论文总字数：17065字

目 录

1 绪论 1

1.1 课题设计背景及意义 1

1.2 国内外研究动态 1

1.3 本文主要研究内容 2

2 无刷直流电机的运行原理 2

2.1 无刷直流电机的基本结构 2

2.2 无刷直流电机本体介绍 3

2.3 检测转子位置 4

2.4 电子换相器 4

2.5 无刷直流电机的工作原理 4

2.6数学模型简述与分析 6

2.6.1 电压模型 6

2.6.2 电磁转矩 7

3 系统硬件设计 7

3.1 系统总体方案设计 7

3.1.1 系统总体效果 7

3.1.2 调速方案设计 10

3.2 系统方案选型 10

3.2.1 微处理器选型 10

3.2.2 无刷直流电机的选型 10

3.3 单片机主控模块 11

3.4 电源模块 12

3.4.1 电源模块的器件与方案选择 12

3.4.2电源模块设计 13

3.5 速度控制模块 14

3.6 端口电路驱动模块 14

3.7 液晶显示模块 15

3.7.1 液晶显示模块简介 15

3.7.2 液晶显示电路 15

4 系统软件设计 16

4.1 系统程序功能分析 16

4.2 主程序 16

4.3 PWM波控制程序 17

4.4 LCD液晶显示程序 18

4.5 按键子程序 19

4.6上位机端监测软件设计 19

4.6.1上位机功能分析 19

4.6.2上位机程序设计 20

5 软硬件调试 21

5.1 硬件调试 21

5.2软件调试 21

5.3单片机PWM端输出波形检测 21

5.4 系统实物 23

6 总结 24

参考文献 25

致谢 26

基于单片机的无刷直流电机 速度控制系统设计

王明东

，China

Abstract: With the continuous development of technology, brushless DC motors are widely used. The brushless DC motor has excellent speed regulation performance. This paper analyzes the structure and working principle of the brushless DC motor in depth, and then designs a speed control system for the brushless DC motor. The system is based on the STC51 microcontroller as the microprocessor. With power supply module, port circuit driver module, speed key control module, liquid crystal display module ,we can achieve positive and negative control, speed control and speed display. The system is simple in design, high in practicality and suitable for many fields.

Keywords :single chip microcomputer; brushless DC motor; speed control

1 绪论

课题设计背景及意义

随着经济全球化、科技不断发展，在电气时代的今天，不管是在农业领域、交通运输领域、国防航空领域、医疗卫生领域，还是在日常生活中必备的各种家用电器都存在使用着大量的电动机。有关资料显示，在我们国家超过一半的电能是直接用于电机的。因此，开发能够极大节约能源，控制效率高的电机控制系统，对人类进步、社会发展、技术创新具有深远的意义。

长期以来，有刷直流电机广泛应用于工业农业的领域，在驱动装置和伺服控制系统中几乎都采用直流电动机，是因为有刷直流电机能够进行不错的调速功能，所以在很多需要调节速度的地方大量使用。但是，直流电动机有一个最大的缺陷，就是采用机械换向器，这会使机械电刷与换向器接触，导致电机可靠性差，容易产生火花、刺耳噪声和一些电磁干扰，需要不断更换磨损的电刷，增加了成本，所以影响了直流电动机的运用。

无刷直流电机的出现，将直流电机的机械换向器变成电子换向器，极大地改善了直流电机的缺陷。相比之下，无刷直流电机有很大的优势，第一噪声低；第二使用效率高，负载能力强；第三控制结构比交流电机简单；第四容易维护、使用期长。因为制造无刷直流电机的主要材料稀土永磁材料普遍化，且其保留了直流电机能够进行优良调速的优点，还有一点是使用交流电动机结构，所以电机本体结构不复杂，运行性能十分可靠。综上所述，电子换向器从根本上解决了机械换向器的坏处，所以研究无刷直流电机的速度控制系统有很大的现实意义。

国内外研究动态

随着时间的流逝，科学技术的急速发展，电力电子中半导体技术有了很大的进步。高性能开关型晶体管被人们研制成功^[1]，慢慢地将这些电子器件应用到直流电机中，推动了无刷直流电机的出现。上世纪五十年代，美国人哈利森的专利将半导体器件用于电机为现代无刷直流电机的出现奠定了基础^[2]。而六十年代，出现了用霍尔传感器检测转子位置的无刷直流电机，代表着无刷直流电机的产品化时代到来。1978年，无刷直流电机及其控制系统在某次展览会上被一家德国公司向世人郑重介绍，标志着无刷直流电机发展不可阻挡的潮流趋势。

如今，无刷直流电机将取代有刷直流电机的发展趋势越来越大，所以无刷直流电机控制系统的研究已是现在高校研究的热门课题，它的驱动和控制方式也在科学家们的不断攻克下，取得越来越多的成果，这对社会具有很重要的意义。功率半导体器件在随着电力电子的进步，从以前的半控型渐渐地发展到现在的全控型。带动了无刷直流电机的进步，使其电机可靠性与电机使用效率大大提高，最重要的是对电机的控制频率从几千赫兹变成五百千赫兹^[3]，并且因MOSFET和IGBT晶体管的出现提高的更加显著。所以无刷直流电机控制系统已经覆盖到工业自动化、家用电器、工业自动化、交通运输等领域。

本文主要研究内容

本文设计是一套基于单片机对无刷直流电机的速度控制。本设计首先大量收集资料，研究了无刷直流电机的本体和工作原理，然后根据实际情况，选用合适的无刷直流电机型号，进行整体设计。硬件部分先进行调速方式选择、硬件选型，然后对整体电路原理图进行设计。软件部分划分按键模块、调节PWM波调速模块、液晶显示模块。实现对电机的速度控制、正反转控制、速度显示功能。

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