电动助力车的驱动与控制系统毕业设计论文

毕业设计论文）`题目电动助力车驱与控制统的计摘

要近年来，燃油交通工具因尾气排放问题已造成城市空气的严重污染。随着经济的发展，传统燃油车的耗油量急剧增加，能源危机问题变得日益严重，于是发展绿色交通工具已经成为一个重要的课题，电动助力车作为一种绿色交通工具，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。而且车身占用车位小，大大提高了非机动车辆的通行效率，非常适合城市内短程出行，所以电动助力车作为一种环保交通工具受到人们的欢迎。本设计采用永磁无刷直流驱动电机，以系列单片机为中心控制芯片，并配以适当的接口电路实现设计需要的功能任务，包括力矩测量电路、脉宽调制电路，电机驱动电路等，同时，系统具有过流保护、欠压报警及欠压保护功能。关键词

：无直电；单机电助车I兰州工业学院毕业论文AbstractInyears,thefuelofemissionshaveairpollutioninWithdevelopmentoffuelfuelsharply,energycrisisisincreasinglyserious,developgreenbecomeanissue,electricasavehicle,thehasgoodspeed,highlighton.Andinsmall,greatlyimprovingtheofforshorttripswithinthecity,soelectricanenvironmentallyfriendlyoftransportpopular.usesamagnetaroundMCS-518051MCUwithappropriateinterfacecircuitdesignoffunctionalityneededtasks,torquecircuit,PWMcircuit,drivercircuit,whilesystemisvoltage,overcurrentprotection,functions.Keywords

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8051forII第1章

兰州工业学院毕业论文设计任和要求..................................................11.1设的术背..............................................................................................................................1.1.1外电动助力车发展现状11.1.2国电动助力车发展现.错误未义签1.2设任1.3主技参数与性能指..............................................................................................................31.4主设内容及章节安..............................................................................................................3第2章

系统方的设计..................................................52.1方的较与选..........................................................................................................................2.2系工原..................................................................................................................................第3章

硬件电设计...................................................3.1控器设.3.2主路设................................................................................................................................163.2.1电机的选.....................................................................................................................3.2.2控电路的设.................................................................................................................193.2.3速控制电路的设计223.2.4过保护电路的设计.........................................................................................................233.2.5整电路的设.................................................................................................................253.2.6压报警电路的设计263.2.7电的设计.........................................................................................................................273.2.8率放大电路的设计293.2.9缓冲路的设计.3.2.9压保护电路的设计31第四章

软件的计.....................................................324.1软结构与软件设计思想4.2程流图32第五章设计总结........................................................35致谢...................................................错误！未定义书签。参考文................................................错误！未定义书签。附录A..................................................错误！未定义书签。附录B..................................................错误！未定义书签。兰州工业学院毕业论文第章

设计任务和要求1.1设的术景1.1.1国外电动力车发展现世界上电动助力车拥有总量1.3亿辆，年生产约3000辆。目前世界上已经有万辆各式电动助力车，电动助力车的潜在市场巨大，估计到2000年总数将达到200辆。下面主要介绍日本、美国和欧洲一些国家的电动助力车发展状况。日本作为电动助力车辆研究和实用化最早的国家之一电动助力车不论就技术还是市场规模而言，都最为成熟。自从3年雅马哈公司的（能量辅助系统，该方式下辅助力矩和脚踏力矩保持一定比例）进入市场以来，电动助力车在日本已逐渐成为居民短距离交通工具的主流。日本电动助力车主要以妇女、老年人和上班族为市场目标。蓄电池一般为镍铬、镍氢电池为主，容量在安之间，充电一次里程为米。驱动系统多为永磁无刷电机，工作电压为伏或36伏，功率在180-250瓦之间。日本的控制器都采用PAS系统。美国有代表性的电动助力车生产厂家有ZAP公司以及由GT自行车公司和AeroVironment两家组建的Charger助力车公司，这两公司的产品约占美国电动助力车市场的60%。GT和AreoVironment合作开发的传动系统采用了独创的双缝条直接驱动方式，电机、助力车的变速齿轮及后轮组成一套独立的驱动系统。其优点是可以增大助力车的启动力矩、提高加速性能、增强爬坡和迎风骑行的能力、减小电机噪音，关闭助力系统后，还可以和普通自行车一样使用。1:1方式下，正常速度、路面和普通体重的情况下一次充电可行驶20千米左右。充电部分是一个可以在小时内将组12伏7安时密封免维护铅酸电池充满的快速充电系统，最大充电电流可6安培；在行车过程中由一个简单电池管理系统监控电池的状态通过转换开关可以很方便的察看每一1兰州工业学院毕业论文个电池的剩余电量，预计可行驶里程。该电池管理系统还可以对电池的简单故障给出诊断和报警。欧洲是电动助力车最早的发源地，但主要精力集中在电动汽车上，截至年已经有9家公司生产电动助力车，它们很多是引进日本的生产技术，德国和法国已经将日本的PAS制式作为电动助力车国家标准。台湾的美利达Merida）和Elebike公司的产品已经进入欧洲市场96年统计数据显示当年欧洲共销售了辆电动助力车97年的预计销售额为50000辆。随着改革开放的深入和生活水平普遍提高，人们希望获得轻巧便捷的交通工具。因此，当90年初推出燃油助力车时，市场获得很大的成功，但燃油助力车的发展带来了严重的环境污染。北京、上海都被列入世界大气污染最严重的十大城市之一。各地相继制定政策措施，限制燃油助力车的销售和使用。作为燃油助力车替代品的电动助力车有着广阔的前景。下面介绍国内发展状况。我国内地虽然潜在有巨大的电动助力车市场，研究开发电动助力车的厂家、高校和科研单位也不少，有的单项技术水平也不低，但整车质量也不高，尚未形成强有力联合开发、开发和市场化方面已经具有一定规模。目前上海的道路建设跟不上车辆的发展，车辆行驶速度缓慢据测平均速度不到车辆行驶慢时污染物排放比正常行驶时更多。市区中心的一氧化碳、碳氢化合物总量的来自机动车排放的污染物。1.2设任电动助力车具有集锻炼与代步二者为一体的特点近年来市场上对智能助力电动车的需求也越来越多，电动助力车具有功率较小，车速低，性能要求不高，可以充分利用现有成熟技术通过传感器感知人踩自行车踏脚上力的大小徇情控制电机的输出功率，合理调整电机驱动力和人踩驱动力的比例实现人机合力带动自行车运行,即所谓的智能型电动自行车,或称为具有1∶1功能的电动自行车助力电动自行车具有集锻炼与代步二者为一体的特点，同时它具有延长续程的功能，因此近年来市场对智能助力电动车的需求也越来越多，电动自行车一般由带有力矩传感器的轮毂永磁直流电机驱动，力矩传感器结构及原理示意图1,图2中单数磁钢位置均匀固定在360。的轮毂上，双数磁钢在弹簧的作用下可以左右移动，这样电机每转1，将会产生8个脉冲。在没有脚踏作2兰州工业学院毕业论文用下，磁钢2在1，3磁钢中间，当脚踏时，磁钢发生一定转向的位置偏移，造成1，2间的距离与2，3间的距离不等(本电机经过实测最大摆幅为10°)，根据其差值，系统可以判断出脚踏的力矩，根据此值施加一定助力策略下助力。图1力传感器结构及原理示图1.3主技参与能标最高时速不小于20km/h整车质量小于40kg在一次充电续驶里程大于25km。骑行距离不小于最高时速状态下，电动、助力具有良好的脚踏性能，脚踏匀速骑行时噪声小于一百公里耗电量小于1.2kw.h电动机连续输出功率不大于240W1.4主设内及节排本文首先介绍了国内外电动助力车的发展状况和几种典型的控制方式针对目前控制方式的不足之处，提出本设计采用脉宽调制（）配以单片机为中心控制单元的调速系统。利用霍尔传感器实现传统的调速。从而进行电动助力车驱动与控制系统硬件和软件的设计，论文各章节安排如下：3第1章第2章第3章第4章第5章

兰州工业学院毕业论文设计任务和要求系统方案的设计硬件电路设计软件设计设计总结本次设计主要是熟悉电动助力车工作原理深入分析电气控制原理选择驱动电机，确定设计方案，完成系统原理方框图，选定单片机，完成硬件设计和软件设计，根据题目的要求，选择恰当一款合适的单片机作为微控制器，电动机选用无刷直流电动机，系统还设计了欠压保护、欠压报警和过电流保护护功能，能够实现电动助力车电量不足和电流过大时进行保护。系统包括硬件部分和软件部分。主要内容有以下几部分：MCS-51系列单片机控制电路。检测电路。刹电路。过电流保护电路。压保护电路。报警电路。4兰州工业学院毕业论文第章

系统方案的设计2.1方的较选电动助力车与传统的电动自行车有一个显著区别传统的电动自行车是通过调速手把进行单项控制车速，而电动助力车是个双向智能系统，包括电池、电机、控制器、力矩传感器、车架等部分，控制器通过力矩传感器检测骑车人施加在踏板上的力矩得到目前的车辆行驶状态，并且根据当前状态自动调节电机功率输出，使得无论在平地还是在倾斜路面上，骑行始终如在平路上骑普通自行车一样轻松舒畅，电动助力车真正做到人车合一。电动车作为新型绿色交通工具，具有节能和环保的优点。电动车有蓄电池、充电系统、调速系统、车体等部分组成，其中调速系统是电动助力车的重要组成部分。因此，设计电动助力车驱动与控制系统，拟采用的方案有：方案一:设计以MCS—51系列单片机与电机一体化的永磁直流电机为主要执行部件的助力驱动系统工作原理来实现设计要求该方案的主要特点如下8051作为控制器中的主控芯片，担负着脚踏输入量、助力力矩测量、电机电流检测及其保护，总线电压的检测及欠压报警输出、PWM输出占空比的改变等工作任务。其原理图如2-1示，从图中可以看出其主要由过流保护、欠压保护和欠压报警输出电路、脉宽驱动电路，力矩传感器脉冲信号输入电路等部分构成。5兰州工业学院毕业论文位置冲信力矩入过压护8051

欠压警过流护刹车号

PWM驱电路

M图2-1方案二:助力电动自行车具有集锻炼与代步二者为一体的特点同时它具有延长续程的功能,因此近年来市场对智能助力电动车的需求也越来越多本文介绍了一种基于摩托罗拉公司最新推出一款高性价比位单片机:MC68HC908QT2单片机和集力矩传感器与电机一体化的永磁直流电机为主要执行部件的助力驱动系统工作原理并给出其中若干问题的解决方法,骑行和试验结果都证明了其良好的控制效果。图2-2是NC68HC907QT2单片机引脚复合功能图，其主要性能参数有：内部晶体振荡器一个3.2MHz、外部中断请求资1个、有低电压监视、看门狗、运行正常等保护功能，有6个I/O口、4路/D转化器2路16位计数器及PWM生成电路、4K闪存、128字节AM、具有代码加密功能、低功耗运行模式，路键盘中断。6兰州工业学院毕业论文图-2MC68HC908QT2引与功能图方案三:无刷直流电动机是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、电子开关和控制器等组成。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，开关信号根据输入信号的要求，以一定的顺序触发功率开关器件，将电源按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。因此，无刷直流控制器的设计，关键是根据位置信号确定电子开关的通断顺序和通断时间。AVR单片机具有高速度和低功耗；具备高度保密功能Flash具有多重密码锁死功能，无法对其进行解剖，有利于保护设计成果；内置看门狗，防止程序飞走，具有较强的抗干扰性能；8位和16位计数器/定时器，提供PWM控制。因AVR单片机适合作为电动助力的控制系统。图是采用片机组成的电动助力车无刷直流电动机的原理图转把信号

速度信号

控制器主电路

刹车信号限速信号巡航信号电池电压

电流信号位置信号图2-3单机控制无刷直流电动机原理图7兰州工业学院毕业论文综合上述三种方案，本设计采用方案一作为整个系统的设计思路。2.2系工原单片机控制的永磁无刷直流电动机调速系统适用于电动助力车等小功率的工作情况。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。电动助力车控制系统的硬件电路主要有4部分:1)检测部分2)控制部分3)保护部分4)欠压报警部分。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电机和传感器来实现，控制核心采用8051单片机，方案提出采用速度传感器和力矩传感器采集人力脚踏速度和扭矩8051单片机作为信号处理单元,已完成对人力脚踩输出功率的计算，实现真正意义上的智能助力。如图所示。位置脉冲信号VCC力矩输入过压保护

欠压报警过流保护刹车信号

PWM驱动电路

M图2-1系统的工作流程叙述如下：选用8051单片机P1作为输出口通过驱动器控制全桥驱动电路上桥臂的沟8兰州工业学院毕业论文道MOSFET,通过与门控制下桥臂的N道MOFET.8051的P0.0口作为PWM输出口，控制直流电动机的转速P0.4-P0.6作为输入口，连接位置检测器输出的控制信号8051的所有输出口都接上拉电阻，与-5V负载电平相匹配。由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信号。而这些信号根据输入信号的要求，以一定的顺序触发功率开关器件，将电源按照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。由于本设计中电动助力车采用带有力矩传感器的轮毂永磁直流电机驱动电机每转动一周，霍尔传感器将会产生个脉冲信号。这些脉冲信号源连接在片机的计数器定时器口，然后采取定时测脉冲的方法求的电动助力车的行驶速度。采集到力矩传感器的输入信号以后，可以由求出脚踏的输出功率，然后根据直流驱动电动机的输入输出特性。8051单片机在口（8051口作为的输出口）输出不同占空比宽度的矩形脉冲信号，以实现直流驱动电机的调速控制。为了防止电动机启动，过流或异常运行时，大电流对控制电路，功率逆变器和电动机本体造成损害，设计了过电流保护电路，在主电路上串联一个采样电阻，将采样电阻两端电压与设定的电压进行比较来检测主电路是否过流，如发生过流，则由硬件控制部分来完成保护。当电动机电源电压太低时应电平也会送入单片机软件实现信号的关断，电动机惯性滑行，起到保护作用，并同时启动欠压报警，提醒使用者电压不足，需要充电。系统有了基本的原理框架，还需要每一部分电路模块的支持。才能有效实现系统的功能。为方便，可靠，经济，有效，易实现起见，设计各部分电路方案为：位置传感器是组成无刷直流电机系统的三大部分之一，也是区别于有刷直流电机的主要标志。其作用是检测主转子在运动过程的位置，将转子磁钢磁极的位置信号转换成电信号。为逻辑开关电路提供正确的换相信息。以控制它们的导通与截止，使电机电枢绕组中的电流随着转子位置的变化按次序换向。形成气隙中步进式的旋转磁场，驱动永磁转子持续不断的旋转。主电路部分由驱动芯片和三相星形链接全桥驱动构成。位置检测器的三个输出是通过逻辑电路控制这些开关管的导通与截止的。9兰州工业学院毕业论文（3）在直流无刷电动机正常运行的过程中只要通过控制电动机的输出电压就可以控制直流无刷电动机的电流进而控制电动机的转速也就是说8051单片机可以通过来自转子位置传感器信号的周期，计算出电动机的转速，并把它同给定转速比较。如高于给定转速，则减少P0口的输出数值，降低电动机的电流，以达到降低其转速的目的。反之，如果测得的转速低于给定的转速，则增加的输出数值，进而加大电动机的电流，进而提高其转速。这种控制方法可以减小电机损坏。10兰州工业学院毕业论文第章

硬件电路设计3.1控器设8051是MCS-51系列单片机的典型产品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、并行接口行接口和中断系统等几大单元及数据总线址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：(1)央处理器(CPU)中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是数据宽度的处理器，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。(2)据存储器（RAM）8051内部有个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元们是统一编址的，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。(3)序存储器（ROM）8051共有个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。(4)时/计数器（ROM）8051有两个位的可编程定时/计数器实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。(5)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。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11兰州工业学院毕业论文断，可满足不同的控制要求，并具有级的优先级别选择(8)钟电路8051内置最高频率达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)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)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列单片机则采用普林斯顿结构。图3-1是MCS-51系列单片机的内部结构示意图:图3-1MCS-51内结构示意图(9)的引脚说明：MCS-51系列单片机中的、80518751均采用封装的双列直接PDIP12兰州工业学院毕业论文构,8051脚如图所示,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，48位32个，中断口线与P3线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明：图3-28051引脚图Pin20:接地脚。Pin40:正电源脚，正常工作或对片内读写程序时，接+5V电源。Pin19:时钟脚，片内振荡电路的输入端。Pin18:时钟脚，片内振荡电路的输出端。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，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/V复位信号复用脚，8051通电，时钟电路开始工作，在ESET引脚pd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PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指钟写入，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位13兰州工业学院毕业论文不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7的状态，8051的初始态如表4.1所示:表3-18051初始状态特殊功能寄存器ACCPSWDPHDPLIPIETMODSCONP0-P3

初始态00H00H00H00Hxxx00000B0xx00000B00HxxxxxxxxB1111111B

特殊功能寄存器B0TL0TH1TL1TCONSBUFPCON

初始态00H07H00H00H00H00H00H00H0xxxxxxxBPin29:

当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC16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。Pin30: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1/6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EPROM，在编程其间，于输入编程脉冲。

将用程序存储器的内外部选通线，8051和8751片机，内置有4kB的程pp序存储器，当为高电平且程序地址小于4kB时，读取内部程序存储器指令数据，而超过址则读取外部指令数据。如EA为电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。8051单片机的时钟信号通常用两种电路形式得到内部振荡方式和外部振荡方式。内部振荡方式是在引脚XTAL1和接晶体振荡器(简称晶振14兰州工业学院毕业论文或陶瓷谐振器,内部振荡方式所得的时钟情号比较稳定。外部振荡方式是把外部已有的时钟信号引入单片机内种方式适宜用来使单片机的时钟与外部信号保持同步本系统采用内部震荡式时钟电路内部振荡方式的外部电路如下图3-3所示。图中电容C1C2起稳定振荡频率、快速起振的作,其电容值一般在5-30pF晶振频率的典型值为采用6MHz的情况也比较多本文控制系统采用6MHz。8051

晶振

至内部时钟电路图3-38051单机的振荡电路当8051单片机的复位引脚RST(称RESET)出现2个机器周期以上的高电平时,单片机就执行复位操作。如果RST持续为高电平单片机就处于循环复位状态。复位操作通常有两种基本形式:上电复位和上电或开关复位本文控制系统采用上电或开关上电或开关复位要求电源接通,片机自动复,并且在单片机运行期,用开关操作也能使单片机复位,当单片机已在运行当中时按下复位键RSET后松开也能使RST为一段时间的高电平,从而实现上电或开关复位的操作。复位电路如下图所示。15兰州工业学院毕业论文(a）上电复位（c）按键电平复位图3-4复电路上电复位如上图(a),上RESET在加电时应保持的高电平时间包括VCC上升时间和振荡器起振的时间。上升时间约为10us,振荡器起振时间和频率有关频率10MHZ时约1us，频率1MHZ时约为10us，所以一般为了可靠地复位RESET端在上电时保持20us以上高电平即可。按钮电平复位:如上图（c）,C、R2的选取由上电复位参数决定，然后确定，为了保证在RESET端上得到高电平应使取R2的1/5@1/10。3.2主路设3.2.1电动机的选择电机是电动自行车的心脏，是关键部件，电机要适应频繁起动，频繁变速又考虑到薄形安装特点，目前大都采用盘式结构，同时为了适应道路使用和环境特点，电机通常设计成全封闭结构形式，具有可靠防护性能。从当前市场上销售的电动自行车看主要是用直流永磁印制绕组电机和直流无刷电机，印制绕组电机关键是印制转子的制造工艺，而且需引进部分设备如转子片叠好后外圆点和内孔点的氩弧焊点焊机一旦转子工艺突破，该电机的批量生产即不成问题了。直流无刷电机存在质量可靠性问题，控制器较复16兰州工业学院毕业论文杂成本较高，这些问题一旦解决推广使用则更广。总之上述二种电机用于电动自行车是较为理想的。鉴于电动车对电动机的基本要求，本设计采用永磁无刷直流电动机。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既有一般直流电机良好的调速起动性能又具有寿命长没有换向火花没有无线电干扰运行可靠，维修简便及噪声低等优点。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）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。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降低永磁电动机的性能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。4）无刷直流电机的结构及工作原理无刷直流电动机由电动机，转子位置传感器和位置传感器组成，它的原理框图如下3-5图所示，图中直流电源通过开关线路向电动机定子绕组供电，电动机转子位置由位置传感器检测并提供信号去触发开关线路中的功率开关元件使之导通或截止从而控制电动机的转动。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17兰州工业学院毕业论文机转子的极性电动机内装有位置传感器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。图3-5无直流电动机的原理框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此转子上不需另设启动绕组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。在一定ω，改变占空δ，就可以线性地改变电动机的电磁转矩，得到与他励直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V的高低如果速度指令最大值为5V对应的最高转速，那么+5V以下任何电平即对应当的转速现了变定。当V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Vfb变小，调制波的占空比δ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压波动范围内，在允许的过载能力以下，其稳态转速与指令转速相差在由于含有霍尔元件，现特作一个简要介绍霍尔元件是一种磁电元件。它是利用霍尔效应制作的一种传18兰州工业学院毕业论文感器具有高可靠性寿命长噪声低不产生火花干扰转速均匀稳定体积小等优点。霍尔效应是指当半导体上通过电流，并且电流方向与外界磁场方向垂直时，在垂直于电流和磁场方向上产生霍尔电动势的现象。左右，并可在调范围内恒转矩运行。3.2.2控制电路的设计无刷直流电机有多相结构，每种电动机可分为半桥驱动和全桥驱动，全桥驱动又可分为星形联结和三角形联结以及不同的通电方式。因此，不同的选择会使电动机产生不同的性能和成本，这是每一个应用系统设计者都要考虑的问题。下面做一下对比。绕组的利用率。与普通直流电机不同，无刷直流电动机的绕组是断续通电的。适当地提高绕组通电利用率可以使同时通电导体数增加，使电阻下降，提高效率。从这个角度来看，三相比四相好，四相比无相好，全桥比半桥好。转矩的波动。无刷直流电动机的输出转矩波动比普通直流电动机的大，因此希望尽量减小转矩波动。一般相数越多，转矩的波动越小。全桥驱动比半桥驱动转矩的波动小。电路的成本。相数越多，驱动电路所使用的开关管越多，成本越高。全桥驱动比半桥驱动所使用的开关管多一倍，因此成本要高。多相电动机的结构复杂，成本也高。综合上述分析，本系统采用三相星形（Y）联结全控电路，如图3-6示出了一种三相联结全控电路，在该电路中，电动机的三相绕组为星形联结。、V2、V3、V4、V5、V6为六只MODFET功率管，起绕组的开关作用上桥臂是沟道MOSFET(V1、V3、V5)，其栅极为低电平时导通，下桥臂是N沟道、V6、V2)，其栅极为高电平是导通。19兰州工业学院毕业论文AT1

T3T5CT2T4T6图3-6星联结绕组三相全控桥式电路它们的通电方式又可分为两两导通方式和三三导通方式两种。在本设计中采用两两导通方式。所谓两两导通方式是指每一瞬间有两个功率管导通，每隔1/6周期（60°电角度）换相一次，每次换相一个功率管，每一功率管导通120°电角度。各功率管的导通顺序是、V2V3、V3V4、V4V5、、V6V1,当功率管V2导通时，电流V1管流入A相绕组，再C相绕组流出，经V2管回到电源。如果认定流入绕组的电流所产生的转矩为正，那么从绕组流出所产生的转矩则为负，它们合成的转矩如图（a）所示为3Ta，方向在Ta-Ta角平分线上。当电动机转过60度后，由V1V2通电换成通电。这时，电流从流入相绕组再从C相绕组流出，经到电源，此时合成的转矩如图3-10（b）所示，其大小同样为3。但合成转矩Tbc的方向转过了60°电角度而后每次换相一个功率管成转矩矢量方向就随着转过60°电角度，但大小始终保持3不变。（c）示出了全部合成转矩的方向。20兰州工业学院毕业论文

TacTabTac

-Tc-Tc

Tbc

Tac

TcbTb

Tc

Tb

TcTba

Taca)

c)图3-7星（）结绕组两两电时的合成转矩矢量图（）VF1、VF2导通时合成转矩VF2VF3导通时合成转矩；（）两通电时合成转矩矢量图所以，同样一台无刷直流电动机，每相绕组通过与三相半控电路同样的电流时，采用三相星形（）联结全控电路，在两两换相的情况下，其合成转矩增加了3倍。每隔60°电角度换向一次，每个功率管通电°，每个绕组通电°，其中正相通电和反相通电各°。其输出转矩波形如图3-8所示。由图以看出，三相全控时的转矩波动比三相半控时小得多。图3-8全桥输出波形图74LS07是集成电极开路六正相高压驱动器。六高压输出缓冲器驱动器(oc,30v)；输出加上拉电阻，才有高或低电平信号输出。如果不接上拉电阻，那个输出的驱动管是不工作的所以上拉电阻的功能就是为了使末级驱动管正常工作74LS07的管脚列图如图3-8所示。其14脚Vcc接+5V电源7脚GND接电源地1A是通道1的输入端1Y21兰州工业学院毕业论文是通道1的输出端，2A是通道2输入端、是通道2输出端，依此类推。输出和输入是同相位的，但是输出端要通过电阻外接到正电压上，这个外接正电压最高可以达到30V。1A

YAYA3Y

07

6A6Y5A5Y4A7

4Y图3-874LS07的管脚排列图3.2.3转速控制电路的设计本世纪中，无刷直流电动机是通PWM方法来控制电机通电电流，实现对转速的控制。8051口作为PWM的输出口，控制直流电动机的转速，通过片机的PWM口，控制3个与门7409B输入端，当输出低电平时，使与门输出低电平，开关电的管VVV，被封锁，当输出高电平时，与门输出低电平取决于单片机的控制字，MOSFET的导通与截止按正常换向状态进行。7409是四2输入与门其管脚列图如图3-9示22兰州工业学院毕业论文1A1BYA2B2Y

4B4A4Y3B3A

3Y图3-974LS09的管脚排列图3.2.4过流保护电路的设计本设计中，主电路中通过电动机的电流最终是经过电R接地。过流保护电路是由采样电路R和比较器LM324硬件组成。因此Uf=RIm,其大小正比于电动机的电流。而Uf同给定电压Uo分别送到LM324算放大器的两个输入端一旦直流电动机电流增大，在采样电阻的压降增大，反馈电压Uf大于给定信号Uo，则比较器出低电平，使得主电路中3只MOSFET开关管V4V6、V2被关断，无法导通，从而截断了直流无刷电动机定子绕组的所有电流通路，迫使电动机电流下降，上的压降也减小；一旦电流下降到使反馈电压小于给定电压Uo时较器LM324出又回到高电平，使主电路的MOSFET开关管V4V6V2又具备导通的能力恢复正常的通断顺序依此，电流被限制在Uo/R上下，达到过流保护的目的。原理图如图3-10所示。23兰州工业学院毕业论文+5V

全桥驱动电路

图3-10过保护电路图LM324是四运放集成电路用脚双列直插塑料封装部有四个运算放大器，有相位补偿电路。电路功耗小，LM324作电压范围宽，它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图3-11所示的符号来表示V+（反向输入端）Vi-Vi+

V0（同向输入端）

V-图3-11运放大器它有5个引出脚，其中“+两个信号输入端为正、负电源端Vo”为输出端。两个信号输入端中，（-）为反相输入端，表示运放输出端的信号与该输入端的相位相反；Vi++）为同相输入端，表示运放输出端Vo信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图。24兰州工业学院毕业论文14121110981234

57图3-12LM324的脚排列图由于LM324四运放电路具有电源电压范围宽，静态功耗小，可单电源使用，价格低廉等优点，因此被广泛应用在各种电路中。3.2.5整形电路的设计最简单的整形电路就是一个单门限电压比较器当输入信号每通过一次零时触发器的输出就要产生一次突然的变化。当输入正弦波时，每过一次零，比较器的输出端将产生一次电压跳变，它的正负向幅度均受到供电电源的限制，因此输出电压波形是具有正负极性的方波，这样就完成了电压波形的整形工作。但该信号整形电路抗干扰能力差：由于干扰信号的存在，将导致信号在过零点时会产生多次触发的现象，从而影响本系统中计数，使单片机无法计算出正确的数值。为了避免过零点多次触发的现象，我们使用施密特触发器组成的整形电路施密特触发器在单门限电压比较器的基础上引入了正反馈网络。由于正反馈的作用，它的门限电压随着输出电压的变化而改变，因此提高了抗干扰能力。本系统中我们使用施密特触发器对信号进行整形，定时器是一种应用特别广泛使用很大的集成电路属于小规模集成电路在很多电子产品中都有应用定时器如图3-16所示,NE555的内部结构可等效成个晶体三极管，17个电阻，两个二极管，组成了比较器RS发器，等多组单元电路555定时器管脚排列图如图3-13所示：25兰州工业学院毕业论文+VCC+VCCVi6

4

VC图3-13555定时管脚排列图555时基集成电路各引脚功能描述；脚1是公共地端为负极；脚2低触发端TR，低于1\3电源电压以下是即导通；脚3是输出端V电流可达2000mA脚4是强制复位端MR不用可与电源正极相连或悬空脚5是用来调节比较器的基准电压简称控制端不用时可悬空或通过电容器接地；脚6为高触发端TH，也称阀值端，高2\3电源电压发上时即截至；脚是放电端DIS;脚8是电源电压VCC。3.2.6欠压报警电路的设计本设计采用光电藕合的方式来驱动扬声器，经三极管驱动扬声器后，即可发出声音信号，欠压报警电路由扬声器和三极管组成，由单片机的口控制，扬声器的三极管采用8050，扬声器可选用4欧或欧负载，报警电路如图3-14所示。26兰州工业学院毕业论文+5VVT1图3-14报电路3.2.7电源的设计电源电路如图3-15所示24V流电源经三端稳压器78L05输出即为单片机所要求的+3.3V电源。电路中接入电容C、C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12抑制电路引入的高频干扰大容量的C是电解电容以减小稳压电源输出端由输入电源3引入的低频干扰。D是保护极管，当输入端意外短路时，给输出电容器一个放电通3路，防止C端电压作用于二级管的结，造成二极管PN结击穿而损坏。3图电电路27兰州工业学院毕业论文三端稳压器，主要有两种，一种输出电压是固定的，称为固定输出三端稳压器，另一种输出电压是可调的，称为可调输出三端稳压器，其基本原理相同，均采用串联型稳压电路。在线性集成稳压器中，由于三端稳压器只有三个引出端子，具有外接元件少，使用方便，性能稳定，价格低廉等优点，因而得到广泛应用。在使用时必须注意：(VI)(之间的关系，该三端稳压器的固定输出电压是3.3V，而输入电压至少大于，这样输入/输出之间有23V及以上的压差。使调整管保证工作在放大区。但压差取得大时，又会增加集成块的功耗，所以，两者应兼顾，即既保证在最大负载电流时调整管不进入饱和，又不至于功耗偏大。另外一般在三端稳压器的输入输出端接一个二极管，用来防止输入端短路时,输出端存储的电荷通过稳压器而损坏器件。图3-16三稳压器的典型接法三端固定集成稳压器内部具有完整的保护电路，一旦输出发生过载和短路，可自动限制器件内部的结温不超过额定值但若器件使用条件超出额定的最大限制范围或应用电路设计不当，也是要损坏器件的。列如当输出端结比较大的电容时，一旦稳压器的输出端出现短路，输出端电容器上储存的电荷将通过集成稳压器内部调整管的发射极-基集PN结泄放电荷，由于大容量电容释放能量比较大，因此可能造成集成稳压器损坏。为此一般在稳压器的输入和输出之间跨接一个二极管稳压器正常工作时二极管出于截止状态，当输入端突然短路时，二极管为输出电容器提供泄放通路。图3-16是应用78L05输出固定电压VO典型电路图。正常工作时，输入、输出电压差应大于2。电路中接入电容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28兰州工业学院毕业论文时，给输出电容器C3一个放电通路，防止C3端电压作用于调整管的be结，造成调整管be击穿而损坏。3.2.8功率放大电路的设计隔离栅双极性晶体（正日益广泛的应用于小体积低噪音高特性的电源，逆变器，不间断电源（UPS）以及电机速度控制装置之中。用于富士混合驱动器吸取了IGBT的全部优点而开发。由于集成模块式驱动电路性能好，整机可靠性更高积更小系列为日本富士公司推出IGBT专用芯片动高达的IGBT。它具有隔离强度高、反应速度快、参数一致性好、具有防擎住效应的缓关断电路等优点，并可以对IGBT实施过流保护。模块内功能较全，用20V直流电源供电，能产生+15V栅电压和—5V关栅电压，内装速光耦信号隔离电路。如图3-17所示。电路的内部还集成有过流检测电路和慢速过流切断电路，其过流检测电路按驱动与集电极电压之间的关系检测过流。当流过的电流超过内部设定值时，慢速切换电路以不使IGBT损坏的较慢速度关断其中为了防止IGBT电极产生大的电压尖脉冲，在栅极串联电RG47F电解电容器吸收由于电流源接线电阻引起的供电电压变化，而不是电源滤波器的电容器。因此本文介绍了动器的具体应用，它是混合式集成电路，很好的解决了本设计中驱动的问题，单排15脚封装，工作电压25V,电流10A,驱动电流4A，过流保护电压至8.5V。有以下几个方面需要注意，EXB841只有1.5us的延时，慢关动作时间8us,与使用手册上标明的〈的过电流不动作是有区别的；由于仅有的延时，只要大于1.5us的过流都会使慢关断电路工作，由于慢关断电路的放电时间常数2较小，充电时间常数较大，后者是前者的倍，因此慢关断电路一旦工作起来，即使短路现象很快消失，中的脚出也难以达到Uge等于15V的正常值。如EXB841的C4已放电至终值，则它被充电20V的时间约为本脉冲关断时刻相距140us内的所有后续脉冲正电平都不会达到等于15V，即慢关断不仅影响本脉冲，而且可能影响后续的脉冲。光耦合器IS01由+5V压管供电，这似乎简化了电路，但由于EXB841脚1换29兰州工业学院毕业论文在IG