1、畢業(yè)設(shè)計(jì)成績(jī)單學(xué)生姓名學(xué)號(hào)班級(jí)電0401-2班專業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化畢業(yè)設(shè)計(jì)題目無(wú)刷電機(jī)控制器的相序檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師姓名指導(dǎo)教師職稱教 授評(píng) 定 成 績(jī)指導(dǎo)教師得分評(píng)閱人得分答辯小組組長(zhǎng)得分成績(jī)：院長(zhǎng)簽字：年 月 日畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)書題目無(wú)刷電機(jī)控制器的相序檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名班級(jí)電0401-2 班學(xué)號(hào)專 業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化承擔(dān)指導(dǎo)任務(wù)單位電氣與電子工程分院導(dǎo)師姓名導(dǎo)師職稱教授一、設(shè)計(jì)內(nèi)容1、設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心的無(wú)刷電機(jī)控制器相序檢測(cè)系統(tǒng)2、軟件編程二、基本要求1、檢測(cè)控制器角度 2、判斷霍爾控制線相序 3、判斷控制器三相電源相序 4、判斷控制器故障三、主要技術(shù)指標(biāo)1、顯示60度/120度角

2、控制器2、顯示霍爾位置相序及與其對(duì)應(yīng)的電機(jī)電源相序3、顯示控制器故障四、應(yīng)收集的資料及參考文獻(xiàn)1、單片機(jī)方面的知識(shí)及其接口技術(shù)2、無(wú)刷電機(jī)方面的資料3、霍爾傳感器方面的資料4、無(wú)刷電機(jī)控制器方面的資料五、進(jìn)度計(jì)劃第1周第4周 調(diào)研、搜集資料、初步設(shè)計(jì)第5周第8周 繪制原理圖，制作板圖第9周第13周 編寫軟件，系統(tǒng)調(diào)試第13周第14周 完成論文。教研組主任簽字時(shí)間 2008年2 月26 日畢業(yè)設(shè)計(jì)開題報(bào)告題目無(wú)刷電機(jī)控制器的相序檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)學(xué)生姓名學(xué)號(hào)班 級(jí)電0401-2專 業(yè)電氣工程及其自動(dòng)化一、 研究背景以及現(xiàn)狀電動(dòng)車作為一種新型的代步工具，已經(jīng)實(shí)實(shí)在在地被人民群眾所接受。據(jù)業(yè)內(nèi)人士預(yù)測(cè)，未

3、來(lái)幾年內(nèi)，電動(dòng)車的容量幾乎相當(dāng)于自行車的市場(chǎng)容量，全國(guó)4.5億輛自行車用戶中至少有3億的用戶將成為電動(dòng)車的用戶。電動(dòng)車的電機(jī)分為有刷和無(wú)刷兩種，而電動(dòng)車有刷電機(jī)有它致命的缺陷就是年之內(nèi)必須更換碳刷，無(wú)刷電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)即電機(jī)不需要維護(hù)。 因此隨著電動(dòng)車市場(chǎng)趨向成熟，無(wú)刷電機(jī)電動(dòng)車逐漸占據(jù)了約80%以上的市場(chǎng)份額。在電動(dòng)車原配件發(fā)生質(zhì)量問(wèn)題時(shí)如何選擇合適的電機(jī)類型與原機(jī)型配套已經(jīng)成為維修人員以及售后服務(wù)人員最關(guān)注的問(wèn)題。我國(guó)現(xiàn)在關(guān)于電機(jī)檢測(cè)系統(tǒng)大部分技術(shù)成果是依照工作原理搭建硬件電路，實(shí)現(xiàn)參數(shù)匹配，根據(jù)不同數(shù)據(jù)，分析確定電機(jī)類型是否匹配，工作狀況是否良好。同時(shí)隨著現(xiàn)代無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，無(wú)

4、刷直流電機(jī)控制器的相關(guān)技術(shù)也得到了飛速發(fā)展，其中由美國(guó)安森美公司開發(fā)的高性能第二代無(wú)刷直流電機(jī)控制器mc33035最具有代表性。本設(shè)計(jì)是以at89c51單片機(jī)為核心的無(wú)刷電機(jī)控制器相序檢測(cè)系統(tǒng)，達(dá)到軟件檢測(cè)的目的。二、研究方案通過(guò)電路圖繪制，將電機(jī)控制器的霍耳引出線輸入到單片機(jī)，應(yīng)用at89c51單片機(jī)進(jìn)行軟件檢測(cè)，將測(cè)得的各引線對(duì)應(yīng)的霍耳相序輸出到數(shù)碼管進(jìn)行顯示，并將電機(jī)電源的角度進(jìn)行顯示，采用繼電器控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作，確定控制器電源相序。使其可以實(shí)現(xiàn)以下功能： 檢測(cè)控制器角度 判斷霍爾控制線相序 判斷控制器三相電源相序 判斷控制器故障三、預(yù)期目標(biāo)三個(gè)數(shù)碼管分別對(duì)應(yīng)控制器三根電源線，當(dāng)三個(gè)數(shù)碼

5、管顯示ooo表示控制器完好，顯示eee時(shí)，表明該顯示對(duì)應(yīng)的控制器相序出現(xiàn)問(wèn)題，需要檢測(cè)。測(cè)出電機(jī)控制器的角度60或120并顯示在數(shù)碼管上。可在數(shù)碼管上顯示各霍耳引出線對(duì)應(yīng)的相序。通過(guò)軟件控制，可確定控制器的三根電源引線分別是a、b、c相。指導(dǎo)教師簽字時(shí) 間 年 月 日摘 要無(wú)刷電機(jī)控制器的相序檢測(cè)系統(tǒng)采用at89c51單片機(jī)作為主控制單元，用來(lái)檢測(cè)美國(guó)安森美公司的mc33035控制器的工作情況以及霍爾器件的工作性能。設(shè)計(jì)中檢測(cè)系統(tǒng)的外部電路包括光電耦合隔離電路、繼電器以及驅(qū)動(dòng)電路。設(shè)計(jì)采用at89c51單片機(jī)檢測(cè)無(wú)刷電機(jī)控制器的好壞及其相序和霍爾元件的相序，在所檢測(cè)控制器的工作性能良好的情況下

6、，將其相序輸出到數(shù)碼管顯示電路，同時(shí)判斷霍爾控制線的相序。本設(shè)計(jì)主要是針對(duì)無(wú)刷電機(jī)控制器的相序檢測(cè)系統(tǒng)，是電動(dòng)車檢測(cè)系統(tǒng)的一部分。這個(gè)電動(dòng)車檢測(cè)系統(tǒng)主要是為了方便維修人員檢修電動(dòng)車，同時(shí)也適用于對(duì)電動(dòng)車以及無(wú)刷電機(jī)控制器的工作原理還不太了解的客戶，使其能夠清晰的了解到電動(dòng)車無(wú)刷電機(jī)控制器的工作性能并及時(shí)更換工作性能較差的器件。關(guān)鍵字：無(wú)刷電機(jī)控制器 at89c51單片機(jī) 檢測(cè)系統(tǒng)目 錄第1章 緒論11.1 國(guó)際和國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀11.2 研究對(duì)象的技術(shù)指標(biāo)21.3 研究設(shè)計(jì)內(nèi)容51.4 研究設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)5第2章 設(shè)計(jì)方案62.1 無(wú)刷電機(jī)控制器的工作原理62.2 霍爾元件的工作原理82.3 無(wú)刷

7、電機(jī)控制器的相序檢測(cè)硬件框圖92.4 單片機(jī)的硬件電路設(shè)計(jì)102.4.1 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)102.4.2 時(shí)鐘電路112.5 顯示電路的設(shè)計(jì)122.5.1 顯示方法的介紹122.5.2 單片機(jī)的串行接口的選擇132.5.3 靜態(tài)數(shù)碼顯示的應(yīng)用132.6 外部信號(hào)的輸入電路152.7 電源電路的設(shè)計(jì)162.8 繼電器的選擇172.8.1 繼電器的基本技術(shù)要求172.8.2 繼電器原則的選擇172.8.3 繼電器的選擇182.8.4 繼電器的驅(qū)動(dòng)電路192.8.5 繼電器的附加電路19第3章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)203.1 系統(tǒng)主程序203.2 控制器故障檢測(cè)模塊213.3 控制器相角判斷模塊233.4 霍

8、爾和控制器相序的判斷模塊233.4.1 60度電機(jī)的判斷模塊233.4.2 120度電機(jī)的判斷模塊373.5 其他子程序43第4章 結(jié)論與發(fā)展前景444.1 結(jié)論444.2 前景展望44參考文獻(xiàn)45致謝46附錄47附錄a 外文資料翻譯47英文資料47中文翻譯52附錄b 硬件圖56附錄c 輸入輸出表5760度輸入輸出表57120度輸入輸出表60附錄d 軟件編程61第1章 緒論電動(dòng)自行車以電力作動(dòng)力, 騎行中不產(chǎn)生污染,無(wú)損于空氣質(zhì)量，而且未來(lái)的電動(dòng)車應(yīng)該是以無(wú)位置傳感器(霍耳元件)的3相無(wú)刷電機(jī)為主流。由于省卻了位置傳感器，電機(jī)結(jié)構(gòu)更簡(jiǎn)單，可靠1。電機(jī)只有3條繞組線，維護(hù)更簡(jiǎn)單、方便。因而與之相

9、配的無(wú)刷控制器技術(shù)含量更高，更換無(wú)刷電機(jī)控制器將變得異常簡(jiǎn)單。從改善人們的出行方式、保護(hù)環(huán)境和經(jīng)濟(jì)條件許可情況等因素綜合來(lái)看, 電動(dòng)自行車目前乃至今后都有著廣闊的發(fā)展空間。隨之而來(lái)的如何對(duì)出現(xiàn)問(wèn)題的電動(dòng)車進(jìn)行檢測(cè)已經(jīng)成為工程技術(shù)人員研究的主要方向。1.1 國(guó)際和國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀目前國(guó)際和國(guó)內(nèi)的無(wú)刷電機(jī)控制器的種類繁多，生產(chǎn)廠家各異，為了簡(jiǎn)述控制器的研究現(xiàn)狀，我將一些比較典型的控制方案進(jìn)行了簡(jiǎn)述和比較：(1)ic方案：市場(chǎng)推廣最早，4個(gè)邏輯門的ic加pic芯片，首先開始做無(wú)刷控制，其邏輯控制通過(guò)硬件完成。pic品牌使它當(dāng)初在市場(chǎng)上具有不可動(dòng)搖的地位，從而市場(chǎng)上破解版本很多，最初推出時(shí)性能并不穩(wěn)定，

10、后經(jīng)過(guò)晶匯改進(jìn)，軟件技術(shù)幾乎做到了極致，后來(lái)晶匯推出的cypress在軟件基本上都是建立在此基礎(chǔ)上的。(2)松正的33035方案：松正是電動(dòng)車控制器行業(yè)的先鋒者，最初做有刷控制器，后期做的無(wú)刷控制器方案，硬件電路復(fù)雜，電源部分采用開關(guān)電源和升壓電源驅(qū)動(dòng)mos，33035+mcu使得他的方案只能他自己做，軟件顯得有點(diǎn)無(wú)力，硬件部分復(fù)雜，而且做到終身保修。但總體來(lái)說(shuō)，技術(shù)含量已經(jīng)從本質(zhì)上轉(zhuǎn)移，電路復(fù)雜到一般人無(wú)法維修該方案的控制器。(3)cypress方案：cypress芯片一推出，它獨(dú)立的邏輯電路設(shè)計(jì)，就受到大部分開發(fā)工程師的歡迎，而且它可以任意定義任何i/o口的功能，不僅方便軟件設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)于

11、制板也是極大的方便，未來(lái)的ic發(fā)展還是以這樣的趨勢(shì)，最成功的案例首推晶匯，他們是最早做cypress方案之人，緊隨其后就是南京溧水，后來(lái)就有上海瑞峰等。(4)nec方案：日本的控制方案，價(jià)格相對(duì)便宜，符合大多數(shù)開發(fā)商的利益。nec最大的優(yōu)勢(shì)也就是在ic的價(jià)格，性能可以說(shuō)并不占優(yōu)勢(shì)，最大特點(diǎn)就是有8k的flash空間，可以擴(kuò)展功能，但一路pwm畢竟有限，而且矽成微電子是通過(guò)自身封裝的邏輯處理ic xc0806來(lái)做同步續(xù)流。目前市場(chǎng)上矽成微電子和紫薇單片機(jī)是后起之秀，他們是做無(wú)同步續(xù)流的，但電流處理技術(shù)首屈一指，所以，測(cè)功機(jī)上測(cè)試的曲線是做的最理想的。(5)avr方案：此方案的推廣過(guò)程曲折。avr

12、的芯片資源是最適合做無(wú)刷控制器的，6路相位修正型pwm完全可以不依賴外圍電路來(lái)處理邏輯驅(qū)動(dòng)的關(guān)系，目前最成功的數(shù)無(wú)錫方振電子，他們省掉了放大器，采用開關(guān)電路，功耗方面有點(diǎn)大，但穩(wěn)定性方面很多客戶還是認(rèn)可，電流處理方面，采用芯片內(nèi)部ad參考電壓1.1v，可以說(shuō)是完全單芯片的控制方案。但也有不足之處，就是太過(guò)依賴mcu，放大器省掉有點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)，電流畢竟是無(wú)刷控制的核心，完全采樣于康銅，直接考驗(yàn)mcu的極致的分辨率。(6)合泰義隆等臺(tái)灣芯片：合泰最早也是推出mcu+33035的方式，但后來(lái)也有用其他控制芯片的。臺(tái)灣芯片大部分是otp的，即一次性燒錄的，不具備flash功能，芯片抗干擾能力也有待考驗(yàn)。松正

13、就用的是一次性燒錄的芯片，義隆是很早就想介入無(wú)刷控制器領(lǐng)域的，他最早的em78p418/419就針對(duì)電控來(lái)做的，但由于抗干擾能力存在質(zhì)疑，所以推廣度一直不高。(7)st方案：st是無(wú)霍爾技術(shù)應(yīng)用比較成功的一款芯片。無(wú)霍爾是最近幾年最熱門的話題，如果可以成功，那將是控制器技術(shù)的又一大進(jìn)步2。綜上所述，目前國(guó)際國(guó)內(nèi)的控制器發(fā)展迅速，控制器的種類繁多，其中mc33035是相當(dāng)經(jīng)典芯片，所以我選擇以mc3305控制器進(jìn)行控制器相序檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。1.2 研究對(duì)象的技術(shù)指標(biāo)電動(dòng)自行車作為一種新型的代步工具，影響其質(zhì)量的最主要的部件是電機(jī)和控制器，當(dāng)電機(jī)確定后，控制器的質(zhì)量就決定了電動(dòng)自行車的運(yùn)行好壞。控

14、制器的質(zhì)量由其控制特性和可靠性兩方面決定1。控制特性主要指電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性、調(diào)速特性和負(fù)載能力。對(duì)控制器的考驗(yàn)主要是對(duì)功率驅(qū)動(dòng)管的負(fù)載能力的考驗(yàn)。運(yùn)轉(zhuǎn)的平穩(wěn)性除與電機(jī)機(jī)械和裝配質(zhì)量有一定的關(guān)系外，還與控制器、電機(jī)間的匹配及采用的控制技術(shù)有密切的關(guān)系。而控制器的可靠性與采用的元器件、電路設(shè)計(jì)、裝配質(zhì)量等因素有關(guān), 其中，尤以控制器所用的功率驅(qū)動(dòng)管的負(fù)載能力最為重要。在騎行中, 控制器的驅(qū)動(dòng)管處于大電流的開關(guān)運(yùn)行過(guò)程，因此，從某種意義上講，驅(qū)動(dòng)器的帶負(fù)載運(yùn)行能力是控制器最重要的技術(shù)指標(biāo)。影響控制器可靠性的因素即控制器的失效的原因，從表現(xiàn)形式來(lái)看，一般有以下幾種：(1)功率器件損壞；(2)控制器內(nèi)部

15、供電電源損壞；(3)控制器工作時(shí)斷時(shí)續(xù)；(4)連接線磨損及接插件接觸不良或脫落引起控制信號(hào)丟失3。針對(duì)以上失效形式的起因分析如下：(1)功率器件的損壞，一般有以下幾種可能：電機(jī)損壞引起的；功率器件本身的質(zhì)量差或選用等級(jí)不夠引起的；器件安裝或振動(dòng)松動(dòng)引起的；電機(jī)過(guò)載引起的；功率器件驅(qū)動(dòng)電路損壞或參數(shù)設(shè)計(jì)不合理引起的。(2)控制器內(nèi)部電源的損壞，一般有以下幾種可能：控制器內(nèi)部電路短路；外圍控制部件短路；外部引線短路。(3)控制器工作起來(lái)時(shí)斷時(shí)續(xù)，一般有以下幾種可能：器件本身在高溫或低溫環(huán)境下參數(shù)漂移；控制器總體設(shè)計(jì)功耗大導(dǎo)致某些器件局部溫度過(guò)高而使器件本身進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)；接觸不良。(4)連接線磨損及

16、接插件接觸不良或脫落，一般有以下幾種可能：線材選擇不合理；對(duì)線材的保護(hù)不完備；接插件的選型不好。提高控制器的可靠性的方案：了解電動(dòng)車控制系統(tǒng)可能發(fā)生故障點(diǎn)以后，有針對(duì)性的可靠性設(shè)計(jì)就有了目標(biāo)。(1)首先是功率器件的型號(hào)，品牌，產(chǎn)地與供應(yīng)商的選擇，然后對(duì)功率器件的篩選，以上兩點(diǎn)是提高功率器件可靠性前提。對(duì)無(wú)刷電機(jī)控制器而言，大多數(shù)廠家采用專用驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)。專用驅(qū)動(dòng)芯片的不足之處是價(jià)格較高，內(nèi)部的變電路采用了有源電路，轉(zhuǎn)換效率偏低，其主要的應(yīng)用場(chǎng)合是在周圍電路完全沒(méi)有交流電存在情況下，利用其內(nèi)部電路完成變頻、升壓與整流。(2)對(duì)于控制器的內(nèi)部電源，為了防止控制器內(nèi)部或外部短路對(duì)電源的損壞，同時(shí)也是

17、出于對(duì)電源自身的保護(hù)，可以把電源設(shè)計(jì)成獨(dú)立供電方式，這樣既可以防止局部電路(轉(zhuǎn)把，閘把、電機(jī)傳感器等)發(fā)生短路而燒壞控制器，又可以防止電源電壓異常升高而擊穿外部器件。所以采用dcdc模塊的負(fù)載能力強(qiáng)，自身的功率損耗相當(dāng)?shù)?不到0.1w)，這在提高控制器的整體效率，降低控制器的運(yùn)行溫度方面有著線形穩(wěn)壓器無(wú)可比擬的優(yōu)點(diǎn)。(3)要克服控制器對(duì)溫度的敏感，第一是選擇溫度系數(shù)好的元器件，第二是從設(shè)計(jì)上降低各模塊電路的功率消耗，第三是盡量減少無(wú)用功消耗，第四是充分考慮到控制器的散熱。在電動(dòng)車控制器里，用于采樣電流信號(hào)的阻值大功率電阻器件屬于控制的功率器件之一，電流采樣電阻的功率消耗屬于無(wú)用消耗，要減小控制

18、器的功耗，降低控制器的運(yùn)行溫度，可以利用電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)電流的絕對(duì)對(duì)應(yīng)關(guān)系，通過(guò)檢測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)速來(lái)檢測(cè)電機(jī)電流，從而達(dá)到控制電流的目的。(4)由于電動(dòng)車電氣系統(tǒng)信號(hào)的傳輸是用連接線束來(lái)完成的，出于提高電動(dòng)車整車的可靠性和提高控制器本身的可靠性出發(fā)，對(duì)電動(dòng)車連接線束與接插件的要求是：可靠、防水、防塵、抗震、抗氧化、防磨損。對(duì)于無(wú)刷電機(jī)控制器，由于輸入控制變量與控制器使用功率器件比較多，控制器可以利用各種輸入信號(hào)對(duì)控制系統(tǒng)完成相當(dāng)完善的與想當(dāng)靈活的保護(hù)，這些保護(hù)功能可以有：過(guò)流保護(hù)、低電流過(guò)載保護(hù)、電機(jī)換相信號(hào)錯(cuò)誤保護(hù)以及在沒(méi)有過(guò)流的情況下電機(jī)堵轉(zhuǎn)直接保護(hù)等。無(wú)刷控制器通過(guò)直接讀取各種控制信號(hào)，進(jìn)

19、行實(shí)時(shí)處理或保護(hù)，這種方法就可以大大提高無(wú)刷控制器的設(shè)計(jì)可靠性4。現(xiàn)在電動(dòng)自行車充分運(yùn)用當(dāng)今新技術(shù)、新材料, 尤其采用集成電路、電子元器件, 提高了電動(dòng)自行車控制器的質(zhì)量, 使其可靠性、安全性、靈活性得到提高12。當(dāng)今，控制器按照與之相配的電機(jī)不同可分為：有刷控制器和無(wú)刷控制器兩類。 按照功能不同可分為：普通型和智能型兩類。智能型一般具有助力、定速等功能。按照電路形式可分為：純硬件型和軟件型兩類。純硬件簡(jiǎn)單、造價(jià)低；軟件型造價(jià)高，但功能齊全，可靠性更高。目前，電動(dòng)自行車所用的控制器的型號(hào)和特點(diǎn)如下表1-1。表1-1 電動(dòng)自行車控制器的型號(hào)和特點(diǎn)控制器名稱代表型號(hào)電路結(jié)構(gòu)功率管數(shù)價(jià)格騎行模式功能

20、描述普通有刷zk3610a簡(jiǎn)單12低單一“電動(dòng)”騎行功能欠壓、限流/過(guò)流智能有刷zkc3610e簡(jiǎn)單12中“助力”、“電動(dòng)”、“定速”欠壓、限流/過(guò)流、故障自檢/顯示普通無(wú)刷wzk3610a復(fù)雜6高單一“電動(dòng)”騎行功能智能無(wú)刷wzkc3610e復(fù)雜6高“助力”、“電動(dòng)”、“定速”欠壓、限流、電機(jī)堵轉(zhuǎn)保護(hù)、缺相保護(hù)、故障自檢/顯示目前，我國(guó)關(guān)于無(wú)刷電機(jī)控制器的檢測(cè)系統(tǒng)大部分是依照控制器的工作原理搭建硬件電路，通過(guò)外部發(fā)光管的亮滅情況，分析所檢測(cè)控制器的角度和相序，確定和電機(jī)的連接正確性。但是其電路復(fù)雜，而且需要人工干預(yù)判斷，尤其是相序判斷的過(guò)程。這些問(wèn)題擺在設(shè)計(jì)人員的眼前，而且只從更改硬件電路方

21、面是不能解決這些問(wèn)題的。現(xiàn)在，如何應(yīng)用微機(jī)既能實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化硬件電路又能實(shí)現(xiàn)電機(jī)控制器的相序檢測(cè)以及與電機(jī)的正確連接問(wèn)題成為現(xiàn)在工程技術(shù)人員的主要研究方向。1.3 研究設(shè)計(jì)內(nèi)容本論文主要研究的內(nèi)容是電動(dòng)車無(wú)刷電機(jī)控制器的相序檢測(cè)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)采用了at89c51單片機(jī)作為主控制單元,將控制器輸出的三根電源引線(控制器輸出的三根粗線)連接到光電隔離電路，從光電隔離電路輸出的信號(hào)再接入單片機(jī)，以達(dá)到防止控制器輸出信號(hào)出現(xiàn)強(qiáng)電壓或強(qiáng)電流時(shí)對(duì)單片機(jī)產(chǎn)生損壞的現(xiàn)象，而且光電隔離電路輸出的信號(hào)僅有高、低電平兩種狀態(tài)。單片機(jī)對(duì)進(jìn)入它的信號(hào)進(jìn)行判斷檢測(cè)，將檢測(cè)結(jié)果輸出到顯示電路(顯示電路的顯示主要顯示控制器的相序、三個(gè)

22、霍耳元件是否工作正常、顯示霍耳分別對(duì)應(yīng)的相序線、控制器的角度)最后通過(guò)單片機(jī)軟件編程控制輸出信號(hào)到光電隔離電路，再經(jīng)過(guò)三極管驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，從而決定霍爾元件是否接地。霍爾元件是否接地又對(duì)應(yīng)的影響控制器的相序輸出，由此可以清楚的判別出控制器和霍爾的相序并輸出顯示。1.4 研究設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)本設(shè)計(jì)改變了過(guò)去無(wú)刷電機(jī)控制器的相序檢測(cè)系統(tǒng)必需人工干預(yù)的缺點(diǎn)，采用at89c51作為控制核心，用軟件編程控制外部硬件電路的相應(yīng)變化(主要是繼電器常開點(diǎn)的斷開或閉合),并可以直觀地在數(shù)碼管顯示器上觀察控制器的三相電源的相序，以及霍爾控制線的相序，根據(jù)數(shù)碼管顯示器上的顯示，就可以正確地連接無(wú)刷電機(jī)和控制器，整個(gè)過(guò)程

23、不需要人的干預(yù)，在接線完成后全部是系統(tǒng)自身完成的。由于沒(méi)有人的干預(yù)，減少了由于操作人員技術(shù)上的差異所引起的檢測(cè)結(jié)果的失誤，保證了檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確性。第2章 設(shè)計(jì)方案2.1 無(wú)刷電機(jī)控制器的工作原理目前無(wú)刷電機(jī)控制器采用的核心芯片一般選擇美國(guó)安森美公司的mc33033或mc33035，或者選擇德州儀器公司的tms320c240。以下我將以mc33035為例介紹無(wú)刷電機(jī)控制器的核心芯片。mc33035無(wú)刷直流電機(jī)控制器采用雙極性模擬工藝制造，可在任何惡劣的工業(yè)環(huán)境條件下保證高品質(zhì)和高穩(wěn)定性。該控制器內(nèi)含可用于正確整流時(shí)序的轉(zhuǎn)子位置譯碼器，以及可對(duì)傳感器的溫度進(jìn)行補(bǔ)償?shù)膮⒖茧娖剑瑫r(shí)它還具有一個(gè)頻率可

24、編程的鋸齒波振蕩器、一個(gè)誤差信號(hào)放大器、一個(gè)脈沖調(diào)制器比較器、三個(gè)集電極開路頂端驅(qū)動(dòng)輸出和三個(gè)非常適用于驅(qū)動(dòng)功率場(chǎng)效應(yīng)管 (mosfet) 的大電流圖騰柱式底部輸出器。此外，mc33035還有欠壓鎖定功能，同時(shí)帶有可選時(shí)間延遲鎖存關(guān)斷模式的逐周限流特性以及內(nèi)部熱關(guān)斷等特性。其典型的電機(jī)控制功能包括開環(huán)速度、正向或反向、以及運(yùn)行使能等。mc33035的管腳分布情況如圖2-1所示：圖2-1 mc33035的管腳分布圖mc33035內(nèi)部的轉(zhuǎn)子位置譯碼器主要用于監(jiān)控三個(gè)傳感器輸入，以便系統(tǒng)能夠正確提供高端和低端驅(qū)動(dòng)輸入的正確時(shí)序。傳感器輸入可直接與集電極開路型霍爾效應(yīng)開關(guān)或者光電耦合器相連接。此外，該

25、電路還內(nèi)含上拉電阻，其輸入與門限典型值為2.2v的 ttl電平兼容。用 mc33035系列產(chǎn)品控制的三相電機(jī)可在最常見的四種傳感器相位下工作。mc33035所提供的 60/120選擇可使mc33035很方便地控制具有 60、120、240或 300的傳感器相位電機(jī)。其三個(gè)傳感器輸入有八種可能的輸入編碼組合，其中六種是有效的轉(zhuǎn)子位置，另外兩種編碼組合無(wú)效。通過(guò)六個(gè)有效輸入編碼可使譯碼器在使用60電氣相位的窗口內(nèi)分辨出電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置。mc33035直流無(wú)刷電機(jī)控制器的正向/反向輸出可通過(guò)翻轉(zhuǎn)定子繞組上的電壓來(lái)改變電機(jī)轉(zhuǎn)向。當(dāng)輸入狀態(tài)改變時(shí)，指定的傳感器輸入編碼將從高電平變?yōu)榈碗娖剑瑥亩淖冋鲿r(shí)序

26、，以使電機(jī)改變旋轉(zhuǎn)方向。電機(jī)通/斷控制可由輸出使能來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)該管腳開路時(shí)，連接到正電源的內(nèi)置上拉電阻將會(huì)啟動(dòng)頂部和底部驅(qū)動(dòng)輸出時(shí)序。而當(dāng)該腳接地時(shí)，頂端驅(qū)動(dòng)輸出將關(guān)閉，并將底部驅(qū)動(dòng)強(qiáng)制為低，從而使電動(dòng)機(jī)停轉(zhuǎn)1。mc33035中的誤差放大器、振蕩器、脈沖寬度調(diào)制、電流限制電路、片內(nèi)電壓參考、欠壓鎖定電路、驅(qū)動(dòng)輸出電路以及熱關(guān)斷等電路的工作原理及操作方法與其它同類芯片的方法基本類似。基于mc33035的三相六步電機(jī)控制電路如圖2-2所示：圖2-2 三相六步全波電機(jī)控制電路圖 2-2所示的三相應(yīng)用電路是具有全波六步驅(qū)動(dòng)的一個(gè)開環(huán)電機(jī)控制器的電路連接圖。其中的功率開關(guān)三極管為達(dá)林頓 pnp型，下部的功

27、率開關(guān)三極管為n溝道功率mosfet。由于每個(gè)器件均含有一個(gè)寄生箝位二極管，因而可以將定子電感能量返回到電源。其輸出能驅(qū)動(dòng)三角型連接或星型連接的定子，如果使用分離電源, 也能驅(qū)動(dòng)中線接地的y型連接。在任意給定的轉(zhuǎn)子位置，圖 2-2所示的電路中都僅有一個(gè)頂部和底部功率開關(guān)(屬于不同的圖騰柱)有效。因此，通過(guò)合理配置可使定子繞組的兩端從電源切換到地，并可使電流為雙向或全波。由于前沿尖峰通常在電流波形中出現(xiàn)，并會(huì)導(dǎo)致限流錯(cuò)誤。因此，可通過(guò)在電流檢測(cè)輸入處串聯(lián)一個(gè)rc濾波器來(lái)抑制尖峰。同時(shí)，rs采用低感型電阻也有助于減小尖峰。2.2 霍爾元件的工作原理在無(wú)刷電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制中，為了檢測(cè)轉(zhuǎn)子的位置常采用霍

28、爾元件，用以傳送控制系統(tǒng)的位置或速度偏差電壓，即利用霍爾元件的乘算功能產(chǎn)生同偏差成比例的無(wú)刷電機(jī)力矩。由于霍爾集成傳感器的應(yīng)用，可使得控制系統(tǒng)大為簡(jiǎn)化。霍爾元件是基于霍爾效應(yīng)原理，用半導(dǎo)體材料制成的。所謂霍爾效應(yīng)：即通電導(dǎo)體置于磁場(chǎng)中，當(dāng)它的電流方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí)，載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場(chǎng)方向上的兩個(gè)面之間會(huì)產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，其工作電路圖如下圖2-3所示。圖2-3 霍爾元件的工作原理圖當(dāng)環(huán)境溫度和激勵(lì)電流一定時(shí)，霍爾電勢(shì)大小與磁感強(qiáng)度成正比，因此可通過(guò)霍爾元件能檢測(cè)磁場(chǎng)的強(qiáng)弱。無(wú)刷電機(jī)中一般用永磁磁鋼，在定子線圈中流過(guò)交流或脈動(dòng)電流，利用產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的方法，省去了電刷和整流子，而旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的磁極

29、和旋轉(zhuǎn)永磁磁鋼的磁極之間保持近 90度的力矩角，能產(chǎn)生效果良好的力矩。霍爾位置傳感器元件較小，一般放置在各相帶繞組的中間位置，可以60間隔放置，也可以120間隔放置。無(wú)論怎樣放置，在一定范圍內(nèi)，位置傳感器的一個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)著轉(zhuǎn)子磁極與定子繞組的相對(duì)位置2。為此，可采用霍爾元件作磁敏傳感器檢出轉(zhuǎn)子位置，用這位置信號(hào)來(lái)控制控制器輸出電源相序的變化。2.3 無(wú)刷電機(jī)控制器的相序檢測(cè)硬件框圖本設(shè)計(jì)主要是單片機(jī)為核心的應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包含有硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)兩部分，針對(duì)本設(shè)計(jì)的要求，包括以下方面的硬件設(shè)計(jì)：220v電源變壓器全橋整流濾波電路12v穩(wěn)壓塊5v穩(wěn)壓塊電源電路設(shè)計(jì)：?jiǎn)纹瑱C(jī)電源電路設(shè)計(jì)以及復(fù)位電路設(shè)

30、計(jì)、繼電器電源電路設(shè)計(jì)以及、數(shù)碼管與可調(diào)電壓電源電路的設(shè)計(jì)等。電源電路的硬件框圖如下圖2-4所示。圖2-4 電源電路的硬件框圖通道與接口設(shè)計(jì)：由于大多數(shù)通道都是通過(guò)i/o配置，它們與單片機(jī)本身并無(wú)緊密聯(lián)系，大多數(shù)接口電路都能方便移植到其它類型的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中去，但必須注意i/o口的驅(qū)動(dòng)能力，在設(shè)計(jì)數(shù)碼管顯示時(shí)74ls164與數(shù)碼管顯示電路之間的電阻值應(yīng)匹配。顯示電路：根據(jù)i/o口資源可利用串行口來(lái)設(shè)計(jì)顯示電路。設(shè)計(jì)系統(tǒng)抗干擾：為了使系統(tǒng)可以在不同的環(huán)境中得到應(yīng)用，系統(tǒng)中設(shè)計(jì)可抗干擾電路，例如光耦隔離電路。設(shè)計(jì)中整個(gè)硬件電路的框圖如圖2-5所示。無(wú)刷電機(jī)控制器輸出電源信號(hào)光電隔離電路at89c

31、51時(shí)鐘電路復(fù)位電路光電隔離電路驅(qū)動(dòng)電 路繼電器顯示電路霍爾元件圖2-5 硬件框圖2.4 單片機(jī)的硬件電路設(shè)計(jì)2.4.1 復(fù)位電路的設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)在啟動(dòng)運(yùn)行時(shí)都需要復(fù)位，使cpu和系統(tǒng)中的其它部件都處于一個(gè)確定的初始狀態(tài)，并從這個(gè)狀態(tài)開始工作。單片機(jī)的復(fù)位都是靠外部電路實(shí)現(xiàn)的，單片機(jī)有一個(gè)復(fù)位引腳rst，高電平有效。在at89c51單片機(jī)的rst端輸入24個(gè)振蕩周期(兩個(gè)機(jī)器周期)以上的高電平，單片機(jī)便進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。在復(fù)位時(shí)，輸出信號(hào)ale、為高電平。rst變?yōu)榈碗娖剑顺鰪?fù)位狀態(tài)，cpu從初始狀態(tài)開始工作。復(fù)位操作不影響片內(nèi)ram的內(nèi)容3。單片機(jī)通常采用上電自動(dòng)復(fù)位和開關(guān)手動(dòng)復(fù)位兩種方式。所謂上

32、電復(fù)位，是指單片機(jī)只要以上電，便自動(dòng)進(jìn)入復(fù)位狀態(tài)。在通電瞬間，電源給電容充電，rst端出現(xiàn)正脈沖，用以復(fù)位。設(shè)計(jì)中采用的晶體頻率為12mhz，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，可以選擇c=10，r=8.2k。在本檢測(cè)系統(tǒng)中，由于系統(tǒng)運(yùn)行后不需要復(fù)位，所以只采用上電復(fù)位。復(fù)位電路如下圖2-6所示。圖2-6 復(fù)位電路2.4.2 時(shí)鐘電路at89c51單片機(jī)的時(shí)鐘產(chǎn)生方式有兩種：內(nèi)部時(shí)鐘方式和外部時(shí)鐘方式。最常用的內(nèi)部時(shí)鐘方式是采用外接晶體和電容組成并聯(lián)諧振回路，所有的單片機(jī)并聯(lián)諧振回路參數(shù)相同。at89c51單片機(jī)允許的振蕩晶體可在1.212mhz之間選擇，本系統(tǒng)選擇晶體頻率為12mhz。時(shí)鐘電路的外接晶體可以分為石英晶

33、體和陶瓷諧振警惕兩種。本設(shè)計(jì)采用外接石英晶體，電容c1和c2的值選擇為30pf4。電容c1和c2的取值對(duì)振蕩頻率輸出的穩(wěn)定性、大小及振蕩電路的起振速度有一定的影響。時(shí)鐘電路圖如圖2-7所示。 圖2-7 時(shí)鐘電路振蕩器的振蕩頻率由外接的石英晶體或陶瓷振蕩器的諧振頻率確定。為了減小寄生電容，更好的保證振蕩器穩(wěn)定可靠的工作，石英晶體或陶瓷振蕩器和電容應(yīng)該盡可能安裝得與單片機(jī)芯片靠近。外部時(shí)鐘方式是利用外部振蕩信號(hào)直接接入xtal1或xtal2，由于hmos和chmos單片機(jī)內(nèi)部時(shí)鐘進(jìn)入的引腳不同，其外部振蕩信號(hào)源接入的方式也不同。由于本檢測(cè)系統(tǒng)中采用的是內(nèi)部時(shí)鐘方式，在此對(duì)外部時(shí)鐘方式就不做詳細(xì)介紹

34、了。2.5 顯示電路的設(shè)計(jì)2.5.1 顯示方法的介紹設(shè)計(jì)的顯示部分采用數(shù)碼管顯示(led顯示)。led數(shù)碼管的主要特點(diǎn)如下：(1) 能在低電壓、小電流條件下驅(qū)動(dòng)發(fā)光，能與cmos、ttl兼容。(2) 發(fā)光響應(yīng)時(shí)間極短(0.1s)，高頻特性好，單色性好，亮度高。(3) 體積小，重量輕，抗沖擊性能好。(4) 壽命長(zhǎng)，使用壽命在10萬(wàn)個(gè)小時(shí)以上，而且成本低9。所以，本設(shè)計(jì)的顯示部分采用的是led數(shù)碼管顯示。 led顯示器是由發(fā)光二極管顯示子段組成的顯示器件，是單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中常用的輸出設(shè)備。在我設(shè)計(jì)的單片機(jī)系統(tǒng)中使用的是七段led顯示器，它是由七段發(fā)光二極管組成的，當(dāng)發(fā)光二極管導(dǎo)通時(shí)就發(fā)光。控制不同

35、組合的發(fā)光二極管導(dǎo)通，就能顯示出09、a、b、c、d、e、f及小數(shù)點(diǎn)“.”等字符。本設(shè)計(jì)檢測(cè)系統(tǒng)采用共陽(yáng)極顯示器，即發(fā)光二極管的陽(yáng)極連在一起的顯示器6。在單片機(jī)系統(tǒng)中，常用的顯示方法有靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示兩種。所謂靜態(tài)顯示，是由單片機(jī)一次輸出顯示后，就能保持，直到下次送新的顯示模型為止。這種顯示的優(yōu)點(diǎn)是占用機(jī)時(shí)少，顯示可靠；缺點(diǎn)是使用元件多，且線路比較復(fù)雜，因而成本比較高。但是隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，目前已經(jīng)研制出具有多種功能顯示器件。顯示數(shù)位比較少時(shí)，采用這種顯示方式是合適的。這種顯示方式的每一個(gè)七段顯示器需要一個(gè)8位輸出口控制4。由于本設(shè)計(jì)的顯示位數(shù)只有6位，所以采用靜態(tài)顯示是合適的、經(jīng)濟(jì)

36、的。而且可以利用軟件控制對(duì)顯示器進(jìn)行控制，使ds1ds3顯示2秒鐘的電機(jī)角度后顯示無(wú)刷電機(jī)控制器的相序a、b、c，兩秒鐘后，再次顯示電機(jī)角度，實(shí)現(xiàn)電機(jī)角度和電機(jī)控制器相序的循環(huán)顯示。況且本設(shè)計(jì)使用于無(wú)刷電機(jī)控制器的相序檢測(cè)的，具有非常強(qiáng)的實(shí)用性，所以從設(shè)計(jì)的實(shí)用性、可靠性、快速性以及成本問(wèn)題等方面的考慮，采用靜態(tài)顯示是符合系統(tǒng)的功能要求和成本的經(jīng)濟(jì)性要求的。在使用數(shù)碼管靜態(tài)顯示時(shí)，需要可以提供單獨(dú)鎖存的i/o接口電路，在此我選擇常用的串并轉(zhuǎn)換電路74ls164。由于本設(shè)計(jì)采用的是數(shù)碼管靜態(tài)顯示，所以動(dòng)態(tài)顯示就不做介紹了。2.5.2 單片機(jī)的串行接口的選擇計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)傳送共分為兩種方式：并行數(shù)據(jù)

37、傳送和串行數(shù)據(jù)傳送。并行數(shù)據(jù)傳送的特點(diǎn)是：多個(gè)數(shù)據(jù)位可以同時(shí)傳送，因此數(shù)據(jù)的傳送速度快、效率高，但并行數(shù)據(jù)傳送有多少位就需要多少根線，所以傳送成本高。并行數(shù)據(jù)傳送比較適用于短距離的數(shù)據(jù)傳送，通常傳送距離應(yīng)該小于30米3。串行數(shù)據(jù)傳送的特點(diǎn)是：數(shù)據(jù)傳送按位順序進(jìn)行，通信線路簡(jiǎn)單，最少只需要一根傳輸線即可實(shí)現(xiàn)通信；而且它既可以傳送數(shù)據(jù)信息，又可以傳送通信控制信息；傳送成本低，但速度慢；對(duì)信息格式又固定的要求，并且對(duì)信息的邏輯定義與ttl不兼容，需要進(jìn)行邏輯電平轉(zhuǎn)換。所以計(jì)算機(jī)與外部的數(shù)據(jù)傳送大多數(shù)是串行的4。本設(shè)計(jì)采用串行數(shù)據(jù)傳送方式。通常把計(jì)算機(jī)與外界的數(shù)據(jù)傳送稱之為通信，因此所謂串行通信也就是

38、串行數(shù)據(jù)傳送。2.5.3 靜態(tài)數(shù)碼顯示的應(yīng)用本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)方式0 移位寄存器輸入/輸出方式。外接串行輸入并行輸出的移位寄存器74ls164來(lái)擴(kuò)展i/o口，串行數(shù)據(jù)從rxd引腳輸出，txd引腳輸出移位脈沖。cpu將數(shù)據(jù)寫入發(fā)送寄存器時(shí)，立即啟動(dòng)發(fā)送，將8位數(shù)據(jù)以fos/12的固定波特率從rxd輸出，低位在前，高位在后。發(fā)送完一幀數(shù)據(jù)后，發(fā)送中斷標(biāo)志ti由硬件置位9。74ls164為ttl單向8位移位寄存器，可實(shí)現(xiàn)串行輸入，并行輸出功能，而且74ls164的驅(qū)動(dòng)電流可達(dá)20ma，可直接驅(qū)動(dòng)led數(shù)碼管要顯示的數(shù)字存入。輸出時(shí)采用查表法，將數(shù)字對(duì)應(yīng)的段碼值送到p1口；位選信號(hào)輸出，采用直接位尋址方

39、式。其中74ls164的a、b(第1、2腳)為串行數(shù)據(jù)輸入端，2個(gè)引腳按邏輯與運(yùn)算規(guī)律輸入信號(hào)，一個(gè)輸入信號(hào)時(shí)可并接。t(第8腳)為時(shí)鐘輸入端，可連接到串行口的txd端。每一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的上升沿加到t端時(shí)，移位寄存器移一位，8個(gè)時(shí)鐘脈沖過(guò)后，8位二進(jìn)制數(shù)全部移入74ls164中13。靜態(tài)顯示電路圖如圖2-8所示。圖2-8 靜態(tài)顯示電路圖該電路只使用at89c51的2個(gè)端口，配接6片串入并出移位寄存器74ls164。其中74ls164的引腳q0q7為8位并行輸出端：引腳a、b為串行輸入端；引腳clk為時(shí)鐘脈沖輸入端，在clk脈沖的上升沿作用下實(shí)現(xiàn)移位，在clk = 0，清除端mr = 1時(shí),74l

40、s164保持原來(lái)數(shù)據(jù)狀態(tài)；mr = 0 時(shí)，74ls164輸出清零。其工作過(guò)程如下：at89c51的串行口設(shè)定在方式0移位寄存器狀態(tài)下，串行數(shù)據(jù)由rxd發(fā)送，移位時(shí)鐘由txd送出。在移位時(shí)鐘的作用下，串行口發(fā)送緩沖器的數(shù)據(jù)一位一位地移入74ls164中。6片74ls164串級(jí)擴(kuò)展為6個(gè)8位并行輸出口,分別連接到6個(gè)led顯示器的段選端作靜態(tài)顯示。需要指出的是，由于74ls164無(wú)并行輸出控制端，因而在串行輸入過(guò)程中，其輸出端的狀態(tài)會(huì)不斷變化，造成不應(yīng)顯示的字段仍有較暗的亮度，影響了顯示的效果。總體來(lái)說(shuō)，顯示效果還是可以接受的，是符合設(shè)計(jì)要求的。圖2-9中的電阻阻值的確定：由于74ls164輸出

41、低電平時(shí)最大電流為8ma，所以，數(shù)碼管每段工作電流不能超過(guò)8 ma。取if=4ma，74ls164輸出低電平為vol=0.4v。所以圖中的電阻值根據(jù)歐姆定律確定為：r=775，取750，即電阻值取為0.75k。為了方便起見，選擇電阻值為1k，起的是限流作用。led數(shù)碼管的亮度控制非常重要，它直接影響led數(shù)碼管的使用壽命。如果采用硬件控制，則電路復(fù)雜。可采用“硬件軟化”的方法，由軟件控制我們知道：每掃描完一位led數(shù)碼管，要加入必要的延時(shí)時(shí)間(不引起閃爍)，才能使led數(shù)碼管足夠亮，只要控制延時(shí)時(shí)間的長(zhǎng)短，即可控制led數(shù)碼管的亮度14。2.6 外部信號(hào)的輸入電路在對(duì)單片機(jī)進(jìn)行信號(hào)輸入時(shí)，要防

42、止干擾，尤其是外部干擾，例如霍爾傳感器產(chǎn)生的干擾、電源產(chǎn)生的干擾、外界環(huán)境產(chǎn)生的干擾等。為了抑制外部干擾，可以采取的措施有：利用光電耦合器把各種模擬負(fù)載與數(shù)字信號(hào)源隔離開來(lái)，把數(shù)字地同模擬地有效斷開，加入平波電抗器對(duì)電源干擾進(jìn)行抑制6。在本設(shè)計(jì)中，從無(wú)刷電機(jī)控制器中引出的3根線是控制器要輸出給無(wú)刷電機(jī)的電源a、b、c相，但是相序未知。為了檢測(cè)其相序，將3根引線輸入到單片機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。由于控制器輸出的電壓和電流都無(wú)法確定大小，為了防止輸出的強(qiáng)電壓或者強(qiáng)電流燒壞單片機(jī)，我采用光電耦合電路對(duì)干擾進(jìn)行隔離。將無(wú)刷電機(jī)控制器輸出的a、b、c相引入光電耦合電路，并將輸出分別命名為p13、p14、p15，分別

43、引入到單片機(jī)的p13、p14、p15口，這樣既可以防止外部干擾，又可以防止燒壞單片機(jī)。輸入電路圖如下圖2-9所示。圖2-9 輸入電路由經(jīng)驗(yàn)可知，光電耦合電路在電流為10毫安左右時(shí)傳輸效率最高，并據(jù)此選擇輸入電阻值。電動(dòng)車無(wú)刷電機(jī)控制器的輸出電壓為36v或者48v，所以根據(jù)歐姆定律得ra=rb=rc=3.6k。采用光電耦合電路還有一個(gè)很重要的優(yōu)點(diǎn)就是可以省去a/d轉(zhuǎn)換器，既節(jié)約了設(shè)計(jì)成本，又節(jié)省了產(chǎn)品所占用的空間，使檢測(cè)系統(tǒng)更加小巧，且對(duì)功能的實(shí)現(xiàn)沒(méi)有太大的影響7。2.7 電源電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中，at89c51單片機(jī)需要5v的穩(wěn)壓電源，而繼電器不能和單片機(jī)共用一個(gè)穩(wěn)壓電源，這是因?yàn)槔^電器在斷開時(shí)

44、會(huì)產(chǎn)生一個(gè)比較大的沖擊電壓，從而會(huì)影響到穩(wěn)壓電源的輸出，可能會(huì)燒毀單片機(jī)，所以選擇12v的繼電器，就需要一個(gè)單獨(dú)的12v穩(wěn)壓電源。因此，在設(shè)計(jì)電路時(shí)，要使穩(wěn)壓電路可以分別輸出5v和12v的直流穩(wěn)壓電源。集成三端穩(wěn)壓器因其穩(wěn)壓精度高、工作穩(wěn)定可靠、外圍電路簡(jiǎn)單、容易設(shè)計(jì)和制作、體積小、重量輕、成本低、維修簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)16，所以在本電源電路中采用的分別是12v集成三端穩(wěn)壓器和5v集成三端穩(wěn)壓器。本設(shè)計(jì)中穩(wěn)壓電源電路圖如圖2-10所示。圖2-10 穩(wěn)壓電源電路將交流電網(wǎng)220v的電壓輸送到變壓器，并且對(duì)變壓器的變比進(jìn)行選擇，為了達(dá)到設(shè)計(jì)要求，我選擇的是原、副線圈比為220：15的變壓器，將交流220v

45、的電壓變成交流15v的電壓。然后通全波整流將交流電壓220v 變成脈動(dòng)的直流電壓vi。由于此脈動(dòng)的直流電壓還含有較大的紋波，必須通過(guò)濾波電容加以濾除，從而得到平滑的直流電壓。由于電壓經(jīng)電容濾波后，為原電容峰值電壓的1.2倍，則濾波后電壓ui=18v，故選取的濾波電容為耐壓值為25v的電容。再經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓塊進(jìn)行穩(wěn)壓，每一個(gè)穩(wěn)壓塊都至少吸收4v的電壓。則此穩(wěn)壓電源電路可以輸出+12v和vcc的穩(wěn)定電壓，符合系統(tǒng)的要求10。確定電容c7 ,可用下式進(jìn)行計(jì)算： (2-1)式中:10ms 為交流電網(wǎng)電壓周期的一半。按輸出電流應(yīng)有10%的余量，可取imax = 1.1a，i = 1.1a通過(guò)計(jì)算，得:c716

46、92。因此取c7 = 1800。同理，電容c8的取值為2000，是濾波電容。電容c9的作用是減小穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾，其數(shù)值為經(jīng)驗(yàn)值，在100左右20。2.8 繼電器的選擇2.8.1 繼電器的基本技術(shù)要求繼電器雖然分為電磁式、干簧式等很多種，也有很多技術(shù)參數(shù)，而且各種繼電器的技術(shù)參數(shù)也不盡相同，但電氣裝置對(duì)繼電器的基本技術(shù)要求則是相同的。這主要是：(1)工作可靠。繼電器在電氣裝置中擔(dān)任很重要的角色，它的失控不僅影響電器工作，還會(huì)造成更嚴(yán)重后果。不但在室溫下要正常工作，還要在一定溫度、濕度、氣壓及振動(dòng)等條件下正常工作。(2)動(dòng)作靈敏。不同繼電器的靈敏度不同，但總希望繼電器在很小

47、驅(qū)動(dòng)電壓(電流)下就可以工作，當(dāng)然要保證可靠穩(wěn)定。(3)性能穩(wěn)定。繼電器不但在出廠時(shí)性能應(yīng)該滿足要求，長(zhǎng)時(shí)間使用后繼電器性能也應(yīng)該變化不大，并希望繼電器有很長(zhǎng)的壽命(一般壽命為數(shù)十萬(wàn)至數(shù)百萬(wàn)次)9。2.8.2 繼電器原則的選擇選擇繼電器時(shí)必須綜合考慮其工作電壓，線圈電流和電流，被控對(duì)象(機(jī)件或電路)的電壓、電流和負(fù)載性質(zhì)(純阻性、感性等)，功能特點(diǎn)及使用環(huán)境等因素。(1)類型的選擇使用類別的選擇首先弄清楚被控負(fù)載的情況，如負(fù)載的性質(zhì)(阻性、感性或容性等)、負(fù)載的輕重、負(fù)載的額定工作頻率、被控電壓的高低以及是直流還是交流。所選定的繼電器應(yīng)與控制電路及其負(fù)載的實(shí)際要求相比較，看是否符合要求。使用環(huán)

48、境的考慮使用環(huán)境指安裝地點(diǎn)及使用場(chǎng)合、環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、污染(或潔凈)情況、沖擊和振動(dòng)情況等。這些是選定繼電器結(jié)構(gòu)(敞開式、封閉式和密封式)和防護(hù)類別的主要依據(jù)8。(2)型號(hào)規(guī)格的選擇首先應(yīng)選擇繼電器的額定工作電壓ue和額定工作電流ie。繼電器的最高工作電壓不能超過(guò)ue，其最大工作電流應(yīng)小于ie。當(dāng)繼電器由晶體三極管或集成電路驅(qū)動(dòng)時(shí)，若驅(qū)動(dòng)電流小于繼電器的額定工作電流時(shí)，必要時(shí)應(yīng)增添一只中間繼電器。一個(gè)型號(hào)的繼電器可能有幾個(gè)額定工作電壓，要求額定工作電流一定要與之對(duì)應(yīng)，例如jcz-22f型繼電器，它的額定電壓有dc3v、dc6vdc48v等，與之相應(yīng)的額定電流有120ma、60ma10ma系

49、列值。額定工作電壓和額定工作電流二者之間共同表征繼電器觸頭所能切換電路的能力11。(3)觸點(diǎn)切換不同負(fù)載電流的選擇 一般情況下，繼電器的額定電流ie是指在額定電壓下切換純阻性負(fù)載(如電阻器、白熾燈等)的電流值。當(dāng)用繼電器的觸點(diǎn)來(lái)切換電感性或電容性負(fù)載時(shí)，實(shí)際額定工作電流要小得多。負(fù)載的性質(zhì)對(duì)繼電器是有影響的。一個(gè)額定工作電流為2a的繼電器，不一定能承受同樣大小非電阻性電流。(4)觸點(diǎn)數(shù)量和種類的選擇根據(jù)實(shí)際控制觸點(diǎn)數(shù)的要求，選用合適型號(hào)的繼電器。即使同一種型號(hào)的繼電器，也有多種觸點(diǎn)形式可供選擇。要充分利用各組觸點(diǎn)。(5)繼電器線圈規(guī)格的選擇線圈電流種類和額定電壓值，或線圈的電壓種類和額定電流值

50、，應(yīng)與控制電路及工作環(huán)境相一致。(6)繼電器體積的考慮和選擇在小型化產(chǎn)品中或安裝空間有要求的情況下，宜選用小型或超小型繼電器；在安裝空間不作要求的情況下，可選價(jià)廉而體積稍大的繼電器 14 。2.8.3 繼電器的選擇在本設(shè)計(jì)的電路中，不能選擇5v的繼電器，這是因?yàn)?v的繼電器在relay跳開切離時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一個(gè)很大的反電動(dòng)勢(shì)，必然會(huì)對(duì)+5v的穩(wěn)壓電源造成某種程度的影響，這時(shí)會(huì)干擾到單片機(jī)動(dòng)作的穩(wěn)定性以及隔離電路的精確度，甚至燒毀單片機(jī)，更重要的是，目前在市場(chǎng)上5v的繼電器比較難找，所以在這里我選用+12v的jcz-22f型繼電器。由于在本設(shè)計(jì)中霍爾(繼電器開關(guān)控制的物理量)在初始狀態(tài)時(shí)，處于全部是

51、低電平的狀態(tài)(即繼電器開關(guān)處于常開狀態(tài))，在單片機(jī)接受到外部輸入信號(hào)并進(jìn)行軟件判斷以后，輸出信號(hào)通過(guò)光電耦合電路控制三極管的通斷，進(jìn)而控制霍爾信號(hào)的高低電平(即繼電器開關(guān)的斷開或閉合)，所以設(shè)計(jì)中所選擇的繼電器只需要一個(gè)常開點(diǎn)就可以滿足設(shè)計(jì)要求。2.8.4 繼電器的驅(qū)動(dòng)電路在設(shè)計(jì)電路中，由于單片機(jī)和光耦隔離電路都不可以直接驅(qū)動(dòng)繼電器動(dòng)作，而且在我設(shè)計(jì)的硬件電路圖中所用的繼電器個(gè)數(shù)較少，所以我選擇直接用三極管驅(qū)動(dòng)繼電器12。其電路圖如下2-11所示。圖2-11 繼電器的驅(qū)動(dòng)電路2.8.5 繼電器的附加電路在本設(shè)計(jì)的電路中，繼電器兩端并聯(lián)了二極管電路。在含有繼電器的電路中，并聯(lián)二極管的作用是：在流

52、經(jīng)繼電器線圈的電流突然減小的瞬間，它的兩端會(huì)感應(yīng)出一個(gè)電動(dòng)勢(shì)。它與原電源電壓疊加后加在輸出晶體管的(c)(e)間，使(c)(e)之間可能被擊穿。為了消除這個(gè)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的有害影響，我們?cè)诶^電器旁邊并聯(lián)一只二極管(注意二極管的極性不能接錯(cuò))，以吸收該電動(dòng)勢(shì)，起到保護(hù)作用13。 第3章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)是一個(gè)電動(dòng)車無(wú)刷電機(jī)控制器的相序檢測(cè)系統(tǒng)，是以at89c51單片機(jī)為控制中心，并最終將檢測(cè)結(jié)果輸出到數(shù)碼管顯示器進(jìn)行顯示，即將無(wú)刷電機(jī)控制器的三相a、b、c的輸出通過(guò)光耦隔離電路引入到at89c51單片機(jī)中，通過(guò)軟件進(jìn)行判斷，并將判斷結(jié)果輸出到數(shù)碼管顯示器上進(jìn)行顯示。則主要任務(wù)如下：(1) 判別控制

53、器的角度；(2) 判斷霍爾控制線相序判斷；(3) 控制器三相電源的相序；(4) 判斷控制器故障。3.1 系統(tǒng)主程序?yàn)榱藱z測(cè)控制器角度、判斷霍爾控制線相序、判斷控制器三相電源相序和控制器故障，設(shè)計(jì)中需要對(duì)軟件進(jìn)行相應(yīng)的程序編寫，其中整個(gè)判斷過(guò)程的主程序流程圖如下圖3-1所示。開始結(jié)束初始化調(diào)用控制器故障檢測(cè)模塊調(diào)用延時(shí)子程序調(diào)用延時(shí)子程序調(diào)用延時(shí)子程序調(diào)用控制器相角判斷模塊調(diào)用霍爾和控制器相序的判斷模塊圖3-1 主程序流程圖3.2 控制器故障檢測(cè)模塊在判斷之前，首先要檢測(cè)信號(hào)是否有輸入以及控制器的輸出是否正常，這是檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行檢測(cè)的前提，如果控制器不正常工作，那么檢測(cè)的正確性就無(wú)從說(shuō)起。由此，編寫軟件程序用來(lái)檢測(cè)無(wú)刷電機(jī)控制器是否存在輸出信號(hào)，并顯示到相應(yīng)的數(shù)碼管上,如果控制器正常則相應(yīng)的數(shù)碼管顯示ooo，否則相應(yīng)數(shù)碼管顯示eee。初始化中令r1=06h，將單片機(jī)p13p15口讀入的數(shù)據(jù)存入寄存器al，判斷al中的數(shù)據(jù)是否符合控制器在霍爾元件不接地時(shí)的固定相序，如果符合，則控制器工作正常；如果不符合，則r1自減1，進(jìn)行二次判斷。假如檢測(cè)到r1等于00h時(shí)，輸入信號(hào)依然不符合，則系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)(數(shù)碼管顯示eee)，流程圖如圖3-2所示。圖3-2 控制器故障檢測(cè)模塊a=00h？讀入p13p15的數(shù)據(jù)存入寄存器ayna=01h？a=02h？