1、 中国计量学院现代科技学院毕业设计（论文） 中国计量学院 现代科技学院 本科毕业设计（论文） 无刷电机散热风扇控制器设计 Controller design of brushless motor cooling fan 学生姓名 章昀璐 学号 1030114238 学生专业 电气工程及其自动化 班级 电气 102 班 系 机电工程系 指导教师 孙冠群 中国计量学院现代科技学院 2014 年 5 月 中国计量学院现代科技学院毕业设计（论文） 郑 重 声 明 本人呈交的毕业设计论文，是在导师的 指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，
2、本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。 学生签名： 日期： 中国计量学院现代科技学院毕业设计（论文） 分类号 ： TP368 密 级： 公开 UDC： 621 学校代码 ： 13292 中国计量学院 现代科技学院 本科毕业设计（论文） 无刷电机散热风扇控制器设计 Controller design of brushless motor cooling fan 作 者 章昀璐 学 号 1030114238 申请学位 工学学士 指导教师 孙冠群 学科专业 电气工程及其自动化
3、培养单位 中国计量学院现代科技学院 答辩委员会主席 谢岳 评 阅 人 蔡慧 2014 年 5 月 中国计量学院现代科技学院毕业设计（论文） 致 谢 经过 了 3 个多月 的 辛苦努力 ， 本次毕业设计终于进入了尾声 ， 从 一 开始 的 毕业设计到 目前 基本 差不多完成论文 ，我 感悟 颇多。 由于经验的匮乏， 在电路的设计和制作过程中都遇到了许多难题。但这次设计应该是第一次自己真正意义上完成的作品，收获的经验是任何知识都代替不 了的。 在这里 我 首先要感谢我的导师 孙冠群老师，孙 老师 平常自己要上课 ， 而且工作也比较忙， 但在我做毕业设计 中 ，从 开始的开题报告到方案确定修改以及电
4、路设计 ， 还有实物的调试 等过程中都 给了我很大帮助 。 由于一开始开题报告就偏题，老师给了一些中肯的意见，才有了后面方案的确认，并且有了大致的方向。 其次 我 要感谢 一些 同学对我无私的帮助， 由于自己不经常在学校 ， 所以学校的文库资料不能及时查找，都是同学帮忙下载给我。而且在毕业设计的过程中遇到一些弄不明白的地方，有些同学也能一下点醒我，真的很感谢。 最后， 要感谢 我的 母校 中国计量 学院现代科技学院 ，是母校 提供给 我们如此好的 的学习环境 ，也还要 感谢中国计量学院的图书馆提供了免费阅读查找资料的机会， 为自己的毕业论文提供很很大的帮助。 另外， 还要谢谢所有给我们上过课的
5、老师 ， 是你们让我们学会了很多专业知识，并且这四年受益良多。 中国计量学院现代科技学院毕业设计（论文） I 无刷电机散热风扇控制器设计 摘要 ： 在早期，电机都是以有刷直流电机为主，如今伴随着时代的发展，无刷直流电机正在迅速取代有刷直流电机，在各个领域中，无刷电机已成为主流，而且目前散热风扇中几乎全部使用无刷电机。有刷电机采用机械换向，寿命短，噪声大，产生电 火花，效率低，长期使用碳刷，磨损严重，较易损坏。无刷电机以电子换向取代机械换向，无机械摩擦，无磨损，无电火花，免维护且能做到更加密封等特点要更加优于有刷电机。在本次设计中，为了方便，电机的选取采用了霍尔无刷直流电机，霍尔式无刷电机取消了
6、换向器和电刷，而采用霍尔元件来检测转子和定子之间的相位值，其输出信号经放大、整形后触发电子线路，从而控制电流电枢的换向，维持电动机的正常运转。 单片机采用 8051 系列的 STC12C5A60S2 为主控芯片，由热敏电阻的电阻变化转换为电压信号，把电压信号传给具有 A/D 转换的单片机 STC12C5A60S2 里面，再由单片机发出一个信号给 MOSFET 驱动两台风扇运转起来。如果其中一台风扇发生故障停转，同时在温度升高的情况下，另一台风扇将加倍运转。 经过反复测试，系统具有相对较强的稳定性，基本能够满足本次设计的所有的要求。 关键词 ： STC12C5A60S2； MOSFET；无刷直流
7、电机；散热风扇 ；控制器 中图分类号 ： TP368 中国计量学院现代科技学院毕业设计（论文） II Controller design of brushless motor cooling fan Abstract: In the early days, motors were mainly brush motors. With the development of the times, brushless DC motors are rapidly replacing the brush DC motors. In various fields, brushless motors have
8、 become the mainstream, and almost all current cooling fans use brushless motors. Brush motors adopt mechanical commutation, which has short life span, makes noises, generates sparks, has low efficiency, and long-term used carbon brushes are badly worn and easily damaged. Brushless motors replace th
9、e mechanical commutation by electronic commutation, which has no mechanical friction, no wear, no sparks, free maintenance and better seal etc. These characteristics make brushless motors more superior than brush motors.In this design, for convenience, Hall brushless DC motor is selected to use. Hal
10、l brushless motor removed commutator and brushes, instead, it used Hall elements to detect the phase values between the rotor and the stator. Its output signal will be used to trigger the electronic circuit after amplifying and shaping, which controls the commutation of armature current and maintain
11、s the normal operation of the motor. MCU uses 8051 series STC12C5A60S2 as the main control chip, the changes of thermistor resistance are converted to voltage signals, then voltage signals are transmitted to MCU STC12C5A60S2 which has inside A / D conversion , and then MCU sends a signal to the MOSF
12、ET which drives two fans. If one fan fails and stops while the temperature is going up, the other fan will double running. After multiple tests, the system shows a relatively strong stability and basically meets all the requirements of this design . Keywords: STC12C5A60S2； MOSFET； BLDCM； Cooling Fan
13、； Controller Classification: TP368 中国计量学院现代科技学院毕业设计（论文） III 目 次 摘要 . I 目 次 .III 1 绪论 . 1 1.1 研究的背景与意义 . 1 1.2 无刷电机国内外的发展状况 . 1 1.3 论文的主要内容 . 2 2 散热风扇控制器总设计方案 . 3 2.1 设计要求 . 3 2.2 设计思路 . 3 2.3 设计方案 . 4 3 散热风扇控制器元器 件的选用及介绍 . 6 3.1 霍尔无刷电机的介绍 . 6 3.2 STC12C5A60S2 单片机介绍 . 7 3.3 7085 稳压芯片 的介绍 . 9 3.4 热敏电阻
14、的介绍 . 9 3.5 MOS 管的介绍 . 10 4 散热风扇控制器的硬件设计 .11 4.1 散热风扇控制器的电路原理图 .11 4.2 电源部分的设计 .11 4.3 温度检测电路设计 . 12 4.4 电机驱动电路设计 . 12 5 散热风扇控制器的软件系统 . 14 5.1 软件主流程图 . 14 5.2 子程序流程图 . 15 6 系统的调试效果 . 16 6.1 电路板的制作与实物展示 . 16 中国计量学院现代科技学院毕业设计（论文） IV 6.2 PWM 测试效果 . 17 7 总结 . 19 主要参考文献 . 20 附录 单片机程序清单 . 21 作者简介 . 26 学位论
15、文数据集 . 27 中国计量学院现代科技学院毕业设计（论文） 1 1 绪论 1.1 研究的背景与意义 在现代生活中， 风扇系统等的散热问题也越来越重要 ， 我们常 使用风扇来降温的情况 已经是常见了 ，但风扇会 出现各种 机械故障， 而且还 增加功耗 与 噪音污染。而且 在重要设备的内部都会布置散热风扇多台，用以给设备降温或者保持设备内部的空气流通，这种方法在发热设备内部的散热解决方案已经沿用多年。以前传统的直流风扇使用机械电刷，会产生较高的电磁干扰，并且容易损坏。如今，市场上大部分产品都使用无刷电机。 无刷直流电机本质上是多相交流电动机，但经控制获得类似直流电动机的特性，需要多相逆变器驱动，
16、由于没有电刷和换向器，即使在很高的转速下，也可以得到较高的可靠性，有较高的效率，总系统成本比直流电动机高 5。 近年来无刷直流电机已经成为主导力量， 早期 是 以有刷直流电机为主，但随着无刷直流电机制造工艺和控制技术的飞速发展，有刷电机 逐渐被无刷电机 淘汰，无刷电机也 变成 迅速发展起来的一种新型直流电机。本设计中采用三相无刷直流电机。 没有换向器和电刷组成的机械机构 是无刷直流电机最大的特点，再加上它一般都 没有激磁损耗，没有换向火花，没有无线电干扰， 采用永磁体为转子， 无刷电机 不仅 延长了电机的使用寿命， 而且 运行可靠，维护 起来也比较方便 ， 同时它的转速也不会受机械换向的限制
17、1-4。 BLDCM 的控制使用纯硬件专用芯片的很多，而我最后还是选择用 51 系列的单片机写软件。 51 系列 的单片机可靠性高，而且它是一款通用的单片机，相对于专用的电机芯片和电机控制的电路板来说，相对容易而且花的时间要少点，对整个系统提供很大的方便 7。 此外，在 设计中控制器需同时供电并控制两台无刷直流电机风扇 ，而且速度随着温度的升高而升高，随着温度的降低而降低。从而控制两台风扇的 的优点在于：如果一台风扇发生故障从而风扇停转，不能正常散热，安全系数降低，同时环境温度升高，那么 另一台加大工作量，确保维持一定时间设备持续运行后，方便时再检修另一台故障风扇。 1.2 无刷电机国内外的发
18、展状况 国外对无刷直流电机研究较早 ，在 80 年代出就已经投入生产和应用了。 20 多中国计量学院现代科技学院毕业设计（论文） 2 年来，随着永磁新材料、微电子技术、自动控制技术以及电力电子技术的进步，无刷直流电机得到了很大的发展。 国内无刷直流电机技术起步稍晚， 20 世纪八十年代，我国开始进入方波无刷直流电机与永磁同步电机 (即正弦波无刷直流电机 )等研究领域，掀起了无刷直流电机的研制与技术引进的热潮，近 20 年逐步缩小了与国际水平的技术差距。近年来，我国的中小型电机以及微特电机行业发展迅速，无刷直流电机广泛应用于汽车、家电等行业。总产量高达全球的 70%，并以每年15%的速度增长 6
19、。在小功率范围内 ，已有成熟军用、民用系列产品，但是大功率低转速的电机发展不快，引进国外成熟产品居多。综合而言，尽管近年来我国的无刷直流电机研究研发发展迅速，特别在制造工艺与设备上尚有差距，离国际先进技术水平还有很长的路要走。 作为新型机电一体化的产品，无刷直流电动机鲜明的技术特征得到国内外各个行业的广泛认同，无刷直流电动机在较大的转速范围内可以获得较高的效率，更适合家电的需要，因此无刷电机的应用面不断的扩大，用量也幅度上升，设置以数亿台记。 1.3 论文的主要内容 本设计的内容主要是通过 STC12C5A60S2 单片机作为整个系统的控制单元，热敏电阻的电阻转换成电压，把电压输入具有 A/D 转换的单片机，无刷电机内的霍尔元件将信号传给单片机处理，再通过软件处理产生控制信号，通过 MOSFET驱动电路使风扇运转。 主要内容如下： 第一章：绪论。介绍了无刷电机的研究背景与意义和国内外发展状况。 第二章：介绍的是设计方案、思路和原理。 第三章：器件的选用和介绍。 第四章：介绍硬件的设计。 第五章：介绍软件设计。 第六章：系统的调试结果。 第七章：总结。
