直流无刷电机优质毕业设计.doc

毕业设计论文

论文题目： 直流无刷电机
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Abstract
Brushless  DC  Motor 
摘 要
无刷直流电机是最近发展起来结合了多学科技术一个新型电机，结合机电一体化，含有高速度、高效率、高动态响应、高热容量和高可靠性、免维护等优点，同时还含有低噪声和长寿命等特点。很适合使用在二十四小时连续运转产业机械及空调冷冻主机、风机水泵、空气压缩机负载;低速高转矩及高频繁正反转不发烧特征，更适合应用于机床工作母机及牵引电机驱动;其稳速运转精度比直流有刷电机更高,比矢量控制或直接转矩控制速度闭环变频驱动还要高,性能价格比愈加好,是现代化调速驱动最好选择。
现在无刷电机已广泛应用于多种领域，如医疗仪器、分析仪器、材料处理、过程控制、机床工业、纺织工业、轻工机械、电动自行车等。
无刷直流电机控制要比一般有刷电机控制要复杂得多。现在直流电机控制方法关键有两种，一个是采取专用得直流电机控制芯片，如Motorola企业MC33035；另一个控制方法各个厂家依据自己需求采取单片机或DSP进行开发设计。
本设计关键采取嵌入式单片机ATMEGA48写入控制程序，从而形成一个高性能直流无刷电机控制器。其不仅能实现MC33035直流电机控制芯片全部功效，而且含有接口灵活，功效完善，成本低廉、全数字控制等优点，用户能依据不一样应用场所进行灵活配置。
关键词：无刷直流电机、HALL、PWM
目 录
Abstract 2
摘 要 2
第1章 直流无刷电机工作原理 4
1.2直流无刷电机组成及工作原理 4
1.3无刷直流电机位置检测方法 6
1.4无刷直流电动机控制系统中PWM调速 6
第2章 设计需求及设计可行性分析 7
2.1 设计要求 7
2.2课题提出及意义 8
第3章 硬件设计 10
3.1 无刷直流电机驱动器总体结构设计 10
3.2 原理图设计 10
3.2单片机电路设计 12
3.3驱动电路设计 13
3.4 输入输出控制部分电路设计 13
第四章 系统软件设计 14
4.1 无刷直流电机工作真值表 14
4.2控制软件设计 14
第五章 结束语 19
参考资料 20
致 谢 21

第1章 直流无刷电机工作原理
1.1无刷马达和有刷马达比较之特征
DC无刷马达无接点化，即使带来了多种优点，不过最大特征是因无电刷化，故不产生杂音；此杂音不仅是机械杂音，而且也包含了电器杂讯。另外，因为该马达没有机械接触部分，所以能够实现高带旋转型马达长寿命型马达之要求。能够说，无刷马达就是无杂音马达。
DC有刷马达看成控制用马达时，含有很优越特征。比如：急剧地加速性、大起动扭力、对电压改变之垂下特征、转输出扭力对输入电流之直线性等。这些特征是很关键条件，可说兼备了控制用马达所要求全部特征。
可是，这种优越马达之唯一最大缺点就是利用电刷、整流子之机械接触部分。但这却是DC有刷马达在功效上不可缺乏之元件，因为利用这些元件马达才得以正常转动。然而，因为马达在旋转中不停地反复滑动作用，所以整流子之磨损也相继加紧。所以，金属粉末和黑铅便会飞散，显著地缩短了马达寿命；若磨损恶化话，在整流子间，就会产生异常电弧，而且会引发跳火现象。所以，很显著，无电刷马达寿命较长。
总而言之，DC有刷马达在结构上，总难免会在旋转中产生火花，所以会给周围元件带来很大影响。尤其是在易燃性气体中使用时，防爆对策则成为很能够大问题。根椐上述之理由，将DC马达无刷化实且有很大之意义。依据DC马达之无刷化，可实现DC无刷马达之免维修特色。也就是说，不需维修且寿命长马达。

1.2直流无刷电机组成及工作原理
无刷直流电机是由电动机本体、位置传感器和功率变换器三部分组成。图1-1为一台经典三相桥式永磁无刷直流电机原理图。图中Ql－Q6为电力电子开关器件，常见IGBT, MOSFET和GTR。电机本体由定子和转子两部分组成，磁钢贴在转子上和转子同轴旋转;电枢绕组装在定子上，能够是类似交流电机重合绕组，也能够是含极靴非重合绕组。三相电压、电流及反电势正方向图所表示，口为定、转子磁势夹角电角度。依据位置传感器检测转子位置，永磁体N-S交替交换，使位置传感器产生相位差1200U、V、W方波，结合正/反转信号产生有效6状态编码信号：101、100、110、010、011、001，经过逻辑组件处理产生T1—T4导通、T1—T6导通、T3—T6导通、T3—T2导通、T5—T2导通、T5—T4导通，也就是说将直流母线电压依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、C+A-、C+B-上，这么转子每转过一对N-S极，T1—T6功率管即按固定组合成6种状态依次导通。每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一个状态，定子绕组产生磁场轴线在空间转动600电角度，转子跟随定子磁场转动相当于600电角度空间位置，转子在新位置上，使位置传感器U、V、W按约定产生一组新编码，新编码又改变了功率管导通组合，使定子绕组产生磁场轴再前进600电角度，如此循环，无刷直流电动机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。

图1－1无刷直流电机工作原理图
无刷直流电机电子换向线路是用来控制电机定子上上各相绕组通电次序和时间，关键由功率开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。

1.3无刷直流电机位置检测方法
无刷直流电机运行是经过逆变器功率器件随转子不一样位置对应改变其不一样触发状态来实现。所以正确检测转子位置并依据转子位置按时切换功率器件触发组合状态是控制无刷直流电机关键。转子位置检测装置最直接、有效是利用位置传感器得到不一样位置信号经门电路、模拟开关或专用芯片可得到不一样触发逻辑信号，实现触发状态自动切换。本设计系统中位置传感器采取HALL传感器实现。
1.4无刷直流电动机控制系统中PWM调速
脉宽调制即PWM (Pulse Width Modulation)控制就是对脉冲宽度进行调制技术，即经过对一系列脉冲宽度进行调制，来等效地取得所需波形。PWM驱动是利用大功率管开关特征，按固定频率来接通和断开，并依据需要改变一个周期内“接通”和“断开“时间长短，经过改变无刷直流电动机定子绕组上电压脉冲占空比来改变平均电压大小，从而控制电动机转速。
第2章 设计需求及设计可行性分析
2.1 设计要求
题目
数字超声波发生器设计
设计内容介绍
无刷电机广泛应用于多种领域，如医疗仪器、分析仪器、材料处理、过程控制、机床工业、纺织工业、轻工机械、电动自行车等。本设计关键采取嵌入式单片机ATMEGA48写入控制程序，从而形成一个高性能直流无刷电机控制器SZPT33035。其不仅能实现MC33035直流电机控制芯片全部功效，而且含有接口灵活，功效完善，成本低廉、全数字控制等优点，用户能依据不一样应用场所进行灵活配置。
关键任务
（1） 正确设计原理图
（2） 采购元器件
（3） 焊接元器件
（4） 调通硬件
（5） 设计软件，电机正常运转
验收
标准

（1） 原理图
（2） 元器件
（3） 电路版
（4） 调试完成成品板
（5） 设计软件，电机正常运转
关键性能指标
1. 含有控制开环、三相或四相无刷直流电机;
2. 能够选择在60°/120°或120°/240°传感器相位角；
3. 含有欠压锁定、过流关断保护等功效；
4. 含有和微控制器SPI通信接口；
2.2课题提出及意义
无刷直流电机是最近发展起来结合了多学科技术一个新型电机，结合机电一体化，含有有低噪声和长寿命等特点。现在无刷电机已广泛应用于多种领域，如医疗仪器、分析仪器、材料处理、过程控制、机床工业、纺织工业、轻工机械、电动自行车等。
无刷直流电动机由电动机主体和驱动器组成，是一个经典机电一体化产品。无刷直流电机控制要比一般有刷电机控制要复杂得多。现在直流电机控制方法关键有两种，一个是采取专用得无刷直流电机控制芯片，如Motorola企业MC33035；另一个控制方法各个厂家依据自己需求采取单片机或DSP进行开发设计。
采取Motorola企业MC33035专用控制芯片含有接口简单优点，但其外部接口少，控制灵活性差，控制方法单一等缺点，而且成本较高，现在其成本每片在12元以上。而采取通用单片机或DSP进行设计，即使灵活性好，但产品开发周期长，对开发人员要求高，综合成本高。
本创新设计关键采取嵌入式单片机ATMEGA48写入控制程序，从而形成一个高性能专用直流无刷电机控制器SZPT33035。其不仅能实现MC33035直流电机控制芯片全部功效，而且含有接口灵活，功效完善，成本低廉、全数字控制等优点，用户能依据不一样应用场所进行灵活配置。关键创新点：
Ø 采取通用单片机灌入程序，形成专用无刷电机芯片SZPT3305，含有开发成本低廉、芯片可靠性高；
Ø SZPT33035能够控制3相或四相无刷直流电机；
Ø SZPT33035提供6路桥式MOSFET驱动接口，3路HALL传感器输入接口；
Ø SZPT33035含有过流检测电路输入比较电路，检测过流，自动关闭MOSFET输出；
Ø SZPT33035提供I2C接口和MCU进行通信控制，通信时钟可达400Kbps。
Ø SZPT33035含有高可靠性，内置振荡和上电复位和看门狗电路；
Ø SZPT33035含有开启、停止、正反转，变速控制输入接口；
Ø SZPT33035能够选择在60°/120°或120°/240°传感器相位角；
Ø 工作电压为1.8V~5.5V;
Ø SZPT33035提供DIP28、QFP32两种封装;
SZPT33035芯片成本在6元以内。销售价格在12元左右，含有很强竞争力。

第3章 硬件设计
3.1 无刷直流电机驱动器总体结构设计
本设计无刷直流电机驱动器由单片机控制部分、直流电机功率驱动部分及霍尔信号检测部分及控制按键输入、输出指示等部分组成。图3－1所表示。

图3－1无刷直流电机驱动器总体结构图
3.2 原理图设计
无刷直流电机驱动器原理图图3－2所表示。单片机6路PWM输出控制电机驱动MOS管，无刷直流电机霍尔信号送入单片机作为换向依据。
从电机转子位置检测器送来三相位置检测信号(SA， SB，SC)首先送入单片机，经单片机结合正反转控制端、起停控制端、制动控制端、电流检测端等控制逻辑信号状态，经过运算后，产生逆变器三相上、下桥臂开关器件6路原始控制信号，其中，三相下桥开关信号还要按无刷直流电机调速机理进行脉宽调制处理。处理后三相下桥PWM控制信号(AT，BT，CT，)经过驱动电路整形、放大后，施加到逆变器6个开关管上，使其产生出供电机正常运行所需三相方波交流电流。

图3－2无刷直流电机驱动器原理图
3.2单片机电路设计

图3－3 单片机电路原理图
单片机采取高性能、底功耗8位AVR微型处理器ATMEGA48。其含有极高运算速度，含有4K字节系统内可编程Flash和256字节EEPROM，含有独立振荡器实时计数器RTC，六通道PWM，上电复位和可编程掉电检测，可工作于主机/ 从机模式SPI 串行接口；含有独立片内振荡器可编程看门狗定时器；五种休眠模式：空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式和Standby 模式，片内经过标定RC振荡器，片内/片外中止源。
3.3驱动电路设计

图3－4 电机接口（U、V、W）电路图
功率管即按固定组合成6种状态依次导通（图4-1，4-2），使位置传感器U、V、W按约定产生一组新编码，新编码又改变了功率管导通组合，使定子绕组产生磁场轴再前进600电角度，如此循环，无刷直流电动机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。
3.4 输入输出控制部分电路设计
输入三个按键分别为开启、停止、正反转功效和速度控制输入电位器。

图3－5 控制输入电路图

第四章 系统软件设计
4.1 无刷直流电机工作真值表
原理图参见图1－1，正传时，依据HALL信号，给出6个MOS管驱动信号真值表图4－1所表示。反转MOS管驱动信号真值表图4－2所表示

图4—1无刷直流电机正传驱动信号真值表

图4—2无刷直流电机反传驱动信号真值表

4.2控制软件设计
#define bldc_step1 0x04//100
#define bldc_step2 0x06//110
#define bldc_step3 0x02//010
#define bldc_step4 0x03//011
#define bldc_step5 0x01//001
#define bldc_step6 0x05//101

#define bldc_hall PIND&0x07

#define bldc_cw PINC.3
#define bldc_ccw PINC.2
#define bldc_en PINC.1

#define bldc_f 1
#define bldc_r 0

unsigned char hall_signal_old,hall_signal;
bit bldc_dir=1;//默认为左转

void bldc_fwd(void)
{
unsigned char hall_signal;
hall_signal=PIND&0x07;
switch(hall_signal)
{
case bldc_step6://100
bldc_UL=0;
bldc_UH=1;//--------------
bldc_VH=0;//--------------
bldc_VL=0;
bldc_WH=0;//--------------
bldc_WL=1;
break;
case bldc_step1://110
bldc_UL=0;
bldc_UH=0;//--------------
bldc_VL=0;
bldc_VH=1;//--------------
bldc_WH=0;//--------------
bldc_WL=1;
break;
case bldc_step2://010
bldc_UH=0;//--------------
bldc_UL=1;

bldc_VL=0;
bldc_VH=1;//--------------

bldc_WH=0;//--------------
bldc_WL=0;
break;
case bldc_step3://011
bldc_UH=0;//--------------
bldc_UL=1;

bldc_VH=0;//--------------
bldc_VL=0;

bldc_WL=0;
bldc_WH=1;//--------------
break;
case bldc_step4://001
bldc_UH=0;//--------------
bldc_UL=0;

bldc_VH=0;//--------------
bldc_VL=1;

bldc_WL=0;
bldc_WH=1;//--------------
break;
case bldc_step5://101
bldc_UH=1;//--------------
bldc_UL=0;

bldc_VH=0;//--------------
bldc_VL=1;

bldc_WH=0;//--------------
bldc_WL=0;
break;
}
}

void bldc_rev(void)
{
switch(bldc_hall)
{
case bldc_step1://100

bldc_UH=0 ;
bldc_VH=0;
bldc_WH=0;
delay_us(2);

bldc_UH=0;bldc_UL=1;
bldc_VL=0;bldc_VH=0;
bldc_WL=0;bldc_WH=1;
delay_us(4);

break;
case bldc_step2://110
bldc_UH=0 ;
bldc_VH=0;
bldc_WH=0;
delay_us(2);
bldc_UH=0;bldc_UL=0;
bldc_VH=0;bldc_VL=1;
bldc_WL=0;bldc_WH=1;
delay_us(4);
break;
case bldc_step3://010
bldc_UH=0 ;
bldc_VH=0;
bldc_WH=0;
delay_us(2);
bldc_UL=0;bldc_UH=1;
bldc_VH=0;bldc_VL=1;
bldc_WH=0;bldc_WL=0;
delay_us(4);
break;
case bldc_step4://011
bldc_UH=0 ;
bldc_VH=0;
bldc_WH=0;
delay_us(2);
bldc_UL=0;bldc_UH=1;
bldc_VL=0;bldc_VH=0;
bldc_WH=0;bldc_WL=1;
delay_us(4);
break;
case bldc_step5://001
bldc_UH=0 ;
bldc_VH=0;
bldc_WH=0;
delay_us(2);
bldc_UH=0;bldc_UL=0;
bldc_VL=0;bldc_VH=1;
bldc_WH=0;bldc_WL=1;
delay_us(4);

break;
case bldc_step6://101
bldc_UH=0 ;
bldc_VH=0;
bldc_WH=0;
delay_us(2);
bldc_UH=0;bldc_UL=1;
bldc_VL=0;bldc_VH=1;
bldc_WH=0;bldc_WL=0;
delay_us(4);

break;
}
}
第五章 结束语
经过多个月努力，毕业设计基础完成了。在毕业设计实践中，学到很多有用知识，也积累了不少宝贵项目开发经验。在此要尤其感谢我父母，她们给我了很大激励和支持，我同学，她们为我做试验提供了良好试验环境，另外还有素未谋面好友“大海”，假如没有她无私帮助，想必我在毕业设计实践过程中会走很多弯路，在此尤其表示感谢 。这次毕业设计使我明白了很多，在这次制作过程发觉自己平时所学知识是比较实用，书本上学到即使是最基础知识，但到了真正编程、调试和深入学习时候往往我们平时学到最基础知识还是最关键，比如：MC33035应用，这并不是我们专业课程，确实比较生疏，所以，只能在看相关书籍和资料同时，利用自己现有知识去了解和深入书籍和资料知识。
此次所设计系统虽说是一个简单单片机系统，但从中我尽力去做了每一个步骤，首先此次设计既巩固了专业知识又扩大了知识面，而且还增强了实际动手操作能力。随即一个多月时间里， 从购置元件……画图……焊板……调试……成品，整个过程我全部要求自己统计每一天设计进展情况和出现问题，杜绝自己会产生不好心态，一直到自己把设计做完。
此次毕业设计制作，增强了自己对本身专业知识自信心，增强了自己对工作责任心。不过，因为本人能力有限，加之对于多种技术熟悉程度不够，以立即间仓促，经验不足，论文当中难免有遗漏和不妥之处，望各位老师不吝赐教。

参考资料
1. C语言程序设计
2. AVR单片机C语言开发入门指导
3. AVR系列单片机C语言编程和应用实例
参考网址：

致 谢
大学三年学习以今天毕业论文画了一个句号。感谢大学三年，各位老师对我教育，感谢电子系，感谢大家有缘能在生命中关键三年，出现在相互生活中，感谢上天。
很幸运，在我大学最终一次作业完成中，能得到李正中老师指导和帮助，通常于李老师接触。她全部在埋头专研、开发，不持劳苦加班加点。思想境界高远、博爱胸怀、谦逊品质和严谨细致、一丝不苟作风一直是我工作、学习中楷模；李老师严谨治学态度，在我心里留下深刻影响，在以后日子里，我要学习李老师求实、刻苦钻研精神。在这里，真诚向邓老师说一句：李老师，您是亮起在我毕业前一盏灯，感谢您，祝您一切全部好。
在此，同时感谢我父母，对我支持，没有她们支持，我走不到今天。
感谢和我共同走过大学好友们、同学们，每个在我脆弱、困难时候，扶过我一把你，我全部记得。
大学三年，还有一个人，对我生活、学习、工作，全部有着关键影响，在此，也感谢她。能在生命中，相互扶持走过一段路，能有成长，不管是苦涩，还是甘甜，全部是生活味道。感谢上天，感谢命运，能有机会在相互生命中出现，并共同走过一个春天。
感谢全部帮助过我老师、同学、好友，感谢你们，期望你们在以后日子里，快乐、愉快，期望你们过得比我好！