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1、在此处键入毕业设计（论文）题 目 基于LS单片机的无刷直流电机系统的研究与设计专 业 电气工程及其自动化 班 级 学 生 指导教师 2013 年i基于LS单片机无刷直流电机控制系统的研究与设计专业：电气工程及其自动化班级：电气095作者：指导教师：职称：讲师 高工答辩日期：2013-6-21摘 要为了解决客车、城市公交车在实际使用中发动机不同温度状况下的散热问题，有效地保证发动机的正常使用温度，车载电子风扇是最佳选择。本文旨在研究一种低成本的无刷直流电机控制器。为了研发一款低成本的控制器，较好地控制无刷直流电机，本文着重研究了无刷直流电机（永磁同步电机）的控制策略及其实现方法。本文最终确定了无
2、刷直流电机的变压变频开环控制方式，其能够实现在基频以下进行恒压频比控制，在基频以上进行恒功率控制。本次设计利用LS052Ax单片机作为控制核心，主要用来发出SPWM脉宽调制波，主电路采用常用的三相电压源型逆变电路。频率增长采用给定积分法。实验结果证明，这种控制方法控制可靠，成本低廉，能够获得良好的动静态性能。经过最 终测试，本次设计系统可达到如下指标，电机能够在6s之内转速迅速升高至3000RPM，且起动成功率为100%，输出电流最大2A，输出最高频率200HZ，直流母线侧电压12V，最大功率24W。关键词：无刷直流电机，LS052Ax单片机，SPWM脉宽调制，低成本AbstractIn or
3、der to solve the problem of heat dissipation of the vehicle engine under different temperature conditions, ensuring the normal use of the vehicle engine, electric fan is the best choice. This paper aims to study a kind of low-cost brushless DC motor controller.This paper mainly studies the brushless
4、 DC motor (PMSM) control strategy and its realization method aiming a low-cost controller. This paper determines the VVVF open-loop control mode, which can achieve Constant control in the following baseband, constant power control in the above baseband. This design uses LS052Ax microcontroller as co
5、ntrol core, which is mainly used to send the SPWM wave; the main circuit is a three-phase voltage source inverter. Frequency increases by the given integral method.Experimental results show that this control method is reliable, low-cost, and can obtain good dynamic and static performance. In the fin
6、al test, the design of the system can achieve the following indicators: the motor can accelerate to 3000RPM within 6 seconds, and the motor can finish setup each time; the maximum output current is 2A; the maximum output frequency is 200HZ; the DC bus voltage is 12V; the maximum power is 24W.key wor
7、ds: brushless DC motor, LS052Ax MCU, SPWM, VVVF, low cost目 录第1章 绪论11.1 毕业设计（论文）课题来源、类型11.2 选题的目的及意义11.3 本课题在国内外的研究状况及发展趋势11.4 本毕业设计（论文）的主要内容2第2章 系统总体方案论证32.1 控制对象分析32.1.1 无刷直流电机结构32.1.2 无刷直流电机工作原理42.1.3 无刷直流电机参数52.2 控制系统主电路分析论证52.2.1 三相逆变电路分类52.2.2本系统采用电压型逆变电路72.3 控制系统的控制芯片选型82.3.1 LS芯片简介82.3.2 LS主要
8、功能特性82.3.3本次设计选用该芯片的缘由92.4 系统控制策略分析论证102.4.1 无刷直流电机的控制方法102.4.2 两种控制方式的比较102.4.3 本次设计所采用的方法11第3章 PSIM仿真133.1 PSIM仿真框图133.2 仿真波形及分析133.2.1 载波比N=63133.2.2 载波比N=33153.2.3 载波比N=21173.3 仿真总结19第4章 系统的硬件设计214.1 硬件系统总体设计214.2 电源模块设计214.3 单片机控制模块224.4 驱动电路设计234.5 PCB板的设计24第5章 系统软件设计255.1 系统软件总体设计255.2 三相SPWM
9、原理及算法实现255.2.1 SPWM介绍与原理分析255.2.2 SPWM实现方案对比265.2.3 调制方式选择295.3 主程序设计325.4 全比较单元模块配置335.4.1 通用定时器T1的配置335.4.2 死区单元的配置335.5 中断模块设计34第6章 系统调试356.1 硬件调试356.2 软件调试356.3 系统测试结果366.3.1 电路板接上电机测试结果366.3.2 相关测试波形37第7章 结论与展望457.1 设计结论457.2 设计展望45参考文献47致谢49附录1 整体电路图50附录2 部分源程序51第1章 绪论1.1 毕业设计（论文）课题来源、类型本课题来源于
10、生产生活实际中需要解决的问题，为工科课题。为了解决客车、城市公交车在实际使用中发动机不同温度状况下的散热问题，有效地保证发动机的正常使用温度，车载电子风扇是最佳选择，本设计旨在研究设计一款低成本的无刷直流电机控制器。1.2 选题的目的及意义无刷直流电机控制系统是集电机技术、电力电子技术、控制理论和计算机技术等科学技术于一身的机电一体化系统，体现了当今应用科学的许多最新成果，是机电一体化的高新技术产品1。选择该课题进行研究的目的和意义在于：在解决生产生活实际中问题的同时，培养自己独立从事技术开发和科学研究的能力。1.3 本课题在国内外的研究状况及发展趋势目前在工业先进的国家里，工业自动化领域中的
11、有刷直流电动机已经逐步被无刷直流电机取代。现在从国外进口的设备中，已经很少看到以有刷直流电动机作为执行电动机的系统，一些国家如美国、英国、日本、德国的相关公司经不再大量生产伺服驱动用的有刷直流电动机2。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。1.4 本毕业设计（论文）的主要内容本次毕业设计在首先认真分析了无刷直流电机的结构，了解了它的控制方法，并对不同的控制方法做了对比，结合LS单片机的性能，并充分考虑控制器低成本的要求，最终重点研究了基
12、于LS单片机的SPWM变压变频起动的原理和实现方法。本次设计主要包括两个方面：硬件和软件。硬件方面包括控制芯片的选择，主电路的设计，驱动电路的设计，及PCB板的制作；软件方面包括SPWM波形的生成，单片机多通道的设置，VVVF控制方法的实现算法等。系统软件采用c语言编写，开发环境为KEIL。第2章 系统总体方案论证2.1 控制对象分析2.1.1 无刷直流电机结构无刷直流电机是一种自控变频的永磁同步电机，就其组成结构而言，它具有旋转的磁场和固定的电枢。这样电子换相线路中的功率开关器件，如晶闸管，晶体管等可直接与电枢绕组连接。电机内装有一个转子位置传感器，用来检测转子在运行过程中的位置。它与电子换
13、相线路一起，替代了有刷直流电机的机械换相装置。综上所述，无刷直流电机由电机本体，转子位置传感器和电子换相线路三大部分组成，如图2-1所示3。图2-1无刷直流电机结构原理图a. 电机本体电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但没有笼型绕组和其他起动装置。其定子绕组一般制成多相（三相、四相、五相不等）。转子由永久磁钢按一定极对数（2p=2，4，）组成。本次设计采用的电机定子为三相，转子为8极。b. 位置传感器位置传感器在无刷直流电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息，即将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号，然后去控制定子绕组换相。位置传感器种类较多，且各具特点。在无
14、刷直流电动机中常见的位置传感器有以下几种：电磁式位置传感器、光电式位置传感器、磁敏式位置传感器。c. 电子换相当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场相互作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各相绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。2.1.2 无刷直流电机工作原理一般的永磁式电动机的定子由永久磁钢组成，其主要的作用是在电动机气隙中产生磁场。其电枢绕组通电后产生反应磁场。由于电枢的换相作用，使得这两个磁
15、场的方向在直流电动机运行的过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩而驱动电动机不停的运转。无刷直流电动机为了实现无电刷换相，首先要求把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永磁磁钢放在转子上，这与传统直流永磁电动机的结构刚好相反。但仅这样做还是不行的，因为用一般直流电源给定子上各绕组供电，只能产生固定磁场。所以无刷直流电动机除了由定子和转子组成电动机本体以外，还要由位置传感器、控制电路以及逻辑开关共同构成的换相装置，使得无刷直流电动机在运行过程中定子绕组所产生的的磁场和转子磁钢产生的永磁场，在空间始终保持在（/2）rad左右的电角度4。2.1.3 无刷直流电机参数本次设计所采用的无刷直流电机为三相八极电机。电机主要参数如表2-1
