无刷电机控制器的相序检测系统设计_毕业设计.doc

无刷电机控制器的相序检测系统设计毕业设计成绩单学生姓名学号班级电0401-2班专业电气工程及其自动化毕业设计题目无刷电机控制器的相序检测系统设计指导教师姓名指导教师职称教 授评 定 成 绩指导教师得分评阅人得分答辩小组组长得分成绩：院长签字：年 月 日毕业设计任务书题目无刷电机控制器的相序检测系统设计学生姓名班级电0401-2 班学号专 业电气工程及其自动化承担指导任务单位电气与电子工程分院导师姓名导师职称教授一、设计内容1、设计以单片机为核心的无刷电机控制器相序检测系统2、软件编程二、基本要求1、检测控制器角度 2、判断霍尔控制线相序 3、判断控制器三相电源相序 4、判断控制器故障三、主要技术指标1、显示60度/120度角控制器2、显示霍尔位置相序及与其对应的电机电源相序3、显示控制器故障四、应收集的资料及参考文献1、单片机方面的知识及其接口技术2、无刷电机方面的资料3、霍尔传感器方面的资料4、无刷电机控制器方面的资料五、进度计划第1周第4周 调研、搜集资料、初步设计第5周第8周 绘制原理图，制作板图第9周第13周 编写软件，系统调试第13周第14周 完成论文。教研组主任签字时间 2008年2 月26 日毕业设计开题报告题目无刷电机控制器的相序检测系统设计学生姓名学号班 级电0401-2专 业电气工程及其自动化一、 研究背景以及现状电动车作为一种新型的代步工具，已经实实在在地被人民群众所接受。据业内人士预测，未来几年内，电动车的容量几乎相当于自行车的市场容量，全国4.5亿辆自行车用户中至少有3亿的用户将成为电动车的用户。电动车的电机分为有刷和无刷两种，而电动车有刷电机有它致命的缺陷就是年之内必须更换碳刷，无刷电机的优点即电机不需要维护。 因此随着电动车市场趋向成熟，无刷电机电动车逐渐占据了约80%以上的市场份额。在电动车原配件发生质量问题时如何选择合适的电机类型与原机型配套已经成为维修人员以及售后服务人员最关注的问题。我国现在关于电机检测系统大部分技术成果是依照工作原理搭建硬件电路，实现参数匹配，根据不同数据，分析确定电机类型是否匹配，工作状况是否良好。同时随着现代无刷直流电动机的应用越来越广泛，无刷直流电机控制器的相关技术也得到了飞速发展，其中由美国安森美公司开发的高性能第二代无刷直流电机控制器mc33035最具有代表性。本设计是以at89c51单片机为核心的无刷电机控制器相序检测系统，达到软件检测的目的。二、研究方案通过电路图绘制，将电机控制器的霍耳引出线输入到单片机，应用at89c51单片机进行软件检测，将测得的各引线对应的霍耳相序输出到数码管进行显示，并将电机电源的角度进行显示，采用继电器控制驱动电机动作，确定控制器电源相序。使其可以实现以下功能： 检测控制器角度 判断霍尔控制线相序 判断控制器三相电源相序 判断控制器故障三、预期目标三个数码管分别对应控制器三根电源线，当三个数码管显示ooo表示控制器完好，显示eee时，表明该显示对应的控制器相序出现问题，需要检测。测出电机控制器的角度60或120并显示在数码管上。可在数码管上显示各霍耳引出线对应的相序。通过软件控制，可确定控制器的三根电源引线分别是a、b、c相。指导教师签字时 间 年 月 日摘 要无刷电机控制器的相序检测系统采用at89c51单片机作为主控制单元，用来检测美国安森美公司的mc33035控制器的工作情况以及霍尔器件的工作性能。设计中检测系统的外部电路包括光电耦合隔离电路、继电器以及驱动电路。设计采用at89c51单片机检测无刷电机控制器的好坏及其相序和霍尔元件的相序，在所检测控制器的工作性能良好的情况下，将其相序输出到数码管显示电路，同时判断霍尔控制线的相序。本设计主要是针对无刷电机控制器的相序检测系统，是电动车检测系统的一部分。这个电动车检测系统主要是为了方便维修人员检修电动车，同时也适用于对电动车以及无刷电机控制器的工作原理还不太了解的客户，使其能够清晰的了解到电动车无刷电机控制器的工作性能并及时更换工作性能较差的器件。关键字：无刷电机控制器 at89c51单片机 检测系统目 录第1章 绪论11.1 国际和国内的研究现状11.2 研究对象的技术指标21.3 研究设计内容51.4 研究设计的创新点5第2章 设计方案62.1 无刷电机控制器的工作原理62.2 霍尔元件的工作原理82.3 无刷电机控制器的相序检测硬件框图92.4 单片机的硬件电路设计102.4.1 复位电路的设计102.4.2 时钟电路112.5 显示电路的设计122.5.1 显示方法的介绍122.5.2 单片机的串行接口的选择132.5.3 静态数码显示的应用132.6 外部信号的输入电路152.7 电源电路的设计162.8 继电器的选择172.8.1 继电器的基本技术要求172.8.2 继电器原则的选择172.8.3 继电器的选择182.8.4 继电器的驱动电路192.8.5 继电器的附加电路19第3章 系统软件设计203.1 系统主程序203.2 控制器故障检测模块213.3 控制器相角判断模块233.4 霍尔和控制器相序的判断模块233.4.1 60度电机的判断模块233.4.2 120度电机的判断模块373.5 其他子程序43第4章 结论与发展前景444.1 结论444.2 前景展望44参考文献45致谢46附录47附录a 外文资料翻译47英文资料47中文翻译52附录b 硬件图56附录c 输入输出表5760度输入输出表57120度输入输出表60附录d 软件编程61石家庄铁道学院毕业设计第1章 绪论电动自行车以电力作动力, 骑行中不产生污染,无损于空气质量，而且未来的电动车应该是以无位置传感器(霍耳元件)的3相无刷电机为主流。由于省却了位置传感器，电机结构更简单，可靠1。电机只有3条绕组线，维护更简单、方便。因而与之相配的无刷控制器技术含量更高，更换无刷电机控制器将变得异常简单。从改善人们的出行方式、保护环境和经济条件许可情况等因素综合来看, 电动自行车目前乃至今后都有着广阔的发展空间。随之而来的如何对出现问题的电动车进行检测已经成为工程技术人员研究的主要方向。1.1 国际和国内的研究现状目前国际和国内的无刷电机控制器的种类繁多，生产厂家各异，为了简述控制器的研究现状，我将一些比较典型的控制方案进行了简述和比较：(1)ic方案：市场推广最早，4个逻辑门的ic加pic芯片，首先开始做无刷控制，其逻辑控制通过硬件完成。pic品牌使它当初在市场上具有不可动摇的地位，从而市场上破解版本很多，最初推出时性能并不稳定，后经过晶汇改进，软件技术几乎做到了极致，后来晶汇推出的cypress在软件基本上都是建立在此基础上的。(2)松正的33035方案：松正是电动车控制器行业的先锋者，最初做有刷控制器，后期做的无刷控制器方案，硬件电路复杂，电源部分采用开关电源和升压电源驱动mos，33035+mcu使得他的方案只能他自己做，软件显得有点无力，硬件部分复杂，而且做到终身保修。但总体来说，技术含量已经从本质上转移，电路复杂到一般人无法维修该方案的控制器。(3)cypress方案：cypress芯片一推出，它独立的逻辑电路设计，就受到大部分开发工程师的欢迎，而且它可以任意定义任何i/o口的功能，不仅方便软件设计，同时对于制板也是极大的方便，未来的ic发展还是以这样的趋势，最成功的案例首推晶汇，他们是最早做cypress方案之人，紧随其后就是南京溧水，后来就有上海瑞峰等。(4)nec方案：日本的控制方案，价格相对便宜，符合大多数开发商的利益。nec最大的优势也就是在ic的价格，性能可以说并不占优势，最大特点就是有8k的flash空间，可以扩展功能，但一路pwm毕竟有限，而且矽成微电子是通过自身封装的逻辑处理ic xc0806来做同步续流。目前市场上矽成微电子和紫薇单片机是后起之秀，他们是做无同步续流的，但电流处理技术首屈一指，所以，测功机上测试的曲线是做的最理想的。(5)avr方案：此方案的推广过程曲折。avr的芯片资源是最适合做无刷控制器的，6路相位修正型pwm完全可以不依赖外围电路来处理逻辑驱动的关系，目前最成功的数无锡方振电子，他们省掉了放大器，采用开关电路，功耗方面有点大，但稳定性方面很多客户还是认可，电流处理方面，采用芯片内部ad参考电压1.1v，可以说是完全单芯片的控制方案。但也有不足之处，就是太过依赖mcu，放大器省掉有点风险，电流毕竟是无刷控制的核心，完全采样于康铜，直接考验mcu的极致的分辨率。(6)合泰义隆等台湾芯片：合泰最早也是推出mcu+33035的方式，但后来也有用其他控制芯片的。台湾芯片大部分是otp的，即一次性烧录的，不具备flash功能，芯片抗干扰能力也有待考验。松正就用的是一次性烧录的芯片，义隆是很早就想介入无刷控制器领域的，他最早的em78p418/419就针对电控来做的，但由于抗干扰能力存在质疑，所以推广度一直不高。(7)st方案：st是无霍尔技术应用比较成功的一款芯片。无霍尔是最近几年最热门的话题，如果可以成功，那将是控制器技术的又一大进步2。综上所述，目前国际国内的控制器发展迅速，控制器的种类繁多，其中mc33035是相当经典芯片，所以我选择以mc3305控制器进行控制器相序检测系统的设计。1.2 研究对象的技术指标电动自行车作为一种新型的代步工具，影响其质量的最主要的部件是电机和控制器，当电机确定后，控制器的质量就决定了电动自行车的运行好坏。控制器的质量由其控制特性和可靠性两方面决定1。控制特性主要指电机运转的平稳性、调速特性和负载能力。对控制器的考验主要是对功率驱动管的负载能力的考验。运转的平稳性除与电机机械和装配质量有一定的关系外，还与控制器、电机间的匹配及采用的控制技术有密切的关系。而控制器的可靠性与采用的元器件、电路设计、装配质量等因素有关, 其中，尤以控制器所用的功率驱动管的负载能力最为重要。在骑行中, 控制器的驱动管处于大电流的开关运行过程，因此，从某种意义上讲，驱动器的带负载运行能力是控制器最重要的技术指标。影响控制器可靠性的因素即控制器的失效的原因，从表现形式来看，一般有以下几种：(1)功率器件损坏；(2)控制器内部供电电源损坏；(3)控制器工作时断时续；(4)连接线磨损及接插件接触不良或脱落引起控制信号丢失3。针对以上失效形式的起因分析如下：(1)功率器件的损坏，一般有以下几种可能：电机损坏引起的；功率器件本身的质量差或选用等级不够引起的；器件安装或振动松动引起的；电机过载引起的；功率器件驱动电路损坏或参数设计不合理引起的。(2)控制器内部电源的损坏，一般有以下几种可能：控制器内部电路短路；外围控制部件短路；外部引线短路。(3)控制器工作起来时断时续，一般有以下几种可能：器件本身在高温或低温环境下参数漂移；控制器总体设计功耗大导致某些器件局部温度过高而使器件本身进入保护状态；接触不良。(4)连接线磨损及接插件接触不良或脱落，一般有以下几种可能：线材选择不合理；对线材的保护不完备；接插件的选型不好。提高控制器的可靠性的方案：了解电动车控制系统可能发生故障点以后，有针对性的可靠性设计就有了目标。(1)首先是功率器件的型号，品牌，产地与供应商的选择，然后对功率器件的筛选，以上两点是提高功率器件可靠性前提。对无刷电机控制器而言，大多数厂家采用专用驱动芯片驱动。专用驱动芯片的不足之处是价格较高，内部的变电路采用了有源电路，转换效率偏低，其主要的应用场合是在周围电路完全没有交流电存在情况下，利用其内部电路完成变频、升压与整流。(2)对于控制器的内部电源，为了防止控制器内部或外部短路对电源的损坏，同时也是出于对电源自身的保护，可以把电源设计成独立供电方式，这样既可以防止局部电路(转把，闸把、电机传感器等)发生短路而烧坏控制器，又可以防止电源电压异常升高而击穿外部器件。所以采用dcdc模块的负载能力强，自身的功率损耗相当低(不到0.1w)，这在提高控制器的整体效率，降低控制器的运行温度方面有着线形稳压器无可比拟的优点。(3)要克服控制器对温度的敏感，第一是选择温度系数好的元器件，第二是从设计上降低各模块电路的功率消耗，第三是尽量减少无用功消耗，第四是充分考虑到控制器的散热。在电动车控制器里，用于采样电流信号的阻值大功率电阻器件属于控制的功率器件之一，电流采样电阻的功率消耗属于无用消耗，要减小控制器的功耗，降低控制器的运行温度，可以利用电机的转速与电机电流的绝对对应关系，通过检测电机转动转速来检测电机电流，从而达到控制电流的目的。(4)由于电动车电气系统信号的传输是用连接线束来完成的，出于提高电动车整车的可靠性和提高控制器本身的可靠性出发，对电动车连接线束与接插件的要求是：可靠、防水、防尘、抗震、抗氧化、防磨损。对于无刷电机控制器，由于输入控制变量与控制器使用功率器件比较多，控制器可以利用各种输入信号对控制系统完成相当完善的与想当灵活的保护，这些保护功能可以有：过流保护、低电流过载保护、电机换相信号错误保护以及在没有过流的情况下电机堵转直接保护等。无刷控制器通过直接读取各种控制信号，进行实时处理或保护，这种方法就可以大大提高无刷控制器的设计可靠性4。现在电动自行车充分运用当今新技术、新材料, 尤其采用集成电路、电子元器件, 提高了电动自行车控制器的质量, 使其可靠性、安全性、灵活性得到提高12。当今，控制器按照与之相配的电机不同可分为：有刷控制器和无刷控制器两类。 按照功能不同可分为：普通型和智能型两类。智能型一般具有助力、定速等功能。按照电路形式可分为：纯硬件型和软件型两类。纯硬件简单、造价低；软件型造价高，但功能齐全，可靠性更高。目前，电动自行车所用的控制器的型号和特点如下表1-1。表1-1 电动自行车控制器的型号和特点控制器名称代表型号电路结构功率管数价格骑行模式功能描述普通有刷zk3610a简单12低单一“电动”骑行功能欠压、限流/过流智能有刷zkc3610e简单12中“助力”、“电动”、“定速”欠压、限流/过流、故障自检/显示普通无刷wzk3610a复杂6高单一“电动”骑行功能智能无刷wzkc3610e复杂6高“助力”、“电动”、“定速”欠压、限流、电机堵转保护、缺相保护、故障自检/显示目前，我国关于无刷电机控制器的检测系统大部分是依照控制器的工作原理搭建硬件电路，通过外部发光管的亮灭情况，分析所检测控制器的角度和相序，确定和电机的连接正确性。但是其电路复杂，而且需要人工干预判断，尤其是相序判断的过程。这些问题摆在设计人员的眼前，而且只从更改硬件电路方面是不能解决这些问题的。现在，如何应用微机既能实现简化硬件电路又能实现电机控制器的相序检测以及与电机的正确连接问题成为现在工程技术人员的主要研究方向。1.3 研究设计内容本论文主要研究的内容是电动车无刷电机控制器的相序检测系统。设计采用了at89c51单片机作为主控制单元,将控制器输出的三根电源引线(控制器输出的三根粗线)连接到光电隔离电路，从光电隔离电路输出的信号再接入单片机，以达到防止控制器输出信号出现强电压或强电流时对单片机产生损坏的现象，而且光电隔离电路输出的信号仅有高、低电平两种状态。单片机对进入它的信号进行判断检测，将检测结果输出到显示电路(显示电路的显示主要显示控制器的相序、三个霍耳元件是否工作正常、显示霍耳分别对应的相序线、控制器的角度)最后通过单片机软件编程控制输出信号到光电隔离电路，再经过三极管驱动继电器动作，从而决定霍尔元件是否接地。霍尔元件是否接地又对应的影响控制器的相序输出，由此可以清楚的判别出控制器和霍尔的相序并输出显示。1.4 研究设计的创新点本设计改变了过去无刷电机控制器的相序检测系统必需人工干预的缺点，采用at89c51作为控制核心，用软件编程控制外部硬件电路的相应变化(主要是继电器常开点的断开或闭合),并可以直观地在数码管显示器上观察控制器的三相电源的相序，以及霍尔控制线的相序，根据数码管显示器上的显示，就可以正确地连接无刷电机和控制器，整个过程不需要人的干预，在接线完成后全部是系统自身完成的。由于没有人的干预，减少了由于操作人员技术上的差异所引起的检测结果的失误，保证了检测结果的准确性。第2章 设计方案2.1 无刷电机控制器的工作原理目前无刷电机控制器采用的核心芯片一般选择美国安森美公司的mc33033或mc33035，或者选择德州仪器公司的tms320c240。以下我将以mc33035为例介绍无刷电机控制器的核心芯片。mc33035无刷直流电机控制器采用双极性模拟工艺制造，可在任何恶劣的工业环境条件下保证高品质和高稳定性。该控制器内含可用于正确整流时序的转子位置译码器，以及可对传感器的温度进行补偿的参考电平，同时它还具有一个频率可编程的锯齿波振荡器、一个误差信号放大器、一个脉冲调制器比较器、三个集电极开路顶端驱动输出和三个非常适用于驱动功率场效应管 (mosfet) 的大电流图腾柱式底部输出器。此外，mc33035还有欠压锁定功能，同时带有可选时间延迟锁存关断模式的逐周限流特性以及内部热关断等特性。其典型的电机控制功能包括开环速度、正向或反向、以及运行使能等。mc33035的管脚分布情况如图2-1所示：图2-1 mc33035的管脚分布图mc33035内部的转子位置译码器主要用于监控三个传感器输入，以便系统能够正确提供高端和低端驱动输入的正确时序。传感器输入可直接与集电极开路型霍尔效应开关或者光电耦合器相连接。此外，该电路还内含上拉电阻，其输入与门限典型值为2.2v的 ttl电平兼容。用 mc33035系列产品控制的三相电机可在最常见的四种传感器相位下工作。mc33035所提供的 60/120选择可使mc33035很方便地控制具有 60、120、240或 300的传感器相位电机。其三个传感器输入有八种可能的输入编码组合，其中六种是有效的转子位置，另外两种编码组合无效。通过六个有效输入编码可使译码器在使用60电气相位的窗口内分辨出电机转子的位置。mc33035直流无刷电机控制器的正向/反向输出可通过翻转定子绕组上的电压来改变电机转向。当输入状态改变时，指定的传感器输入编码将从高电平变为低电平，从而改变整流时序，以使电机改变旋转方向。电机通/断控制可由输出使能来实现，当该管脚开路时，连接到正电源的内置上拉电阻将会启动顶部和底部驱动输出时序。而当该脚接地时，顶端驱动输出将关闭，并将底部驱动强制为低，从而使电动机停转1。mc33035中的误差放大器、振荡器、脉冲宽度调制、电流限制电路、片内电压参考、欠压锁定电路、驱动输出电路以及热关断等电路的工作原理及操作方法与其它同类芯片的方法基本类似。基于mc33035的三相六步电机控制电路如图2-2所示：图2-2 三相六步全波电机控制电路图 2-2所示的三相应用电路是具有全波六步驱动的一个开环电机控制器的电路连接图。其中的功率开关三极管为达林顿 pnp型，下部的功率开关三极管为n沟道功率mosfet。由于每个器件均含有一个寄生箝位二极管，因而可以将定子电感能量返回到电源。其输出能驱动三角型连接或星型连接的定子，如果使用分离电源, 也能驱动中线接地的y型连接。在任意给定的转子位置，图 2-2所示的电路中都仅有一个顶部和底部功率开关(属于不同的图腾柱)有效。因此，通过合理配置可使定子绕组的两端从电源切换到地，并可使电流为双向或全波。由于前沿尖峰通常在电流波形中出现，并会导致限流错误。因此，可通过在电流检测输入处串联一个rc滤波器来抑制尖峰。同时，rs采用低感型电阻也有助于减小尖峰。2.2 霍尔元件的工作原理在无刷电机的驱动控制中，为了检测转子的位置常采用霍尔元件，用以传送控制系统的位置或速度偏差电压，即利用霍尔元件的乘算功能产生同偏差成比例的无刷电机力矩。由于霍尔集成传感器的应用，可使得控制系统大为简化。霍尔元件是基于霍尔效应原理，用半导体材料制成的。所谓霍尔效应：即通电导体置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间会产生电动势，其工作电路图如下图2-3所示。图2-3 霍尔元件的工作原理图当环境温度和激励电流一定时，霍尔电势大小与磁感强度成正比，因此可通过霍尔元件能检测磁场的强弱。无刷电机中一般用永磁磁钢，在定子线圈中流过交流或脉动电流，利用产生旋转磁场的方法，省去了电刷和整流子，而旋转磁场的磁极和旋转永磁磁钢的磁极之间保持近 90度的力矩角，能产生效果良好的力矩。霍尔位置传感器元件较小，一般放置在各相带绕组的中间位置，可以60间隔放置，也可以120间隔放置。无论怎样放置，在一定范围内，位置传感器的一个状态对应着转子磁极与定子绕组的相对位置2。为此，可采用霍尔元件作磁敏传感器检出转子位置，用这位置信号来控制控制器输出电源相序的变化。2.3 无刷电机控制器的相序检测硬件框图本设计主要是单片机为核心的应用系统的设计，包含有硬件设计和软件设计两部分，针对本设计的要求，包括以下方面的硬件设计：220v电源变压器全桥整流滤波电路12v稳压块5v稳压块电源电路设计：单片机电源电路设计以及复位电路设计、继电器电源电路设计以及、数码管与可调电压电源电路的设计等。电源电路的硬件框图如下图2-4所示。图2-4 电源电路的硬件框图通道与接口设计：由于大多数通道都是通过i/o配置，它们与单片机本身并无紧密联系，大多数接口电路都能方便移植到其它类型的单片机应用系统中去，但必须注意i/o口的驱动能力，在设计数码管显示时74ls164与数码管显示电路之间的电阻值应匹配。显示电路：根据i/o口资源可利用串行口来设计显示电路。设计系统抗干扰：为了使系统可以在不同的环境中得到应用，系统中设计可抗干扰电路，例如光耦隔离电路。设计中整个硬件电路的框图如图2-5所示。无刷电机控制器输出电源信号光电隔离电路at89c51时钟电路复位电路光电隔离电路驱动电 路继电器显示电路霍尔元件图2-5 硬件框图2.4 单片机的硬件电路设计2.4.1 复位电路的设计计算机在启动运行时都需要复位，使cpu和系统中的其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。单片机的复位都是靠外部电路实现的，单片机有一个复位引脚rst，高电平有效。在at89c51单片机的rst端输入24个振荡周期(两个机器周期)以上的高电平，单片机便进入复位状态。在复位时，输出信号ale、为高电平。rst变为低电平，退出复位状态，cpu从初始状态开始工作。复位操作不影响片内ram的内容3。单片机通常采用上电自动复位和开关手动复位两种方式。所谓上电复位，是指单片机只要以上电，便自动进入复位状态。在通电瞬间，电源给电容充电，rst端出现正脉冲，用以复位。设计中采用的晶体频率为12mhz，根据经验，可以选择c=10，r=8.2k。在本检测系统中，由于系统运行后不需要复位，所以只采用上电复位。复位电路如下图2-6所示。图2-6 复位电路2.4.2 时钟电路at89c51单片机的时钟产生方式有两种：内部时钟方式和外部时钟方式。最常用的内部时钟方式是采用外接晶体和电容组成并联谐振回路，所有的单片机并联谐振回路参数相同。at89c51单片机允许的振荡晶体可在1.212mhz之间选择，本系统选择晶体频率为12mhz。时钟电路的外接晶体可以分为石英晶体和陶瓷谐振警惕两种。本设计采用外接石英晶体，电容c1和c2的值选择为30pf4。电容c1和c2的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路的起振速度有一定的影响。时钟电路图如图2-7所示。 图2-7 时钟电路振荡器的振荡频率由外接的石英晶体或陶瓷振荡器的谐振频率确定。为了减小寄生电容，更好的保证振荡器稳定可靠的工作，石英晶体或陶瓷振荡器和电容应该尽可能安装得与单片机芯片靠近。外部时钟方式是利用外部振荡信号直接接入xtal1或xtal2，由于hmos和chmos单片机内部时钟进入的引脚不同，其外部振荡信号源接入的方式也不同。由于本检测系统中采用的是内部时钟方式，在此对外部时钟方式就不做详细介绍了。2.5 显示电路的设计2.5.1 显示方法的介绍设计的显示部分采用数码管显示(led显示)。led数码管的主要特点如下：(1) 能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与cmos、ttl兼容。(2) 发光响应时间极短(0.1s)，高频特性好，单色性好，亮度高。(3) 体积小，重量轻，抗冲击性能好。(4) 寿命长，使用寿命在10万个小时以上，而且成本低9。所以，本设计的显示部分采用的是led数码管显示。 led显示器是由发光二极管显示子段组成的显示器件，是单片机应用系统中常用的输出设备。在我设计的单片机系统中使用的是七段led显示器，它是由七段发光二极管组成的，当发光二极管导通时就发光。控制不同组合的发光二极管导通，就能显示出09、a、b、c、d、e、f及小数点“.”等字符。本设计检测系统采用共阳极显示器，即发光二极管的阳极连在一起的显示器6。在单片机系统中，常用的显示方法有静态显示和动态显示两种。所谓静态显示，是由单片机一次输出显示后，就能保持，直到下次送新的显示模型为止。这种显示的优点是占用机时少，显示可靠；缺点是使用元件多，且线路比较复杂，因而成本比较高。但是随着大规模集成电路的发展，目前已经研制出具有多种功能显示器件。显示数位比较少时，采用这种显示方式是合适的。这种显示方式的每一个七段显示器需要一个8位输出口控制4。由于本设计的显示位数只有6位，所以采用静态显示是合适的、经济的。而且可以利用软件控制对显示器进行控制，使ds1ds3显示2秒钟的电机角度后显示无刷电机控制器的相序a、b、c，两秒钟后，再次显示电机角度，实现电机角度和电机控制器相序的循环显示。况且本设计使用于无刷电机控制器的相序检测的，具有非常强的实用性，所以从设计的实用性、可靠性、快速性以及成本问题等方面的考虑，采用静态显示是符合系统的功能要求和成本的经济性要求的。在使用数码管静态显示时，需要可以提供单独锁存的i/o接口电路，在此我选择常用的串并转换电路74ls164。由于本设计采用的是数码管静态显示，所以动态显示就不做介绍了。2.5.2 单片机的串行接口的选择计算机的数据传送共分为两种方式：并行数据传送和串行数据传送。并行数据传送的特点是：多个数据位可以同时传送，因此数据的传送速度快、效率高，但并行数据传送有多少位就需要多少根线，所以传送成本高。并行数据传送比较适用于短距离的数据传送，通常传送距离应该小于30米3。串行数据传送的特点是：数据传送按位顺序进行，通信线路简单，最少只需要一根传输线即可实现通信；而且它既可以传送数据信息，又可以传送通信控制信息；传送成本低，但速度慢；对信息格式又固定的要求，并且对信息的逻辑定义与ttl不兼容，需要进行逻辑电平转换。所以计算机与外部的数据传送大多数是串行的4。本设计采用串行数据传送方式。通常把计算机与外界的数据传送称之为通信，因此所谓串行通信也就是串行数据传送。2.5.3 静态数码显示的应用本设计采用单片机方式0 移位寄存器输入/输出方式。外接串行输入并行输出的移位寄存器74ls164来扩展i/o口，串行数据从rxd引脚输出，txd引脚输出移位脉冲。cpu将数据写入发送寄存器时，立即启动发送，将8位数据以fos/12的固定波特率从rxd输出，低位在前，高位在后。发送完一帧数据后，发送中断标志ti由硬件置位9。74ls164为ttl单向8位移位寄存器，可实现串行输入，并行输出功能，而且74ls164的驱动电流可达20ma，可直接驱动led数码管要显示的数字存入。输出时采用查表法，将数字对应的段码值送到p1口；位选信号输出，采用直接位寻址方式。其中74ls164的a、b(第1、2脚)为串行数据输入端，2个引脚按逻辑与运算规律输入信号，一个输入信号时可并接。t(第8脚)为时钟输入端，可连接到串行口的txd端。每一个时钟信号的上升沿加到t端时，移位寄存器移一位，8个时钟脉冲过后，8位二进制数全部移入74ls164中13。静态显示电路图如图2-8所示。图2-8 静态显示电路图该电路只使用at89c51的2个端口，配接6片串入并出移位寄存器74ls164。其中74ls164的引脚q0q7为8位并行输出端：引脚a、b为串行输入端；引脚clk为时钟脉冲输入端，在clk脉冲的上升沿作用下实现移位，在clk = 0，清除端mr = 1时,74ls164保持原来数据状态；mr = 0 时，74ls164输出清零。其工作过程如下：at89c51的串行口设定在方式0移位寄存器状态下，串行数据由rxd发送，移位时钟由txd送出。在移位时钟的作用下，串行口发送缓冲器的数据一位一位地移入74ls164中。6片74ls164串级扩展为6个8位并行输出口,分别连接到6个led显示器的段选端作静态显示。需要指出的是，由于74ls164无并行输出控制端，因而在串行输入过程中，其输出端的状态会不断变化，造成不应显示的字段仍有较暗的亮度，影响了显示的效果。总体来说，显示效果还是可以接受的，是符合设计要求的。图2-9中的电阻阻值的确定：由于74ls164输出低电平时最大电流为8ma，所以，数码管每段工作电流不能超过8 ma。取if=4ma，74ls164输出低电平为vol=0.4v。所以图中的电阻值根据欧姆定律确定为：r=775，取750，即电阻值取为0.75k。为了方便起见，选择电阻值为1k，起的是限流作用。led数码管的亮度控制非常重要，它直接影响led数码管的使用寿命。如果采用硬件控制，则电路复杂。可采用“硬件软化”的方法，由软件控制我们知道：每扫描完一位led数码管，要加入必要的延时时间(不引起闪烁)，才能使led数码管足够亮，只要控制延时时间的长短，即可控制led数码管的亮度14。2.6 外部信号的输入电路在对单片机进行信号输入时，要防止干扰，尤其是外部干扰，例如霍尔传感器产生的干扰、电源产生的干扰、外界环境产生的干扰等。为了抑制外部干扰，可以采取的措施有：利用光电耦合器把各种模拟负载与数字信号源隔离开来，把数字地同模拟地有效断开，加入平波电抗器对电源干扰进行抑制6。在本设计中，从无刷电机控制器中引出的3根线是控制器要输出给无刷电机的电源a、b、c相，但是相序未知。为了检测其相序，将3根引线输入到单片机进行检测。由于控制器输出的电压和电流都无法确定大小，为了防止输出的强电压或者强电流烧坏单片机，我采用光电耦合电路对干扰进行隔离。将无刷电机控制器输出的a、b、c相引入光电耦合电路，并将输出分别命名为p13、p14、p15，分别引入到单片机的p13、p14、p15口，这样既可以防止外部干扰，又可以防止烧坏单片机。输入电路图如下图2-9所示。图2-9 输入电路由经验可知，光电耦合电路在电流为10毫安左右时传输效率最高，并据此选择输入电阻值。电动车无刷电机控制器的输出电压为36v或者48v，所以根据欧姆定律得ra=rb=rc=3.6k。采用光电耦合电路还有一个很重要的优点就是可以省去a/d转换器，既节约了设计成本，又节省了产品所占用的空间，使检测系统更加小巧，且对功能的实现没有太大的影响7。2.7 电源电路的设计本设计中，at89c51单片机需要5v的稳压电源，而继电器不能和单片机共用一个稳压电源，这是因为继电器在断开时会产生一个比较大的冲击电压，从而会影响到稳压电源的输出，可能会烧毁单片机，所以选择12v的继电器，就需要一个单独的12v稳压电源。因此，在设计电路时，要使稳压电路可以分别输出5v和12v的直流稳压电源。集成三端稳压器因其稳压精度高、工作稳定可靠、外围电路简单、容易设计和制作、体积小、重量轻、成本低、维修简单等优点16，所以在本电源电路中采用的分别是12v集成三端稳压器和5v集成三端稳压器。本设计中稳压电源电路图如图2-10所示。图2-10 稳压电源电路将交流电网220v的电压输送到变压器，并且对变压器的变比进行选择，为了达到设计要求，我选择的是原、副线圈比为220：15的变压器，将交流220v的电压变成交流15v的电压。然后通全波整流将交流电压220v 变成脉动的直流电压vi。由于此脉动的直流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电容加以滤除，从而得到平滑的直流电压。由于电压经电容滤波后，为原电容峰值电压的1.2倍，则滤波后电压ui=18v，故选取的滤波电容为耐压值为25v的电容。再经过稳压块进行稳压，每一个稳压块都至少吸收4v的电压。则此稳压电源电路可以输出+12v和vcc的稳定电压，符合系统的要求10。确定电容c7 ,可用下式进行计算： (2-1)式中:10ms 为交流电网电压周期的一半。按输出电流应有10%的余量，可取imax = 1.1a，i = 1.1a通过计算，得:c71692。因此取c7 = 1800。同理，电容c8的取值为2000，是滤波电容。电容c9的作用是减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰，其数值为经验值，在100左右20。2.8 继电器的选择2.8.1 继电器的基本技术要求继电器虽然分为电磁式、干簧式等很多种，也有很多技术参数，而且各种继电器的技术参数也不尽相同，但电气装置对继电器的基本技术要求则是相同的。这主要是：(1)工作可靠。继电器在电气装置中担任很重要的角色，它的失控不仅影响电器工作，还会造成更严重后果。不但在室温下要正常工作，还要在一定温度、湿度、气压及振动等条件下正常工作。(2)动作灵敏。不同继电器的灵敏度不同，但总希望继电器在很小驱动电压(电流)下就可以工作，当然要保证可靠稳定。(3)性能稳定。继电器不但在出厂时性能应该满足要求，长时间使用后继电器性能也应该变化不大，并希望继电器有很长的寿命(一般寿命为数十万至数百万次)9。2.8.2 继电器原则的选择选择继电器时必须综合考虑其工作电压，线圈电流和电流，被控对象(机件或电路)的电压、电流和负载性质(纯阻性、感性等)，功能特点及使用环境等因素。(1)类型的选择使用类别的选择首先弄清楚被控负载的情况，如负载的性质(阻性、感性或容性等)、负载的轻重、负载的额定工作频率、被控电压的高低以及是直流还是交流。所选定的继电器应与控制电路及其负载的实际要求相比较，看是否符合要求。使用环境的考虑使用环境指安装地点及使用场合、环境温度、相对湿度、污染(或洁净)情况、冲击和振动情况等。这些是选定继电器结构(敞开式、封闭式和密封式)和防护类别的主要依据8。(2)型号规格的选择首先应选择继电器的额定工作电压ue和额定工作电流ie。继电器的最高工作电压不能超过ue，其最大工作电流应小于ie。当继电器由晶体三极管或集成电路驱动时，若驱动电流小于继电器的额定工作电流时，必要时应增添一只中间继电器。一个型号的继电器可能有几个额定工作电压，要求额定工作电流一定要与之对应，例如jcz-22f型继电器，它的额定电压有dc3v、dc6vdc48v等，与之相应的额定电流有120ma、60ma10ma系列值。额定工作电压和额定工作电流二者之间共同表征继电器触头所能切换电路的能力11。(3)触点切换不同负载电流的选择 一般情况下，继电器的额定电流ie是指在额定电压下切换纯阻性负载(如电阻器、白炽灯等)的电流值。当用继电器的触点来切换电感性或电容性负载时，实际额定工作电流要小得多。负载的性质对继电器是有影响的。一个额定工作电流为2a的继电器，不一定能承受同样大小非电阻性电流。(4)触点数量和种类的选择根据实际控制触点数的要求，选用合适型号的继电器。即使同一种型号的继电器，也有多种触点形式可供选择。要充分利用各组触点。(5)继电器线圈规格的选择线圈电流种类和额定电压值，或线圈的电压种类和额定电流值，应与控制电路及工作环境相一致。(6)继电器体积的考虑和选择在小型化产品中或安装空间有要求的情况下，宜选用小型或超小型继电器；在安装空间不作要求的情况下，可选价廉而体积稍大的继电器 14 。2.8.3 继电器的选择在本设计的电路中，不能选择5v的继电器，这是因为5v的继电器在relay跳开切离时，会产生一个很大的反电动势，必然会对+5v的稳压电源造成某种程度的影响，这时会干扰到单片机动作的稳定性以及隔离电路的精确度，甚至烧毁单片机，更重要的是，目前在市场上5v的继电器比较难找，所以在这里我选用+12v的jcz-22f型继电器。由于在本设计中霍尔(继电器开关控制的物理量)在初始状态时，处于全部是低电平的状态(即继电器开关处于常开状态)，在单片机接受到外部输入信号并进行软件判断以后，输出信号通过光电耦合电路控制三极管的通断，进而控制霍尔信号的高低电平(即继电器开关的断开或闭合)，所以设计中所选择的继电器只需要一个常开点就可以满足设计要求。2.8.4 继电器的驱动电路在设计电路中，由于单片机和光耦隔离电路都不可以直接驱动继电器动作，而且在我设计的硬件电路图中所用的继电器个数较少，所以我选择直接用三极管驱动继电器12。其电路图如下2-11所示。图2-11 继电器的驱动电路2.8.5 继电器的附加电路在本设计的电路中，继电器两端并联了二极管电路。在含有继电器的电路中，并联二极管的作用是：在流经继电器线圈的电流突然减小的瞬间，它的两端会感应出一个电动势。它与原电源电压叠加后加在输出晶体管的(c)(e)间，使(c)(e)之间可能被击穿。为了消除这个感应电动势的有害影响，我们在继电器旁边并联一只二极管(注意二极管的极性不能接错)，以吸收该电动势，起到保护作用13。 第3章 系统软件设计本设计是一个电动车无刷电机控制器的相序检测系统，是以at89c51单片机为控制中心，并最终将检测结果输出到数码管显示器进行显示，即将无刷电机控制器的三相a、b、c的输出通过光耦隔离电路引入到at89c51单片机中，通过软件进行判断，并将判断结果输出到数码管显示器上进行显示。则主要任务如下：(1) 判别控制器的角度；(2) 判断霍尔控制线相序判断；(3) 控制器三相电源的相序；(4) 判断控制器故障。3.1 系统主程序为了检测控制器角度、判断霍尔控制线相序、判断控制器三相电源相序和控制器故障，设计中需要对软件进行相应的程序编写，其中整个判断过程的主程序流程图如下图3-1所示。开始结束初始化调用控制器故障检测模块调用延时子程序调用延时子程序调用延时子程序调用控制器相角判断模块调用霍尔和控制器相序的判断模块图3-1 主程序流程图3.2 控制器故障检测模块在判断之前，首先要检测信号是否有输入以及控制器的输出是否正常，这是检测系统进行检测的前提，如果控制器不正常工作，那么检测的正确性就无从说起。由此，编写软件程序用来检测无刷电机控制器是否存在输出信号，并显示到相应的数码管上,如果控制器正常则相应的数码管显示ooo，否则相应数码管显示eee。初始化中令r1=06h，将单片机p13p15口读入的数据存入寄存器al，判断al中的数据是否符合控制器在霍尔元件不接地时的固定相序，如果符合，则控制器工作正常；如果不符合，则r1自减1，进行二次判断。假如检测到r1等于00h时，输入信号依然不符合，则系统报错(数码管显示eee)，流程图如图3-2所示。图3-2 控制器故障检测模块a=00h