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51单片机直流无刷电机控制.doc

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51 单片机 直流 电机 控制
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\\基于MCS-51单片机控制直流无刷电动机学号:3100501044班级:电气1002姓名:王辉军 摘 要直流无刷电机是同步电机的一种,由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。其定子绕组一般制成多相(三相、四相、五相不等),转子由永久磁钢按一定极对数(2p=2,4,…)组成。电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(P)影响: N=120.f / P。在转子极数固定情况下,改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器),控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正,以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。MCS-51单片机是美国英特尔公司生产的一系列单片机的总称,是一种集成电路芯片,采用超大规模技术把具有数据处理能力的微处理器(CPU)、随机存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、输入输出接口电路、定时计算器、串行通信口、脉宽调制电路、A/D转换器等电路集成到一块半导体硅片上,这些电路能在软件的控制下准确、迅速、高效地完成程序设计者事先规定的任务。本论文将介绍基于MCS-51单片机控制直流无刷电动机的设计,它可以实现控制直流无刷电动机的启动、停止、急停、正反转、加减速等功能。关键词:单片机,直流无刷电动机,控制系统直流无刷电动机是在直流电动机的基础之上发展而来的,它是步进电动机的一种,继承了直流电动机的启动转矩大、调速性能好等特点克服了需要换向器的缺点在交通工具、家用电器及中小功率工业市场占有重要的地位。直流无刷电动机不仅在电动自行车、电动摩托车、电动汽车上有着广泛的应用,而且在新一代的空调机、洗衣机、电冰箱、吸尘器,空气净化器等家用电器中也有逐步采用的趋势,尤其是随着微电子技术的发展,直流无刷电动机逐渐占有原来异步电动机变频调速的领域,这就使得直流无刷电动机的应用范围越来越广。本设计就是基于MCS-51系列单片机控制直流无刷电动机,利用所学的知识实现单片机控制直流无刷电动机的启动、停止、急停、正反转,加减速等控制,并对直流无刷电动机运行状态进行监视和报警。详细介绍单片机的种类、结构、功能、适用领域和发展历史、未来前景及其直流无刷电动机的工作原理、控制结构等内容,既着重单片机的基本知识、功能原理的深入阐述,又理论联系实际详细剖析单片机控制直流无刷电动机的过程。1.直流无刷电动机的基本组成直流无刷电动机是在直流电动机的基础上发展而来的,直流无刷电动机继承了直流电动机启动转矩大、调速性能好的优点,克服了直流电动机需要换向器的缺点,在交通工具、家用电器等生活的方方方面面占有重要的地位。由于直流无刷电动机既具有交流电动机的结构简单、运行可靠、维护方便等一系列优点,又具备直流电动机的运行效率高、无励磁损耗以及调速性能好等诸多优点,故在当今国民经济各领域应用日益普及。直流无刷电动机主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。其定子绕组一般制成多相(三相、四相、五相不等),转子由永久磁钢按一定极对数(2p=2,4,…)组成。图3-1所示为三相两极直流无刷电机结构。三相定子绕组分别与电子开关线路中相应的功率开关器件联结,A、B、C相绕组分别与功率开关管V1、V2、V3相接。位置传感器的跟踪转子与电动机转轴相联结。当定子绕组的某一相通电时,该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩,驱动转子旋转,再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号,去控制电子开关线路,从而使定子各项绕组按一定次序导通,定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的,因而起到了机械换向器的换向作用。2.直流无刷电动机的工作原理如图3-2示为三相直流无刷电动机半控桥电路原理图。此处采用光电器件作为位置传感器,以三只功率晶体管V1、V2和V3构成功率逻辑单元。图3-2 三相直流无刷电动机半控桥电路原理图三只光电器件VP1、VP2和VP3的安装位置各相差120度,均匀分布在电动机一端。借助安装在电动机轴上的旋转遮光板的作用,使从光源射来的光线一次照射在各个光电器件上,并依照某一光电器件是否被照射到光线来判断转子磁极的位置。图3-3所示为开关顺序及定子磁场旋转示意图。图3-3 开关顺序及定子磁场旋转示意图随着位置传感器转子扇形片的转动,定子绕组在位置传感器VP1、VP2、VP3的控制下,便一相一相地依次馈电,实现了各相绕组电流的换相。在换相过程中,定子各相绕组在工作气隙内所形成的旋转磁场是跳跃式的。这种旋转磁场在360度电角度范围内有三种磁状态,每种磁状态持续120度电角度。位置传感器在直流无刷电动机中起着测定转子磁极位置的作用,为逻辑开关电路提供正确的换相信息,即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号,然后去控制定子绕组换相。位置传感器种类较多,且各具特点。在直流无刷电动机中常见的位置传感器有以下几种:电磁式位置传感器、光电式位置传感器、磁敏式位置接近传感器。3.设计要求(1)完成采用单片机控制直流无刷电动机的设计与应用,包括实现电动机的正转、反转控制,锁轴控制、速度控制,对直流无刷电动机的运行状态进行检测和报警。(2)采用MCS-51单片机为控制核心,编写出控制程序软件,实现单片机与外界硬件的接口连接。(3)研究直流无刷电动机的工作特性和工作原理,设计中采用的电动机是由北京和利时电机技术有限公司自行研发设计的永磁直流无刷电动机。4.硬件设计4.1 电动机介绍本控制系统选择北京和利时公司生产的森创牌直流无刷电动机作为控制对象,具体型号为57BLT-1015H1-L-S-B100,该型号的电动机属于和利时公司生产的57系列电动机。4.2 电动机驱动器介绍本毕业设计所选择的驱动器是与上面选择的直流无刷电动机配套的,具体型号为BL-2203C。(1)驱动器的特点① 交流220V电压;② 输入、输出信号光隔离;③ 启停及其转向控制;④ 过电流、过电压、过载及堵转保护;⑤ 测速信号输出;⑥ 故障报警输出;⑦ 电动机转速显示;⑧ 外部模拟量调速;⑨ 制动停车功能;⑩ 多档速度选择。(2)性能指标具体性能见表4-2所示。表4-2 驱动器电气性能供电电源单相交流220(1±15%)V,50Hz,容量为0.8k VA额定功率最大600W(根据所配的电动机而言)额定转速根据所选的电动机确定(不超过8000r/min)额定转矩根据所选的电动机确定调速范围150r/min额定转速速度变动率(对负载)±2%以下(额定转速)速度变动率(对电压)±1%以下(电源电压±10%,额定转速无负载)速度变动率(对温度)±2%以下(20~40℃额定转速无负载)绝缘电阻在常温下大于绝缘强度在常温下1kV、1min(3)驱动器面板BL-2203C型号的驱动器面板上面有调速电位器、速度显示表、散热风扇风道、控制信号端子、霍尔信号输入端子等等。(4)驱动器接线图该型号的电动机驱动器的典型接线图如图4-5所示,不过需要注意的是:①因本驱动器位220V高压输入,为了确保安全,在上电之前必须保证接地端子FG可靠地与大地连接,任何情况下请不要打开机壳,以免意外的损伤。图4-5 典型接线图②驱动器安装时安装保证设备的通风良好,机柜内有多个驱动器并列使用时应保证相互之间的距离不小于10cm。③机箱应考虑通风散热,避免密闭式环境而影响散热,同时也要避免灰尘和杂质对驱动器的影响。驱动器采用风道竖直的立式安装将有利于散热。④图4-6所示为驱动器的外形尺寸。图4-6 驱动器外形尺寸图3.3 控制电路设计(1)芯片说明 :本电路中的芯片采用基于MCS-51单片机为内核的芯片有AT89S52、74HC14/SN74LS160、和SN74LS164(2)整体电路设计的整体电路如图4-9所示。图4-9 整体电路设计(3)电路模块说明①电路复位模块 该电路模块可以实现电路的上电复位和手动复位(即按键按下,电路复位),其电路图如图4-10所示。注意:复位信号由74HC14的输出端接AT89S52的引脚9,复位电路可以使单片机的CPU和系统的其他部件都处于一个确定的初始状态,并从这个状态开始工作。图4-10 复位模块电路②按键控制模块 单片机的P0.0~P0.5作为按键输入,以启动程序,并由LED灯显示按键状态图4-12 显示模块电路在该电路中,P0.0~P0.5分别为代表接到单片机的P0.0~P0.5引脚的标号。③功能模块 单片机的引脚P0.6、P0.7、P2.0~P2.3通过双排8针插槽与电动机驱动器的相应端子连接,用来控制电动机的状态并设定电动机的转速,实现预期的功能,LED灯显示驱动器的端子输入状态。④电动机判停模块 单片机引脚P2.4~P2.6、P0.0~P0.5、P3.0~P3.3与十进制计数器相连,电动机驱动器的SPEED端子作为计数器的CLK信号输入。单片机通过对计数器置数并检测进位引脚TC是否输出进位信号来判断SPEED端子是否输出脉冲,即电动机是否停转。若电动机停转,则SPEED端子不输出脉冲,计数器也无进位输出。其电路图如图图4-15所示。⑤ISP下载模块 本电路可以实现实现使用ISP下载线来完成程序向单片机31引脚(/VPP)必须接高电平。通过以下通道,单片机可以实现程序的写入:相应下载软件→计算机并口DB25→ISP下载线→双排八针插槽P1→单片机芯片(AT89S52)⑥速度显示模块 此模块用来显示设定的速度。本毕设设计选择方式0作为串口工作方式,串行数据从单片机RXD引脚输出,在SN74ALS164中转为并行,输出至八段数码管,同时并行数据由SN74ALS164的QA引脚转为串行输出,作为下一级SN74ALS164的输出,以此类推。单片机的RXD引脚输出移位脉冲。当单片机复位时,显示模块也同时复位。4.软件设计4.1 程序流程图1. 主程序流程图如图4-18所示。NNNNNYYYYYY开始按键S2按下启动程序按键S3按下反转程序按键S4按下急停程序按键S5按下加速程序按键S6按下减速程序按键S7按下停止程序图4-18 主程序流程图2. 子程序流程图启动程序流程图如图4-19所示。启动程序软件消抖确认按下相应位置置位,实现正转,设定速度返回开始图4-19 启动程序流程图反转程序流程图如图4-20所示。反转程序软件消抖确认按下电动机急停电动机判停相应位置置位,实现反转返回开始图4-20 停止程序流程图急停程序流程图如图4-21所示。启动程序软件消抖确认按下相应位置置位,实现急停电动机判停返回开始图4-21 急停程序流程图停止程序软件消抖确认按下相应位置置位,实现停止返回开始电动机判停停止程序流程图如图4-22所示。图4-22 停止程序流程图加速程序流程图如图4-23所示。加速程序图4-23 加速程序流程图减速程序流程图如图4-24所示。减速程序软件消抖确认按下相应位置置位,实现减速,返回开始软件消抖确认按下相应位置置位,实现加速,返回开始图4-24 减速程序流程图4.4.2 程序清单基于MCS51单片机控制直流无刷电动机程序:ORG 00HAJMP STARTORG 30H检测键盘状态的程序:START:MOV P0, #0FFHJNP P0.0, QIDONGJNP P0.1, FANZHUANJNP P0.2, JITINGJNP P0.3, JIASUJNP P0.4, JIANSUJNP P0.5, TINGZHIAJMP START启动程序,默认顺时针转动,转速为2000r/min:QIDONG:LCALL YANSHIJNB P0.0, Q1LJMP STARTQ1:ELR P0.6SETB P0.7MOV P2, #0BHLCALL XIANSHILJMP START反转程序:FANZHUAN: LCALL YANSHI JNB P0.1,FAN LJMP STARTFAN: CLR P2.3 LCALL PANTING SETB P2.3 CLR P0.7 LCALL YANSHI LJMP START急停程序:JITING: LCALL YANSHI JNB P0.2,JI LJMP SYARTJI: CLR P2.3 LCALL PANTING LJMP START加速程序,每按一次键,加速500r/min:JIASU: LCALL YANSHI JNB P0.3,JIA LJMP STARTJIA: MOV A,P2 ANL A,#07H JZ START MOV R0,P2 DEC R0 MOV P2,R0 LCALL XIANSHI LJMP START减速程序,每按一次键,减速500r/min:JIANSU: LCALL YANSHI JNB P0.4,JIAN LJMP STARTJIANSU: MOV A,P2 ANL A,#07H CJNE A,#07H,JS LJMP STARTJS: MOV A,P2 INC A MOV P2,A LCALL XIANSHI LJMP START停止程序:TINGZHI: LCALL YANSHI JNB P0.5,TING LJMP STARTTING: SETB P0.6 LCALL PANTING LJMP START延时程序,这是一个子程序,功能是延时10ms:YANSHI: MOV A,#0 Y: MOV R1,#00H INC R1 CJNE R1,#0FFH,Y INC A CJNE A,#10,Y RET判停程序,这是一个子程序,若能从判停程序中返回,则说明电动机已停:PANTING: JNB P2.4,YANSHI250ms AJMP PANTINGYANSHI250ms: CLR P2.6 MOV P3,#08H SETB P2.6 MOV A,#0Y250: MOV R1,#00H INC R1 JB P2.5,PANTING CJNE R1,#0FFH,Y250 INC A CJNE A,#250,Y250 RET显示程序,这是一个子程序:XIANSHI: MOV A,P2 ANL A,#07H MOV B,#4 MUL AB ADD A,R3 MOV SCON,#00H MOV R2,#0 MOV DPTR,#TAB MOV R3,AX: ADD A,R2 MOVC A,@A+DPTR MOV SBUF,A1: JNB TI,1 CLR TI INC R2 MOV A,R3 CJNE R3,#4,X RETTAB: DB 03H,03H,49H,0DHDB 03H,03H,03H,0DHDB 03H,03H,49H,27HDB 03H,03H,03H,27HDB 03H,03H,49H,9HDB 03H,03H,03H,9DHDB 03H,03H,49H,0FFHDB 03H,0FFH,0FFH,0FFHEND结 论通过本设计可以看出用MCS-51单片机控制直流无刷电动机是十分可靠的,设计中应用到了较多的知识,采用了保护电路模块,复位电路模块等保护措施,应用了许多较新的元器件,电路图中有显示模块电路、复位模块电路、按键模块电路、驱动器端子输入模块电路、判停模块电路、下载模块电路等等电路设计,很好的实现了用单片机控制直流无刷电动机的正转、反转、加速、减速。
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