【文章內(nèi)容簡介】 顯示 普通無刷 WZK3610A 復(fù)雜 6 高 單一 “ 電動 ”騎行功能 智能無刷 WZKC3610E 復(fù)雜 6 高 “ 助力 ” 、“ 電動 ” 、“ 定速 ” 欠壓、限流、電機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)、缺相保護(hù)、故障自檢 /顯示 目前，我國關(guān)于無刷電機(jī)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(jī)的連接正確性。但是其電路復(fù)雜，而且需要人工干預(yù)判斷，尤其是相序判斷的過程。這些問題擺在設(shè)計 人員的眼前，而且只從更改硬件電路方面是不能解決這些問題的?，F(xiàn)在，如何應(yīng)用微機(jī)既能實(shí)現(xiàn)簡化硬件電路又能實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制器的相序檢測以及與電機(jī)的正確連接問題成為現(xiàn)在工程技術(shù)人員的主要研究方向。 石家莊鐵道學(xué)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(jī)控制器的相序檢測系統(tǒng)。設(shè)計采用了AT89C51 單片機(jī)作為主控制單元 ,將控制器輸出的三根電源引線 (控制器輸出的三根粗線 )連接到光電隔離電路，從光電隔離電路輸出的信號再接入單片機(jī)，以達(dá)到防止控制器輸出信號出現(xiàn)強(qiáng)電壓或強(qiáng)電流時對單片機(jī)產(chǎn)生損壞的現(xiàn)象，而且光電隔離電路輸出 的信號僅有高、低電平兩種狀態(tài)。單片機(jī)對進(jìn)入它的信號進(jìn)行判斷檢測，將檢測結(jié)果輸出到顯示電路 (顯示電路的顯示主要顯示控制器的相序、三個霍耳元件是否工作正常、顯示霍耳分別對應(yīng)的相序線、控制器的角度 )最后通過單片機(jī)軟件編程控制輸出信號到光電隔離電路，再經(jīng)過三極管驅(qū)動繼電器動作，從而決定霍爾元件是否接地?；魻栐欠窠拥赜謱?yīng)的影響控制器的相序輸出，由此可以清楚的判別出控制器和霍爾的相序并輸出顯示。 研究設(shè)計的創(chuàng)新點(diǎn) 本設(shè)計改變了過去無刷電機(jī)控制器的相序檢測系統(tǒng)必需人工干預(yù)的缺點(diǎn)，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(diǎn)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(jī)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。由于沒有人的干預(yù)，減少了由于操作人員技術(shù)上的差異所引起的檢測結(jié)果的失誤，保證了檢測結(jié)果的準(zhǔn)確性。 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 6 第 2 章 設(shè)計方案 無刷電機(jī)控制器的工作原理 目前無刷電機(jī)控制器采用的核心芯片一般選擇美國安森美公司的 MC33033 或MC33035，或者選擇德州儀器公司的 TMS320C240。以下我將以 MC33035 為例介紹無刷電機(jī)控制器的核心芯片。 MC33035 無刷直流電機(jī)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。該控制器內(nèi)含可用于正確整流時序的轉(zhuǎn)子位置譯碼器，以及可對傳感器的溫度進(jìn)行補(bǔ)償?shù)膮⒖茧娖?，同時它還具有一個頻率可編程的鋸齒波振蕩器、一個誤差信號放大器、一個脈沖調(diào)制器比較器、三個集電極開路頂端驅(qū)動輸出和三個非常適用于驅(qū)動功率場效應(yīng)管 (MOSFET) 的大電流圖騰柱式底部輸出器。此外 ， MC33035 還有欠壓鎖定功能，同時帶有可選時間延遲鎖存關(guān)斷模式的逐周限流特性以及內(nèi)部熱關(guān)斷等特性。其典型的電機(jī)控制功能包括開環(huán)速度、正向或反向、以及運(yùn)行使能等。 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。傳感器輸入可直接與集電極開路型霍爾效應(yīng)開關(guān)或者光電耦合器相連接。此外，該電路還內(nèi)含上拉電阻，其輸入與門限典型值為 的 TTL 電平兼容。用 MC33035 系 列產(chǎn)品控制的三相電機(jī)可在最常見的四種傳感器相位下工作。 MC33035 所提供的 60176。/120176。選擇可使 MC33035 很方便地控制具有 60176。、 120176。、 240176?；? 300176。的傳感器相位電機(jī)。其三個傳感器輸入有八種可能的輸入石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 7 編碼組合，其中六種是有效的轉(zhuǎn)子位置，另外兩種編碼組合無效。通過六個有效輸入編碼可使譯碼器在使用 60176。電氣相位的窗口內(nèi)分辨出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。 MC33035 直流無刷電機(jī)控制器的正向 /反向輸出可通過翻轉(zhuǎn)定子繞組上的電壓來改變電機(jī)轉(zhuǎn)向。當(dāng)輸入狀態(tài)改變時，指定的傳感器輸入編碼將從高電平變?yōu)榈碗娖剑瑥亩淖冋鲿r序，以使電機(jī)改變旋轉(zhuǎn)方向。 電機(jī)通 /斷控制可由輸出使能來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)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。而當(dāng)該腳接地時，頂端驅(qū)動輸出將關(guān)閉，并將底部驅(qū)動強(qiáng)制為低，從而使電動機(jī)停轉(zhuǎn) [1]。 MC33035 中的誤差放大器、振蕩器、脈沖寬度調(diào)制、電流限制電路、片內(nèi)電壓參考、欠壓鎖定電路、驅(qū)動輸出電路以及熱關(guān)斷等電路的工作原理及操作方法與其它同類芯片的方法基本類似。 基于 MC33035 的三相六步電機(jī)控制電路如圖 22 所示： 圖 22 三相六步全波電機(jī)控制電路 圖 22 所示的三相應(yīng)用電路是具有全波六步驅(qū)動的一個開環(huán)電機(jī)控制器的電路連接圖。其中的功率開關(guān)三極管為達(dá)林頓 PNP 型，下部的功率開關(guān)三極管為 N 溝道功率 MOSFET。由于每個器件均含有一個寄生箝位二極管，因而可以將定子電感能石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 8 量返回到電源。其輸出能驅(qū)動三角型連接或星型連接的定子，如果使用分離電源 , 也能驅(qū)動中線接地的 Y 型連接。 在任意給定的轉(zhuǎn)子位置，圖 22 所示的電路中都僅有一個頂部和底部功率開關(guān)(屬于不同的圖騰柱 )有效。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。由于前沿尖峰通 常在電流波形中出現(xiàn)，并會導(dǎo)致限流錯誤。因此，可通過在電流檢測輸入處串聯(lián)一個 RC 濾波器來抑制尖峰。同時 ， RS 采用低感型電阻也有助于減小尖峰。 霍爾元件的工作原理 在無刷電機(jī)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(jī)力矩。由于霍爾集成傳感器的應(yīng)用，可使得控制系統(tǒng)大為簡化。 霍爾元件是基于霍爾效應(yīng)原理，用半導(dǎo)體材料制成的。所謂霍爾效應(yīng)：即通電導(dǎo)體置于磁場中，當(dāng)它的電流方向與磁場方向不一致時，載流導(dǎo)體上平行于電流 和磁場方向上的兩個面之間會產(chǎn)生電動勢，其工作電路圖如下圖 23 所示。 圖 23 霍爾元件的工作原理圖 當(dāng)環(huán)境溫度和激勵電流一定時，霍爾電勢大小與磁感強(qiáng)度成正比，因此可通過霍爾元件能檢測磁場的強(qiáng)弱。無刷電機(jī)中一般用永磁磁鋼，在定子線圈中流過交流或脈動電流，利用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場的方法，省去了電刷和整流子，而旋轉(zhuǎn)磁場的磁極和旋轉(zhuǎn)永磁磁鋼的磁極之間保持近 90 度的力矩角，能產(chǎn)生效果良好的力矩。 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 9 霍爾位置傳感器元件較小，一般放置在各相帶繞組的中間位置，可以 60176。間隔放置，也可以 120176。間隔放置。無論怎樣放置，在一定 范圍內(nèi)，位置傳感器的一個狀態(tài)對應(yīng)著轉(zhuǎn)子磁極與定子繞組的相對位置 [2]。 為此，可采用霍爾元件作磁敏傳感器檢出轉(zhuǎn)子位置，用這位置信號來控制控制器輸出電源相序的變化。 無刷電機(jī)控制器的相序檢測硬件框圖 本設(shè)計主要是單片機(jī)為核心的應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計，包含有硬件設(shè)計和軟件設(shè)計兩部分，針對本設(shè)計的要求，包括以下方面的硬件設(shè)計： ① 電源電路設(shè)計：單片機(jī)電源電路設(shè)計以及復(fù)位電路設(shè)計、繼電器電源電路設(shè)計以及、數(shù)碼管與 可調(diào)電壓電源 電路的設(shè)計等。電源電路的硬件框圖如下圖 24 所示。 圖 24 電源電路的硬件框圖 ②通道與接口設(shè)計：由于大多數(shù)通道都是通過 I/O 配置，它們與單片機(jī)本身并無緊密聯(lián)系，大多數(shù)接口電路都能方便移植到其它類型的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中去，但必須注意 I/O 口的驅(qū)動能力，在設(shè)計數(shù)碼管顯示時 74LS164 與數(shù)碼管顯示電路之間的電阻值應(yīng)匹配。 ③顯示電路：根據(jù) I/O 口資源可利用串行口來設(shè)計顯示電路。 ④ 設(shè)計系統(tǒng)抗干擾：為了使系統(tǒng)可以在不同的環(huán)境中得到應(yīng)用，系統(tǒng)中設(shè)計可抗干擾電路，例如光耦隔離電路。 設(shè)計中整個硬件電路的框圖如圖 25 所示。 220V電源 變壓器 全橋整流 濾波電路 12V 穩(wěn)壓塊 5V 穩(wěn)壓塊 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 10 圖 25 硬件框圖 單片機(jī)的硬件電路設(shè)計 復(fù)位電路的設(shè)計 計算機(jī)在啟動運(yùn)行時都需要復(fù)位，使 CPU 和系統(tǒng)中的其它部件都處于一個確定的初始狀態(tài)，并從這個狀態(tài)開始工作。 單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的，單片機(jī)有一個復(fù)位引腳 RST，高電平有效。在 AT89C51 單片機(jī)的 RST 端輸入 24 個振蕩周期 (兩個機(jī)器周期 )以上的高電平，單片機(jī)便進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。在復(fù)位時，輸出信號 ALE、 PSEN 為高電平。 RST 變?yōu)榈?電平，退出復(fù)位狀態(tài)， CPU 從初始狀態(tài)開始工作。復(fù)位操作 不影響片內(nèi) RAM 的內(nèi)容 [3]。 單片機(jī)通常采用上電自動復(fù)位和開關(guān)手動復(fù)位兩種方式。所謂上電復(fù)位，是指單片機(jī)只要以上電，便自動進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。在通電瞬間，電源給電容充電， RST 端出現(xiàn)正脈沖，用以復(fù)位。設(shè)計中采用的晶體頻率為 12MHz，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可以選擇 C=10μF，R=? 。 在本檢測系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)運(yùn)行后不需要復(fù)位，所以只采用上電復(fù)位。復(fù)位電路如下圖 26 所示。 無刷電機(jī)控制器 輸出電源信號 光電隔離電路 A T 8 9 C 5 1 時鐘電路 復(fù)位電路 光電隔離電路 驅(qū)動電 路 繼電器 顯示電路 霍爾元件 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 11 圖 26 復(fù)位電路 時鐘電路 AT89C51 單片機(jī)的時鐘產(chǎn)生方式有兩種：內(nèi)部時鐘方式和外部時鐘方式。最常用的內(nèi)部時鐘方式是采用外接晶體和電容組成并聯(lián)諧振回路，所有的單片機(jī)并聯(lián)諧振回路參數(shù)相同。 AT89C51 單片機(jī)允許的振蕩晶體可在 ～ 12MHz 之間選擇，本系統(tǒng)選擇晶體頻率為 12MHz。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。本設(shè)計采用外接石英晶體，電容 C1 和 C2 的值選擇為 30pF[4]。電容 C1 和 C2 的取值對振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小及振蕩電路的起振速度有一定的影響。 時鐘電路圖如圖 27 所示。 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。為了減小寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定可靠的工作，石英晶體或陶瓷振蕩器和電容應(yīng)該盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近。 石家莊鐵道學(xué)院畢業(yè)設(shè)計 12 外部時鐘方式是利用外部振蕩信號直接接入 XTAL1 或 XTAL2，由于 HMOS 和CHMOS 單片機(jī)內(nèi)部時鐘進(jìn)入的引腳不同，其外部振蕩信號源接入的方式也不同。 由于本檢測系統(tǒng)中采用的是內(nèi)部時鐘方式，在此對外部時鐘方式就不做詳細(xì)介紹了。 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 )。 LED 數(shù)碼管 的主要特點(diǎn)如下： (1) 能在低電壓、小電流條件下驅(qū)動發(fā)光，能與 CMOS、 TTL 兼容。 (2) 發(fā)光響應(yīng)時間極短 ( s)，高頻特性好，單色性好，亮度高。 (3) 體積小，重量輕，抗沖擊性能好。 (4) 壽命長，使用壽命在 10 萬個小時以上，而且成本低 [9]。 所以，本設(shè)計的顯示部分采用的是 LED 數(shù)碼管顯示。 LED 顯示器是由發(fā)光二極管顯示子段組成的顯示器件，是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常用的輸出設(shè)備。在我設(shè)計的單片機(jī)系統(tǒng)中使用的是七段 LED 顯示器，它是由七段發(fā)光二極管組成的，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通 時就發(fā)光。控制不同組合的發(fā)光二極管導(dǎo)通，就能顯示出 0~ A、 B、 C、 D、 E、 F 及小數(shù)點(diǎn)“ .”等字符。本設(shè)計檢測系統(tǒng)采用共陽極顯示器，即發(fā)光二極管的陽極連在一起的顯示器 [6]。 在單片機(jī)系統(tǒng)中，常用的顯示方法有靜態(tài)顯示和動態(tài)顯示兩種。 所謂靜態(tài)顯示，是由單片機(jī)一次輸出顯示后，就能保持，直到下次送新的顯示模型為止。這種顯示的優(yōu)點(diǎn)是占用機(jī)時少，顯示可靠；缺點(diǎn)是使用元件多，且線路比較復(fù)雜，因而成本比較高。但是隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，目前已經(jīng)研制出具有多種功能顯示器件。顯示數(shù)位比較少時，采用這種顯示方式是合適的。 這種顯示方式的每一個七段顯示器需要一個 8 位輸出口控制 [4]。 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(jì)的。而且可以利用軟件控制對顯示器進(jìn)行控制，使 DS1～ DS3 顯示 2 秒鐘的電機(jī)角度后顯示無刷電機(jī)控制器的相序 A、 B、 C，兩秒鐘后，再次顯示電機(jī)角度，實(shí)現(xiàn)電機(jī)角度和電機(jī)控制器相序的循環(huán)顯示。況且本設(shè)計使用于無刷電機(jī)控制器的相序檢測的，具有非常強(qiáng)的實(shí)用性，所以從設(shè)計的實(shí)用性、可靠性、快速性以及成本問題等方面的考慮，采用靜態(tài)顯示是符合系統(tǒng)的功能要求和成本的經(jīng)濟(jì)性要求的。在使用數(shù)碼管靜態(tài)顯示時，需要 可以提供單獨(dú)鎖存的 I/O 接口電路，在此我選擇常用的串并轉(zhuǎn)換電路74LS164。 石家莊鐵道學(xué)院畢