【正文】 時 間 2020 年 2 月 26 日 無刷電機控制器的相序檢測系統(tǒng)設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計開題報告 題 目 無刷電機控制器的相序檢測系統(tǒng)設(shè)計 學生姓名 學號 班 級 電 04012 專 業(yè) 電氣工程及其自動化 一、 研究背景以及現(xiàn)狀 電動車作為一種新型的代步工具，已經(jīng)實實在在地被人民群眾所接受。 據(jù) 業(yè)內(nèi)人士預(yù)測，未來幾年內(nèi)，電動車的容量幾乎相當于自行車的市場容量，全國 億輛自行車用戶中至少有3 億的用戶將成為電動車的用戶。我國現(xiàn)在關(guān)于電機檢測系統(tǒng)大部分技術(shù)成果是依照工作原理搭建硬件電路，實現(xiàn)參數(shù)匹配，根據(jù)不同數(shù)據(jù)，分析確定電機類型是否匹配，工作狀況是否良好。使其可以實現(xiàn)以下功能： ⑴ 檢測控制器角度 ⑵ 判斷霍爾控制線相序 ⑶ 判斷控制器三相電源相序 ⑷判斷控制器故障 三、預(yù)期目標 ⑴ 三個數(shù)碼管分別對應(yīng)控制器三根電源線，當三個數(shù)碼管顯示 OOO 表示控制器完好，顯示 EEE 時，表明該顯示對應(yīng)的控制器相序出現(xiàn)問題，需要檢測。 ⑶ 可在 數(shù)碼管上顯示各霍耳引出線對應(yīng)的相序。 設(shè)計采用 AT89C51單片機檢測無刷電機控制器的好壞及其相序和霍爾元件的相序，在所檢測控制器的工作性能良好的情況下，將其 相序輸出到數(shù)碼管顯示電路，同時判斷霍爾 控制線 的相序。由于省卻了位置傳感器，電機結(jié)構(gòu)更簡單，可靠 [1]。 隨之而來的如何對出現(xiàn)問題的電動車進行檢測已經(jīng)成為工程技術(shù)人員研究的主要方向。但總 體 來說，技術(shù)含量已經(jīng)從本質(zhì)上轉(zhuǎn)移，電路復雜到一般人無法維修該方案的控制器。 目前市場上矽成微電子 和 紫薇單片機是石家莊鐵道學院畢業(yè)設(shè)計 2 后起之秀，他們是 做 無同步續(xù) 流的，但電流處理技術(shù)首屈一指，所以，測功機上測試的曲線是做的最 理想 的 。 (6)合泰義隆等臺灣芯片：合泰最早也是推出 MCU+33035 的方式，但后來也有 用其他控制芯片 的 。 無霍爾是最近幾年最熱門的話題， 如果可以成功，那將是控制器技術(shù)的又一大進步 [2]。 控制特性主要指電機運轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性、調(diào)速特性和負載能力。在騎行中 , 控制器的驅(qū)動管處于大電流的開關(guān)運行過程，因此，從某種意義上講，驅(qū)動器的帶負載運行能力是控制器最重要的技術(shù)指標。 (3)控制器工作起來時斷時續(xù)，一般有以下幾種可能：器件本身在高溫或低溫環(huán)境下參數(shù)漂移；控制器總體設(shè)計功耗大導致某些器件局部溫度過高而使器件本身進入保護狀態(tài)；接觸不良。 對無刷電機控制器而言，大多數(shù)廠家采用專用驅(qū)動芯片驅(qū)動。 (3)要克服控制器對溫度的敏感，第一是選擇溫度系數(shù)好的元器件，第二是從設(shè)計上降低各模塊電路的功率消耗，第三是 盡量減少無用功消耗，第四是充分考慮到控制器的散熱。無刷控制器通過直接讀取各種控制信號，進行實時處理或保護，這種方法就可以大大提高無刷控制器的設(shè)計可靠性 [4]。智能型一般具有助力、定速等功能。 表 11 電動自行車控制器的型號和特點 控制器名稱 代表型號 電路結(jié)構(gòu) 功率管數(shù) 價格 騎行模式 功能描述 普通有刷 ZK3610A 簡單 1～ 2 低 單一 “ 電動 ”騎行功能 欠壓、限流 /過流 智能有刷 ZKC3610E 簡單 1～ 2 中 “ 助力 ” 、“ 電動 ” 、“ 定速 ” 欠壓、限流 /過流、故障自檢 /顯示 普通無刷 WZK3610A 復雜 6 高 單一 “ 電動 ”騎行功能 智能無刷 WZKC3610E 復雜 6 高 “ 助力 ” 、“ 電動 ” 、“ 定速 ” 欠壓、限流、電機堵轉(zhuǎn)保護、缺相保護、故障自檢 /顯示 目前，我國關(guān)于無刷電機控制器的檢測系統(tǒng)大部分是依照控制器的工作原理搭建硬件電路，通過外部發(fā)光管的亮滅情況，分析所檢測控制器的角度和相序，確定和電機的連接正確性。 石家莊鐵道學院畢業(yè)設(shè)計 5 研究設(shè)計內(nèi)容 本論文主要研究的內(nèi)容是電動車無刷電機控制器的相序檢測系統(tǒng)。 研究設(shè)計的創(chuàng)新點 本設(shè)計改變了過去無刷電機控制器的相序檢測系統(tǒng)必需人工干預(yù)的缺點，采用AT89C51 作為控制 核心，用軟件編程控制外部硬件電路的相應(yīng)變化 (主要是繼電器常開點的斷開或閉合 ),并可以直觀地在數(shù)碼管顯示器上觀察控制器的 三相電源 的相序，以及霍爾控制線的相序，根據(jù)數(shù)碼管顯示器上的顯示，就可以正確地連接無刷電機和控制器，整個過程不需要人的干預(yù)，在接線完成后全部是系統(tǒng)自身完成的。 MC33035 無刷直流電機控制器采用雙極性模擬工藝制造，可在任何惡劣的工業(yè)環(huán)境條件下保證高品質(zhì)和高穩(wěn)定性。 MC33035 的管腳分布情況如圖 21 所示： 圖 21 MC33035的管腳分布圖 MC33035 內(nèi)部的轉(zhuǎn)子位置譯碼器主要用于監(jiān)控三個傳感器輸入，以便系統(tǒng)能夠正確提供高端和低端驅(qū)動輸入的正確時序。 MC33035 所提供的 60176。、 240176。通過六個有效輸入編碼可使譯碼器在使用 60176。 電機通 /斷控制可由輸出使能來實現(xiàn)，當該管腳開路時，連接到正電源的內(nèi)置上拉電阻將會啟動頂部和底部驅(qū)動輸出時序。其中的功率開關(guān)三極管為達林頓 PNP 型，下部的功率開關(guān)三極管為 N 溝道功率 MOSFET。因此，通過合理配置可使定子繞組的兩端從電源切換到地，并可使電流為雙向或全波。 霍爾元件的工作原理 在無刷電機的驅(qū)動控制中，為了檢測轉(zhuǎn)子的位置常采用霍爾元件，用以傳送控制系統(tǒng)的位置或速度偏差電壓，即利用霍爾元件的乘算功能產(chǎn)生同偏差成比例的無刷電機力矩。 圖 23 霍爾元件的工作原理圖 當環(huán)境溫度和激勵電流一定時，霍爾電勢大小與磁感強度成正比，因此可通過霍爾元件能檢測磁場的強弱。間隔放置。電源電路的硬件框圖如下圖 24 所示。 設(shè)計中整個硬件電路的框圖如圖 25 所示。在復位時，輸出信號 ALE、 PSEN 為高電平。所謂上電復位，是指單片機只要以上電，便自動進入復位狀態(tài)。復位電路如下圖 26 所示。時鐘電路的外接晶體可以分為石英晶體和陶瓷諧振警惕兩種。 圖 27 時鐘電路 振蕩器的振蕩頻率由外接的石英晶體或陶瓷振蕩器的諧振頻率確定。 顯示電路的設(shè)計 顯示方法的介紹 設(shè)計的顯示部分采用數(shù)碼管顯示 (LED 顯示 )。 (4) 壽命長，使用壽命在 10 萬個小時以上，而且成本低 [9]?？刂撇煌M合的發(fā)光二極管導通，就能顯示出 0~ A、 B、 C、 D、 E、 F 及小數(shù)點“ .”等字符。這種顯示的優(yōu)點是占用機時少，顯示可靠；缺點是使用元件多，且線路比較復雜，因而成本比較高。 由于本設(shè)計的顯示位數(shù)只有 6 位，所以采用靜態(tài)顯示是合適的、經(jīng)濟的。 石家莊鐵道學院畢業(yè)設(shè)計 13 由于本設(shè)計采用的是數(shù)碼管靜態(tài)顯示，所以動態(tài)顯示就不做介紹了。 串行數(shù)據(jù)傳送的特點是：數(shù)據(jù)傳送按位順序進行，通信線路簡單，最少只 需要一根傳輸線即可實現(xiàn)通信；而且它既可以傳送數(shù)據(jù)信息，又可以傳送通信控制信息；傳送成本低，但速度慢；對信息格式又固定的要求，并且對信息的邏輯定義與 TTL 不兼容，需要進行邏輯電平轉(zhuǎn)換。 靜態(tài)數(shù)碼顯示的應(yīng)用 本設(shè)計采用單片機方式 0 移位寄存器輸入 /輸出方式。 74LS164 為 TTL 單向 8 位移位寄存器，可實現(xiàn)串行輸入，并行輸出功能，而且74LS164 的驅(qū)動電流可達 20mA，可直接驅(qū)動 LED 數(shù)碼管要顯示的數(shù)字存入。每一個時鐘信號的上升沿加到 T 端時，移位寄存器移一位， 8 個時鐘脈沖過后， 8 位二進制數(shù)全部移入 74LS164 中 [13]。 其工作過程如下： AT89C51的串行口設(shè)定在方式 0移位寄存器狀態(tài)下，串行數(shù)據(jù)由 RXD發(fā)送，移位時鐘由 TXD送出?？傮w來說，顯示效果還是可以接受的，是符合設(shè)計要求的。為了方便起見，選擇電阻值為 1k? ，起的是限流作用。 外部信號的輸入電路 在對單片機進行信號輸入時，要防止干擾，尤其是外部干擾，例如霍爾傳感器產(chǎn)生的干擾、電源產(chǎn)生的干擾、外界環(huán)境產(chǎn)生的干擾等。由于控制器輸出的電壓和電流都無法確定大小，為了防止輸出的強電壓或者強電流燒壞單片機，我采用光電耦合電路對干擾進行隔離。電動車無刷電機控制器的輸出電壓為 36V 或者 48V，所以根據(jù)歐姆定律得 RA=RB=RC=? 。集成三端穩(wěn)壓器因其穩(wěn)壓精度高、工作穩(wěn)定可靠、外圍電路簡單、容易設(shè)計和制作、體積小、重量輕、成本低、維修簡單等優(yōu)點 [16]，所以在本電源電路中采用的分別是 12V集成三端穩(wěn)壓器和 5V集成三端穩(wěn)壓器。由于此脈動的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過濾波電容加以濾除，從而得到平滑的直流電壓。 確定電容 C7 ,可用下式進行計算： ?? 10 m s0 I d tC1V21 (21) 式中 :10ms 為交流電網(wǎng)電壓周期的一半。電容 C9的作用是減小穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾，其數(shù)值為經(jīng)驗值，在 100μF左右 [20]。不但在室溫下要正常工作，還要在一定溫度、濕度、氣壓及振動等條件下正常工作。繼電器不但在出廠時性能應(yīng)該滿足要求，長時間使用后繼電器性能也應(yīng)該變化不大，并希望繼電器有很長的壽命 (一般壽命為數(shù)十萬至數(shù)百萬次 )[9]。 ②使用環(huán)境的考慮 使用環(huán)境指安裝地點及使用場合、環(huán)境溫度、相對濕度、污染 (或潔凈 )情況、沖擊和振動情況等。當繼電器由晶體三極管或集成電路驅(qū)動時，若驅(qū)動電流小于繼電器的額定工作電流時，必要時應(yīng)增添一只中間繼電器。當用繼電器的觸點來切換電感性或電容性負載時，實際額定工作電流要小得多。即使同一種型號的繼電器，也有多種觸點形式可供選擇。 繼電器的選擇 在本設(shè)計的電路中，不能選擇 5V 的繼電器，這是因為 5V 的繼電器在 RELAY跳開切離時，會產(chǎn)生一個很大的反電動勢， 必然會對 +5V 的穩(wěn)壓電源造成某種程度的影響，這時會干擾到單片機動作的穩(wěn)定性以及隔離電路的精確度，甚至燒毀單片機，更重 要的是，目前在市場上 5V 的繼電器比較難找，所以在這里我選用 +12V 的JCZ22F 型繼電器。 圖 211 繼電器的驅(qū)動電路 繼電器的附加電路 在本設(shè)計的電路中，繼電器兩端并聯(lián)了二極管電路。 石家莊鐵道學院畢業(yè)設(shè)計 20 第 3 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計 本設(shè)計是一個電動車無刷電機控制器的相序檢測系統(tǒng)，是以 AT89C51 單片機為控制中心，并最終將檢測結(jié)果輸出到數(shù)碼管顯示器進行顯示，即將無刷電機控制器的三相 A、 B、 C 的輸出通過光耦隔離電路引入到 AT89C51 單片機中，通過軟件進行判斷，并將判斷結(jié)果輸出到數(shù)碼管顯示器上進行顯示。 由此，編寫軟件程序用來檢測無刷電機控制器是否存在輸出信號，并顯示到相應(yīng)的數(shù)碼管上 ,如果控制器正常則相應(yīng)的數(shù)碼管顯示 OOO，否則相應(yīng)數(shù)碼管顯示 EEE。程序流程圖如下 圖 33 所示。然后判斷是否有信號輸入，如果有，則將信號存至寄存器 AL，再對寄存器 AL中的信號依照附錄 C 中的 60 度相角輸入輸出表進行判斷。 圖 34(a) 子程序 2的程序流程圖 開始 初始化 A=00H？ N Y 輸出 02H，調(diào)用延時子程序 A=00H？ Y 輸出 01H，調(diào)用延時子程序 A=02H？ ① ② Y N N A=01H？ Y ③ N A=02H？ N ④ A=04H？ Y ⑤ Y N 調(diào)用顯示子程序。 圖 36(a) 子程序 4的程序流程圖 開始 初始化 A=00H？ Y N A=00H？ Y N A=04H？ Y ① N ② A=02H？ N Y A=04H？ N Y 調(diào)用顯示子程序，第一位 B,第二位 C,第三位 A,第四位 b,第五位 a,第六位 c 調(diào)用顯示子程序，第一位。顯示EEE 調(diào)用顯示子程序，顯示第一位 A,第二位 B,第三位 C,第四位 b,第 五位 c,第六位 a 返回 ③ 輸出 02H，調(diào)用延時子程序 A=00H？ Y 調(diào)用顯示子程序，第一位 A,第三位 B,第二位 C,第四位 a 第五位 b,第六位 c 返回 N A=01H？ Y 調(diào)用顯示子程序，第一位 A,第三位 B,第二位 C,第四位 a,第五位 c,第六位 b 調(diào)用顯示