毕业设计论文-电动自行车调速系统的设计.doc

毕业设计论文-电动自行车调速系统的设计 毕 业 设 计题目 电动自行车调速系统的设计 系别专业班级姓名学号指导教师日期设计任务书设计题目电动自行车调速系统的设计设计要求实现单片机对电动自行车调速系统的控制即永磁无刷直流电动机转速的控制要求使用脉宽调速系统单片机选用芯片要合适 要求有系统电路图原理图程序图等设计进度要求第一周找指导老师确定设计题目第二周结合题目查阅相关的资料勾画调速系统基本框架第三四周根据有关要求和所查资料的相关内容进行系统设计第五六周对所设计的内容进行调试第七周书写毕业设计论文第八周准备毕业论文答辩 指导教师签名_摘要单片机控制的永磁无刷直流电动机调速系统适用于电动自行车等小功率的工作情况并能将多余的电能回馈该系统具有调速性能好功率因数高节能体积小重量轻等优点本文从系统要求分析入手将整个系统分成四个部分分析和讨论了各个部分的电路原理控制策略实现方法详细讨论了系统的各种工况及信号的传递情况并得到了系统各个部分在不同工况的工作状态系统各个部分的控制电路基于Intel公司的控制芯片8051单片机根据永磁无刷直流电动机的特性实施脉宽PWM控制并通过转速传感器测量转速通过八段数码管动态显示转速通过软硬件的配合实现整个系统的设计要求关键词单片机脉宽调速系统三端式稳压器永磁无刷直流电动机目录摘要II1概述111电动车的发展史112电动车对电动机的基本要求113 永磁无刷直流电动机的基本性能214无刷直流电动机在电动自行车上的应用22总体设计43电路设计531电源电路532显示电路533控制电路734驱动电路及原理84主要器件性能及原理1141 8051单片机内部结构1142 A D转换芯片1343永磁无刷直流电动机1544 三端式稳压器78L05的工作原理1845集成转速传感器KMI15-12046译码器245程序设计2551主程序框图2552 INT0中断服务程序2653部分子程序27结论29致谢30参考文献311 概 述11电动车的发展史电动车的发展史比燃油汽车更长世界上第一辆机动车就是电动车后来由于燃油汽车技术的迅速发展而电动车在能源技术和行驶里程的研制上长期未能取得突破从20世纪20年代初至60 代末电动车的发展进入了一个沉寂期进入70年代以来由于中东石油危机的爆发以及人类对自然环境的日益关注电动车才再度成为技术发展的热点近几十年来主要工业化国家为电动车的开发投入了大量的人力和财力电动车的各项相关 技术也取得了重大的进展尽管电动车在能源和行驶里程的研制方面至今尚未取得突破性 的进展但是电动车的美好前景仍然激励着人们锲而不舍地开发新型电动车改善其性能 现代电动车的能源系统电机驱动系统智能化的能量管理系统充电系统车载空调系统和变速系统电动车的基础设施建设以及未来智能化的交通系统的发展根据各类子系统的不同特点近年来各种显示高新技术的电动车层出不穷日新月异12电动车对电动机的基本要求电动车的运行与一般的工业应用不同非常复杂因此对驱动系统的要求是很高的1电动车用电动机应具有瞬时功率大过载能力强过载系数应为34加速性能好使用寿命长等特点2电动车用电动机应具有宽广的调速范围包括恒转矩区和恒功率区在恒转矩区要求低速运行时具有大转矩以满足起动和爬坡的要求在恒功率区要求低转矩时具有高的速度以满足车在平坦的路面能够高速行驶的要求3电动车用电动机能够在减速时实现再生制动将能量回收并反馈回蓄电池使得电动车具有最佳能量的利用率这在内燃机得摩托车上是不能实现得4电动车用电动机应在整个运行范围内应具有高得效率以提高1次充电得续驶里程另外还要求电动车用电动机可靠性好能够在较恶劣得环境下长期工作结构简单并适应大批量生产运行时噪声低价格便宜等13 永磁无刷直流电动机的基本性能1永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机它的最大特点就是具有直流电动机的外特性而没有刷组成的机械接触结构加之它采用永磁体转子没有励磁损耗发热的电枢组又装在外面的定子上散热容易因此永磁无刷直流电动机没有换向火花没有无线电干扰寿命长运行可靠维修简便此外它的转速不受机械换向的限制如果采用空气轴承或磁悬浮轴承可以在每分钟高达几十万转的情况下运行无刷直流电动机因其无电刷和机械换向器不需要减速装置噪声低等优点被广泛应用于电动自行车中2永磁无刷直流电动机的控制系统永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机它的最大特点就是具有直流电动机的外特性而没有刷组成的机械接触结构加之它采用永磁体转子没有励磁损耗发热的电枢组又装在外面的定子上散热容易因此永磁无刷直流电动机没有换向火花没有无线电干扰寿命长运行可靠维修简便此外它的转速不受机械换向的限制如果采用空气轴承或磁悬浮轴承可以在每分钟高达几十万转的情况下运行由于永磁无刷直流电动机具有上述一系列的优点因而其用途十分的广泛特别适合于对性能体积重量要求很高的场合如航空航天电动汽车精密电子仪器与设备工业自动化和现代家用电器等领域14无刷直流电动机在电动自行车上的应用1应用特点 无刷直流电动机之所以被广泛应用于电动自行车是因为它与传统的有刷直流电动机相比具有以下二方面的优势1寿命长免维护可靠性高在有刷直流电动机中由于电机转速较高电刷和换向器磨损较快一般工作1000小时左右就需更换电刷另外其减速齿轮箱的技术难度较大特别是传动齿轮的润滑问题是目前有刷方案中比较大的难题所以有刷电机就存在噪声大效率低易产生故障等问题因此无刷直流电动机的优势很明显2效率高节能一般而言因无刷直流电动机没有机械换向的磨擦损耗及齿轮箱的消耗以及调速电路损耗效率通常可高于85但考虑到实际设计中的最高性价比为减少材料消耗一般设计为76而有刷直流电动机的效率由于齿轮箱和超越离合器的消耗通常在70左右 2常见故障 无刷直流电动机的常见故障通常从其三个组成部分来检查在不清楚故障部位时首先应该检查电动机本体其次是位置传感器最后检查驱动控制电路在电动机本体中可能出现的问题是A电动机绕组接触不良断线或短路会造成电动机不转电动机在某些位置能够起动而在某些位置不能起动电动机运行不平衡B电动机主磁极退磁会使电动机转矩明显小而空载转速高电流大在位置传感器上常见问题是霍尔元件损坏接触不良位置变化都会使电动机输出转矩变小严重时会使得电动机不动或在某一点来回振动在驱动控制电路中最容易出现故障的是功率晶体管即由于长期过载过电压或短路使功率晶体管损坏以上是对无刷电动机的常见故障进行的简单分析在电动机实际运行时问题会是多种多样的检查者应注意在没有确切把握情况时不能随意通电以免造成电动机的其他器件损坏 2总体设计对于电动自行车控制系统设计主要有三个方面1控制电路的设计2传感器选择以及安放设计3显示电路的设计4程序设计从总的方面来考虑传感器的使用应该尽量减少单片机的信号处理量但是又必须能使车行驶自如控制电路要根据选用的电机和传感器来设计主要考虑稳定性抗干扰性控制核心采用51单片机控制系统与电路用光耦完全隔离以避免干扰控制上采用分时复用技术仅用一块单片机就实现了信号采集电机控制和转速显示如图21所示图21总体电路图3 电路设计控制电路主要由电源电路电机驱动电路单片机接口电路显示电路四个部分考虑到电机的起动电流和制动时比较大会造成电源电压不稳定容易对单片机和传感器的工作产生干扰所以电机机驱动电路和单片机以及传感器电路用光耦隔离 31电源电路传感器的电源直接使用24V蓄电池单片机的电源则通过三端稳压器78L05将24V电源转换到5V见图31图31电源电路图24V直流电源经三端稳压器78L05输出即为单片机所要求的5V电源电路中接入C1C2是用来实现频率补偿的可防止稳压器产生高频自激振荡并抑制电路引入的高频干扰大容量的C3是电解电容以减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰D是保护二极管当输入端意外短路时给输出电容器C3一个放电通路防止C3两端电压作用于调整管的be解结造成调整管be结击穿而损坏32显示电路显示部分见图32采用单片机串口通讯以节省单片机的端口单片机通过中断的方式为显示服务我们所设计的采用共阳极连接方式的LED七段显示数码管如图33所示图32显示电路图图33七段显示数码管静态显示原理MCS-51单片机串行口方式0为移位寄存器方式外接6片74LS164作为6位LED显示器的静态显示接口把8051的RXD作为数据输出线TXD作为移位时钟脉冲74LS164为TTL单向8位移位寄存器可实现串行输入并行输出其中AB第12脚为串行数据输入端2个引脚按逻辑与运算规律输入信号共一个输入信号时可并接T第8脚为时钟输入端可连接到串行口的TXD端每一个时钟信号的上升沿加到T端时移位寄存器移一位8个时钟脉冲过后8位二进制数全部移入74LS164中R第9脚为复位端当R 0时移位寄存器各位复0只有当R 1时时钟脉冲才起作用Q1Q8第3-6和10-13引脚并行输出端分别接LED显示器的hga各段对应的引脚上段码控制如送段码73H时显示P以此类推如表31所示表31段码表显示P07P06P05P04P03P02P01P00位码hgfedcbap0111001173H-1000000080H10000011003H2100110119BH3100011118FH410110110B6H510101101ADH610111101BDH70000011107H810111111BFH910101111AFH0001111113FHe10111101B9Hn0010001123Hd100111109EH暗0000000000H直流电动机的额定转速为190转分大约需要三位数码管显示驱动器采用74LS164串接510的限流电阻33控制电路图34控制电路打开系统电源后由电位器控制电动机转速IN0-IN6线上那一路模拟电压被换成数字量由ADDA-ADDC线上的地址决定ADDC0809内部地址锁存与译码电路便把IN0线上模拟电压送入8位AD转换器此时若单片机使STRA线处于高电平则ADC0809便开始AD转换一旦AD转换完成ADC0809一方面把AD转换后的数字量送入它三态输出缓冲器另一方面又使EOC线变为高电平向单片机提出中断请求单片机检测和响应该中断请求后就通过使RD非变为低电平而使OE线变高以便可以从2128引线上取走AD转换后的数字量输出相应的巨型脉冲信号脉冲信号经74LS254放大后经光电耦合控制继电器34驱动电路及原理电动自行车使用24V直流电机对于这种小功率直流电机的调速方法一般有两种一种是线性型使用功率三级管作为功率放大器的输出控制直流电机线性型驱动的电路结构和原理简单成本低加速能力强但功率损耗大特别是低速大转矩运行时通过电阻R的电流大发热厉害损耗大另一种脉宽调制型脉宽调速PULSE WIDE MODULATIONPWM较常用的 一种调速方式这种调速方式有调速特性优良调速范围广过载能力大能承受频繁的负载冲击还可以实现频繁的无级快速启动制动和反转等优点因此决定采用PWM方式控制直流电机永磁式直流电机脉宽调速原理永磁式直流电动机电机转速由电枢电压UD决定电枢电压UD越高电机转速越快电枢电压UD降为0V电机就就停转直流电机的具体调速过程是先让它启动一段时间然后切断电源电动机因惯性而降速转动在转速降到一定限度时使电动机再次接通电动机因此而再次加速不断的给电枢两端送入脉动电压源即脉动信号就可以使电动机的转速控制在指定的范围内如图35所示图35脉冲信号图V为电动机的最大转速值Vmin为电动机的最小转速值VD为二者的平均值VD D式中D tTc称为占空比D越大VD就越大反之亦然平均转速和电枢上的脉冲占空比D之间关系如图36所示由图可知平均转速与占空比并非完全的线性关系但可以近似的看成是线性关系因此电动机的平均转速VD就可以有占空比D加以控制图36 VDD关系图PWM调速分为双向式和单向式两种双向式在一个脉冲周期内T TaTbT1和T3导通时间为TaT2和T4导通时间为Tb这样在Ta这段时间内电机通过的是正向电流在Tb这段时间内为反相电流当Ta Tb时电机停转Ta Tb电机正转Ta Tb电机反转单向式单向式的电路和双向式相同同的是在电机正转时Tb这段时间内不通过反相电流电机反转时Ta内不通过正向电流其调速原理基本与双向相同单向式与双向式相比三极管的开关频率少一半比较不容易发生上下三极管导通而造成电源短路的情况故可靠性有所提高但控制性能比双向式稍差外特性低速性也不如双向式好综合以上两种方式的优缺点并考虑到电动自行车对调速精度要求不太高以及省电器件损耗等方面因素决定采用单向式PWM考虑到编程时可能会产生使T1T2T3T4都导通的情况以致电源短路烧毁器件为了避免出现这种情况设计了图37所示的电路此电路只用一个三极管控制电路的通断用四个继电器控制电流流向从而控制电机的转向这样无论如何都不会出现因编程原因而造成电源短路的情况由于采用单片机控制电机如果单片机的电源采用与电机同一电源虽然经过稳压滤波但单片机仍然容易受到电机以及继电器的干扰为了避免干扰采用光电隔离单片机和电机采用两套电源4N26光耦一般需要2mA以上的驱动电流由于单片机的输出电流只有几百毫安故需要先接74LS245或者接一个三极管增加驱动能力74LS245的高电平驱动能力为15mA光耦的输出再接给达林顿管考虑到电机的短路电流有2A故选用TIP132型号的达林顿管允许通过的最大瞬时图37电源电路电流为8A另外在达林顿管的C极和电源的正极之间接一个耐流为2A的二极管这样在关断电源后使继电器反相可以让电机放电这样停时车不至于因为惯性滑行太远而浪费能源因此切断电源后要将电动车停下来而采取的无谓制动不能将电能回馈给蓄电池考虑到电动自行车对电机转速距离控制要求不高为了简化程序和外接电路所以没有考虑采用闭环PWM控制用开环PWM控制和就可以实现自行车的功能图38脉冲信号波形图工作时Ta为高电平通过光耦驱动复合管T导通此时Tb为高电平通过光耦使三极管导通继电器各线圈被短路K1K2为常闭触点所以电动机加正向电压当Tb为低电平电压时所有继电器得电常开触点闭合常闭触点断开K1K3断开K2K4导通电动机加反向电压如果保证Ta Tb则电动机正转通过改变TaTb的占空比即可改变转速4主要器件性能及原理41 8051单片机内部结构8051是MCS-51系列单片机的典型产品我们以这一代表性的机型进行系统的讲解8051单片机包含中央处理器程序存储器 ROM 数据存储器 RAM 定时计数器并行接口串行接口和中断系统等几大单元及数据总线地址总线和控制总线等三大总线现在我们分别加以说明中央处理器 CPU 中央处理器 CPU 是整个单片机的核心部件是8位数据宽度的处理器能处理8位二进制数据或代码CPU负责控制指挥和调度整个单元系统协调的工作完成运算和控制输入输出功能等操作数据存储器RAM8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元它们是统一编址的专用寄存器只能用于存放控制指令数据用户只能访问而不能用于存放用户数据所以用户能使用的的RAM只有128个可存放读写的数据运算的中间结果或用户定义的字型表程序存存储器ROM8051共有4096个8位掩膜ROM用于存放用户程序原始数据或表格定时计数器ROM8051有两个16位的可编程定时计数器以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向并行输入输出 IO 口8051共有4组8位IO口 P0 P1P2或P3 用于对外部数据的传输全双工串行口中断系统8051具备较完善的中断功能有两个外中断两个定时计数器中断和一个串行中断可满足不同的控制要求并具有2级的优先级别选择时钟电路8051内置最高频率达12MHz的时钟电路用于产生整个单片机运行的脉冲时序但8051单片机需外置振荡电容8051的引脚说明8051引脚如图41所示图41 8051引脚图Pin20接地脚Pin40正电源脚正常工作或对片内EPROM读写程序时接5V电源Pin19时钟XTAL1脚片内振荡电路的输入端Pin18时钟XTAL2脚片内振荡电路的输出端输入输出 IO 引脚Pin39-Pin32为P00-P07输入输出脚Pin1-Pin1为P10-P17输入输出脚Pin21-Pin28为P20-P27输入输出脚Pin10-Pin17为P30-P37输入输出脚这些输入输出脚的功能说明将在以下内容阐述Pin9RESETVpd复位信号复用脚当8051通电时钟电路开始工作在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平系统即初始复位初始化后程序计数器PC指向0000HP0-P3输出口全部为高电平堆栈指钟写入07H其它专用寄存器被清0RESET由高电平下降为低电平后系统即从0000H地址开始执行程序然而初始复位不改变RAM包括工作寄存器R0-R7的状态8051的初始态如表41所示表41 8051初始状态特殊功能寄存器初始态特殊功能寄存器初始态ACC00HB00HPSW00HSP07HDPH00HTH000HDPL00HTL000HIPxxx00000BTH100HIE0xx00000BTL100HTMOD00HTCON00HSCONxxxxxxxxBSBUF00HP0-P31111111BPCON0xxxxxxxBPin30 ALE当访问外部程序器时ALE 地址锁存 的输出用于锁存地址的低位字节而访问内部程序存储器时ALE端将有一个16时钟频率的正脉冲信号这个信号可以用于识别单片机是否工作也可以当作一个时钟向外输出更有一个特点当访问外部程序存储器ALE会跳过一个脉冲如果单片机是EPROM在编程其间将用于输入编程脉冲Pin29当访问外部程序存储器时此脚输出负脉冲选通信号PC的16位地址数据将出现在P0和P2口上外部程序存储器则把指令数据放到P0口上CPU读入并执行Pin31EAVpp程序存储器的内外部选通线8051和8751单片机内置有4kB的程序存储器当EA为高电平并且程序地址小于4kB时读取内部程序存储器指令数据而超过4kB地址则读取外部指令数据如EA为低电平则不管地址大小一律读取外部程序存储器指令42 A D转换芯片1内部结构ADC0809芯片是最常用的8位模数转换器它的模数转换原理采用逐次逼近型芯片由单个5V电源供电可以分时对8路输入模拟量进行AD转换典型的AD转换时间为100微秒左右在同类产品中ADC0809模数转换器的分辨率转换速度和价位都居首位ADC0809的内部逻辑结构如图42图42 ADC0809的内部逻辑结构由上图可知ADC0809由一个8路模拟开关一个地址锁存与译码器一个AD转换器和一个三态输出锁存器组成多路开关可选通8个模拟通道允许8路模拟量分时输入共用AD转换器进行转换三态输出锁器用于锁存AD转换完的数字量当OE端为高电平时才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据2引脚结构 图43 ADC0809引脚结构图IN0IN78条模拟量输入通道ADC0809对输入模拟量要求信号单极性电压范围是05V若信号太小必须进行放大输入的模拟量在转换过程中应该保持不变如若模拟量变化太快则需在输入前增加采样保持电路地址输入和控制线4条 ALE为地址锁存允许输入线高电平有效当ALE线为高电平时地址锁存与译码器将ABC三条地址线的地址信号进行锁存经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换AB和C为地址输入线用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入通道选择表如表42所示表42 通道选择表CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4111IN5110IN6111IN7数字量输出及控制线11条ST为转换启动信号当ST上跳沿时所有内部寄存器清零下跳沿时开始进行AD转换在转换期间ST应保持低电平EOC为转换结束信号当EOC为高电平时表明转换结束否则表明正在进行AD转换OE为输出允许信号用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据OE1输出转换得到的数据OE0输出数据线呈高阻状态D7D0为数字量输出线CLK为时钟输入信号线因ADC0809的内部没有时钟电路所需时钟信号必须由外界提供通常使用频率为500KHZVREFVREF为参考电压输入43永磁无刷直流电动机1无刷直流电动机的结构特点无刷直流电动机BLDCM由电动机本体和驱动器构成是一种典型的机电一体化产品定子绕组做成三相对称星行接法同三相异步电动机十分相似电动机转子由钕铁硼永磁材料构成在定转子形成的气隙中产生N-S级相间的方波磁场所以也把这种电动机称为方波电动机为了使电动机绕组准确换向在电动机内装有位置传感器作为转子极性的位置信号驱动器组成 作为控制中枢的单片子作为电子换向的由IGBT或MOSFET构成的逆变桥作为电压型交一直一交主电路的整流滤波单位作为人机接口的键盘和数字显示单位作为控制驱动电源的开关电源2无刷直流电动机的主要特点无刷直流电动机有效率高功率因子高启动转矩大启动电流小电动机出力高适应性强等特点此外无刷直流电动机是一种自控式调速系统它无需像普通同步电动机那样需要启动绕组在负载突变时不会产生振荡和失步无刷直流电动机具有直流电动机特性交流异步电动机的结构无刷直流电动机适合长期低速运转频繁启动的场合这是变频调速器拖动Y系列电动机不可能实现的3永磁无刷直流电动机的基本工作原理 无刷直流电动机由电动机主体和驱动器组成是一种典型的机电一体化产品电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法同三相异步电动机十分相似电动机的转子上粘有已充磁的永磁体为了检测电动机转子的极性在电动机内装有位置传感器驱动器由功率电子器件和集成电路等构成其功能是接受电动机的启动停止制动信号以控制电动机的启动停止和制动接受位置传感器信号和正反转信号用来控制逆变桥各功率管的通断产生连续转矩接受速度指令和速度反馈信号用来控制和调整转速提供保护和显示等等无刷直流电动机的原理简图如图44所示图44无刷直流电动机的原理图主电路是一个典型的电压型交-直-交电路逆变器提供等幅等频5-26KHZ调制波的对称交变矩形波永磁体N-S交替交换使位置传感器产生相位差120的UVW方波结合正反转信号产生有效的六状态编码信号101100110010011001通过逻辑组建处理产生T1-T4导通T1-T6导通T3-T6导通T3-T2导通T5-T2导通T5-T4导通也就是说将直流母线电压依次加在AB-AC-BC-BA-CA-CB-上这样转子每转过一对N-S极T1-T6功率管即按固定组合成六种状态的依次导通每种状态下仅有两相绕组通电依次改变一种状态定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60电度角转子跟随定子磁场转动相当于60电度角空间位置转子在新位置上使位置传感器UVW按约定产生一组新编码新的编码又改变了功率管的导通组合使定子绕组产生的磁场轴再前进60电度角如此循环无刷直流电动机将产生连续转矩拖动负载作连续旋转正因为无刷直流电动机的换向是自身产生的而不是由逆变器强制换向的所以也称作自控式同步电动机由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直在铁芯不饱和的情况下产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比这正是他励直流电动机的电流-转矩特性电动机的转矩正比于绕组平均电流 TM Ktlav NM 电动机两相组反电势的差比于电动机的角速度 ELL Ke V 所以电动机绕组中的平均电流为Iav Vm-ELL 2Ra A 其中Vm VDC是加在电动机线间电压平均值VDC是直流母线电压是调制波的占空比Ra为每相绕组电阻由此可以得到直流电动机的电磁转矩Tm VDCKt2Ra -Kt Ke2Ra KtKe是电动机的结构常数为电动机的角速度 rads 所以在一定的时改变占空比就可以线性地改变电动机的电磁转矩得到与他励支流电动机电枢电压控制相同的控制特性和机械特性无刷直流电动机的转速设定取决于速度指令Vc的高低如果速度指令最大值为5V对应的最高转速Vc n 那么5V以下任何电平即对应相当的转速n这就实现了变速设定当Vc设定以后无论是负载变化电源电压变化还是环境温度变化当转速低于指令转速时反馈电压Vfb变小调制波的占空比就会变大电枢电流变大使电动机产生的电磁转矩增大而产生加速度直到电动机的实际转速与指令转速相等为止反之如果电动机实际转速比指令转速高时减小Tm减小发生减速度直至实际转速与指令转速相等为止可以说无刷直流电动机在允许的电网波动范围内在允许的过载能力以下其稳定转速与指令转速相差在1左右并可以实现在调速范围内恒转矩运行由于无刷直流电动机的励磁来源于永磁体所以不象异步机那样需要从电网吸取励磁电流由于转子中无交变磁通其转子上既无铜耗又无铁耗所以效率比同容量异步电动机高10左右一般来说无刷直流电动机的能力指针cos比同容量三相异步电动机高12-20电动机采用无锡市日弛电机有限公司生产的永磁无刷直流电动机电动机各参数如表43所示表43电动机各参数表型号额定电压V额定转速rmin额定功率W效率SW00624190140 7444 三端式稳压器78L05的工作原理现以具有正电压输出的78L系列为例介绍它的工作原理电路如图45所示三端式稳压器由启动电路基准电压电路取样比较放大电路调整电路和保护电路等部分组成下面对各部分电路作简单介绍图45三端式稳压器工作原理注 图中R11由输出电流档次决定R12由输出电压档次决定441启动电路在集成稳压器中常常采用许多恒流源当输入电压V1接通后这些恒流源难以自行导通以致输出电压较难建立因此必须用启动电路给恒流源的BJT T4T5提供基极电流启动电路由T1T2DZ1组成当输入电压V1高于稳压管DZ1的稳定电压时有电流通过T1T2使T3基极电位上升而导通同时恒流源T4T5也工作T4的集电极电流通过DZ2以建立起正常工作电压当DZ2达到和DZ1相等的稳压值整个电路进入正常工作状态电路启动完毕与此同时T2因发射结电压为零而截止切断了启动电路与放大电路的联系从而保证T2左边出现的纹波与噪声不致影响基准电压源442准电压电路基准电压电路由T4DZ2T3R1R3及D1D2组成电路中的基准电压为式中VZ2为DZ2的稳定电压VBE为T3D1D2发射结D1D2为由发射结构成的二极管的正向电压值在电路设计和工艺上使具有正温度系数的R1R2DZ2与具有负温度系数的T3D1D2发射结互相补偿可使基准电压VREF基本上不随温度变化同时对稳压管DZ2采用恒流源供电从而保证基准电压不受输入电压波动的影响443取样比较放大电路和调整电路这部分电路由T4T11组成其中T10T11组成复合调整管R12R13组成取样电路T7T8和T6组成带恒流源的差分式放大电路T4T5组成的电流源作为它的有源负载T9R9的作用说明如下如果没有T9R9恒流源管T5的电流IC5 IC8IB10当调整管满载时IB10最大而IC8最小而当负载开路时IO 0IB10也趋于零这时IC5几乎全部流入T8使得IC8的变化范围大这对比较放大电路来说是不允许的为此接入由T9R9级成的缓冲电路当IO减小时IB10减小IC8增大待IC8增大到 06V时则T9导通起分流作用这样就减轻了T8的过多负担使IC8的变化范围缩小 444保护电路减流式保护电路由T12R11R15R14和DZ3DZ4组成R11为检流电阻保护的目的主要是使调整管主要是T11能在安全区以内工作特别要注意使它的功耗不超过额定值PCM首先考虑一种简单的情况假设图45中的DZ3DZ4和R14不存在R15两端短路这时如果稳压电路工作正常即PC PCM并且输出电流IO在额定值以内流过R11的电流使 IOR11 06VT12截止当输出电流急剧增加例如输出端短路时输出电流超过极限值IO CL PCMVI 06VR11时即当 06V时使T12管导通由于它的分流作用减小了T10的基极电流从而限制了输出电流这种简单限流保护电路的不足之处是只能将输出电流限制在额定值以内由于调整管的耗散功率PCM ICVCE只有既考虑通过它的电流和它的管压降VCE值又使PC PCM才能全面地进行保护图410中DZ3DZ4和R14R15所构成的支路就是为实现上述保护目的而设置的电路中如果VIIOR11VO VZ3 VZ4则DZ3DZ4击穿导致T12管发射结承受正向电压而导通VBE12的值为经整理后得显然VI VO越大即调整管的VCE值越大则IO越小从而使调整管的功耗限制在允许范围内由于IO的减小故上述保护称为减流式保护445过热保护电路电路由DZ2T3T14和T13组成在常温时R3上的压降仅为04V左右T14T13是截止的对电路工作没有影响当某种原因过载或环境温升使芯片温度上升到某一极限值时R3上的压降随DZ2的工作电压升高而升高而T14的发射结电压VBE14下降导致T14导通T13也随之导通调整管T10的基极电流IB10被T13分流输出电流IO下降从而达到过热保护的目的电路中R10的作用是给T10管的ICEO10和T11管的ICBO11一条分流通路以改善温度稳定性值得指出的是当出现故障时上述几种保护电路是互相关联的45集成转速传感器KMI15-1集成转速传感器具有灵敏度高测量范围宽抗干扰能力强外围电路简单等优点是传统的分立式转速传感器的升级换代产品转速属于常规电测参数测量转速时经常采用磁阻式传感器或光电式传感器进行非接触性测量传统的磁阻式传感器是由磁钢线圈等分立元件构成的亦可用耳塞机改装而成但这种传感器存在一些缺点第一灵敏度低传感器与转动齿轮的最大间隙亦称磁感应距离只有零点几毫米第二在测量高速旋转物体的转速时因安装不牢固或受机械振动容易与齿轮发生碰撞安全性较差第三这种传感器所产生的是幅度很低且变化缓慢的模拟电压信号因此需要经过放大整形后变成沿口陡直的数字频率信号才能送给数字转速仪或数字频率计测量转速而且外围电路比较复杂第四它无法测量非常低接近于零的转速因为这时磁阻式传感器可能检测不到转速信号目前转速传感器正朝着高灵敏度高可靠性和全集成化的方向发展典型产品有飞利浦Philips公司生产的KMI15系列磁阻式集成转速传感器该传感器性能优良安全性好稳定性强是分立式转速传感器理想的升级换代产品KMI15-1系列包括KMI15-1KMI15-2KMI15-3KMI15-3等型号它们的工作原理相同仅性能指标略有差异下面就以KMI15-1为例来介绍该系列集成转速传感器的工作原理与具体应用方法451 KMI15-1型传感器的性能特点KMI15-1芯片内含高性能磁钢磁敏电阻传感器和IC它利用IC来完成信号变换功能其输出的电流信号频率与被测转速成正比电流信号的变化幅度为7mA14mA电流信号的变化幅度为7mA14mA由于其外围电路比较简单因而很容易配二次仪表测量转速KMI15-1器件的测量范围宽灵敏度高它的齿轮转动频率范围是0-25kHz而且即使在转动频率接近于零时它也能够进行测量传感器与齿轮的最大磁感应距离为299mm典型值由于与齿轮相距较远因此使用比较安全该传感器抗干扰能力强同时具有方向性它对轴向振动不敏感另外芯片内部还有电磁干扰EMI滤波器电压控制器以及恒流源从而保证了其工作特性不受外界因素的影响KMI15-1的体积较小其最大外形尺寸为8621 mm能可靠固定在齿轮附近KMI15-1采用12V电源供电典型值最高不超过16V工作温度范围宽达-4085452工作原理KMI15-1型集成转速传感器的外形如图46所示图46 KMI15-1型集成转速传感器的外形图它的两个引脚分别为UCC接12V电源端和U-方波电流信号输出端为使IC处于较低的环境温度中设计时专门将IC与传感元件分开以改善传感器的高温工作性能该传感器的简化电路如图47所示其内部主要包括1磁敏电阻传感器2前置放大器A13施密特触发器4开关控制式电流源5恒流源6电压控制器47传感器简化图48测量原理图实际上该传感器是由4只磁敏电阻构成的一个桥路齿轮的地方其测量原理如图48所示当齿轮沿Y轴方向转动时由于气隙处的磁力线发生变化磁路中的磁阻也随之改变从而可在传感器上产生电信号此外该传感器具有很强的方向性它对沿轴转动的物体十分敏感而对沿Z轴方向的振动或抖动量很不敏感这正是测量转速所需要的工作时传感器产生的电信号首先通过EMI滤波器滤除高频电磁干扰然后经过前置放大器再利用施密特触发器进行整形以获得控制信号UK并将其加到开关控制式电流源的控制端KMI15-1的输出电流信号ICC是由两个电流叠加而成的一个是由恒流源提供的7A恒定电流IH另一个是由开关控制式电流源输出的可变电流IK它们之间的关系式为ICCIHIK当控制信号UK0低电平时该电流源关断IK0ICCIH7mA当UK1高电平时电流源被接通IK7mA从而使得ICC14mA图49给出了从U-端输出的方波电流信号的波形其高电平持续时间为T1周期为T输出波形的占空比Dt1t5020上升时间和降时间分别仅为05和07图49从U-输出的方波电流信号的波形KMI15-1芯片中的电压控制器实际上是一个并联调整式稳压器可用于为传感器提供稳定的工作电压UC而电阻R3稳压管VDZ和晶体管VT1则可构成取样电路其中VT1接成射极跟随器A2为误差放大器VT2为并联式调整管这样1H在经过R1R2分压后可给A2提供基准电压UREF从而在UCC发生变化时由A2对取样电压与基准电压进行比较后产生误差电压Ur同时通过改变VT2上的电流来使UC保持不变453 KMI15-1的应用安装方法KMI15-1应当安装在转动齿轮的旁边若被测转动工件上没有齿轮亦可在转盘外缘处钻一个小孔套上螺扣再拧上一个螺杆并用弹簧垫圈压紧以防止受震动后松动并以此代替齿尖获得转速标记信号图410 KMI15-1的典型应用电路KMI15-1型集成转速传感器的典型应用电路如图410 a 所示工作时转速传感器输出方波电流信号从而在负载电阻与负载电容CL上形成电压频率信号UO f 并送至二次仪表通常取RL115CL01需要指出KMI15-1输出的是齿轮转动频率单位是Hz即次S信号欲得到转速nrmin还应将除以齿轮上的齿数N并将时间单位改成分钟公式如下n60fN图410 b 所示电路是由二极VD稳压管VDZ和电C1构成的静电放电 ESD 保护电路该电路可吸收2KV的ESD电压因而可对芯片起到保护作用此外还需注意在存放KMI15系列产品时不要将多个芯片放在一起以防磁化46译码器串行移位译码器74LS164内部功能图见图411所示其逻辑符合表如表44 图411 74LS164内部功能图表44 74LS164逻辑符合表INPUTSOUTPUTSCLEARCLOCKA BQA QBQHLHHHHXLX XX XH HL XX LL L LQA0 QB0QH0H QAnQGnL QAnQGnL QAnQGn74LS164为串行移位译码器它主要由时钟线控制时钟线每来一个上升弦数据线将把一位数移进去移八次就进一个字节同时在数码管显示出来译码器是实现组合逻辑的功能部件它的输入是二进制的代码输出是一组高低电平信号每输入一组不同的代码只有一个输出端呈现有效信号74LS245芯片是一个八位的总线收发器其输入输出引脚分成两组其工作原理如下允许E 方向控制DIR 操作 低电平 低电平 B数据线到A数据线 低电平 高电平 A数据线到B数据线 高电平 悬空 隔离5程序设计调速系统程序主要由主程序INT0中断服务程序子程序等组成主程序控制整个调速系统INT0中断服务程序控制系统中的中断子程序包括延时子程序和PWM子程序延时子程序具有定时功能PWM子程序用于控制马达转速51主程序框图图51 主程序框图在执行主程序时首先要将栈针初始化分配显示缓冲然后设置中断开CPU中断允许INT0接着扫描键盘若按下则扫描IN7接着启动AD转换调用显示子程序若未按下则需要扫描后启动AD转换接着调用调宽子程序并循环直至返回主程序框图如图51所示52 INT0中断服务程序在执行INT0中断服务程序时首先要保护现场然后读取AD转换结果并将其送至显示缓冲区接着启动AD转换最后回复现场后返回INT0中断服务程序框图如图52所示图52 INT0中断服务程序框图53子程序设计延时子程序定时功能PWM子程序用于控制马达转速80C51芯片没有PWM输出功能需要通过程序来实现为了在输出PWM波时单片机仍能执行其它程序可以利用单片机内部的定时器溢出中断来实现占空比占用一个字节的PAM占空比D N256脉宽调速是使用单片机内部中断产生周期约为8ms的方波通过改变高电平的宽度来进行改变电动机的转速利用单片机输出PWM信号实现了从0100线性可调源码如下单片机串口通信PWM输出程序在P13输出调宽信号定时器0在工作方式3TL0为调宽值TH0为脉冲频率定义TH0 30H TL0 31HTH0DAT EQU 30H 脉冲频率TL0DAT EQU 31H 脉冲宽度ORG 0000HAJMP STARTORG 000BHAJMP PWM-TUN 调宽子程序ORG 00