交流电动机控制系统项目设计方案

1 交 流电动机控制系统 项目设计方案 第 1 章 概 述 交流电动机的发展概况 交流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的，这一渊源关系从其名称中就可以看出来。有刷直流电动机从 19世纪 40年代出现以来，以其优良的转矩控制特性，在相当长的一段时间内一直在运动控制领域占据主导地位。但是，有机械接触电刷 降低了系统的可靠性，限制了其在很多场合中的使用。为了取代有刷直流电动机的机械换向装置，人们进行了长期的探索。早在 1917年， 动机的机械电刷，从而诞生了交流电机的基本思想。 1955年美国的 志着现代交流电动机的诞生。 交流电动机的发展在很大程度上取决于电力电子技术的进步，在交流电动机发展的早期，由于当时大功率开关器件仅处于初级发展阶段，可靠性差，价格昂贵，加上永磁材料和驱动控制技术水平的制约，使得交流电动机自发明以后的一个相当长的时间内，性能都不理想，只能停留在实验室阶段，无法推广使用， 1970年以后，随着电力半导体工业的飞速发展，许多新型的全控型半导体功率器件（如 继问世，加之高磁能积永磁材料（如 续出现，这些均为交流电动机广泛应用奠定了坚实的基础， 交流电动机系统因而得到了迅速的发展。在 1978年汉诺威贸易博览会上，前联邦德国的 起了世界各国的关注，随即在国际上掀起了研制和生产交流系统的热潮，这业标志着交流电动机走向实用阶段。 随着人们对交流电动机特性了解的日益深入，交流电动机的理论也逐渐得到了完善。 1986年， 出 2 了交流电动机的研究领域，成为交流电动机的经典文献，标志着交流电动机在理论上走向成熟。 我国对交流电动机的研究起步较晚。 1987年，在北京举办的联邦德国金属加工设备展览会上， 起了国内有关学者的广泛注意，自此国内掀起了研制开发和技术引进的热潮。经过多年的努力，目前，国内已有交流电动机的系列 产品，形成了一定的生产规模。 流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较 表 1流永磁电动机与有刷直流永磁 电动机的比较 项目 交流电动机 有刷直流电动机 换向 借助转自子位置传感器实现电子换向 由电刷和换向器进行机械换向 维护 由于没有电刷和换向器，很少需要维护 需要周期性维护 寿命 比较长 比较短 机械（速度 /力矩） 特性 平（硬）在负载条件下能在所有速度上运行 中等平（中等硬）。在较高速度上运行时，电刷摩擦增加，有用力矩减小 效率 由于没有电刷压降，所以效率高 中等 输出功率 /外形尺寸之比高 由于电枢绕组设置在与机壳相连的定子上，容易散热。这种优异的热传导特性允许减小电动机的尺寸，所以输出功率 /外形尺寸之比高 中等 /低。电枢产生的热量消散在气隙内，这样增加了气隙温度，从而限制了输出功率 /外形尺寸之比 转自惯量 低。因为永磁体设置在转子上，改善了动态响应 转自惯量高，限制了动态特性 速度范围 比较高。没有电刷 /换向器给予的机械限制 比较低，存在电刷给予的机械限制 电气噪声 低 电刷的电弧将对附近的设备产生电磁干扰 3 制造价格 比较高 低 控制 复杂和价格贵 简单和价格不贵 控制要求 为了使电动机运转必须要有控制器，但同样的控制器可用于变速控制 对于一个固定的速度而言，不需要控制器；有变速要 求的时候才需要控制器 交流电动机的结构及基本工作原理 1交流电动机转矩分析 电机本体的电枢绕组为三相星型连接，位置传感器与电机转子同轴，控制电路对位置信号进行逻辑变换后产生控制信号，控制动信号经驱动电路隔 离放大后控制逆变器的功率开关管，使电机的各相绕组按一定的顺序工作。 4 图 1流电动机工作原理示意图 如图 1转子旋转（顺时针）到图 子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使 通，即 A、绕组通电，电流从电源的正极流出，经 相绕组，再从 时定转子磁场相互作用，使电机的转子顺时针转动。 当转子在空间转过 60电角度，到达图 子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使 A、 流从电源的正极流出，经 相绕组，再从 时定转子磁场相互作用，使电机的转子继续顺时针转动。 转子在空间每转过 60电角度，逆变器开关就发生一次切换，功率开关管的导通逻辑为 在次期间，转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用，沿顺时针方向连续旋转。 5 转子在空间每转过 60电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁场的磁状态就发生一次跃变。可见，电机有 6种磁状态，每一状态有两相导通，每相绕组的导通时间对应于转子旋转 120电角度。交流电动机的这种工作方式叫两相导通星型三相六状态，这是交流电动机最常用的一种工作方式。 2交流电动机与输出开关管换流信号 交流电动机的位置一般采用三个在空间上相隔 120电角度的霍尔位 置传感器进行检测，当位于霍尔传感器位置处的磁场极性发生变化时，传感器的输出电平将发生改变，由于三个霍尔传感器位检测元件的位置在空间上各差120电角度，因此从这三个检测元件输出端可以获得三个在时间上互差 120度、宽度为 180度的电平信号，分别用 A、 B、 图 1信号 80电导角：在 0 ，而 0度通电宽度，所以此段时间为 6等于 1，（此时下部可供导通的管子为 2，而为避免桥臂直通， 只能是 而在 60度 120度，此时只有 相处于非导电期，故导通的开关管为 2（ 2等于 1），其中 相导电作准备；而在 120度 180度时，由于 每一相只有 120电导角导电时间，故此时 ）， 此时可知，止桥臂直通），则此时只能开通 以 。其他时间段的开关管导通情况与此类似。 理论上，只要保证三个位置传感器在空间上互差 120度，开关管的换流时刻总是可以推算出来 的。然而，为了简化控制电路，每个霍尔传感器的起始安装位置在各自相绕组的基准点（ 0）上 0的控制条件下， 该相反电势相位 30度位置）恰好与 的电平跳变时刻重合，此时应将 理，其他开关管的导通时刻也可以按同样方法确定。 本设计选用的是三相无刷永磁直流电动机，其额定电压 6V,电枢额定电流 枢峰值电流 15A,额定转速 50r/定 功率50W。 6 图 1刷电动机位置检测及开关管驱动信号 表 1刷电动机直流通电控制方式开关切换表 旋转方向 位置传感器 逆变桥开关管驱动信号 A B C 2 4 6 正转 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 反转 0 0 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 0 0 1 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 0 1 1 7 交流电动机的运行特性 械特性 交流电动机的机械特性为： 22 2 2 2S T a s e e r I U U C C （ 1 可见交流电动机的机械特性与一般直流电动机的机械特性表达式相同，机械特性较硬。在不同的供电电压驱动下，可以得到如 1 图 1械特性曲线簇 当转矩较大、转速较低时，流过开关管和电枢绕组的电流很大，这时，管压降随着电流增大而增加较快，使在电枢绕组上的电压有所减小，因而图所示的机械特性曲线会偏离直线，向下弯曲。 节特性 交流电动机的调节特性如图 1 8 图 1节特性 调节特性的始动电压和斜率分别为： 02 2 （ 1 1 （ 1 从机械特性和调节特性可以看出，交流电动机与一般直流电动机一样，具有良好的调速控制性能，可以通过调节电源电压实现无级调速。但不能通过调节励磁调速，因为永磁体的励磁磁场不可调。 作特性 电枢电流与输出转矩的关系、效率输出转矩的关系如图 1 图 1作特性 在输出额定转矩时 ,电机效率高、损耗低是交流电动机的重要特点之一。 9 交流电动机的应用与研究动向 现阶段，虽然各种交流电动机和直流电动机在传动应用中占主导地位，但交流电动机正受到普遍的关注。自 20世纪 90年代以来，随着人们生活水平的提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都越来越趋向于高效率化、小型化及高智能化，作为执行元件的重要组成部分，电机必须具有精度高、速度快、效率高等特点，交流电机的应用也因此而迅速增长。尤其在节能已成为时代主题的今天 ，交流电机高效率的特点更显示了其巨大的应用价值。 交流电机转子采用永久磁铁，其产生的气隙磁通保持为常值，因而特别适用于恒转矩运行；对于恒功率运行，交流电机虽然不能直接改变磁通实现弱磁控制，但通过控制方法的改进也可以获得弱磁控制的效果。由于稀土永磁材料的矫顽力高、剩磁大，可产生很大的气隙磁通，这样可以大大缩小转子半径，减小转子的转动惯量，因而在要求有良好的静态特性和高动态响应的伺服驱动系统中，如数控机床、机器人等应用中，交流电机比交流伺服电机和直流伺服电机显示了更多的优越性。目前交流电机的应用范围已遍及国民经 济的各个领域，并日趋广泛，特别是在家用电器、电动汽车、航空航天等领域已得到大量应用。 目前，交流电机的研究主要集中在以下方面： （ 1）无机械式转子位置传感器控制。 转子位置传感器是整个驱动系统中最为脆弱的部件，不仅增加了系统的成本和复杂性，而且降低系统的可靠性和抗干扰能力，同时还需要占据一定的空间位置。在很多应用场合，例如空调器和计算机外设都要求交流电动机以无转子位置传感器方式运行。 无转子位置传感器运行实际上就是要求在不采用机械传感器的条件下，利用电机的电压和电流信息获得转子磁极的位置 . 目前比较成熟的无 转子位置传感器运行方式有： 1 反电动势法 包括直接反电动势法、间接反电动势法以及派生出来的反电动势积分法等。 2 定子三次谐波检测法。 3 续流二极管电流通路检测法。 但现有方法都存在各自的局限性，仍在不断完善之中。 （ 1）转矩脉动控制。 存在转矩脉动是交流电动机的固有缺点，特别是随着转速升高，换相导致转矩脉动加剧，并使平均转矩显著下降。减小转矩脉动是提高交流电动机性能的重要方面。 10 （ 2）智能控制。 随着信息技术和控制理论的发展，在运动控制领域中，一个新的发展方向就是先进控制理论，尤其是智能控制理论的 应用。目前，专家系统、模糊逻辑控制和神经网络控制是三个最主要的理论和方法。其中，模糊控制是把一些具有模糊性的成熟经验和规则有机地融入到传动控制策略当中，现已成功地应用到许多方面。随着交流电动机应用范围的扩大，智能控制技术将受到更广泛的重视。 11 第 2 章 交流电动机控制系统设计方案 交流电动机系统的组成 交流电动机 (C 称 一种典型的机电一体化产品 ,它是由电动机本体、位置检测器、逆变器和控制器组成 的自同步电动机系统或自控式变频同步电动机 控制器对转子位置信号进行逻辑处理并产生相应的开关信号 ,开关信号以一定的顺序触发逆变器中的功率开关器件 ,将电源功率以一定的逻辑关系分配给电动机定子各相绕组 ,使电动机产生持续不断的转矩 . 现对交流电动机各部分的基本结构说明如下。 1电机本体 交流电动机最初的设计思想来自普通的有刷直流电动机，不同的是将直流电动机的定子、转子位置进行了互换，其转子为永磁结构，产生气隙磁通；定子为电枢，有多相对称绕组。原直流电动机的电刷和机械换向器被逆变器和转子位置检测器所代替。所以交流电动机的电机本体实际上是一种永磁同步电机。由于交流电动机的电机本体为永磁电机，所以交流电动机也称为永磁交流电动机。 定子的结构与普通同步电动机或感应电动机相同，铁心中嵌有多相对称绕组。绕组可以接成星形或三角形，并分别与逆变器中的各开关管相连，三相交流电动机最为常见。 2逆变器 目前，交流电动机的逆变器主开关一般采用 些主电路已有集成的功率模块（ 智能功率模块（ 选用这些模块可以提高系统的可靠性。 交流电动机定子 绕组的相数可以有不同的选择，绕组的连接方式也有星形和角型之分，而逆变器又有半桥型和全桥型两种。不同的组合使电动机产生不同的性能和成本。综合以下三个指标有助于我们做出正确的选择： （ 1）绕组利用率。 与普通直流电动机不同，交流电动机的绕组是断续通电的。适当地提高绕组利用率将可以使同时通电的导体数增加，使电阻下降，效率提高。从这个角度来看，三相绕组优于四相和五相绕组。 （ 2）转矩脉动。 交流电动机的输出转矩脉动比普通直流电动机的转矩脉动大。一般相数越多，转矩的脉动越小；采用桥式主电路比采用非桥式主电路的转矩脉动 小。 （ 3）电路成本。 12 相数越多，逆变器电路使用的开关管越多，成本越高。桥式主电路所用的开关管比半桥式多一倍，成本要高；多相电动机的逆变器结构复杂，成本也高。因此，目前以星形连接三相桥式主电路应用最多。 3位置检测器 位置检测器的作用是检测转子磁极相对与定子绕组的位置信号，为逆变器提供正确的换相信息。位置检测包括有位置传感器和无位置传感器检测两种方式。 转子位置传感器也由定子和转子两部分组成，其转子与电机本体同轴，以跟踪电机本体转子磁极的位置；其定子固定在电机本体定子或端盖上，以检测和输出转子位置信号 。转子位置传感器的种类包括磁敏式、电磁式、光电式、接近开关式、正余弦旋转变压器式以及编码器等。 在交流电动机系统中安装机械式位置传感器解决了电机转子位置的检测问题。但是位置传感器的存在增加了系统的成本和体积，降低了系统可靠性，限制了交流电动机的应用范围，对电机的制造工艺也带来了不利的影响。因此，国内外对交流电动机的无位置运行方式给予高度重视。 无机械式位置传感器转子位置检测是通过检测和计算与转子位置有关的物理量间接地获得转子位置信息，主要有反电动势检测法、续流二极管工作状态检测法、定子三次谐波检测法和瞬时电 压方程法等。 4控制器 控制器是交流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能： （ 1）对转子位置检测器输出的信号、 反转和停车信号进行逻辑综合，为驱动电路提供各开关管的斩波信号和选通信号，实现电机的正反转及停车控制。 （ 2）产生 电机的电压随给定速度信号而自动变化，实现电机开环调速。 （ 3）对电动机进行速度闭环调节和电流闭环调节，使系统具有较好的动态和静态性能。 （ 4）实现短路、过流、过电压和欠电压等故障保护电路。 交流电动机控制系统 设计方案 计方案比较 交流电动机兼有直流电动机调整和起动性能好以及异步电动机结构简 13 单无需维护的优点，因而在高可靠性的电机调速领域中获得了广泛应用。在电机转速控制方面，绝大多数场合数字调速系统已取代模拟调速系统。目前，数字调速系统主要采用两种控制方案 :一种采用专用集成电路。这种方案可以降低设备投资，提高装置的可靠性，但不够灵活。另一种是以微处理器为控制核心构成硬件系统。这种方案可以编程控制，应用范围广，且灵活方便。 电机控制器是交流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功 能 :对各种输入信号进行逻辑综合，为驱动电路提供各种控制信号 ;产生 现电机的调速 ;实现短路、过流、欠压等故障保护功能。 控制器是电动自行车的驱动系统，它是电动自行车的大脑。其主要作用是在保证电动自行车正常工作的前提下，提高电机和蓄电池的效率、节省能源、保护电机及蓄电池，以及降低电动自行车在受到破坏时的损伤程度。 目前，市场上常用的电动自行车交流电机控制器主要采用专用集成电路为主控芯片，像 针对无刷电机的控制要求，将控制逻辑集成在芯片内， 一般该类控制器称为模拟式控制器，其工作原理是用电子装置代替电刷控制电机线圈电流换向，根据电机内的位置传感器 (霍尔传感器 )信号，决定换相的顺序和时间，从而决定电机的转向和转速。该控制系统的缺点是智能性差，保护措施有限，系统升级空间小。 本设计采用单片机作为主控芯片，用编程的方法来模拟无刷电机的控制逻辑，其特点是使用灵活，通过修改程序可适应不同规格的无刷电机，增加系统功能方便，通常将此类控制器称为数字式控制器。 近几年，国外一些大公司纷纷推出较 字信号处理器 )芯片电机控制器， 如 列及 是由一个以 以电机控制所需的外围功能电路，集成在单一芯片内，使体积缩小，结构紧凑，使用便捷，可靠性提高。但是这些专用芯片价格昂贵，外围电路设计复杂，在广大的民用市场无法大规模推广应用。 无刷电机控制方法主要分为有位置传感器控制和无位置传感器控制两种。在有位置传感器的控制方法中，现今，由于霍尔传感器性价比高，安装 方便，被广泛应用作为交流电机的位置传感器。当前，国内外对交 流电机无位置传感器的控制方法主要有反电势法、定子三次谐波法、续流二极管检测法、脉冲检测法神经网络控制法等。但是由于无位置传感器控制方法在低速时无法实现精确的速度调制，所以现阶段在电动车领域只是处于研究阶段，无法推广到工业生产当中。 14 流电动机控制系统组成框图 基于 可绘出交流电动机控制系统框图 ,如图 2 图 2动机驱动控制框图 （ 1）微控制器 主要功能是根据电动机旋转方向的要求和来自霍尔转子位置传感器的三个输出信号，将它们处理成功率驱动单元的六个功率开关器 件所要求的驱动顺序。微控制器的另一个重要作用是根据电压、电流和转速等反馈模拟信号，以及随机发出的制动信号，经过 助内置的时钟信号产生一个带有上述各种信息的脉宽调制信号。 （ 2）功率驱动单元 主要包括功率开关器件组成的三相全桥逆变电路和自举电路。自举电路由分立器件构成的，也可以采用专门的集成模块等高性能驱动集成电路。 （ 3）位置传感器 位置传感器在交流电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息。 （ 4）周边辅助、保护电路 主要有电流采样电路、电压比较电路、 过电流保护电路、调速信号和制 15 动信号等输入电路。 16 第 3章 交流电动机硬件设计 变主电路设计 率开关主电路 图 3率开关主电路原理图 逆变器将直流电转换成交流电向电机供电。与一般逆变器不同，它的输出频率不是独立调节的，而是受控于转子位置信号，是一个“自控式逆变器”。由于采用自控式逆变器，交流电动机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，电机和逆变器不会产生振荡和失步，这也是交流电动机的重要优点之一。 逆变开关元件选择和计算 960年由贝尔实验室（ 的 D. 成功，这种元件的操作原理和 1947年萧克莱（ 人发明的双载子晶体管（ 然不同，且因为制造成本低廉与使用面积较小、高整合度的优势，在大型积体电路（ 是超大型积体电路（ 领域里，重要性远超过 近年来由于 了传统上应用于诸如微处理器、微控制器等数位讯号处理的场合上，也有越来越多类比讯号处理的积体电路可以用 表 3 电力 优缺点的比较 17 器 件 优 点 缺 点 关速度高，开关损耗小，具有耐脉冲电流冲击的能力，通态压降较低，输入阻抗高，为电压驱动，驱动功率小 开关速度低于电力压，电流容量不及 压高， 电流大，开关特性好，通流能力强，饱和压降低 开关速度低，为电流驱动，所需驱动功率大，驱动电路复杂，存在二次击穿问题 压、电流容量大，适用于大功率场合，具有电导调制效应，其通流能力很强 电流关断增益很小，关断时门极负脉冲电流大，开关速度低，驱动功率大，驱动电路复杂，开关频率低 电 力 关速度快，输入阻抗高，热稳定性好，所需驱动功率小且驱动电路简单，工作频率高，不存在二次击穿问题 电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过 10通过上述的比较，我选择 电枢额定电流 为每个控制元件导通 120o,所以控制元件的峰值电流可以由以下方程算出。 2 / 301 8 d t ，通过计算可得 I= 额定电压 6V，峰值电压应有一个百分之 40的余量所以 H*6*过以上计算，可得出选择的 5A,峰值电压为 50V。 18 逆变开关管驱动电路设计 能介绍 (1) 特点有：输出驱动隔离电压可达 500V；芯片自身的门输入驱动范围为 1020V；输入端带施密特触发电器；可实现两路分立的驱动输出，可驱动高压高频器件，如 率 ，且 工作频率高可达500 开通 、 关断延迟小，分别为 120 94逻辑电源的输入范围（脚 9） 515V，可方便的与 平相匹配 。 (2) 要功能及技术参数 用 艺制作 ,逻辑电源电压范围为 5 V 20 V ,适应 辑信号输入 ,具有独立的高端和低端 2 个输出通道。由于逻辑信 号均通过电平耦合电路连接到各自的通道上 ,容许逻辑电路参考地 (与功率电路参考地 (之间有 - 5 5 V 的偏移量 ,并且能屏蔽小于 50 脉冲 ,这样有较理想的抗噪声效果。采用 密特触发输入 ,以提高电路抗干扰能力。 置电源采用自举电路 ,其高端工作电压可达 500 V ,工作频率可达到 500 路通道均带有滞后欠压锁定功能。其推荐典型工作参数如表 3 表 3作参数 参数 最小值 / V 最大值 / V S + 10 20 4 500 S 0 20 4. 5 20 5 + 5 19 (3)功能如图 3 图 3引脚 1） :低端输出 脚 2） :公共端 脚 3） :低端固定电源电压 引脚 4） :空端 引脚 5） :高端浮置电源偏移电压 (引脚 6) :高 端浮置电源电压 引脚 7） :高端输出 引脚 8） :空端 脚 9） :逻辑电源电压 脚 10） :逻辑高端输入 引脚 11） :关断 脚 12） :逻辑低端输入 脚 13） :逻辑电路地电位端，其值可以为 0V 引脚 14） :空端 功能概述 端输出 辑电路为两路输出提供相应的控制脉冲。 20 当 电压 样，当 电压检测电路也会使高端输出中断。逻辑输入采用带有 提高抗扰能力。高抗噪声平移位电路将逻辑信号送到输出驱动级。 低端延时电路可简化控制脉冲定时要求，两路输出的传播延时匹配的。当 0000端功率 出驱动 一只输出驱动 端的脉冲发生器驱动 位或复位。由于每个高电压 很狭窄的脉冲持续期内才导通，所以功率很低。 自举电路原理 图 3动电路 以一相为例，如图 3下管导通上管截止时， 离二极管导通，自举电容 极管 下管截止上管导通时，隔离二极管 居电容 极供电， 极管导通，驱动 上管保持导通。 21 单片机的选择 目前，市场上有很多无 刷电机专用控制芯片，大部分电动车生产厂商采用 具有交流电机控制系统所需要的基本功能。本设计采用 仅可以实现专用控制芯片 且容易实现系统扩展，通过软硬件设计，实现多功能的电机控制。 单片机选择依据： (1)性能因素。通过对该系统分析， 8位单片机可以满足系统控制精度的要求。由于整个系统有多种模拟参数需要转换成数字量，因此选用的单片机应该有多通道 A/无刷电机控制中，脉宽调制 术广泛应用，因此所选单片机应具有脉宽调制输出端口。 (2)安全因素。电子产品的安全性是一个非常重要的环节，作为控制系统的核心，单片机的安全性必须达到系统要求。 (3)价格因素。考虑到该设计要与市场接轨，因此价格问题尤为重要，要选择一个性价比较高的单片机，包括单片机的单片价格和开发系统的造价。 片机特点： 列单片机是美国 统和指令系统的设计，逐渐被广大工程设计人员接受 制和生产为一体的专业单片机芯片制造商，其产品综合应用系统设计的思路，具有很强的技术特色。产品采用全新的流水线结构，单字节指令体系，嵌入 0位 A/之具有卓越的性能，代表着单片机发展新的潮流。 ，低 3个档次，可以满足不同用户开发的需求，适合在各个领域中的应用。 (1)单片机种类丰富 是从实际出发，重视产品的性 能与价格比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求。就实际而言，不同的应用对单片机功能和资源的需求也是不同的。 (2) 哈佛总线结构 如图 3底将芯片内部的数据总线和指令总线分离，为采用不同的字节宽度，有效扩展指令的字长奠定了技术基础。 22 图 3(3) 指精简指令集计算机。是着眼于如何改善计算机的结构，更加简单合理地提高计算机的运算速度。 5条指令，全部采用单字节指令，而且除 4条判断转移指令发生间跳外，均为单周期指令，执行速度较高。 (4)指令特色 (5)功耗低 由于 其功率消耗极低。 (6)驱动能力强 ，每个输出引脚可以驱动多达 20既能够高电平直接驱动发光二极管 电耦合器、小型继电器等，也可以低电平直接驱动，这样可以大大简化控制电路。 (7)同步串行数据传送方式 可以满足主控 /从动和主控总线要求。 (8)应用平台界面友好，开发方便 管是对初学者还是后续的应用开发，都提供了完善的硬件和软件支持，包括各种档次的硬件仿真器和编程器。 (9)程序存储器版本齐全 供选择的存储器类别和产品封装工艺的形式较多，为产品的不同试验阶段和不同 应用场合可提供一个全方位的选择内容和不同的性能档次。 23 图 3（ 1） 除（复位）输入。 其中 芯片复位；该管脚的电压不能超过 则会进入测试方式。 （ 2） 向可编程，亦可作为并行口。 电池欠压信号：电池电压经分压后接单片机管脚 3。 转把复位信号：由单片机的第 4脚读入 刹车信号：刹车信号由单片机的第 5脚读入。 （ 3） 振荡器晶振。 （ 4） 字 I/O （ 5） 字 I/O （ 6） +5片机的功能特性 (1)功能部件特性 带 8位 高驱动电流， I/示每个 I/5个 I/5双向可独立编程设置 I/ 8位定时器 /计数器 8位预分频 有 1路捕捉输入 /比较输出 / 16位定时器 /计数器 ，睡眠中仍可计数 8位定时器 /计数器 有 8位的周期寄存器及预分频器和后分频器 24 (2)微控制器特性 内置上电复位电路 (上电定时器，保障工作电压的稳定建立 振荡定时器，保障振荡的稳定建立 断电复位锁定，即当芯片电源电压下降到某一值以后时，使芯片保持复位，当电源电压恢复正常后恢复运行 内置自振式 (看门狗 程序保密位，可防程序代码的非法拷贝 掉电保护电路 在线串行编程 号在 片机中的处理 改变直流电动机转速的方法分为励磁控制法 (控制磁通 )与电枢电压控制法 (改变电枢端电压 )。在众多的电枢电压控制方法中，脉宽调制 术因为需用的大功率可控器件少、线路简单、调速范围宽、电流波形系数好、附加损耗小、功率因数高的优点，从而得到广泛应用。 捉输入 /比较输出 /模块是 有 3种工作方式 :捕捉方式、输出比较方式和脉宽调制方式。当处于脉宽调制工作方式时，可以在引脚输出分辨率高达 10位的 程序语句控制 平持续时间，从而控制电机电枢电压，即可达到调速目的。 时钟电路 如图 3片机的 9、 10脚外接 16 图 3钟电路图 25 复位电路 如图 3单片机 1脚外接 位电路图 人机接口电路 转把和刹车 1 转把 图 3把图 调速转把是利用线性霍尔元件实现的，其输出电压随着磁场的线性变化而改变，将此电压输入给控制器，实现调速功能。 如图 3转动转把，改变了霍耳元件周围的磁场强度，也就改 变了霍耳转把的输出电压。然后把这个电压输入控制器，控制器再根据这个信号的大小进行 从而控制功率管的导通关闭的比例以控制电机转速的大小。 26 2 刹车 图 3车图 电动自行车标准要求电动车在刹车制动时，控制器应能自动切断对电动机的供电。因此电动自行车闸把上应该有闸把位置传感元件，在捏制动把时，将制动信号传给控制器， 电路根据预设程序发出指令，立即切断基极驱动电流，使功率截止，停止供电。因而，既保护了功率管本身，又保护了电动机，也防止了电源的浪费。 在电动车实际使用当中，普遍采用机械触点开关， 平时常开，刹车时信号线对地短路作为刹车信号，即低电位刹车。同时也有少数高档车采用霍尔 元件做开关，刹车时输出高电平给控制器，实现刹车断电功能，即高电位刹车，也称之为电子刹把。它的特点是可靠性高，但价格昂贵。 显示电路 本系统采用 3 个发光二极管作为面板指示灯，如图所示。面板显示电路主要由单片机的普通 1/O 口串行输出，由串入并出芯片 74行串并转换，采用发光二极管进行显示。 面板显示电路如图 3示： 图 3板显示电路图 27 1 74脚图 74 8 位移位寄 存器（串行输入，并行输出） 图 34脚图 如图 3示， 当清除端（ 低 电平时，输出端（ 为低电平。串行数据输入端（ A， B）可控制数据。当 A、 B 任意一个为低电平，则禁止新数据输入，在时钟端（ 冲上升沿作用下 输出 为低电平。当 A、 B 有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在 升沿作用下决定 输出 的状态。 引出端符号 时钟输入端 。 同步清除输入端（ 高 电平有效） A， B 串行数据输入端 。 输出端 。 2 面板指示灯状态定义 面板指示灯状态定义如表 3 3序 号 功 能 指示灯状态 1 过 流 过流时亮，否则灭 2 欠 压 欠压时亮，否则灭 3 刹 车 刹车时亮，否则灭 28 门阵列可编程器件 及引脚功能 图 3表 3阵列可编程器件）引脚名称及功能 名 称 功 能 输 入 输入 /输出 K 时钟输入 电 源 地 件是从 展 过来的， 件的出现为数字电路的研制工作和小批量产品的生产提供了很大的方便。但是，由于它采用的是双极型熔丝工艺，一旦编程以后不能修改，因而不适应研制工作中经常修改电路的需要。 如下优点： 服了采用熔断丝技术只能一次编程的缺点，其可改写的次数超过 100 次； 29 户可根据需要进行组态，一片 件输出结构的逻辑功能，给电路设计带来极大的方便； 护了知识产权； 即电子标签的功能。 感器选择 霍尔器件 是一种磁传感器。按照霍尔器件的功能可将它们分为 :霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者输出数字量，可用于磁场的 测量和控制。霍尔器件具有许多优点，它们的体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高 (可达 1 ,耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖 动、无回跳、位置重复精度高。此外，其工作温度范围宽，可达 C150 1 在交流动机中常用的转子位置传感器 转子位置传感器是永磁交流电机的关键部件。它对电机转子位置进行 检测，其输出信号经过逻辑变换后去控制开关管的通断，使电机定子各相绕组按顺序导通，保证电机连续工作。转子位置传感器也由定、转子组成，其转子与电机本体同轴，以跟踪电机转子的位置；其定子固定于电机本体定子或端盖上，以感应和输出转子位置信号。转子位置传感器的主要技术指标为：输出信号的幅值、精度，响应速度，工作温度，抗干扰能力，损耗，体积重量，安装方便性以及可靠性等。其种类包括磁敏式、电磁式、光电式、接近开关式、正余弦旋转变压器式以及编码器等。 其中最常用的有以下几种： （ 1）霍尔元件式位置传感器 霍尔元件式位置传感 器是磁敏式位置传感器的一种。它是一种半导体器件，是利用霍尔效应制成的。当霍尔元件按要求通以电流并置于外磁场中，即输出霍尔电势信号，当其不受外磁场作用时，其输出端无信号。用霍尔元件作转子位置传感器通常有两种方式。第一种方式是将霍尔元件粘贴于电机 端盖内表面，靠近霍尔元件并与之有一小间隙处，安装在与电机轴同轴的永磁体，如图 于两相导通星形三相六状态交流电机，三个霍 尔元件在空间彼此相隔 120电角度，永磁体的极弧宽度为 180电角度。这样，当电机转子旋转时，三个霍尔元件便交替输出三个宽度为 180电 角、相位互差 120电角的矩形波信号。 30 第二种方式是直接将霍尔元件敷贴在定子电枢铁心气隙表面或绕组端部紧靠铁心处，利用电机转子上的永磁体主极作为传感器的永磁体，根据霍尔元件的输出信号即可判断转子磁极位置，将信号放大处理后便可驱动逆变器工作。 如图 3尔元件式位置传感器结构简单、体积小、价格低、可靠，但对工作温度有一定要求，同时霍尔元件应靠近传感器的永磁体，否则输出信号电平太低，不能正常工作。因此，在对性能和环境要求不是很高的永磁交流电机应用场合大量使用霍尔元件式位置传感器。 图 3 尔元件式位置传感器结构 （ 2）电磁式位置传感器 电磁式位置传感器的定子由磁芯、高频激磁绕组和输出绕组组成。转子由扇形磁芯和非导磁衬套组成。电机运行时，输入绕组中通以高频激磁电流，当转子扇形磁芯处在输出绕组下面时，输入和输出绕组通过定、转子磁芯耦合，输出绕组中则感应出高频信号，经滤波整形和逻辑处理后，即可控制逆变器工作。这种传感器具有较高的强度，可经受较大的振动冲击，故多用于航空航天领域。电磁式位置传感器输出信号较大，一般不需要经过放大便可直接驱动开关管，但此输出电压是交流，必须先整流。由于这种传感器过于笨重 复杂，因而大大限制了其在普通条件下的应用。 （ 3）光电式位置传感器 光电式位置传感器由固定在定子上的几个光电耦合开关和固定在转子轴上的遮光板所组成。几个光电耦合开关沿圆周均布，每只光电耦合开关由相互对着的红外发光二极管和光敏三极管组成。遮光盘处于发光二极管和光 敏三极管中间，盘上开有一定角度的窗口。红外发光二极管通电后发出红外光，当遮光盘随电机转子一同旋转时，红外光间断的照在光敏三极管上，使 其不断导通和截至，其输出信号反应了转子的位置，经过放大后去驱动逆变器开关管。光电式位置传感器轻便可靠，安装精度高，抗 干扰能力强，调整方便，因此获得了广泛的应用。 31 近年来，无位置传感器的永磁交流电机发展比较快。它省去了转子位置传感器，因而电机结构简单、体积小、可靠性高。当电机体积较小、位置传感器难以安装时或电机工作在恶劣环境中以致于位置传感器工作的可靠性难以保证时，这种无位置传感器的永磁交流电机更显示出其独特的优越性。无位置传感器的交流电机