资源目录
压缩包内文档预览：(预览前20页/共50页)
编号：78097896
类型：共享资源
大小：154.02MB
格式：ZIP
上传时间：2020-05-09
上传人：柒哥
认证信息
个人认证
杨**（实名认证）
湖南
IP属地：湖南
40
积分
- 关 键 词：
-
电动
真空泵
驱动
用无刷
直流电机
控制器
设计
- 资源描述：
-
购买设计请充值后下载，，资源目录下的文件所见即所得，都可以点开预览，，资料完整，充值下载可得到资源目录里的所有文件。。。【注】：dwg后缀为CAD图纸，doc,docx为WORD文档，原稿无水印，可编辑。。。具体请见文件预览，有不明白之处，可咨询QQ:12401814
- 内容简介：
-
电动真空泵驱动用无刷直流电机控制器的设计PCB板正面图PCB板反面图哈工大华德学院毕业设计（论文）任务书 姓 名： 院 （系）： 专 业： 班 号： 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DSPIC进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85kPa时停止工作，在真空度低于60kPa时开使工作其他功能：过电压保护、欠电压保护、过流保护、CAN通讯工作内容：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PCB板，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、20111011-1015确定毕业设计题目，查找并阅读相关文献，学习相关知识；2、20111016-1022综述国内、外研究现状，对课题进行方案论证，完成开题；3、20111023-1031进行总体方案设计，给出各部分电路的具体设计；4、20111101-1126设计方案的分析和优化，绘制PCB图、完成中期检查；5、20111127-1210制作电路板、软硬件调试，完成结题检查；6、20111211-1220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 学 号 1 学 生 指导教师 答辩日期 2011.12.30 哈工大华德学院哈工大华德学院毕业设计（论文）评语姓名： 学号： 专业： 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85kPa时，使真空泵的电机停止工作，在真空度低于60kPa时，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PCB图，并进行PCB板的实物加工与制作。关键词：电动真空泵；无刷直流电机；控制器AbstractVacuum booster brake system of car vacuum pump and electronic control to finish its work, namely realized intelligent and reach the purpose of saving energy and environmental protection. Electric vacuum pump system can realize in the vacuum degree to 85 kPa, make the vacuum pump motor to stop working, and in the vacuum degree below 60 kPa, make the vacuum pump motor begins to work, improve the traditional mechanical vacuum power braking system energy waste and environmental pollution. This thesis finish electric vacuum pump drive with brushless dc motor controller design, including the controller design, the principle of the main driver circuit design, signal acquisition and processing circuit and other protection circuit design, and complete the writing of the control software. According to the corresponding technical indicators designed a set of perfect electric vacuum pump controllers, and draw the principle diagram and PCB figure, and PCB machining and make real.Key words：electric vacuum pump；brushless DC motor；controller目录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1 课题设计的背景及意义11.2 课题的发展概况及国内外研究的现状21.2.1 课题的发展概况21.2.2 国内外电动真空泵控制器的研究现状21.3 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52.1 电动真空泵控制器的组成52.2 电动真空泵控制器的设计方案62.2.1 设计方案比较62.2.2 电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103.1 微控制芯片的选取与设计103.1.1 dsPIC30F4011单片机简介103.1.2 dsPIC30F4011单片机时钟电路123.1.3 dsPIC30F4011单片机复位电路133.2 CAN总线通信设计133.2.1 CAN总线通信硬件设计133.2.2 CAN总线通信软件设计143.3 电动真空泵控制器的电机驱动信号处理163.3.1 无刷直流电机转角信号获取与处理163.3.2 无刷直流电机转速信号获取与处理183.4 电动真空泵控制器保护电路信号处理193.4.1 无刷直流电机过、欠压保护193.4.2 无刷直流电机母线过流保护203.4.3 无刷直流电机过热保护213.4.4 电动真空泵真空度的信号处理213.5 无刷直流电机控制器驱动电路22第4章 PCB制板设计244.1 电动真空泵控制器PCB设计分析244.2 PCB板布线设计规则24第5章 测试数据及总结28结 论32致 谢33参考文献34附录I36附录II37附录III38附录IV4246 哈尔滨工业大学华德应用技术学院毕业设计第1章 绪论1.1 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0.050.07 Mpa，但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，具有一定的现实和长远意义。1.2 课题的发展概况及国内外研究的现状1.2.1 课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。1.2.2 国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。CC在国产B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/-全球汽车安全系统的领先者美国TRW汽车集团（纽约证交所代码TRW）今天宣布，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SPS200连用进行土壤溶液取样。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ESP为基础，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，ESPhev协调内燃机和液压制动力矩，同时控制真空泵。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！1.3 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PCB图及其源程序的编写。第2章 电动真空泵控制器的系统设计2.1 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IGBT或功率MOSFET等全控型器件，有些主电路已有集成的功率模块（PIC）和智能功率模块（IPM），选用这些模块可以提高系统的可靠性。本处采用的是STP140NF75功率MOSFET管，独特“单一的功能Size”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、CAN总线、串口通信等信号处理，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RS触发器，同时保持信号源并对单片机复位处理和切断PWM信号，再硬件保护后，只能通过一个按键来对RS触发器复位，从而重新启动控制器。本设计采用前者完成控制器的保护工作。2.2 电动真空泵控制器的设计方案2.2.1 设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PWM脉宽调制信号，实现电机的调速；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MOTOLORA公司研制的专用集成电路MC33035，表2-2-1 无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，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Microchip公司的dsPIC30F4011单片机作为主控芯片，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。2.2.2 电动真空泵控制器系统组成框图基于2.1节的考虑,可绘出电动真空泵控制器系统框图,如图2-2-1所示:图2-2-1 电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AD变换和必要的运算后，借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PWM控制，再根据PID算法计算后得出驱动电流和驱动转速的值。（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（FAN7888）高性能驱动集成电路，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(STP140NF75)组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LM7815三端1.5A正电源稳压电路转换成15V，给门极驱动电路供电；与此同时，再由24V电源经过LM2596T-5.0 3A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。第3章 电动真空泵控制器的硬件及软件设计3.1 微控制芯片的选取与设计3.1.1 dsPIC30F4011单片机简介dsPIC30F4011单片机是Microchip公司推出的，性价比介于16位单片机、32位单片机及DSP中低档机之间的一款高性能数字信号控制器。dsPIC30F4011单片机采用16位（数据）改进型非流水线的哈佛RISC结构，芯片具体结构如图3-1-1所示。程序计数器（PC）为24位宽，可以寻址4M24位的程序存储器空间。dsPIC30F4011单片机有16个16位的工作寄存器（W0W15）。图3-1-1 dsPIC30F4011内部框图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W15）作为中断和程序调用的堆栈指针。dsPIC30F4011单片机指令字是24位的，其指令系统有很大的增强，最大特点就是包含了对DSP的支持。因为这种DSP引擎具有1个高速的16位与16位相乘的乘法器、1个40位的ALU、2个40位的饱和累加器（saturating accumulator）以及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DSP类。这种指令系统基于高效的C编译器，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，dsPIC30F4011单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=C的操作指令，dsPIC30F4011单片机的数据空间被一分为二，分别以X和Y数据存储器进行引用，可以作为32K字（word）或64KB（byte）进行寻址。每个存储器块都有自己独立的地址产生单元（AGU）。单片机类的指令仅单独通过X存储器的AGU单元进行操作，把整个存储器作为一个线性的数据空间进行寻址。而DSP类指令的乘法累加器（MAC）是通过X和Y的AGU共同操作的，这样就将数据地址空间分成相对独立的两部分。不过，这样的X和Y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32KB，通过定义8位程序空间可见页面寄存器PSVPAG（Program Space Visibility Page），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，dsPIC30F4011单片机还有一个特征，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（RESET）、6个捕捉以及54个中断。由此看来dsPIC30F4011单片机的开发有助于缓解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DSP精确控制实时响应，以及现有产品要求增加更多功能，以增强I/O易用性和安全接入，dsPIC必将在高性能数字信号控制器市场占据重要一席之地。同时，随着多种DsPIC产品系列的不断迅速开发，以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，DsPIC一定会得到广大用户的青睐。 3.1.2 dsPIC30F4011单片机时钟电路时钟发生器为dsPIC30F4011芯片提供时钟，由一个内部振荡器和锁相环电路（PLL）组成.时钟发生器需要一个参考输入时钟，可以通过在dsPIC30F4011的引脚OSC1与OSC2之间连接一晶体,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OSC1/CLKI引脚,此时,OCS2脚悬空。但这一方式仍然使用片内的PLL倍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dsPIC30F4011内部的振荡电路决定,因此不存在信号电平与dsPIC30F4011电平匹配的问题,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。dsPIC30F4011对时钟的要求，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，20MHz以下的晶体晶振基本上都是基频的器件，稳定度好，而20MHz以上的大多是谐波的（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4MHZ无源晶振作为系统的参考时钟源，如图3-1-2所示。图3-1-2时钟电路3.1.3 dsPIC30F4011单片机复位电路电阻上接高电平，电容下接地，中间为MCLR。这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MCLR引脚上为低电平，然后电源通过电阻对电容充电，MCLR端电压慢慢上升，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，MCLR端为低电平，自动复位；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，MCLR端为高电平，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，MCLR直接与GND相连，为低电平形成复位，同时电解电容被短路放电；按键松开时，VCC对电容充电，充电电流在电阻上，MCLR依然为低电平，仍然是复位，充电完成后，电容相当于开路，MCLR为高电平，正常工作。为了复位实现的方便，本设计采用上电复位，如图3-1-3所示。图3-1-3复位电路3.2 CAN总线通信设计3.2.1 CAN总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CAN总线接口。CAN总线通信硬件，采用dsPIC30F4011单片机中内置CAN总线协议控制器与TJA1050TCAN总线驱动器构成，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CAN总线智能测控节点。CAN总线通信硬件原理图如图3-2-1所示。本设计中采用PHILIP公司的TJA1050TCAN总线驱动器，TJA1050速率高，最高可达1 Mbps，提供总线与电源及地之间的短路保护。其引脚8(STB)用于选定工作模式，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TJA1050的正常工作模式。如果引脚接高电平，则TJA1050将进入待机模式，发送器被关闭。图中dsPIC30F4011单片机的CAN信号接收引脚CANRX1和发送引脚CANTX1直接连接到TJA1050T的RXD和TXD端，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3-2-1 CAN总线通讯电路图3.2.2 CAN总线通信软件设计CAN总线节点要有效、实时地完成通信任务，软件的设计是关键。CAN总线节点的软件设计主要包括CAN控制器的初始化、数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CAN初始化为主，介绍其编程及注解。为了正确地实现通信，CAN初始化部分要对波特率，标识码寄存器CANIDT、标识码屏蔽寄存器CANIDM，发送与接收Mob的页号，数据长度、中断开启、Mob使能等内容作出设置。本设计采用CAN20A协议，即标识符为11位。将标识码寄存器CANIDT1设置为开关量控制单元的地址Addr，其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CANIDM1为0xFF，其余的标识码屏蔽寄存器设置为0。/*以下是CAN1初始化子程*/void CAN1initial(void)/配置CAN1进入配置模式，在初始化时，配置模式用于保护各个寄存器 C1CTRLbits.REQOP = 4; /配置CAN1进入配置模式 while(C1CTRLbits.OPMODE != 4); /等待CAN1进入配置模式 /*以下是CAN1波特率配置*/ C1CTRLbits.CANCKS = 0; / 选择CAN时钟主频等于Fcy C1CFG1bits.SJW=00; /配置数据收发启动时同步跳转时间宽/度位1TQ C1CFG1bits.BRP = BRP_VAL; /配置波特率为125kbps时的预分频，/及TQ C1CFG2 = 0x05EA; /设置每位CAN接收数据采样次数3次 /*以下是CAN1中断配置*/ C1INTF = 0;/清零所有CAN中断标志位 IFS1bits.C1IF = 0; /复位中断标志状态寄存器 C1INTE = 0x00FF; /使能CAN1的所有中断源 IEC1bits.C1IE = 1; /IEC1：中断允许控制寄存器 1/*/ 配置CAN1接收寄存器，滤波器、屏蔽器，赋予标识符ID（节点本身地址）/*/ C1RX0CON = C1RX1CON =0x0000 ; / 配置CAN1状态控制寄存器 C1RX0SID = C1 SID = 0x0780; / 配置CAN1接收器0和1的ID=0x1E0，且只能接/收标准报文 C1RXM0SID = C1RXM1SID = 0x0780; / 配置CAN1接收屏蔽/器0和1的ID=0x1E0 C1RXF0SID = 0x0780; /配置CAN1接收滤波器0的ID=0x1E0 /且使能用于标准标识符的过滤器 C1RXF1SID = 0x0780; /配置CAN1接收滤波器1的ID=0x1E0 /且使能用于标准标识符的过滤器 C1RXF2SID = 0x0780; /配置CAN1接收滤波器2的ID=0x1E0 /且使能用于标准标识符的过滤器/*/ 配置CAN1发送寄存器，滤波器、屏蔽器，赋予目的地ID（意欲发送至那/个节点）/*/*发送器0(TX0)配置*/ C1TX0CON = 0x0000; / 配置CAN1发送器0（TX0）中断为最高优先/级 C1TX0SID = 0x3880;/ 配置CAN1TX0标准发送的帧头ID是0x1E0 C1TX0EID = 0x0000;/ 配置CAN1TX0扩展发送的帧头ID是0x00000 C1TX0DLC = 0x01C0;/配置CAN1TX0为每数据帧包含8字节数据/*发送器1(TX1)配置*/ C1TX1CON = 0x0000; / 配置CAN1发送器1（TX1）为次高优先级 C1TX1SID = 0x3880; / 配置CAN1TX1标准发送的帧头ID是0x1E0 C1TX1EID = 0x0000; / 配置CAN1发送器1（TX1）扩展发送的帧头/ID是0x0000 C1TX1DLC = 0x01c0; /配置CAN1TX1为每数据帧包括8字节数据/*/配置CAN1进入正常接收发送模式/*/ C1CTRLbits.REQOP = 0; /配置CAN1进入正常的接收发送模式 while(C1CTRLbits.OPMODE != 0);/等待CAN1进入正常接收发送模式 /CAN初始化结束3.3 电动真空泵控制器的电机驱动信号处理3.3.1 无刷直流电机转角信号获取与处理转子位置传感器是永磁无刷直流电机的关键部件。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。本设计采用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。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 MHz) ,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-55至150。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。对于两相导通星形三相六状态无刷直流电机，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电导角、相位互差120电角的矩形波信号。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。本设计采用第一种方式。如图3-3-1所示，霍尔元件式位置传感器结构简单、体积小、价格低，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无刷直流电机应用场合大量使用霍尔元件式位置传感器。图3-3-1 霍尔元件式位置传感器结构图3-3-2 霍尔位置传感器信号处理电路当霍尔传感器用作无刷直流电机转子位置信息检测装置时，将其安放在电机定子的适当位置，霍尔器件的输出与控制部分相连，如图3-3-2 为霍尔位置传感器信号处理电路。当无刷直流电机的永磁转子经过霍尔器件附近时，永磁转子的磁场令霍尔器件输出一个电压信号，该信号被送到控制部分，由控制部分发出信号使得定子绕组供电电路导通，给相应的定子绕组供电，从而产生和转子磁场极性相同的磁场，推斥转子继续转动。当转子到下一位置时，前一位置的霍尔器件停止工作，下一位置的霍尔器件输出电压信号，控制部分使得对应定子绕组通电，产生推斥场使转子继续转动，如此循环，维持电机运转。3.3.2 无刷直流电机转速信号获取与处理在实现对速度的控制中，PID是一种较成熟的算法，本设计中采用该算法实现直流电机速度闭环控制。(1)、PID算法在连续调节系统中，PID算法表达式为：y(t)= e(t)+1/,式中：y(t)为调节器的输出信号； 为调节器的比例信号；e(t)为调节器的偏差信号；为调节器的积分时间；为调节器的微分时间。(2)、在直流电机速度闭环控制中采用测速器件（本设计为霍尔元件），将PWM脉冲信号作为电机的控制信号，首先对过程参数进行采样，采样值输入PID调节器，与给定数值进行比较，其差值经PID算法进行处理，改变脉冲信号占空比，并通过执行机构控制电机速度，以达到给定速度值。图3-3-3为无刷直流电机速度闭环控制框图。图3-3-3 无刷直流电机速度闭环控制框图(3)、在控制过程中校正PID相关参数，校正原则：在控制的起始阶段取较小的PID校正参数，当控制达到基本稳定时，根据系统的误差逐渐增大PID校正参数，以获得平稳上升并消除稳态误差；当整个系统已基本稳定时，则根据系统要求和误差适当减小PID校正参数。根据上述的介绍可编写PI速度闭环程序如下：void KPI(void) /pi速度闭环程序 SpeedError = DesiredSpeed + KSPEED - ActualSpeed; /速度误差等于给定速度+补偿速度-实际速度SpeedIntegral += SpeedError;/速度积分等于本身加上速度误差DutyCycle=(long)Kps*(long)SpeedError+(long)Kis*(long)SpeedIntegr al) 16); /计算占空比 if(DutyCycle1000)DutyCycle=0;/如果本次得出占空比为1000， /说明有可能出现错误计算 取消本次计数PDC1 = PDC1 + DutyCycle;if (PDC1 1990)PDC1 = 1990;SpeedIntegral = 0;/最高占空比为/99.5%PDC2 = PDC1;PDC3 = PDC1;3.4 电动真空泵控制器保护电路信号处理3.4.1 无刷直流电机过、欠压保护如图3-4-1所示，电源电压经分压电路处理后得到1/12的母线电压，直接将该输出引脚接到单片机AN4（管脚23），由单片机AD采入，经过相应运算得到当前母线电压值，用该值与设定的最低电压和最高电压进行比较。当母线电压低于最低电压时，给出欠压信号，输出截止，防止电池由于过放而损坏；当母线电压高于最高电压时，给出过压信号，输出电压降低，直到符合工作电压为止，既保证电路的安全又保证无刷直流电机正常运转。对于无刷直流电机控制器，由于输入控制变量比较多，控制器可以利用各种输入信号完成对控制系统的完善与灵活的保护功能，这些保护功能可以大大提高无刷直流电机控制器的可靠性。图3-4-1 母线电压保护电路3.4.2 无刷直流电机母线过流保护直流母线电流的采样有三方法，第一种是在待测电路上串入一个小电阻（本设计采用2毫欧姆的康铜丝），用小电阻上的压降反映电流的大小；第二种是采用电流传感器（lap模块）；第三种是在电流较大，或要求电隔离的情况下，可以采用磁场平衡式霍尔电流传感器。考虑到本控制系统的成本问题，本系统采用第一种电流采样方式，处理电路如图3-4-2。图3-4-2 母线过流保护电路电机主回路电流信号经2毫欧姆的康铜丝采样获得。电流信号经过LM358放大滤波后，送入dsPIC30F4011单片机A/D通道，并进行控制处理。同时，电流采样信号通过LM358与一固定电压值比较，当电压的电流过大时，LM358输出低电平，该低电平信号送给单片机I/O口，进行过流保护。图3-4-3 LM358引脚功能图如图3-4-3所示，LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。不仅如此，本电路设计，还用到了他的比较功能，既前级运放大后级比较，简化了电路，通过程序的编写，完成母线过流保护的功能。本设计的放大功能已经通过测试，具体数据详见第五章。3.4.3 无刷直流电机过热保护本设计的无刷直流电机过热保护，采用Link-Max PT100热电阻温度传感器，进行温度信号的获取。其原理如图3-4-4所示。LM-PT100是一种新型的热电阻温度传感器，利用它可以实现两路现场温度的采集，同时利用其自身的RS485总线串行通信接口可以方便地和环境监控主机或其他工控主机进行联网。PT100热电阻温度传感器可通过隔离的485通讯接口与RS485局域控制网组网连接，RS485最多允许32个PT100热电阻温度传感器挂在同一总线上，但如采用Link-Max的RS485中继器，则可将多达256个PT100热电阻温度传感器连到同一网络，且最大通信距离为1200m。在将PT100热电阻温度传感器安装入网前，应对其进行配置，并首先应将模块的波特率与网络的波特率设为一致，同时应分别设置PT100热电阻采集模块为不同的地址，防止各PT100热电阻采集模块的地址冲突。 图3-4-4 无刷直流电机过热保护电路将PT100热电阻采集模块正确连接后，主机发出读数据命令即可使PT100热电阻采集模块将数据送回主机。PT100热电阻采集模块内的数据每秒钟更新一次，并经过运放电路周期性地更新把数据送到单片机中，经过程序运算，得实时的温度值 ，与设定电机温度值进行比较，使温度控制在合理范围内，保证电机工作的安全可靠。由于本设计的机油过热保护原理与电机过热保护的原理相同，故后者不再详述。3.4.4 电动真空泵真空度的信号处理本设计真空度的采集选用TX-A压力变送器，进行真空度的采集。TX-A系列压力变送器采用进口陶瓷压力检测元件，传感器信号经高性能专用放大器转换成4-20mA（二线制）、0-5V、0-10V（三线制）标准输出信号。具有工作可靠性、性能稳定性、安装使用方便等特点。故本设计无需将采到的信号进行放大处理，可直接送给单片机AD口，又由于它既可输出电流，又可输出电压，本设计处理电路也提供两种选择，如图3-4-5所示，加200电阻为电流采样，不加则为电压采样，本设计选用的压力变送器为电流采样，故需要加上200电阻。图3-4-5 真空度采样处理电路3.5 无刷直流电机控制器驱动电路本设计的驱动电路采用门极驱动电路与功率驱动电路组成。其中门极驱动电路采用FAN7888-3半桥式驱动IC，既保证了电路的稳定性又简化了电路的设计。其门极驱动原理如图3-5-1所示。图3-5-1 门极驱动电路该 FAN7888 是一款集成了三个半桥式栅极驱动器集成电路的芯片，专为高压，高速驱动 MOSFET 和 IGBT 设计，可在高达 +200V 电压下工作。飞兆半导体的高电压处理和共模噪声消除技术可以保证高端驱动器在高dv/dt 噪声环境下稳定工作。先进的电平转换电路允许高端驱动器在 VBS=15V，VS=-9.8V （典型值）时运行。当VDD 和VBS 低于指定的阈值电压时， UVLO 电路能够预防故障。所有通道内置直通保护电路，典型死区时间为270ns，输出驱动器的拉电流/灌电流通常为350mA/650mA，它适用于电机驱动系统中的三相半桥式电路。功率模块的名字是三相全桥马达驱动器，内置电流和温度传感器。应用电动真空泵控制器、散热器风扇控制器、水泵电机、空调电机,一般而言适用于无刷直流电机控制。可以用于有高电流、高温的情况下。本设计的功率驱动电路采用6只功率MOSFET作为功率驱动器件使用，其功率驱动原理如图3-5-2所示。图3-5-2 功率驱动电路功率MOSFET是电压型驱动器件，没有少数载流子的存贮效应，输入阻抗高，因而开关速度可以很高，驱动功率小，电路简单。功率MOSFET的栅极输入端相当于一个容性网络，它的工作速度与驱动源内阻抗有关。由于 CISS（输入电容）的存在，静态时栅极驱动电流几乎为零，但在开通和关断动态过程中，仍需要一定的驱动电流。假定开关管饱和导通需要的栅极电压值为VGS，开关管的开通时间TON包括开通延迟时间TD和上升时间TR两部分。开关管关断过程中，CISS通过ROFF放电，COSS（输出电容）由RL充电，COSS较大，VDS（T）上升较慢，随着VDS(T)上升较慢，随着VDS（T）的升高COSS迅速减小至接近于零时，VDS（T）再迅速上升。根据以上对功率MOSFET特性的分析，其驱动通常要求：触发脉冲要具有足够快的上升和下降速度；开通时以低电阻力栅极电容充电，关断时为栅极提供低电阻放电回路，以提高功率MOSFET的开关速度；为了使功率MOSFET可靠触发导通，触发脉冲电压应高于管子的开启电压，为了防止误导通，在其截止时应提供负的栅源电压；功率开关管开关时所需驱动电流为栅极电容的充放电电流，功率管极间电容越大，所需电流越大，即带负载能力越大。 第4章 PCB制板设计4.1 电动真空泵控制器PCB设计分析电动真空泵控制器在最初设计成为分开的两块板，即一板为系统板，包含dsPIC30F4011单片机最小系统、CAN总线、霍尔位置信号采集电路和真空度采样电路。二板为功率板，包含电源、母线电流保护、电机过热保护、电机过压欠压保护、门极电路和功率驱动电路。这样设计的目的是防止功率驱动信号和被采集信号之间产生的干扰，另外也为了验证本控制器PCB板的各项功能，为下一步做成一块系统控制板做准备。经过试验证明，可以将这两块板合成一块板，即所有保护电路、信号采集电路和功率驱动电路均为一体设计，这样设计既实现了控制器的相应功能，又缩小了板子的体积与制造成本。 PCB板走线均为10mil线路，正常加工，符合电路板电磁干扰要求，除功率驱动芯片为直插和散热件以外，其他器件均为贴片元件，缩小板材占用面积，从而减小控制器保护外壳体积。在PCB板边缘有5mm的非布线区，此区预留为板材置于保护壳体中固定使用。4.2 PCB板布线设计规则在PCB设计中，布线是完成产品设计的重要步骤，可以说前面的准备工作都是为它而做的，在整个PCB中，以布线的设计过程限定最高，技巧最细、工作量最大。PCB布线有单面布线、双面布线及多层布线。布线的方式也有两种：自动布线及交互式布线，在自动布线之前，可以用交互式预先对要求比较严格的线进行布线，输入端与输出端的边线应避免相邻平行，以免产生反射干扰。必要时应加地线隔离，两相邻层的布线要互相垂直，平行容易产生寄生耦合。 自动布线的布通率，依赖于良好的布局，布线规则可以预先设定，包括走线的弯曲次数、导通孔的数目、步进的数目等。一般先进行探索式布经线，快速地把短线连通，然后进行迷宫式布线，先把要布的连线进行全局的布线路径优化，它可以根据需要断开已布的线。并试着重新再布线，以改进总体效果。对目前高密度的PCB设计已感觉到贯通孔不太适应了，它浪费了许多宝贵的布线通道，为解决这一矛盾，出现了盲孔和埋孔技术，它不仅完成了导通孔的作用，还省出许多布线通道使布线过程完成得更加方便，更加流畅，更为完善，PCB 板的设计过程是一个复杂而又简单的过程，要想很好地掌握它，还需我们自已去体会，才能得到其中的真谛。下面就我个人经验总结以下几点。1、电源、地线的处理既使在整个PCB板中的布线完成得都很好，但由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，有时甚至影响到产品的成功率。所以对电源和地线的布线要认真对待，把电源和地线所产生的噪音干扰降到最低限度，以保证产品的质量。对每个从事电子产品设计的工程人员来说都明白地线与电源线之间噪音所产生的原因， 现只对降低式抑制噪音作以表述：（1）众所周知的是在电源、地线之间加上去耦电容。（2）尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：地线电源线信号线，通常信号线宽为：0.20.3mm,最精细宽度可达0.050.07mm,电源线为1.22.5 mm 对数字电路的PCB可用宽的地导线组成一个回路, 即构成一个地网来使用(模拟电路的地不能这样使用)。 （3）用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。或是做成多层板，电源，地线各占用一层。2、数字电路与模拟电路的共地处理现在有许多PCB不再是单一功能电路（数字或模拟电路），而是由数字电路和模拟电路混合构成的。因此在布线时就需要考虑它们之间互相干扰问题，特别是地线上的噪音干扰。数字电路的频率高，模拟电路的敏感度强，对信号线来说，高频的信号线尽可能远离敏感的模拟电路器件，对地线来说，整个PCB对外界只有一个结点，所以必须在PCB内部进行处理数、模共地的问题，而在板内部数字地和模拟地实际上是分开的它们之间互不相连，只是在PCB与外界连接的接口处（如插头等）数字地与模拟地有一点短接。请注意，只有一个连接点。也有在PCB上不共地的，这由系统设计来决定。3、信号线布在电（地）层上在多层印制板布线时，由于在信号线层没有布完的线剩下已经不多，再多加层数就会造成浪费也会给生产增加一定的工作量，成本也相应增加了，为解决这个矛盾，可以考虑在电（地）层上进行布线。首先应考虑用电源层，其次才是地层。因为最好是保留地层的完整性。4、大面积导体中连接腿的处理在大面积的接地（电）中，常用元器件的腿与其连接，对连接腿的处理需要进行综合的考虑，就电气性能而言，元件腿的焊盘与铜面满接为好，但对元件的焊接装配就存在一些不良隐患如：焊接需要大功率加热器。容易造成虚焊点。所以兼顾电气性能与工艺需要，做成十字花焊盘，称之为热隔离（heat shield）俗称热焊盘（Thermal），这样，可使在焊接时因截面过分散热而产生虚焊点的可能性大大减少。多层板的接电（地）层腿的处理相同。5、布线中网络系统的作用在许多CAD系统中，布线是依据网络系统决定的。网格过密，通路虽然有所增加，但步进太小，图场的数据量过大，这必然对设备的存贮空间有更高的要求，同时也对像计算机类电子产品的运算速度有极大的影响。而有些通路是无效的，如被元件腿的焊盘占用的或被安装孔、定们孔所占用的等。网格过疏，通路太少对布通率的影响极大。所以要有一个疏密合理的网格系统来支持布线的进行。标准元器件两腿之间的距离为0.1英寸(2.54mm),所以网格系统的基础一般就定为0.1英寸(2.54 mm)或小于0.1英寸的整倍数，如：0.05英寸、0.025英寸、0.02英寸等。6、设计规则检查（DRC）布线设计完成后，需认真检查布线设计是否符合设计者所制定的规则，同时也需确认所制定的规则是否符合印制板生产工艺的需求，一般检查有如下几个方面：（1）线与线，线与元件焊盘，线与贯通孔，元件焊盘与贯通孔，贯通孔与贯通孔之间的距离是否合理，是否满足生产要求。 （2）电源线和地线的宽度是否合适，电源与地线之间是否紧耦合（低的波阻抗），在PCB中是否还有能让地线加宽的地方。 （3）对于关键的信号线是否采取了最佳措施，如长度最短，加保护线，输入线及输出线被明显地分开。 （4）模拟电路和数字电路部分，是否有各自独立的地线。 （5）后加在PCB中的图形（如图标、注标）是否会造成信号短路。 （6）对一些不理想的线形进行修改。 （7）在PCB上是否加有工艺线，阻焊是否符合生产工艺的要求，阻焊尺寸是否合适，字符标志是否压在器件焊盘上，以免影响电装质量。 （8）多层板中的电源地层的外框边缘是否缩小，如电源地层的铜箔露出板外容易造成短路。第5章 测试数据及总结电动真空泵控制器以dSPIC30F4011为控制的核心，驱动用无刷直流电机，控制方式采用转速控制。电动真空泵控制器工作小结：电动真空泵控制器额定电压为24V，额定电流为15A。红色线为24V，黑色为地（GND），与电机相连接的分别是3根电机绕组线和5根霍尔信号线，这8根线均已经用接线端子引出；系统控制主要是程序控制相应的控制位，一位是电机的转/停开关位，此位通过压力传感器检测真空罐内的真空度，当真空度达到85kPa时，无刷直流电机停止工作，当真空度低于60kPa时，无刷直流电机开始工作；另两位为电机正转和反转，因真空泵只能逆时针旋转，故电机顺时针旋转的开关位已经屏蔽，当开关为逆时针转动打开时，单片机通过检测母线电流、母线电压、电机温度、机油温度结合PI速度闭环调节转速，使转速控制在1500r/min,实现转速控制；为了方便获取真空罐内的压力、无刷直流电机的转速、母线电流、母线电压、电机温度以及机油温度，采用CAN通信，发送到数码显示装置中，直观明了，方便调试。电动真空泵控制器试验小结：1、通过查找相关资料以及大量实验，实验后证明霍尔与电机ABC绕组的通电线序是有对应关系的。关系如图5-1所示。推出关系为：霍尔信号码（CN2/CN3/CN4） 通电mosfet 电机通电绕组101 1H3L A向C100 2H3L B向C110 2H1L B向A010 3H1L C向A011 3H2L C向B001 1H2L A向B当霍尔线序按顺序依次递推提前换向时转速降低很多，电机发抖。例：在送给pwm寄存器PDC1、2、3赋初值为1000不变时，调换线序得出的转速：霍尔： 正常线序213 提前 321 再提前 132转速：2340n/min 784n/min 1710n/min图5-2 上下桥与电机的接线。根据速度表显示的数值可确定霍尔线序为132。图5-1霍尔与上下桥正确的关系图5-2上下桥与电机的接线2、真空泵的电流与真空度时间的关系，如图5-4所示。从数据图中可知真空泵能够在19S内，使真空罐内的压力达到85KP，且母线线电流10.3A，说明此项测试满足工作要求。图5-4 真空泵的电流与真空度时间的关系3、真空泵电机机壳温升试验数据，如图5-5所示。电源：24V/1A直流电源，电机：真空泵电机（无载），室温：23.9。经过272分钟的电机连续空载运行后，测得机壳温度为63.3，母线电流0.9A,母线电压24.3V。经过测试得知电机工作正常。图5-5 真空泵电机机壳温升试验数据图4、经测试得出真空泵在1500/2000r/min的转速下有速度闭环时的真空泵的真空度与时间的关系。（1）转速在1500r/min时，系列一和二为速度闭环下曲线，其他为开环情况下，如图5-6所示；图5-6（2）转速在2000r/min时，系列一和二为速度闭环下曲线，其他为开环情况下，如图5-7所示。图5-7结合以上两组数据图可知，在有速度闭环时，达到真空度85KP的时间明显比开环速度的时间短，且转速越高，时间越短，但是结合本设计的综合方面的考虑，最终，选择最佳控制转速即1500r/min。5、经多组测试数据，绘制了LM358的25倍放大倍数的数据图，如图5-8所示，由数据图得知本设计的应用电路可行。图5-8结 论电动真空泵控制系统是当今科技进步的有一个成果，代表了汽车助力刹车技术的发展方向，更是一种高科技产品，技术含量高，附加价值高。它涉及很多学科领域，如汽车刹车系统、电机技术、电力电子技术、传感器技术、计算机技术和现代控制理论等。目前，国内对电动真空泵控制系统的研究和开发，更多地处于实验阶段，对电动真空泵控制系统的理论研究主要集中在控制策略上，基于完整车辆对电动真空泵控制系统的理论研究还不够完善。因此，我们非常有必要对电动真空泵控制系统进行更深入的系统理论研究。本论文分析了电动真空泵控制系统的概况和国内外的研究现状，明确了本课题的研究意义和内容，开始了电动真空泵控制系统的设计工作，设计流程及成果如下：1、开题结束后，本人学习并了解了电动真空泵控制系统的基本知识，然后根据汽车助力刹车工作过程设计了控制器的系统方案，通过与老师及师兄的讨论后得出可行性方案。2、在研究控制器设计方案的同时，本人学习了Altium Designer 09这款电路设计软件，学会了电子元件原理图库和集成库的设计，学会了如何设计原理图和PCB制版,并达到应用自如的程度。3、按照控制器设计方案的计划，开始设计电路原理图，了解了设计电路原理图的设计思维和计算方法，学会了多种电子器件的参数计算，最终画出控制器的原理图和PCB图，其中涵盖了控制器应有的所需功能。4、在通过对单片机的编程视频教程学习过程中，学会了编程的要点与编程思路，了解了MPLAB的编程软件以及所使用的C30插件在编程过程中的使用。由于时间与能力有限，本文所设计的控制系统还有待于进一步的改进，比如采用专用控制芯片和单片机相结合的方式实现无刷直流电机的控制，使系统具有更好的灵活性和稳定性；还可采用无位置传感器的控制方法，利用软件检测电机的反电动势，从而省去位置传感器，降低硬件成本，提高可靠性。致 谢由于时间和能力所限，本论文中一定存在许多疏漏和不足，恳请各位专家、学者和老师们给予批评指正，以求在今后的工作中做出进一步的改善与提高，谢谢!在本论文完成之初，作者要感谢导师宋立伟教授。在这两个月的毕业设计的学习和生活中，始终得到了恩师无微不至的关怀和教诲，让我明白了不仅要知其然还要知其所以然，让我能够更好的表达所学知识。在此谨表示忠心的敬意和感谢。祝您身体健康，万事如意！与此同时，还要感谢201室的侯廷晨师兄，在设计上给予我的指导和帮助，没有他的无私帮助，就没有我现在的实物结果与论文。在此，祝师兄工作顺利，开心每一天!而且还要感谢汽车工程系里的老师，在毕业设计期间对我学习和生活上的照顾，尤其是李长威老师，感谢您对我在生活和学习上一直给予的帮助和督促。祝汽车系所有老师们身体健康，天天快乐！最后，我要感谢我的家人和我寝室的朋友们对我深情的照顾和支持，让我有一个快乐而又幸福的大学结尾，祝您们幸福安康!参考文献1、刘景林 ,李钟明.小型稀土永磁同步发电机分析及应用J;中小型电机.2001年05期2、马瑞卿，刘卫国.方波电动机宽调速比控制技术研究A;第十届中国小电机技术研讨会论文集C.2005年3、叶金虎.现代无刷直流永磁电动机的原理和设计.北京：科学出版社，20074、李丽欣，张福安.电力系统负载短路电流探讨A;2005年全国高校非物理类专业物理教育学术研讨会论文集C.2005年5、卢静,陈非凡,张高飞,施涌潮.基于单片机的无刷直流电动机控制系统设计J;北京机械工业学院学报.2002年04期6、陶桂林,马志云,周理兵等.永磁无刷电机的建模与仿真分析J;华中科技大学学报.2003,317、程鑫，廖传书.基于CAN的车用无刷电机控制节点设计A;中国汽车工程学会汽车电子技术分会第七届（2006）年会暨学术研讨会论文集C.2006年8、袁兆梅，张治国.基于单片机PWM控制逆变电源的设计A;2006年电气工程教育专业委员会年会论文集C.2006年9、刘军.永磁电动机控制系统若干问题的研究D;华东理工大学.2010年10、薛辉，王丛岭.基于单片机采用PID算法的电机运行控制系统设计J;机床电器.2006年01期11、宋慧滨，徐申，段德山.一种直流无刷电机驱动电路的设计与优化J;现代电子技术.2008年03期12、寿云兴.廉价霍尔效应集成电路的新应用J;电测与仪表.1980年06期13、谭建成.无刷直流电动机绕组利用率及最佳导通角的分析J;微电机.1980年03期14、韦鲲.永磁无刷直流电机电磁转矩脉动抑制技术的研究D;浙江大学.2005年15、郭晋.基于CAN现场总线的分布式控制系统设计D;北京工业大学.2001年16、张涛,张强,李良辰.逆变器中死区效应及其补偿策略分析J;信息技术.2003年11期17、揭贵生,马伟明.考虑换相时无刷直流电机脉宽调制方法研究J;电工技术学报.2005年09期18、宋小庆,郑慕侨,臧克茂,孙逢春,孙德福.改善无刷直流电机电磁转矩脉动的数字控制方法J;北京理工大学学报.2001年02期19、Performance Calculation of Brushless DC Motor ；Proceedings of the Eighth International Conference on Electrical Machines and Systems(Volume). 2005 years附录I电动真空泵驱动用无刷直流电机控制器的设计原理图附录II电动真空泵驱动用无刷直流电机控制器的设计PCB图附录III 无刷直流电机工作原理（1）旋转磁场的产生假定电机定子为3相6极，星型连接。转子为一对极。如图III-1。图III-1图III-2电流方向不同时，产生的磁场方向不同。若绕组的绕线方向一致，当电流从A相绕组流进，从B相绕组流出时，电流在两个绕组中产生的磁动势方向是不同的。如图III-2。6步通电顺序，如图III-3。 图III-3三相绕组通电遵循如下规则：每步三个绕组中一个绕组流入电流，一个绕组流出电流，一个绕组不导通；通电顺序如下：1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C-每步磁场旋转60度，每6步旋转磁场旋转一周；每步仅一个绕组被换相。随着磁场的旋转，吸引转子磁极随之旋转。如图III-4。磁场顺时针旋转，电机顺时针旋转：123456磁场逆时针旋转，电机顺时针旋转：6543211.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C-图III-4（2）如何实现换相？1.A+B- 2.C+B- 3.C+A- 4.B+A- 5. B+C- 6.A+C-必须换相才能实现磁场的旋转，如果根据转子磁极的位置换相，并在换相时满足定子磁势和转子磁势相互垂直的条件，就能取得最大转矩。要想根据转子磁极的位置换相，换相时就必须知道转子的位置，但并不需要连续的位置信息，只要知道换相点的位置即可。在BLDC中，一般采用3个开关型霍尔传感器测量转子的位置。由其输出的3位二进制编码去控制逆变器中6个功率管的导通实现换相。开关型霍尔传感器，如图III-5。霍尔元件+信号处理电路=霍尔传感器。利用霍尔效应，当施加的磁场达到“动作点”时，OC门输出低电压，称这种状态为“开”；当施加磁场达到“释放点” 使OC门输出高电压，称其为“关”基于这个原理，可制成接近开关。 如果将一只霍尔传感器安装在靠近转子的位置，当N极逐渐靠近霍尔传感器即磁感应强度达到一定值时，其输出是导通状态。图III-5当N极逐渐离开霍尔传感器、磁感应强度逐渐减小时，其输出仍然保持导通状态；只有磁场转变为S极并达到一定值时，其输出才翻转为截止状态。在S-N交替变化磁场下，传感器输出波形占高、低电平各占50%，如图III-6。图III-6如果转子是一对极，则电机旋转一周霍尔传感器输出一个周期的电压波形，如果转子是两对极，则输出两个周期的电压波形。直流无刷电机中一般安装3个霍尔传感器，间隔120度或60度按圆周分布，如图III-7为3个霍尔传感器，间隔120度。图III-7如果间隔120度，则3个霍尔传感器的输出波形相差120度电角度；输出信号中高、低电平各占180度电角度。如图III-8。图III-8如果规定输出信号高电平为“1”，低电平为“0”，则输出的三个信号可用3位二进制编码表示。如果间隔60度，则输出波形相差60度电角度。如图III-9。图III-9间隔120度与60度的二进制编码是不同的。附录IV Brushless dc motor principle（1） the generation of a rotating magnetic fieldAssume that the motor for 3 phase 6 a, star connection. The rotor is a pair of very. As shown in figure III-1.figure III-1figure III-2Current direction at the same time, the magnetic fields produced by different direction. If the winding direction of winding, when electricity from A phase windings flow into, from B phase windings out current in two winding produced in the MMF direction is different. As shown in figure III-2.Six steps order power, as shown in figure III-3. figure III-3Three-phase winding electricity follow the following rules:At each step, three winding of a winding into the current, a winding outflow current, a winding dont conduction;Electricity sequence
- 温馨提示:
1: 本站所有资源如无特殊说明，都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
2: 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等，如果需要附件，请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
3.本站RAR压缩包中若带图纸，网页内容里面会有图纸预览，若没有图纸预览就没有图纸。
4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
5. 人人文库网仅提供信息存储空间，仅对用户上传内容的表现方式做保护处理，对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑，并不能对任何下载内容负责。
6. 下载文件中如有侵权或不适当内容，请与我们联系，我们立即纠正。
7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
人人文库网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。
川公网安备: 51019002004831号