摘 要

我国的城市轨道交通系统已进入快速发展阶段，可是目前地铁、轻轨线上工作着的大都是外国研发的列车，进口车辆设备的投资和运营成本非常高。为了实现我国城市轨道交通的可持续发展战略，城市轨道设施呼唤国产化和自主创新迫在眉睫。本文正是从这一点出发，探索无刷直流电机控制系统在城市轨道交通牵引中的应用。

本文对城市轨道交通无刷直流电机控制系统进行了深入的研究，首先详细论述了系统的总体方案，介绍了无刷直流电机的构成、运行原理、运行特性以及其转自位置信号的检测方法；然后设计了控制系统个部分硬件电路及相关软件；最后对本论文的工作进行了总结，分析和探讨了研究过程中存在的不足，并提出了一些改进、完善的设想。

根据控制系统的设计参数、成本及灵活性等各方面要求，本文设计的城市轨道交通电机控制系统以STC89C52RC单片机为控制核心,用IR2130芯片作为逆变电路MOSFET驱动芯片,以LCD1602为显示器,以调压调速的方法实现对城市轨道交通列车无刷直流电动机的控制。

关键词：无刷直流电机；STC89C52RC；城市轨道交通；PWM

Abstract

In China, the urban rail transit system has entered a stage of rapid development but still use train made on abroad. The investment in equipment and the cost is very expensive . In order to realize the sustainable development strategy of our country’s urban rail transit, urban rail facilities need homemade and independent innovation. This paper is from this point of view, to explore the application of brushless DC motor control system in urban rail transit traction.

In this paper, the brushless DC motor control system of urban rail transit is studied deeply. Firstly, the overall scheme of the system is discussed in detail. The composition, operation principle, running characteristic and detection method of the three-phase brushless DC motor are introduced. Then, the hardware circuit and related software of the control system are designed. Finally, the work of this paper is summarized and analyzed . The shortcomings in the research process is discussed, and some improvement and perfect ideas are put forward.

According to the requirements of control system such as design parameters,cost and flexibility, the paper designed STC89C52RC microcontroller as the core, IR2130 chip as the inverter circuit MOSFET driver and LCD1602 as the monitor, to achieve the control of start and stop, commutation, acceleration and deceleration.

Key Words：Brushless DC motor; STC89C52RC；Urban rail transit；PWM

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2课题研究意义 2

1.3城轨交通电机控制系统研究现状 3

1.4本文的研究内容与结构 5

第2章 城市轨道交通电机控制系统的总体方案设计 6

2.1设计需求 6

2.2系统硬件总体方案 6

2.3系统软件总体方案 7

2.4无刷直流电机控制策略 8

2.4.1无刷直流电机基本组成 8

2.4.2无刷直流电动机控制方式及原理 10

2.5 本章小结 12

第3章 控制系统硬件电路设计 13

3.1控制模块 13

3.1.1系统主电路设计 13

3.1.2驱动电路设计 16

3.1.3转子位置检测电路设计 18

3.2输入模块 19

3.3显示模块 20

3.4电源模块 21

3.5 本章小结 22

第4章 控制系统软件程序设计 23

4.1 软件程序设计概述 23

4.2 主程序设计 24

4.3 中断子程序设计 25

4.3.1中断子程序概述 25

4.3.2转速调节子程序 26

4.4本章小结 27

第5章 总结及展望 28

5.1全文总结 28

5.2课题展望 28

参考文献 30

致谢 31

第1章 绪论

1.1引言

城市轨道交通是地铁、现代有轨电车、轻型轨道交通、高速磁悬浮列车等轨道交通的总称^[1]，一般是指采用高架线路或地下隧道形式等特殊线路的城市公共交通系统。因为配备有专用的运行线路，抢道、等红 绿灯延误时间等情况不会发生，所以运行速度比公共汽车高很多，而且列车是编组运行的，载客能力也远远高于其他的交通工具。

车辆是城市轨道交通系统中技术含量比较高的机电设备，也是最重要、最关键的设备。电力牵引系统是城轨车辆动力系统的重要组成部分，它涉及电力电子、计算机、电机控制等诸多领域，电力牵引系统的先进技术水平也体现了城市轨道交通车辆设备的高科技含量。电力牵引是一种将电力作为车辆前进牵引力的牵引方式，架空接触网或输电轨上的电能通过变流器传递给轨道交通车辆，然后通过车载转换器装置供应给安装在转向架上的电机。牵引电机将电能转换为机械能,机械能通过齿轮传递给轮对,驱动车轮在轨道上运动,从而带动车辆前进。对城市轨道交通车辆电力牵引系统研究的目的是提高城轨车辆电机的牵引性能和电制动性能，增强城市轨道交通车辆运行过程的可靠性，降低列车运行成本,减少对环境的污染^[2]。

就牵引电动机而言，早期的电力牵引的轨道交通车辆采用普通的有刷直流电动机，转速的调节是通过改变电机上串联的电阻大小从而改变直流电机的端电压来实现的。这种方式不仅浪费大量的电能，此外,普通刷直流电机结构复杂,体积大,工作可靠性差，维修麻烦，存在诸多缺点。所以随着无刷直流电机控制理论和大功率电力电子器件制造技术和半导体技术的发展，无刷直流电机牵引的传动技术迅速发展。无刷直流电机体积小,效率高,调速范围宽,驱动控制简单等优异性能引起了人们的关注，有望成为城市轨道交通车辆牵引电机的新宠。