本科毕业设计---直流无刷电机控制系统设计

第3章 直流无刷电机硬件软件设计

任何一个复杂系统稳定而可靠的工作几乎都离不开合理的硬件结构设计与良好的软件代码编写，系统的性能是由软硬件共同决定的。无刷电机调速系统的设计也同样包含硬件设计部分与软件编写部分，本章将着重阐述控制的直流无刷电机硬件设计。

3.1 系统总体硬件结构

本文所设计的直流无刷电机实时控制系统的硬件平台包括微控制器部分、功率驱动及逆变电路部分、检测电路部分、电源电路部分以及其他接口单元。为了增强系统的灵活性和对硬件资源的合理整合，实时控制系统硬件框图如图3-1所示。

H1I / O 口微控制器：AT89C51H2H3A电流检测PWM 发生电路驱动电路IR2103逆变电路电流检测电流检测B电机IaIbIcADCC图3-1 系统硬件框图

1）微控制器AT89C51：系统采用AT89C51单片机控对系统进行模拟采样、运算与控制等；

2）驱动电路IR2103：IR2103芯片国际整流器公司生产的控制芯片，这种芯片具有功率放大作用，可以将AT89C51单片机输出的信号进行功率放大，放

大后再驱动逆变电路中的功率开关管工作；

3）逆变电路：逆变电路拓扑采用三相桥式逆变电路，开关器件采用MOSFET即可，根据MOSFET上的开关时序，将直流电逆变成交流电，再给电机供电，从而达到对电机的控制目的。

4）电流检测电路：电流检测一般采用霍尔元件实现，本系统采用的芯片为ACS712，该霍尔完成对系统电流的检测并送入单片机处理器处理。

5）位置检测电路：一般情况下，电机会有自带的三相霍尔传感器，此系统选用的自带的三相霍尔传感器的电机，霍尔传感器检测电机转子信号并送入单片机处理器处理；

6）电源电路：输入市电电压，经变压器降压后整流经稳压管稳压产生四路独立的输出电压 +/-12V、5V 和 3.3V，给整个系统供电。

3.2 微控制器AT89C51

AT89C51是一种带4K字节FLASH存储器（FPEROM—Flash Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压、高性能CMOS 8位单片机处理器。AT89C51采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，使它成为 一种高效微控制器。AT89C51单片机为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。这种单片机应用于各种控制领域[1]。 ⑴ AT89C51的主要性能参数：

1）与MCS-51 兼容；

2）4K字节可编程FLASH存储器；

3）寿命：1000写/擦循环； 4）数据保留时间：10年； 5）全静态工作：0Hz-24MHz； 6）三级程序存储器锁定；

7）128×8位内部RAM； 8）32可编程I/O线； 9）两个16位定时器/计数器；

10）5个中断源； 11）可编程串行通道；

12）低功耗的闲置和掉电模式； 13）片内振荡器和时钟电路； ⑵特性概述：

AT89C51提供以下标准功能：4K字节Flash闪速存储器，128字节内部RAM，32个I/O口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内振荡器及时钟电路。同时，AT89C51可降至0Hz的静态逻辑操作，并支持两种软件可选的节电工作模式。空闲方式停止CPU的工作，但允许RAM，定时/计数器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内同，但振荡器停止工作并禁止其他所有部件工作指导下一个硬件复位。AT89C51引脚图如图3-2所示。

图3-2 AT89C51芯片引脚图

3.3逆变电路

S1S3S5VinMS4S6S2

图3-3逆变器主电路

逆变器是将直流电转换成交流电然后再向电机供电，采用三相桥式全控逆变电路，其主电路如图3-3所示，功率开关器件采用功率MOSFET。与一般逆变器不同，它的输出频率不是独立调节的，而是受控于转子位置信号，是一个“自控式逆变器”。由于采用自控式逆变器，无刷直流电动机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，电机和逆变器不会产生振荡和失步，这也是无刷直流电动机的重要优点之一。

3.2.1 功率MOSFET

近年来由于MOSFET元件的性能逐渐提升，除了传统上应用于诸如微处理器、微控制器等数位讯号处理的场合上，也有越来越多类比讯号处理的积体电路可以用MOSFET来实现。

MOSFET是英文（MetalOxide Semicoductor Field Effect Transistor）的缩写，译成中文是“金属氧化物半导体场效应管”。 MOSFET是由金属、二氧化硅或氮化硅与半导体制成的半导体器件。

N沟道增强型MOSFET的结构图如图3-4所示，MOSFET底部为一块P型硅半导体材料(图3-4①a)，第二层设置了两个N型区(图3-4①b)，第三层扩散了二氧化硅绝缘层(图3-4①c)，由N区上方采用一定的方法引出两个孔，然后用一定的方法分别在绝缘层上及两个孔内引出了三个电极：G(栅极)、S(源极)和D(漏极)，最后做成如(图3-4①d)所示的样子。