基于单片机的无刷电机控制系统设计

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1、前言电动机作为机电能量的转换装置,其应用范围已遍及国民经济的各个领域以及人们的日常生活之中。传统的直流电动机均采用电刷,以机械方法进行换向,存在着相对的机械摩擦,由此带来了噪声、火花、无线电干扰以及寿命短等致命弱点,制造成本高及维修困难等缺点,因而大大地限制了它的应用范围。永磁无刷直流电动机是近年随着电力电子器件及新型永磁材料发展而迅速成熟起来的一种新型机电一体化电机，它具有以下特点:1．无刷直流电动机的转子采用高磁能积的稀土磁钢作为转子磁钢,其转动惯量比鼠笼转子要小,所以对于给定的转矩能够响应得更快,控制特性更好。2．无刷直流电动机的效率比感应电动机高。

2、因为在感应电机运行时,转子上不会产生铜损和铁损。3．在相同容量下,无刷直流电动机的体积相对要比感应电机小,重量轻。4．无刷直流电机的噪音小。5．无刷直流电机调速方便,灵活,范围广。目前永磁无刷直流电动机控制器结构已有多种形式，有最初复杂的模拟式到近来以单片机为核心的数字式，但新型电机控制专用芯片的出现，给无刷直流电机调速装置设计带来了极大的便利，这种集成模拟控制芯片控制功能强、保护功能完善、工作性能稳定，组成的系统所需外围电路简单、抗干扰能力强、特别适用于对控制器体积、性能要求较高的场合。专用控制芯片优点固然多，但往往价格比较昂贵。在一些控制要求精度不是很

3、高的场合，就需要能有一种工作稳定，价格又比较低廉的控制器。本设计就是基于此市场需求，详细介绍了一种利用普通的STC89C5X单片机作为主控芯片的无刷直流电动机控制器的设计。该控制器成本低廉，功能齐全，通过实验测试工作性能稳定，特别适用于对控制器精度要求不是很高的场合。第一章 无刷直流电动机概述1.1无刷直流电动机的特点传统的直流电机以其优良的转矩特性和调速性能在运动领域中有着广泛的应用，但机械电刷却是它的致命弱点。无刷直流电动机就是为了既要保持有刷直流电动机的特性、又要革除电刷和换向器的目的研究开发的。控制系统中的执行电动机应该具有下列优点:快速性、可控性

4、、可靠性、体积小、重量轻、节能、效率高、适应环境和经济性。下面将就这些方面具体分析无刷直流电动机的优点所在。为了实现快速的起、停、加速、减速，要求电动机具有小的转动惯量和大的起动转矩和最大转矩，无刷直流电动机的转子主要是由永磁材料构成的磁极体组成，电枢绕组在定子上，因而转子外径可以相对较小，转子惯量也就较小;转矩方面，只有直流电动机才能达到大的起动转矩和大的最大转矩，而无刷直流电动机具有直流电动机的特性，起动转矩和最大转矩都较大。这使得它具有快速性的特点。在可控性方面，直流电动机的输出转矩和绕组流过的电流成线性关系，直流电动机的起动转矩又大，因此可控性最好

5、、最方便。无刷直流电动机具有一般有刷直流电动机的调速特性，只要简单地改变电动机的输入电压的大小就可以在广阔的范围内进行无级调速。在可靠性方面，消除了电刷，也就消除故障的主要根源，无刷直流电动机的转子上没有绕组，因而在转子上没有电的损耗，又由于主磁场使恒定的，因此铁损也是极小的，总的来说，除了轴承旋转产生摩擦损耗外，转子方的损耗很小，进一步增加了无刷直流电动机工作的可靠性。由此可知，和其它类型的电动机相比，无刷直流电动机不仅较为可靠而且损耗较小，它的电枢在定子上，直接和机壳相连，散热条件好，热传导系数大。由于这样的关系，在相同的条件下，在相同的出力要求下，无

6、刷直流电动机可以设计得体积更小，重量更轻。不论是电机设计还是系统设计，提高效率、节约能量都具有重要意义，有着长远的社会、经济效益。据报道，美国55%以上的电力是消耗在电动机的运行上，美国GE公司曾预测，仅在制冷器具的应用中，若用无刷电机取代传统的异步电动机，其效率可提高20%，全美国一年可节约用电2.2MkWh。而异步电动机运行在轻载时功率因素低，增加线路和电网的损耗，根据有关报导，我国消耗在电动机上的电力占整个电力的65%以上。因此，提高电动机的效率，选择损耗最小、效率最高的电机是很重要的。从以上的分析可以看出，相对于其他类型的电机，无刷直流电动机的损耗

7、最小、节能效率最高。一份资料作过对比分析，对于7.5kW的异步电动机系统效率可达86.4%，但是同样容量的无刷直流电动机效率可达92.4%。在环境适应性方面，对于高性能系统，只能采用直流电动机，但在同时要求长寿命，免维修以及防爆、防燃的环境条件下，有刷直流电动机就无法适应，无刷直流电动机才是最好的选择。在经济性方面，随着电子技术的发展，电子元器件的价格不断的下降，无刷直流电动机驱动、控制器的价格己经和异步机的变频器相差不多了，只是由于稀土永磁材料的价格较贵，无刷直流电动机的成本也较高.但是在考虑综合指标(系统性能、重量、能量消耗)之后，无刷直流电动机的应用

8、仍呈上升趋势。1.2 无刷直流电动机的发展历史及研究应用现状191