无刷电机控制器的相序检测系统设计_毕业设计(编辑修改稿)

无刷电机控制器的相序检测系统设计_毕业设计(编辑修改稿)内容摘要：

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。 石家庄铁道学院毕业设计 5 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。 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。 石家庄铁道学院毕业设计 6 第 2 章 设计方案 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 21 所示： 图 21 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 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 60176。 /120176。 选择可使 MC33035 很方便地控制具有 60176。 、 120176。 、 240176。 或 300176。 的传感器相位电机。 其三个传感器输入有八种可能的输入石家庄铁道学院毕业设计 7 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 60176。 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 22 所示： 图 22 三相六步全波电机控制电路 图 22 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石家庄铁道学院毕业设计 8 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 22 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。 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 23 所示。 图 23 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。 石家庄铁道学院毕业设计 9 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 60176。 间隔放置，也可以 120176。 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。 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： ① 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 24 所示。 图 24 电源电路的硬件框图 ②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。 ③显示电路：根据 I/O 口资源可利用串行口来设计显示电路。 ④ 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 25 所示。 220V电源 变压器 全桥整流 滤波电路 12V 稳压块 5V 稳压块 石家庄铁道学院毕业设计 10 图 25 硬件框图 单片机的硬件电路设计 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、 PSEN 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=10μF，R=。 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 26 所示。 无刷电机控制器 输出电源信号 光电隔离电路 A T 8 9 C 5 1 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 石家庄铁道学院毕业设计 11 图 26 复位电路 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 ～ 12MHz 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 30pF[4]。 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 27 所示。 图 27 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。 石家庄铁道学院毕业设计 12 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。 显示电路的设计 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 ( s)，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 0~ 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 DS1～ DS3 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。 石家庄铁道学院毕。