基于stm8的无刷直流电机控制器的设计

基于stm8的无刷直流电机控制器的设计

摘要：无刷直流电机是在有刷直流电机的基础上发展起来的。目前，尽管各种交流电机和直流电机在传动运用中占主导地位，但是无刷直流电机正受到普遍的关注。

自20世纪90年代以来，随着人们生活水平的不断提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都越来越趋向于高效率化、小型化及高智能化，作为执行元件的重要组成部分，电机必须具有精度高、速度快、效率高等优点，无刷直流电机的应用也因而迅速增长。

本课题是根据无刷直流电机控制系统的特点和应用，提出基于STM8单片机的无刷直流电机控制系统。单片机采集比较电平及电机霍尔传感器反馈信号，通过软件编程实现课题要求。

关键词：无刷直流电机 STM8单片机霍尔位置传感器

目录 2

一、绪论 3

1.1 课题背景 3

1.2 本研究的目的和意义 4

1.3 论文各部分的主要内容 4

二、无刷直流电机原理 4

2.1 无刷直流电机工作原理 4

2.2 PWM的介绍 6

2.2.1 PWM信号的产生 6

2.3三相△形连接全控电路 6

三、无刷直流电机控制系统总体设计 7

3.1 系统设计任务与设计要求 7

3.2 控制系统总体方案设计 8

3.3 控制系统总体方案 8

3.3.1无刷直流电机控制系统各部分的功能介绍 9

3.2.2位置传感器的选用方案 9

四、无刷直流电机控制系统硬件设计 10

4.1 STM8单片机选用 10

4.2 单片机最小系统 10

4.3 电源电路 12

4.4 霍尔传感器位置检测电路 12

4.5 驱动电路 13

4.6 屏幕显示电路 15

五、无刷电机控制系统软件设计 16

5.1 主程序模块 16

5.2 转速计算程序设计 17

六、仿真系统测试 18

6.1 电路板的检测 18

6.2 软件调试 19

6.3 仿真中出现的问题 19

6.4 结果分析 19

七、总结 19

参考文献 22

附录1 23

附录2 26

一、绪论

1.1 课题背景

近年来，作为机电能量转换装置是的电动机，在日常生活的各个领域，其的应用范围已经普遍了人们的日常生活中和国民经济的各个领域中。电机的主要类型有同步电机、异步电同步电机、感应电机和直流电机这三种为现在电机的主要类型直流电机，小到大到几兆瓦容量，还有达到几万兆容量。与感应电动机相比，同步电动机的控制性能好，效率高，气隙和转子组的优势。老旧的直流电机具有效率高、调速性能好等特点。但使用刷结构，换向通过机械手段，因而机械摩擦的存在，由此噪声的缺点，带来的火花，电磁干扰和其它致命，限制在高精度中的应用。

随着生产的发展需求的日益增加，迫切需要各种新进的电机不断出现。随着科学技术的进步和新材料的大量出现，并促进生产的不断发展。针对以前的传统电机的缺点，经过一段时间的研究。1915年，控制栅极的水银整流器被美国langmill研制出，逆变装置是由直流到交流。1917年，boliger提出用整流器代替机械换向，为后来的无刷直流电机的出现提供了理论依据。在第二十世纪三十年代，人们开始对永磁电子换向代替直流无刷电机的机械换相的研究，但是对于当时的大功率电子器件还处于起始阶段，还不可以找到理想中的幻想的装置，致使电机只能停留在实验室研究阶段，为了以后人们更好的能够推广使用。1955，在美国的哈利森一些人首次运用开关器件晶体管代替直流电机，无刷直流电动机的出现标志着它是由一个晶体管、开关电路，功率放大器和信号检测等组成。但技术有限，电机不能启动转矩而不能够产品化。1962，随着霍尔元件的帮助来实现无刷直流电机电子换向（无刷直流电动机，简称BLDCM）研制成功，并创造了一种无刷直流电动机的新时代。

永磁材料与无刷电机的发展紧密联系，磁场在永磁材料的作用下可以产生一个恒定的几乎不随时间变化。对于永磁材料可通过带动直流电机的激励，从而减小电机尺寸和能源节约和环境保护。永磁材料的发展它主要经历了三个阶段：铝镍钴。铁氧体。钕铁硼。稀土钕铁硼材料具有高的矫顽力优势，剩磁和最大磁能积等特点，使得永磁电机的出现具有体积小，重量轻成为现实。

无刷直流电机克服了传统有刷直流电机含有的幻想弊端，但也保持其调速良好的性能，运行速度快的优点，又拥有了交流电机的组成简单，无交流火花、运行可靠和维修方便等特点。在结构上，一般的直流电机电枢绕组放在转子上，定子产生不变的磁场。而无刷直流电动机电枢绕组放在定子上，将转子制成永磁体。转子位置信号的获得可以通过位置传感器，功率管根据一定的顺序导通和切断可作为驱动电路一次的信号。

在我国，对于无刷直流电机的发展史不长，但是不断地随着技术的日益成熟和完善，也得到了一定的发展。它的设计研究主要集中在一些科研院所和高等院校里。经过多年的努力，国内目前已经有了无刷直流电动机的系列产品，形成了相当的生产规模。因为我们的组件和理论与实践相结合的相关仍然相对于国际水平还是比较低的，尤其是在制造技术和设备，与国际水平的差距还是有的，因此目前我国的无刷电机综合水平仍然低于国际水平，需要进一步的研究和发展。

1.2 本研究的目的和意义

目前的新型无刷电机和微电子技术，电子技术，数字技术，材料科学和自动控制技术等发展紧密联系。它不仅关系到交流和直流磁场，还有电动、发电的能量转换和信号检测等领域。

无刷直流电机是一种没有电刷和换向器电机，只是有电机本体与驱动组成的。通过在变换器中PWM信号同时加在开关向上和向下调节驱动直流电压，对于STM8S单片机是一个低功耗单片机，PWM信号的产生是很方便的。

1.3 论文各部分的主要内容

（1）主要分析了国内外无刷直流电动机控制系统发展和研究现状，并对未来发展方向做了展望。

（2）学习无刷直流电机的基本结构和运行原理等是学习电机的前提。

（3）介绍本设计所使用的stm8S单片机特点及选型。

（4）确立无刷直流电机系统，并对单片机外部电路如电源电路、驱动电路、逆变电路、位置检测电路与显示器的设计。

（5）搭建实验平台，对控制系统进行实验调试，包括软硬件调试，并对结果进行分析。

参考文献

[1] 谭建成,新编电机控制专用集成电路与应用北京;机械工业出版社,2005.

[2] 黄灿水,林荣文,林珍.无刷直流电动机控制器设计[J],能源与环境,2004,（01）.