摘 要

无刷直流电机是近年来飞速发展的一种电动机，它和传统电动机相比用电子换向器取代了机械电刷，具有体积小、重量轻、调速方便、范围广的特点。

本文将介绍一种基于STC89C52单片机的无刷直流电机调速系统。第一章介绍无刷直流电机的研究意义、发展方向，然后阐述它的结构、工作原理、控制方法。第二章完整的讲诉整个系统的硬件电路及其工作原理，包括单片机硬件电路、按键电路、速度显示电路、电机驱动电路、过流保护电路等等。硬件部分完成后，接着就是系统的软件部分。第三章软件方面主要包括主流程框图和模块流程框图并对框图的运行过程做相应阐述，然后就是软件部分的程序设计。最后完成的是通过Matlab仿真软件对整个系统进行仿真，仿真前要认真检查各元件连接是否正确，假如不正确要根据软件的错误报告一个一个进行检查，全部正确之后再进行仿真。

关键词：无刷直流电机；STC89C52单片机；Matlab仿真

Abstract

Brushless DC motor is very very quick develop in last ten years, compared to conventional motor, and it replaces the mechanical commutator brushes electronically, It is very small and control quickly and have a range wide.

This article describes a brushless dc motor STC89C52 control system based on SCM. First introduced the research significance, the development direction of the brushless DC motor, and to elucidate its structure, working principle, control method. Then complete the complaint about the hardware circuit and working principle of the whole system, including single-chip driver circuit, key circuit, display circuit speed, motor drive circuit, overcurrent protection circuit and so on. After the hardware is completed, followed by a part of the system software. Software including run the main flow chart and block diagram of the processes and procedures accordingly proposed, then that is part of the programming software. Finalized by Matlab simulation software simulation of the entire system, The simulation results analysis concluded, to achieve smooth speed brushless DC motor.

Key Words：Brushless DC motor；STC89C52 microcontroller; Matlab simulation

目录

第一章 绪论 1

1.1无刷直流电机的发展 1

1.2无刷直流电机的优越性 1

1.3无刷直流电机的应用 2

1.4无刷直流电动机基本结构 2

1.5无刷直流电动机的工作原理 4

1.5.1霍尔位置检测器 4

1.5.2 霍尔无刷直流电机工作原理 6

第二章 无刷直流电动机的硬件设计 7

2.1系统组成 7

2.2 PWM调制技术介绍 8

2.3 单片机的硬件电路 10

2.4 按键电路 11

2.5 速度显示电路 12

2.6 光耦隔离电路 13

2.7 功率变换电路的设计 13

2.7.1 功率管的选用 13

2.7.2功率管驱动电路设计 13

2.8 电动机换相 14

2.8.1电动机的换相原理 14

2.8.2电动机的正反转换相 15

2.9过流保护电路的设计 16

第三章  系统软件设计 18

3.1 软件系统概述 18

3.2 系统程序总体设计 18

3.3 软件流程图与部分代码 18

第四章 无刷直流电机速度控制与仿真 26

4.1 Matlab介绍 26

4.2 仿真电路图 26

4.3 系统的仿真、仿真结果的输出及结果分析 27

4.3.1起动，阶跃负载仿真 27

4.3.2可逆调速仿真 30

结束语 32

参考文献 33

致谢 34

附录A 系统原理总图1 35

附录B 系统原理总图2 36

附录C 仿真原理图 37

附录D 系统软件代码 38

第一章 绪论

1.1无刷直流电机的发展

因为在运动控制理论的优越特性，直流电动机已经得到了很大范围的应用。传统的电动机由于使用机械毛刷，可靠性很差，产生很大的声音，会受到无线电波的干扰，而且生命也是非常短，较高的生产成本和维修问题也严重影响着电动机的发展。随着社会生产力的提升和人民生活水平的不断提高，社会对新型的电机需求越来越大。这些年来各种各样的科学发展得很快，连带着电动机也在不断更新换代。

针对传统电机的上述缺点，在二十世纪30年代，人们开始开发一种新的无刷直流电机，并且做了很多这方面的实验。但是，由于这时候的电力电子发展还不成熟，没有找到理想的电子换向元件，使这项研究一直停留在实验阶段，实验阶段的产品人们都不喜欢买，因为他们不相信这些产品，后来美国的哈利深经过刻苦认真的研究，终于发现可以用电子换向器代替机械换向器，这真的是一项伟大的发明，很多人因此而受益，这也导致了没有电刷的直流电动机的飞速发展，直接引发一轮经济上的腾飞。后面一段时间内，经过了很多人的艰苦奋斗，电子换向得到了很大的突破，它可以通过霍尔元件来实现，这实在是一个很大的进步，电动机开始快速向无刷迈进。20世纪70年代，电力和电子方面发展迅猛，许多新的技术相继产生，电动机也不断的改正它的缺点，一步一步向现代电动机迈进，使无刷直流电机得到了坚实、全面的发展。近四十年来，电力电子换向器的使用，以及国际社会对无刷直流电机的更加关注，使得无刷直流电机的发展更为迅猛^[2]。

1.2无刷直流电机的优越性

无刷直流电机是一种很好的电动机，它相比于其他的电动机有很多不一样的地方比如效率高、功率因数高等等。它不会产生铜耗和铁耗，相比于其他相同容量的普通电机效率提高了5%到12%，这个效率提高是很惊人的，这也说明了为什么近些年来为什么无刷直流电机能飞速发展，这和它的效率息息相关。另外，无刷直流电机的机械特性和调节特性和它励直流电动机类似，所以起动转矩大、启动电流小、调节范围广，这决定了无刷直流电机适合长期低速、频繁启停的场所。

实际上，无刷直流电机也有自己的不足，就像成很高、难以掌握的复杂性等等。在一些领域，这已经严重阻碍了无刷直流电机的发展。这几十年来，电力电子技术得到了飞速的发展，无刷直流电动机的缺点在一步一步得到改正，慢慢的得到了人们的认可，所以在未来的一段时间内，无刷直流电机将向着更开阔的前景进发，整个国家的有关电力的方面都将会飞速发展，这将进一步加速无刷直流电机的发展，也将进一步影响到我们生活的方方面面^[3]。

1.3无刷直流电机的应用

如今，无刷直流电机涉及整个社会的方方面面，大的方面像军事和航天领域的飞机自动驾驶仪，炮兵领域和雷达领域，整个国家的武装体系，以及航天技术中心的信息处理等等，以及我们平时用的电脑，平时用的硬盘，平时用的传真机，还有键盘、录像机很多方面，以及在照相机，光碟，DVD等也有很大范围应用。在医疗领域、在化工领域、在纺织领域都得到了广泛应用，对国民经济的发展作出了重大贡献，由于电力是整个社会最重要的能量来源，无刷直流电机已经成为很多方面必需的一部分，没有无刷直流电机就无法展开。相比于伺服电机系统，无刷直流电机有很多的优点，在很多地方它也在慢慢的代替伺服电机。但是相对的，伺服电机的结构比较简单，直流伺服电机在经济性方面相比无刷直流电机还有一定优势，直流伺服电机仍将继续出现在大众的视野当中。可以说，无刷直流电机的每一次更新换代，都必将引领整个社会各个方面疯狂进步，发展无刷直流电机是非常有必要的。

1.4无刷直流电动机基本结构

没有电刷直流的电动机是属于三相的同步电机中的一种，它的磁场是有在它上的永久磁铁产生的，所以无刷直流电机的发展随着永久磁铁的发展而发展。在这个地方，电动机的特性在很大程度上取决于在永久磁铁的特性。目前应用比较多的的永磁材料主要有钕铁硼、铝镍钴、铁淦氧等，由于钕铁硼线性关系范围最大，无刷直流电机的应用范围非常的广，基本只要是电动机能用的场合无刷直流电机都能用，同时它也被称为第三代稀土永磁合金。无刷直流电机上的永久磁铁包括很多种，但一般它只有两种类型：圆形的以及矩形的，这两种类型最完美的切合了无刷直流电机的应用场合，矩形的适用于场景波动比较大，无刷直流电机不能安静工作的场合，具有扇形磁铁电枢电感结构不仅小的转子，而且齿槽转矩较小，但其缺点是容易受到电枢反应，这导致了其磁通注意力不集中，并且低气隙磁通密度。另外一种结构的转子是矩形磁铁构造的，它的特点是电极呈现凸极性、大的电感，齿槽转矩，但是磁通能集中，可以形成一个高磁通密度，它适合于大容量的电机，由于电动机具有凸极的功能，因此可以使用磁阻转矩，此外，有这个永久磁铁的转子结构，是难以飞行，因此可在高速电机上使用。三相永磁同步电机有很多型号，其中最主要的是下面2种型号：发出正弦波的三相同步电机和发出方形波的三相同步电机，它们各有各的优点和缺点，但是主要的功能差别不大，它们之间的划分也很简单，根据磁通不同来划分，一个发出正弦波，一个发出方波。作为名称，永磁体同步电动机的各相的正弦磁通分布潜在的正弦激励，方波针对每个相永磁同步电动机是方波，并且根据永久磁铁和磁结构而变化的形状。对于电机，永磁激励子午线结构，拥有稀有金属材料，稀有金属的结构很复杂，通过将稀有金属和无刷直流电机的永久磁铁相结合，可以实现无刷直流电机产生的方波是正弦分布^[4]。