1、電動自行車調速系統的設計-課程設計電動自行車調速系統的設計目錄摘要.21、引言.22、系統要求.33、總體規劃.44、電路設計.55、主要器件性能及原理.125、1 mcs-51單片機內部結構  .125、2 a/d轉換芯片.165、3 永磁無刷直流電動機.185、4 三端式穩壓器78l05.215、5 集成轉速傳感器kmi15-1.255、6 譯碼器.296、程序設計.316、1程序框圖.316、2部分子程序.327、結束語.358、致謝.35參考文獻55 abstract: the of the single a machine control has no to br

2、ush 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 ,ene

3、rgy-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 a

4、re 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.key words: the single a machine, vein breadth adjusts soon the system pwm, eight figureses tube development manifestation and turn

5、 to spreads to feel soon machine55電動自行車調速系統的設計摘要:單片機控制的永磁無刷直流電動機調速系統適用于電動自行車等小功率的工作情況。并能將多余的電能回潰。該系統具有調速性能好、功率因數高、節能、體積小、重量輕等優點。本文從系統要求分析入手，將整個系統分成四個部分，分析和討論了各個部分的電路原理、控制策略、實現方法。詳細討論了系統的各種工況及信號的傳遞情況，并得到了系統各個部分在不同工況的工作狀態。系統各部分的控制電路基于intel公司的控制芯片8051單片機。根據永磁無刷直流電動機的特性實施脈寬pwm控制，并通過轉速傳感器測量轉速通過八段數碼管動態顯示轉

6、速，通過軟硬件的配合，實現了整個系統的設計要求。關鍵詞：單片機、脈寬調速系統pwm、永磁無刷直流電動機、八段數碼管動態顯示、轉速傳感器1 引言人類與環境共存和全球經濟的可持續發展使人們迫切希望尋求到一種既能代替人力又低排放和有效利用資源的交通工具，電動車是一種安全、經濟、清潔的綠色交通工具，不僅在能源、環境方面有其獨特的優越性和競爭力，因此使用電動車無疑是一種很有希望的方案。     現代電動車是融合了電力、電子、機械控制、材料科學以及化工技術等多種高新技術的綜合產品。整體的運行性能、經濟性等首先取決于電池系統和電機驅動控制系統。電動車的電機驅動系統一般由4個主要

7、部分組成，即控制器、功率變換器、電動機及傳感器。目前電動車中使用的電動機一般有直流電動機、感應電動機、開關磁阻電動機以及永磁無刷電動機等。2 系統要求2. 1  電動車對電動機的基本要求  電動車的運行，與一般的工業應用不同，非常復雜。因此，對驅動系統的要求是很高的。   2.1.1  電動車用電動機應具有瞬時功率大，過載能力強、過載系數應為(34)，加速性能好，使用壽命長的特點。    2.1.2電動車用電動機應具有寬廣的調速范圍，包括恒轉矩區和恒功率區。在恒轉矩區，要求低速運行時具有大轉矩，以滿足起動和爬坡的要

8、求；在恒功率區，要求低轉矩時具有高的速度，以滿足車在平坦的路面能夠高速行駛的要求。 2.1.3電動車用電動機應能夠在車減速時實現再生制動，將能量回收并反饋回蓄電池，使得電汽車具有最佳能量的利用率，這在內燃機的摩托車上是不能實現的。    2.1.4電動車用電動機應在整個運行范圍內，具有高的效率，以提高1次充電的續駛里程。     另外還要求電動車用電動機可靠性好，能夠在較惡劣的環境下長期工作，結構簡單適應大批量生產，運行時噪聲低，使用維修方便，價格便宜等。   2.2 鑒于電動車對電動機的基本要求采用永磁

9、無刷直流電動機 。  2.2.1永磁無刷直流電動機的基本性能 。 永磁無刷直流電動機是一種高性能的電動機。它的最大特點就是具有直流電動機的外特性而沒有刷組成的機械接觸結構。加之，它采用永磁體轉子，沒有勵磁損耗：發熱的電樞繞組又裝在外面的定子上，散熱容易，因此，永磁無刷直流電動機沒有換向火花，沒有無線電干擾，壽命長，運行可靠，維修簡便。此外，它的轉速不受機械換向的限制，如果采用空氣軸承或磁懸浮軸承，可以在每分鐘高達幾十萬轉運行。永磁無刷直流電動機機系統相比具有更高的能量密度和更高的效率，在電動車中有著很好的應用前景。   2.2.2 永磁無刷直流電動機的控制系統 。

10、  典型的永磁無刷直流電動機是一種準解耦矢量控制系統，由于永磁體只能產生固定幅值磁場，因而永磁無刷直流電動機系統非常適合于運行在恒轉矩區域，一般采用電流滯環控制或電流反饋型spwm法來完成。為進一步擴充轉速，永磁無刷直流電動機也可以采用弱磁控制。弱磁控制的實質是使相電流相位角超前，提供直軸去磁磁勢來削弱定子繞組中的磁鏈。   2.2.3永磁無刷直流電動機的不足 。   永磁無刷直流電動機受到永磁材料工藝的影響和限制，使得永磁無刷直流電動機的功率范圍較小，最大功率僅幾十千瓦。永磁材料在受到振動、高溫和過載電流作用時，其導磁性能可能會下降或發生退磁

11、現象，將降低永磁電動機的性能，嚴重時還會損壞電動機，在使用中必須嚴格控制，使其不發生過載。永磁無刷直流電動機在恒功率模式下，操縱復雜，需要一套復雜的控制系統，從而使得永磁無刷直流電動機的驅動系統造價很高。3  總體規劃對于電動自行車控制系統設計主要有三個方面：一、控制電路的設計；二、傳感器選擇以及安放設計；三、顯示電路的設計；四、程序設計。從總的方面來考慮，傳感器的使用應該盡量減少單片機的信號處理量，但是又必須能使車行駛自如。控制電路要根據選用的電機和傳感器來設計，主要考慮穩定性，抗干擾性。控制核心采用51單片機，控制系統與電路用光耦完全隔離以避免干擾。控制上采用分時復用技術，僅用一

12、塊單片機就實現了信號采集，電機控制和轉速顯示。如圖3-1所示                            圖  3-14 電路設計控制電路主要有電源電路、電機驅動電路、單片機接口電路、顯示電路四個部分。考慮到電機的起動電流和制動時比較大，會造成電源電壓不穩定容易對單片機和傳感器電動自行車調速系統的設計的工作產生干擾，所

13、以，電機驅動電路和單片機以及傳感器電路用光耦隔離。傳感器的電源直接使用24v蓄電池，單片機的電源則通過三端穩壓器78l05將24v電源轉換到5v。 41 電源電路                              圖  4-1-124v直流電源經三端穩牙器74l05輸出即為單片機所要求的+5

14、v電源。電路中接入電容c1、c2是用來實現頻率補償的，可防止穩壓器產生高頻自激振蕩并抑制電路引入的高頻干擾。大容量的c3是電解電容，以減小穩壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。d是保護二極管，當輸入端意外短路時，給輸出電容器c3一個放電通路，防止c3兩端電壓作用于調整管的be結，造成調整管be結擊穿而損壞。 42 顯示電路                      

15、             圖4-2-1   顯示部分采用單片機串口通訊，以節省單片機的端口，單片機通過中斷的方式為顯示服務。直流電動機的額定轉速為190轉每分大約需要三位數碼顯示。驅動器采用74ls164串接510歐的限流電阻。 43 控制電路                 &

16、#160;                圖  4-3-1打開系統電源后由電位器控制電動機轉速，in0-in6線上那一路模擬電壓被轉換成數字量由adda-addc線上的地址決定。addc0809內部“地址鎖存與譯碼”電路便能把in0線上模擬電壓送入8位a/d轉換器此時，若單片機使star線處于高電平，則adc0809便開始a/d轉換，一旦a/d轉換完成，adc0809一方面把a/d轉換后的數字量送入它的三態輸出緩沖器另一方面又使eoc線

17、變為高電平向單片機提出中斷請求。單片機檢測和響應該中斷請求后就通過使rd非變為低電平而使oe線變高，以便可以從2-1-2-8引線上取走a/d轉換后的數字量。單片機根據 a/d轉換后的數字量輸出相應的巨型脈沖信號。脈沖信號經74ls245放大后經光電藕荷控制繼電器。44驅動電路及原理 下面主要對驅動電路進行一下介紹：電動自行車使用24v直流電機， 對于這種小功率直流電機的調速方法一般有兩種。一種線性型：使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機。線性型驅動的電路結構和原理簡單，成本低，加速能力強，但功率損耗大，特別是低速大轉距運行時，通過電阻r的電流大，發熱厲害，損耗大。另一種脈寬調制型：脈

18、寬調速（pulse wide modulationpwm）較常用的一種調速方式，這種調速方式有調速特性優良、調整平滑、調速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負載沖擊，還可以實現頻繁的無級快速啟動、制動和反轉的等優點。因此決定采用pwm方式控制直流電機。永磁式直流電機脈寬調速原理 永磁式直流電動機電機轉速由電樞電壓ud決定，電樞電ud越高電機轉速越快，電樞電壓ud降為0v，電機就停轉。直流電機的具體調速過程是：先讓它啟動一段時間，然后切斷電源，電動機因慣性而降速轉動。在轉速降到一定限度時使電動機再次接通電動機因此而再次加速。不斷的給電樞兩端送入脈動電壓源（即脈動信號） 就可以使電動機的轉速控制在指

19、定的范圍內。如圖4-4-1所示：  脈沖信號：        轉速：                                   圖   4-4-1vm

20、ax為電動機的最大轉速值。vmin為電動機的最小轉速值。vd為二者的平均值。vd=d * vmax 式中d=t/t稱為占空比  d越大vd就越大反之亦然。平均轉速和電樞上的脈沖占空比d之間的關系如4-4-2圖： 圖  4-4-2由圖可知，平均轉速與占空比并非完全的線性關系，但可以近似的看成是線性關系。因此電動機的平均轉速vd就可以有占空比d加以控制。pwm調速分為雙向式和單向式兩種一種雙向式在一個脈沖周期內(t=tatb)，t1和t3導通的時間為ta，t2和t4導通的時間為tb，這樣在ta這段時間內，電機通過的是正向電流，在tb這段時間內為反相電流。當ta=tb時電機停轉，

21、ta>tb時電機正轉， ta <tb時電機反轉。另一種單向式單向式的電路更雙向式相同。不同的是，在電機正轉時，tb這段時間內不通過反向電流，電機反轉時，ta內不通過正向電流。其調速原理基本與雙向式相同。單向式與雙向式相比，三極管的開關頻率少一半，比較不容易發生上下三極管導通而造成電源短路的情況,故可靠性有所提高，但控制性能比雙向式稍差。外特性、低速性能也不如雙向式好。                   

22、       圖  4-4-5如上圖4-4-5左所示為雙向式調速方式下速度與占空比關系曲線，圖3-1-5右為單向式調速方式曲線。    綜合以上兩種方式的優缺點，并考慮到電動自行車對調速精度要求不太高，以及省電，器件損耗等各方面因素，決定采用單向式pwm。考慮到編程時可能會產生使t1、t2、電動自行車調速系統設計t3、t4都導通的情況，以至電源短路，燒毀器件。為避免出現這種情況，設計了圖4-4-6所示的電路     圖   4-4-6此

23、電路只用一個三極管控制電路的通斷，用四個繼電器控制電流的流向，從而控制電機的轉向。這樣無論如何，都不會出現因編程原因而造成電源短路的情況。   由于采用單片機控制電機，如果單片機的電源采用與電機同一電源，雖然經過穩壓、濾波，但是單片機仍然容易受到電機以及繼電器的干擾，為了避免干擾，采用光電隔離，單片機和電機采用兩套電源。4n26光耦一般需要2ma以上的驅動電流，由于單片機的輸出電流只有幾百微安，故需要先接74ls245或者接一個三極管增加驅動能力（74ls245的高電平驅動能力為15ma）。光耦的輸出再接給達林頓管，考慮到電機的短路電流有2a，故選用tip132型號的達林頓

24、管（允許通過的最大瞬時電流為8a）。另外在達林頓管的c極和電源的正極之間接一個耐流為2a的二極管，這樣在關斷電源后，使繼電器反相，可以讓電機放電，這樣停車時車不至于因為慣性滑行太遠而浪費能源。因此時以關斷了電源，要將電動車停下來而采取的無謂制動不能將電能回饋給蓄電池。考慮到電動自行車對電機轉速，距離控制的要求不高，為了簡化程序和外接電路，所以沒有考慮采用閉環pwm控制，用開環pwm控制就可以實現自行車的功能。脈沖信號  ta           tb工作時ta為高電平，通過光耦驅動復合

25、管t導通，此時tb為高電平通過光耦使三極管導通，繼電器各線圈被短路。k1、k3為長閉觸點，所以電動機加正向電壓。當tb為底電平時所有繼電器得電，常開觸點閉合常閉觸點打開，k1、k3 斷開k2、k4導通。電動機加反向電壓。如果保證ta>tb則電動機正轉。通過改變ta 、tb的占空比即可改變轉速。4.5總電路圖                        

26、;       圖  4-5-15 主要器件性能及原理51  mcs-51單片機內部結構  8051是mcs-51系列單片機的典型產品，我們以這一代表性的機型進行系統的講解。 8051單片機包含中央處理器、程序存儲器(rom)、數據存儲器(ram)、定時/計數器、并行接口、串行接口和中斷系統等幾大單元及數據總線、地址總線和控制總線等三大總線，現在我們分別加以說明：5.1.1中央處理器  中央處理器(cpu)是整個單片機的核心部件，是8位數據寬度的處理器，能處理8位二進制數據或代碼，cpu負責控制

27、、指揮和調度整個單元系統協調的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。5.1.2 數據存儲器(ram)  8051內部有128個8位用戶數據存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數據，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數據，所以，用戶能使用的的ram只有128個，可存放讀寫的數據，運算的中間結果或用戶定義的字型表。5.1.3 程序存儲器(rom)   8051共有4096個8位掩膜rom，用于存放用戶程序，原始數據或表格。5.1.4  定時/計數器(rom)   8051有兩個16位的可編程定

28、時/計數器，以實現定時或計數產生中斷用于控制程序轉向。5.1.5并行輸入輸出(i/o)口   8051共有4組8位i/o口(p0、 p1、p2或p3)，用于對外部數據的傳輸。5.1.6 全雙工串行口    8051內置一個全雙工串行通信口，用于與其它設備間的串行數據傳送，該串行口既可以用作異步通信收發器，也可以當同步移位器使用。 5.1.7中斷系統    8051具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優先級別選擇。 5.1.8時

29、鐘電路   8051內置最高頻率達12mhz的時鐘電路，用于產生整個單片機運行的脈沖時序，但8051單片機需外置振蕩電容。單片機的結構有兩種類型，一種是程序存儲器和數據存儲器分開的形式，即哈佛(harvard)結構，另一種是采用通用計算機廣泛使用的程序存儲器與數據存儲器合二為一的結構，即普林斯頓(princeton)結構。intel的mcs-51系列單片機采用的是哈佛結構的形式，而后續產品16位的mcs-96系列單片機則采用普林斯頓結構。    下圖是mcs-51系列單片機的內部結構示意圖。電動自行車調速系統的設計5.1.9mcs-51的引腳說

30、明     mcs-51系列單片機中的8031、8051及8751均采用40pin封裝的雙列直接dip結構，右圖是它們的引腳配置，40個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，4組8位共32個i/o口，中斷口線與p3口線復用。現在我們對這些引腳的功能加以說明：    ·pin20:接地腳。    ·pin40:正電源腳，正常工作或對片內eprom燒寫程序時，接+5v電源。    ·pin19:時鐘xtal1腳，片內振蕩電路

31、的輸入端。    ·pin18:時鐘xtal2腳，片內振蕩電路的輸出端。    8051的時鐘有兩種方式，一種是片內時鐘振蕩方式，但需在18和19腳外接石英晶體(2-12mhz)和振蕩電容，振蕩電容的值一般取10p-30p。另外一種是外部時鐘方式，即將xtal1接地，外部時鐘信號從xtal2腳輸入。mcs-51系列單片機中的8031、8051及8751均采用40pin封裝的雙列直接dip結構，右圖是它們的引腳配置，40個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，4組8位共32個i/o口，中斷口線與p3口線復用。現

32、在我們對這些引腳的功能加以說明：    ·pin20:接地腳。    ·pin40:正電源腳，正常工作或對片內eprom燒寫程序時，接+5v電源。    ·pin19:時鐘xtal1腳，片內振蕩電路的輸入端。    ·pin18:時鐘xtal2腳，片內振蕩電路的輸出端。     8051的時鐘有兩種方式，一種是片內時鐘振蕩方式，但需在18和19腳外接石英晶體(2-12mhz)和振蕩電容，振蕩電容的值一般取1

33、0p-30p。另外一種是外部時鐘方式，即將xtal1接地，外部時鐘信號從xtal2腳輸入。·輸入輸出(i/o)引腳：    pin39-pin32為p0.0-p0.7輸入輸出腳，pin1-pin1為p1.0-p1.7輸入輸出腳，pin21-pin28為p2.0-p2.7輸入輸出腳，pin10-pin17為p3.0-p3.7輸入輸出腳，這些輸入輸出腳的功能說明將在以下內容闡述。·pin9:reset/vpd復位信號復用腳，當8051通電，時鐘電路開始工作，在reset引腳上出現24個時鐘周期以上的高電平，系統即初始復位。初始化后，程序計數器pc指

34、向0000h，p0-p3輸出口全部為高電平，堆棧指鐘寫入07h，其它專用寄存器被清“0”。reset由高電平下降為低電平后，系統即從0000h地址開始執行程序。然而，初始復位不改變ram（包括工作寄存器r0-r7）的狀態，8051的初始態如下表：特殊功能寄存器 初始態 特殊功能寄存器 初始態 acc 00h b 00h psw 00h sp 07h dph 00h th0 00h 8051的復位方式可以是自動復位，也可以是手動復位，見下

35、圖。此外，reset/vpd還是一復用腳，vcc掉電其間，此腳可接上備用電源，以保證單片機內部ram的數據不丟失。5. 2 a/d轉換芯片  adc0809芯片是最常用的8位模數轉換器。 它的模數轉換原理采用逐次逼進型，芯片由單個5v電源供電，可以分時對8路輸入模擬量進行ad轉換，典型的ad轉換時間為100微妙左右。在同類型產品中，adc0809模數轉換器的分辨率、轉換速度和價位都屬于居中位置。內部邏輯結構，如圖5-2-1所示。圖  5-2-1  adc0809內部結構引腳功能說明：·d7d0：8位數字量輸出，ad轉換結果。·in0in7：8路

36、模擬電量輸入，可以是：05v或者5v5v或者10v+10v。·+vref：正極性參考電源。·vref：負極性參考電源。·start：啟動ad轉換控制輸入，高電平有效。·clk：外部輸入的工作時鐘，典型頻率為500khz。·ale：地址鎖存控制輸入，高電平開啟接收3位地址碼，低電平鎖存地址。電動自行車調速系統設計 ·cba：3位地址輸入，其8個地址值分別選中8路輸入模擬量in0in7之一進行模數轉換。c是高位地址，a是最低位地址。·oe：數字量輸出使能控制，輸入高有效，輸出ad轉換結果d7d0。·eoc：模數轉換狀態

37、輸出。當模數轉換未完成時，eoc輸出低電平；當模數轉換完成時，eoc輸出高電平。eoc輸出信號可以作為中斷請求或者查詢控制。·vcc：芯片工作電源5v。·gnd：芯片接地端。53 永磁無刷直流電動機 5.3.1 稀土永磁無刷直流電動機的基本工作原理    無刷直流電動機由電動機主體和驅動器組成，是一種典型的機電一體化產品。動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相似。電動機的轉子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機轉子的極性，在電動機內裝有位置傳感器。驅動器由功率電子器件和集成電路等構成，其功能是：接受電動機的啟動、

38、停止、制動信號，以控制電動機的啟動、停止和制動；接受位置傳感器信號和正反轉信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產生連續轉矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調整轉速；提供保護和顯示等等。無刷直流電動機的原理簡圖如圖5-3-1所示：                    圖  5-3-1主電路是一個典型的電壓型交-直-交電路，逆變器提供等幅等頻5-26khz調制波的對稱交變矩形波。永磁體n-s

39、交替交換，使位置傳感器產生相位差120°的u、v、w方波，結合正/反轉信號產生有效的六狀態編碼信號：101、100、110、010、011、001，通過邏輯組件處理產生t1-t4導通、t1-t6導通、t3-t6導通、t3-t2導通、t5-t2導通、t5-t4導通，也就是說將直流母線電壓依次加在a+b-、a+c-、b+c-、b+a-、c+a-、c+b-上，這樣轉子每轉過一對n-s極，t1-t6功率管即按固定組合成六種狀態的依次導通。每種狀態下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態，定子繞組產生的磁場軸線在空間轉動60°電角度，轉子跟隨定子磁場轉動相當于60°電角度空間

40、位置，轉子在新位置上，使位置傳感器u、v、w按約定產生一組新編碼，新的編碼又改變了功率管的導通組合，使定子繞組產生的磁場軸再前進60°電角度，如此循環，無刷直流電動機將產生連續轉矩，拖動負載作連續旋轉。正因為無刷直流電動機的換向是自身產生的，而不是由逆變器強制換向的，所以也稱作自控式同步電動機。    無刷直流電動機的位置傳感器編碼使通電的兩相繞組合成磁場軸線位置超前轉子磁場軸線位置，所以不論轉子的起始位置處在何處，電動機在啟動瞬間就會產生足夠大的啟動轉矩，因此轉子上不需另設啟動繞組。由于定子磁場軸線可視作同轉子軸線垂直，在鐵芯不飽和的情況下，產生的平均

41、電磁轉矩與繞組電流成正比，這正是他勵直流電動機的電流-轉矩特性。電動機的轉矩正比于繞組平均電流：tm=ktiav （n·m）電動機兩相繞組反電勢的差正比于電動機的角速度：ell=ke （v）所以電動機繞組中的平均電流為：iav=（vm-ell）/2ra （a）其中，vm=·vdc是加在電動機線間電壓平均值，vdc是直流母線電壓，是調制波的占空比，ra為每相繞組電阻。由此可以得到直流電動機的電磁轉矩：tm=·（vdc·kt/2ra）-kt·（ke/2ra）kt、ke是電動機的結構常數，為電動機的角速度（rad/s），所以，在一定的時，改變占空比，

42、就可以線性地改變電動機的電磁轉矩，得到與他勵直流電動機電樞電壓控制相同的控制特性和機械特性。無刷直流電動機的轉速設定，取決于速度指令vc的高低，如果速度指令最大值為+5v對應的最高轉速：vc（max）ón max，那么，+5v以下任何電平即對應相當的轉速n，這就實現了變速設定。    當vc設定以后，無論是負載變化、電源電壓變化，還是環境溫度變化，當轉速低于指令轉速時，反饋電壓vfb變小，調制波的占空比就會變大，電樞電流變大，使電動機產生的電磁轉矩增大而產生加速度，直到電動機的實際轉速與指令轉速相等為止；反之，如果電動機實際轉速比指令轉速高時，減小，tm

43、減小，發生減速度，直至實際轉速與指令轉速相等為止。可以說，無刷直流電動機在允許的電壓波動范圍內，在允許的過載能力以下，其穩態轉速與指令轉速相差在1%左右，并可以實現在調速范圍內恒轉矩運行。由于無刷直流電動機的勵磁來源于永磁體，所以不象異步機那樣需要從電網吸取勵磁電流；由于轉子中無交變磁通，其轉子上既無銅耗又無鐵耗，所以效率比同容量異步電動機高10%左右，一般來說，無刷直流電動機的力能指針（cos）比同容量三相異步電動機高12%-20%。電動機采用無錫市日馳電機有限公司生產的永磁無刷直流電動機型號 額定電壓（v） 額定轉速（r/min) 額定功率（w） 效

44、率（%） swx006 24 190 140 >74 54 三端式穩壓器78l05三端式穩壓器78l05的工作原理                  圖  5-4-1電路如圖5-4-1所示，三端式穩壓器由啟動電路、基準電壓電路、取樣比較放大電路、調整電路和保護電路等部分組成。下面對各部分電路作簡單介紹。5.4.1啟動電路  在集成穩壓器中，常常采用許多

45、恒流源，當輸入電壓v1接通后，這些恒流源難以自行導通，以致輸出電壓較難建立。因此，必須用啟動電路給恒流源的bjt t4、t5提供基極電流。啟動電路由t1、t2、dz1組成。當輸入電壓v1高于穩壓管dz1的穩定電壓時，有電流通過t1、t2，使t3基極電位上升而導通，同時恒流源t4、t5也工作。t4的集電極電流通過dz2以建立起正常工作電壓，當dz2達到和dz1相等的穩壓值，整個電路進入正常工作狀態，電路啟動完畢。與此同時，t2因發射結電壓為零而截止，切斷了啟動電路與放大電路的聯系，從而保證t2左邊出現的紋波與噪聲不致影響基準電壓源。5.4.2基準電壓電路  基準電壓電路由t4、dz2、

46、t3、r1、r3及d1、d2組成，電路中的基準電壓為 式中vz2為dz2的穩定電壓，vbe為t3、d1、d2發射結（d1、d2為由發射結構成的二極管）的正向電壓值。在電路設計和工藝上使具有正溫度系數的r1、r2、dz2與具有負溫度系數的t3、d1、d2發射結互相補償，可使基準電壓vref基本上不隨溫度變化。同時，對穩壓管dz2采用恒流源供電，從而保證基準電壓不受輸入電壓波動的影響。5.4.3取樣比較放大電路和調整電路。 這部分電路由t4t11組成，其中t10、t11組成復合調整管；r12、r13組成取樣電路；t7、t8和t6組成帶恒流源的差分式放大電路；t4、t5組成的電流源作為它的有源負載。

47、t9、r9的作用說明如下：如果沒有t9、r9，恒流源管t5的電流ic5=ic8+ib10，當調整管滿載時ib10最大，而ic8最小；而當負載開路時io=0，ib10也趨于零，這時ic5幾乎全部流入t8，使得ic8的變化范圍大，這對比較放大電路來說是不允許的，為此接入由t9、r9級成的緩沖電路。當io減小時，ib10減小，ic8增大，待ic8增大到 >0.6v時，則t9導通起分流作用。這樣就減輕了t8的過多負擔使ic8的變化范圍縮小。電動自行車調速系統的設計5.4.4減流式保護電路   減流式保護電路由t12、r11、r15、r14和dz3、dz4組成，r11為檢流電阻

48、。保護的目的主要是使調整管（主要是t11）能在安全區以內工作，特別要注意使它的功耗不超過額定值pcm。首先考慮一種簡單的情況。假設圖1中的dz3、dz4和r14不存在，r15兩端短路。這時，如果穩壓電路工作正常，即pc<pcm并且輸出電流io在額定值以內，流過r11的電流使 =ior11<0.6v，t12截止。當輸出電流急劇增加，例如輸出端短路時，輸出電流超過極限值（io(cl)=pcm/vi=0.6v/r11）時，即當 >0.6v時，使t12管導通。由于它的分流作用，減小了t10的基極電流，從而限制了輸出電流。這種簡單限流保護電路的不足之處是只能將輸出電流限制在額定值以內。

49、由于調整管的耗散功率pcm=icvce，只有既考慮通過它的電流和它的管壓降vce值，又使pc<pcm，才能全面地進行保護。圖1中dz3、dz4和r14、r15所構成的支路就是為實現上述保護目的而設置的。電路中如果（viior11vo）>（vz3+ vz4），則dz3、dz4擊穿，導致t12管發射結承受正向電壓而導通。vbe12的值為經整理后得 顯然，（vi vo）越大，即調整管的vce值越大，則io越小，從而使調整管的功耗限制在允許范圍內。由于io的減小，故上述保護稱為減流式保護。5.4.5過熱保護電路   過熱保護電路電路由dz2、t3、t14和t13組成。在

50、常溫時，r3上的壓降僅為0.4v左右，t14、t13是截止的，對電路工作沒有影響。當某種原因（過載或環境溫升）使芯片溫度上升到某一極限值時，r3上的壓降隨dz2的工作電壓升高而升高，而t14的發射結電壓vbe14下降，導致t14導通，t13也隨之導通。調整管t10的基極電流ib10被t13分流，輸出電流io下降，從而達到過熱保護的目的。電路中r10的作用是給t10管的iceo10和t11管的icbo11一條分流通路，以改善溫度穩定性。值得指出的是：當出現故障時，上述幾種保護電路是互相關聯的。 圖  5-4-2三端穩壓器的典型接法圖5-4-2是應用78l05輸出固定電壓vo的

51、典型電路圖。正常工作時，輸入、輸出電壓差應大于23v。電路中接入電容c1、c2是用來實現頻率補償的，可防止穩壓器產生高頻自激振蕩并抑制電路引入的高頻干擾。c3是電解電容，以減小穩壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。d是保護二極管，當輸入端意外短路時，給輸出電容器c3一個放電通路，防止c3兩端電壓作用于調整管的be結，造成調整管be結擊穿而損壞。三端穩壓器的參數參 數 單位 7805 輸出電壓范圍 v 4.85.2 最大輸入電壓 v 35 最大輸出電流 a 1.5 v0(i0

52、變化引起) mv 100(i0=5ma1.5a) v0(vi變化引起) mv 50(vi=725v) v0(溫度變化引起) mv/ ±0.6(i0=500ma) 器件壓降(vi-v0) v 22.5(i0=la) 偏置電流 ma 6 輸出電阻 m 17 輸出噪聲電壓(10100khz) v 40 55 集成轉速傳感器kmi15-1   集成轉速傳感器具有靈敏

53、度高、測量范圍寬、抗干擾能力強、外圍電路簡單等優點，是傳統的分立式轉速傳感器的升級換代產品。下面是kmi15系列磁阻式集成轉速傳感器的工作原理與典型應用。 轉速屬于常規電測參數。測量轉速時經常采用磁阻式傳感器或光電式傳感器進行非接觸性測量，傳統的磁阻式傳感器是由磁鋼、線圈等分立元件構成的，亦可用耳塞機改裝而成。但這種傳感器存在一些缺點：第一，靈敏度低，傳感器與轉動齒輪的最大間隙（亦稱磁感應距離）只有零點幾毫米；第二，在測量高速旋轉物體的轉速時，因安裝不牢固或受機械振動，容易與齒輪發生碰撞，安全性較差；第三，這種傳感器所產生的是幅度很低且變化緩慢的模擬電壓信號，因此，需要經過放大、整形后變成沿口

54、陡直的數字頻率信號，才能送給數字轉速儀或數字頻率計測量轉速，而且外圍電路比較復雜；第四，它無法測量非常低（接近于零）的轉速，因為這時磁阻式傳感器可能檢測不到轉速信號。目前，轉速傳感器正朝著高靈敏度、高可靠性和全集成化的方向發展5.5.1型傳感器的性能特點   芯片內含高性能磁鋼、磁敏電阻傳感器和。它利用來完成信號變換功能，其輸出的電流信號頻率與被測轉速成正比，電流信號的變化幅度為。由于其外圍電路比較簡單，因而很容易配二次儀表測量轉速。    器件的測量范圍寬，靈敏度高，它的齒輪轉動頻率范圍是，而且即使在轉動頻率接近于零時，它也能夠進行測量。傳感

55、器與齒輪的最大磁感應距離為（典型值），由于與齒輪相距較遠，因此使用比較安全。    該傳感器抗干擾能力強，同時具有方向性，它對軸向振動不敏感。另外，芯片內部還有電磁干擾（）濾波器、電壓控制器以及恒流源，從而保證了其工作特性不受外界因素的影響。    的體積較小，其最大外形尺寸為××，能可靠固定在齒輪附近。    采用電源供電（典型值），最高不超過。工作溫度范圍寬達。4.5.2工作原理   型集成轉速傳感器的外形如圖所示，它的兩個引腳分別為（接電源端）和（方波電流信號

56、輸出端）。為使信號變換器處于較低的環境溫度中，設計時專門將與傳感元件分開，以改善傳感器的高溫工作性能。  該傳感器的簡化電路如圖所示。其內部主要包括以下六部分：磁敏電阻傳感器；前置放大器；施密特觸發器；開關控制式電流源；恒流源；電壓控制器。實際上，該傳感器是由只磁敏電阻構成的一個橋路，可固定在靠近齒輪的地方，其測量原理如圖所示。電動自行車調速系統設計當齒輪沿軸方向轉動時，由于氣隙處的磁力線發生變化，磁路中的磁阻也隨之改變，從而可在傳感器上產生電信號。此外，該傳感器具有很強的方向性，它對沿軸轉動的物體十分敏感，而對沿軸方向的振動或抖動量很不敏感。這正是測量轉速所需要的。 &#

57、160; 工作時，傳感器產生的電信號首先通過濾波器濾除高頻電磁干擾，然后經過前置放大器，再利用施密特觸發器進行整形以獲得控制信號，并將其加到開關控制式電流源的控制端。的輸出電流信號是由兩個電流疊加而成的，一個是由恒流源提供的恒定電流，另一個是由開關控制式電流源輸出的可變電流。它們之間的關系式為：     當控制信號（低電平）時，該電流源關斷，。當（高電平）時，電流源被接通，從而使得。圖給出了從端輸出的方波電流信號的波形，其高電平持續時間為，周期為。輸出波形的占空比±。上升時間和下降時間分別僅為和。    芯片中的電

58、壓控制器實際上是一個并聯調整式穩壓器，可用于為傳感器提供穩定的工作電壓。而電阻、穩壓管和晶體管則可構成取樣電路，其中接成射極跟隨器。為誤差放大器，為并聯式調整管。這樣，在經過、分壓后可給提供基準電壓，從而在發生變化時，由對取樣電壓與基準電壓進行比較后產生誤差電壓，同時通過改變上的電流來使保持不變。5.5.3 的典型應用 安裝方法應當安裝在轉動齒輪的旁邊。若被測轉動工件上沒有齒輪，亦可在轉盤外緣處鉆一個小孔，套上螺扣，再擰上一個螺桿并用彈簧墊圈壓緊，以防止受震動后松動，并以此代替齒尖獲得轉速標記信號。5.5.6 典型應用電路    型集成轉速傳感器的典型應用電路如圖

59、（）所示。工作時，轉速傳感器輸出方波電流信號，從而在負載電阻與負載電容上形成電壓頻率信號（），并送至二次儀表。通常取、。需要指出：輸出的是齒輪轉動頻率（單位是，即次）信號，欲得到轉速（），還應將除以齒輪上的齒數，并將時間單位改成分鐘，公式如下：圖（）所示電路是由二極管、穩壓管和電容構成的靜電放電（）保護電路，該電路可吸收的電壓，因而可對芯片起到保護作用。此外，還需注意，在存放系列產品時，不要將多個芯片放在一起以防磁化。4、6 譯碼器串行移位譯碼器74ls164內部結構圖如下：74ls164時序圖 74ls164為串行移位譯碼器，它主要由時鐘線控制，時鐘線每來一個上升弦，數據線將把一位數移進去，

60、移八次就進一個字節，同時在數碼管顯示出來。譯碼器是實現組合邏輯的功能部件。它的輸入是二進制的代碼，輸出是一組高低電平信號，每輸入一組不同的代碼，只有一個輸出端呈現有效信號。74ls245芯片是一個八位的總線收發器，其輸入/輸出引腳分成兩組，其工作原理如下：允許e 方向控制dir 操作低電平 低電平 b數據到a總線低電平 高電平 a數據到b總線高電平 懸空 隔離 5.程序設計5.1主程序框圖5.2 int0中斷服務程序5.3部分子程序延時子程序：定時功能。pwm子程序：用于控制馬達轉速。89c51芯片沒有pwm輸出功能，需要通過編程實現。為了在輸出pwm波時，單片機仍能執行其他程序，可以利用單片

61、機內部的定時器溢出中斷來實現。占空比占用一個字節的ram，占空比d=n/256。（脈寬調速是使用單片機內部中斷產生周期約為8ms的方波，通過改變高電平的寬度來進行改變電機的轉速）利用單片機輸出pwm信號.實現了從0%100%線性可調。 源碼如下： 單片機串口通信+pwm輸出程序 在p1.3輸出調寬信號。 定時器0工作在方式3，tl0為調寬值，th0為脈沖頻率。 定義：th0=30h ，tl0=31h th0dat equ 30h  ;脈沖頻率 tl0dat equ 31h  ;脈沖寬度   &#

62、160;    org 0000h            ajmp start      start:           clr p1.3      mov tcon,#00h      mov tmod,#03h 

63、;t0工作在方式3定時。      mov th0,#56    ;200us 頻率為50khz      mov tl0,#186   ;70us 脈沖寬度為35% 用示波儀實測相合。     setb tr1     setb tr0     setb et0     setb et1

64、     setb ea     ajmp main1main1:      .電動自行車調速系統設計;= pwm子程序 定時值通過串口接收，在p1.0輸出調寬信號。 定時器0工作在方式3，tl0為調寬值，th0為脈沖頻率。 定義：th0=30h ，tl0=31h 程序入口pwm，輸入：th0dat、th0dat  pwm: