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基于单片机的无刷电机控制系统设计


2 1钜   01

仪 表 技 术 与 传 感 器  
I sr me t T c n q e a d S n o   nt u n  e h iu  n   e sr

2 01l   No .1l  

第 1 期  1

基 于 单 片机 的 无刷 电机 控 制 系统 设 计 
李 伟 , 朱 翔  奚海 鑫 马 景 兰  , ,
12 1 ;. 0 6 7 2 东南大学 电气 工程学院 , 江苏南 京 2 09 ) 10 6  (. 1 北京石油化工学 院电气 工程系 , 北京

摘 要 : 无 刷 直 流 电动 机 为 控 制 对 象 , 计 出基 于 电机 控 制 专 用 芯 片 dPC 0 4 1 以 设 sI3 F 0 1的 电机 控 制 系统 。 阐述 了该 系统 

的控 制方案及工作原理 , 介绍 了其硬件组成和软件设 计。试验 结果表明 : 控制 系统集控 制优势和 高速运算 能力于一体 , 具 

有 良好 的调速性 能。此 外 , 系统 外围设计 简单, 该 系统功耗低 , 可靠性 高, 易于 实现无刷直流 电动机 的高性 能运动控 制 , 应 
用广泛 。  

关键词 : 无刷 直流 电机 ; 控制 系统; 调速 
中图分类号 :M3  T 3 文 献标 识码 :  A 文章编 号 :0 2—14 (0 1 1 07 0  10 8 1 2 1 ) 1— 0 4— 3

De in o   u h e sDC  o o   n r lS se Ba e   n M ir c n r l r s   fBr s ls  g M t r Co to   y tm  s d o   c o o t o l   e
L  i Z IWe , HU  a g XIHa—i ,  igln Xin  ,   ixn MA Jn -a  

( . e at n  f l ti l n ier g B ln  ntueo er -hmia  eh oo y B in  0 67, hn ; 1 D p rme t   e r a  gnei , e igIsi t f toce cl cn l , e ig12 1 C ia  oE c c E n j t P T g j
2 C lg  fEeti l n ier g S uh at nvri , aj g20 9 , hn ) . ol eo lc c   gn ei ,o tes  iesy N ni  10 6 C ia  e ra E n U t n
Ab t a t B s d o   s I 3 F 0   whc   a   p cf al  e in d f rte n e so   ii l trc n r l a c nr ls se wa  sr c : a e   n d P C O 4 1   i h w ss e i c l d sg e  o     e d   f gt   o  o t ,   o t  y t m  s 1 i y h d a mo o o
d v l p d t  r e t eb s ls     tr T e c n rlsrt g   n   eo ea in   r cp e o  ec n r l y tm  r   lb r t d, e eo e  o d v     r h e sDC mo o . h   o t  t e ya d t   p r t a p n i l  f h   o to  se wee ea o ae   i h u o a h ol i t s

n    o w r n  ad ae ei   a  eet T eepr adtes taeadhrw r ds nw s rsne. h xei n l eu sid aeta ecl n pe d sn e o ne h f     g p d met  sl  i t ht xel t edaj t gpr r c  ar t n c     e s ui f ma
C   e a h e e  n t i  y tm  h c   o i e h   e i l  o t l t   ih s e d o e ain a i t . n a d t n, t  h   d a t — n a b   c iv d i  h ss se w ih c mb n st e f x b e c n r   h h s ?p e   p rt   bl y I   d i o wi t e a v n a  l o wi o i i h
g s o i l   i u t t cu e lw  o e   o s mp in a d h g  eib l y t e s se c n a h e e h g   ef r a c   o t la d h s e   f mp e cr i sr t r ,o p w rc n u t   n   ih r l i t ,h  y tm  a   c i v   ih p ro s c  u o a i m n e c nr     a  o n

awi e f l  fa p i ain     d  i d o  p l t . e c o

Ke  o d :rsls D   oo;ot lyt sedajsn  yw rs buhes Cm trcn o ss m;pe dut g   r  e i
0 引 言 

路 以及 功率 逻辑开关共 同构成 的换 向装置 的作 用下 , 在空 间始 
终保持 9 。 右 的 电角 度 , 而 产 生最 大 转 矩 驱 动 电动 机 运  0左 从
转  。  

无刷 直流电动机是 用 电子换 向器取 代 了机械 电刷 和换 向  器 的直流电动机 , 具有 结构 简单 、 运行 可靠 、 励磁 损 耗 、 无 大起 

动转 矩 、 调速范 围宽 以及高 效节 能等 优点 。近年来 , 随着 高性  能永 磁材料制造技 术 、 电子技术 、 微 自动控 制技 术和 电力 电子  技术 的飞速发展 , 无刷 直流电动机 已广 泛应用 于工业控 制的各  个领 域 。相对于基于专用集成 电路 的控制 系统而 言 , 数模 混合 

基 于 dPC O 4 1 的无刷直流 电动机 控制 系统如 图 1所  s l3 F 0 1

示, 该系统主要完成换 相控 制 、 转速控 制 、 过流保护 及人机 交互  功 能。系统中单片机 通过捕 获单 元捕 捉 电动机转 子位 置 传感  器上的脉冲信号 , 并判 断 出转 子 的正确 位 置 , 出合 适 的驱 动  输
逻辑电平给 MO F T功率驱动 电路 , 由 M S E SE 再 O F T功 率驱动 电  路驱动电机旋转 。在 需要 调速 时单 片机根 据 电机 的设定 速度  及 计算出的实际转 速 , 采取 相应 控制 策略 , 产生 合适 的脉 宽调 

控制系统和全数字控制 系统采 用数字 电路 、 片机或数 字信 号  单
处理 器构成硬件 系统 , 控制 规律 由硬 件实现 转 向软件 实现 , 控  制灵 活 、 能扩展 方便 且易 实现 较复 杂的控 制算 法 , 功 逐渐 成 为 

无刷直流电动机控制 系统 发展 的主流  J  。
系统选用电机控制 专用 芯片 dPC O 4 1 片机作 为控  s I3 F0 1单

制信号 ( WM) 制电机的转速 。该控制 系统 的人机 交互模块  P 控
可以实现电机速度 设定 , 运行 状 态输入 , 态显 示 以及故 障保  状 护报警等功能 。此外 , 制 系统也 具有 串行通 讯 功能 , 通过  控 可 R 4 5总线 与上位机进行通 信 , 电机 的控制 方式更 加多样  S一 8 使
化。   2 系统 硬 件 组 成 

制器 , 该芯片集 D P的信号高速处理 能力 及适 用于 电机 控制 的  S 外 围电路 于一体 , 融合 了高 性能 1 单片 机的 控制优 势 和全  6位
功能 数字信号处理器 ( S ) D P 的高速运算 能力 , 为嵌入 式系统  成 设计 中将二者紧密结合 的单芯 片解决方 案 , 以方便地 实现无  可

刷 直流电动机的高性能传动控 制  。 J  
1 控 制 系统 方 案简 介 

该系统硬件主要 由全 桥驱 动 电路 、 动信 号预 处理 电路 、 驱  

功率管驱动 电路 、 键盘显示 电路 、 转子位 置检测 电路 、 过流 保护  电路 、 及串 口通讯 电路等组成 。  
2 1 全 桥 驱 动 电 路  .

无刷直流 电动机 由电动机 本体 、 子位置 传感器 和 电子 开  转 关 电路三部分组成 。电机运行 过程 中, 定子绕 组所产 生 的磁 场 
和转动的转子磁 钢产 生 的永 磁磁 场 , 由位置传 感 器 、 在 控制 电 

驱动 电路是 电机控 制系 统 中将 直流 电变 换 为可 驱动 电机 

旋转的交变 电压 的 功率 驱动装 置。半 桥式 驱动 电路 虽然 有结 
收稿 日期 :0 1 3— 6 收 修 改 稿 日期 :0 1— 8—1  2 1 —0 0 21 0 7

构简单 的优点 , 是其绕 组利 用率 低且输 出转 矩 波动 较大 , 但 故 

第 1 1期 

李伟 等 : 基于单片机 的无刷 电机 控制系统设计 

7  5

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无流 I f rI0 电  嚣_  3i 刷 保 一 dO  动 护  sF 直 机   P4 C1
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图 1 检 测 系统 框 图 

只在要求较低 的场合 中应用 。系统采 用全桥式 驱动 电路 , 如图  2所 示 , 电路 电源电压 为 D 4  电机绕 组 为三相 星形 连接  主 C 8 V, 方式 , 6个 M S E O F T功率 管起 着绕组开关 的作用 , 用以改变 电机  线圈 的通 电顺序 和通电方向 , 中与 电源 正相接 的功率管 为上  其 桥, 与电源地相接 的功率 管为 下桥 , 片机通 过对 6个 功率 管  单

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的导通 和关 断进行 控制 实现 电机 的驱动 。功率管 工作 方式 采 
用两两导通 、 三相六状 态 10 导通 方式 。在 该方 式下 , 一瞬  2。 每 间只有 2个功率 管通 电 , 每隔 16周期 换 相一 次 , / 每次 一个 功  率管换相 。为 了减 少 功 率管 的开关 所 造成 的干扰 , 系统 采 用  H WM—L N控 制方 式 , P O 即仅对 上桥 臂功率管进 行 P WM调 制 ,  
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下桥臂功率 管保 持恒通 。  
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图 2 三 相 星 形 联 结 全 桥驱 动 电 路 

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2 1 驱 动信 号 预 处 理 电路  .

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为 了改 变电机线圈 的通 电顺序 和通 电方 向 , 片机必 须为  单 全桥驱动 电路 提供 相应 的逻 辑信号 。U+、 V+以及 w +为单 

片机提供 的上桥 相位逻辑开关信 号 ; U一、 V一以及 w 一为下桥  的相位逻辑 开关信 号。在实 际 的应用 中 , 了降低 系 统功 耗 , 为  
采用 如图 3所示 的驱动 逻辑信 号预处 理 电路 实现 功率管 同步 

() b 

图 3 驱 动 信 号 预 处 理 主 电路 

电流 比较 大 时应 将 u相 下 桥 MO F T打 开 , SE 即开 启 同步 续 流 功 

续流 。单片机产 生的 P WM— MU信 号通过 与 门 , R R  C。 经  , :,    
截波后输 出( 截波量约为 15 s , .  ) 形成相位不 变的 P WM信 号 ,  

能 以降低功耗 , 此时单片机将 P V信 号置为低 电平 , P 在 V信号  和反 向后 的 U+ 号共 同作 用下 ,WM一信号通过 U C传递到  信 P 3 U A, 4 由于此 时 u 一为低 , 以 U A受 P 所 4 WM 一信 号 控制 , 在 

与上桥逻辑开关信 号相与后驱动上桥 M S E 。另一路 P — O FT WM  
MU信号首先 经由  。 C 构成 的积分 电路 , 和   再经反相器 u 2两 

P WM信号关断 的间隙使下桥 MO F T导通 。当 U+信号 为低  SE 电平 时 ,WM 一信号 并不影 响下 桥 , P 保证 了下桥 的正 确逻辑 而 
不会误导通 。   22 功率 管驱 动电路  .

次反相后 , 形成相移量大约 7 0n P 5  s的 WM 一信号 , 最后合 成至  下桥驱动 。此 时 2个信号输 出时相位相 同 , P 但 WM一信号 占空  比比 P WM信号 占空 比大 15 s但 由于 P .  , WM一信号 已经 偏移 
7 0B , 以 P 5 S所 WM信 号 刚好 套在 P WM 一信 号 中间 , 两边 空 出  7 0n 作为 MO F T开关 的死区。 5  s SE  

功率管驱动 电路 分为 上桥 驱 动和 下桥 驱 动两 部分 。图 4  
给 出了 U相上下桥 的驱动 电路 ( 该电路同样适用于其他两相 )  ,

驱动 电路采用 l  3V电源 , 下桥 的 3个 功率管共 地连接 , 由于上 
下桥臂均采用 N沟道 MO F T构成 , SE 故须使栅极 电压 比源极 电 

当逻辑开关信号 U+为 高电平 时 , U相 上桥 被 P WM 信 号  驱动, 在整机 电流较小 的情 况 下 ,V为 高 电平 , 非 门 U C输  P 或 3 出信号 N — R U+总是低 , 或非 门 U A仅受 u一信号控制 ; 4 当整机 

压高 出 l  0V以上才 能保证 完全 导通 。下 桥驱 动如 图 4 b 所  ()

7  6

I s u n   e h iu   n   e s r n t me t c n q e a d S n o   r T

N V 2O1   O 1


示 , D N为低 电平时 , 当 U 即可在 Q 3的集 电极 得 到约 1  的  1 3V 输 出 U 该控制 电压加 到下桥 功率 管 的栅极 , N, 即可使功 率管完  全导通 。上桥 驱动电 路如 图 4 a 所 示 , 了使功 率管 顺 利开  () 为

由于之 前 c 9已充满 电且电压为 1  故 Q 3V, 1栅极 电压也 随之被  抬高, 功率管 Q1 依然保 持 导通 。如 果 c 5的值足 够 大 , 以保  可 证在 相当长的时间里 Q 1的驱动 电压处 于合适 的范围 。  
2 3 人 机 交 互 模 块 电路   . .  

通, 须获得 比 4  8V电机电源电压还 高的驱动 电压 , 因此 采用高  压浮栅 型驱动电路来驱动上桥 。当 U T P为高 电平 时 , 7和  _O Q
D2  

考 虑到电机在运行过程 中, 操作者会 根据实 际需要适 时调 

Q1   0

整 电机 运行 状态 , 实现 启停控 制 、 正反 转控 制 以及调 速等 其他  功能, 故控制系统 须提 供完 善 的人 机 交互 接 口。在 该设 计 中 ,  
电机控 制系统可通过 R 4 5串 口通讯方 式 与上位 机进 行人  S一 8 机交互 。此外 , 操作者还可通过键 盘模块 直接进行 电机运 行状 

态设定 , 状态显示功能则可 由 8位 L D模块实现 。键 盘显 示功  E 能模块 电路 如图 5所 示 , 系统采用智 能显 示驱动芯 片 HD 2 9   77A
来实现 L D显示 、 盘 接 口 的全 部功 能 。该 芯 片具 有 串行 接  E 键 口, 可同时驱动 8位共 阴数码管 , 并可 连接多 达 6 4键 的键 盘矩 
() a 上桥 驱 动  ( ) 桥 驱 动  b下

阵 。当有键 盘按 下时 , 7 7 A的 K Y引脚 输 出电平 会 被置  HD 2 9 E 低, 由于 K Y引脚接至单片机外 部 中断输入端 , E 通单 片机 可通  过过 中断方 式来 实现键盘状态的判别 。  

圈 4 功率管驱动电路 

Q 8导通 , l  约 3V的电压可通过 u P加 到 Q l的栅极使 Q 1导通 ,  

导通后 4  8V电源 电压加 至负载 , Q 使 l源极 电压上 升至4    8V,

0 贳 ∞ 0 害       0     ∞ ∞  
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图 5 人 机 交互 模 块 电路  

3 系统软件设计 

其 输出 3个 相位 差 为 10 电角 度 、 10 电角 度 的矩 形 波 。 2。 宽 8。  

系统 软件部分的主要功能为 : 电机 在不超过 额定 电流 的  使 情况下 , 可实现启 停控 制、 正反 转控制 、 速 调节 、 转 人机 交 互等  其他功 能。控 制系统软件包括主程 序及 中断服务程 序两部 分 l   主程序 主要 由系统初始化 、 子转速计 算及转 速 PD闭环控制  转 I
组成; 中断程 序则 主要 实 现 串行 中断接 收上 位 机 的转 速 设定  值、 外部 中断进行键 盘设 定 、 捕捉 中断检测转 子位 置、 时 中断  定

dPC通过捕获单元捕 捉电机转子位置传感 器上 的脉 冲信号从  sI
而判断转 子位 置。三相霍 尔位 置信号 H1 H 、 3三 相霍尔 位  、2H 置信号与功率管 的导通关 系见表 1  。
表 1 换 相表( 转 ) 正  

检测 电流和显示转速值及相关故 障信息。  
3 1 转子位置检测模块  .

设计 中的无刷直 流 电动机 定子绕 组采 用 三相 星型 接法 ,  3
个霍 尔元件 以 10 电角度间隔安置 于三相定 子绕组 的轴线上 , 2。   ( 下转第 7 9页)  

第1 1期 

陈曦等 : 化工精馏塔 的 P C温度控制系统设计  L

7  9

主控制器 PD的计算后控 制塔顶冷凝器水量来控制温度 。 I   使用该控制方案 后 , 温度控 制效 果 明显 , 精馏塔 压 力为  在 6k a   P 时塔底 温度 为 25℃ , 顶温度 为 10℃ , 1 塔 3 温度 超调不超  过 2℃. 静差小 于 ±1o 减 小 了温 度超调 和振荡 ,  C. 加快 了系统  的动态响应速度 , 高 了对 于环 境变 化 的适 应能 力 , 以将精  提 可 馏塔的温度稳定 的控 制在该范 围内, 为精馏过 程 的稳定 持续 运  行创造 了良好 的条件 。  

进行报警设 置等 , 以还需 要建立 上位 机 的监 控 画面 , 所 以及数  据库 的建立 。在此选用 的是 WiC 可 以实现 系统 的远程控制  n C, 要求 , coo  Q  evr 0 0可 以作 为其组态数 据和归档数  Mi sfS LSre  0 r t 2 据 的存储数 据库 J 。图 6为精馏塔 的监控 图。  
5 结 束 语 

文中依 据实际情 况设 计 了一 种基 于 P C的精馏塔 温度 控  L 制系统 , 该系统 已在河北 某化 工厂投 入运行 一年 多 , 系统运 行  稳 定可靠 , 使用及维 护简 洁方便 , 以持久 地将温 度控 制在 可  可

靠范围内。上位监控 系统可以实时反 映现 场设 备运行 的状态 ,  
节约了人力物力 。该温 度控 制系 统为精 馏塔 的正常运 行创 造 

了 良好的条件 , 提高 了设备 的效率 , 受到了厂方的好评 。  
参考文献 :  
[ ] 王维波 , 1  李树荣 . 基于集结模型 的精 馏塔产 品质量 非线性鲁棒控 
制 . 油 大学 学 报 , 石 自然 科 学 版 ,0 2 2 ( ):5~10  2 0 ,6 4 9 0.

[ ] 王晓远 , 2  杜静娟 , 齐利晓 , 基于工业组态软 件 WiC 等. n C的化工工  业监控系统. 化工 自动化及仪表 ,0 6 3 ( :1 3 20 ,3 5)4 —4 .  

[ ] 高军礼 , 3  陈玮 , 邓则名. 基于 D S的精馏塔 温度控制 的研究. C 仪表 
技术与传感 器,0 1 9 :6—3 . 20 ( ) 3 8  [ ] 胡科峰 , 4  周云飞 , 李作 清 , 基 于积分分离 的 PD位置控 制器 的  等. I 设计. 机床与液压 ,0 4 5 1 2 0 ( ):9—2 . 1   图6 精馏过程监控图  [ ] 西 门子 ( 5  中国 ) 限公 司. 入浅 出西 门子 WiC   6 北京 : 有 深 nCV . 北京 
航 空 航 天 大 学 出 版 社 ,0 5 1— . 20 : 3 

4 上 位 监 控 系 统 的 设 计 

精馏控制系统除 了要 能够稳 定 , 准确 的控 制 要求外 , 还要  能 够进 行远程的监控 , 变化趋势 的比对 , 历史 温度数 据 的查 询 ,  

作者简介 : 陈曦( 9 3 ) 16 一 教授 , 博士 , 事控制 理论 与控 制工程 方 向的  从 研究。Ema :ei0 6 @13 cn . i h y 0 6 6 .o   l 2

( 接 第 7 页) 上 6  

从 表 中可看 出 , 个周 期 由 6种不 同 的状态 构成 , 每 开关 元 
件 在 一 个 周 期 内导 通 10 . 各 状 态 中 均 有 2个 MO F T 同时  2 。在 SE

导通 , 在此 期间 , 下桥功率 开关 管恒开通 , 对应 的上桥功 率管按 
输 出电流和速度进行 P WM调制 , 通过调节 P WM 的占空 比调节 
相电流和转速 。   3 2 电机 调 速 方 案  .
图 6 无刷 直 流 电 动 机 速 度 控 制 方 案   

机控 制系统 , 充分利用 了 dPC单 片机 高效 的运算处理 能力 、 sI 便  捷的P WM功能及实用的 C P捕捉功能 , C 具有调速性能好 , 可靠  性 高等优 点。经 实践 检验 , 控 制系 统可 实 现 电机 的启 停 控  该 制 、 向控制 以及宽范 围的速度平 滑调节 。该系统 同时具 有串  转

系统采用双 闭环控 制系统 进行 电机 调速 。控 制 系统 根据 

所检测到的 电机 转子 位置信 号 , 计算 出 电机 的当前转 速 , 然后 
与速度参考值 比较 , 得到 速度误 差信 号 , 经过 速度控 制器 调节  以后 , 到相应 的电流参考信号 。该 电流参考信 号与实 际 的电  得

口通讯功 能 , 可实现 与上位 机 的通信 , 电机 的控 制方 式多样  使 化, 适用于对效率 、 噪声 、 可靠性及 电磁兼 容性都有较 高要求 的 
应用 场合 。   参考文献 :  
[ ] 王小明. 1  电动机 的单片机控 制. 北京 : 京航空航 天大学 出版社 , 北  
2 o   o 2.

机电流信号进行 比较 , 误差 值经 电流控 制器 调节 后 , 将适 当 的  P WM 信号施加到 电机 的功率 变换器 上 , 过控 制功 率 管 的开  通 通 关断顺序和时 间, 可以改变 电机定 子绕组 中电流大小 和绕组 
导通顺 序 , 而 实 现 对 无 刷 直 流 电 机转 速 和 输 出转 矩 的控  从
制。   在 如 图 6所 示 的 双 闭 环 控 制 系 统 中 , 流 环 为 内 环 , 度   电 速

[ 2] 崔 丽 , 叶先 明. 于 A R单片机 的直 流无刷 电机智 能控 制系统设  基 V 计. 仪表技术 与传感器 ,0 9 1 )3 3 . 20 ( 1 :4— 6 

环 为外 环。电流环采 用 经典 P 调节 器 , 作用是 提 高 系统 的  I 其 快 速性 , 抑制 电流环内部干扰 , 限制最大 电流 ; 度环则 采用传  速 统 PD调节器 , I 其作用 是增加 系统抗负 载扰 动 的能力 , 制速  抑
度波动 。  
4 结 束 语 

[ ] M c ci T cnl yI . s C O 4 1 D t he, 0 . 3 i o p eh o g n dP 3 F 0 1 a set 0 4 rh   o  c I   a   2   [ ] 张琛. 4  直流无刷 电动机原理 及应用 . 京 : 北 北京机 械工业 出版社 ,  
19 . 9 6 

作者简介 : 李伟 ( 9 9 , 学硕 士, 1 7 一) 工 讲师 , 主要研 究 方 向为机 电一 体 
化, 仪器与测试技术 等。E m i l @bp.d .n   al i :w ite u c 

文 中设 计的基于 dPC 0 4 1 sI3 F 0 1单 片机 的永 磁无 刷直 流 电 


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基于单片机无刷直流电机控制系统的设计毕业设计
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基于单片机的无刷直流电动机控制系统设计
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