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摘 要

无刷直流电机是一种电机与电子相互结合的高新技术产物，他不仅具有效率高、体积小、重量轻和控制精度高等优点，而且还拥有普通直流电动机的优点。因而，研究具有控制精度高、调节能力强、响应速度快的无刷直流电机控制系统具有深远意义。论文研究了以PIC18F4520为控制芯片，IR2136为驱动芯片并设计制系统的硬件电路，侧重于具体应用。首先，本文研究了无刷直流电机的基本结构以及工作原理，进而分析了无刷直流电机的换向过程，并确定了系统的控制结构以及控制技术等。然而，本文对控制系统的硬件进行了设计，包括以LM2575芯片为核心的电源电路，以74HC14与光耦隔离组合的转子位置检测电路，以EPM3128A为控制芯片的LED显示电路和以MAX23CPE为核心的串口电路。最后，在论文结尾对整个设计做出了总结。

关键字：无刷直流电机；控制系统；PIC18F4520

THE HARDWARE DESIGN OF BLDCM CONTRLLER

ABSTACT

Brushless DC Motor (BLDCM), which has many good performances, such as light efficient, small inertia, high control precision and so on, is a sort of macaronis products, and BLDCM reserves a lot of excellent mechanical characteristics of DC motor. Therefore, research has high control accuracy, strong adjustment ability, and fast response speed of brushless DC motor control system has a far-reaching significance. Paper studied PIC18F4520 as control chip, IR2136 as drive chip and design of system hardware circuit, focus on the specific application. First of all, this paper studies the basic structure and working principle of brushless DC motor, the commutation process of brushless DC motor is analyzed, and determines the control structure and control technology of the system. However, in this paper, the hardware of the control system design, including LM2575 chip as the core of the power supply circuit, with 74HC14 combined with optical coupling isolation of rotor position detection circuit, EPM3128A as control chip of the LED display circuit and MAX23CPE as the core of the serial interface circuit. Finally, the paper has made a summary to the whole design at the end.

Key Words: BLDCM; Control system; PIC18F4520

目 录

摘要 I

ABSTACT II

第一章 绪论 1

1.1课题背景 1

1.2无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较 2

1.3 无刷直流电动机的应用与研究动向 2

1.4 本文结构 4

第二章 无刷直流电机的工作原理 5

2.1无刷直流电机结构 5

2.1.1 电机本体 5

2.1.2 逆变器 5

2.1.3 位置检测器 6

2.1.4 控制器 6

2.2无刷直流电机的工作原理 7

2.3 本章小结 9

第三章 控制系统的整体结构与控制芯片 10

3.1系统整体框架 10

3.2芯片的介绍 10

3.2.1 控制芯片 10

3.2.2 PIC18F4520管脚排列及功能定义 11

3.2.3 PIC18F4520单片机的功能特性 12

3.3 微控制器特性 13

3.4 本章小结 13

第四章 控制系统硬件电路设计 14

4.1 时钟电路设计 14

4.2电源及时钟电路设计 14

4.3 驱动电路与过流检测电路设计 15

4.3.1 功率管的选择 15

4.3.2 三相全桥驱动电路设计 16

4.4 转子电流电采样电路设计 18

4.5 LED显示电路设计 19

4.6 复位电路设计 21

4.7启停电路设计 21

4.8 调速电路设计 22

4.9 串口电路设计 22

4.10 过流检测电路设计 23

4.11 电路原理图 23

4.12 本章小结 24

第五章 总结与展望 25

参考文献 27

致谢 29

附录 30

第一章 绪论

1.1课题背景

21世纪是一个发展、创新的重要时代，其中电力电子技术的快速发展以及新型永磁材料的出现，让无刷直流电机得了迅速的发展。由无刷直流电机的换向是电子换向代替机械换向，它不仅拥有交流电动机的结构简单、运行稳定性高、维护方便等特点，还具备直流电动机运行效率高、调速简单方便等优点，同时消除了有刷电机由于电刷带来的火花、噪声、干扰以及寿命短等缺点。无刷直流电机还具有许多独特优点，如体积小、输出力矩大、动态性能好、设计简便等特点，因为应用遍及各个领域^[1]。

早期的电机驱动控制系统多采用专用硬件控制设备，需要根据其功能的不同设计专用的芯片以及硬件电路来满足控制对象的需求，这种结构使得电机驱动控制系统的体积庞大、投资成本高、研发周期长、可扩展性差、实用性低，并且维护升级困难。但随着高性能的数字集成电路、电力电子技术、计算机技术等技术的快速发展以及控制思想的逐渐成熟，使得无刷直流电机控制系统日益稳定、完善，采用较少的控制器就能实现所需的控制功能^[25]。与此同时，控制器的集成度越来越高、规模越来越小、可靠性能提高、成本逐渐。

无刷直流电机驱动控制过程中，不但要完成高速的数据采集计算，还要完成多个控制环的复杂计算以及PWM调制、换相控制，需要完成的计算量较大，并且对实时性和精度要求较高。而单片机由于其内部体系结构和计算功能等条件限制，在需要处理数据量大和实时性要求高时，往往不能满足要求；另外，受芯片制造工艺限制，在现有的电机专用控制芯片中所实现的算法一般比较简单，也难以应用在高性能、高精度的应用场合^[3]。因此一般采用DSP进行实现，但这种方法开发周期长，在运算上仅限于对串行数据的处理，对于大容量的数据则要分时串行处理，影响了系统效率和精度，而且用DSP控制电机所需的外围元件较多，影响了控制系统的可靠性^[21][3]。自九十年代以后，单片机获得了飞速的发展，世界各大半导体公司相继开发了功能更为强大的单片机。美国Microchip公司发布了一种完全不兼容MCS-51的新一代PIC系列单片机，引起了业界的广泛关注，特别它的产品只有33条精简指令集吸引了不少用户，使人们从INTEL的111条复杂指令集中走出来。PIC单片机获得了快速的发展，在业界中占有一席之地。

1.2无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较

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