宙飞船、人造卫星等方面和领域。
70 年代初,随着电机技术及其相关学科的迅猛发展,无刷直流电机进入了实用
阶段,在计算机外设等领域开始应用,还先后研究成功方波和正弦波无刷直流电机。
近 40 年来,“无刷直流电机”的概念已由最初的具有电子换向器的直流电机发展到
泛指一切具有传统直流电机外部特性的电子换向电机。如今的无刷直流电机集特种电
机、变速机构、检测元件、控制软件与硬件于一体,形成为新一代电动调速系统,且
体现着当今应用科学的许多最新成果,因此其是机电一体化的高科技产物,在各个领
域得到了广泛的应用。
进入 90 年代以来,无刷直流电机调速系统的逆变装置中的开关元件不仅成本降
低,而且向高频化、大容量化、小型化、智能化发展。
在我国,无刷直流电机的研制始于 70 年代初期,作为高科技产品受到了我国基
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础工业落后的制约,其综合水平低于国际水平,大约相当于国外 70 年代末 80 年代初
的水准。目前,国内研究单位开展无刷直流电机的研究已有时日,积累了丰富的设计
理论和设计经验,只是由于自身条件而没有达到规模化生产,大部分仍处于仿真或实
验阶段。
如今,随着微电子技术的迅速发展和微处理器技术的日益更新,高速微处理器和
DSP(数字信号处理器)的出现,以及专用控制芯片的出现,使得无刷直流电动机控制
系统的运行速度、处理能力和基本性能有了很大的改善。
2.3 本论文的主要内容
本文首先介绍了无刷直流电动机的发展及应用概况,简单分析无刷直流电动机的
组成和原理。着重点介绍基于 STC89C52 单片机无刷直流电动机智能控制器系统硬件
电路控制软件的设计。
3 无刷直流电动机的结构及工作原理
3.1 无刷直流电动机基本结构
无刷直流电动机属于三相永磁同步电机的范畴,永磁同步电动机的磁场来自电
动机转子上的永久磁铁。在这里,永久磁铁的特性,在很大程度上决定电动机的特性。
目前采用的永磁材料主要有铁淦氧、铝镍钴、钕铁硼、等 根据几种的磁感应强度和
磁场强度成线性关系这一特点,应用最为广泛的就是钕铁硼。它的线性关系范围最大,
被称为第三代稀土永磁合金。 在转子上安置永磁铁的方式有两种:一种是将成型的
永久磁铁装在转子表面,如图3-1 (a)所示,称为凸极式;另一种是将成型的永久磁铁
埋入转子里面,如图3-1 (b)所示,称为内嵌式。定子上开有齿槽,齿槽数与转子极数
和相数有关,应是它们的整数倍。
南昌航空大学科技学院 2010 届毕业论文
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图 3-1 永磁转子结构类型
根据永久磁铁安装方法不同,永久磁铁的形状又可分为扇形和矩形两种。扇形磁
铁构造的转子具有电枢电感小、齿槽效应转矩小的优点,但易受电枢反应的影响。且
由于磁通不可能集中、气隙磁密度低,电极呈现凸的特性。矩形磁铁构造的转子呈现
凸极特性,电感大、齿槽效应转矩大,但磁通可集中,形成高磁通密度,故适于大容
量电机,由于电动机呈现凸极特性,可以利用磁阻转矩,此外,这种转子结构的永久
磁铁,不易飞出,故可作高速电机使用。 根据确定的转子结构所对应的每相励磁通
势合布不同,三相永磁同步电机可分为两种类型:正弦波形和方波形永磁同步电机,
前者每相励磁磁通势分布是正弦波形,后者每相则是方波状,根据磁路结构和永磁体
形状的不同而不同,对于径向励磁结构,永磁体直接面向均匀气隙如果采用稀大材料,
由于采用非均匀气隙或非均匀磁场化方向长度的永磁体的径向励磁结构,气隙磁场波
形可以实现正弦分布。 应该指出稀士永磁方波形电机属于永磁无刷直流电机的范畴,
而稀土永磁体正弦波形电动机则一般作为三相交流永磁同步伺服电机使用。但这不是
绝对的,究竟是三相永磁直流无刷电动机还是三相永磁交流同步电机,主要决定于电
动机的控制系统的方式,取决于电动机的转子位置传感器的类型。
无刷直流电动机是由电动机本体、转子位置传感器和电子换相线路3部分组成,
其内部基本结构原理图和实物图如下图图3-2 (a)、(b)所示:
(a)霍尔无刷电机内部原理图
1 主定子 2 主转子 3 传感器转子
4 传感器定子 5 电子换相开关电路
(b)霍尔无刷电机内部结构图
图 3-2 无刷电机基本结构图
3.2 无刷直流电动机的工作原理
3.2.1 霍尔位置传感器
霍尔式位置传感器是利用霍尔效应进行工作的。霍尔效应是一种磁电效应,是
位置传
感器
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