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1、目 录 设计总说明 1 GENERAL DESCRIPTION OF THE DESIGN 3 1 绪 论 5 1 1 课题研究的背景和意义 5 1 2 本课题的研究现状 6 1 2 1 本课题研究的国外现状 6 1 2 2 本课题研究的国现状 7 1 3 课题研究主要容 7 2 永磁无刷直流电动机的工作原理 9 2 1 倒直流无刷电动机的结构 9 2 2 直流无刷电动机工作原理 10 2 3 直流无刷电动机的电动机特性 13 2 3 1 机械特性 13 2 3 2 调节特性 14 2 4 永磁无刷电动机的数学模型 14 2 5 本章小结 15 3 BLDC 控制系统的硬件设计 16 3 1
2、控制核心及按键电路 16 3 2 转速显示部分及档位显示部分 17 3 3 驱动电路 19 3 4 转速检测电路 20 3 5 直流无刷电动机的 Proteus 仿真模型 21 3 6 本章小结 22 4 BLDC 控制系统的软件设计 23 4 1 软件部分综述 23 4 2 主函数 25 4 3 显示函数 26 4 4 按键检测函数 27 4 5 PWM 波发生函数 29 4 6 电动机控制逻辑 32 4 7 PID 控制与实现 33 4 7 1 PID 控制的基本概念 33 4 7 2 PID 的参数整定 34 4 7 3 PID 算法的程序编写 35 4 8 本章小结 37 5 BLDC
3、 转速控制系统的仿真 38 5 1 仿真环境简介 38 5 2 仿真步骤 40 5 3 波形分析 44 5 4 本章小结 46 总结与展望 47 参考文献 49 附录 A 51 附录 B 61 附录 C 62 本科期间发表论文 63 致 63 无刷直流电动机的单片机控制与仿真 设计总说明 无刷电动机是一种用电子换向取代机械换向的新一代电动机 与传统的直流电动 机相比 其具有过载能力强 低电压特性好 启动电流小等优点 同时由于采用了电 子换向取代了机械换向 使电动机的使用寿命得到很大的提高 所以近年来在工业运 用方面大有取代传统直流电动机的趋势 研究无刷直流电动机的驱动控制技术具有重 要的实际应
4、用价值 无刷电动机是一个高阶次 多变量 不稳定 强耦合的非线性系统 对无刷电动 机的控制难度要大大高于传统的直流电动机 所以在完善无刷直流电动机硬件的基础 上 研究探索无刷电动机的控制算法 并把算法通过与嵌入式微处理器 MCU 结合 将算法应用到实际的控制系统中 这已成为当今电动机控制领域的一大热点 本设计硬件部分通过 Proteus 进行仿真 通过 Proteus 搭建无刷直流电动机转速控 制系统的仿真平台 软件部分则以 keil C51 为开发环境 基于 80C51 的控制核心 主 要用 C 语言进行编程 在实现了直流无刷电动机开环速度调节的基础上 引入闭环转 速调节和 PID 控制策略
5、同时加入了按键检测以及转速显示 最后实现了对电动机的 加速 减速 正反转等控制以及在消除速度误差及稳速方面做了积极地探索 最后为 实际系统的设计提供了有效的理论实践基础 在本次设计的核心是在以 80C51 芯片为控制单元的硬件基础同时采用位置式 PID 算法 每隔一定的周期对无刷电动机的转速进行检测 然后利用 AD 转换器将采集到 的转速信号经转换后变成实际的转速 利用静态 LED 显示单元将转速显示出来同时将 此转速信号与设定目标作差 将差值输入 PID 控制器 经过 PID 控制算法的运算得到 的结果作为控制信号 根据控制信号改变驱动无刷电机的逆变器的场效应管的导通时 间和换向方式 从而使
6、转速逐渐接近目标转速 本次设计的硬件基础是基于 Proteus 仿真平台搭建的 Proteus 是著名的 EDA 工具 是目前唯一能将电路仿真软件 PCB 设计软件和虚拟模型仿真三合一的实验平台 其 不仅可以在虚拟环境中完成硬件电路的设计 还实现了从概念到产品的完整设计 其 处理器模型支持 51 系列 AVR 系列 ARM 系列等主流嵌入式处理器 在编译方面也 支持 keil C51 MATLAB 等众多编译器 在进行进行仿真时支持实时调试 实现各种 控制算法并观测输出结果 有助于降低开发成本和开发周期 提高设计效率 本次设 计利用 Proteus 元件库所提供的硬件模型 主要有 80C51
7、IR2101 74ls373 AD1674 MOSFET 等 搭建了直流无刷电动机的驱动电路 转速检测电路 按键检测电路 以及转速显示电路 在结合 Keil 进行软件系统的开发 成功地实现了无刷直流电动机转速控制系统的仿真 同时利用 Proteus 提供的虚拟仪表 观测了单片机输出的控制脉冲的波形 电动机各项的实际电压 转速输出的波形等直 流无刷电机的控制参数 Keil 是 51 系列兼容单片机 C 语言的开发系统 C51 在功能上 结构性 可读性 可维护性都远超汇编语言 ASM 由于 ASM 的编程需要过多的考虑到芯片部的结构 所以缺乏可移植性 而且程序往往会变得很复杂 使用 C51 就能避
8、免这些问题 借助 丰富的库函数 C51 能利用较少的代码实现诸如求正切这样复杂的函数 甚至能较轻 松地编出复杂的嵌入式系统 而且易学易用 但是 Keil 提供了包括 C 编译器 宏汇编 连接器 库管理和功能强大的仿真调试器等在的完整开发方案 通过集成开发环境 将这些部分组合在了一起 本次设计是在搭建出基本的硬件电路后 针对 80C51 进行 软件模块化设计 依次完成了按键检测模块 显示模块 电动机控制模块等 为了获 得准确的延时时间 本系统的延时模块采用汇编语言编写 通过汇编语言与 C 语言的 接口 API 实现对汇编语言函数的调用 关键词 无刷直流电动机 单片机 Proteus C51 PI
9、D 仿真 MCU control and simulation of brushless DC motor General description of the design Brushless motor is a kind of electronic commutation instead of a new generation of mechanical commutation motor Compared with the traditional DC motor which has strong overload capacity low voltage characteristic
10、s starting current etc also the electronic commutation is used to replace the mechanical commutation the service life of the motor has been greatly improved so in recent years in industrial utilization is the trend to replace the traditional DC motor the no brush DC motor drive and control technolog
11、y has important practical application value However brushless motor is a high order multivariable and unstable nonlinear system with strong coupling must not have the control difficulty of the brushless motor is much higher than that of the traditional DC motor so in the perfect hardware of Brushles
12、s DC motor based on study and explore the brushless electric machine control algorithm and the algorithm by bind to and embedded microcontroller unit MCU algorithm is applied to actual control system it has become a hot spot in the current motor control field The design of the hardware part of the P
13、roteus simulation by Proteus build no brush DC motor speed control system simulation platform The software uses keil C51 as development environment control core based on 80C51 the main use of C language programming In the realization of the of DC brushless motor speed regulation based and joined the
14、 closed loop speed control position type PID control strategy is introduced also joined the key detection and speed display and finally to achieve the motor acceleration deceleration positive and negative rotation control and in the elimination of speed error and steady speed do active exploration F
15、inally provides a theoretical and practical foundation for the design of the actual system effectively PID refers to the proportional integral differential control is a linear combination ofproportional integral and differential control In the single loop control system the disturbance makes the con
16、trolled parameters deviate from the given value resulting indeviation Automatic control system of regulating unit will come from value measurement of the transducer and the given value comparison of deviation ratio integral and derivative PID algorithm and output standard signal to control the action of the implementing agencies in order to realize the automatic control of temperature pressure flow and other process parameters The PID controller is simple and easy to understand without the use o
