[信息與通信]艷艷電動自行車調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計

1、濟源職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢 業(yè) 設(shè) 計題目 電動自行車調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計 系別 機電系 專業(yè) 機電一體化技術(shù)班級 姓名 學(xué)號 指導(dǎo)教師 任艷艷 日期 濟源職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計設(shè)計任務(wù)書設(shè)計題目電動自行車調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計設(shè)計要求：1 實現(xiàn)單片機對電動自行車調(diào)速系統(tǒng)的控制，即永磁無刷直流電動機轉(zhuǎn)速的控制；2 要求使用脈寬調(diào)速系統(tǒng)；3 單片機選用芯片要合適； 要求有系統(tǒng)電路圖、原理圖、程序圖等。設(shè)計進度要求：第一周：找指導(dǎo)老師，確定設(shè)計題目；第二周：結(jié)合題目，查閱相關(guān)的資料勾畫調(diào)速系統(tǒng)基本框架；第三、四周：根據(jù)有關(guān)要求和所查資料的相關(guān)內(nèi)容進行系統(tǒng)設(shè)計；第五、六周：對所設(shè)計的內(nèi)容進行調(diào)試；第七周：書寫畢業(yè)設(shè)計論文

2、。 指導(dǎo)教師（簽名）：_摘要單片機控制的永磁無刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)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饋。該系統(tǒng)具有調(diào)速性能好、功率因數(shù)高、節(jié)能、體積小、重量輕等優(yōu)點。本文從系統(tǒng)要求分析入手，將整個系統(tǒng)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(xiàn)方法。詳細(xì)討論了系統(tǒng)的各種工況及信號的傳遞情況，并得到了系統(tǒng)各個部分在不同工況的工作狀態(tài)。系統(tǒng)各個部分的控制電路基于intel公司的控制芯片8051單片機。根據(jù)永磁無刷直流電動機的特性實施脈寬pwm控制，并通過轉(zhuǎn)速傳感器測量轉(zhuǎn)速通過八段數(shù)碼管動態(tài)顯示轉(zhuǎn)速，通過軟硬件的配合，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的設(shè)計要求。關(guān)鍵詞：單片機，脈寬調(diào)

3、速系統(tǒng)，三端式穩(wěn)壓器，永磁無刷直流電動機目錄摘要ii1概述11.1電動車的發(fā)展史11.2電動車對電動機的基本要求11.3 永磁無刷直流電動機的基本性能21.4無刷直流電動機在電動自行車上的應(yīng)用22總體設(shè)計43電路設(shè)計53.1電源電路53.2顯示電路53.3控制電路73.4驅(qū)動電路及原理84主要器件性能及原理114.1 8051單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)114.2 a/ d轉(zhuǎn)換芯片134.3永磁無刷直流電動機154.4 三端式穩(wěn)壓器78l05的工作原理184.5集成轉(zhuǎn)速傳感器kmi15-1214.6譯碼器255程序設(shè)計265.1主程序框圖265.2 int0中斷服務(wù)程序275.3部分子程序28結(jié)論30致謝3

4、1參考文獻3233- -1 概 述1.1電動車的發(fā)展史電動車的發(fā)展史比燃油汽車更長，世界上第一輛機動車就是電動車。后來，由于燃油汽車技術(shù)的迅速發(fā)展，而電動車在能源技術(shù)和行駛里程的研制上長期未能取得突破，從20世紀(jì)20年代初至60 代末，電動車的發(fā)展進入了一個沉寂期。進入70年代以來，由于中東石油危機的爆發(fā)以及人類對自然環(huán)境的日益關(guān)注，電動車才再度成為技術(shù)發(fā)展的熱點。近幾十年來，主要工業(yè)化國家為電動車的開發(fā)投入了大量的人力和財力，電動車的各項相關(guān) 技術(shù)也取得了重大的進展。盡管電動車在能源和行駛里程的研制方面，至今尚未取得突破性 的進展，但是電動車的美好前景仍然激勵著人們鍥而不舍地開發(fā)新型電動車，

5、改善其性能。 現(xiàn)代電動車的能源系統(tǒng)、電機驅(qū)動系統(tǒng)、智能化的能量管理系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、車載空調(diào)系統(tǒng)和變速系統(tǒng)，電動車的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及未來智能化的交通系統(tǒng)的發(fā)展。根據(jù)各類子系統(tǒng)的不同特點.近年來，各種顯示高新技術(shù)的電動車層出不窮，日新月異。1.2電動車對電動機的基本要求電動車的運行與一般的工業(yè)應(yīng)用不同，非常復(fù)雜。因此，對驅(qū)動系統(tǒng)的要求是很高的。（1）電動車用電動機應(yīng)具有瞬時功率大、過載能力強、過載系數(shù)應(yīng)為（34），加速性能好、使用壽命長等特點。（2）電動車用電動機應(yīng)具有寬廣的調(diào)速范圍，包括恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)。在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，要求低速運行時具有大轉(zhuǎn)矩，以滿足起動和爬坡的要求；在恒功率區(qū)，要求低轉(zhuǎn)矩時具有

6、高的速度，以滿足車在平坦的路面能夠高速行駛的要求。（3）電動車用電動機能夠在減速時實現(xiàn)再生制動，將能量回收并反饋回蓄電池，使得電動車具有最佳能量的利用率，這在內(nèi)燃機得摩托車上是不能實現(xiàn)得。（4）電動車用電動機應(yīng)在整個運行范圍內(nèi)，應(yīng)具有高得效率，以提高1次充電得續(xù)駛里程。另外，還要求電動車用電動機可靠性好，能夠在較惡劣得環(huán)境下長期工作，結(jié)構(gòu)簡單并適應(yīng)大批量生產(chǎn)，運行時噪聲低，價格便宜等。1.3 永磁無刷直流電動機的基本性能（1）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(jié)構(gòu)。加之，它采用永磁體轉(zhuǎn)子，沒有勵磁損耗，發(fā)熱的電樞組又裝在外面的定

7、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(zhuǎn)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(zhuǎn)的情況下運行。無刷直流電動機因其無電刷和機械換向器，不需要減速裝置，噪聲低等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于電動自行車中。（2）永磁無刷直流電動機的控制系統(tǒng)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(jié)構(gòu)。加之，它采用永磁體轉(zhuǎn)子，沒有勵磁損耗，發(fā)熱的電樞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

8、，它的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)的情況下運行。由于永磁無刷直流電動機具有上述一系列的優(yōu)點，因而，其用途十分的廣泛，特別適合于對性能，體積重量要求很高的場合，如航空航天，電動汽車，精密電子儀器與設(shè)備，工業(yè)自動化和現(xiàn)代家用電器等領(lǐng)域。1.4無刷直流電動機在電動自行車上的應(yīng)用1應(yīng)用特點 無刷直流電動機之所以被廣泛應(yīng)用于電動自行車，是因為它與傳統(tǒng)的有刷直流電動機相比具有以下二方面的優(yōu)勢。（1）壽命長、免維護、可靠性高。在有刷直流電動機中，由于電機轉(zhuǎn)速較高，電刷和換向器磨損較快，一般工作1000小時左右就需更換電刷。另外其減速齒輪箱的技術(shù)難度較大，特別

9、是傳動齒輪的潤滑問題，是目前有刷方案中比較大的難題。所以有刷電機就存在噪聲大、效率低、易產(chǎn)生故障等問題。因此無刷直流電動機的優(yōu)勢很明顯。（2）效率高、節(jié)能。一般而言，因無刷直流電動機沒有機械換向的磨擦損耗及齒輪箱的消耗，以及調(diào)速電路損耗，效率通?？筛哂?5%，但考慮到實際設(shè)計中的最高性價比，為減少材料消耗，一般設(shè)計為76%。而有刷直流電動機的效率由于齒輪箱和超越離合器的消耗，通常在70%左右。 2常見故障 無刷直流電動機的常見故障通常從其三個組成部分來檢查。在不清楚故障部位時，首先應(yīng)該檢查電動機本體，其次是位置傳感器，最后檢查驅(qū)動控制電路。在電動機本體中，可能出現(xiàn)的問題是：a、電動機繞組接觸不

10、良，斷線或短路。會造成電動機不轉(zhuǎn)；電動機在某些位置能夠起動，而在某些位置不能起動；電動機運行不平衡。b、電動機主磁極退磁，會使電動機轉(zhuǎn)矩明顯小，而空載轉(zhuǎn)速高、電流大。在位置傳感器上常見問題是霍爾元件損壞、接觸不良、位置變化，都會使電動機輸出轉(zhuǎn)矩變小，嚴(yán)重時會使得電動機不動或在某一點來回振動。在驅(qū)動控制電路中最容易出現(xiàn)故障的是功率晶體管，即由于長期過載、過電壓或短路使功率晶體管損壞。以上是對無刷電動機的常見故障進行的簡單分析，在電動機實際運行時問題會是多種多樣的，檢查者應(yīng)注意在沒有確切把握情況時，不能隨意通電，以免造成電動機的其他器件損壞。 2總體設(shè)計對于電動自行車控制系統(tǒng)設(shè)計主要有三個方面:1

11、控制電路的設(shè)計；2傳感器選擇以及安放設(shè)計；3顯示電路的設(shè)計；4程序設(shè)計。從總的方面來考慮，傳感器的使用應(yīng)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?？刂齐娐芬鶕?jù)選用的電機和傳感器來設(shè)計，主要考慮穩(wěn)定性，抗干擾性?？刂坪诵牟捎?1單片機，控制系統(tǒng)與電路用光耦完全隔離以避免干擾?？刂粕喜捎梅謺r復(fù)用技術(shù)，僅用一塊單片機就實現(xiàn)了信號采集，電機控制和轉(zhuǎn)速顯示。如圖2.1所示：圖2.1總體電路圖3 電路設(shè)計控制電路主要由電源電路、電機驅(qū)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(wěn)定容易對單片機和傳感器的工作產(chǎn)生干擾，所以，電機機驅(qū)動電路和單

12、片機以及傳感器電路用光耦隔離 。3.1電源電路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(wěn)壓器78l05將24v電源轉(zhuǎn)換到5v。見圖3.1：圖3.1電源電路圖24v直流電源經(jīng)三端穩(wěn)壓器78l05輸出即為單片機所要求的+5v電源。電路中接入c1、c2是用來實現(xiàn)頻率補償?shù)模煞乐狗€(wěn)壓器產(chǎn)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(wěn)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(dāng)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(diào)整管的be解結(jié)，造成調(diào)整管be結(jié)擊穿而損壞。3.2顯示電路顯示部分見圖3.2，采用單片機串口通訊，以節(jié)

13、省單片機的端口，單片機通過中斷的方式為顯示服務(wù)。我們所設(shè)計的采用共陽極連接方式的led七段顯示數(shù)碼管如圖3.3所示。圖3.2顯示電路圖圖3.3七段顯示數(shù)碼管動態(tài)顯示原理：1. 位碼控制如送位碼01h時，從左數(shù)第一位顯示，送位碼02h，第二位顯示，依次類推。見表3.1所示表3.1位顯碼位顯p0.7p0.6p0.5p0.4p0.3p0.2p0.1p0.0位碼10000000101h20000001002h30000010004h40000100008h50010000020h60001000010h71000000080h80100000040h2. 段碼控制如送段碼73h時，顯示p以此類推，如表

14、3.2所示：表3.2段碼表顯示p0.7p0.6p0.5p0.4p0.3p0.2p0.1p0.0位碼hgfedcbap0111001173h-1000000080h10000011003h2100110119bh3100011118fh410110110b6h510101101adh610111101bdh70000011107h810111111bfh910101111afh0001111113fhe10111101b9hn0010001123hd100111109eh暗0000000000h直流電動機的額定轉(zhuǎn)速為190轉(zhuǎn)/分大約需要三位數(shù)碼管顯示。驅(qū)動器采用74ls164串接510的限流電阻

15、。3.3控制電路圖3.4控制電路打開系統(tǒng)電源后由電位器控制電動機轉(zhuǎn)速，in0-in6線上那一路模擬電壓被換成數(shù)字量由adda-addc線上的地址決定。addc0809內(nèi)部“地址鎖存與譯碼”電路便把in0線上模擬電壓送入8位a/d轉(zhuǎn)換器。此時，若單片機使stra線處于高電平，則adc0809便開始a/d轉(zhuǎn)換，一旦a/d轉(zhuǎn)換完成，adc0809一方面把a/d轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量送入它三態(tài)輸出緩沖器，另一方面又使eoc線變?yōu)楦唠娖较騿纹瑱C提出中斷請求。單片機檢測和響應(yīng)該中斷請求后就通過使rd非變?yōu)榈碗娖蕉筼e線變高，以便可以從2.12.8引線上取走a/d轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量輸出相應(yīng)的巨型脈沖信號。脈沖信號經(jīng)7

16、4ls254放大后經(jīng)光電耦合控制繼電器。3.4驅(qū)動電路及原理電動自行車使用24v直流電機，對于這種小功率直流電機的調(diào)速方法一般有兩種。一種是線性型：使用功率三級管作為功率放大器的輸出控制直流電機。線性型驅(qū)動的電路結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)矩運行時，通過電阻r的電流大，發(fā)熱厲害，損耗大。另一種脈寬調(diào)制型:脈寬調(diào)速（pulse wide modulationpwm）較常用的 一種調(diào)速方式，這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點。因此決定采用pwm方式控制直流電機。永磁式直流電機脈

17、寬調(diào)速原理：永磁式直流電動機電機轉(zhuǎn)速由電樞電壓ud決定，電樞電壓ud越高電機轉(zhuǎn)速越快，電樞電壓ud降為0v，電機就就停轉(zhuǎn)。直流電機的具體調(diào)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(zhuǎn)動。在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速控制在指定的范圍內(nèi)。如圖3.5所示：圖3.5脈沖信號圖vmax為電動機的最大轉(zhuǎn)速值，vmin為電動機的最小轉(zhuǎn)速值，vd為二者的平均值。vd=d*max式中d=t/tc稱為占空比，d越大vd就越大反之亦然。平均轉(zhuǎn)速和電樞上的脈沖占空比d之間關(guān)系如圖3.6所示：由圖可知，平

18、均轉(zhuǎn)速與占空比并非完全的線性關(guān)系，但可以近似的看成是線性關(guān)系。因此，電動機的平均轉(zhuǎn)速vd就可以有占空比d加以控制。圖3.6 vd/d關(guān)系圖pwm調(diào)速分為雙向式和單向式兩種：雙向式：在一個脈沖周期內(nèi)（t=ta+tb）,t1和t3導(dǎo)通時間為ta,t2和t4導(dǎo)通時間為tb，這樣在ta這段時間內(nèi)，電機通過的是正向電流，在tb這段時間內(nèi)為反相電流。當(dāng)ta=tb時電機停轉(zhuǎn)，tatb電機正轉(zhuǎn)，tatb則電動機正轉(zhuǎn)。通過改變ta、tb的占空比即可改變轉(zhuǎn)速。4主要器件性能及原理4.1 8051單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu)8051是mcs-51系列單片機的典型產(chǎn)品，我們以這一代表性的機型進行系統(tǒng)的講解。8051單片機包含中央處

19、理器、程序存儲器(rom)、數(shù)據(jù)存儲器(ram)、定時/計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線，現(xiàn)在我們分別加以說明：(1) 中央處理器(cpu)中央處理器(cpu)是整個單片機的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進制數(shù)據(jù)或代碼，cpu負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。(2) 數(shù)據(jù)存儲器（ram）8051內(nèi)部有128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的的ram只有128個

20、，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運算的中間結(jié)果或用戶定義的字型表(3) 程序存存儲器（rom）8051共有4096個8位掩膜rom，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。(4) 定時/計數(shù)器（rom）8051有兩個16位的可編程定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。(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(shù)據(jù)的傳輸。(6) 全雙工串行口(7) 中斷系統(tǒng)8051具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數(shù)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(yōu)先級別選擇(8) 時鐘電路8051內(nèi)置最高頻率達12mhz的時鐘電路

21、，用于產(chǎn)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。8051的引腳說明：8051引腳如圖4.1所示：圖4.1 8051引腳圖pin20:接地腳。pin40:正電源腳，正常工作或?qū)ζ瑑?nèi)eprom燒寫程序時，接+5v電源。pin19:時鐘xtal1腳，片內(nèi)振蕩電路的輸入端。pin18:時鐘xtal2腳，片內(nèi)振蕩電路的輸出端。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

22、在以下內(nèi)容闡述。pin9:reset/vpd復(fù)位信號復(fù)用腳，當(dāng)8051通電，時鐘電路開始工作，在reset引腳上出現(xiàn)24個時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。初始化后，程序計數(shù)器pc指向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(tǒng)即從0000h地址開始執(zhí)行程序。然而，初始復(fù)位不改變ram（包括工作寄存器r0-r7）的狀態(tài)，8051的初始態(tài)如表4.1:表4.1 8051初始狀態(tài)特殊功能寄存器初始態(tài)特殊功能寄存器初始態(tài)acc00hb00hpsw00hsp07hdph00hth000hdpl00htl000hipxx

23、x00000bth100hie0xx00000btl100htmod00htcon00hsconxxxxxxxxbsbuf00hp0-p31111111bpcon0xxxxxxxbpin30: ale/當(dāng)訪問外部程序器時，ale(地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。而訪問內(nèi)部程序存儲器時，ale端將有一個1/6時鐘頻率的正脈沖信號，這個信號可以用于識別單片機是否工作，也可以當(dāng)作一個時鐘向外輸出。更有一個特點，當(dāng)訪問外部程序存儲器，ale會跳過一個脈沖。如果單片機是eprom，在編程其間，將用于輸入編程脈沖。pin29:當(dāng)訪問外部程序存儲器時，此腳輸出負(fù)脈沖選通信號，pc的16位地址數(shù)據(jù)將出

24、現(xiàn)在p0和p2口上，外部程序存儲器則把指令數(shù)據(jù)放到p0口上，cpu讀入并執(zhí)行。pin31:ea/vpp程序存儲器的內(nèi)外部選通線，8051和8751單片機，內(nèi)置有4kb的程序存儲器，當(dāng)ea為高電平并且程序地址小于4kb時，讀取內(nèi)部程序存儲器指令數(shù)據(jù)，而超過4kb地址則讀取外部指令數(shù)據(jù)。如ea為低電平，則不管地址大小，一律讀取外部程序存儲器指令。4.2 a/ d轉(zhuǎn)換芯片（1）內(nèi)部結(jié)構(gòu)adc0809芯片是最常用的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它的模數(shù)轉(zhuǎn)換原理采用逐次逼近型，芯片由單個+5v電源供電，可以分時對8路輸入模擬量進行a/d轉(zhuǎn)換，典型的a/d轉(zhuǎn)換時間為100微秒左右。在同類產(chǎn)品中，adc0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器

25、的分辨率、轉(zhuǎn)換速度和價位都居首位。adc0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)，如圖4.2：圖4.2 adc0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)由上圖可知，adc0809由一個8路模擬開關(guān)、一個地址鎖存與譯碼器、一個a/d轉(zhuǎn)換器和一個三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個模擬通道，允許8路模擬量分時輸入，共用a/d轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存a/d轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)oe端為高電平時，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。（2）引腳結(jié)構(gòu) 圖4.3 adc0809引腳結(jié)構(gòu)圖in0in7：8條模擬量輸入通道adc0809對輸入模擬量要求：信號單極性，電壓范圍是05v，若信號太小，必須進行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)

26、該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。地址輸入和控制線：4條 ale為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ale線為高電平時，地址鎖存與譯碼器將a，b，c三條地址線的地址信號進行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換。a，b和c為地址輸入線，用于選通in0in7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如表4.2：表4.2 通道選擇表cba選擇的通道000in0001in1010in2011in3100in4111in5110in6111in7數(shù)字量輸出及控制線：11條st為轉(zhuǎn)換啟動信號。當(dāng)st上跳沿時，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時，開始進行a/d轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，st應(yīng)

27、保持低電平。eoc為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號。當(dāng)eoc為高電平時，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；否則，表明正在進行a/d轉(zhuǎn)換。oe為輸出允許信號，用于控制三條輸出鎖存器向單片機輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。oe1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；oe0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。d7d0為數(shù)字量輸出線。clk為時鐘輸入信號線。因adc0809的內(nèi)部沒有時鐘電路，所需時鐘信號必須由外界提供，通常使用頻率為500khz，vref（），vref（）為參考電壓輸入。4.3永磁無刷直流電動機1無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)特點無刷直流電動機（bldcm）由電動機本體和驅(qū)動器構(gòu)成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。定子繞組做成三相對稱星行接法，同三相異步電動機十分相似。電動

28、機轉(zhuǎn)子由釹鐵硼永磁材料構(gòu)成。在定轉(zhuǎn)子形成的氣隙中產(chǎn)生n-s級相間的方波磁場，所以也把這種電動機稱為“方波電動機”。為了使電動機繞組準(zhǔn)確換向，在電動機內(nèi)裝有位置傳感器，作為轉(zhuǎn)子極性的位置信號。驅(qū)動器組成： 作為控制中樞的單片子；作為電子換向的由igbt或mosfet構(gòu)成的逆變橋；作為電壓型交一直一交主電路的整流、濾波單位；作為人機接口的鍵盤和數(shù)字顯示單位；作為控制、驅(qū)動電源的開關(guān)電源。2無刷直流電動機的主要特點無刷直流電動機有效率高；功率因子高；啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流??；電動機出力高；適應(yīng)性強等特點。此外，無刷直流電動機是一種自控式調(diào)速系統(tǒng)，它無需像普通同步電動機那樣需要啟動繞組；在負(fù)載突變時，不

29、會產(chǎn)生振蕩和失步；無刷直流電動機具有直流電動機特性、交流異步電動機的結(jié)構(gòu)；無刷直流電動機適合長期低速運轉(zhuǎn)、頻繁啟動的場合，這是變頻調(diào)速器拖動y系列電動機不可能實現(xiàn)的。3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(qū)動器組成，是一種典型的機電一體化產(chǎn)品。電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(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機轉(zhuǎn)子的極性，在電動機內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電動機的啟動、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(zhuǎn)信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)

30、生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護和顯示等等。無刷直流電動機的原理簡圖如圖4.4所示：圖4.4無刷直流電動機的原理圖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(diào)制波的對稱交變矩形波。永磁體n-s交替交換，使位置傳感器產(chǎn)生相位差120的u、v、w方波，結(jié)合正/反轉(zhuǎn)信號產(chǎn)生有效的六狀態(tài)編碼信號：101、100、110、010、011、001，通過邏輯組建處理產(chǎn)生t1-t4導(dǎo)通、t1-t6導(dǎo)通、t3-t6導(dǎo)通、t3-t2導(dǎo)通、t5-t2導(dǎo)通、t5-t4導(dǎo)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-、

31、c+b-上，這樣轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對n-s極，t1-t6功率管即按固定組合成六種狀態(tài)的依次導(dǎo)通。每種狀態(tài)下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態(tài)，定子繞組產(chǎn)生的磁場軸線在空間轉(zhuǎn)動60電度角，轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場轉(zhuǎn)動相當(dāng)于60電度角空間位置，轉(zhuǎn)子在新位置上，使位置傳感器u、v、w按約定產(chǎn)生一組新編碼，新的編碼又改變了功率管的導(dǎo)通組合，使定子繞組產(chǎn)生的磁場軸再前進60電度角，如此循環(huán)，無刷直流電動機將產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，拖動負(fù)載作連續(xù)旋轉(zhuǎn)。正因為無刷直流電動機的換向是自身產(chǎn)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。由于定子磁場軸線可視作同轉(zhuǎn)子軸線垂直，在鐵芯不飽和的情況下，產(chǎn)生的平均電磁轉(zhuǎn)矩與繞組

32、電流成正比，這正是他勵直流電動機的電流-轉(zhuǎn)矩特性。電動機的轉(zhuǎn)矩正比于繞組平均電流: tm=ktlav(n/m)電動機兩相組反電勢的差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(diào)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(zhuǎn)矩：tm=(vdckt/2ra)-kt(ke/2ra)kt、ke是電動機的結(jié)構(gòu)常數(shù)，為電動機的角速度(rad/s)，所以，在一定的時，改變占空比，就可以線性地改變電動機的電磁轉(zhuǎn)矩，得到與他勵支流電動機電樞電壓控制相同的控制

33、特性和機械特性。無刷直流電動機的轉(zhuǎn)速設(shè)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(yīng)的最高轉(zhuǎn)速：vc(max)n max,那么，+5v以下任何電平即對應(yīng)相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速n，這就實現(xiàn)了變速設(shè)定。當(dāng)vc設(shè)定以后，無論是負(fù)載變化、電源電壓變化，還是環(huán)境溫度變化，當(dāng)轉(zhuǎn)速低于指令轉(zhuǎn)速時，反饋電壓vfb變小，調(diào)制波的占空比就會變大，電樞電流變大，使電動機產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩增大而產(chǎn)生加速度，直到電動機的實際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止；反之，如果電動機實際轉(zhuǎn)速比指令轉(zhuǎn)速高時，減小，tm減小。發(fā)生減速度，直至實際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止?？梢哉f，無刷直流電動機在允許的電網(wǎng)波動范圍內(nèi)，在允許的過載能力以下，其穩(wěn)定轉(zhuǎn)

34、速與指令轉(zhuǎn)速相差在1%左右，并可以實現(xiàn)在調(diào)速范圍內(nèi)恒轉(zhuǎn)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(wǎng)吸取勵磁電流；由于轉(zhuǎn)子中無交變磁通，其轉(zhuǎn)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，無刷直流電動機的能力指針（cos）比同容量三相異步電動機高12%-20%。電動機采用無錫市日弛電機有限公司生產(chǎn)的永磁無刷直流電動機，電動機各參數(shù)如表4.3：表4.3電動機各參數(shù)表型號額定電壓（v）額定轉(zhuǎn)速（r/min）額定功率（w）效率sw0062419014074%4.4 三端式穩(wěn)壓器78l05的工作原理現(xiàn)以具有正電壓輸出的78l系列為例介紹它的工作原理。

35、電路如圖4.5，三端式穩(wěn)壓器由啟動電路、基準(zhǔn)電壓電路、取樣比較放大電路、調(diào)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。圖4.5三端式穩(wěn)壓器工作原理注 圖中r11由輸出電流檔次決定，r12由輸出電壓檔次決定4.4.1啟動電路在集成穩(wěn)壓器中，常常采用許多恒流源，當(dāng)輸入電壓v1接通后，這些恒流源難以自行導(dǎo)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(dāng)輸入電壓v1高于穩(wěn)壓管dz1的穩(wěn)定電壓時，有電流通過t1、t2，使t3基極電位上升而導(dǎo)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

36、，當(dāng)dz2達到和dz1相等的穩(wěn)壓值，整個電路進入正常工作狀態(tài)，電路啟動完畢。與此同時，t2因發(fā)射結(jié)電壓為零而截止，切斷了啟動電路與放大電路的聯(lián)系，從而保證t2左邊出現(xiàn)的紋波與噪聲不致影響基準(zhǔn)電壓源。4.4.2準(zhǔn)電壓電路基準(zhǔn)電壓電路由t4、dz2、t3、r1、r3及d1、d2組成，電路中的基準(zhǔn)電壓為式中vz2為dz2的穩(wěn)定電壓，vbe為t3、d1、d2發(fā)射結(jié)（d1、d2為由發(fā)射結(jié)構(gòu)成的二極管）的正向電壓值。在電路設(shè)計和工藝上使具有正溫度系數(shù)的r1、r2、dz2與具有負(fù)溫度系數(shù)的t3、d1、d2發(fā)射結(jié)互相補償，可使基準(zhǔn)電壓vref基本上不隨溫度變化。同時，對穩(wěn)壓管dz2采用恒流源供電，從而保證基準(zhǔn)

37、電壓不受輸入電壓波動的影響。4.4.3取樣比較放大電路和調(diào)整電路這部分電路由t4t11組成，其中t10、t11組成復(fù)合調(diào)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(fù)載。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(dāng)調(diào)整管滿載時ib10最大，而ic8最??；而當(dāng)負(fù)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(dāng)io減小時，ib10減小，ic8增大，待ic8增大到 0.6v時

38、，則t9導(dǎo)通起分流作用。這樣就減輕了t8的過多負(fù)擔(dān)，使ic8的變化范圍縮小。 4.4.4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。保護的目的主要是使調(diào)整管（主要是t11）能在安全區(qū)以內(nèi)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(shè)圖4.5中的dz3、dz4和r14不存在，r15兩端短路。這時，如果穩(wěn)壓電路工作正常，即pcpcm并且輸出電流io在額定值以內(nèi)，流過r11的電流使 =ior110.6v時，使t12管導(dǎo)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

39、出電流限制在額定值以內(nèi)。由于調(diào)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（vz3+ vz4），則dz3、dz4擊穿，導(dǎo)致t12管發(fā)射結(jié)承受正向電壓而導(dǎo)通。vbe12的值為經(jīng)整理后得顯然，（vi vo）越大，即調(diào)整管的vce值越大，則io越小，從而使調(diào)整管的功耗限制在允許范圍內(nèi)。由于io的減小，故上述保護稱為減流式保護。4.4.5過熱保護電路電路由dz2、t3、t14和t13組成。在常溫時，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(dāng)某種原因（過載或環(huán)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

40、高而升高，而t14的發(fā)射結(jié)電壓vbe14下降，導(dǎo)致t14導(dǎo)通，t13也隨之導(dǎo)通。調(diào)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(wěn)定性。值得指出的是：當(dāng)出現(xiàn)故障時，上述幾種保護電路是互相關(guān)聯(lián)的。圖4.6 三端穩(wěn)壓器典型接法圖4.6是應(yīng)用78l05輸出固定電壓vo的典型電路圖。正常工作時，輸入、輸出電壓差應(yīng)大于23v。電路中接入電容c1、c2是用來實現(xiàn)頻率補償?shù)模煞乐狗€(wěn)壓器產(chǎn)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(wěn)壓電源輸出端由輸入端電源引入的

41、低頻干擾。d是保護二極管，當(dāng)輸入端意外短路時，給輸出電容器c3一個放大通路，防止c3兩端電壓作用于調(diào)整管的be結(jié)，造成調(diào)整管be結(jié)擊穿而損壞。三端穩(wěn)壓器參數(shù)表見表4.4：表4.4 三端穩(wěn)壓器參數(shù)表參數(shù)單位7805輸出電壓范圍v4.85.2最大輸入電壓v35最大輸出電流a1.5v0(i0變化引起)mv100(i0=5ma1.5a)v0(vi引起變化v0)mv50v (vi=725v)v0（溫度引起變化)mv/0.6(i0=500ma)器件壓降（vi- v0）v22.5（i0=ia)偏置電流ma6輸出電阻m17輸出噪聲電壓（10100khz）v404.5集成轉(zhuǎn)速傳感器kmi15-1集成轉(zhuǎn)速傳感器具

42、有靈敏度高、測量范圍寬、抗干擾能力強、外圍電路簡單等優(yōu)點，是傳統(tǒng)的分立式轉(zhuǎn)速傳感器的升級換代產(chǎn)品。轉(zhuǎn)速屬于常規(guī)電測參數(shù)。測量轉(zhuǎn)速時經(jīng)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(tǒng)的磁阻式傳感器是由磁鋼、線圈等分立元件構(gòu)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(zhuǎn)動齒輪的最大間隙（亦稱磁感應(yīng)距離）只有零點幾毫米；第二，在測量高速旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速時，因安裝不牢固或受機械振動，容易與齒輪發(fā)生碰撞，安全性較差；第三，這種傳感器所產(chǎn)生的是幅度很低且變化緩慢的模擬電壓信號，因此，需要經(jīng)過放大、整形后變成沿口陡直的數(shù)字頻率信號，才能送給數(shù)字轉(zhuǎn)速儀或數(shù)字頻率計測量轉(zhuǎn)速

43、，而且外圍電路比較復(fù)雜；第四，它無法測量非常低（接近于零）的轉(zhuǎn)速，因為這時磁阻式傳感器可能檢測不到轉(zhuǎn)速信號。目前，轉(zhuǎn)速傳感器正朝著高靈敏度、高可靠性和全集成化的方向發(fā)展，典型產(chǎn)品有飛利浦（philips）公司生產(chǎn)的kmi15系列磁阻式集成轉(zhuǎn)速傳感器。該傳感器性能優(yōu)良，安全性好，穩(wěn)定性強，是分立式轉(zhuǎn)速傳感器理想的升級換代產(chǎn)品。kmi15-1系列包括kmi15-1、kmi15-2、kmi15-3、kmi15-3等型號，它們的工作原理相同，僅性能指標(biāo)略有差異。下面就以kmi15-1為例來介紹該系列集成轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理與具體應(yīng)用方法。4.5.1 kmi15-1型傳感器的性能特點kmi15-1芯片內(nèi)

44、含高性能磁鋼、磁敏電阻傳感器和ic。它利用ic來完成信號變換功能，其輸出的電流信號頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比，電流信號的變化幅度為7ma14ma電流信號的變化幅度為7ma14ma。由于其外圍電路比較簡單，因而很容易配二次儀表測量轉(zhuǎn)速。kmi15-1器件的測量范圍寬，靈敏度高，它的齒輪轉(zhuǎn)動頻率范圍是0-25khz，而且即使在轉(zhuǎn)動頻率接近于零時，它也能夠進行測量。傳感器與齒輪的最大磁感應(yīng)距離為2.99mm（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(nèi)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

45、影響。kmi15-1的體積較小，其最大外形尺寸為8621 mm，能可靠固定在齒輪附近。kmi15-1采用+12v電源供電（典型值），最高不超過16v。工作溫度范圍寬達-40+85。4.5.2工作原理kmi15-1型集成轉(zhuǎn)速傳感器的外形如圖4.7所示：圖4.7 kmi15-1型集成轉(zhuǎn)速傳感器的外形圖它的兩個引腳分別為ucc（接12v電源端）和u-（方波電流信號輸出端）。為使ic處于較低的環(huán)境溫度中，設(shè)計時專門將ic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4.8所示。其內(nèi)部主要包括：（1）磁敏電阻傳感器；（2）前置放大器a1；（3）施密特觸發(fā)器；（4）開關(guān)控制式電流源；（

46、5）恒流源；（6）電壓控制器。4.8傳感器簡化圖4.9測量原理圖實際上，該傳感器是由4只磁敏電阻構(gòu)成的一個橋路齒輪的地方，其測量原理如圖4.9所示。當(dāng)齒輪沿y軸方向轉(zhuǎn)動時，由于氣隙處的磁力線發(fā)生變化，磁路中的磁阻也隨之改變，從而可在傳感器上產(chǎn)生電信號。此外，該傳感器具有很強的方向性，它對沿軸轉(zhuǎn)動的物體十分敏感，而對沿z軸方向的振動或抖動量很不敏感。這正是測量轉(zhuǎn)速所需要的。工作時，傳感器產(chǎn)生的電信號首先通過emi濾波器濾除高頻電磁干擾，然后經(jīng)過前置放大器，再利用施密特觸發(fā)器進行整形以獲得控制信號uk，并將其加到開關(guān)控制式電流源的控制端。kmi15-1的輸出電流信號icc是由兩個電流疊加而成的，一

47、個是由恒流源提供的7a恒定電流ih，另一個是由開關(guān)控制式電流源輸出的可變電流ik。它們之間的關(guān)系式為：iccihik 當(dāng)控制信號uk0（低電平）時，該電流源關(guān)斷，ik0，iccih7ma。當(dāng)uk1（高電平）時，電流源被接通，ik7ma，從而使得icc14ma。圖4.10給出了從u-端輸出的方波電流信號的波形，其高電平持續(xù)時間為t1，周期為t。輸出波形的占空比dt1/t5020。上升時間和降時間分別僅為0.5和0.7。圖4.10從u-輸出的方波電流信號的波形kmi15-1芯片中的電壓控制器實際上是一個并聯(lián)調(diào)整式穩(wěn)壓器，可用于為傳感器提供穩(wěn)定的工作電壓uc。而電阻r3、穩(wěn)壓管vdz和晶體管vt1則

48、可構(gòu)成取樣電路，其中vt1接成射極跟隨器。a2為誤差放大器，vt2為并聯(lián)式調(diào)整管。這樣，1h在經(jīng)過r1、r2分壓后可給a2提供基準(zhǔn)電壓uref，從而在ucc發(fā)生變化時，由a2對取樣電壓與基準(zhǔn)電壓進行比較后產(chǎn)生誤差電壓ur，同時通過改變vt2上的電流來使uc保持不變。4.5.3 kmi15-1的應(yīng)用安裝方法kmi15-1應(yīng)當(dāng)安裝在轉(zhuǎn)動齒輪的旁邊。若被測轉(zhuǎn)動工件上沒有齒輪，亦可在轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速標(biāo)記信號。圖4.11 kmi15-1的典型應(yīng)用電路kmi15-1型集成轉(zhuǎn)速傳感器的典型應(yīng)用電路如圖4.11(a)所示

49、。工作時，轉(zhuǎn)速傳感器輸出方波電流信號，從而在負(fù)載電阻與負(fù)載電容cl上形成電壓頻率信號uo(f)，并送至二次儀表。通常取rl115、cl0.1。需要指出：kmi15-1輸出的是齒輪轉(zhuǎn)動頻率（單位是hz，即次/s）信號，欲得到轉(zhuǎn)速n（r/min），還應(yīng)將除以齒輪上的齒數(shù)n，并將時間單位改成分鐘，公式如下：n60fn 圖4.12(b)所示電路是由二極vd、穩(wěn)壓管vdz和電c1構(gòu)成的靜電放電(esd)保護電路，該電路可吸收2kv的esd電壓，因而可對芯片起到保護作用。此外，還需注意，在存放kmi15系列產(chǎn)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(nèi)部功能圖見圖4.12所示，其邏輯符合表如表4.5：圖4.12 74ls164內(nèi)部功能圖表4.5 74ls164邏輯符合表inputsoutputsclearclocka bqa qbqhlhhhhxlx xx xh hl xx ll l lqa0 qb0qh0h qanqgnl qanqgnl qanqgn74ls164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(shù)據(jù)線將把一位數(shù)移進去，移八次就進一個字節(jié)，同時在數(shù)碼管顯示出來。譯碼器是實現(xiàn)組合邏輯的功能部件。它的輸入是二進制