基于AT89C51单片机的无刷直流电机控制系统设计与仿真.doc

基于AT89C51单片机的无刷直流电机控制系统设计与仿真

内容摘要

当今各国工业飞速发展，具有优良特性的无刷直流电机在多个领域得到使用。随着工业技术的发展，制造业的规模化生产需求越来越高，稳定、高效与快速成为了工业制造设备技术的发展趋势，伺服机构作为工业设备控制的系统核心，己成为控制领域研究的热点之一。作为伺服机构中成员之一的无刷直流电机，其融合了交流伺服与直流电机的长处，逐渐成为伺服系统的最佳控制对象。它具有良好的调速特性和启动特性，特点是启动转矩较大，经济地调速、能在宽广的范围内平滑，转速控制容易，调速后效率也比较高。

本文从无刷直流电机出发，首先介绍了无刷电机在国内外的研究和发展历史与现状，通过介绍国内电机行业的发展现状，再对比了国外相关行业情况，整理得到一些相对的结论。其次，介绍了控制方案的总体设计情况，主要分为控制方案的设计要求、控制方案的总体设计思路和控制电机用到的主演算法，对用到的PID（ProportionalIntegralDerivative）模糊运算方法进行了介绍，基于模块化的设计思路进行流程框图介绍。再次，介绍了硬件设计的相关问题，介绍了单片机电路、驱动电路和检测电路，主要包括AT89C51控制器，外围电路和相关功率驱动电路，给出了相关的器件选型思路。最后是整体控制系统的软件设计，给出了控制系统的整体流程图，对流程图进行了简单的介绍。

关键词：AT89C51；无刷直流电机；控制算法

目录

TOC\o1-3\h\z\u内容摘要 1

1绪论 4

1.1课题的背景及意义 4

1.2国内外发展现状 5

1.2.1国外无刷直流电机的发展现状 5

1.2.2我国无刷直流电机的发展现状 6

1.3本文的主要内容 6

2系统控制方案总体设计 7

2.1设计要求 7

2.2控制系统总体设计 7

2.3无刷直流电机的控制算法研究 8

3控制系统硬件设计 9

3.1控制器件的选择 10

3.2各部分硬件电路设计 10

3.2.1最小系统设计 10

3.2.2驱动电路的设计 11

3.2.3检测电路设计 12

3.3按键电路设计 12

3.4温度检测电路 13

4控制系统软件设计 14

4.1系统控制总体流程图 14

4.2测速软件设计 15

4.3读取温度子程序 17

5系统仿真 18

5.1PROTUES简介 18

5.2仿真测试 18

5.3系统仿真的比较 20

6结论 21

参考文献 21

附录 23

1绪论

1.1课题的背景及意义

无刷直流电机是指无机械电刷与换向器（或集电环）的直流电机，又名无换向器直流电机，它以电子换向器替代换向器和机械电刷实现直流电机的换向，是一种机电整合化产品。无刷直流电机反馈张志简单，功率密度更高，输出转矩更大，控制结构更简单，使电机和逆变器各自潜力得到充分发挥[SEQa1]。电机产品使用数量大、应用范围广，被广泛应用于工业、农业等领域以及机械、电子等产业。据资料统计，我国电机总耗电量约为3.8万亿kWh，占全社会总用电量的64%，其中工业领域电机总用电量为2.9万亿kWh，约占工业用电的75%，在此背景下，节能理所当然成为了电机行业一个永恒的主题。在普遍应用的各类电动机中，永磁无刷直流电机调速性能好、控制简单，且在同等功率条件下，效率最高[SEQa2]。因此，针对永磁无刷直流电机控制系统进行的研究对于我国电机行业的发展拥有着重大的意义。

在无刷直流电机转速电流双闭环控制系统中，电流环作为内环，转速环作为外环，为获得良好的静动态性能，双闭环控制系统的调节器一边采用PI调节器。电机的理想运行特性为高速恒功率和低速恒转矩。一般来说，系统启动后，由于速度误差较大，速度环进入饱和状态。电流环的给定为恒定的饱和值。因此，系统的工作电流Id为恒定值。这时电机处于恒转矩运行状态。当转速升到一定值时，转速环退出饱和。这时电机既不是恒转矩运行也不是恒功率运行。对于方波电机来说，易于实现恒转矩运行，因此使电机按恒功率运行显得更为重要。可以在一般调速的方法基础上，添加一个单片机软件实现的恒功率环。在低速启动等许恒转矩的情况下，恒功率控制信号置零，恒功率环断开；需进行恒功率运行时，恒功率信号置一，转速环和电流环断开，恒功率处于工作状态由单片机采集电机的转速和电流值，送入由软件实现的功率观测器，计算出电机的实际功率，作为恒功率的反馈值。给定值与反馈值之差送入功率调节器，输出送入PWM生成器，