艳艳电动自行车调速系统的设计说明

1、. . . . 济源职业技术学院毕 业 设 计题目 电动自行车调速系统的设计 系别 机电系 专业 机电一体化技术班级学号指导教师 任艳艳 日期31 / 35设计任务书设计题目电动自行车调速系统的设计设计要求：1 实现单片机对电动自行车调速系统的控制，即永磁无刷直流电动机转速的控制；2 要求使用脉宽调速系统；3 单片机选用芯片要合适； 要求有系统电路图、原理图、程序图等。设计进度要求：第一周：找指导老师，确定设计题目；第二周：结合题目，查阅相关的资料勾画调速系统基本框架；第三、四周：根据有关要求和所查资料的相关容进行系统设计；第五、六周：对所设计的容进行调试；第七周：书写毕业设计论文。指导教师（

2、签名）：_摘要单片机控制的永磁无刷直流电动机调速系统适用于电动自行车等小功率的工作情况，并能将多余的电能回馈。该系统具有调速性能好、功率因数高、节能、体积小、重量轻等优点。本文从系统要求分析入手，将整个系统分成四个部分，分析和讨论了各个部分的电路原理、控制策略、实现方法。详细讨论了系统的各种工况与信号的传递情况，并得到了系统各个部分在不同工况的工作状态。系统各个部分的控制电路基于Intel公司的控制芯片8051单片机。根据永磁无刷直流电动机的特性实施脉宽PWM控制，并通过转速传感器测量转速通过八段数码管动态显示转速，通过软硬件的配合，实现整个系统的设计要求。关键词：单片机，脉宽调速系统，三端式

3、稳压器，永磁无刷直流电动机目录摘要II1概述11.1电动车的发展史11.2电动车对电动机的基本要求11.3 永磁无刷直流电动机的基本性能21.4无刷直流电动机在电动自行车上的应用22总体设计43电路设计53.1电源电路53.2显示电路53.3控制电路73.4驱动电路与原理84主要器件性能与原理114.1 8051单片机部结构114.2 A/ D转换芯片134.3永磁无刷直流电动机154.4 三端式稳压器78L05的工作原理184.5集成转速传感器KMI15-1214.6译码器255程序设计265.1主程序框图265.2 INT0中断服务程序275.3部分子程序28结论30致31参考文献321

4、概 述1.1电动车的发展史电动车的发展史比燃油汽车更长，世界上第一辆机动车就是电动车。后来，由于燃油汽车技术的迅速发展，而电动车在能源技术和行驶里程的研制上长期未能取得突破，从20世纪20年代初至60 代末，电动车的发展进入了一个沉寂期。进入70年代以来，由于中东石油危机的爆发以与人类对自然环境的日益关注，电动车才再度成为技术发展的热点。近几十年来，主要工业化国家为电动车的开发投入了大量的人力和财力，电动车的各项相关 技术也取得了重大的进展。尽管电动车在能源和行驶里程的研制方面，至今尚未取得突破性 的进展，但是电动车的美好前景仍然激励着人们锲而不舍地开发新型电动车，改善其性能。 现代电动车的能

5、源系统、电机驱动系统、智能化的能量管理系统、充电系统、车载空调系统和变速系统，电动车的基础设施建设以与未来智能化的交通系统的发展。根据各类子系统的不同特点.近年来，各种显示高新技术的电动车层出不穷，日新月异。1.2电动车对电动机的基本要求电动车的运行与一般的工业应用不同，非常复杂。因此，对驱动系统的要很高的。（1）电动车用电动机应具有瞬时功率大、过载能力强、过载系数应为（34），加速性能好、使用寿命长等特点。（2）电动车用电动机应具有宽广的调速围，包括恒转矩区和恒功率区。在恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩，以满足起动和爬坡的要求；在恒功率区，要求低转矩时具有高的速度，以满足车在平坦的路面能够

6、高速行驶的要求。（3）电动车用电动机能够在减速时实现再生制动，将能量回收并反馈回蓄电池，使得电动车具有最佳能量的利用率，这在燃机得摩托车上是不能实现得。（4）电动车用电动机应在整个运行围，应具有高得效率，以提高1次充电得续驶里程。另外，还要求电动车用电动机可靠性好，能够在较恶劣得环境下长期工作，结构简单并适应大批量生产，运行时噪声低，价格便宜等。1.3 永磁无刷直流电动机的基本性能（1）永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机。它的最大特点就是具有直流电动机的外特性而没有刷组成的机械接触结构。加之，它采用永磁体转子，没有励磁损耗，发热的电枢组又装在外面的定子上，散热容易。因此，永磁无刷直流电动机

7、没有换向火花，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维修简便。此外，它的转速不受机械换向的限制，如果采用空气轴承或磁悬浮轴承，可以在每分钟高达几十万转的情况下运行。无刷直流电动机因其无电刷和机械换向器，不需要减速装置，噪声低等优点，被广泛应用于电动自行车中。（2）永磁无刷直流电动机的控制系统永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机。它的最大特点就是具有直流电动机的外特性而没有刷组成的机械接触结构。加之，它采用永磁体转子，没有励磁损耗，发热的电枢组又装在外面的定子上，散热容易。因此，永磁无刷直流电动机没有换向火花，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维修简便。此外，它的转速不受机械换向的限制，如果采用空

8、气轴承或磁悬浮轴承，可以在每分钟高达几十万转的情况下运行。由于永磁无刷直流电动机具有上述一系列的优点，因而，其用途十分的广泛，特别适合于对性能，体积重量要求很高的场合，如航空航天，电动汽车，精密电子仪器与设备，工业自动化和现代家用电器等领域。1.4无刷直流电动机在电动自行车上的应用1应用特点无刷直流电动机之所以被广泛应用于电动自行车，是因为它与传统的有刷直流电动机相比具有以下二方面的优势。（1）寿命长、免维护、可靠性高。在有刷直流电动机中，由于电机转速较高，电刷和换向器磨损较快，一般工作1000小时左右就需更换电刷。另外其减速齿轮箱的技术难度较大，特别是传动齿轮的润滑问题，是目前有刷方案中比较

9、大的难题。所以有刷电机就存在噪声大、效率低、易产生故障等问题。因此无刷直流电动机的优势很明显。（2）效率高、节能。一般而言，因无刷直流电动机没有机械换向的磨擦损耗与齿轮箱的消耗，以与调速电路损耗，效率通常可高于85%，但考虑到实际设计中的最高性价比，为减少材料消耗，一般设计为76%。而有刷直流电动机的效率由于齿轮箱和超越离合器的消耗，通常在70%左右。 2常见故障无刷直流电动机的常见故障通常从其三个组成部分来检查。在不清楚故障部位时，首先应该检查电动机本体，其次是位置传感器，最后检查驱动控制电路。在电动机本体中，可能出现的问题是：A、电动机绕组接触不良，断线或短路。会造成电动机不转；电动机在某

10、些位置能够起动，而在某些位置不能起动；电动机运行不平衡。B、电动机主磁极退磁，会使电动机转矩明显小，而空载转速高、电流大。在位置传感器上常见问题是霍尔元件损坏、接触不良、位置变化，都会使电动机输出转矩变小，严重时会使得电动机不动或在某一点来回振动。在驱动控制电路中最容易出现故障的是功率晶体管，即由于长期过载、过电压或短路使功率晶体管损坏。以上是对无刷电动机的常见故障进行的简单分析，在电动机实际运行时问题会是多种多样的，检查者应注意在没有确切把握情况时，不能随意通电，以免造成电动机的其他器件损坏。2总体设计对于电动自行车控制系统设计主要有三个方面:1控制电路的设计；2传感器选择以与安放设计；3显

11、示电路的设计；4程序设计。从总的方面来考虑，传感器的使用应该尽量减少单片机的信号处理量，但是又必须能使车行驶自如。控制电路要根据选用的电机和传感器来设计，主要考虑稳定性，抗干扰性。控制核心采用51单片机，控制系统与电路用光耦完全隔离以避免干扰。控制上采用分时复用技术，仅用一块单片机就实现了信号采集，电机控制和转速显示。如图2.1所示：图2.1总体电路图3 电路设计控制电路主要由电源电路、电机驱动电路、单片机接口电路、显示电路四个部分。考虑到电机的起动电流和制动时比较大，会造成电源电压不稳定容易对单片机和传感器的工作产生干扰，所以，电机机驱动电路和单片机以与传感器电路用光耦隔离 。3.1电源电路

12、传感器的电源直接使用24V蓄电池，单片机的电源则通过三端稳压器78L05将24V电源转换到5V。见图3.1：图3.1电源电路图24V直流电源经三端稳压器78L05输出即为单片机所要求的+5V电源。电路中接入C1、C2是用来实现频率补偿的，可防止稳压器产生高频自激振荡并抑制电路引入的高频干扰。大容量的C3是电解电容，以减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。D是保护二极管，当输入端意外短路时，给输出电容器C3一个放电通路，防止C3两端电压作用于调整管的be解结，造成调整管be结击穿而损坏。3.2显示电路显示部分见图3.2，采用单片机串口通讯，以节省单片机的端口，单片机通过中断的方式为显示服务

13、。我们所设计的采用共阳极连接方式的LED七段显示数码管如图3.3所示。图3.2显示电路图图3.3七段显示数码管动态显示原理：1. 位码控制如送位码01H时，从左数第一位显示，送位码02H，第二位显示，依次类推。见表3.1所示表3.1位显码位显P0.7P0.6P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0位码10000000101H20000001002H30000010004H40000100008H50010000020H60001000010H71000000080H80100000040H2. 段码控制如送段码73H时，显示P以此类推，如表3.2所示：表3.2段码表显示P0.7P0.6

14、P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0位码hgfedcbap0111001173H-1000000080H10000011003H2100110119BH3100011118FH410110110B6H510101101ADH610111101BDH70000011107H810111111BFH910101111AFH0001111113FHe10111101B9Hn0010001123Hd100111109EH暗0000000000H直流电动机的额定转速为190转/分大约需要三位数码管显示。驱动器采用74LS164串接510的限流电阻。3.3控制电路图3.4控制电路打开系统电源后

15、由电位器控制电动机转速，IN0-IN6线上那一路模拟电压被换成数字量由ADDA-ADDC线上的地址决定。ADDC0809部“地址锁存与译码”电路便把IN0线上模拟电压送入8位A/D转换器。此时，若单片机使STRA线处于高电平，则ADC0809便开始A/D转换，一旦A/D转换完成，ADC0809一方面把A/D转换后的数字量送入它三态输出缓冲器，另一方面又使EOC线变为高电平向单片机提出中断请求。单片机检测和响应该中断请求后就通过使RD非变为低电平而使OE线变高，以便可以从2.12.8引线上取走A/D转换后的数字量输出相应的巨型脉冲信号。脉冲信号经74LS254放大后经光电耦合控制继电器。3.4驱

16、动电路与原理电动自行车使用24V直流电机，对于这种小功率直流电机的调速方法一般有两种。一种是线性型：使用功率三级管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动的电路结构和原理简单，成本低，加速能力强，但功率损耗大，特别是低速大转矩运行时，通过电阻R的电流大，发热厉害，损耗大。另一种脉宽调制型:脉宽调速（PULSE WIDE MODULATIONPWM）较常用的 一种调速方式，这种调速方式有调速特性优良、调速围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。因此决定采用PWM方式控制直流电机。永磁式直流电机脉宽调速原理：永磁式直流电动机电机转速由电枢电压UD

17、决定，电枢电压UD越高电机转速越快，电枢电压UD降为0V，电机就就停转。直流电机的具体调速过程是：先让它启动一段时间，然后切断电源，电动机因惯性而降速转动。在转速降到一定限度时使电动机再次接通，电动机因此而再次加速，不断的给电枢两端送入脉动电压源（即脉动信号）就可以使电动机的转速控制在指定的围。如图3.5所示：图3.5脉冲信号图Vmax为电动机的最大转速值，Vmin为电动机的最小转速值，VD为二者的平均值。VD=D*max式中D=t/Tc称为占空比，D越大VD就越大反之亦然。平均转速和电枢上的脉冲占空比D之间关系如图3.6所示：由图可知，平均转速与占空比并非完全的线性关系，但可以近似的看成是线

18、性关系。因此，电动机的平均转速VD就可以有占空比D加以控制。图3.6 VD/D关系图PWM调速分为双向式和单向式两种：双向式：在一个脉冲周期（T=Ta+Tb）,T1和T3导通时间为Ta,T2和T4导通时间为Tb，这样在Ta这段时间，电机通过的是正向电流，在Tb这段时间为反相电流。当Ta=Tb时电机停转，Ta>Tb电机正转，Ta<Tb电机反转。单向式：单向式的电路和双向式一样，同的是在电机正转时，Tb这段时间不通过反相电流；电机反转时，Ta不通过正向电流。其调速原理基本与双向一样，单向式与双向式相比，三极管的开关频率少一半，比较不容易发生上下三极管导通而造成电源短路的情况，故可靠性有

19、所提高，但控制性能比双向式稍差;外特性、低速性也不如双向式好。综合以上两种方式的优缺点，并考虑到电动自行车对调速精度要求不太高，以与省电、器件损耗等方面因素，决定采用单向式PWM；考虑到编程时可能会产生使T1、T2、T3、T4都导通的情况，以致电源短路，烧毁器件。为了避免出现这种情况，设计了图3.7所示的电路:此电路只用一个三极管控制电路的通断，用四个继电器控制电流流向，从而控制电机的转向。这样无论如何，都不会出现因编程原因而造成电源短路的情况。由于采用单片机控制电机，如果单片机的电源采用与电机同一电源，虽然经过稳压、滤波，但单片机仍然容易受到电机以与继电器的干扰。为了避免干扰，采用光电隔离，

20、单片机和电机采用两套电源，4N26光耦一般需要2mA以上的驱动电流，由于单片机的输出电流只有几百毫安，故需要先接74LS245或者接一个三极管增加驱动能力（74LS245的高电平驱动能力为15mA）。光耦的输出再接给达林顿管，考虑到图3.7电源电路电机的短路电流有2A，故选用TIP132型号的达林顿管（允许通过的最大瞬时电流为8A）。另外，在达林顿管的C极和电源的正极之间接一个耐流为2A的二极管，这样在关断电源后，使继电器反相，可以让电机放电，这样停时车不至于因为惯性滑行太远而浪费能源。因此，切断电源后要将电动车停下来而采取的无谓制动不能将电能回馈给蓄电池。考虑到电动自行车对电机转速距离控制要

21、求不高，为了简化程序和外接电路，所以没有考虑采用闭环PWM控制，用开环PWM控制和就可以实现自行车的功能。图3.8脉冲信号波形图工作时Ta为高电平，通过光耦驱动复合管T导通，此时Tb为高电平通过光耦使三极管导通，继电器各线圈被短路。K1、K2为常闭触点，所以电动机加正向电压。当Tb为低电平电压时所有继电器得电，常开触点闭合常闭触点断开，K1、K3断开K2、K4导通。电动机加反向电压。如果保证Ta>Tb则电动机正转。通过改变Ta、Tb的占空比即可改变转速。4主要器件性能与原理4.1 8051单片机部结构8051是MCS-51系列单片机的典型产品，我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。805

22、1单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元与数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：(1) 中央处理器(CPU)中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。(2) 数据存储器（RAM）8051部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的的R

23、AM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表(3) 程序存存储器（ROM）8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。(4) 定时/计数器（ROM）8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。(5) 并行输入输出(I/O)口8051共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。(6) 全双工串行口(7) 中断系统8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择(8) 时钟电路8051置最高频率达12M

24、Hz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。8051的引脚说明：8051引脚如图4.1所示：图4.1 8051引脚图Pin20:接地脚。Pin40:正电源脚，正常工作或对片EPROM烧写程序时，接+5V电源。Pin19:时钟XTAL1脚，片振荡电路的输入端。Pin18:时钟XTAL2脚，片振荡电路的输出端。输入输出(I/O)引脚：Pin39-Pin32为P0.0-P0.7输入输出脚，Pin1-Pin1为P1.0-P1.7输入输出脚，Pin21-Pin28为P2.0-P2.7输入输出脚，Pin10-Pin17为P3.0-P3.7输入输出脚，这些输入输出脚的功

25、能说明将在以下容阐述。Pin9:RESET/Vpd复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指钟写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，8051的初始态如表4.1:表4.1 8051初始状态特殊功能寄存器初始态特殊功能寄存器初始态ACC00HB00HPSW00HSP07HDPH00HTH000HDPL00HTL000HI

26、Pxxx00000BTH100HIE0xx00000BTL100HTMOD00HTCON00HSCONxxxxxxxxBSBUF00HP0-P31111111BPCON0xxxxxxxBPin30: ALE/当访问外部程序器时，ALE(地址锁存)的输出用于锁存地址的低位字节。而访问部程序存储器时，ALE端将有一个1/6时钟频率的正脉冲信号，这个信号可以用于识别单片机是否工作，也可以当作一个时钟向外输出。更有一个特点，当访问外部程序存储器，ALE会跳过一个脉冲。如果单片机是EPROM，在编程其间，将用于输入编程脉冲。Pin29:当访问外部程序存储器时，此脚输出负脉冲选通信号，PC的16位地址数据

27、将出现在P0和P2口上，外部程序存储器则把指令数据放到P0口上，CPU读入并执行。Pin31:EA/Vpp程序存储器的外部选通线，8051和8751单片机，置有4kB的程序存储器，当EA为高电平并且程序地址小于4kB时，读取部程序存储器指令数据，而超过4kB地址则读取外部指令数据。如EA为低电平，则不管地址大小，一律读取外部程序存储器指令。4.2 A/ D转换芯片（1）部结构ADC0809芯片是最常用的8位模数转换器。它的模数转换原理采用逐次逼近型，芯片由单个+5V电源供电，可以分时对8路输入模拟量进行A/D转换，典型的A/D转换时间为100微秒左右。在同类产品中，ADC0809模数转换器的分

28、辨率、转换速度和价位都居首位。ADC0809的部逻辑结构，如图4.2：图4.2 ADC0809的部逻辑结构由上图可知，ADC0809由一个8路模拟开关、一个地址锁存与译码器、一个A/D转换器和一个三态输出锁存器组成。多路开关可选通8个模拟通道，允许8路模拟量分时输入，共用A/D转换器进行转换。三态输出锁器用于锁存A/D转换完的数字量，当OE端为高电平时，才可以从三态输出锁存器取走转换完的数据。（2）引脚结构图4.3 ADC0809引脚结构图IN0IN7：8条模拟量输入通道ADC0809对输入模拟量要求：信号单极性，电压围是05V，若信号太小，必须进行放大；输入的模拟量在转换过程中应该保持不变，

29、如若模拟量变化太快，则需在输入前增加采样保持电路。地址输入和控制线：4条 ALE为地址锁存允许输入线，高电平有效。当ALE线为高电平时，地址锁存与译码器将A，B，C三条地址线的地址信号进行锁存，经译码后被选中的通道的模拟量进转换器进行转换。A，B和C为地址输入线，用于选通IN0IN7上的一路模拟量输入。通道选择表如表4.2：表4.2 通道选择表CBA选择的通道000IN0001IN1010IN2011IN3100IN4111IN5110IN6111IN7数字量输出与控制线：11条 ST为转换启动信号。当ST上跳沿时，所有部寄存器清零；下跳沿时，开始进行A/D转换；在转换期间

30、，ST应保持低电平。EOC为转换结束信号。当EOC为高电平时，表明转换结束；否则，表明正在进行A/D转换。OE为输出允许信号，用于控制三条输出锁存器向单片机输出转换得到的数据。OE1，输出转换得到的数据；OE0，输出数据线呈高阻状态。D7D0为数字量输出线。CLK为时钟输入信号线。因ADC0809的部没有时钟电路，所需时钟信号必须由外界提供，通常使用频率为500KHZ，VREF（），VREF（）为参考电压输入。4.3永磁无刷直流电动机1无刷直流电动机的结构特点无刷直流电动机（BLDCM）由电动机本体和驱动器构成，是一种典型的机电一体化产品。定子绕组做成三相对称星行接法，同三相异步电动机十分相似

31、。电动机转子由钕铁硼永磁材料构成。在定转子形成的气隙中产生N-S级相间的方波磁场，所以也把这种电动机称为“方波电动机”。为了使电动机绕组准确换向，在电动机装有位置传感器，作为转子极性的位置信号。驱动器组成：作为控制中枢的单片子；作为电子换向的由IGBT或MOSFET构成的逆变桥；作为电压型交一直一交主电路的整流、滤波单位；作为人机接口的键盘和数字显示单位；作为控制、驱动电源的开关电源。2无刷直流电动机的主要特点无刷直流电动机有效率高；功率因子高；启动转矩大，启动电流小；电动机出力高；适应性强等特点。此外，无刷直流电动机是一种自控式调速系统，它无需像普通同步电动机那样需要启动绕组；在负载突变时，

32、不会产生振荡和失步；无刷直流电动机具有直流电动机特性、交流异步电动机的结构；无刷直流电动机适合长期低速运转、频繁启动的场合，这是变频调速器拖动Y系列电动机不可能实现的。3永磁无刷直流电动机的基本工作原理无刷直流电动机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。电动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生

33、连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。无刷直流电动机的原理简图如图4.4所示：图4.4无刷直流电动机的原理图主电路是一个典型的电压型交-直-交电路，逆变器提供等幅等频5-26KHZ调制波的对称交变矩形波。永磁体N-S交替交换，使位置传感器产生相位差120°的U、V、W方波，结合正/反转信号产生有效的六状态编码信号：101、100、110、010、011、001，通过逻辑组建处理产生T1-T4导通、T1-T6导通、T3-T6导通、T3-T2导通、T5-T2导通、T5-T4导通，也就是说将直流母线电压依次加在A+B-、A+C-、B+C-、B+A-、

34、C+A-、C+B-上，这样转子每转过一对N-S极，T1-T6功率管即按固定组合成六种状态的依次导通。每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60°电度角，转子跟随定子磁场转动相当于60°电度角空间位置，转子在新位置上，使位置传感器U、V、W按约定产生一组新编码，新的编码又改变了功率管的导通组合，使定子绕组产生的磁场轴再前进60°电度角，如此循环，无刷直流电动机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。正因为无刷直流电动机的换向是自身产生的，而不是由逆变器强制换向的，所以也称作自控式同步电动机。由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，

35、在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比，这正是他励直流电动机的电流-转矩特性。电动机的转矩正比于绕组平均电流:TM=Ktlav(N/M)电动机两相组反电势的差比于电动机的角速度: ELL=Ke(V)所以电动机绕组中的平均电流为：Iav=(Vm-ELL)/2Ra(A)其中，Vm=?VDC是加在电动机线间电压平均值，VDC是直流母线电压，是调制波的占空比，Ra为每相绕组电阻。由此可以得到直流电动机的电磁转矩：Tm=×(VDC×Kt/2Ra)-Kt×(Ke/2Ra)Kt、Ke是电动机的结构常数，为电动机的角速度(rad/s)，所以，在一定的时，改变占空

36、比，就可以线性地改变电动机的电磁转矩，得到与他励支流电动机电枢电压控制一样的控制特性和机械特性。无刷直流电动机的转速设定，取决于速度指令Vc的高低，如果速度指令最大值为+5V对应的最高转速：Vc(max)ón max,那么，+5V以下任何电平即对应相当的转速n，这就实现了变速设定。当Vc设定以后，无论是负载变化、电源电压变化，还是环境温度变化，当转速低于指令转速时，反馈电压Vfb变小，调制波的占空比就会变大，电枢电流变大，使电动机产生的电磁转矩增大而产生加速度，直到电动机的实际转速与指令转速相等为止；反之，如果电动机实际转速比指令转速高时，减小，Tm减小。发生减速度，直至实际转速与指

37、令转速相等为止。可以说，无刷直流电动机在允许的电网波动围，在允许的过载能力以下，其稳定转速与指令转速相差在1%左右，并可以实现在调速围恒转矩运行。由于无刷直流电动机的励磁来源于永磁体，所以不象异步机那样需要从电网吸取励磁电流；由于转子中无交变磁通，其转子上既无铜耗又无铁耗，所以效率比同容量异步电动机高10%左右，一般来说，无刷直流电动机的能力指针（cos）比同容量三相异步电动机高12%-20%。电动机采用市日弛电机生产的永磁无刷直流电动机，电动机各参数如表4.3：表4.3电动机各参数表型号额定电压（V）额定转速（r/min）额定功率（W）效率SW00624190140>74%4.4 三端

38、式稳压器78L05的工作原理现以具有正电压输出的78L××系列为例介绍它的工作原理。电路如图4.5，三端式稳压器由启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路、调整电路和保护电路等部分组成。下面对各部分电路作简单介绍。图4.5三端式稳压器工作原理注 图中R11由输出电流档次决定，R12由输出电压档次决定4.4.1启动电路在集成稳压器中，常常采用许多恒流源，当输入电压V1接通后，这些恒流源难以自行导通，以致输出电压较难建立。因此，必须用启动电路给恒流源的BJT T4、T5提供基极电流。启动电路由T1、T2、DZ1组成。当输入电压V1高于稳压管DZ1的稳定电压时，有电流通过T1、T

39、2，使T3基极电位上升而导通，同时恒流源T4、T5也工作。T4的集电极电流通过DZ2以建立起正常工作电压，当DZ2达到和DZ1相等的稳压值，整个电路进入正常工作状态，电路启动完毕。与此同时，T2因发射结电压为零而截止，切断了启动电路与放大电路的联系，从而保证T2左边出现的纹波与噪声不致影响基准电压源。4.4.2准电压电路基准电压电路由T4、DZ2、T3、R1、R3与D1、D2组成，电路中的基准电压为式中VZ2为DZ2的稳定电压，VBE为T3、D1、D2发射结（D1、D2为由发射结构成的二极管）的正向电压值。在电路设计和工艺上使具有正温度系数的R1、R2、DZ2与具有负温度系数的T3、D1、D2

40、发射结互相补偿，可使基准电压VREF基本上不随温度变化。同时，对稳压管DZ2采用恒流源供电，从而保证基准电压不受输入电压波动的影响。4.4.3取样比较放大电路和调整电路这部分电路由T4T11组成，其中T10、T11组成复合调整管；R12、R13组成取样电路；T7、T8和T6组成带恒流源的差分式放大电路；T4、T5组成的电流源作为它的有源负载。T9、R9的作用说明如下：如果没有T9、R9，恒流源管T5的电流IC5=IC8+IB10，当调整管满载时IB10最大，而IC8最小；而当负载开路时IO=0，IB10也趋于零，这时IC5几乎全部流入T8，使得IC8的变化围大，这对比较放大电路来说是不允许的，

41、为此接入由T9、R9级成的缓冲电路。当IO减小时，IB10减小，IC8增大，待IC8增大到>0.6V时，则T9导通起分流作用。这样就减轻了T8的过多负担，使IC8的变化围缩小。 4.4.4保护电路减流式保护电路由T12、R11、R15、R14和DZ3、DZ4组成，R11为检流电阻。保护的目的主要是使调整管（主要是T11）能在安全区以工作，特别要注意使它的功耗不超过额定值PCM。首先考虑一种简单的情况。假设图4.5中的DZ3、DZ4和R14不存在，R15两端短路。这时，如果稳压电路工作正常，即PC<PCM并且输出电流IO在额定值以，流过R11的电流使 =IOR11<0.6V，T

42、12截止。当输出电流急剧增加，例如输出端短路时，输出电流超过极限值（IO(CL)=PCM/VI=0.6V/R11）时，即当 >0.6V时，使T12管导通。由于它的分流作用，减小了T10的基极电流，从而限制了输出电流。这种简单限流保护电路的不足之处是只能将输出电流限制在额定值以。由于调整管的耗散功率PCM=ICVCE，只有既考虑通过它的电流和它的管压降VCE值，又使PC<PCM，才能全面地进行保护。图4.10中DZ3、DZ4和R14、R15所构成的支路就是为实现上述保护目的而设置的。电路中如果（VIIOR11VO）>（VZ3+ VZ4），则DZ3、DZ4击穿，导致T12管发射结

43、承受正向电压而导通。VBE12的值为经整理后得显然，（VI VO）越大，即调整管的VCE值越大，则IO越小，从而使调整管的功耗限制在允许围。由于IO的减小，故上述保护称为减流式保护。4.4.5过热保护电路电路由DZ2、T3、T14和T13组成。在常温时，R3上的压降仅为0.4V左右，T14、T13是截止的，对电路工作没有影响。当某种原因（过载或环境温升）使芯片温度上升到某一极限值时，R3上的压降随DZ2的工作电压升高而升高，而T14的发射结电压VBE14下降，导致T14导通，T13也随之导通。调整管T10的基极电流IB10被T13分流，输出电流IO下降，从而达到过热保护的目的。电路中R10的作

44、用是给T10管的ICEO10和T11管的ICBO11一条分流通路，以改善温度稳定性。值得指出的是：当出现故障时，上述几种保护电路是互相关联的。图4.6 三端稳压器典型接法图4.6是应用78L05输出固定电压Vo的典型电路图。正常工作时，输入、输出电压差应大于23V。电路中接入电容C1、C2是用来实现频率补偿的，可防止稳压器产生高频自激振荡并抑制电路引入的高频干扰。C3是电解电容以减小稳压电源输出端由输入端电源引入的低频干扰。D是保护二极管，当输入端意外短路时，给输出电容器C3一个放大通路，防止C3两端电压作用于调整管的be结，造成调整管be结击穿而损坏。三端稳压器参数表见表4.4：表4.4 三

45、端稳压器参数表参数单位7805输出电压围V4.85.2最大输入电压V35最大输出电流A1.5V0(I0变化引起)mV100(I0=5mA1.5A)V0(Vi引起变化V0)mV50V (Vi=725V)V0（温度引起变化)mV/±0.6(I0=500mA)器件压降（Vi- V0）V22.5（I0=IA)偏置电流mA6输出电阻M17输出噪声电压（10100KHz）V404.5集成转速传感器KMI15-1集成转速传感器具有灵敏度高、测量围宽、抗干扰能力强、外围电路简单等优点，是传统的分立式转速传感器的升级换代产品。转速属于常规电测参数。测量转速时经常采用磁阻式传感器或光电式传感器进行非接触

46、性测量，传统的磁阻式传感器是由磁钢、线圈等分立元件构成的，亦可用耳塞机改装而成。但这种传感器存在一些缺点：第一，灵敏度低，传感器与转动齿轮的最大间隙（亦称磁感应距离）只有零点几毫米；第二，在测量高速旋转物体的转速时，因安装不牢固或受机械振动，容易与齿轮发生碰撞，安全性较差；第三，这种传感器所产生的是幅度很低且变化缓慢的模拟电压信号，因此，需要经过放大、整形后变成沿口陡直的数字频率信号，才能送给数字转速仪或数字频率计测量转速，而且外围电路比较复杂；第四，它无法测量非常低（接近于零）的转速，因为这时磁阻式传感器可能检测不到转速信号。目前，转速传感器正朝着高灵敏度、高可靠性和全集成化的方向发展，典型

47、产品有飞利浦（Philips）公司生产的KMI15系列磁阻式集成转速传感器。该传感器性能优良，安全性好，稳定性强，是分立式转速传感器理想的升级换代产品。KMI15-1系列包括KMI15-1、KMI15-2、KMI15-3、KMI15-3等型号，它们的工作原理一样，仅性能指标略有差异。下面就以KMI15-1为例来介绍该系列集成转速传感器的工作原理与具体应用方法。4.5.1 KMI15-1型传感器的性能特点KMI15-1芯片含高性能磁钢、磁敏电阻传感器和IC。它利用IC来完成信号变换功能，其输出的电流信号频率与被测转速成正比，电流信号的变化幅度为7mA14mA电流信号的变化幅度为7mA14mA。由

48、于其外围电路比较简单，因而很容易配二次仪表测量转速。KMI15-1器件的测量围宽，灵敏度高，它的齿轮转动频率围是0-25kHz，而且即使在转动频率接近于零时，它也能够进行测量。传感器与齿轮的最大磁感应距离为2.99mm（典型值），由于与齿轮相距较远，因此使用比较安全。该传感器抗干扰能力强，同时具有方向性，它对轴向振动不敏感。另外，芯片部还有电磁干扰（）滤波器、电压控制器以与恒流源，从而保证了其工作特性不受外界因素的影响。KMI15-1的体积较小，其最大外形尺寸为8×6×21 mm，能可靠固定在齿轮附近。KMI15-1采用+12V电源供电（典型值），最高不超过16V。工作温度

49、围宽达-40+85。4.5.2工作原理KMI15-1型集成转速传感器的外形如图4.7所示：图4.7 KMI15-1型集成转速传感器的外形图它的两个引脚分别为UCC（接12V电源端）和U-（方波电流信号输出端）。为使IC处于较低的环境温度中，设计时专门将IC与传感元件分开，以改善传感器的高温工作性能。该传感器的简化电路如图4.8所示。其部主要包括：（1）磁敏电阻传感器；（2）前置放大器A1；（3）施密特触发器；（4）开关控制式电流源；（5）恒流源；（6）电压控制器。4.8传感器简化图4.9测量原理图实际上，该传感器是由4只磁敏电阻构成的一个桥路齿轮的地方，其测量原理如图4.9所示。当齿轮沿Y轴方

50、向转动时，由于气隙处的磁力线发生变化，磁路中的磁阻也随之改变，从而可在传感器上产生电信号。此外，该传感器具有很强的方向性，它对沿轴转动的物体十分敏感，而对沿Z轴方向的振动或抖动量很不敏感。这正是测量转速所需要的。工作时，传感器产生的电信号首先通过EMI滤波器滤除高频电磁干扰，然后经过前置放大器，再利用施密特触发器进行整形以获得控制信号UK，并将其加到开关控制式电流源的控制端。KMI15-1的输出电流信号ICC是由两个电流叠加而成的，一个是由恒流源提供的7A恒定电流IH，另一个是由开关控制式电流源输出的可变电流IK。它们之间的关系式为：ICCIHIK 当控制信号UK0（低电平）时，该电流源关断，

51、IK0，ICCIH7mA。当UK1（高电平）时，电流源被接通，IK7mA，从而使得ICC14mA。图4.10给出了从U-端输出的方波电流信号的波形，其高电平持续时间为T1，周期为T。输出波形的占空比Dt1/t50±20。上升时间和降时间分别仅为0.5和0.7。图4.10从U-输出的方波电流信号的波形KMI15-1芯片中的电压控制器实际上是一个并联调整式稳压器，可用于为传感器提供稳定的工作电压UC。而电阻R3、稳压管VDZ和晶体管VT1则可构成取样电路，其中VT1接成射极跟随器。A2为误差放大器，VT2为并联式调整管。这样，1H在经过R1、R2分压后可给A2提供基准电压UREF，从而在

52、UCC发生变化时，由A2对取样电压与基准电压进行比较后产生误差电压Ur，同时通过改变VT2上的电流来使UC保持不变。4.5.3KMI15-1的应用安装方法KMI15-1应当安装在转动齿轮的旁边。若被测转动工件上没有齿轮，亦可在转盘外缘处钻一个小孔，套上螺扣，再拧上一个螺杆并用弹簧垫圈压紧，以防止受震动后松动，并以此代替齿尖获得转速标记信号。图4.11 KMI15-1的典型应用电路KMI15-1型集成转速传感器的典型应用电路如图4.11(a)所示。工作时，转速传感器输出方波电流信号，从而在负载电阻与负载电容CL上形成电压频率信号UO(f)，并送至二次仪表。通常取RL115、CL0.1。需要指出：

53、KMI15-1输出的是齿轮转动频率（单位是Hz，即次/S）信号，欲得到转速n（r/min），还应将除以齿轮上的齿数N，并将时间单位改成分钟，公式如下：n60fN 图4.12(b)所示电路是由二极VD、稳压管VDZ和电C1构成的静电放电(ESD)保护电路，该电路可吸收2KV的ESD电压，因而可对芯片起到保护作用。此外，还需注意，在存放KMI15系列产品时，不要将多个芯片放在一起以防磁化。4.6译码器串行移位译码器74LS164部功能图见图4.12所示，其逻辑符合表如表4.5：图4.12 74LS164部功能图表4.5 74LS164逻辑符合表INPUTSOUTPUTSCLEARCLOCKA BQA QBQHLHHHHXLX XX XH HL XX LL L LQA0 QB0QH0H QAnQGnL QAnQGnL QAnQGn74LS164为串行移位译码器，它主要由时钟线控制，时钟线每来一个上升弦，数据线将把一位数移进去，移八次就进一个字节，同时在数码管显示出来。译码器是实现组合逻辑的功能部件。它的输入是二进制的代码，输出是一组高低电平信号，每输入一组不同的代码，只有一个输出端呈现有效信号。74LS254芯片是一个八位的总线收发器，其输入输出引脚分成两组，其工作原理如下：允许E