基于AVR单片机的无刷直流电机控制系统设计
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摘要: 根据永磁无刷直流电机控制系统的设计参数、成本及灵活性等各方面的要求，设计了以AVR单片机及LM621集成驱动器为核心的硬件平台。本控制系统保护功能较完善，硬件结构简单，成本较低，在实际工程中有一定的应用价值。
图2 电流环的动态结构图 图3 转速环动态结构图
关闭所有中断
初始化 OEI、AD、串口
初始化定时器
打开所有中断
将用户设定速度之转化为对用的电压
将uPwm以pwM波形式输出
通过l6位定时器 的捕捉单元
捕捉输入脉冲信号计算转速值
是否达到设定转速
图4 主程序流程图
脉冲信号，并进行滤波处理。
Atmega 1 6L内部Timerl具有l 6位
的输入捕捉单元，1 6位的输入捕捉
单元通过外部引脚ICP1来捕捉外部
事件。当引脚ICP1上的逻辑电平(事
件)发生了变化，并且这个电平变化
为边沿检测器所证实，输入捕捉即被
激活：16位的计数寄存器TCNTI数据
被拷贝到输入捕捉寄存器ICR1 同
时输入捕捉标志位ICF1置位。如果此
时捕捉中断使~ IClEI=1，输入捕捉
标志将产生输入捕捉中断。中断执行
时ICF1自动清零，或者也可通过软件
图5 电流检测流程图
在其对应的I／o位置写入逻辑“1” 清
零。读取ICR1时捕捉寄存器先读低字
节ICRIL，然后再读捕捉寄存器高字
节ICR1H。再根据两次捕捉寄存器的
差值就可以算出电机转速。为了避免
驱动电路及其他接口电路的干扰，系
统在与外电路接口线上都加了光电隔
离，以保证电路正常运行。
系统控制策略
为了实现转速和电流两种负反馈
分别起作用，在系统中设置了两个调
节器，分别是转速和电流，二者之间
_● 一l 46 ·量子痤品．|尿20]1．1 1、^，、^，、Ⅳ．eepw．corn．cn
责任编辑：王莹
实行串级联接。这就是说，把转速调
节器的输出当作电流调节器的输入，
再用电流调节器的输出去控~UPWM
调制器。从闭环结构上看，电流调节
环在里面， 叫做内环；转速调节器在
外面。叫做外环。这样就形成了转
速、电流双闭环调速系统。为了获
得良好的静、动态性能，双闭环 调
速系统的两个调节器都采用PID调节
电流调节器的设计
电流的调节过程比转速的变化
过程快得多，因此在电流调节器快速
调节过程中， 可以认为反电动势E基
本不变。这样在设计电流环时， 可以
暂时不考虑反电动势E变化的影响而
得到图2所示的电流环近似动态结构
为了使电流环稳态上做到无静差
以获得理想的堵转特性。动态上保持
电动机电枢电流的不超调，保证系统
的跟随性。把电流环校正成典型I型
系统，其传递函数为：
式中 ， f 分别为电流调节器的
比例放大系数和时间常数。
根据“对消原理 ，为了消掉控
制对象中时间常数较大的惯性环节，
以使校正后系统的响应速度加快，取
r；=T1：PID调节器的比例放大系
数K 取决于系统的动态性能指标。根
据“电子最佳调节原理” 中的“二阶
最佳系统” 原理。按二阶最佳系统
效正， 在一股情况下，希望超调量
％ss％时，查表得阻尼比 =O．707，
K ：0．5 ，由此可得：
责任编辑：王莹
图6 速度调节流程图
转速调节器的设计
在转速调节器设计时， 可以把已
经设计好的电流环作为转速环的控制
对象。由此得到转速环的动态结构图
如图3所示。
为了实现转速无静差， 提高系统
动态抗扰性能，把转速环设计成典型
II型系统，其传递函数为：
式中：K ， r ～ 分别为转速调
节器比例放大倍数和时间常数。
根据II型典型系统参数确定的方
法，有 ： ，于是有t =^ ，其
中^为中频宽， = +2 ，根据
“调节器最佳整定设计法” ，一般取
五=5。然后按典型II型系统的最小闭环
幅频特性峰值M 准则，得：
Industry Control
软件整体设计
系统软件包括主程序及中断服务
程序两部分。主程序主要由系统初始
化、转子转速计算及转速PID闭环控
制组成，主程序完成大部分的功能任
务：中断程序主要对中断事件进行检
测并通知主程序进行相应处理、完成
必要的实时陆功能．这样做的目的是
使中断不占用太多的CPU时间，使程
序各部分功能能够可靠地运行，主要
用来串行中断接收上位机发来的转速
设定值、定时中断检测电流及显示转
速值及相关故障O主程序流程如图4
各模块软件设计
转速检测模块
要对无刷直流电动机的转速进
行准确地控制 首先要准确地测量出
它的转速。系统直接利用转子位置传
感器的输出脉冲信号来反映电动机的
转速。将位置传感器信号接至单片机
的输入脚，随着电动机的转动，单片
机将不断接收到脉冲信号。当接收到
一个上升沿时开始启动定时器，直到
接收到下一个相邻的上升沿为止．定
时器的计时结果便是电动机转动一圈
所需的时间，据此可以很容易地计算
出电动机的转速。测速子程序的作用
就是根据定时器的计时时间计算实时
转速值。为了不占用主程序的运行时
间，由定时器的中断服务程序进行转
速计算。如果无刷直流电动机转动一
圈定时器的计时结果为 ，则电动机
转速的计算式为
系统每次A／D转换结束后，单片
机都将把采样后经过转换的数据放入
相应的存储单元，供其他子程序，如
电流调节器、电机运行保护等有关子
程序运算调用。由于Atmega 16L的AD
转换器转换速度比较高，采取中值滤
波法来减少随机干扰、误检或者传感
器不稳定而引起的失真，以得到较为
精确和稳定的转换结果。即连续采样
6个数据，去除最大最小值，然后把
剩下的4个数据求平均值，所得的值
就是此次转换的最终数据。该方法的
流程图见图5。
速度调节模块
系统采用转速、电流双闭环调速
系统．为了实现转速和电流两种负反馈
分别起作用，在系统中设置了两个调节
器，分别是转速和电流，二者之间实行
串级联接，如图6所示。电流调节器是
控制系统的重要环节，其设计要求应满
足电流环的频率要求，实现电流的}央速
准确跟踪。系统采样电流的电压值经过
单片机 奇gADc单元，将电流的模拟信
号数字化。速度环是实现调速的核心环
节，它的 十好坏对系统动、静态性能
关系很大。系统中的速度闭环控制，主
要有测速、给定值计算、比较、输出限
幅等环节组成。圆
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单片机【毕业设计】—无刷直流电机控制方案设计（论文+外文翻译）.doc56页
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无刷直流电机具有高速度、高效率、高动态响应、高热容量和高可靠性等优点的同时，还具有低噪声和长寿命等特点。在计算机系统、家用电器、工业、交通工具、医疗机械等领域有广泛应用。目前国内对无刷直流电机的研究以及成为了重要的课题。DSP是在数字信号处理的各种理论和算法的基础上发展起来的，对于完成各种实时数字信息处理。在无刷直流控制系统中引入DSP技术，对采集的信号直接进行实时处理，提高了系统控制放入自动化程度、精确和可靠性。本文研究的主要内容是基于DSP的无刷直流电机控制系统的研究与设计，实现全数字化双闭环控制系统。论文主要研究了无刷直流电机的控制眼里，给出了系统的整体方案，设计了硬件电路，编写了软件程序。
关键词:无刷直流电机；PIC单片机；控制系统；位置传感器
BLDC has advantages of high speed,high efficiebncy,high dynamic response,high temperature bearing capacity and reliability. It also behaves a long life and low noise characteristics. There are extensive applications in many field, such as computer system,electrical house appliances, Industry,traffic and the medical equipment and so on. The research of brushless DC motor is an important topic now in china, DSP is developing in the foundation of variable theories and arithmetic,used for completing real-time digital information processing.Bringing the DSP technique to the brushless DC motor control system makes the collected signal directly carried on in real time and improves the autormation degree,the accuracy and the credibility of the control system. The thesis studied and designed the brushless DC motor control system based on DSP.It realized fully digital-controlled and double closed-loop control system. The thesis mainly discusses and control principle of the brushless DC motor,gives the whole p
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[ 论文简介:字数:9984,页数:31
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毕业论文范文题目：基于AT89C51单片机控制的双闭环直流调速系统设计，论文范文关键词：基于AT89C51单片机控制的双闭环直流调速系统设计
基于AT89C51单片机控制的双闭环直流调速系统设计毕业论文范文介绍开始：
论文编号:JD526 论文字数:9984,页数:31&& 程序:C语言
本文研究的内容是通过单片机产生PWM控制信号从而实现对直流电动机的速度调控。本设计主要介绍了该系统的硬件以及软件具体设计，并对硬件方框图和软件流程图作了一定的描述。根据硬件方框图设计了以下功能模块AT89C51芯片，系统核心控制模块，通过P1.0~ P1.3端口，控制降压斩波电路四个晶闸管的通断来调整和控制直流电动机的电枢电压;降压斩波电路及其驱动模块;电流检测反馈模块;速度检测反馈模块;系统保护电路模块通过整合以上五大模块，从而构成了一个比较完整有效的直流电动机调速控制系统。系统设计合理、功能完善、性能优越，在实际生产中应用效果良好，具有控制方便、组态简单和灵活性大等优点。
关键词：AT89C51单片机；直流电动机；PWM调速
The content that this text studies is to produce PWM control signal to realize the pace to the direct current motor and adjust and control through the one-chip computer. Originally design hardware and software that has mainly introduced this system to be designed specifically, and has done certain description to the hardware block-diagram and software flow diagram. Having designed the module AT89C51 chip of following function according to the hardware block-diagram, the systematic core controls the module, pass P1.3 port through P1.0, control, step down, cut wave circuit whom four brilliant floodgate in charge of coherent to come, adjust and control the armature voltage of the direct current motor while being broken:Step down and cut the circuit of wave
Electric current measure,& module pace measure, module&module AT89C51 one-chip computer module.Adopts and combines the above the five module systematically, thus form a more intact and more effective direct current motor and adjust the control system of the speed. The system is reasonable in design, with perfect function, performance is superior, it is good to apply the result in actual production, control convenient, the configuration is simple and advantage that the flexibility is great.
Keywords: AT89C51；DC- motor；PWM speed control system
1 概述…………………………………………………………………………………………1
2 PWM直流调速的原理……………………………………………………………………… 2
3 PWM直流调速系统的硬件设计…………………………………………………………… 5
3.1参数计算与元器件选择 …………………………………………………………………5
3.1.1直流电机的技术参数 …………………………………………………………………5
3.1.2 参数计算和元件选择 …………………………………………………………………5
3.2 闭环控制直流调速系统整体方案设计…………………………………………………7
3.3 AT89C51单片机介绍………………………………………………………………………8
3.4 时钟电路的设计………………………………………………………………………… 10
3.5 复位电路的设计………………………………………………………………………… 11
3.6光电隔离及驱动电路设计………………………………………………………………12
3.7 故障检测及保护电路设计……………………………………………………………… 13
3.8 转速检测………………………………………………………………………………… 14
3.9 电流检测……………………………………………………………………………… 16
3.10 AD转换电路……………………………………………………………………………16
4 PWM直流调速系统的软件设计……………………………………………………………17
4.1中值滤波法………………………………………………………………………………17
4.2 控制算法 ………………………………………………………………………………17
4.3程序总体设计……………………………………………………………………………19
结束语…………………………………………………………………………………………22
致& 谢…………………………………………………………………………………………23
参考文献………………………………………………………………………………………24
附&& 录程序及原理图………………………………………………………………………25
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基于STC单片机无刷直流电机控制系统的设计
【摘要】：随着科学技术的不断发展，高科技所带来的机器智能化已经被大部分人们所了解与应用，尤其是洗衣机、冰箱等家用电器的普及化，对这些电器的要求已经不单单是在功能上，还越来越注重它们的节能与环保。同时作为绿色家电驱动系统的主力，无刷直流电机直接驱动系统正朝着多功能、高效节能与环保化等方面发展。本文是在考虑成本与性能的基础上设计一种可以应用于洗衣机上的无刷直流电机调速系统。
论文首先通过学习无刷直流电机基本工作原理以及分析电机数学模型和电枢绕组连接方式，对无刷直流电机的控制方式(开环与闭环)、（传统PID控制与Fuzzy PID控制）进行了对比，并选取了合适的控制方式： Fuzzy PID双闭环控制方法。
其次在MATLAB/Simulink下建立了BLDCM控制系统模型，通过对比Fuzzy PID控制调速系统与传统PID控制调速系统下的转速波形图，得出采用Fuzzy PID控制方法的调速系统比采用传统PID控制方法的调速系统具有更好的静、动态性能，响应更快，在突加负载时转速降也较小，抗干扰的能力更强。
最后本文又给出了无刷直流电机控制系统的软硬件设计方略，通过protel DXP软件对系统的驱动板进行设计，核心处理器选择的是市场上最普通的STC89C52系列单片机，逆变单元是由Mosfet功率管P75NF75组成的三相逆变桥，驱动电路是由美国IR公司生产的IR2110系列驱动器芯片所组成，通过设计系统的逆变电路、驱动电路、电源电路等，参照MATLAB/Simulink仿真模型中的控制算法，对电机的调速控制系统进行软件设计，为系统的理论验证给出了依据。
【关键词】：
【学位授予单位】：太原科技大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2014【分类号】：TM33【目录】：
摘要5-6ABSTRACT6-10第一章 绪论10-16 1.1 课题研究的背景及意义10-11 1.2 无刷直流电机的应用11-12 1.3 无刷直流电机控制系统的研究现状12-14 1.4 论文研究的主要内容14-15 1.5 本章小结15-16第二章 无刷直流电机的数学模型分析16-28 2.1 无刷直流电机的基本机构16-18
2.1.1 电动机本体16-17
2.1.2 电子换相电路17
2.1.3 转子位置检测电路17-18 2.2 无刷直流电机的工作原理分析18-19 2.3 无刷直流电机的数学模型分析19-23 2.4 BLDCM的特性分析23-25
2.4.1 BLDCM 机械特性分析23
2.4.2 BLDCM 启动特性分析23-24
2.4.3 BLDCM的调节特性分析24-25 2.5 BLDCM 电枢电压的调节方法25-26 2.6 本章小结26-28第三章 无刷直流电机的控制策略28-40 3.1 BLDCM的调速控制方式28-30
3.1.1 开环调速控制28
3.1.2 闭环调速控制28-30 3.2 BLDCM 的控制策略30-38
3.2.1 传统 PID 控制策略30-32
3.2.2 模糊 PID 控制策略32-38 3.3 本章小结38-40第四章 无刷直流电机的 MATLAB 仿真分析40-52 4.1 控制系统的总体仿真设计40-41 4.2 模块设计41-48
4.2.1 电机本体模块41-44
4.2.2 转速计算与转矩计算模块44
4.2.3 速度控制模块44-45
4.2.4 参考电流模块45-46
4.2.5 电流控制模块46-47
4.2.6 逆变器模块47
4.2.7 模糊 PID 参数设定47-48 4.3 仿真结果分析48-51 4.4 本章小结51-52第五章 无刷直流电机控制系统的设计52-62 5.1 控制系统总体结构52 5.2 系统硬件电路设计52-58
5.2.1 控制部分电路52-54
5.2.2 驱动部分电路54-57
5.2.3 电机介绍57-58 5.3 系统软件设计58-59
5.3.1 主程序设计58-59
5.3.2 中断服务程序设计59 5.4 系统测试结果分析59-60 5.5 本章小结60-62第六章 总结与展望62-64 6.1 总结62 6.2 展望62-64参考文献64-68附录 168-70附录 270-72致谢72-74攻读学位期间发表的学术论文目录74-75
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毕业设计论文----单片机控制的无刷直流电机驱动系统设计
无刷直流电机
摘要 ........................................................................................................................................ 1
ABSTRACT ................................................................................................................................. 2
1. 概论 ................................................................................................................................... 3
1.1 无刷直流电机的现状 ................................................................................................... 3
1.2 电动自行车介绍及发展前景 ........................................................................................ 4
1.3 本设计的主要工作 ...................................................................................................... 6
2. 无刷电机控制系统分析 ....................................................................................................... 6
2.1 三相无刷直流电机星形连接全桥驱动原理 ................................................................... 6
2.2 直流电动机的PWM调速原理 ........................................................................................ 9
3. 无刷直流电机控制器硬件设计............................................................................................. 9
3.1 硬件组成 ...................................................................................................................10
3.2 三相全桥逆变电路和驱动电路 ....................................................................................10
3.3 速度控制电路 ............................................................................................................14
3.4 其他 ..........................................................................................................................14
4. 系统软件设计 ................................................................................................................... 15
4.1 概述 ..........................................................................................................................15
4.2 主程序 .......................................................................................................................16
4.3 中断 ..........................................................................................................................20
4.4 AD转换 ......................................................................................................................21
4.5 PWM(脉冲宽度调制)....................................................................................................23
4.6 位置信号和驱动信号的对应关系 ................................................................................23
4.7 数字PI速度调节 .......................................................................................................24
5. 系统调制与实验结论......................................................................................................... 27
5.1 系统硬件调试 ............................................................................................................27
5.2 系统软件调试 ............................................................................................................28
5.3 实验结论与建议 .........................................................................................................29
结论 ...................................................................................................................................... 30
参考文献 ............................................................................................................................... 31
致谢 ...................................................................................................................................... 32
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