设计说明书 智能有感无刷稳速控制器pdf

  摘 要 系统主要有四部分所组成：电源模块 单片机控制模块 无刷直流电动机驱动模块和 液晶显示屛模块。单片机控制模块主要是采用 STC89C52，它是 STC 公司生产的一种低功 耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系统可编程 Flash 存储器，用以实现无刷 直流电机的启停，正转反转以及调速功能。因为传统电机摩擦大，损耗大，发热大， 寿命短效率低，输出功率小，并且还需定期维护修理，费时费力。故采用无刷直流电 动机无电刷、低干扰，噪音低，运转顺畅 寿命长，低维护成本，及低廉的价格等特 点，所以本课题采用带 霍尔位置传感器的无刷直流电动机。无刷电机驱动器模块则主 要采用的是 MC33033 芯片和 MC33039 芯片控制驱动，主要功能是将控制器输出过来的 控制信号放大以驱动电机。显示器的功能是反映电机当前的实际速度。 关键词 无刷直流电动机 STC89C52 霍尔位置传感器 II Abstract System is mainly composed of four parts: the power supply module MCU control module and a brushless DC motor driver LCD module. MCU control module mainly uses STC89C52, it is STC produced a low-power, high-performance CMOS8 bit microcontroller with 8K in-system programmable Flash memory for brushless DC motor start and stop, forward anti-turn, and speed control function. Because conventional motor friction, loss, fever, low short life efficiency, output power is small, and need regular maintenance repair time consuming. So the use of brushless DC motor brushless, low interference, low noise, smooth running characteristics of long life, low maintenance costs, and low price, so this topic brushless DC motor with Hall position sensors. Brushless motor driver module is mainly used in chip MC33033 and MC33039 chip control drive, the main function is to control the controller output signal amplification to drive the motor over. The monitor features reflect the actual speed of the motor current. Keywords brushless DC motor STC89C52 Hall sensor microcontroller II 摘 要 II Abstract III 第一章 无刷直流电动机简介 １ 1.1 课题来源及现状 １ 1.2 无刷直流电动机的发展趋势及研究动向2 1.2.1 无刷直流电动机的发展趋势2 1.2.2 无刷直流电动机的主要研究动向2 1.3 本章小结3 第 2 章 无刷直流电动机控制系统设计方案4 2.1 整体方案概述4 2.2 可选方案4 2.3 总体方案设计5 2.3.1 方案选择5 2.3.2 总体设计思路5 2.4 总体设计框图6 2.5 本章小结7 第三章 电机稳速控制器的硬件设计8 3.1 单片机最小系统芯片简介及所涉及的外围电路8 3.1.1 外围电路的总体构思与设计8 3.1.2 STC89C52 简介 8 3.1.3 单片机外围电路模块设计10 3.2 控制器的设计部分13 3.2.1 PWM 简介及测速原理 13 3.2.2 集成芯片 MC33033 介绍 14 3.2.3 MC33033 简介及引脚功能 14 3.2.4 mc33033 的工作原理 16 3.2.5 集成芯片 MC33039 介绍 16 3.3 功率驱动电路的设计部分17 3.4 液晶屏 LCD1602 说明 17 3.5 本章小结19 第四章 控制系统软件的设计20 4.1 软件系统整体设计思路20 4.2 软件流程图20 4.2.1 主程序设计20 4.2.2 各模块子程序设计22 4.3 本章小结26 第五章 系统调试与误差修正27 5.1 硬件调试 27 5.2 软件调试 27 5.3 软硬件联调 28 5.4 本章小结 29 第六章结束语 30 致谢 31 I 参考文献32 附录一 控制器电路图 34 附录二 系统原理总图及分图35 附录三 PCB 版图 36 附录四 元器件清单 37 附录五 程序清单 38 附录六 实物图44 II 第一章 无刷直流电动机简介 第一章 无刷直流电动机简介 无刷直流电动机是利用半导体的开关元器件来实现电子换向，相当于用电子开 关器件替代传统的接触式换向器及电刷。它具有高可靠性、无换向火花、低机械噪声 等优点，广泛地应用在高档的录音座、录像机、电子化仪器及自动办公设备之中。 1.1 课题来源及现状 无刷直流电动机和有刷直流电动机有一样的电磁结构，但是无刷直流电动机的电 枢绕组在定子上，转子上安装了永久磁钢，其电枢绕组的多相形式通常是经由逆变器 连接到直流电源，使其采用电子换向的定子取代有刷电机的电刷和机械换向器，每个 相互连续的绕组一个个地通电时，在气隙里出现的跳跃的旋转磁场和转子的电磁主磁 场互相作用，使其在磁场中产生了电磁转矩，这样，使得电动机和其它电机相比，无 刷直流电机不断运转的能力更有高效率、高可靠和出色的调节速度的能力等诸多优越 性，并且随着新型稀土永磁材料性能的提高与价格的下降，带来永磁无刷直流电机成 本的降低，这种优越性将更加明显。当前，在先进的工业国家，在工业自动化越来越 普及的时代，无刷直流电动机已经渐渐替代了有刷直流的电动机。目前我们从国外引 进的设备机床中，有刷直流电动机已经被逐步淘汰了，执行电机的系统已经慢慢被无 刷直流电机取代。美国、德国、日本、英国等相关国家已经不再批量生产有刷直流电 机了，作为伺服驱动器的有刷直流电机，已接近黄昏路线。 无刷直流电动机是伴随着数字控制技术而产生和发展起来的，因此，采用以单片 机为主的数字控制是无刷直流电动机的必备的控制手段。无刷直流电动机主要要完成 以下几方面的控制。 换相控制：在对于非位置传感器的系统中，首先根据感应电动势信号算出换相 点，再确定哪个阶段应该被激活通电，哪个阶段应该被停止通电；在对于位置传感器 的系统中，首先根据位置传感器的信号换相定时，适当而有规律的选择哪些相需要被 通电，哪些相需要被断电。 转速控制：无刷直流电机是通过 PWM 方式来驱动电枢上的平均电压，以实现速 度的调控的，它的调速原理和普通直流电机是相同的。无刷直流电机利用微控制器的 一个 PWM 端口的单片机，非常简便地实现了利用单片机自动输出 1 PWM 波的功能。 转向控制：只需要改变换相的电序便可实现电机的正、反转的控制。 单单使用单片机编程以控制无刷直流电机是一个比较繁琐的过程，相比之下，通 过专用控制芯片，不仅可以大大地简化编程、提高控制性能，还可以使单片机从繁重 的电动机控制工作中解脱出来，转而完成其他工作。 由上面的分析可以看出，无刷直流电动机相对于其它类型电动机来说还是一种新 型电动机，它的驱动、控制更是和电子技术息息相关。因此，对无刷直流电机本体及 其控制方法进行系统、深入的研究有着十分重要的现实意义。 1.2无刷直流电动机的发展趋势及研究动向 1.2.1 无刷直流电动机的发展趋势 无刷直流电动机不仅保持了传统直流电动机良好的动、静态调速特性，且结构简 单、运行可变、易于控制。其应用从最初的军事工业，向航空航天、医疗、信息、家 电以及工业自动化领域迅速发展。经由几十年的高速开展，直流无刷电机在技能上已 逐渐成熟，使用范畴简直可掩盖一切电机驱动用处，在很多使用中已显示其优秀特 征，并可起到其它类电机不克不及到达的功用，国际上有些专家预言：二十一世纪将 是直流无刷电机的世界，将为一切新一代的整机产物设计师所采用。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 具规模产业链。如深圳伟业电机\长沙科达等一批专业厂商，在技术上不断推进行业 发展。 无刷电机背景资料 近几年来，无刷电机成为在模型领域里快速发展的一种 动力。由于产量和价格的原因，过去几年无刷电机多使用在中高档航空模型中，现在 由于机械加工技术的快 速发展，无刷电机的生产成本下降许多，目前它正进入模 型领域的各个层面，从电动遥控车到电动遥控船再到电动模型飞机，无处不在。 1.2.2 无刷直流电动机的主要研究动向 当前，国内和国外广大无刷直流电机控制技术相比较于以前已经较成熟，中国已 经开发出了 GJB1863 无刷直流电机的通用规范。国外无刷直流电机的研究内容与中国 大致相同，但是日本和美国具有更先进的无刷直流电机制造系统和其控制的技术。目 前的研究主要集中在如下三方面：1、研究无位置传感器控制技术以降低电机的重量 和大小，并进一步提高系统的可靠性；2、从电机的控制方法和设计看，研究无刷电 流电机转矩波动的抑制的方式，来提升它的伺服精度，另外也扩大了它的应用范围； 2 第一章 无刷直流电动机简介 3、设计小巧、可靠、紧凑、多功能集成的无刷直流电机控制器，因为直流无刷电机 具有结构简单可靠的操作，维护方便等一系列的优势，而且又是高效率的直流电动 机，高速的性能和无励磁损耗，还有许多其他功能，所以在当今的经济领域，如仪器 仪表、轻纺、化工、医疗器械和其他家用电器等设备越来越受欢迎。 1.3 本章小结 第一章主要说明了无刷电机稳速控制器的来源及现状，并对其今后的发展和研究动 向做进一步说明，并为接下来的第二章说明找到了最好的解决方案。 3 第二章无刷直流电动机控制系统设计方案 第 2 无刷直流电动机控制系统设计方 案 2.1 整体方案概述 主要由电源 驱动模块 单片机 人机界面和电机构成一个智能的有感无刷电机稳 速驱动器，该驱动器能够通过人机界面控制电机的启停，正反转，速度，显示电机当 前的实际速度等。整个装置包括：电机驱动器，控制器，人机界面，电源。 2.2 可选方案 方案一、利用单片机连接集成芯片控制有位置无刷直流电机 首先将单片机外围电路、集成芯片外围电路与电机相连接，由电机把信号反馈给 单片机，单片机输出信号给芯片驱动器，再由驱动器输出信号给电机，由此控制电机 的启停、正反转、稳速等功能。 现今，由于霍尔传感器性价比高，安装方便，被广泛应用作为无刷直流电机的位 置传感器。 故依靠霍尔元件或者码盘来获得位置、速度信号，这种方法比较直观简单，但是 存在如下问题：增加了器件成本，在无法加装传感器的时候无效; 反馈信号 单 信号 驱 信号 电 片 动 机 器 机 图2-1 有位置方案设计思路框图 方案二、专用集成电路控制无刷直流电机 专用芯片控制的方法是消除冗余电路，以集成芯片构成的外围的电路直接对电机 进行有效、有目的性的控制。 用于无刷直流电机的专用集成电路芯片有很多种，大都是针对霍尔式位置传感器 4 的三相无刷直流电动机而设计的。它们多数具有换相功能，PWM 调速功能、转向控 制功能、制动控制功能、电动机相数和工作方式选择功能、保护功能(如限流、欠 压、过热保护等) ，有些还集成了驱动电路。 方案三、无位置控制器的控制方法 无位置传感器控制的方法是取消传统的机械式位置传感器，而代之以电子检测线 路等其它方法来判断转子位置。 在反电势信号基础上的检测法是当前最能简单实现，技术最为成熟和最为广泛使 用的转子位置检测方法。因为在气隙的磁通密度里形成梯形波分布的直流无刷电机 中，因此定子绕组的反电动势也成梯形波分布。为了生成平滑的转矩，反电势和相电 流之间的相位关系要有确定的方向。便可从反电势过零点并延迟固定相位获得这样逆 变器的开关信号。 有四种方法可以实现基于反电势信号的检测法，分别是反电势法、定子三次谐波 法、续流二极管检测法、脉冲检测法。 然而，这种方法大多只适合反电动势为梯形的 BLDCM ，而且其中一些需要另外 装配特殊的外部电路，在一些场合下根本无法实现;有的算法太过繁琐，则会导致较 大的实时误差，也不是非常实用。目前，一些公司如 NEC ，RENESAS 已开发出了专 门针对正弦反电动势 BLDCM 的无传感器的控制芯片，然而昂贵的价格，复杂的调 试，较难的升级成了很大的问题。 2.3 总体方案设计 2.3.1 方案选择 对比以上三种方案选择，再结合实际课题，我更加倾向于方案一的设计，不仅仅 是因为本课题研究的对象是有位置无刷直流电机，其内部带有霍尔传感器，而且该方 案更能让我们有效的利用单片机最小系统实现对无刷直流电动机的启停，正反转，速 度等功能的控制。 故本课题的无刷直流电机控制方法如方案一所说，采用单片机够成的硬件电路对 专用集成芯片进行控制，通过集成芯片间接的控制无刷直流电机。 2.3.2 总体设计思路 本课题主要是研究无刷直流电机稳速控制器的设计方法，希望能通过该研究找到 有效并简便的方法控制无刷电机，以实现电机控制的易操作化。经过方案筛选，本课 题选择的方案是通过设计单片机外围电路来控制驱动器，并间接的控制电机，实现电 机启停、正反转等一些功能。本设计方案分为两大大步走： 第一步：硬件方案设计。主要包括单片机外围电路设计以及集成芯片构成的外围 电路设计。单片机外围电路设计主要包括显示电路设计、按键电路设计、端口连接电 5 第二章无刷直流电动机控制系统设计方案 路设计。 第二步：软件方案设计。包括显示主程序设计、按键功能程序设计、PWM 信号 处理与运算程序设计。 2.4 总体设计框图 根据以上的研究可以大致做出该系统控制的大致总体设计框图 电压 单片机 最小系统 采样电流 功 率 调速 PWM 驱 控制器 无刷直流 ADC 动 电动机 单 制动 元 信号处理 和运算 系统的整体框图 6 2.5 本章小结 本章节主要介绍描述可供选择的无刷直流电动机控制器的方案，并对其进行详细 的说明，并且结合自己选择的课题选择最恰当的无刷直流电动机的控制方案，为接下 来的硬件和软件说明做铺垫。 7 第三章 电机稳速控制器的硬件设计 第三 电机稳速控制器的硬件设计 由第二章设计出的无刷电机稳速控制器的大体方案及总体框图，并且本课题主要 的研究方向是设计出有效可行的无刷直流电动机控制器，故选择出相对应且易于控制 的电动机就显得很有必要。因为本课题的硬件部分分为电源，控制器，功率驱动器， 无刷直流电机等部分，接下来就为控制电路的硬件部分做详细的描述。 3.1 单片机最小系统芯片简介及所涉及的外围电路 3.1.1 外围电路的总体构思与设计 本文采用 STC89C52 芯片作为主导单片机芯片，通过 I/O 端口的输入与输 出，对来自集成芯片电路收集的信号进行采集，然后根据功能要求输出动作信号 至集成芯片电路，间接通过集成芯片电路对电机进行启停、正反转，速度等控 制。 以单片机最小系统为框架，增加了四个按键，接口电路及液晶显示器 LCD1602，构成了单片机的整个外围电路。按键电路通过设置按键按出的高电平 与低电平对单片机实施控制。单片机的 P0 口与液晶显示屛连接，通过数据的实 时传送，将电机的速度，方向显示在 LCD1602 液晶屛上。 3.1.2 STC89C52 简介 8 STC89C52是由宏晶科技公司研发的新一代产品，它具有高速/功耗低/抗干扰能力 强等特点的单片机，完全兼容8051单片机的指令代码，12时钟/机器周期及6时钟/机 器周期能够由其选择。 主要有如下几点特性：  增强型80C51单片机，6个时钟/机器周期和12个时钟/机器周期能 够由其选择，完全兼容80C51的指令代码.  工作时电压：5.5V～3.3V （5V单片机）/3.8V～2.0V （3V单片 机）  工作的频率范围：0～40MHz，相当于一般80C51的0～80MHz，实 际上工作的频率可以达到48MHz  用户应用程序空间为8K字节  片上集成512字节RAM  通用I/O口（32个），复位以后为：P1/P2/P3/P4是准双向口/弱 上拉，P0 口的作用是漏极开路时的输出，用作扩展总线时，不用加上上 拉电阻，用作I/O口时，需加上上拉电阻。  ISP/IAP，不需要专用的编程器，不需要专用的仿真器，可通过 （RxD/P3.0,TxD/P3.1）串口下载用户的程序，几秒钟就可以完成一片 9 第三章 电机稳速控制器的硬件设计  EEPROM的功能  看门狗的功能  共3个16位定时器/计数器。即定时器T0、T1、T2  外部中断4 路，下降沿中断或低电平触发电路，Power Down模式 可由外部中断低电平触发中断方式唤醒  通用异步串行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART  工作温度范围：-40～+85℃ （工业级）/0～75℃ （商业级）  PDIP封装 STC89C52 管脚功能说明： VCC （40 ）：接电源 VSS （20 ）：接地端 P0 端口 （P0.0-P0.7 ，39-32 ）：P0 口是漏极开路的 8 位双向 I/O 口。用作输出端 口，每个引脚都能驱动 8 个 TTL 负载，对 P0 口写入 “1”时，能用作高阻抗输入。 在访问外部程序和数据存储器时，P0 口也可以提供低 8 位地址和 8 位数据的复用总 线 口内部上拉电阻有效。在Flash ROM 编程时，P0 端口接收指令字节； 可是在程序校验时，输出了指令字节。验证时，需要外接了上拉电阻。 P1 端口（P1.0～P1.7 ，1～8 引脚）：P1 口是一个带上拉内部电阻的8 位双向 I/O 接 口。P1 口的输出缓冲器可以驱动（吸收或者输出电流方式）4 个 TTL 的输入。当 端口慢写入 1 时，通过一个内部上拉电阻拉到高电位的端口，它是用来作为一个输入 端口。P1 口用为输入口的使用，因为有内部的上拉电阻，而被外部的拉低引脚则会 输出一个电流。 此外，P1.0 和 P1.1 还可以作为定时器/计数器 2 的外部技术输入（P1.0/T2 ）和定 时器/计数器 2 的触发式输入（P1.1/T2EX ）。 3.1.3 单片机外围电路模块设计 （1）按键控制模块，单片机的 p3.3 ，p3.2 ，p1.1 ，p1.0 作为按键输入，以启动相 应程序，其电路如图。 10 按键模块电路图 打开电源后，电机处于停止状态, 。K2 键连接 P1.1 ，控制电机的启动停止；K1 键 连接 P1.0 ，控制电机的正反转；K4 键连接 P3.3 ，按一下 K4 键，电机加速；K3 键连 接 P3.2 ，按一下 K3 键，电机减速。 (2) 串口MAX232 电路图 串口 MAX232 的作用主要是实现与电脑的通信。 （2 ）液晶显示模块，其电路图如图 3-5 所示 图 3-5 液晶显示电路 液晶屏的端口 4 与 P2.2 连接，端口 5 与 P2.1 连接，端口 6 与 P2.0 连接。液晶端 口7~14 与 P0 口连接。端口2 与端口 15 接电源，端口 1 与端口 16 接地。 （3 ）外围电路端口与集成芯片电路连接模块 11 第三章 电机稳速控制器的硬件设计 图3-6 外围电路端口与集成芯片电路连接 电路接线 ：接电源口，为集成芯片 MC33033 电路充电，使得其能正常工作 接口 5 ：接地 接口 4 ：接 P3.5 口，采用PWM 技术通过改变直流电机电枢电压的 “占空比”来 达到改变平均电压大小的目的，对电机转速进行控制。 接口 3 ：接 P3.2 口，通过电机内部的霍尔传感器所捕捉到的速度信号通过I/O 端 口传送到单片机内部，由单片机进行一系列的处理，将实时速度值显示在液晶屏上。 接口 2 ：接 P3.4 口，通过编写程序给该端口提供一个低电平，使得电机转向 接口 1：接 P3.3 口，其也是通过编写程序给其提供反向信号，电机即能停车。 3.2 控制器的设计部分 本课题控制器的设计主要是利用 MC33039 闭环无刷电动机附加器和 MC33033 控 制器以及少量外围器件设计一个实用且性价比很高的闭环无刷直流电动机控制电路， 详图见附录一。该电路用一个 MC33039 来产生与速度成比例的输入电压，并通过其 引脚 5 馈入 MC33033.它的电源由 MC33033 的 6.25V 基准电压提供，由于 MC33039 的引脚 1、2 、3 （转子位置传感器）分别与MC33033 的引脚 4 、5、6 （三个传感器输 入）相连，因此它们使用相同的霍尔传感器输入信号。这样，在任何时刻，每一条传 感器线上的霍尔传感器的正、负向信号都能使 MC33039 产生一个具有确定幅度时间 间隔的输出脉冲，该脉冲由 MC33039 的引脚 5 输出，并由 MC33033 片内误差信号放 大器组成的积分器积分，从而产生一个与电动机转速成比例的直流电压。该电压在 MC33033 的引脚 11 产生 PWM 基准电平，以完成闭环控制电路。 3.2.1 PWM 简介及测速原理 12 直流调速最主要调速方法是采用调节电枢电压。改变电枢电压调速的方法有高稳 定性、大范围调速的优点。为了获得能调的直流电压，利用电力电子器件的完全可控 性，采用脉宽调制 PWM)技术，直接将恒定的直流电压调制成可变大小和极性的直流电 压作为电动机的电枢端电压，实现系统的平滑调速，这种调速系统就称为直流脉宽调 速系统。 在 PWM 驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需 要改变一个周期内 “接通”和 “断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的 “占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。也正因为如 此，PWM 又被称为“开关驱动装置”。如图8 所示。 图8 PWM 占空比原理 设电机始终接通电源时，电机转速最大为 Vmax，设占空比为D= t1 / T，则电机的平 均速度为 Va = Vmax * D，其中Va 指的是电机的平均速度；Vmax 是指电机在全通电时的最 大速度；D = t1 / T 是指占空比。由上面的公式可见，当我们改变占空比 D = t1 / T 时， 就可以得到不同的电机平均速度 Vd ，从而达到调速的目的。严格来说，平均速度Vd 与 占空比D 并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线 是 ON semiconductor （安森美半导体）公司的高性能第二代单片机无刷 直流电动机控制，包括一个全性能三相或四相电动机开环控制系统所需的全部功能。 此器件有一个用于确定换相顺序的转子位置译码器、可向传感器供电的温度补偿参考 电压、频率可调锯齿波振荡器、三个集点板开端高策驱动器和三个特别适于驱动电力 MOSFET 的大电流图腾柱输出电路低侧驱动器。包括的保护功能有欠压电压锁定、用 可选时延锁存关断模式的逐周限流、内部过热关断以及独特的故障输出，后者可与微 处理器控制系统接口。 3.2.3 MC33033 简介及引脚功能 13 第三章 电机稳速控制器的硬件设计 目前，市场上有很多无刷电机专用控制芯片，大部分电动车生产厂商采用 Motorola 公司的 MC3303 无刷电机专用控制芯片，它具有无刷直流电机控制系统所需 要的基本功能。 引脚号 引脚名称 功能说明 1，2，20 BT，AT,CT 这三个集电极开路的高速驱动输出是用来驱动上级 开关三极管的。 3 FWD/REV 前进/后退输入管脚，用于改变马达旋转方向。 4，5，6 SA,SB,SC 三个传感器输入管脚，用来控制换相序列 7 REF 用来为振荡器的时间电容 CT 提供充电电流以及为 误差放大器提供基准电压，也可为传感器提供工作 电源 8 振荡器 其输出频率由外接元件 RT 和 CT 决定 9 误差放大器（+） 它通常与速度设定的电位器相连 10 误差放大器（-） 它通常与开环应用中的误差放大器输出端相连 11 误差放大器输出/PWM 该引脚在闭环作用时作补偿作用 输入 12 电流检测同相输入 电流检测同相输入引脚，在振荡周期里，该引脚的 输入信号为 100w,可使输出开关截至，它通常连在 电流检测电阻上端 13 GND 该引脚为控制电路提供一个分离的接地返回，并可以作为 参考返回至电源地 14 VCC 此引脚为控制 IC 的正电源。当VCC 在 10~30V 的范围 14 内，控制器均可正常工作 15，16，17 CB,BB,AB 用于驱动底部外接功率晶体管 18 60°/120°选择 用来选择 60°/120°传感器相位输入的控制电路 19 输出使能 低电平时，电机转动。高电平时，电机滑行 MC33033 还具有如下特点： 具有 10~30v 的宽电源电压范围； 具有欠压锁定功能； 可提供 6.25v 带有温度补偿的基准电压源； 带有为闭环控制提供的误差放大器； 与 MPM3003 组合可控制三相桥式高电流驱动器›； 具有周期- 周期电流限制功能； 具有热关断功能； 可在 60 °/120 °或 120°/240 °的传感器相位中任选； 亦可控制 H 桥式有刷直流电机； 3.2.4 mc33033 的工作原理 MC33033 内部电路是由转子位置译码器、参考电压调节器、振荡器、误差信号放 大器、脉冲宽度调制器（PWM ）以及欠压电压锁定、过电流限制、过热关断和输出 驱动电路等部分组成。 MC33033 内部的转子位置译码器是用来控制三个传感器（引脚4 、5、6 ）的输入 状态的。同时，它还能为高侧和低侧的输出驱动提供正确顺序。MC33033 的传感器 输入电平是与 TTL 电平兼容的。其门限电压为 2.2V 。它的输入可直接与集电极开路 的霍尔效应开关或耦合器接口。 MC33033 控制器的 60 °/120 °选择引脚（引脚 18）能够方便地使控制器与具有 60 °、120°、240 °或 360 °相位输入的电动机连接。由于有三个输入传感器，因此 具有八种可能的输入码。其中六种是有效的，其余两种无效。这六种有效输入码经译 码器译出后，确定电动机转子的位置。 正向/反向输入引脚利用去作用在改变定子绕组上的电压来改变电动机的转动方 向。当此输入状态从高电平向低电平改变时，假如传感器的输入码为 100，则具有相 同字母高侧和低侧输出驱动将进行交换。即 AT 变为 AB 、BR 变为 BB 、CR 变为 15 第三章 电机稳速控制器的硬件设计 CB ，此时电动机的转向顺序已经颠倒，从而改变电动机的转动方向。 3.2.5 集成芯片 MC33039 介绍 MC33039 是一种专门用于无刷直流电机控制系统的高性能闭环速控适配器。它不 需要磁或光转速计就能实现速度调节。该芯片包含三个输入缓冲,每路输入缓冲都带 有一个延时器以提高抗干扰能力,此外,MC33039 还带有三个数字信号边沿检测器,一个 可编程单稳态以及一个内部并联调节器。同时该芯片还包含一个变换器输出,故可满 足要求传感器进行相位转换的系统。并且能很经济地用于 MC33033 的三相闭环速度 控制。 2.MC33039 工作原理 MC33039 提供了实现无刷直流电机闭环速度控制的经济的方法，避免了使用磁或 光转速计。每个传感器信号跳变用数字检测，在锁存的 “置位 ”输入端作 ‘或’操 作，并引起 CT 放电。相应的输出脉冲以一定的幅度在 fout （引脚5 ）产生，可编程 宽度由 RT 和 CT （引脚6 ）值所决定。输出脉冲序列的平均电压随电机速度增加而上 升。当通过一个低通滤波器或积分器馈电时，产生与速度成正比的直流电压。 3.3 功率驱动电路的设计部分 功率驱动电路采用的 TMOS 电力MOSFET 三相桥式电路 MPM3003,该电路是由六 个功率器件 MOSFET 连接而成的，利用 MPM3003 的优势在于驱动电路简单，驱动功率 小，还有就是开关速度快，工作频率高。 1 1 , 1 2 3 Q2 Q4 Q6 MOSFET-P MOSFET-P MOSFET-P 7 1 0 6 4 9 2 Q3 Q1 Q5 MOSFET-N MOSFET-N MOSFET-N 5 8 1 MPM3003 芯片原理图 MPM3003 作为 57 系列电机的驱动器，由于其本身特有的驱动电路简单、驱动功 率小等特点故被选为本课题的驱动器。MPM3003 作为一个驱动器，需要和专用集成 芯片相连构成完整的控制电路来驱动以及控制电机。那么，接下来我们主要介绍由安 16 森美半导体公司生产的高性能第二代单片无刷直流电动机控制器 MC33033 的特性以 及由它和 MPM3003 以及MC33039 构成的外围电路。 3.4 液晶屏 LCD1602 说明 1）LCD1602 简介 1602 也称为 1602 字符液晶，它是一个专门显示字母，数字，符号及其他点阵液 晶显示模块。它由几个 5X7 或 5X11 点阵字符位，每个位可以点阵字符显示一个字 符，每行之间的间距彼此之间的间隔起到了字符间距和行间距的作正因为如此所以它 不能很好地显示图形（用自定义 CGRAM ，显示效果也不好）。 1602LCD 是指显示的内容为 16X2.即可以显示两行，每行 16 个字符液晶模块 （显示字符和数字）。 2 ）LCD 管脚功能介绍 2.LCD 引脚功能表 表 3-7 LCD 引脚功能表 编号 符号 引脚说明 编号 符号 引脚说明 1 VSS 电源地 9 DB2 数据 2 VDD 电源正极(+5) 10 DB3 数据 3 VO 液 11 DB4 数据 4 RS 数据/命令选择 12 DB5 数据 5 R/W 读/写选择 13 DB6 数据 6 E 使能信号 14 DB7 数据 7 DB0 数据总线 LEDA 背光源（+5V） 8 DB1 数据 16 LEDB 背光源负极 17 第三章 电机稳速控制器的硬件设计 3.LCD 各管脚的详细说明 第 1 脚：VSS 为地电源。 第 2 脚：VDD 接 5V 正电源。 第 3 脚：VL 是液晶显示器的对比度调整端 口，当与正电源连接时对比度弱，与 地相接时对比度高，对比度太高时会产生“鬼影” ，使用的时就可以通过一个 10K 电位 器来调整对比度。 第 4 脚：RS 是寄存器的选择，高电平的时候会选择数据寄存器、低电平的时候 会选择指令寄存器。 第 5 脚：R /W 为读写信号线，高读，写操作。当 RS 和 R / W 为低，可共同书面 指示或显示的地址，当 RS 低 R / W 为高忙信号，当 RS 高 R / W 为低数据可以写入可 以读取。 第 6 脚：E 端是使能端，当 E 端 口由高电平转变成低电平时，液晶模块执行命 令。 第 7～14 脚：D0～D7 为 8 位双向数据线 脚：背光源正极。 第 16 脚：背光源负极。 3.5 本章小结 本章主要介绍了所需的单片机，引脚说明及设计所需电路，并对如何实现对电机的启动停止，正传反 转，给予适当的说明。 18 第四章 控制系统软件的设计 第四 控制系统软件的设计 4.1 软件系统整体设计思路 便于有效的控制电机的启停，正反转及速度显示，我们对各部分进行分割，写出 各部分子程序，各部分子程序有：启动停止子程序，加减速子程序，正反转子程序， 速度测定程序等；然后对其进行组合，最终可形成一个完整可行的无刷电机控制系 统。 程序采用 C 语言编写，首先要编写控制系统的主程序，然后再写各个应用模块的 子程序，这是一种简单有效的编程方法，即把总的控制过程逐步细分，分化成一个个 的子过程。一直分化到所导出的子过程能直接用编程语言来实现时为止。但这种方法 最难以把握的一点就是总体的逻辑结构不能出错，所以有了初步计划，然后就是编写 各部分子程序，最后加以整合。 4.2 软件流程图 4.2.1 主程序设计 通过前两章的归纳和总结，已经将无刷电机稳速控制器的大体硬件设计完成，所 以本章节的主要内容就是编写实现各个子程序，实现电机的启停，正反转，速度等的 控制，然后加以总结和整合，最后确定。 画出流程图是首要任务，因为流程图是这个课题的关键所在，首先将单片机进行 硬件初始化，接着通过程序判断是否有按键按下，若有按键按下的话，进行按键处 理，若没有按键按下的话，则通过 PWM 技术检测电机速度，最终显示在液晶屏上。 由此我可以初步做出主程序流程图，如下图所示： 19 开始 启动? N Y 显示 Y 电机正转 正转？ N 反转？ Y 电机反转 N Y 加速？ 电机加速 N Y 减速？ 电机减速 N Y 刹车？ 电机刹车 N Y 停止？ 电机停止 N 主程序流程图 4.2.2 各模块子程序设计 20 第四章 控制系统软件的设计 1 稳速控制模块程序流程图设计 编一段显示程序分别显示当前的转速和我们所需要的转速。用 LCD 显示液 屛显示编一段 PWM 调速的程序，来控制脉冲的宽度从而来控制电机的转速。 通过 霍尔传感器测速，利用霍尔把信号传给单片机，单片机利用计数器的功能来记录转 速，并同时把转速用数码管显示出来。由于真实的转速和我们所设订的转速可能存在 很大的误差，所以要编一段 PID 调速的程序，通过 PID 调节来减少误差。要 3 个按 键，键 1 实现设定转速的功能，键 2 实现切换功能（从所设定的转速切换到真实的转 速的显示，键 3 实现启停的功能。 开始 设定转速 显示设定转速 按键 1 电机转动 按键 2 显示当前转速 对比转速 慢 快 增大转速 减小转速 慢 快 再次对比转速 在符合误差内 保持转速 2.速度检测模块程序流程图设计 21 开始 串口发生模块 初始化 PID 模块 PWM 发生模块 N 是否收到串 口发送的停 止指令 N 计数脉冲个 Y 数是否到预 计值 电机停止 Y 测速模块 结束 3 显示模块程序流程图设计 显示模块主要是通过 LCD1602 显示电机的当前速度，以及正反转。 22 第四章 控制系统软件的设计 开始 N N 电机运行 Y PWM 计算 转速测定 显示当前转速 N 制动 Y 结束停机 4 正反转程序流程图设计 正反转程序设计也相对比较简单，通过程序检测正转、反转端口处信号的高低电 平，来实现相对应的功能。若检测到正转端口处是低电平信号，则实现电机的正转； 23 若检测到反转端口处是低电平信号，则实现电机的反转。 开始 系统初始化 N 按键按下 Y 电机正转 电机反转 计时时间 N 到 Y 结束 4.3 本章小结 本章主要介绍了各个部分的软件程序流程图设计，方便自己编写程序，进一步了 解自己所做课题能实现的目的及结果。 24 附录一 控制器电路图 第五 系统调试与误差修正 5.1 硬件调试 硬件调试主要包括以下几个方面：检查电源是否故障，元器件是否损坏，以及排 除逻辑故障；焊接元器件时，一定要认真仔细，避免一些假焊，焊接不牢固，元器件 内部损坏，及烧毁情况；做到以上这些，再初步做些硬件的简单静态调试。对系统进 行静态调试，静态调试的目的是排除明显的硬件故障。 静态调试工作是在系统加电之前，先用万用表等工具，根据硬件逻辑计图，仔细 检查系统线路是否连接正确，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求，特别 注意电源系统的检查，以防止电源的短路和极性错误，并重点检查系统总线（地址总 线、数据总线、控制总线）是否存在相互之间短路或与其他信号线）电源是否故障 在通电前，一定是要检查电源的电压极性和大小的，或可能造成损害的歧管。检 查插头接通电源后针潜力，常规检查 VCC 和 GND 之间的潜力，如果 5V 〜4.8V 之间 正常。如果高压，在线调试仿真器，它会损坏模拟器，有时会导致应用系统歧管的热 损伤。 （2 ）元器件是否损坏 这样的错误主要由两个原因造成：一种是购买时已经打破元件，而另外一种 是由于安装错误，造成设备烧毁。检查组件可以采用与课题的设计原理，说明书 和安装是否相同。为了确保能够完整运行，使用替代的方法减小或消除误差。 （3 ）排除逻辑故障 这种故障往往是由于在设计过程中和处理系统板过程中造成的错误。包括错线， 开路，短路。首先处理除外仔细控制 PCB 原理图，看到这两个是相同的。应当特别注 意检查电源的系统，以防止电源极性错误和短路问题，并要重点稽核系统的总线（控 制总线、数据总线和地址总线）是否存在与其它信号线路短路或相互之间的短路。有 必要的时候用数字万用表的短路测试功能，也可以缩短时间。 5.2 软件调试 在软件设计、调试的过程中，分为以下几步进行： 第一步，创建源程序。按照单片机 C 语言源程序所要求的格式、语法规定，把源 程序输入到 KEIL 编程软件中，并保存。 第二步，在 KEIL 编程软件中，对输入的源程序进行编译，直至语法错误全部纠 正为止。如无语法错误，则进行下一个步骤。 第三步，将调试完毕的用户程序通过 EPROM 编程器，固化在 EPROM 中。 25 从实质上讲，系统软件的调试是对软硬件的综合调试，一方面要排除软件错误， 同时进一步解决硬件部分的遗留故障。 调试的方案是将整个系统按其功能分成若干模块，如系统的显示模块、时钟模 块、速度检测模块、正反转模块、键盘功能模块等。针对不同的功能模块，编写一小 段测试程序，再将它们连在一起统调，并借助于万用表、示波器等仪器来检查硬件电 路的正确性。 调试过程中遇到的问题： 1）、由于 KEIL C 对中文支持不太好，这将出现的实际位置的光标，光标是不一 致的现象，这会修改受影响的中国数据。在 Windows2000 这里，我们可以设置字体 为 Courier ，这样你就可以正常显示。Windows XP 系统基本不会出现此问题。 2 ）、当你使用有片外的内存MCU 时候，一定要设置标志位，并编译的方式要选择最 大模式，否则将会出现错误。 3 ）、当使用 Keil C 程序运行的状态时，要把引起 Warning 的语句屏蔽，否则有可能跟 踪语句的时候会出错。 4 ）、当编程涉及到有关通信，时序是很重要的。拉高管脚的执行速度远远比检查管脚 电平的要快。 5 ）、在等待管脚电平变化的时候，我们需要设置好超时处理，否则程序就会因为一个 没有预计的错误而死锁。 5.3 软硬件联调 硬件和软件单独调试成功后，就要开始软硬联调，这是最关键的部分，不过开始 单独调试时一些基本的故障已经排除，所以软硬联调起来也没遇到太大的问题。由于 在硬件设计的时候，电路板各个模块之间是断开的，组合时用跳子进行连接，这就给 调试提供了方便。调试时采取的是先单独模块进行调试，最后整体调试。各模块的程 序代码，对应相应的硬件模块进行测试，各个模块测试成功后，将整个系统联合起来 进行系统整体调试，由于各个模块电路调试已经完全成功，所以整个系统调试也就很 方便，只是要注意各个模块之间的干扰。系统要实现的功能，也是采取单个功能进行 调试，最后进行整合。最后所有要求功能都已实现，系统设计成功。 5.4 本章小结 本章主要介绍了实物软硬件调试的情况，并能正确显示其功能的正确实现。 26 附录一 控制器电路图 第六章结束语 本课题主要说明的就是三相闭环调速系统的简单应用，并且用了低价位的 STC89C52 所做单片机最小系统外围电路来实现显示，按键，与电脑实现通信等功 能。这次的课题主要是采用的是 PWM 技术进行调速，不仅灵活，而且更大程度上降低 了成本，它能充分发挥单片机的功能，对于简易的无刷电机稳速控制提供了一种切实 可行的途径。 经过这半学期学习与努力终于完成了我所设计的无刷电机稳速控制器，虽然途中 我也遇到过一系列的问题，但是最终我都能一一解决，而且这次制作经历已经深深地 映在我的脑海里。 在这次设计中我学到了很多，虽然也有许多瑕疵，对于一些细节把握的不是尽善 尽美，但我始终相信这次设计对我受益匪浅。 27 致谢 对于这次毕业设计，最要感谢的就是我的导师，每次我做课题到瓶颈的时候，他 都能给予我耐心细致的指导，并给我提出对应的解决方案，使我走出瓶颈，受益匪 浅。 不仅仅是我的导师给予我很大帮助，在此，我还要衷心谢谢那些帮助过我的同 学，还有我深爱的母校，在这里我度过了一段美丽的时光，在此学的知识，也为我的 将来打下坚实的基础。 28 附录一 控制器电路图 参考文献 [1] 张文灼.单片机应用技术[M].机械工业出版社.2008 [2] 李先允. 电力电子技术[M].中国电力出版社.2006 [3] 张琛.直流无刷电机原理及应用[M].机械工业出版社.1996 [4] 谭建成. 电机控制专用集成电路[M].机械工业出版社.1997 [5] 王晓明. 电动机的单片机控制[M].北京航空航天大学出版社.2002 [6] 吴守箴，臧英杰. 电气传动的脉宽调制控制技术[M].机械工业出版.1995 [7] ACARNLEY P P 、WATSON J F. 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