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1、 I 摘要 本篇设计论文研究的内容为面向电动汽车的直流电机调速控制系统，而单片机控制的直流电动机调速系统性能优越，适用于电动自行车或电动汽车的开发。这种控制方法具有调速性能好、功率因数高、节能、体积小、重量轻等优点。本文主要研究了利用 MCS-51 系列 STC89C52 单片机产生 PWM 控制信号从而实现对直流电机转速进行控制的方法。PWM 信号可以由单片机通过编程来得以产生，通过对 PWM 信号调节，实现电动机的调速、变向等功能。其中单片机程序以 C 语言进行软件编写。系统中还添加了 LCD 液晶显示键盘功能电路，使得操作更为明了，系统更加具有人性化。这种设计方法的电路简单，具有非常实用
2、和值得研究的意义。此外，本文中还采用了芯片 IR2110作为直流电机正转调速功率放大电路的驱动模块，并且采用了光耦合器作强、弱电间的隔离，以提高系统的可靠性。关键词 直流电机；单片机；PWM II Abstract The contents of the thesis of this design for DC motor speed control for electric vehicle control system with microprocessor controlled DC motor speed control system performance is excellent,a
3、pplies to electric bicycles or electric vehicle development.This control method has the speed performance,high power factor,energy-saving,small size and light weight advantages.This paper studied the use of the MCS-51 series STC89C52 microcontroller to generate the PWM control signal to the DC motor
4、 speed control.PWM signal can be programmed by the microcontroller to be generated by adjustment of the PWM signal,the motor speed,change to and other features.Which MCU software to write programs in C language.The system also added LCD LCD keyboard function circuit,making the operation much more st
5、raightforward,more humane.The circuit design method is simple,very useful and worthy of study significance.In addition,this article also uses the isolation between the chip IR2110 forward as a DC motor speed control power amplification circuit of the drive module,and the use of the optical coupler i
6、s strong,weak,in order to improve the reliability of the system.Keywords DC motor;MCS-51 single-chip;PWM III 目 录 摘要.I Abstract.II 1 绪论.1 1.1 电动汽车发展背景.1 1.2 国内电动汽车研发成果.1 1.3 电动汽车对直流电机控制系统的基本要求.1 1.4 电机选择.2 2 调速系统的总体设计.3 2.1 研究方法.3 2.2 总体设计概述.5 2.3 系统的框图描述.6 3 电路设计.8 3.1 电源电路.8 3.2 控制电路.9 3.3 电机驱动电路.1
7、0 3.3.1 H 桥电机驱动电路简介.10 3.3.2 主电路的驱动.11 4 主要器件说明.18 4.1 主控芯片 STC 89C52 介绍.18 4.2 无刷直流电动机.19 4.3 LCD1602 液晶显示器.21 4.3.1 引脚功能.21 4.3.2 指令说明.21 4.3.3 内部字符发生存储器.22 结论.24 致谢.25 参考文献.26 附录（程序）.27 1 1 绪论 1.1 电动汽车发展背景 国际金融危机以来,美、欧、日、韩等发达国家都在推动汽车产业的转型发展,全球范围内形成了新能源汽车发展的新一轮热潮。在所有技术创新中,电力驱动具有极其重要的地位,因为未来的驱动方式必须
8、是少耗能、更环保、更具有可持续性 经过 10 多年的努力,我国在电动汽车整车技术、电池、电机、控制系统、技术标准、检测能力、基础研究以及国际合作等方面得到了长足的发展。中国新能源汽车发展之路的特色在于推广应用和市场开拓,在未来的 510 年,纯电驱动（包括插电式、增程式）汽车将成为近期发展战略的主流,燃料电池汽车将成为未来的制高点;电池、电机、电控和相关辅助系统是实现转型的基础和关键;技术标准、检测能力和基础设施加快发展;基础研究、前沿探索持续稳定快速推进;电动汽车的市场开拓积极稳妥、持续稳定地发展。1.2 国内电动汽车研发成果 “十五”计划期间，中国科技部投入 8.8 亿元全面启动 863
9、电动汽车重大科技专项，制定了“三纵三横”的总体研发布局：以混合动力电动汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车为“三纵”，以多能源动力总成控制、驱动电机、动力蓄电池为“三横”，全面构筑电动汽车的技术平台。经过多年的探索与努力，我国在新能源汽车电池、电机、电控三大关键技术上相继取得突破，并开始产业化。清华大学和天津清源电动车辆有限公司研制纯电动轿车和纯电动客车均已通过国家质检中心的型式认证试验。东风汽车（600006）公司与武汉理工大学等筹资创建东风电动车辆股份有限公司，开展混合动力汽车研发，其开发的 EQ6100HEV 混合动力客车于 2003 年 11 月 8 日在武汉开始示范运行工作，已累计运行 1
10、4 万多公里，载客 15 万人次。2004 年一汽集团和丰田汽车公司签署协议，计划引进其“Prius”混合动力汽车技术，建设“绿色”汽车生产基地。建立了电动汽车研发的国家技术标准平台、测试检验平台、政策法规平台和示范应用平台。到目前为止，电动汽车整车产品 13 项新标准已起草完成、5 项标准修订完成、6 项关键零部件产品测试规范也已确定。测试电动汽车动力蓄电池、驱动电机、燃料电池发动机等部件的 6 个公共检测中心和试验平台已分别在北京、天津、上海、大连建立起来。经过多年的技术研发、功能性样车试验、示范性应用，我国的电动汽车已经具备了初步产业化条件。1.3 电动汽车对直流电机控制系统的基本要求
11、2 电动汽车的运行与一般的工业应用不同，非常复杂。因此，对控制系统的要求是很高的。（1）电动汽车用电动机应具有瞬时功率大、过载能力强、过载系数应为（34），加速性能好、使用寿命长等特点。（2）电动汽车用电动机应具有宽广的调速范围，包括恒转矩区和恒功率区。在恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩，以满足起动和爬坡的要求；在恒功率区，要求低转矩时具有高的速度，以满足车在平坦的路面能够高速行驶的要求。（3）电动汽车用电动机能够在减速时实现再生制动，将能量回收并反馈回蓄电池，使得电动车具有最佳能量的利用率，这在内燃机得摩托车上是不能实现的。（4）电动汽车用电动机应在整个运行范围内，应具有高的资源利用效率，
12、以提高 1次充电得续驶里程。另外，还要求电动汽车用电动机可靠性好，能够在较恶劣得环境下长期工作，结构简单并适应大批量生产，运行时噪声低，价格便宜等。1.4 电机选择 在传统有刷直流电动机中，由于电机转速较高，电刷和换向器磨损较快，一般工作 1000小时左右就需更换电刷。另外其减速齿轮箱的技术难度较大，特别是传动齿轮的润滑问题，是目前有刷方案中比较大的难题。所以有刷电机就存在噪声大、效率低、易产生故障等问题。永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机。它是由电动机本体和驱动器构成，是一种典型的机电一体化产品。无刷直流电动机和一般永磁式有刷直流电动机相比，在结构上有很多相近或相似之处，装有永磁体的转子
13、取代有刷直流电动机的定子磁极，用具有三相绕组的定子取代电枢，用逆变器和转子位置检测装置组成电子换向器取代有刷电动机的机械换向器和电刷，就得到了三相永磁式无刷直流电动机。它的最大特点就是具有直流电动机的外特性而没有刷组成的机械接触结构。加之，它采用永磁体转子，没有励磁损耗，发热的电枢组又装在外面的定子上，散热容易。因此，永磁无刷直流电动机没有换向火花，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维修简便。此外，它的转速不受机械换向的限制，如果采用空气轴承或磁悬浮轴承，可以在每分钟高达几十万转的情况下运行。无刷直流电动机因其无电刷和机械换向器，不需要减速装置，噪声低等优点，被广泛应用于电动汽车或电动自行车中
14、。3 2 调速系统的总体设计 2.1 研究方法 直流电动机的转速 n 和其他参量的关系可表示为式(2.1):式(2.1)式中 Ua电枢供电电压（V）；Ia 电枢电流（A）；励磁磁通（Wb）；Ra电枢回路总电阻（）；CE电势系数。由式 1.1 可以看出，式中 Ua、Ra、三个参量都可以成为变量，只要改变其中一个参量，就可以改变电动机的转速，所以直流电动机有三种基本调速方法：(1)改变电枢回路总电阻 Ra；(2)改变电枢供电电压Ua；(3)改变励磁磁通 1.电枢串电阻调速 他励直流电动机拖动负载运行时，保持电源电压及励磁电流为额定值不变，在电枢回路中串入不同值的电阻，电动机将运行于不同的转速，如图
15、 2-1 所示。图中的负载为恒转矩负载。当电枢回路串入电阻 R 时，电动机的机械特性的斜率将增大，电动机和负载的机械特性的交点将下移，即电动机稳定运行转速降低。图 2-1 电枢串电阻调速机械特性 如图 1-1 中串入的电阻值交点 A2 的转速 n2 低于交点 A1 的转速 n1，它们都比原来没有外串电阻的交点A的转速n低。电枢回路串接电阻调速方法的优点是设备简单，调节方便，缺点是调速范围小，电枢回路串入电阻后电动机的机械特性变“软”，使负载变动时电动机产生较大的转速变化，即转速稳定性差，而且调速效率较低。因此这种调速方法不能用于电动汽车上。2.改变电枢电源电压调速 4 他励直流电动机的电枢回路
16、不串接电阻，由一可调节的直流电源向电枢供电，最高电压不应超过额定电压。励磁绕组由另一电源供电，一般保持励磁磁通为额定值。电枢电源电压不同时，电动机拖动负载将运行于不同的转速上，如图 2-2 所示，图中的负载为恒转矩负载。图 2-2 改变电枢电压调速机械特性 从图中可以看出，当电枢电源电压为额定值时，电动机和负载的机械特性的交点为 A，转速为 n；电压降到 U1 后，交点为 A1，转速为 n1；电压为 U2，交点为 A2，转速为 n2；电压为 U3，交点为 A3，转速为 n3；电枢电源电压越低，转速也越低。同样，改变电枢电源电压调速方法的调速范围也只能在额定转速与零转速之间调节。改变电枢电源电压
17、调速时，电动机机械特性的“硬度”不变，调速平滑性好，因此，即使电动机在低速运行时，转速随负载变动而变化的幅度较小，即转速稳定性好。当电枢电源电压连续调节时，转速变化也是连续的，所以这种调速称为无级调速，调速效率高，转速稳定性好，缺点是所需的可调压电源设备投资较高。这种调速的方法特性很好，可以用于本设计。3.改变励磁电流调速 保持他励直流电动机电枢电源电压不变，电枢回路也不串接电阻，在电动机拖动负载转矩不很大（小于额定转矩）时，减少直流电动机的励磁磁通，可使电动机转速升高。他励直流电动机带恒转矩负载时弱磁调速，如图 2-3 所示。图 2-3 弱磁调速机械特性 5 从图中可以看出，当励磁磁通为额定
18、值时，电动机和负载的机械特性的交点为 A，转速为 n；励磁磁通减少时，理想空载转速增大，同时机械特性斜率也变大，交点为A1，转速为 n1；励磁磁通减少为时，交点为 A2，转速为 n2。弱磁调速的范围是在额定转速与电动机所允许最高转速之间进行调节。弱磁调速的优点是设备简单，调节方便，运行效率也较高，适用于恒功率负载，缺点是励磁过弱时，机械特性的斜率大，转速稳定性差。因此，这种调速方法也是不合适的。综上所述，我们只能通过改变电枢电压来对电机调速。随着电力电子技术的快速发展，全控型电力电子器件不断进步，电力电子器件的工作频率不断提高。PWM 技术也越来越成熟，并应用于多个领域。PWM 控制技术以其控
19、制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。PWM（脉冲宽度调制）是通过控制固定电压的直流电源开关频率，改变负载两端的电压，从而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM 可以应用在许多方面，比如：电机调速、温度控制、压力控制等等。在 PWM 驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并且根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来达到改变平均电压大小的目的，从而来控制电动机的转速。也正因为如此，PWM 又被称为“开关驱动装置”。如图 1-4 所示：设电机始终接通电源时，电机转速最大为 Vm
20、ax，设占空比为 D=t1/T，则电机的平均速度为 Va=Vmax*D，其中 Va 指的是电机的平均速度；Vmax 是指电机在全通电时的最大速度；D=t1/T 是指占空比。由上面的公式可见，当我们改变占空比D=t1/T 时，就可以得到不同的电机平均速度Vd，从而达到调速的目的。严格来说，平均速度 Vd 与占空比 D 并非严格的线性关系，但是在一般的应用中，我们可以将其近似地看成是线性关系。2.2 总体设计概述 单片机直流电机调速简介：单片机直流调速系统可实现对直流电动机的平滑调速。PWM图 2-4 波形图 6 是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种
21、电压调整方法。在 PWM 驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。本系统以 89C51 单片机为核心，通过单片机控制，C 语言编程实现对直流电机的平滑调速。系统控制方案的分析：本直流电机调速系统以单片机系统为依托，根据 PWM 调速的基本原理，以直流电机电枢上电压的占空比来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速为依据，实现对直流电动机的平滑调速，并通过单片机控制速度的变化。本文所研究的直流电机调速系统主要是由硬件和软件两大部分组成。硬件部分是
22、前提，是整个系统执行的基础，它主要为软件提供程序运行的平台。而软件部分，是对硬件端口所体现的信号，加以采集、分析、处理，最终实现控制器所要实现的各项功能，达到控制器自动对电机速度的有效控制。2.3 系统的框图描述 如图 2-1 所示，电路主要由电源电路、H 桥电机驱动电路、单片机控制电路、显示电路、外部振荡电路、键盘输入电路六个部分。考虑到电机的起动电流和制动时比较大，会造成电源电压不稳定容易对单片机的工作产生干扰，所以，电机机驱动电路和单片机接口电路用光耦隔离。整个系统可以划分为主控电路（单片机）、直流电机驱动电路（H 桥驱动电路）、液晶显示按键功能电路（LCD1602）、电源电路等模块。其
23、中 AT89C52 是整个系统的核心，它对系统起着主要的控制作用，所有的数据命令都是通过它来处理，它带有外接振荡电路，键盘操作电路等；LCD1602 是显示键盘功能的，能够显示出按键功能，数据也是来源于单片图 2-5 整体系统框图 H 桥驱动电路 单片机 STC 89C52 LCD 1602 显示按键功能 键盘输入 外部振荡电路 无刷直流电机 电源电路 7 机；H 桥驱动电路是系统电路的心脏，它也是系统的主要部分，它接收接收单片机的数据，进一步控制直流电机，从而达到电机调速、变向的目的。对于电动自行车控制系统设计主要有四个方面:1控制电路的设计；2驱动电路的设计 3显示电路的设计；4电源转换电
24、路的设计；下面将对这些电路做详细介绍。8 3 电路设计 3.1 电源电路 目前，电动汽车或电动自行车上使用的电源大多数为 72V 蓄电池。然而，控制电路中所需要的电压有多种。其中，单片机要求+5V 电源，H 桥电机驱动电路中 IGBT 专用驱动集成电路芯片 IR2110 所要求的为+15V 电源。电源电路如图 3-1 所示：由于三端稳压集成电路用起来可靠、方便，它的外围电路简单，本设计采用三端稳压集成电路稳压。电路中的 LM78H15-500 是超小型、高效率的开关型稳压器，具有超宽输入范围，可直接替代传统 78XX 系列三端线性稳压器。它效率高、发热低，使用时无需散热片，广泛应用于汽车电子供
25、电，工业电能表等电压波动范围大的负载点(POL)供电领域。输入端必须外加电容 C1(47F/100V),以防止电压尖峰造成模块损坏。LM78H15-500 芯片特性：1.输入电压:2072V 2.输出电压固定：15V 3.输出电流：500mA 4.满载时工作效率：9094%LM7805 芯片特性：1.输入电压：518V 2.输出电压固定值：5V 3.装形式为 TO-220 4.含有过流、过热和过载保护电路 电源电路可以将+72V 的直流电转化为+5V 和+15V 的直流电分别给单片机和 IR2110 芯图 3-1 电源电路 9 片供电。3.2 控制电路 控制电路是由单片机、LED1602 显示
26、器、外部振荡和键盘输入电路组成，如图 3-2 所示：系统的控制主要通过 5 个按键来控制，S1、S2、S3、S4、S5，按键功如下：(1)当按键 S1 被按下时（单片机 21 脚检测到高电平），表示启动电路,电动机开始工作。显示屏上显示“Open”。(2)当按键 S2 被按下时（单片机 22 脚检测到高电平），表示关闭电路，电动机停止。显示屏上显示“close”。(3)当按键 S3 被按下时（单片机 23 脚检测到高电平），表示改变电动机的转动方向。显示屏上显示“bian xiang”。（4）当按键 S4 被按下时（单片机 24 脚检测到高电平），表示电机加速运行,所按的次数越多，速度加得越快
27、。显示屏上显示“V+”。（5）当按键 S5 被按下时（单片机 9 脚检测到高电平），表示电机减速运行，所按的次数越多，速度减得越快。显示屏上显示“V-”(6)当按键 S6 被按下时（单片机 9 脚检测到高电平），单片机复位。主控芯片需要振荡电路来起振时钟频率。单片机处理程序中需要处理中断、查询等，这耗费单片机的资源，为了减少单片机内部硬件资源，满足设计要求，提高系统时钟的稳定性，本设计采用了外部振荡电路，振荡电路如图 3-3 所示，在单片机的 XTAL1 脚和 XTAL2脚（第 18 引脚和第 19 引脚）间外接入振荡电路，根据要求，选取晶振大小为 11.0592MHz，图 3-2 整体控制电
28、路图 10 C5 C6 两个电容容量为 30pF，两个电容作用是稳定频率和快速起振。将液晶显示器 LED1602 的 D0D7 为 8 位双向数据线接口与单片机的 P1.0P1.7 接口相连。V0 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地时电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度。VDD 接+5V 电源，VSS 接地。因为单片机不需要访问外部器件，电路中第 30 引脚地址锁存使能脚，接高电平。单片机也不需要扩展外部程序存储器，所以，第 29 引脚也接高电平。P3.0 和 P3.1 口为单片机的 PWM 信号输出引脚。其信号的特性将
29、会在下面做详细介绍。3.3 电机驱动电路 3.3.1 H 桥电机驱动电路简介 图 3-4 中所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于“H 桥式驱动电路”是因为它的形状酷似字母 H。4 个三极管组成 H 的 4 条垂直腿，而电机就是 H 中的横杠。如图所示，H 桥式电机驱动电路包括 4 个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图 3-5 所示，当 VT1 管和 VT4 管导通时，电流就从电源正极经 VT1 从左至右穿过电机，然后再
30、经 VT4 回到电源负极。按图中电流箭头所示，驱动电机按特定方向转动（黑色箭头指向为电流流过的方向）。该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当 VT1 和 VT4 关断时，电机保持转动，便成了发电机。电流从二极管 VD4 经过直流电机流向 VD1。因此二极管是续流二极管。图 3-4 H 桥电机驱动电路 11 同理，当 IGBT VT3 和 VT2 导通时，如图 3-6 所示，电流就从电源正极经 VT1 从右至左穿过电机，然后再经 VT4 回到电源负极。从而驱动电机沿另一方向转动（黑色箭头指向为电流流过的方向）。因此可以通过控制 IGBT 的通断来改变电机的转向。电流从二极管 VD2经过直流电机流向
31、 VD3。驱动电机时，保证 H 桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。如果 IGBT VT1和 VT2 同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时，电路中除了两个 IGBT VT1 和 VT2 外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管，造成极大损失。所以在设计时应保证同侧 IGBT的控制信号不能同时为“1”。3.3.2 主电路的驱动 电机的总体驱动电路如图 3-7 所示。图中，4 个 IGBT VT1VT4,四个快速恢复二极图 3-5 H 桥电路驱动电机顺时针转动 图 3-6 H 桥电路驱动电机逆时针转动 12 管 V
32、D1VD4 组成了一个典型的 H 桥电路。电路中还有两个电机驱动芯片 IR2110，下面对这个芯片做简要介绍。IR2110 是一种高压高速功率 MOSFET 驱动器，有独立的高端和低端输出驱动通道，图3-8 为其引脚图。它包括输入/输出逻辑电路、电平移位电路、输出驱动电路欠压保护和自举电路等部分。引脚功能分别是：图 3-7 总体驱动电路 图 3-8 IR2110 引脚图 13 LO（引脚 1）:低端输出 COM（引脚 2）:公共端 Vcc（引脚 3）:低端固定电源电压 Nc（引脚 4）:空端 Vs（引脚 5）:高端浮置电源偏移电压 VB(引脚 6):高端浮置电源电压 HO（引脚 7）:高端输出
33、 Nc（引脚 8）:空端 VDD（引脚 9）:逻辑电源电压 HIN（引脚 10）:逻辑高端输入 SD（引脚 11）:关断 LIN（引脚 12）:逻辑低端输入 Vss（引脚 13）:逻辑电路地电位端，其值可以为 0V Nc（引脚 14）:空端 IR2110 的特点：（1）具有独立的低端和高端输入通道。（2）悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达 500V。（3）输出的电源端（脚 3）的电压范围为 1020V。（4）逻辑电源的输入范围（脚 9）515V，可方便的与 TTL，CMOS 电平相匹配，而且逻辑电源地和功率电源地之间允许有 V 的便移量。（5）工作频率高，可达 500KHz。（6）开通、
34、关断延迟小，分别为 120ns 和 94ns。（7）图腾柱输出峰值电流 2A。IR2110 的一大特点是采用了自举技术，它的内部为自举操作设计了悬浮电源。同一集成电路可同时输出两个驱动信号给逆变桥中的上、下晶体管。悬浮电源保证了 IR2110 直接可用于母线电压为-4V 至+500V 的系统中来驱动功率管 MOSFET 或 IGBT。同时器件本身容许驱动信号电压上升率达到50V/ms，故保证了芯片自身整形功能，实现了不论其输入信号前后沿陡度如何，都可以保证加到被驱动的 MOSFET 或 IGBT 栅极上的驱动信号前后沿很 14 陡，因此可以极大的减少被驱动功率器件的开关时间，降低开关损耗。IR
35、2110 的工作原理:IR2110 内部功能如图 3-9 所示：由三部分组成：逻辑输入；电平平移及输出保护。如上所述 IR2110 的特点，可以为装置的设计带来许多方便。尤其是高端悬浮自举电源的设计，可以大大减少驱动电源的数目，即一组电源即可实现对上下端的控制。高端侧悬浮驱动的自举原理：IR2110 驱动半桥的电路如图所示，其中 C1，VD1 分别为自举电容和自举二极管，C2 为 VCC 的滤波电容。假定在 S1 关断期间 C1 已经充到足够的电压（VC1 VCC）。当 HIN 为高电平时如图 3-10：VM1 开通，VM2 关断，VC1 加到 S1 的栅极和源极之间，C1 通过 VM1，Rg
36、1 和栅极和源极形成回路放电，这时 C1 就相当于一个电压源，从而使 S1 导通。由于 LIN 与 HIN 是一对互补图 3-9 IR2110 内部功能图 图 3-10 HIN 为高电平 15 输入信号，所以此时 LIN 为低电平，VM3 关断，VM4 导通，这时聚集在 S2 栅极和源极的电荷在芯片内部通过 Rg2 迅速对地放电，由于死区时间影响使 S2 在 S1 开通之前迅速关断。当 HIN 为低电平时如图 3-11：VM1 关断，VM2 导通，这时聚集在 S1 栅极和源极的电荷在芯片内部通过 Rg1 迅速放电使 S1 关断。经过短暂的死区时间 LIN 为高电平，VM3 导通，VM4 关断使
37、 VCC 经过 Rg2 和 S2 的栅极和源极形成回路，使 S2 开通。在此同时 VCC 经自举二极管，C1 和 S2 形成回路，对 C1 进行充电，迅速为 C1 补充能量，如此循环反复。根据图 3-7 我们可以看到电路图两边的电路是对称的，因此我们只需分析一边的电路就能将整个电路读懂。两个 PWM 控制信号经单片机输出以后分别连向两边的光耦合器。因为连接了一个非门，同一侧的光耦输入端信号是正好相反的。这样可以避免H桥同侧的IGBT管同时导通。当没有脉冲信号时，光耦的输出端由于上拉电阻作用使电平升高，再经反相器的作用使得进入 IR2110 的信号输入端的电平为低电平，这样保证没有信号时，H 桥
38、的上下晶体管是保持关断的。当光耦的输入端有信号输入时，光耦中的发光二极管发光，照在受光器上，受光器接受光线后导通，从而形成了钳位电路。光耦输出端因为钳位电路使得电平为低电平，经反相器作用后变成高电平，传入 IR2110 的信号输入端。图中 D1 和 C3 分别为二极管和自举电容,C2 为 Vcc 的滤波电容。与 IR2110 供电电源连接的二极管 D1,为了防止自举电容两端的放电,二极管要选用高频的快恢复二极管,此电路选用 FR107,它的最大反向恢复时间为 500ns,最大反向耐压 1 000V。由于 IGBT 是电压控制器件，输入阻抗高，为防止静电感应损坏管子，在IGBT 的门极和与发射极
39、之间并联 150K的电阻。门极回路串联 22 电阻，是为了防止门极回路产生振荡。图 3-11 HIN 为低电平时如 16 如果不考虑驱动电路的电流、电压转换电路，只分析逻辑数字信号的变化，可以将整个驱动电路简化为图 3-12。由此我们将 PWM 控制信号与驱动电路的关系的分析进行简化。我们通过编写程序控制单片机，让单片机执行相应的指令来控制指定的 PWM1 和 PWM2信号,如图 所示，当 PWM2 保持为高电平时，VT2 管保持导通，而 VT1 管保持关断。同时PWM1 为控制信号，表现为高低电平周期性地交替，VT3 和 VT4 管交替导通。这样就有从右到左的电流流过电动机，电动机将顺时针转
40、动；在这个过程中，当按下加速或减速的按键时，单片机将会根据程序指令调整 PWM 占空比，即控制 PWM1 高低电平的时间宽度，进一步控制 VT1 管的间断导通时间，VT1 管导通时间越长，电机转速增大，VT1 管导通时间越短，电机转速减小。反之也成立，当 PWM1 保持为高电平时，VT4 管保持导通,VT3 管保持关断。同时 PWM2为控制信号，表现为高低电平周期性地交替，VT3 和 VT4 管交替导通。这样就有从左到右的电流流过电动机，电动机将顺时针转动；在这个过程中，当按下加速或减速的按键时，单片机将会根据程序指令调整 PWM 占空比，即控制 PWM1 高低电平的时间宽度，进一步控制 VT
41、4 管的间断导通时间，VT4 管导通时间越长，电机转速增大，VT4 管导通时间越短，电机转速小。这样就可以控制电机的正反转、加速减速、启动停止。PWM 控制信号与四个 IGBT VT1VT4的导通关系可一用波形图表示出来。其中 4 个IGBT的导通用“1”表示，关断用“0”表示。PWM 控制信号的占空比均按 50%画波形图。波形图如图 3-13 所示。图 3-12 控制电路简化图 17 顺时针转动 逆时针转动 图 3-13 信号关系波形图 18 4 主要器件说明 4.1 主控芯片 STC 89C52 介绍 在常用的 89 系列的单片机中，51 系列只有 4K 字节的在系统可编程 Flash 存
42、储器，128 字节 RAM,而增强型的 STC89C52 具有 8K 字节在系统可编程 Flash 存储器（ISP），有256 字节 RAM，这使得 STC89C52 为众多嵌入式控制应用系统提供灵活、有效的解决方案。STC89C52 是一种低功耗、高性能 CMOS 8 位微控制器，操作方便，引脚也充足，而且STC89C52 支持 ISP 串口下载，而 ISP 串口下载硬件比较便宜，因此本设计选用了 STC89C52作为主控模块的芯片，芯片 DIP 封装如图 4-1 所示。STC89C52 主要功能特性如下：1.兼容 MCS51 指令系统 2.8k 可反复擦写(大于 1000 次）Flash
43、ROM；3.32 个双向 I/O 口；4.256x8bit 内部 RAM；5.3 个 16 位可编程定时/计数器中断；6.时钟频率 0-24MHz；7.2 个串行中断，可编程 UART 串行通道；8.2 个外部中断源，共 8 个中断源；9.2 个读写中断口线，3 级加密位；图 4-1 STC 89C52 DIP40 封装 19 10.低功耗空闲和掉电模式，软件设置睡眠和唤醒功能；11.有 PDIP、PQFP、TQFP 及 PLCC 等几种封装形式。我们通过编写程序来控制单片机执行相应的指令，从而实现对指定电路的控制。STC 89C52 编程前，要设置好地址、数据及控制信号，编程方法如下：1 在
44、地址线上加上要编程单元的地址信号。2 在数据线上加上要写入的数据字节。3 激活相应的控制信号。4 在高电压编程方式时，将 EA/Vpp 端加上+12V 编程电压。5 每对 Flash 存储阵列写入一个字节或每写入一个程序加密位，加上一个 ALE/PROG 编程脉冲。每个字节写入周期是自身定时的，通常约为 1.5ms。重复 15 步骤，改变编程单元的地址和写入的数据，直到全部文件编程结束。4.2 无刷直流电动机 无刷直流电机由电动机本体、位置传感器、电子开关及控制电路构成。如图 2-2 所示:电动机本体是由多相绕组和永久磁钢组成。多相绕组类似于普通直流电机的电枢绕组，但是它被安装于定子上，通过电
45、子开关的控制与直流电源相连;永久磁钢安装在转子上。定子绕组内通入直流电流时，与转子作用产生电磁转矩，使磁钢转子运动。为了保证电动机连续旋转，电动机内应产生单一方向的电磁转矩。位置传感器及电子开关电路，可以使电枢绕组中的电流发生改变，使得电机旋转时，转子的永久磁场与定子电枢磁场在空间上几乎垂直，保证电动机连续旋转。一般的直流电机由于电刷的换相使得由永久磁钢产生的磁场与电枢绕组通电后产生的磁场在电机运行过程中始终保持垂直，从而产生最大转矩，使电动机运转。无刷直流电机的运行原理和有刷直流电机基本相同，即在一个具有恒定磁通密度分布的磁极下，保证电枢绕组中通过的电流总量恒定，以产生恒定转矩，而且转矩只与
46、电枢电流的大小有关。由于转子的气隙磁通为梯形波，由电机学原理可知，电枢的感应电动势亦为梯形波，图 4-2 无刷直流电动机的方框原理图 20 大小与转子磁通和转速成正比。BLDCM 电机三相电枢绕组的每相电流为 1200 通电型的交流方波，反电动势为 1200 梯形波。只要控制好逆变器各桥臂功率器件的开关时刻就能满足上述要求。但是定子方波电流的通电时刻与感应电动势波形、转子磁极位置有严格的对应关系，否则会产生大的转矩脉动，使平均转矩减小。BLDCM 三相绕组主回路基本类型有三相半控和三相全控两种。三相半控电路的特点是简单，一个可控硅控制一相的通断，每个绕组只通电 1/3 的时间，另外 2/3 时
47、间处于断开状态，没有得到充分的利用，在运行过程中的转矩波动较大。所以最好采用三相全控式电路。如图 4-3 示出了一种三相全控式电路，在该电路中，电动机的绕组为 Y 联结。V1、V2、V3、V4、V5、V6 为六个功率器件，对绕组通过的电流起开关作用。采用两两通电，三相 6 状态方式，两两通电方式是指每一个瞬间有两个功率管导通，每隔 1/6 周期(600 电角度)换相一次，每次换相一个功率管，每个功率管一次导通 1200 电角度。各功率管导通顺序依次是：T1T4T1T6T3T6 T3T2T5T2T5T4。表 4-1 示出三相逆变器的开关次序。表 4-1 三相全控电路开关逻辑表 状态 1 2 3
48、4 5 6 T1 T2 T3 T4 T5 T6 1 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 图 4-3 BLDCM 三相全控电路原理 21 应该指出，无刷直流电动机，加上换向器（包括换向器主回路逆变器和和换向控制逻辑电路），从原理上说，就相当于一台有刷直流电动机。因此可以采用脉宽调制电路来实现电机调速。经考察分析，采用淄博齐翼电器科技有限公司生产的永磁无刷直流电动机更为符合设计条件，电动机各参数如表4-2 所示：表 4-2 电动机各参数表 4.3 LCD1602 液晶显示器 4.3.1 引脚功能
49、 液晶显示器以其微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧的诸多优点，在袖珍式仪表和低功耗应用系统中得到越来越广泛的应用。1602 采用标准的 16 脚接口，其中:第 1 脚：VSS 为地电源 第 2 脚：VDD 接 5V 正电源 第 3 脚：V0 为液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高，对比度过高时会产生“鬼影”，使用时可以通过一个 10K 的电位器调整对比度 第 4 脚：RS 为寄存器选择，高电平时选择数据寄存器、低电平时选择指令寄存器。第 5 脚：RW 为读写信号线，高电平时进行读操作，低电平时进行写操作。当 RS 和 RW 共同为低电平时可以写入指令或者显示地
50、址，当 RS 为低电平 RW 为高电平时可以读忙信号，当 RS 为高电平 RW 为低电平时可以写入数据。第 6 脚：E 端为使能端，当 E 端由高电平跳变成低电平时，液晶模块执行命令。第 714 脚：D0D7 为 8 位双向数据线。第 1516 脚：空脚 4.3.2 指令说明 LCD1602 的读写操作、屏幕和光标的操作都是通过指令编程来实现的。（说明：1 为高电平、0 为低电平。指令 1：清显示，指令码 01H,光标复位到地址 00H 位置 指令 2：光标复位，光标返回到地址 00H 指令 3：光标和显示模式设置 I/D：光标移动方向，高电平右移，低电平左移 S:屏型号 额定电压（V）额定转