电动自行车调速系统设计(毕业设计).doc

目录目录 摘要摘要 2 1 引言引言 2 2 系统要求系统要求 3 3 总体规划总体规划 4 4 电路设计电路设计 5 5 主要器件性能及原理主要器件性能及原理 12 5 1 MCS 51 单片机内部结构 12 5 2 A D 转换芯片 16 5 3 永磁无刷直流电动机 18 5 4 三端式稳压器 78L05 21 5 5 集成转速传感器 KMI15 1 25 5 6 译码器 29 6 程序设计程序设计 31 6 1 程序框图 31 6 2 部分子程序 32 7 结束语 结束语 35 8 致谢 致谢 35 参考文献参考文献 36 江南大学毕业设计论文 2 摘要摘要 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溃 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 实现了整个系统的设计要求 关键词关键词 单片机 脉宽调速系统 PWM 永磁无刷直流电动机 八段数码管动 态显示 转速传感器 A Abstractbstract The of the single a machine control has no to brush the direct current motive adjusts soon the system is applicable to the work circumstance that electricity move small power in etc in bicycle Combining can return the superfluous electric power This system possesses the advantage of good experimental characteristic high power factor energy saving small volume etc This paper debates the circuit principle control method and realization method of into four parts At the same time the work condition of every part and the energy transmission direction are discussed The control circuits of the system are based on Intel company 2051 The single a machine The system by cooperating the hardware and software harmoniously according to the feature of the experimental motor KeyKey wordswords The single a machine vein breadth adjusts soon the system PWM eight figureses tube development manifestation and turn to spreads to feel soon machine 1 1 引言引言 人类与环境共存和全球经济的可持续发展使人们迫切希望寻求到一种既能 代替人力又低排放和有效利用资源的交通工具 电动车是一种安全 经济 清 洁的绿色交通工具 不仅在能源 环境方面有其独特的优越性和竞争力 因此 使用电动车无疑是一种很有希望的方案 现代电动车是融合了电力 电子 机械控制 材料科学以及化工技术等多种 高新技术的综合产品 整体的运行性能 经济性等首先取决于电池系统和电机 驱动控制系统 电动车的电机驱动系统一般由 4 个主要部分组成 即控制器 功率变换器 电动机及传感器 目前电动车中使用的电动机一般有直流电动机 感应电动机 开关磁阻电动机以及永磁无刷电动机等 2 2 系统要求系统要求 2 2 1 1 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 2 1 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 3 4 加速性能好 使用寿命长的特点 2 1 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 2 1 3 电动车用电动机应能够在车减速时实现再生制动 将能量回收并反馈回 蓄电池 使得电汽车具有最佳能量的利用率 这在内燃机的摩托车上是不能实 现的 2 1 4 电动车用电动机应在整个运行范围内 具有高的效率 以提高 1 次充电 的续驶里程 另外还要求电动车用电动机可靠性好 能够在较恶劣的环境下长期工作 结 构简单适应大批量生产 运行时噪声低 使用维修方便 价格便宜等 2 2 鉴于电动车对电动机的基本要求采用永磁无刷直流电动机 江南大学毕业设计论文 4 2 2 1 永磁无刷直流电动机的基本性能 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 发热的电枢绕组又装在外 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运行 永磁无刷 直流电动机机系统相比具有更高的能量密度和更高的效率 在电动车中有着很 好的应用前景 2 2 2 永磁无刷直流电动机的控制系统 典型的永磁无刷直流电动机是一种准 解耦矢量控制系统 由于永磁体只能产生固定幅值磁场 因而永磁无刷直流电 动机系统非常适合于运行在恒转矩区域 一般采用电流滞环控制或电流反馈型 SPWM 法来完成 为进一步扩充转速 永磁无刷直流电动机也可以采用弱磁控 制 弱磁控制的实质是使相电流相位角超前 提供直轴去磁磁势来削弱定子绕 组中的磁链 2 2 3 永磁无刷直流电动机的不足 永磁无刷直流电动机受到永磁材料工艺 的影响和限制 使得永磁无刷直流电动机的功率范围较小 最大功率仅几十千 瓦 永磁材料在受到振动 高温和过载电流作用时 其导磁性能可能会下降或 发生退磁现象 将降低永磁电动机的性能 严重时还会损坏电动机 在使用中 必须严格控制 使其不发生过载 永磁无刷直流电动机在恒功率模式下 操纵 复杂 需要一套复杂的控制系统 从而使得永磁无刷直流电动机的驱动系统造 价很高 3 3 总体规划总体规划 对于电动自行车控制系统设计主要有三个方面 一 控制电路的设计 二 传感器选择以及安放设计 三 显示电路的设计 四 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 3 1 所示 图图 3 1 4 4 电路设计电路设计 控制电路主要有电源电路 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 电机驱动电路和单片机以及传感器 电路用光耦隔离 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 4 4 1 1 电源电路电源电路 Vin 3 GND 2 5V 1 78L05 C1 0 33 F C2 0 33 F C3 10 F24V5V 图 4 1 1 24V 直流电源经三端稳牙器 74L05 输出即为单片机所要求的 5V 电源 电 路中接入电容 C1 C2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 结 造成调整管 直流电动机 单片机 显示部分 转速传感器 控制电路 驱动 江南大学毕业设计论文 6 be 结击穿而损坏 4 4 2 2 显示电路显示电路 显示部分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 直流电动机的额定转速为 190 转每分大约需要三位数码显示 驱 动器采用 74LS164 串接 510 欧的限流电阻 4 4 3 3 控制电路控制电路 IN 0 26 msb2 1 21 2 2 20 IN 1 27 2 3 19 2 4 18 IN 2 28 2 5 8 2 6 15 IN 3 1 2 7 14 lsb2 8 17 IN 4 2 EOC 7 IN 5 3 ADD A 25 IN 6 4 ADD B 24 ADD C 23 IN 7 5 ALE 22 ref 16 ENABLE 9 START 6 ref 12 CLOCK 10 ADC0809 10K 12MHZ EA VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE P 30 TXD 11 RXD 10 8051 C1 30PF C1 30PF 5 12 3 1 A 74ALS02 4 5 6 1 B 74LS02 8 9 10 1 C 74LS02 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转换成数 字量由 ADDA ADDC 线上的地址决定 ADDC0809 内部 地址锁存与译码 电路便能把 IN0 线上模拟电压送入 8 位 A D 转换器此时 若单片机使 STAR 线处于高电平 则 ADC0809 便开始 A D 转换 一旦 A D 转换完成 ADC0809 一方面把 A D 转换后的数字量送入它的 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 2 1 2 8引线上取走 A D 转换后的数字量 单片机根据 A D 转换后的数字量输出相应的巨型脉冲信号 脉冲信 号经 74LS245 放大后经光电藕荷控制继电器 4 4 4 4 驱动电路及原理驱动电路及原理 下面主要对驱动电路进行一下介绍 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 一种线性型 使用功率三极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 大转距运行时 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 MODULATION PWM 较常 用的一种调速方式 这种调速方式有调速特性优良 调整平滑 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 和反转的等优点 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 UD越高 电机转速越快 电枢电压 UD降为 0V 电机就停转 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 4 4 1 所示 江南大学毕业设计论文 8 脉冲信号 t T 转速 VMAX VD VMIN 图 4 4 1 VMAX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 VMAX 式中 D t T 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 之间的关系如 4 4 2 图 VD 平均速度 00 51 D 占空比 图 4 4 2 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 PWM 调速分为双向式和单向式两种 一种双向式 在一个脉冲周期内 T Ta Tb T1 和 T3 导通的时间为 Ta T2 和 T4 导通的时 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 时电机正转 Ta Tb 则电动机正转 通过改变 Ta Tb 的占空比即可改变转速 5 5 主要器件性能及原理主要器件性能及原理 5 5 1 1 MCS 51MCS 51 单片机内部结构单片机内部结构 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 5 1 1 中央处理器 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 5 1 2 数据存储器 RAM 8051 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 5 1 3 程序存储器 ROM 8051 共有 4096 个 8 位掩膜 ROM 用于存放用户程 序 原始数据或表格 5 1 4 定时 计数器 ROM 8051 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 5 1 5 并行输入输出 I O 口 8051 共有 4 组 8 位 I O 口 P0 P1 P2 或 P3 用于对外部数据的传输 5 1 6 全双工串行口 8051 内置一个全双工串行通信口 用于与其它设备间的 串行数据传送 该串行口既可以用作异步通信收发器 也可以当同步移位器使 用 5 1 7 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 江南大学毕业设计论文 12 择 5 1 8 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 单片机的结构有两种类型 一种是程序存储器和数据存储器分开的形式 即哈 佛 Harvard 结构 另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储 器合二为一的结构 即普林斯顿 Princeton 结构 INTEL 的 MCS 51 系列单片机 采用的是哈佛结构的形式 而后续产品 16 位的 MCS 96 系列单片机则采用普林 斯顿结构 下图是 MCS 51 系列单片机的内部结构示意图 5 1 9MCS 51 的引脚说明 MCS 51 系列单片机中的 8031 8051 及 8751 均 采用 40Pin 封装的双列直接 DIP 结构 右图是它们的引脚配置 40 个引脚中 正电源和地线两根 外置石英振荡器的时钟线两根 4 组 8 位共 32 个 I O 口 中断口线与 P3 口线复用 现在我们对这些引脚的功能加以说明 Pin40 正电源脚 正常工作或对片内 EPROM 烧写程序时 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 8051 的时钟有两种方式 一种是片内时钟振荡方式 但需在 18 和 19 脚外接 石英晶体 2 12MHz 和振荡电容 振荡电容的值一般取 10p 30p 另外一种是外 部时钟方式 即将 XTAL1 接地 外部时钟信号从 XTAL2 脚输入 MCS 51 系列单片机中的 8031 8051 及 8751 均采用 40Pin 封装的双列直接 DIP 结构 右图是它们的引脚配置 40 个引脚中 正电源和地线两根 外置石英振 荡器的时钟线两根 4 组 8 位共 32 个 I O 口 中断口线与 P3 口线复用 现在 我们对这些引脚的功能加以说明 Pin20 接地脚 Pin40 正电源脚 正常工作或对片内 EPROM 烧写程序时 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 江南大学毕业设计论文 14 8051 的时钟有两种方式 一种是片内时钟振荡方式 但需在 18 和 19 脚外接石 英晶体 2 12MHz 和振荡电容 振荡电容的值一般取 10p 30p 另外一种是外部 时钟方式 即将 XTAL1 接地 外部时钟信号从 XTAL2 脚输入 输入输出 I O 引脚 Pin39 Pin32 为 P0 0 P0 7 输入输出脚 Pin1 Pin1 为 P1 0 P1 7 输入输出脚 Pin21 Pin28 为 P2 0 P2 7 输入输出脚 Pin10 Pin17 为 P3 0 P3 7 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 Pin9 RESET Vpd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 0000H P0 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 0 RESET 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 的初始态如下表 特殊功能寄存器初始态特殊功能寄存器初始态 ACC00HB00H PSW00HSP07H DPH00HTH000H 8051 的复位方式可以是自动复位 也可以是手动复位 见下图 此外 RESET Vpd还是一复用脚 Vcc掉电其间 此脚可接上备用电源 以保证单片机 内部 RAM 的数据不丢失 5 5 2 2 A DA D 转换芯片转换芯片 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进 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 A D 转换 典型的 A D 转换时间为 100 微妙左右 在同类型产品中 ADC0809 模数转换 器的分辨率 转换速度和价位都属于居中位置 内部逻辑结构 如图 5 2 1 所示 图 5 2 1 ADC0809 内部结构 引脚功能说明 D7 D0 8 位数字量输出 A D 转换结果 江南大学毕业设计论文 16 IN0 IN7 8 路模拟电量输入 可以是 0 5V 或者 5V 5V 或者 10V 10V VREF 正极性参考电源 VREF 负极性参考电源 START 启动 A D 转换控制输入 高电平有效 CLK 外部输入的工作时钟 典型频率为 500KHz ALE 地址锁存控制输入 高电平开启接收 3 位地址码 低 电平锁存地址 CBA 3 位地址输入 其 8 个地址值分别选中 8 路输入模拟 量 IN0 IN7 之一进行模数转换 C 是高位地址 A 是最低位地址 OE 数字量输出使能控制 输入高有效 输出 A D 转换结 果 D7 D0 EOC 模数转换状态输出 当模数转换未完成时 EOC 输出 低电平 当模数转换完成时 EOC 输出高电平 EOC 输出信号可 以作为中断请求或者查询控制 Vcc 芯片工作电源 5V GND 芯片接地端 5 5 3 3 永磁无刷直流电动机永磁无刷直流电动机 5 3 1 稀土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 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 5 3 1 所示 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 U V W 方波 结合正 反转信号产生有效的六状态编码信号 101 100 110 010 011 001 通过 逻辑组件处理产生 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 A B A C B C B A C A C B 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 电角度 转子跟随定子磁场转 江南大学毕业设计论文 18 动相当于 60 电角度空间位置 转子在新位置上 使位置传感器 U V W 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 电角度 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 无刷直流电动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超 前转子磁场轴线位置 所以不论转子的起始位置处在何处 电动机在启动瞬间 就会产生足够大的启动转矩 因此转子上不需另设启动绕组 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 5 5 4 4 三端式稳压器三端式稳压器 78L0578L05 三端式稳压器三端式稳压器 78L0578L05 的工作原理的工作原理 电路如图 5 4 1 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 5 4 1 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 T4 T5提供基极电流 启动电路由 T1 T2 DZ1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 T1 T2 使 T3基极电位 上升而导通 同时恒流源 T4 T5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 5 4 2 基准电压电路 基准电压电路由 T4 DZ2 T3 R1 R3及 D1 D2组成 电 路中的基准电压为 式中 VZ2为 DZ2的稳定电压 VBE为 T3 D1 D2发射结 D1 D2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 R1 R2 DZ2与具有负温度系数的 T3 D1 D2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 5 4 3 取样比较放大电路和调整电路 这部分电路由 T4 T11组成 其中 T10 T11组成复合调整管 R12 R13组成取样电路 T7 T8和 T6组成带恒流源 的差分式放大电路 T4 T5组成的电流源作为它的有源负载 T9 R9的作用说 明如下 如果没有 T9 R9 恒流源管 T5的电流 IC5 IC8 IB10 当调整管满载时 IB10最大 而 IC8最小 而当负载开路时 IO 0 IB10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 T9 R9级成的缓冲电路 当 IO减小时 IB10减小 IC8增大 待 IC8增大到 0 6V 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 5 4 4 减流式保护电路 减流式保护电路由 T12 R11 R15 R14和 DZ3 DZ4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 江南大学毕业设计论文 20 假设图 1 中的 DZ3 DZ4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 IOR110 6V 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 VZ3 VZ4 则 DZ3 DZ4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 5 4 5 过热保护电路 过热保护电路电路由 DZ2 T3 T14和 T13组成 在常温时 R3上的压降仅为 0 4V 左右 T14 T13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 图 5 4 2 三端稳压器的典型接法 图 5 4 2 是应用 78L05 输出固定电压 VO的典型电路图 正常工作时 输入 输出电压差应大于 2 3V 电路中接入电容 C1 C2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 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 结 造成调整管 be 结击穿而损坏 三端稳压器的参数 参 数单位7805 输出电压范围V4 8 5 2 最大输入电压V35 最大输出电流A1 5 V0 I0 变化引起 mV100 I0 5mA 1 5A V0 Vi 变化引起 mV50 Vi 7 25V V0 温度变化引起 mV 0 6 I0 500mA 器件压降 Vi V0 V2 2 5 I0 lA 偏置电流mA6 输出电阻m 17 输出噪声电压 10 100kHz V40 江南大学毕业设计论文 22 5 5 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 下面是 KMI15 系列磁阻式集成转速传感器的工 作原理与典型应用 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 5 5 1 型传感器的性能特点 芯片内含高性能磁钢 磁敏 电阻传感器和 它利用 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 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 器件的测量范围宽 灵敏度高 它的齿轮转动频率范围是 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 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 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 的体积较小 其最大外形尺寸为 能可靠固定在齿轮 附近 采用 电源供电 典型值 最高不超过 工作温度范围宽达 4 5 2 工作原理 KMI15 1 型集成转速传感器的外形如图 所示 它的 两个引脚分别为 CC 接 12V 电源端 和 方波电流信号输出端 为 使信号变换器 处于较低的环境温度中 设计时专门将 与传感元件分开 以改善传感器的高温工作性能 其内部主要包括以下六部分 磁敏电阻传感器 前置放大器 A1 施密特触发 器 开关控制式电流源 恒流源 电压控制器 江南大学毕业设计论文 24 实际上 该传感器 是由 4 只磁敏电阻 构成的一个桥路 可固定在靠近齿轮 的地方 当齿轮沿 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 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 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 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 CC 是由两个电 流叠加而成的 一个是由恒流源提供的 7 A 恒定电流 H 另一个是由开关控 制式电流源输出的可变电流 1K 它们之间的关系式为 CC 1H 1K 当控制信号 UK 0 低电平 时 该电流源关断 0 1 7 A 当 KK 1 高电平 时 电流源被接通 7 A 从而使得 CC 14 A 图 4 给出了从 端输出的方波电流信号 的波形 其高电平持续时间为 周期为 输出波形的占空比 t1 T 50 20 上升时间和下降时间分别仅为 0 5 和 0 7 KMI15 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 而电阻 3 稳压管 和晶体管 1 则可 构成取样电路 其中 1 接成射极跟随器 2 为误差放大器 2 为并联 式调整管 这样 在经过 1 2 分压后可给 2 提供基准电压 REF 从 而在UCC 发生变化时 由 2 对取样电压与基准电压进行比较后产生误差电压 同时通过改变 2 上的电流来使 保持不变 5 5 3 KMI15 1 的典型应用 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 4 6 译码器 74LS164 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 数据到 A 总线 低电平 高电平 A 数据到 B 总线 高电平 悬空 隔离 5 5 程序设计程序设计 5 15 1 主程序框图主程序框图 开始 启动 A D 转换 栈针初始化分配显示缓冲 区 设置中断开 CPU 中断允许 INT0 INT1中断 扫描键盘 未按下按下 扫描 IN0 IN6 扫描 IN7 启动 A D 转换 调用调宽程 序 返回 启动 A D 转 换 调用显示程序 江南大学毕业设计论文 26 5 25 2 INT0INT0 中断服务程序中断服务程序 保护现场 读 A D 转换结果 送至显示缓冲区 启动 A D 转换 恢复现场 返回 5 35 3 部分子程序部分子程序 延时子程序 定时功能 PWM 子程序 用于控制马达转速 89C51 芯片没有 PWM 输出功能 需要通过编程 实现 为了在输出 PWM 波时 单片机仍能执行其他程序 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 RAM 占空比 D N 256 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 度来进行改变电机的转速 利用单片机输出 PWM 信号 实现了从 0 100 线性可调 源码如下 单片机串口通信 PWM 输出程序 在 P1 3 输出调宽信号 定时器 0 工作在方式 3 TL0 为调宽值 TH0 为脉冲频率 定义 TH0 30H TL0 31H TH0DAT EQU 30H 脉冲频率 TL0DAT EQU 31H 脉冲宽度 ORG 0000H 江南大学毕业设计论文 28 AJMP START ORG 000BH AJMP PWM TUN 调宽子程序 ORG 001BH AJMP PWM 脉频率子程序 START