【文章內(nèi)容簡介】 V到20V時(shí)即可控制MOSFET正常開關(guān)，所以選擇還是比較合適的。LM317的輸入和輸出電壓不能超過60V，所以要在輸入端串接R1以達(dá)到壓降的作用在此，R2的作用一方面是爭取更多的電流以驅(qū)動(dòng)負(fù)載，另一方面則分擔(dān)了LM317的一部分功耗。 第三路輸出+5V電壓，由7805提供，它一方面要為智能控制系統(tǒng)提供電源電壓，另一方面是作為AD轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓值，所以對(duì)這路電壓精度的要求比較搞，~，7805芯片能滿足這個(gè)要求。 電源電壓檢測信號(hào)處理部分圖37 電壓檢測電路電源電壓檢測信號(hào)處理部分如上圖 37 所示，電壓檢測的基本實(shí)現(xiàn)方式是利用電阻的分壓原理使進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換的電壓值能處在5V以內(nèi)，并且電壓值的變化與外部電源電壓的變化成正比，從而能很好地監(jiān)視電源電壓的變化，當(dāng)電源電壓過低時(shí)給出欠壓信號(hào)，輸出截止，防止電池由于過放而損壞。對(duì)于無刷直流電機(jī)控制器，由于輸入控制變量比較多，控制器可以利用各種輸入信號(hào)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行靈活的保護(hù)，這些保護(hù)功能可以大大提高無刷直流電機(jī)控制器的可靠性。也保證電壓供應(yīng)不發(fā)生異常。在右圖中，輸入單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換的電壓值為 (32)由上式計(jì)算得：*，這樣A/D模塊能識(shí)別的最高電壓就達(dá)到了60V左右，即使有時(shí)因電壓不穩(wěn)而產(chǎn)生較大躍變時(shí)A/D轉(zhuǎn)換模塊也能很快的覺察出來。 電流檢測信號(hào)和處理部分 雙運(yùn)算放大器LM358芯片簡介 LM358 內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，而且也適合用于雙電源工作模式。在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場合。 引腳圖如下所示： LM358引腳圖LM358引腳功能：引腳1：運(yùn)放輸出端1；引腳2：運(yùn)放反向輸入端1；引腳3：運(yùn)放正向輸入端1；引腳4：接地；引腳5：運(yùn)放正向輸入端2；引腳6：運(yùn)放反向輸入端2；引腳7：運(yùn)放輸出端2；引腳8：供電。LM358特性 　 內(nèi)部頻率補(bǔ)償　 直流電壓增益高(約100dB)　 單位增益頻帶寬(約1MHz) 　 電源電壓范圍寬：單電源(3—30V)； 雙電源(177。 一177。15V)　 低功耗電流，適合于電池供電 　 低輸入偏流 　 低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流 　 共模輸入電壓范圍寬，包括接地 　 差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍　 輸出電壓擺幅大(0 ) 電流檢測和過流保護(hù)電路部分電流檢測電路的實(shí)現(xiàn)在電流環(huán)的控制電路中，電流放大器通常選擇較大的增益，其好處是可以選擇一個(gè)較小的電阻來獲得足夠的檢測電壓，而檢測電阻小損耗也小。電路中發(fā)生短路故障時(shí)，電流會(huì)突然增大，造成電壓也突然下降，這時(shí)就需要過流保護(hù)來對(duì)MOSFET進(jìn)行保護(hù)，將最大電流控制在設(shè)定范圍內(nèi)，當(dāng)達(dá)到閥值時(shí)關(guān)閉電機(jī)，避免了MOSFET上通過大電流燒毀的危險(xiǎn)。過流保護(hù)是控制器的最后防線，過流保護(hù)電阻用的是康銅絲，當(dāng)系統(tǒng)電流超過最大保護(hù)電流值時(shí)，康銅阻絲會(huì)燒斷，從而起到保護(hù)作用。 它們組成的電路原理圖如圖38所示：圖38電流檢測和過流保護(hù)電路在圖38中，R45是康銅電阻，充當(dāng)過流保護(hù)電阻，所以檢測電流就是通過采用康銅電阻R45來實(shí)現(xiàn)的。電阻R45安裝在功率驅(qū)動(dòng)橋的下端與功放板地線之間，這樣通過無刷直流電機(jī)的電流最終是要經(jīng)過電阻R45接地的。因此，根據(jù)歐姆定律，我們只要知道電阻R45兩端的電壓，就可以知道它的相電流了。 LM358內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器，其中U1A作比較器，用于判斷電路中是不是存在電流過流的情況。由圖38可知，以雙運(yùn)算放大器LM358的引腳3作為基準(zhǔn)電壓的輸入，可以計(jì)算出，它的基準(zhǔn)電壓為=。在正常的情況下，輸出引腳1處于高電平狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)過流的現(xiàn)象時(shí)，康銅電阻R45輸出的電壓增大，輸入引腳2的電壓將大于基準(zhǔn)電壓，這時(shí)輸出引腳1將翻轉(zhuǎn)到低電平狀態(tài)，由此給單片機(jī)一個(gè)過流保護(hù)中斷，促使單片機(jī)做過流保護(hù)的相關(guān)工作。從而起到對(duì)MOSFET進(jìn)行保護(hù)的作用，避免了MOSFET上通過大電流燒毀的危險(xiǎn)。另外以雙運(yùn)算放大器LM358的U1B作為放大器用。選擇的放大倍數(shù)較小的原因有兩個(gè)：1） LM358的頻率響應(yīng)不夠高，而PWM波形的頻率是15KHz，如果放大倍數(shù)比較大的話，那么其電流響應(yīng)將變成梯形波，不利于電流信號(hào)的采集；2） 輸出的電流信號(hào)雜波太多，尤其在起動(dòng)的時(shí)候，電流值的波動(dòng)非常大，如果放大倍數(shù)選得太大的話，有可能引起誤判。綜上所述，但不過都在允許的范圍之內(nèi)。 霍爾位置傳感器處理部分 霍爾位置傳感器 霍爾位置傳感器具有穩(wěn)定、可靠，頻率響應(yīng)寬、體積小，結(jié)構(gòu)牢固，易于安裝等優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于無刷直流電動(dòng)機(jī)當(dāng)中?；魻栁恢脗鞲衅髟跓o刷直流電動(dòng)機(jī)中起著檢測轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為功率開關(guān)電路提供正確的換相信息，即將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)位置信號(hào)處理電路處理后控制定子繞組換相。由于功率開關(guān)的導(dǎo)通順序與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步，因而霍爾位置傳感器與功率開關(guān)一起，起著與傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)的機(jī)械換向器和電刷相類似的作用。 霍爾位置傳感器的基本結(jié)構(gòu)和電動(dòng)機(jī)本體一樣，也是由靜止部分和運(yùn)動(dòng)部分組成，即位置傳感器定子和位置傳感器轉(zhuǎn)子。其轉(zhuǎn)子與電機(jī)主轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，以指示電機(jī)主轉(zhuǎn)子的位置，既可以直接利用電動(dòng)機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子，也可以在轉(zhuǎn)軸其他位置上另外安裝永磁轉(zhuǎn)子。定子是由若干個(gè)霍爾元件，按一定的間隔，等距離地安裝在傳感器定子上，以檢測電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置?；魻栁恢脗鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu)如圖10所示：圖10 霍爾位置傳感器結(jié)構(gòu)示意圖霍爾位置傳感器的基本功能是在電動(dòng)機(jī)的每一個(gè)電周期內(nèi)，產(chǎn)生出所要求的開關(guān)狀態(tài)數(shù)。也就是說電動(dòng)機(jī)傳感器的永磁轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對(duì)磁極（N、S極）的轉(zhuǎn)角，就要產(chǎn)生出與電機(jī)邏輯分配狀態(tài)相對(duì)應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)數(shù)，以完成電動(dòng)機(jī)的一個(gè)換流全過程。如果轉(zhuǎn)子充磁的極對(duì)數(shù)越多，則在360176。機(jī)械角度內(nèi)完成該換流全過程的次數(shù)也就越多。 霍爾位置傳感器信號(hào)處理部分霍爾位置傳感器信號(hào)處理部分的電路圖如圖39所示：圖39霍爾位置傳感器輸入信號(hào)電路霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器。其安裝在電機(jī)的內(nèi)部，是一種開關(guān)型器件，并且采用的是OC門輸出的形式。要使其產(chǎn)生高低電平，就必須接上電阻才行。從霍爾傳感器輸入的信號(hào)經(jīng)過阻容低通濾波后再輸入到單片機(jī)中，以免雜波的干擾影響單片機(jī)的判斷。RC低通濾波的選取則既要考慮到通過低通濾波濾除信號(hào)高頻成分的效果，又要考慮到其對(duì)從霍爾傳感器輸入的方波的響應(yīng)情況，以盡快達(dá)到單片機(jī)輸入口的門限電壓(PIC單片機(jī)I/O口的高電平的門限電壓是2~3V)，這樣才符合實(shí)時(shí)采集的要求。在這里，當(dāng)輸入由低轉(zhuǎn)高時(shí)，，經(jīng)過計(jì)算，【在此鍵入公式】，而在轉(zhuǎn)速最大時(shí)單相霍爾傳感器的輸出頻率是140Hz，即其輸出的周期是7ms，符合條件要求。 調(diào)速信號(hào)處理部分如圖310所示。圖310 調(diào)速信號(hào)輸入電路 無刷直流電動(dòng)機(jī)可以通過改變電樞電路中的外串電阻或改變加在電動(dòng)機(jī)電樞上的電壓來調(diào)速。其中改變電樞電壓調(diào)速的方法有穩(wěn)定性較好、調(diào)速范圍大的優(yōu)點(diǎn)。本設(shè)計(jì)調(diào)速信號(hào)部分的輸入信號(hào)采用電阻式電位器控制，控制的電壓范圍是0~5V，信號(hào)從引腳2經(jīng)過阻容低通濾波后進(jìn)入單片機(jī)的A/D模塊中采樣處理。通過脈寬調(diào)制(PWM)來控制電動(dòng)機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。 剎車制動(dòng)信號(hào)處理部分 具體電路見附錄，只要按下按鍵，具體的剎車動(dòng)作由軟件以及剎車的具體機(jī)械動(dòng)作共同提供。 PIC16F72單片機(jī)輸入信號(hào)處理與控制信號(hào)輸出部分 PIC16F72單片機(jī)輸入信號(hào)處理與控制信號(hào)輸出部分如圖311所示。在本電路中單片機(jī)更具各個(gè)部分的工作任務(wù)不同，可以分為以下幾個(gè)模塊：1. 最小系統(tǒng)模塊：包括電源電路，范圍電路，外部時(shí)鐘震蕩帶電路，這是單片機(jī)能正常工作的前提；2. 功能模塊：包括A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字輸入信號(hào)處理模塊、驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出模塊。圖311控制器核心部分電路原理圖圖312 核心部分PCB圖圖313 實(shí)物圖 PIC16F72單片機(jī)各個(gè)模塊的具體工作任務(wù)1. 最小系統(tǒng)模塊：引腳1相連的是復(fù)位電路，引腳1也是程序的高壓燒寫口；引腳9和引腳10分別是震蕩電路的輸入口和輸出口，連接的是16MHz的晶振；引腳20和引腳引腳19是電源電路部分，分別接5V電源和地。2. 功能模塊：模擬信號(hào)輸入處理模塊：模擬信號(hào)的處理主要是通過單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換模塊實(shí)現(xiàn)的。引腳2檢測流過電機(jī)的電流信號(hào)并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，進(jìn)過運(yùn)算后用于控制PWM占空比，盡可能達(dá)到電機(jī)最合適的工作電流；引腳3檢測電源電壓，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后經(jīng)過運(yùn)算判斷電壓是否過低，以此為依據(jù)保護(hù)電池；引腳4檢測手柄的輸入電壓，單片機(jī)根據(jù)這個(gè)量調(diào)節(jié)電機(jī)輸出的總功率，從而調(diào)節(jié)電機(jī)的速度[13]。數(shù)字輸入信號(hào)處理模塊：引腳5處理剎車信號(hào)，平時(shí)處于高電平狀況，當(dāng)按下剎車開關(guān)時(shí)，變?yōu)榈碗娖?，這時(shí)單片機(jī)輸出剎車命令，只要當(dāng)引腳5恢復(fù)成高電平狀態(tài)時(shí)，在停止剎車動(dòng)作；引腳1引腳1引腳17分別輸入電機(jī)的霍爾位置信號(hào)，通過這三個(gè)信號(hào)的組合確定電機(jī)此時(shí)的轉(zhuǎn)子位置，并調(diào)整輸出的換相信號(hào)。引腳21為外部中斷引腳，平時(shí)處于高電平狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)過流時(shí)，輸入信號(hào)從高電平變?yōu)榈碗娖?，中斷?biāo)志位置1，由于PIC16F72只有一級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)，所以當(dāng)中斷被其他中斷程序占用時(shí)，也應(yīng)定時(shí)檢查外部中斷標(biāo)志位，以免因中斷時(shí)間過長而燒毀電機(jī)。驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出模塊：引腳13輸出PWM信號(hào)，調(diào)節(jié)電機(jī)的速度和電樞電流；引腳2引腳2引腳25輸出逆變橋的下橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)，引腳2引腳2引腳28輸出逆變橋的上橋驅(qū)動(dòng)信號(hào)。引腳22只在電樞電流比較大的情況下才使用。 三相驅(qū)動(dòng)信號(hào)預(yù)處理部分 圖314是三相驅(qū)動(dòng)信號(hào)其中A、B、C三相中的A相驅(qū)動(dòng)信號(hào)預(yù)處理電路。由于這三相的驅(qū)動(dòng)信號(hào)預(yù)處理電路都一樣，所以只要介紹之中一相就可以了。圖中上面一部分是A相上橋的驅(qū)動(dòng)信號(hào)預(yù)處理電路，下面一部分是A相下橋的驅(qū)動(dòng)信號(hào)預(yù)處理電路。圖314 A相驅(qū)動(dòng)信號(hào)預(yù)處理電路上橋相對(duì)簡單，要實(shí)現(xiàn)換相功能和PWM調(diào)制功能，由上橋驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)輸出端A1控制。U4A的引腳1接單片機(jī)的A相上橋驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)輸出端A1，引腳2接單片機(jī)PWM波輸出引腳。U4A輸出的是上橋換相信號(hào)和PWM波相“與”后的波形，也就是說輸入到IR2103的引腳HIN的信號(hào)是已經(jīng)經(jīng)過PWM波調(diào)制過的換相信號(hào)。A1處于低電平時(shí)U4A的3腳處于低電平狀態(tài)，即A相上橋處于截止?fàn)顟B(tài)。A1處于高電平狀態(tài)表示此時(shí)往A相輸出PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)。下橋相對(duì)復(fù)雜，要實(shí)現(xiàn)兩個(gè)功能：一個(gè)是換相，由下橋驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)輸出端A2控制；還有一個(gè)是實(shí)現(xiàn)整流保護(hù)，由上橋驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)輸出端A單片機(jī)整流保護(hù)控制引腳NEW_PT共同控制(正常情況下NEW_PT處于高電平狀態(tài)，從而U6C在正常情況下輸出都處于低電平狀態(tài))。當(dāng)只是實(shí)現(xiàn)下橋?qū)〞r(shí)，只要下橋驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)輸出端A2從低電平跳轉(zhuǎn)到高電平就可以了，這時(shí)U5B的6腳輸出的低電平信號(hào)輸入到IR2103的引腳LIN中，從而導(dǎo)通A相MOSFET的下橋。下面介紹整流保護(hù)的原理以及實(shí)現(xiàn)——假設(shè)A相上橋處于PWM調(diào)制狀態(tài)，且B相下橋?qū)?，?dāng)PWM波形為高電平時(shí)，驅(qū)動(dòng)上橋MOSFET開通，這時(shí)電流的流向?yàn)槿鐖D315所示的實(shí)線方向；當(dāng)PWM波形由高電平往低電平跳變，導(dǎo)致A相上橋V1已經(jīng)關(guān)斷，又由于電樞繞組自感電動(dòng)勢的作用，此時(shí)電流的方向就變成了如圖315所示的虛線方向。當(dāng)電流的流向變成虛線流向時(shí)，這時(shí)電流都從V2的整流二極管流過，當(dāng)之前電感的自感電動(dòng)勢很大時(shí)，這時(shí)V2處流過的自感電流也很大，這時(shí)在V2處產(chǎn)生的功耗P=*I。當(dāng)I很大時(shí)，那么V2處的功耗也就相當(dāng)大了[7]。圖315 V1開通和關(guān)斷情況電流流向示意圖整流保護(hù)的目的就是減小V2的功耗。實(shí)現(xiàn)的方法就是在PWM調(diào)制過程中V1關(guān)斷的時(shí)候，打開V2，使整流電流從V2的MOSFET的溝道流過，而不是從整流二極管流過。MOSFET可雙向?qū)?，且?dǎo)通時(shí)電阻非常小，大約為10mΩ，這時(shí)MOSFET產(chǎn)生的功耗就能大大減小了，從而使MOSFET不會(huì)因?yàn)檫^熱而燒壞。其實(shí)現(xiàn)的方法是當(dāng)單片機(jī)的電流檢測電路檢測到電樞電流過大時(shí)，就將NEW_PT腳置于低電平狀態(tài)，而此時(shí)A1經(jīng)過反相器反向后也是低電平，此時(shí)或非門U6C的輸出信號(hào)就是PWM波的反相波形了。當(dāng)A2也輸出低電平時(shí)，或非門U5B的輸出信號(hào)就成了與上橋PWM波同相的波形了。也就是說，HIN和LIN的輸入PWM波是同相的。以后的敘述涉及MOSFET驅(qū)動(dòng)芯片IR2103。 MOSFET驅(qū)動(dòng)部分 MOSFET驅(qū)動(dòng)部分的電路原理圖如圖316所示。圖316 MOSFET驅(qū)動(dòng)部分的電路原理圖圖317 核心控制板PCB圖 ，在整流保護(hù)的情況下，輸入到IR2103的HIN和LIN的PWM信號(hào)是一樣的。要實(shí)現(xiàn)整流保護(hù)，那么當(dāng)上橋關(guān)斷后下橋就要導(dǎo)通，同時(shí)導(dǎo)通的情況是絕對(duì)不能出現(xiàn)的。這時(shí)就用到了IR2103自帶死區(qū)時(shí)間發(fā)生功能。如圖318所示：圖318 IR2103死區(qū)時(shí)間波形圖這