摘 要

步进电机是将电脉冲信号转换为角位移或线位移的开环控制电机，具有准确定位的优点。无刷直流电机是在有刷直流电机的基础上发展而来的，相比于有刷直流电机来说，具有可靠性高，噪音低，寿命长等优点。在微电子和计算机技术迅猛发展的今天，两种电机的需求量与日俱增。对这两种电机进行研究具有重要意义。本文详细阐述了两种电机的工作原理，并对两种电机的控制算法进行了详细的介绍和对比。并根据其工作原理设计出了两种电机的驱动系统。在Proteus仿真平台上使用51单片机作为主控芯片搭建电路并进行仿真，实现了电机换向以及调速等功能。并在直流无刷电机的控制系统仿真中引入了PID控制算法对电机的开环控制和闭环控制进行对比。最终可以发现步进电机可以实现精确定位控制，适合应用于需要精确定位的系统中。无刷直流电机控制简单，定位精度较差，适合应用于对速度要求高，对位移定位要求一般的系统中。

关键词：无刷直流电机；步进电机；51单片机；仿真；PID

Abstract

The stepper motor is an open-loop control motor that converts electrical pulse signals into angular displacement or line displacements with the advantage of accurate positioning. Brushless DC motor is based on the brush DC motor developed, compared to brush DC motor, with high reliability, low noise, long life and other advantages. In the rapid development of microelectronics and computer technology today, the demand for two kinds of motors is increasing day by day. The study of these two motors is of great significance. In this paper, the working principle of the two motors is described in detail, and the control algorithms of the two motors are introduced and compared in detail. And according to its working principle designed two kinds of motor drive system. In the Proteus simulation platform using 51 single-chip as a master chip to build the circuit and simulation, to achieve the motor commutation and speed control and other functions. And the PID control algorithm is introduced to simulate the open-loop control and closed-loop control of the motor in the control system simulation of the brushless DC motor. Eventually it can be found that the stepper motor can achieve precise positioning control, suitable for applications that require precise positioning. Brushless DC motor control is simple, poor positioning accuracy, suitable for high speed requirements, the displacement of the general requirements of the system.

Keywords：Brushless DC motor; Stepping Motor; 51 Single Chip Microcomputer; Simulation;PID

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1选题的目的和意义 1

1.2国内外对电机运动控制的研究现状 1

1.3 论文内容安排 2

第2章 两种电机的结构和工作原理以及常见控制算法 3

2.1直流无刷电机的结构和工作原理 3

2.1.1直流无刷电机的结构 3

2.1.2直流无刷电机的工作原理 4

2.2步进电机的结构和工作原理 6

2.2.1步进电机的结构 6

2.2.2步进电机的工作原理 7

2.3直流无刷电机PID控制算法 9

2.4步进电机的优化控制方式 10

2.4.1恒流斩波驱动 10

2.4.2细分控制算法 11

2.5两种电机控制算法的对比 12

第3章 系统的设计与实现 13

3.1电机驱动电路设计 13

3.1.1Proteus软件介绍 13

3.1.2直流无刷电机硬件电路设计 13

3.1.2.1电机仿真模型介绍 13

3.1.2.2按键电路 13

3.1.2.3电子换向电路 14

3.1.2.4主控制器电路 15

3.1.3步进电机硬件电路设计 15

3.1.3.1步进电机仿真模型介绍 15

3.1.3.2步进电机驱动电路 16

3.1.3.3按键电路 17

3.1.3.4主控制器电路 17

3.2软件设计 18

3.2.1Keil软件介绍 18

3.2.2单片机介绍 18

3.2.3直流无刷电机驱动软件设计 19

3.2.3.1直流无刷电机驱动控制策略 19

3.2.3.2直流无刷电机驱动程序 20

3.2.3.3中断程序 21

3.2.4步进电机驱动软件设计 24

3.2.4.1步进电机软件控制策略 24

3.2.4.2步进电机驱动程序 24

3.2.4.3按键检测程序 25

3.3仿真过程及结果分析 26

3.3.1直流无刷电机仿真过程及结果分析 26

3.3.2步进电机仿真过程及结果分析 27

3.4本章小结 28

第4章 总结和展望 29

4.1论文总结 29

4.2未来工作展望 29

附录A程序 31

致 谢 39

第1章 绪论

1.1选题的目的和意义

随着科技的发展，步进电机和直流无刷电机，逐渐成为工业和日常生活中应用极为广泛的两种电机。它们各自有各自的优点，有着不同的作用。

步进电机和直流无刷电机是如今使用较为频繁的两种电机。这两种电机它们分别有不同的特点和功能，应用在不同的场合。步进电机能够将电脉冲信号转换为角位移或线位移。作为现代数字控制系统中的主要执行元件，它在很多不同的场合都有应用。在非超载的状态下，步进电机转动的速度和转子停止的位置只和脉冲信号的频率以及脉冲的个数有关，而不受不同负载的影响，当一个脉冲信号传达至步进电机时，步进电机就会按照设定的方向转动一个固定的角度，这个角度被称为“步距角”，它的旋转是以固定的角度一步一步进行的。我们可以通过控制输入给电机的脉冲的数量来控制步进电机转子的角位移量，从而达到精准定位的目的；同时也可以通过控制输入给电机的脉冲的频率来控制电机转动的速度，实现电机的调速功能。步进电机由于其本身的特点，在国内外实际应用中，有利于设备的小型化或者降低成本。因此，步进电机在国内外被广泛运用在了多个领域，得到了不断地发展和完善。直流无刷电机是在直流有刷电机的基础上发展而来的^[1]。直流无刷电机的换向是采用半导体开关器件来实现的，由于使用的是电子开关器件，弥补了一般的接触式换向的缺点，因此直流无刷电机具有噪声小、可靠性高等优点。如今无刷直流电机已广泛应用于汽车、自动化和航空航天等领域中。随着微电子和计算机技术的发展，步进电机的需求量也将迅速增长，步进电机在国民经济各个领域都有广泛的应用。对这两种应用十分广泛的电机的控制算法进行研究，具有十分重要的意义。

本文采用单片机作为直流无刷电机和步进电机的控制器。这是因为首先单片机能够完成较为复杂的控制，可以实现复杂的逻辑功能，大大简化了电路的复杂程度。另外可以通过软件来修改控制算法，便于修改和调试。除此之外通过Proteus仿真平台实现电路的搭建，对硬件电路进行仿真，以此来完成对两种不同电机的运动控制系统的设计。采用Proteus来实现电机运动控制系统设计，不仅节约成本而且方便高效。

1.2国内外对电机运动控制的研究现状

近几年来，随着科技的发展，国内外对电机的运动控制系统的探究都产生了深厚的兴趣。1930年左右电机运动控制系统的雏形出现了，早期电机的运动控制系统，一般采用运放和逻辑门电路等分立元件，以硬件连线的方式构成。虽然这种控制系统响应速度较快精度较高。但是结构复杂，在控制系统设计完成之后，无法进进行修改，可靠性并不高。

随着微控制器的发展和应用，由于其具有集成度高、功耗低、抗干扰能力强等特点，微处理器逐渐替代模拟电路来构成电动机的控制器。用微处理器作为系统主控芯片的系统电路结构较为简单。控制电路不再需要依靠分立原件来实现，可以大大提高系统的可靠性，便于系统的设计和修改。到了数字化的今天，电机运动控制系统得到了快速的发展，相应的控制算法也像雨后春笋一般不断出现。电机运动控制技术已经上升到一个很高的水平。相信在不久的将来，电机会在国民生活领域发生巨大作用。

1.3 论文内容安排

在广泛阅读国内外关于直流无刷电机和步进电机工作原理和控制算法的文献后，本文分别设计了直流无刷电机和步进电机运动控制系统。在相应的仿真平台搭建了硬件电路，并完成了仿真。第一章介绍了选题的目的和意义以及国内外对电机运动控制的研究现状；第二章重点讨论了两种电机的工作原理以及两种电机典型的控制算法并进行了对比；第三章根据两种电机的工作原理设计了相应的电机驱动硬件电路以及软件程序并在相应的仿真平台上完成了仿真；第四章对全文进行了总结，分析了本文所设计的系统的不足并提出了相应的改进方法。

第2章 两种电机的结构和工作原理以及常见控制算法

2.1直流无刷电机的结构和工作原理

2.1.1直流无刷电机的结构

由于直流无刷电机定子产生的磁场和转子产生的磁场的频率是相同的，所以直流无刷电机属于同步电机。直流无刷电机与普通的直流电机在结构上有很大的不同。为了保持马达的连续旋转，普通的有刷直流电机采用电刷和换向器换向^[2]。而无刷直流电机则采用集成的驱动电路进行换向，没有碳刷和整流子等结构，因此在换向过程中没有火花，噪声较小。另外与一般的有刷直流电机不同，直流无刷电机的绕组为定子，磁铁为转子。直流无刷电机主要由电子换相电路、转子位置传感器以及电机本体组成。直流无刷电机的结构图如图2.1所示。

图2.1 直流无刷电机结构示意图

电机本体由定子和转子构成。大多数直流无刷电机的定子绕组多做成三相对称星形接法。而转子则是由多对永磁体按照S极和N极交替排列构成。直流无刷电机接通电源后，电流流入线圈产生电磁场。定子上线圈产生的磁场和转子的磁场发生相互作用，转子旋转从而实现电能和机械能的相互转化。要实现直流无刷电机的持续转动，除了定子和转子之外，还需要转子位置传感器和电子换向电路的帮助。转子位置传感器一般为霍尔原件，用来获取转子的位置信息，并将转子的位置信息反馈给控制器^[3]。控制器根据转子的位置，控制电子换向电路的输出，以此达到使电机持续旋转的目的。电子换向电路的结构图如图2.2所示。

图2.2 直流无刷电机电子换向电路的结构图

2.1.2直流无刷电机的工作原理

直流有刷电机由于使用了电刷进行换向，使得永磁体产生的磁场和电枢绕组通电后产生的磁场始终保持垂直，因而产生最大转矩，电机得以持续转动^[4]。相比于直流有刷电机来说，直流无刷电机的运行原理也是要产生恒定的转矩。由于没有电刷，。直流无刷电机的主体结构和一般直流电机恰恰相反。转子为永磁体，线圈绕组在定子的位置上。如果只给线圈绕组接入固定的直流电流，那么将会产生恒定的磁场。这样显然是无法让电机实现持续旋转的。所以直流无刷电机需要转子位置传感器来实时监测转子的位置，再根据转子的位置给电机对应的相接入对应的电流。以此使定子产生一个方向均匀变化的旋转磁场。磁场顺时针旋转时，电机转子跟随磁场顺时针旋转。磁场逆时针旋转时，电机转子跟随磁场逆时针旋转。通过改变旋转磁场的旋转顺序来达到换向的目的。通电导体在磁场中时，由于磁场的作用，电荷会向导体的一侧汇集。当导体为薄板时这种现象最为明显。这种现象称为霍尔效应。在直流无刷电机中便是利用霍尔效应来检测转子位置的。因此转子位置传感器又称为霍尔传感器。在直流无刷电机中霍尔元件的位置安排有60度夹角还和120度夹角两种。

直流无刷电机采用六步电流换相，在每一次换相中，一组绕组正向通电，另一个绕组反向通电，剩下的第三组不通电。在电机转动过程中，每隔60度三个霍尔原件中的一个输出就会改变。所以一个通电周期就会有6次变化，但有时候转子转动一周需要多个通电周期。转子转动一周所需要的通电周期等于转子上磁极的对数。电机典型的六步电流换相顺序图如图2.3所示。