汽车真空助力刹车系统电动真空泵驱动用无刷直流电机控制器的设计
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R 7 51 0 T 2784U 9 3 5 8O U T 1184U 9 3 5 8R 7 11 8 31 71 0 U 93 0P 62 4 82 4 信 号母线 过流 保护G N DT e s V C 电 流O U T 2784U 8 3 5 8O U T 1184U 8 3 5 8R 6 41 31 01 0 0R 6 51 0 81 0 89 0 91 0 92 0 61 0 5 72 温 度V C C V C 热 保护T e s O U T 2784U 6 3 5 8O U T 1184U 6 3 5 8R 4 91 81 71 0 0R 4 41 0 0R 5 11 0 51 0 09 0 61 0 12 0 21 0 4 3 12 . 5 42 温 度V C C V C 热保 护T e s H I N 11L I N 12H I N 23L I N 24H I N 35L I N 36L O 37V S 38H O 39V B 31 0G N V D L O 21 3V S 21 4H O 21 5V B 21 6L O 11 7V S 11 8H O 11 9V B 12 0U 2F A N 7 8 8 8C 1 15 0 v / 4 7 u 45 0 v / 4 7 u 55 0 v / 4 7 u 1 1 1 K+ 1 5 4007D 34007D 44007V s 1V s 2V s 3R 1 03 0R 1 3 3 0R 1 7 3 0R 1 9 3 0R 2 7 3 0R 2 9 3 0+ 1 5 驱 动C 21 0 4C 11 0 4G N 0 M 1 M 1 M 2 M 2 M 3 M 3 14 . 7 6 2 . 2 8 2 . 2 0 2 . 2 1 2 . 2 2 2 . 2 3 2 . 2 1L O 1H O 2L O 2H O 3L O 3G N 82 2 52 K+ 2 4 31 04母 线 电 压R 3 92 压 保护T e s V C D + 2 4 4O N / O F 1O U L M 2 5 76 H V T - 5 . 0C 710051 N 5 8 2 2L 11 0 0 U 632 4 分C 91 04C 81005 022001 041 2F U S 1 1 04G N D+ 1 5 VV i n V o u 7 8 1 5C 2 01 04C 2 11005 D+ 2 4 11 L E D+ 1 5 21 L E C G N D G N 大 华 德 学 院电动真空泵驱动用无刷直流电机控制器的设计P C 标 记第 页数 量 重 量 比 例110. 36 K g 2: 1共 页标 记 处 数 更 改 方 件 号 签 字 日 期设 计校 对审 核工 艺李 辉 标 准 化（ 审 定 ）日 期 20 11 - 1 2- 9 1+ 2 4 VV s 1 V s 2 V s 3R O U T G N D + 2 4 动R 11 0 1 0 1 0 31 0 41 0 51 0 D G N D G N 1L O 1H O 2L O 2H O 3L O 3R 1 41 51 61 10 2 123Q 1M - S T P 1 4 0 N F 7 5123Q 2M - S T P 1 40 N F 7 5123Q 3M - S T P 1 4 0 N F 7 5123Q 4M - S T P 1 4 0 N F 7 5123Q 5M - S T P 1 40 N F 7 5123Q 6M - S T P 1 4 0 N F 7 5R 1 8 1 0 1 2 1 1 01 0 1 0 7105C 1 9105C 1 8105E W 31 0 4C 1 21 04G N 4 00 7霍尔 信号 处理真 空度 信号 采集R 6 12 0 0真 空 度 采 样C 3 71 0 4C 3 61 0 4D 65 . 1 02 kT e s 预 留信 号采 集预 留 采 样R 7 42 0 0C 4 11 0 4C 4 01 0 4D 75 . 1 22 kT e s 芯片 供电 滤波C 2 91 05C 3 41 0 4C 3 11 0 3C 3 01 0 5C 3 21 03G N 31 04V C C 2 42 2P 22 2P 34 . 7 61 0 5L 7 L E L E 7 3 30R 3 6 3 30单片 机最 小系 统母线电压电机温度机油温度真空度采样预留采样G N 1 2N S A V D M C L V S O S C 13 0O S C 23 1R C 133 2N N R C 143 5R E 8 / I N T 0 / F L T V D 0 / I N T 1 / I C 1/ O C 14 2R F 64 3P G 过流信号C 2 51 05R 4 34 . 7 N R X 1R 4 24 7 01 20C A N T X 1C A N 总线T X E N N T J A 1 0 5 0 C A 6 1 7 1 +1V +2C 1 +4C 2 6T 2o u i o i T 1i R 1 o R 1 i T 1o u G N V C U 7M A X 2 3 2C 2 71 0 4C 2 81 0 4C 3 51 0 4C 3 81 0 4G N T R 信1o w e r + 2 4 o l 11H o l 11H o l 11H o l eP o w e r G N a l l A 10a l l B 10a l l C 10 1 - 20 1 - 10 2 - 20 2 - 10a m pl e 10a m pl e 20 C 10 D 10 L R 10H o l - o u o l - i o l N H 10H o l N L 1电动真空泵驱动用无刷直流电机控制器的设计 正面图 反面图 哈工大华德学院毕业设计（论文）任务书 姓 名：李辉 院 （系）：汽车工程系 专 业：车辆工程 班 号： 0893112 任务起至日期： 2011 年 10 月 9 日至 2011 年 12 月 30 日 毕业设计（论文）题目：电动真空泵驱动用无刷直流电机控制器的设计 立题的目的和意义： 传统汽车真空助力刹车系统中的真空泵，不管真空罐的压力是多少，都始终是由发动机驱 动，这会使得整车油耗增加。电动真空泵系统可实现在真空度超过一定限制时，驱动真空泵的电机停止工作，在真空度低于一定限制时，电机又开始工作，达到了节能的目的；本设计的目的是了解电动真空泵系统的基本原理、结构型式及其特点，针对电动真空泵系统的具体要求，采用 行系统驱动用无刷直流电机控制器的设计，主要包括控制器的原理设计、主驱动电路设计、信号采集及处理电路以及各种保护电路的设计等，并完成控制软件的编写。通过设计工作，能够培养学生运用所学的专业理论知识独立进行工程设计的能力，提高专业理论水平和实际动手能力。 同时培养学生的文献检索与综述的能力、独立工作能力以及撰写科技论文的方法等。 技术要求与主要内容： 技术指标： 电机形式： 无刷直流电机 额定电压： 24V 额定电流 ： 15A 控制方式： 转速控制 基本功能： 在真空度达到 85停止工作，在真空度低于 60开使工作 其他功能 ： 过电压保护、欠电压保护、过流保护、 讯 工作内容： 1、查找相关资料，调查国内外电动真空泵系统的研究现状； 2、进行电动真空泵系统无刷直流电机控制器的分析和设计； 3、 完成电机控制器原理图的绘制， 绘制 ，制作实际控制样机； 4、编写控制软件，实现系统要求； 5、撰写论文。 进度安排： 1、 2011 10 1115 确定毕业设计题目，查找并阅读相关文献，学习相关知识； 2、 2011 10 1622 综述国内、外研究现状，对课题进行方案论证，完成开题； 3、 2011 10 2331 进行总体方案设计，给出各部分电路的具体设计； 4、 2011 11 0126 设计方案的分析和优化，绘制 、完成中期检查； 5、 2011 11 2710 制作电路板、软 硬件调试，完成结题检查； 6、 2011 12 1120 提交设计分析总结报告，撰写论文并准备答辩。 同组设计者及分工：无 指导教师签字 _ 年 月 日 系（教研室）主任意见： 系（教研室）主任签 字 _ 年 月 日 哈尔滨工业大学华德应用技术学院 毕业设计（论文） 题 目 电动真空泵驱动用无刷 直流电机控制器的设计 专 业 车辆工程 学 号 1089311212 学 生 李辉 指导教师 宋立伟 答辩日期 哈工大华德学院 哈工大华德学院毕业设计（论文）评语 姓名： 李辉 学号： 1089311212 专业： 车辆工程 毕业设计（论文）题目： 电动真空泵驱动用无刷直流电机控制器的设计 工作起止日期： 2011 年 10 月 9 日起 2011 年 12 月 30 日止 指导教师对毕业设计（论文）进行情况，完成质量及评分意见： _ 指导教师签字： 指导教师职称： 评阅人评阅意见： _ 评阅教师签字： _ 评阅教师职称： _ 答辩委员会评语： _ _ _ 根据毕业设计（论文）的材料和学生的答辩情况，答辩委员会作出如下评定： 学生 毕业设计（论文）答辩成绩评定为： 对毕业设计（论文）的特殊评语： _ 答辩委员会主任（签字）： 职称： _ 答辩委员会副主任（签字）： 职称： _ 答辩委员会委员（签字）： _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 年 月 日 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 摘 要 汽车真空助力刹车系统中的真空泵，采用电子控制完成其工作， 既 实现了智能化，又达到了节能环保的目的。电动真空泵系统可实现在真空度达到85，使真空泵的电机停止工作，在真空度低于 60，使真空泵的电机开始工作，改善了传统的机械式真空助力刹车系统的 能源浪费及环境污染问题。本论文完成 电动真空泵驱动用无刷直流电机控制器的设计，主要包括控制器的原理设计、主驱动电路设计、信号采集及处理电路以及各种保护电路的设计等，并完成控制软件的编写。根据相应的技术指标设计出一套完善的电动真空泵控制器，而且画出其原理图 及 ，并进行 的实物加工与制作。 关键词 ： 电动真空泵 ； 无刷直流电机 ； 控制器 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 of to of in 5 to in 0 to dc of of to a of CB CB C 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 目录 摘 要 . 1 . 2 第 1 章 绪论 . 错误 !未定义书签。 课题设计的背景及意义 . 错误 !未定义书签。 课题的发展概况及国内外研究的现状 . 错误 !未定义书签。 题的发展概况 . 错误 !未定义书签。 内外电动真空泵控制器的研究现状 . 错误 !未定义书签。 本文研究的主要内容 . 错误 !未定义书签。 第 2 章 电动真空泵控制器的系统设计 . 错误 !未定义书签。 电动真空泵控制器的组成 . 错误 !未定义书签。 电动真空泵控制器的 设计方案 . 错误 !未定义书签。 计方案比较 . 错误 !未定义书签。 动真空泵控制器系统组成框图 . 错误 !未定义书签。 第 3 章 电动真空泵控制器的硬件及软件设计 . 错误 !未定义书签。 微控制芯片的选取与设计 . 错误 !未定义书签。 片机简介 . 错误 !未定义书签。 片机时钟电路 . 错误 !未定义书签。 片机复位电路 . 错误 !未定义书签。 线通信设计 . 错误 !未定义书签。 线通信硬件设计 . 错误 !未定义书签。 线通信软件设计 . 错误 !未定义书签。 电动真空泵控制器的电机驱动信号处理 . 错误 !未定义书签。 刷直流电机转角信号获取与处理 . 错误 !未定义书签。 刷直流电机转速信号获取与处理 . 错误 !未定义书签。 电动真空泵控制器保护电路信号处理 . 错误 !未定义书签。 刷直流电机过、欠压保护 . 错误 !未定义书签。 刷直流电机母线过流保护 . 错误 !未定义书签。 刷直流电机过热保护 . 错误 !未定义书签。 动真空泵真空度的信号处理 . 错误 !未定义书签。 无刷直流电机控制器驱动电路 . 错误 !未定义书签。 第 4 章 板设计 . 错误 !未定义书签。 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计 电动真空泵控制器 计分析 . 错误 !未定义书签。 布线设计规则 . 错误 !未定义书签。 第 5 章 测试数据及总结 . 错误 !未定义书签。 结 论 . 错误 !未定义书签。 致 谢 . 错误 !未定义书签。 参考文献 . 错误 !未定义书签。 附录 I . 错误 !未定义书签。 附录 . 错误 !未定义书签。 附录 . 错误 !未定义书签。 附录 . 错误 !未定义书签。 I 摘 要 汽车真空助力刹车系统中的真空泵， 采用电子控制完成其工作， 既 实现了智能化，又达到了节能环保的目的。 电动真空泵系统可实现在 真空度达到85， 使 真空泵的电机 停止 工作， 在真空度低于 60 ， 使 真空泵的电机 开始 工作， 改善了传统的机械式真空助力刹车系统的 能源浪费及环境污染问题。 本论文完成 电动真空泵驱动用无刷直流电机控制器的设计 ， 主要包括控制器的原理设计、主驱动电路设计、信号采集及处理电路以及各种保护电路的设计等，并完成控制软件的编写。 根据相应的技术指标设计出一套完善的电动真空泵控制器，而且画出其原理图 及 进行 的实物加工与制作 。 关键词 ： 电动真空泵 ； 无刷直流电机 ； 控制器 of to of in 5 to in 0 to dc of of to a of CB CB C 摘 要 . I . 1 章 绪论 . 1 课题设计的背景及意义 . 1 课题的发展概况及国内外研究的现状 . 2 题的发展概况 . 2 内外电动真空泵控制器的研究现状 . 2 本文研究的主要内容 . 4 第 2 章 电动真空泵控制器的系统设计 . 5 电动真空泵控制器的组成 . 5 电动真空泵控制器的 设计方案 . 6 计方案比较 . 6 动真空泵控制器系统组成框图 . 8 第 3 章 电动真空泵控制器的硬件及软件设计 . 10 微控制芯片的选取与设计 . 10 片机简介 . 10 片机时钟电路 . 12 片机复位电路 . 13 线通信设计 . 13 线通信硬件设计 . 13 线通信软件设计 . 14 电动真空泵控制器的电机驱动信号处理 . 16 刷直流电机转角信号获取与处理 . 16 刷直流电机转速信号获取与处理 . 18 电动真空泵控制器保护电路信号处理 . 19 刷直流电机过、欠压保护 . 19 刷直流电机母线过流保护 . 20 刷直流电机过热保护 . 21 动真空泵真空度的信号处理 . 21 无刷直流电机控制器驱动电路 . 22 第 4 章 板设计 . 24 电动真空泵控制器 计分析 . 24 布线设计规则 . 24 章 测试数据及总结 . 28 结 论 . 32 致 谢 . 33 参考文献 . 34 附录 I . 36 附录 . 37 附录 . 38 附录 . 42 哈尔滨工业大学华德应用技术学 院毕业设计 1 第 1 章 绪论 课题 设计的 背景 及意义 从汽车诞生时起，车辆制动系统在车辆的安全方面就扮演着至关重要的角色。近年来，随着车辆技术的进步和汽车行驶 速度的提高，这种重要性表现得越来越明显。汽车制动系统种类很多，形式多样。传统的制动系统结构型式主要有机械式、气动式、液压式、气 液混合式。它们的工作原理基本都一样，都是利用制动装置，用工作时产生的摩擦热来逐渐消耗车辆所具有的动能，以达到车辆制动减速，或直至停车的目的。伴随着节能和清洁能源汽车的研究开发，汽车动力系统发生了很大的改变，出现了很多新的结构型式和功能形式。新型动力系统的出现也要求制动系统结构型式和功能形式发生相应的改变。例如电动汽车没有内燃机，无法为真空助力 器提供真空源，一种解决方案是利用电动真空 泵为真空助力器提供真空，不仅如此，电动真空泵使用在燃油汽车上，一方面解决了能源的浪费问题，另一方面解决了 环境污染问题 ，而且还实现了智能化。 因此 汽车电子化是当前汽车技术发展的必然趋势。 传统内燃机轿车的制动系统真空助力装置的真空源来自于发动机进气歧管，真空度负压一般可达到 是这种机械式的 制动系统真空助力装置 ，只要发动机运转就带动真空泵工作，这就带来了不必要的能源浪费及环境污染问题，为了解决这一问题，我们采用电子控制 真空泵的驱动，为保证汽车的易操纵性和安全性，应采用合适的真空泵控制单 元 以及相应的驱动电机， 根据对该真空泵试验分析和实际的汽车操纵需要， 完成一套完 善的控制系统。 结合国内外有关汽车真空助力刹车系统的 资料，我们的 汽车电动真空泵驱动用无刷直流电机 作为动力的来源，采用该电机的专用芯片进行控制，整套 控制器 系统 在降低系统自重、减少生产成本、控制系统发热、电流消耗、与整车进行匹配获得合理的制动特性，以及保证良好的制动效能等方面取得了重大的进步，电动真空泵驱动用无刷直流电机控制器系统在操纵舒适性、安全性和节能等方面也充分显示了其优越性，其性能也得到用户的普遍认同。研究与开发 电动真空泵驱动控 制器 系统，是与汽车发展中的安全、环保、节能三大主题相吻合的，对提高我国汽车工业水平 及 缩小与汽车强国的差距， 哈尔滨工业大学华德应用技术学 院毕业设计 2 具有一定的现实和长远意义。 课题 的发展概况 及国内外 研究 的现状 题 的发展概 况 随着 真空助力制动系统 的 控制装置的发展 ，由 最早的人力制动，通过机械的连接产生制动动作 ， 发展到人力控制制动，通过踩制动踏板启动制动，再由传力装置把制动踏板力传到真空助力器，经过真空助力器的助力扩大后，传递到制动主缸产生液压力，然后通过油路把液压力传递到每个轮缸，开始制动。随着清洁能源汽车和电动汽车的研究应用， 以及电子技术在汽车上面的广泛应用，制动系统的控制装置也出现了电子化的趋势，其中电制动完全改变了制动系统的控制和 管理，会使汽车制动系统发生革命性的变化，它采用电子控制，可以更 准确、更高效率地实现制动。 电动真空泵的动力 驱动 来源 于 无刷直流电机 。 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，但无刷直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，无刷直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，无刷直流电机高效率的特点更显示了其巨大的应用价值。 电 动 真 空 泵采用 电控 无刷直流电机驱动 ，从控制到驱动彻底实现电子化，以电子集成系统完全控制气体的交换与传输，从而实现气体传输的可调性、精准性 。由于 系统集成化，又不在使用 发 动机驱动加之主件 ，气泵采用微型真空泵，使整个体系真正意义上实现了微型化 。 内外 电动真空泵 控制器 的 研究 现状 随着当今车辆动力系统的多样化，直喷式、柴油机、混合动力或者全电动系 统日益增加，因而，车辆所产生的真空大量降低。这就要求制动系统能给电动真空泵发送 “ 开 /关 ” 指令信号，以扩大真空或在真空耗尽时，提供额外功率的电平供车辆制动之用。所以，及时了解已有的引擎真空量、并将该 哈尔滨工业大学华德应用技术学 院毕业设计 3 数据依次传送给制动控制器以产生足够的制动助力是至关重要的。 因此电动真空泵的控制器的优良至关重要。 级车中率先装备了智能驾驶辅助系统等智能配置，在驾驶中最大程度提高了舒适性和安全性，安心随意，轻松自如。全系标配的双放大系数 电动 真空刹车助力器，让行车操控更加便捷高效。可以说，它既是高档的舒适性装备，降低驾驶 操作的复杂程度，大幅减轻驾驶疲劳；又是先进的主动安全系统，提醒和帮助驾驶员避免不必要的麻烦，融舒适与安全为一体。 美国密歇根州利沃尼亚市 2011年 4月 14日电 /美通社亚洲 /车集团（纽约证交所代码 天宣布，将推出新型真空传感器用于监测与报告制动助力器中的真空可用量。 这对电动真空泵精度的控制起到关键性的作用。 法国的 野外电动真空泵给野外土壤取样带来很多方便，它非常轻，且储电量大，在 15秒内即可获得真空。可以大大提高工作效率，降低费用。可与液取样。 博世专为新能源汽车开发再生制动系统 ， 以真空为基础的制动助力器 ，汽车的制动助力器利用真空增强驾驶员施加的制动力。真空通常由内燃机或者真空泵来制造。但是混合动力车会经常关掉内燃机，而电动车根本就没有内燃机。因此，这些汽车只能使用真空泵或者独立真空制动系统。 据介绍， 该 再生制动系统以第九代 基础，是一种非常高效的制动方案。在以采用 电动 真空为基础的制动助力器的混合动力和电动车上， 时控制真空泵。这款产品已经在一款后轮驱动及前 /后轴制动管路分布的混合动力车型上实 现了量产。 业内专家一致认为 ， 电动真空泵是真空获得设备发展的方向，也是真空获得手段的“尖端”技术，我国的真空泵产业必须在此领域有所作为，首先进入食品、化工、医药等行业。经过这些市场的培育和锻炼，进而打入半导体行业 ， 才能使整个行业与时俱进的发展。 引进国外先进技术，提升我国产品的科技含量在其他行业有成功的经验。在发展真空获得设备的高端产品中引进国外技术，并很好的消化吸收，将 快速改变我国产品技术含量低、质量和技术水平不能满足市场需求的现状。但在 引进国外技术，应特别注意两点：一是重在消化吸收，在此基础上培育企业 的自主知识产权和创新能力。二是不要重复盲目引进，要瞄准国际上当代最新技术，避免引进一代，落后一代。引进国外技术不是目的，而是手段，通过引进技术最终打造国产自主品牌！ 哈尔滨工业大学华德应用技术学 院毕业设计 4 本文研究的主要内容 结合 电动真空泵的特点 : 1、 驱动模式采用 电控无刷直流电机驱动 ， 改善 了传统意义上的 机械 驱动 ； 2、 可以精确 的控制真空罐内的压力保持在一定范围内； 3、 泵体自带 控制 板，所有操作通过电子 控制 完成， 同时可 配备数码显示，直观精准。 4、 体积小、重量轻 、节能环保 。 完成以下基本内容： 1、分析电动真空泵驱动用无刷直流电机控制器 系统的 方案 设计； 2、电动真空泵驱动用无刷直流电机控制器系统的原理设计、主驱动电路设计、信号采集及处理电路以及各种保护电路的设计； 3、完成电动真空泵驱动用无刷直流电机控制器系统的 原理图 ， 并绘制 哈尔滨工业大学华德应用技术学 院毕业设计 5 第 2 章 电动 真空泵控制器的 系统 设计 电动真空泵控制器 的组成 该电动真空泵控制器系统 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 系统。 位置检测器检测转子磁极的位置信号 ,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 电动真空泵控制器系统 的 各组成 部分 的 说明如下 ： 1、 电机本体 无刷直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。所以无刷直流电动机的电机本体实际上是一种永磁同步电机。由于无刷直流电动机的 电机本体为永磁电机，所以无刷直流电动机也称为永磁无刷直流电动机。 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，三相无刷直流电动机最为常见，本课题研究设计 用到的部分 为星形永磁无刷直流电机。 2、 驱动电路 目前，无刷直流电动机的功率驱动主开关一般采用 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。 本处采用的是 率 ， 独特 “ 单一的功能 带为基础的进程 。 由此产生的晶体管，显示了极高的密度和坚固耐用的特点，再加上 100%的雪崩测试，因此 ， 其有卓越制造的可重复性 ，方便设计与应用。 3、 信号电路 对于本设计的研究内容，信号电路可分为电机转子转角信号 、 转速信号、 母线电流信号、母线电压信号、 电机温度信号、机油温度信号、 口通信等信号处理，通过这些信号来更好的完成无刷直流电机的 哈尔滨工业大学华德应用技术学 院毕业设计 6 控制， 实 现 其 智能 化 。 4、 保护电路 无刷直流电机控制器共有两种保护电路，一种是软件保护，单片机将各种信号采集过来以后对其进行处理并 与预算值进行比较，如果信号值有危险趋向，单片机将发出暂时停止工作的命令，稍等片刻后继续工作，从而保护电机的安全。另一种是硬件保护电路，在各个信号送往单片机进行计算的同时，他们还送往运放比较器，通过与预算出的值比较送出信号给锁存器，如果信号值超过预算值，比较器将输出高电平给锁存器触发 时保持信号源并对单片机复位处理和切断 再 硬件保护后，只能通过一个按键来对 而重新 启动 控制器 。 本设计采用前者完成控制器的 保护 工作。 电动真空泵控制器 的 设计方案 计方案比 较 无刷直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。 电机控制器是无刷直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、过 /欠压等故障保护功能。 控制器是电动 真空泵 的驱动系统，它是电动 真空泵 的大脑。其主要作用是在保证电动 真空泵 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 真空泵 在受到破坏时的损伤程度。 根据 下 表 ，可以看出，无刷直流电机更适于用作本控制器的驱动源。 目前，市场上常用的电动 真空泵驱动用 无刷直流电机控制器 ，其 主要采用专用集成电路为主控芯片，像 哈尔滨工业大学华德应用技术学 院毕业设计 7 表 2刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较 项目 无刷直流电动机 有刷直流电动机 换向 借助转 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 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 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 其 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， 哈尔滨工业大学华德应用技术学 院毕业设计 8 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 主控芯片， 可以方便地实现控制程序的在线修改与烧写，并带有写保护编程功能。 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 的灵活性 ，通常将此类控制器称为数字式控制器。 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，被广泛应用作为无刷直流电机的位置传感器。当前，国内外对无刷直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 。 故本设计中采用 霍尔传感器 作 为 无刷直流电机的位置传感器 。 动真空泵控制器 系统组成框图 基于 可绘出 电动真空泵控制器 系统框图 ,如图 2 图 2动真空泵控制器 系统框图 （ 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 哈尔滨工业大学华德应用技术学 院毕业设计 9 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。 即 根据 （ 2） 门极 驱动和功率驱动单元 门极 驱动 电路采用专门的集成模块（ 性能驱动集成电路，比于分立式自举电路而言，采用集成模块最大的优点是使电路简单清晰明了； 功率驱动单元由功率开关器件 (成的三相全桥逆变电路构成。 （ 3）霍尔位置传感器 该 位置传感器在无刷直流电动机中起 到 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 ，保证无刷直流电机的 正常 运行。 （ 4）周边辅助 控制 、保护电路 主要有 过 流保护控制、过 /欠压保护控制、 母线 电流采样电路、 母线 电压采样 电路、 转 速信号 、 真空度采样 和电机 及机油 温度 等 信号 输入电路。 （ 5）系统电源 该系统的总电源是由 24V 可充电蓄电池提供，然后由 端 5V，给 门极 驱动电路供电； 与 此同时， 再由 24V 电源经过 A 开关型降压稳压器转换成 5V，给微控制器提供电源，而且还为 门极 驱动芯片提供开关电源。 哈尔滨工业大学华德应用技术学 院毕业设计 10第 3 章 电动 真空泵控制器的硬件及软件设计 微控制芯片的选取与设计 片机 简介 片机是 ， 性价比介于 16 位单片机、 32位单片机及 款高性能数字信号控制器 。 片机 采用 16位（数据）改进型 非流水线的哈佛 片具体结构如图 3序计数器（ 24位宽，可以寻址 4M24 位的程序存储器空间。 片机 有 16 个 16 位的工作寄存器（ 图 3部框图 哈尔滨工业大学华德应用技术学 院毕业设计 11每个工作寄存器都可以 作为数据、寻址或移位寄存器来操作。其中，第16个工作寄存器（即 为中断和程序调用的堆栈指针。 令字是 24 位的，其指令系统有很大的增强，最大特点就是包含了对为这种 个高速的 16位与 16位相乘的乘法器、1个 40位的 2个 40位的饱和累加器（ 及1个 40位的双向移位器，因而能够明显提高芯片算法能力和周期。 因 此，这种芯片的指令系统就分成两大类 单片机类和 种指令系统基于高效的 支持固有寻址（无操作数）、相对寻址、立刻寻址、存储器寻址、寄存器直接寻址、间接寻址和移动寻 址 7种方式。每条指令都同预先定义的寻址方式有关，而这些预定义的寻址方式是由特定功能需求决定的，且每条指令都支持这 7种寻址方式。对于大多数指令， 片机在每个指令周期能够执行数据（或程序数据）存储器读操作、工作寄存器（数据）读操作、数据存储器写操作以及程序（指令）存储器读操作。因此，它可以支持 3操作数的指令，比如，在一个周期内可以完成 A+B=数据空间被一 分为二，分别以 数据存储器进行引用，可以作为 32K 字（ 64进行寻址。每个存储器块都有自己独立的地址产生单元（ 单片机类的指令仅单独通过 X 存储器的整个存储器作为一个线性的数据空间进行寻址。而 通过 的 样就将数据地址空间分成相对独立的两部分。不过，这样的 的数据空间边界是任意的，且是由芯片自身特性决定的。数据空间存储器高位的 32过定义8位程序空间可见页面寄存器 任意的 16位程序字边界中随意地被映射到的程序空间低位（用户空间），这样就使得任何指令能够像访问数据空间一样访问程序空间。不过，采用这种方式访问的执行时间比一般的访问方式要多一个周期。而且，只有每条指令字的低 16位才可以使用这种方法访问。 此外， 有一个特征，就是含有由 61个区分优先级的向量组成的矢量异常处理结构，这些异常情况包括复位（ 6个捕捉以及 54个中断。 由此看来 开发有助于缓解 16位单片机和低端数字信号处理器之间的性能差，是传统 16位单片机应用的理想解决方案。与此同时，随着控制技术日趋复杂化，越来越多的工业系统要使用 确控制实时响应，以及现有产品要求增加更多功能，以增强 I/时，随着多 哈尔滨工业大学华德应用技术学 院毕业设计 12种 及愈加完善的开发工具、应用系统库、现场应用工程技术和综合技术等的产品， 片机 时钟电路 时钟发生器为 片提供时钟，由一个内部振荡器和锁相环电路（ 成 以通过在引脚 间连接一晶体 ,启动内部振荡器。当然 ,也可以不使用片内的振荡电路 ,完全由外部有源晶体振荡器产生时钟信号 ,直接接入 脚 ,此时 ,悬空。但这一方式仍然使用片内的 频电路对这一来自片外的时钟进行倍频。 当使用外接晶体的方式启动单片机内部振荡电路时 ,由于时钟信号电平由 部的振荡电路决定 ,因此不存 在信号电平与平匹配的问题 ,且晶体价格较低。但是它的精度差 , 而且需要配置好周边电路，当更换不同频率的晶体时周边配置电路亦需要做相应的调整。 当采用完全由外部有源晶体振荡器产生时钟信号这一方法时 ,不需要复杂的配置电路 , 连接简单，容易起振，且稳定性好，但是需要选择好合适的输出电平，且价格较高。 时钟的要求，主要是能持续稳定地输出没有毛刺的时钟。由于单片机及其它芯片工作都是以时钟为基准的，如果时钟质量不高，那么系统的可靠性、稳定性就很难保证。所以在选用晶振时 应重视晶振的质量，要对晶振的稳定性、毛刺及负载能力做全面的检验，以便系统可靠地工作。我们知道， 20下的晶体晶振基本上都是基频的器件，稳定度好，而 20上的大多是谐波的（如 3 次谐波、 5 次谐波等），稳定度差。综合以上考虑以及系统成本考虑，选用 4源晶振作为系统的 参考时钟源，如图 3示 。 图 3钟电路 哈尔滨工业大学华德应用技术学 院毕业设计 片机复位电路 电阻上接高电平，电容 下接地，中间为 种复位电路的工作原理是：通电时，电容两端相当于是短路，于是 脚 上为低电平，然后电源通过电阻对电容充电， 电压慢慢上升，升到到一定程度，即为高电平，单片机开始正常工作。 复位电路有两种方式： 1、上电复位：上电瞬间，电容充电电流最大，电容相当于短路， 动复位；电容两端的电压达到电源电压时，电容充电电流为零，电容相当于开路， 为高电平，程序正常运行 。 2、手动复位：首先经过上电复位，当按下按键时， 接与 低电平形成复位，同时电解电容被短路放电；按键松开时， 电电流在电阻上， 然为低电平，仍然 是复位，充电完成后，电容相当于开路， 高电平，正常工作。 为了复位 实现的 方便，本设计采用 上电复位 ，如图 3示。 图 3位电路 线通信设计 线通信 硬件 设计 为了实现各调速系统与控制网络的连接，设计了 采用 片机 中内置 线协议控制器 与线驱动器 构成 ，只要外接总线驱动芯片和适当的抗干扰电路就可以很方便地建立一个 线智能测控节点。 线通信硬件原理图如图 3 本设计中采用 线驱动器 ， 率高，最高可达 1 供总线与电源及地之间的短路保护。其引脚 8(于 哈尔滨工业大学华德应用技术学 院毕业设计 14选定工作模式，有两种工作模式可供选择：高速或待机。这里，引脚 8接地，选择高速模式，高速模式是 果引脚接高电平，则 进入待机模式，发送器被关闭 。图中 片机 的， 另外 ， 由于通信信号传输到导线的端点时会发生反射，干扰正常信号的传输，因此总线两端可接终端电阻以消除反射信号，电阻阻值应当与传输电缆的特性阻抗大致相当 ，本设计选用 120的阻值。 图 3讯 电路图 线通信 软件 设计 时地完成通信任务，软件的设计是关键。 据接收和数据发送程序。主程序通过调用函数来实现数据的接收和发送。 下面以 主，介绍其编程及注解。 为了正确地实现通信， 分要对波特率，标识码寄存器 识码屏蔽寄存器 送与接收 页号，数据长度、中断开启、能等内容作出设置。本设计采用 0A 协议，即标识符为 11 位。将标识码寄存器 置为开关量控制单元的地址 余的标识码寄存器设置为 0。该地址只使用一个 8 位寄存器，因此标识码屏蔽寄存器只需设置 余的标识码屏蔽寄存器设置为 0。 /*以下是 */ /配置 在初始化时，配置模式用于保护各个寄存器 4; /配置 = 4); /等待 /*以下是 */ 哈尔滨工业大学华德应用技术学 院毕业设计 0; / 选择 0; /配置数据收发启动时同步跳转时间宽/度位 1 /配置波特率为 125; /设置每位 次 /*以下是 */ 0; /清零所有 0; /复位中断标志状态寄存器
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