電動自行車調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、電動自行車調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)第一章引言電動車的發(fā)展史比燃油汽車更長，世界上第一輛機(jī)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 年代末，電動車的發(fā)展進(jìn)入了一個沉寂期。 進(jìn)入 70 年代以來，由于中東石油危機(jī)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(diǎn)。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(cái)力，電動車的各項(xiàng)相關(guān)技術(shù)也取得了重大的進(jìn)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(jìn)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，改

2、善其性能處于世紀(jì)之交的今天，能源和環(huán)境對人類的壓力越來越大，要求盡快改善人類生存環(huán)境的呼聲越來越高。為了適應(yīng)這個發(fā)展趨勢，世界各國的政府、學(xué)術(shù)界、工業(yè)界正在加大對電動車開發(fā)的投資力度，加快電動車的商品化步伐。雖然目前電動車在能源和行駛里程方面還未能盡如人意，但已足以滿足人們的基本需要。從技術(shù)發(fā)展的角度來看，在走過了漫長而艱難的發(fā)展歷程之后，電動車正面臨著重大的技術(shù)突破，有望成為21世紀(jì)的重要交通工具?，F(xiàn)代電動車是融合了電力、電子、機(jī)械控制、材料科學(xué)以及化工技術(shù)等多種高新技術(shù)的綜合產(chǎn)品。整體的運(yùn)行性能、經(jīng)濟(jì)性等首先取決于電池系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)。電動車的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)一般由4 個主要部分組成，即

3、控制器、功率變換器、電動機(jī)及傳感器。目前電動車中使用的電動機(jī)一般有直流電動機(jī)、感應(yīng)電動機(jī)、開關(guān)磁阻電動機(jī)以及永磁無刷電動機(jī)等。1第二章系統(tǒng)要求2.1電動車對電動機(jī)的基本要求電動車的運(yùn)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。2.1.1電動車用電動機(jī)應(yīng)具有瞬時功率大，過載能力強(qiáng)、過載系數(shù)應(yīng)為(3 4) ，加速性能好，使用壽命長的特點(diǎn)。2.1.2電動車用電動機(jī)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(yùn)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(jī)應(yīng)能夠

4、在車減速時實(shí)現(xiàn)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(nèi)燃機(jī)的摩托車上是不能實(shí)現(xiàn)的。2.1.4電動車用電動機(jī)應(yīng)在整個運(yùn)行范圍內(nèi)，具有高的效率，以提高1 次充電的續(xù)駛里程。另外還要求電動車用電動機(jī)可靠性好，能夠在較惡劣的環(huán)境下長期工作，結(jié)構(gòu)簡單適應(yīng)大批量生產(chǎn)，運(yùn)行時噪聲低，使用維修方便，價(jià)格便宜等。2.2鑒于電動車對電動機(jī)的基本要求采用永磁無刷直流電動機(jī)。2.2.1 永磁無刷直流電動機(jī)的基本性能。永磁無刷直流電動機(jī)是一種高性能的電動機(jī)。它的最大特點(diǎn)就是具有直流電動機(jī)的外特性而沒有刷組成的機(jī)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)熱的電樞繞組又裝在外面的

5、定子上，散熱容易，因此，永磁無刷直流電動機(jī)沒有換向火花，沒有無線電干擾， 壽命長，運(yùn)行可靠， 維修簡便。此外，它的轉(zhuǎn)速不受機(jī)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(dá)幾十萬轉(zhuǎn)運(yùn)行。永磁無刷直流電動機(jī)機(jī)系統(tǒng)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(yīng)用前景。2.2.2永磁無刷直流電動機(jī)的控制系統(tǒng)。典型的永磁無刷直流電動機(jī)是一種準(zhǔn)解耦矢量控制系統(tǒng)，由于永磁體只能產(chǎn)生固定幅值磁場，因而永磁無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)非常適合于運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，一般采用電流滯環(huán)控制或電流反饋型SPWM法來完成。為進(jìn)一步擴(kuò)充轉(zhuǎn)速，永磁無刷直流電動機(jī)也可以采用弱磁控制。弱磁控制的實(shí)質(zhì)是使相電流相位角

6、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(jī)的不足。永磁無刷直流電動機(jī)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(jī)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(dǎo)磁性能可能會下降或發(fā)生退磁現(xiàn)象，將降低永磁電動機(jī)的性能，嚴(yán)重時還會損壞電2動機(jī)，在使用中必須嚴(yán)格控制， 使其不發(fā)生過載。 永磁無刷直流電動機(jī)在恒功率模式下，操縱復(fù)雜，需要一套復(fù)雜的控制系統(tǒng)，從而使得永磁無刷直流電動機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)造價(jià)很高。第三章總體規(guī)劃對于電動自行車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要有三個方面：一、控制電路的設(shè)計(jì)；二、傳感器3選擇以及安放設(shè)計(jì)；三、顯示電路的設(shè)計(jì)；四

7、、程序設(shè)計(jì)。從總的方面來考慮，傳感器的使用應(yīng)該盡量減少單片機(jī)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(jī)和傳感器來設(shè)計(jì)，主要考慮穩(wěn)定性，抗干擾性?？刂坪诵牟捎?1 單片機(jī)，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(jī)就實(shí)現(xiàn)了信號采集，電機(jī)控制和轉(zhuǎn)速顯示。如圖3-1 所示控制電路直流電動機(jī)驅(qū)動單片機(jī)顯示部分轉(zhuǎn)速傳感器圖 3-1電動自行車的基本原理是：由蓄電池提供電能，電動機(jī)驅(qū)動自行車。第四章電路設(shè)計(jì)控制電路主要有電源電路、電機(jī)驅(qū)動電路、單片機(jī)接口電路、顯示電路四個部分?？紤]到電機(jī)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(jī)和傳感

8、器4的工作產(chǎn)生干擾，所以，電機(jī)驅(qū)動電路和單片機(jī)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(jī)的電源則通過三端穩(wěn)壓器78L05 將 24V電源轉(zhuǎn)換到 5V。41 電源電路24V 直流電源經(jīng)三端穩(wěn)牙器74L05 輸出即為單片機(jī)所要求的+5V 電源。電路中接入電容 C1、C2 是用來實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償?shù)?，可防止穩(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(hù)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 結(jié)，造成調(diào)整管be 結(jié)擊穿而損壞。三端穩(wěn)壓器78

9、L0531Vin+5VC3DNG24VC1C210F5V0.33 F0.33 F2圖 4-1-142 顯示電路顯示部分采用單片機(jī)串口通訊，以節(jié)省單片機(jī)的端口，單片機(jī)通過中斷的方式為顯示服務(wù)。直流電動機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為190 轉(zhuǎn)每分大約需要三位數(shù)碼顯示。驅(qū)動器采用74LS164串接 510 歐的限流電阻。見圖 4-2-1 43 控制電路打開系統(tǒng)電源后由電位器控制電動機(jī)轉(zhuǎn)速，IN0-IN6 線上那一路模擬電壓被轉(zhuǎn)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”電路便能把 IN0 線上模擬電壓送入 8 位 A/D 轉(zhuǎn)換器此時，若單片機(jī)使 STAR線處于高電平，則

10、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)字量送入它的三態(tài)輸出緩沖器另一方面又使 EOC線變?yōu)楦唠娖较騿纹瑱C(jī)提出中斷請求。 單片機(jī)檢測和響應(yīng)該中斷請求后就通過使 rd 非變?yōu)榈碗娖蕉?OE線變高，以便可以從 2-1 -2 -8 引線上取走 A/D 轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量。單片機(jī)根據(jù) 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) 74LS245放大后經(jīng)光電藕荷控制繼電器。 見附圖 4-3-1 。44 驅(qū)動電路及原理5下面主要對驅(qū)動電路進(jìn)行一下介紹：電動自行車使用 24V直流電機(jī)， 對于這種小功率直流電機(jī)的調(diào)速方法一般有兩種。一

11、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(jī)。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(qiáng)，但功率損耗大，特別是低速大轉(zhuǎn)距運(yùn)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 MODULATION PWM）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)整平滑、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(shí)現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)的等優(yōu)點(diǎn)。因此決定采用 PWM方式控制直流電機(jī)。永磁式直流電機(jī)脈寬調(diào)速原理 永磁式直流電動機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速由電樞電壓 UD 決定，電樞電 UD越高電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，電樞電壓 UD 降為 0V，電

12、機(jī)就停轉(zhuǎn)。直流電機(jī)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(jī)因慣性而降速轉(zhuǎn)動。在轉(zhuǎn)速降到一定限度時使電動機(jī)再次接通電動機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)速控制在指定的范圍內(nèi)。如圖 4-4-1 所示：脈沖信號：tT轉(zhuǎn)速：VMAXVDVMIN圖 4-4-1VMAX為電動機(jī)的最大轉(zhuǎn)速值。 VMIN為電動機(jī)的最小轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速和電樞上的脈沖占空比 D之間的關(guān)系如 4-4-2 圖：VD（平均速度）600.51 D（占空比）圖 4-

13、4-2由圖可知，平均轉(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(jī)的平均轉(zhuǎn)速VD就可以有占空比D加以控制。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)通的時間為 Ta， T2 和 T4 導(dǎo)通的時間為 Tb，這樣在 Ta 這段時間內(nèi)，電機(jī)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(jī)停轉(zhuǎn)， TaTb時電機(jī)正轉(zhuǎn)， Ta Tb則電動機(jī)正轉(zhuǎn)。通過改變 Ta 、Tb 的占空比即可改變轉(zhuǎn)速。4.5 總電路圖見附圖 4-5-1 第五章主要器件性能及原理電動車的性能指標(biāo)一般包括：驅(qū)動性能、駕駛性能、車載能源系

14、統(tǒng)性能三部份，其中驅(qū)動性能取決于電機(jī)功率因素，車載能源系統(tǒng)性能取決于電池的容量，駕駛性能指標(biāo)主要包括：加速性能、最大爬坡性能、剎車性能及駕駛里程性能等駕駛模式，駕駛性能指標(biāo)的優(yōu)劣取決于控制系統(tǒng)駕駛模式的技術(shù)51 MCS-51 單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)8051 是 MCS-51系列單片機(jī)的典型產(chǎn)品，我們以這一代表性的機(jī)型進(jìn)行系統(tǒng)的講解。8051 單片機(jī)包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)、定時 / 計(jì)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三9大總線，現(xiàn)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(jī)的核心部件，是8

15、位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進(jìn)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(yùn)算和控制輸入輸出功能等操作。5.1.2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，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運(yùn)算的中間結(jié)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(shù)據(jù)或表格。5.1.4定時 / 計(jì)數(shù)器 (ROM)8051 有

16、兩個 16 位的可編程定時 / 計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時或計(jì)數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)的傳輸。5.1.6全雙工串行口8051 內(nèi)置一個全雙工串行通信口， 用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當(dāng)同步移位器使用。5.1.7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(jì)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。5.1.8時鐘電路8051 內(nèi)置最高頻率達(dá)12MHz的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個

17、單片機(jī)運(yùn)行的脈沖時序，但8051 單片機(jī)需外置振蕩電容。10單片機(jī)的結(jié)構(gòu)有兩種類型，一種是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開的形式，即哈佛(Harvard) 結(jié)構(gòu)，另一種是采用通用計(jì)算機(jī)廣泛使用的程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器合二為一的結(jié)構(gòu)，即普林斯頓 (Princeton) 結(jié)構(gòu)。 INTEL 的 MCS-51系列單片機(jī)采用的是哈佛結(jié)構(gòu)的形式，而后續(xù)產(chǎn)品 16 位的 MCS-96系列單片機(jī)則采用普林斯頓結(jié)構(gòu)。下圖是 MCS-51系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。5.1.9MCS-51 的引腳說明MCS-51系列單片機(jī)中的8031、8051 及 8751 均采用 40Pin 封裝的雙列直接 DIP 結(jié)構(gòu)，右圖是它們

18、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，114 組 8 位共 32 個 I/O 口，中斷口線與P3 口線復(fù)用。現(xiàn)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?qū)ζ瑑?nèi) EPROM燒寫程序時，接 +5V電源。 Pin18: 時鐘 XTAL2腳，片內(nèi)振蕩電路的輸出端。8051 的時鐘有兩種方式， 一種是片內(nèi)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

19、-51系列單片機(jī)中的 8031、8051 及8751 均采用 40Pin 封裝的雙列直接 DIP 結(jié)構(gòu)，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(fù)用。現(xiàn)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?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。8051 的時鐘有兩種方式， 一種是片內(nèi)時鐘振蕩方式， 但需在 18 和 19 腳

20、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。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(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

21、的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。初始化后，程序計(jì)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12不改變 RAM（包括工作寄存器R0-R7）的狀態(tài)， 8051 的初始態(tài)如下表：8051 的復(fù)位方式可以是自動復(fù)位， 也特殊功能寄存器初始態(tài) 特殊功能寄存器初始態(tài)可以是手動復(fù)位，見下圖。此外，RESET/V 還是一復(fù)用腳，V 掉電其ACC00HB00Hpdcc間，此腳可接上備用電源，以保證單PSW00HSP07H片機(jī)內(nèi)部 RAM的數(shù)據(jù)不丟失。DPH00HTH000H

22、5. 2 A/D轉(zhuǎn)換芯片ADC0809芯片是最常用的 8 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 它的模數(shù)轉(zhuǎn)換原理采用逐次逼進(jìn)型， 芯片由單個 5V 電源供電，可以分時對 8 路輸入模擬量進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換，典型的 A D 轉(zhuǎn)換時間為 100 微妙左右。在同類型產(chǎn)品中， ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率、轉(zhuǎn)換速度和價(jià)位都屬于居中位置。內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)，如圖5-2-1 所示。圖 5-2-1 ADC0809 內(nèi)部結(jié)構(gòu)引腳功能說明：D7 D0：8 位數(shù)字量輸出， AD轉(zhuǎn)換結(jié)果。IN0 IN7：8 路模擬電量輸入，可以是：0 5V或者 5V 5V 或者 10V+10V。+VREF：正極性參考電源。 VREF：負(fù)極性參考電源。13S

23、TART：啟動 A D轉(zhuǎn)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。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(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。 C 是高位地址， A 是最低位地址。OE：數(shù)字量輸出使能控制，輸入高有效，輸出A D轉(zhuǎn)換結(jié)果 D7 D0。EOC：模數(shù)轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸出。當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換未完成時，EOC輸出低電平；當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)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(jī)5.3

24、.1稀土永磁無刷直流電動機(jī)的基本工作原理無刷直流電動機(jī)由電動機(jī)主體和驅(qū)動器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。動機(jī)的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機(jī)十分相似。電動機(jī)的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，在電動機(jī)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(jī)的啟動、停止、制動信號，以控制電動機(jī)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)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(hù)和顯示等等。無刷直流電動機(jī)的原理簡圖如圖5-3-1 所示圖 5-3-114：主電路是一個典型的電

25、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，通過邏輯組件處理產(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-、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

26、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電角器 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(jìn) 60電角度， 如此循環(huán)，無刷直流電動機(jī)將產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩， 拖動負(fù)載作連續(xù)旋轉(zhuǎn)。正因?yàn)闊o刷直流電動機(jī)的換向是自身產(chǎn)生的，而不是由逆變器強(qiáng)制換向的，所以也稱作自控式同步電動機(jī)。無刷直流電動機(jī)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(zhuǎn)子磁場軸線位置，所以不論轉(zhuǎn)子的起始位置處在何處，電動機(jī)在啟動瞬間就會產(chǎn)生足夠大的啟動轉(zhuǎn)矩，因此轉(zhuǎn)子上不需另設(shè)啟動繞組。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

27、與繞組電流成正比，這正是他勵直流電動機(jī)的電流 - 轉(zhuǎn)矩特性。電動機(jī)的轉(zhuǎn)矩正比于繞組平均電流：Tm=KtIav （ N m）電動機(jī)兩相繞組反電勢的差正比于電動機(jī)的角速度：ELL=Ke （ V）所以電動機(jī)繞組中的平均電流為：Iav= （Vm-ELL） /2Ra （A）其中， Vm= VDC是加在電動機(jī)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(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩：Tm=（ VDC Kt/2Ra ） -Kt （ Ke/2Ra）15Kt 、Ke 是電動機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)，為電動機(jī)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(jī)的電

28、磁轉(zhuǎn)矩，得到與他勵直流電動機(jī)電樞電壓控制相同的控制特性和機(jī)械特性。無刷直流電動機(jī)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(shí)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(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩增大而產(chǎn)生加速度， 直到電動機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止；反之，如果電動機(jī)實(shí)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(shí)際轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相等為止?？梢哉f，

29、無刷直流電動機(jī)在允許的電壓波動范圍內(nèi)，在允許的過載能力以下， 其穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相差在 1%左右，并可以實(shí)現(xiàn)在調(diào)速范圍內(nèi)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。由于無刷直流電動機(jī)的勵磁來源于永磁體， 所以不象異步機(jī)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(jī)高 10%左右，一般來說，無刷直流電動機(jī)的力能指針（ cos）比同容量三相異步電動機(jī)高 12%-20%。電動機(jī)采用無錫市日馳電機(jī)有限公司生產(chǎn)的永磁無刷直流電動機(jī)型號額定電壓（ V）額定轉(zhuǎn)速（ r/min)額定功率（ W）效率（ %）SWX006241901407454 三端式穩(wěn)壓器 78L05 三端式穩(wěn)壓器7

30、8L05 的工作原理16圖 5-4-1電路如圖 5-4-1 所示，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(hù)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(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，

31、當(dāng) DZ2 達(dá)到和 DZ1 相等的穩(wěn)壓值， 整個電路進(jìn)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。5.4.2 基準(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(jì)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(bǔ)償，可使基準(zhǔn)電壓VREF基本上不隨溫度

32、變化。同時，對穩(wěn)壓管DZ2采用恒流源供電，從而保證基準(zhǔn)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(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 I C5=I C8+I B10，當(dāng)調(diào)整管滿載時 I B10最大，而 I C8最小；而當(dāng)負(fù)載開路時 I O=0，I B10 也趨于零，這時 I C5幾乎全部流入 T8 ，使得 I C8的變化范圍大， 這對比較放

33、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) I O減小時， I B10 減小， I C8 增大，待 I C8增大到0.6V 時，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 I C8的變化范圍縮小。5.4.4 減流式保護(hù)電路減流式保護(hù)電路由T12、R11、R15、R14 和 DZ3、 DZ4 組成， R11 為檢流電阻。保護(hù)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17PCM。首先考慮一種簡單的情況。 假設(shè)圖 1 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P

34、CPCM并且輸出電流 I O在額定值以內(nèi)，流過R11 的電流使=I OR110.6V 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(hù)電路的不足之處是只能將輸出電流限制在額定值以內(nèi)。由于調(diào)整管的耗散功率PCM=I CVCE，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 I O越小，從而使調(diào)整管的功耗限制在允許范圍內(nèi)。由于 I O的減小，故上述保護(hù)稱為減流式保

35、護(hù)。5.4.5 過熱保護(hù)電路過熱保護(hù)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 I B10 被 T13 分流，輸出電流 I O 下降，從而達(dá)到過熱保護(hù)的目的。電路中 R10 的作用是給 T10 管的 I CEO10和 T11 管的 I CBO11一條分流通路，以改善溫度穩(wěn)定性。

36、值得指出的是：當(dāng)出現(xiàn)故障時，上述幾種保護(hù)電路是互相關(guān)聯(lián)的。圖 5-4-2三端穩(wěn)壓器的典型接法18圖 5-4-2 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 2 3V。電路中接入電容 C1 、C2 是用來實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償?shù)?，可防止穩(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電源引入的低頻干擾。 D是保護(hù)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 結(jié)，造成調(diào)整管 be 結(jié)擊穿而損壞。三端穩(wěn)壓器的參數(shù)參 數(shù)單位7805輸出電壓范圍V4.85.2最大輸

37、入電壓V35最大輸出電流A1.5V0(I0 變化引起 )mV100(I0=5mA1.5A)V0(Vi 變化引起 )mV50(Vi=725V) V0( 溫度變化引起 ) mV/ 0.6(I0=500mA)器件壓降 (Vi-V0)V22.5(I0=lA)偏置電流mA6輸出電阻m1719輸出噪聲電壓V40(10100kHz)55 集成轉(zhuǎn)速傳感器KMI15-1集成轉(zhuǎn)速傳感器具有靈敏度高、測量范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)、外圍電路簡單等優(yōu)點(diǎn)，是傳統(tǒng)的分立式轉(zhuǎn)速傳感器的升級換代產(chǎn)品。下面是 KMI15系列磁阻式集成轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理與典型應(yīng)用。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

38、進(jìn)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(jī)改裝而成。但這種傳感器存在一些缺點(diǎn)：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(diǎn)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(jī)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(jì)測量轉(zhuǎn)速，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?yàn)檫@時磁阻式傳感器可能檢測不到轉(zhuǎn)速20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

39、方向發(fā)展5.5.1型傳感器的性能特點(diǎn)芯片內(nèi)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(zhuǎn)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(zhuǎn)速。器件的測量范圍寬，靈敏度高，它的齒輪轉(zhuǎn)動頻率范圍是，而且即使在轉(zhuǎn)動頻率接近于零時，它也能夠進(jìn)行測量。傳感器與齒輪的最大磁感應(yīng)距離為（典型值） ，由于與齒輪相距較遠(yuǎn)，因此使用比較安全。該傳感器抗干擾能力強(qiáng)，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影響。的體積較小，其最大外形尺寸為，能可靠固定在齒輪

40、附近。采用電源供電（典型值） ，最高不超過。工作溫度范圍寬達(dá)。工作原理型集成轉(zhuǎn)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（方波電流信號輸出端）。為使信號變換器處于較低21的環(huán)境溫度中，設(shè)計(jì)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(nèi)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(fā)器；開關(guān)控制式電流源；恒流源；電壓控制器。實(shí)際上，該傳感器是由只磁敏電阻構(gòu)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。當(dāng)齒輪沿軸方向轉(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(qiáng)的方向性，它對沿軸轉(zhuǎn)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(zhuǎn)速所需要的。工作時，傳感器產(chǎn)生的電信號首先通過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(jìn)行整形以獲得控制信號，并將其加到開關(guān)控制式電流源的控制端。的輸出電流