基于AVR单片机的无刷直流电机控制器设计.doc

1、 本科毕业设计 (论文 ) 题目 ： 无刷直流电机控制器设计 软件部分 院 （系）： 电子信息工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 090414 学 生： 刘 文 涛 学 号： 090414112 指导 教师： 吴 杰 2013 年 6 月 I 无刷直流电机控制器设计 -软件部分 摘 要 本设计采用 ATmega128 实现对无刷直流电机的控制，其中速度和转矩控制环境部分都采用闭环控制。整个系统主要由电流检测电路、转速和位置检测电路、功率驱动电路、过电流保护电路构成。该设计不仅要实现正、反向旋转时电机的正常调速，而且要在特殊情况下实现对电机的急停操作。无刷直流电机因为具有直流有刷电

2、机的特性，同时驱动器也是频率变化的装置，所以又名直流变频，无刷直流电机的运转效率， 低速转矩，转速精度等都比任何控制技术的变频器还要好，由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会象变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。多年来业界对异步电动机变频调速的研究，归根到底是在寻找控制异步电动机转矩的方法，稀土永磁无刷直流电动机必将以其脉宽调速小体积高效率和稳态转速误差小等特点在调速领域显现优势。可以解决产业界节点与高性能驱动的需求。 关键词 ：无刷直流电机；控制器；脉宽调制 II Design of Brushless DC Motor Contro

3、ller-Software Part Abstract This design adopts the ATmega128 to achieve control of the brushless dc motor. The speed and torque control part adopts closed-loop control. The whole system is mainly composed of current detecting circuit, speed and position detection circuit, power driving circuit and o

4、ver current protection circuit. The design is not only to achieve positive and reverse rotation of the motor at normal speed, but also under special circumstances. It could be done to stop the operation of motor. Because of brushless dc motor is dc motor of the characteristics, drive and frequency v

5、ariation device at the same time. As known as direct current frequency conversion, brushless dc motor operation is efficiency, low speed torque, rotational speed precision and so on. The brushless dc motor based on automatic control type to perform, so not like frequency control of motor speed synch

6、ronous motor overload start under plus startup winding on the rotor, also wont generate oscillation and step out when load mutation. For years the industry on the research of the asynchronous motor frequency control of motor speed, in the final analysis is looking for a way to control the asynchrono

7、us motor torque. Brushless dc motor is bound to its wide speed range, small volume, high efficiency, steady speed and small error characteristics appeared in the field of speed advantages. It can meet the requirements of industry nodes with high performance drive. Key Words: brushless dc motor;contr

8、oller; pulse width modulation III 目 录 摘 要 . I Abstract . II 目 录 . III 1 绪 论 . 1 1.1 课题研究背景 . 1 1.2 课题研究现状 . 1 1.2.1 无刷直流电机的发展 . 1 1.2.2 国内外研究进展与现状 . 1 1.3 课题来源 . 2 1.4 研究的应用价值 . 2 1.4.1 课题的设计思想 . 3 1.4.2 课题研究的内容 . 3 1.4.3 研究论文的章节安排 . 3 2 无刷直流电机控制器的工作原理与总体设计 . 4 2.1 无刷直流电机的工作原理 . 4 2.2 无刷直流电机的工作方式的选择

9、 . 5 2.2.1 无刷直流电机在三三导通方式下的工作原理 . 5 2.2.2 无刷直流电机在两两导通方式下的工作 . 10 2.3 无刷直流电机控制器原理 . 16 2.4 无刷直流电机软件设计 . 16 3 无刷直流电机控制器的硬件设计 . 18 3.1 微控制器模块的设计 . 18 3.2 键盘和显示电路 . 20 4 无刷直流电机控制器的软件设计 . 21 IV 4.1 软件编程方法 . 21 4.2 无刷直流电机控制器的整体软件结构 . 22 4.3 无刷直流电机控制器主层模块的软件设计 . 23 4.3.1 初始化模块 . 23 4.3.2 管理模块 . 23 4.3.3 维护更

10、新模块 . 25 5 总 结 . 38 5工作总结 . 38 结束语 . 39 毕业设计（论文）知识产权声明 . 42 毕业设计（论文）独创性声明 . 43 附录 A 程序 . 44 附录 B 外文翻译 . 54 1 绪 论 1 1 绪 论 1.1 课题研究背景 无刷直流电动机作为一种常见的执行机构在工业系统中被广泛应用。对无刷直流电动机的控制有很多种控制方法。其中， PWM控制方法在工业现场中以其稳定性高，动态性能好 而被广泛应用。设计一款 PWM无刷直流电机控制器具有较高的实用价值。 1.2 课题研究现状 近三十年来针对异步电动机变频调速的研究，归根到底是在寻找控制异步电动机转矩的方法，稀

11、土永磁无刷直流电动机必将以其宽调速、小体积、高效率和稳态转速误差小等特点在调速领域显现优势。 1.2.1 无刷直流电机的发展 无刷直流电机因为具有直流有刷电机的特性 ,同时也是频率变化的装置 ,所以又名直流变频 ,国际通用名词为 BLDC.无刷直流电机的运转效率 ,低速转矩 ,转速精度等都比任何控制技术的变频器还要好 ,所以值得业界关注 .本产品已经生产超 过 55kW,可设计到 400kW,可以解决产业界节电与高性能驱动的需求。 无刷电机在我国的发展时间较短 ,便随着技术的日益成熟与完善得到了迅猛发展。已在航模、医疗器械、家用电器、电动车等多个领域得到广泛应用，并在深圳、长沙、上海等地形成初

12、具规模产业链。如深圳伟业电机等一批专业厂商，在技术上不断推进行业发展。 1.2.2 国内外研究进展与现状 有刷直流电机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用。但是，机械电刷却是有刷直流电机的一个致命的弱点。为此，早在 1917 年， Boiiger就提出了用整流管代替有刷直流 电机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想。 1955 年，美国 D Harrison 等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专利，标志着现代无刷电机的诞生。 近 40 年来，由于电机本体及其相关学科的迅猛发展，“无刷直流电机”的概念已由最初的具有电子换向的直流电机发展到泛指一切具有有刷

13、直流电机外部特性的电子换向电机。刷直流电机的发展亦使得电机理论与大功率开关器件、模拟和数字专用集成电路、微处理技术、现代控制理论以及高性能材料的结合更加紧密。如今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，形成为新一代电动伺服系统，且体觋着当今应用科学的许多最新成果，因此是机电一体化的高技术产物。 无刷直流电机真正进入实用阶段应从 1978 年开始，当时原西德西安工业大学毕业设计 (论文 ) 2 MANNESMANN 公司的 Indramat 分部 在汉诺威贸易博览会上，正式推出 MAC经典无刷直流电机及其驱动器。 80 年代在国际上开展了深入的研究，先后研制成方波无刷

14、电机和正弦波无刷直流电机，在 10 多年的时间里，无刷直流电机在国际上已得到较为 充 分的发展，在一些较为发达的国家里，无 刷直流电机将在未来的几年中成为主导电机，并逐步取代其它类型的电机 。 无刷直流电机在近 10 年里得到迅速推广应用的另一个原因，是由于电力电子技术和集成控制技术高速发展的结果，性能优良、价格低廉的电子元器件为制造无刷直流电机创造了基本条件。 80 年代初期，电机本体与换向驱动电路的价格比大约为 1： 10，而当今已降至 1： 1 3，这就为大量推广应用创造了先决条件。 我国无刷电机的研制工作始于 70 年代初期，主要集中在一些科研院所和高等院校。经过 20 多年的发展，目

15、前我国已有几种系列产品生产，如 ST 系列， IFTS系列， ASM 系列，但仍没有制定出国家标准，限于我国元器件水平及相关理论与实践相 结合的程度还比较低，尤其是制造工艺和加工设备较国际水准差距较大，所以目前我国无刷电机综合水平仍低于国际水平，大约相当于国外 70 年代末 80 年代初的水准，有待进一步研究和开发。 1.3 课题来源 直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能，则电枢磁场与转子磁场须恒维持 90，这就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此

16、除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。交流电机没有碳刷 及整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能达到。现今半导体发展迅速功率组件切换频率加快许多，提升驱动电机的性能。微处理机速度亦越来越快，可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直交坐标系统中，适当控制交流电机在两轴电流分量，达到类似直流电机控制并有与直流电机相当的性能。无刷直流电机的发展空间得到进一步的提升。 1.4 研究的应用价值 无刷直流电机的应用十分广泛，如汽车、工具、工业工控、自动化以及航空航天等等。总的来说，无刷直流电机可以分为以下三种主要用途：持续负载应用 ：主要是需要一定转速但

17、是对转速精度要求不高的领域，比如风扇、抽水机、吹风机等一类的应用，这类应用成本较低且多为开环控制。可变负载应用：主要是转速需要在某个范围内变化的应用，对电机转速特性和动态响应时间特性有更高的需求。如家用电器具中的、甩干机和压缩机就是很好的例子，汽车工业领域中的油泵控制、电控制器、发动机控制等，这类应用的系统成本相对更高些。定位应用：大多数工业控制和自动控制方面的应用属于这个类别，这类应用中往往会完西安工业大学毕业设计 (论文 ) 3 成能量的输送，所以对转速的动态响应和转矩有特别的要求，对控制器的要求也较高。测速时可能会用 上光电和一些同步设备。过程控制、机械控制和运输控制等很多都属于这类应用

18、。 1.4.1 课题的设计思想 无刷直流电机在生活和工业系统中扮演着重要角色，因此设计一款无刷直流电机控制器是非常有必要的。无刷直流电机控制器的设计基本要求是能够实现对电机的调速，控制电机的正反转和急停，通过液晶显示电机转速和功率信息，用霍尔传感器采集转子的位置信息。 1.4.2 课题研究的内容 学习无刷直流电机的工作原理，实现对无刷直流电机电机转速、转向和转矩的控制，并反馈回电机实时的转速信息，设计系统的保护电路。 1.4.3 研究论文的章节 安排 无刷直流电机控制器的设计，本论文的结构及内容安排如下： 第一章：绪论 主要介绍了无刷直流电机的背景、现状及课题来源，阐述了课题研究的应用价值，并

19、对本系统设计的目的和内容做了论述； 第二章：无刷直流电机工作原理与总体设计 简要介绍了无刷直流的机械和电器系统的组成； 第三章：无刷直流电机控制器的硬件设计 确定了设计系统的硬件设计原理方法，并详细介绍了系统正常运行和故障处理的各个模块的器件选择与原理设计。 第四章：无刷直流电机控制器系统的软件设计 简要介绍了软件编程方法，在设计系统的软件总体流程设计下对设计 各个子模块的设计流程做了详细介绍，介绍了在软件中对各种故障处理的控制算法，最后对 ATmega128 的集成编译环境做了简要说明。 第五章：无刷直流电机控制器的调试 介绍了实验室调试。 第六章：结论 对整个设计系统进行总结，指出设计系统

20、的成功之处，同时从工业产品的角度，对整个设计中的不足之处和有待改进之处进行论述。 2 无刷直流电机控制器的工作原理与总体设计 4 2 无刷直流电机控制器的工作原理与总体设计 经过对课题工程背景的研究，设计需要从控制对象的角度寻找设计的切入点，本章从无刷直流电机的原理分析，从而得出无刷直流电机控制器的总体设计思想框架。 2.1 无刷直流电机的工作原理 三相六磁极无刷直流电机模型如图 2-1 所示： 图 2.1 无刷直流电机内部结构图 由上图可知无刷直流电机电机的内部结构与交流同步电机的内部结构完全 相同，因此可以采用交流同步电机的控制方式对其控制；同时也可以对其采用步进电机的三相六拍控制方式。

21、A 0A 1B 0C 1C 0B 1NS90西安工业大学毕业设计 (论文 ) 5 2.2 无刷直流电机的工作方式的选择 380 V S1R2R 3R4R 5R 6RbRcRaRrCLPVTC电动机1C2C3C4C5C6CVD1 VD2 VD3VD4 VD5VD6VD7 VD8 VD9VD10 VD 1 1 VD12VD13 VD14 VD15VT1 VT2VT3VT4VT5 VT6VD16VD17 VD18图 2.2 交流同步电机控制电路图 2.2.1 无刷直流电机在三三导通方式下的工作原理 a.三相逆变桥的工作原理 三相逆变桥的电路简图如上图所示，控制逆 变管的导通和关断可以把直流电逆变成矩

22、形波三相交流电，图中 R、 Y、 B为逆变桥的输出。 180导通型三相逆变器的控制规律如图（ b）所示，其中深色部分表示逆变管导通。可以看出，每一时刻总有三个逆变管导通，另三个逆变管关断，并且 VT1与 VT4 、 VT2 与 VT5 、 VT3 与 VT6 每对逆变管不能同时导通。线电压 RYU ， YBU ， BRU的波形如图（ c）所示，可以看出，它们的幅值为 U，三者之间互差 120。各阶段的等值电路及相电压和线电压值见下表所示。 表 2.1 180导通型三相逆变器各阶段的等值电路及相电压和线电压值 阶段 060 60120 120180 120240 240300 300360 导通管号 1， 3， 5 1， 5， 6 1， 2， 6 2， 4， 6 2， 3， 4 3， 4， 5 等 值 电 路 RZBYOYZRRBYZOYBZROYBZRYZBR