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1、-I 基于单片机的电动车直流调速系统的设计与实现 目目目目录录录录 摘要1 1 概述.3 1.1 电动车的发展史 3 1.2 电动车对电动机的基本要求3 1.3 永磁无刷直流电动机的基本性能.4 1.4 无刷直流电动机在电动自行车上的应用5 2 总体设计 7 3 电路设计 8 3.1 电源电路 8 3.2 显示电路 8 3.3 控制电路.11 3.4 驱动电路及原理 12 4 主要器件性能及原理 16 4.1 8051 单片机内部结构.16 4.2A/ D 转换芯片20 4.3 永磁无刷直流电动机 23 4.4 三端式稳压器 78L05 的工作原理.27 4.5 集成转速传感器 KMI15-1
2、30 -II 4.6 译码器 35 5 程序设计 37 5.1 主程序框图 38 5.2 INT0 中断服务程序.39 5.3 部分子程序 40 结论43 致谢44 参考文献. 46 -1 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 工况及信号的传递情况，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
3、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，三端式稳压器，永磁无刷直流电动机 -2 AbstractAbstractAbstractAbstract SCM control of permanent magnet brushless DC motor speed control system for electric bicycles and other low-power work, and can the excess ene
4、rgy back. The system has speed performance, high power factor, energy efficiency, small size, light weight and so on. Starting from the system requirements of this article, the whole system is divided into four parts, analyze and discuss the various parts of the circuit theory, control strategy, imp
5、lementation. Discussed in detail the various operating conditions and signal transduction, and to all parts of the system are obtained in different conditions of the working state. Various parts of the system control circuit control chip based on Intels 8051. According to the characteristics of perm
6、anent magnet brushless DC motor PWM control of the implementation of pulse width, and speed through the speed sensor digital dynamic display by eight out speed, through the coordination of hardware and software to achieve the overall system design requirements. Keywords:Keywords:Keywords:Keywords: m
7、icrocontroller, pulse width speed control system, three-terminal regulator, permanent magnet brushless DC motor -3 1 概述 1.11.11.11.1 电动车的发展史电动车的发展史 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 以及人类对自然环境的日益关注，
8、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及未来 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。 1.21.21.21.2 电动车对电动机的基本要求电动车对电动机的基本要求 电动车的
9、运行与一般的工业应用不同，非常复杂。因此，对驱动系 统的要求是很高的。 （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。 -4 （2）电动车用电动机应具有宽广的调速范围，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，这在内燃机得摩托车上 是不能实现得。 （4）电动车用电动机应在整个运行范围内，应具有高得效率，
10、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。 1.31.31.31.3 永磁无刷直流电动机的基本性能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
11、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。 -5 （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，
12、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。 1.41.41.41.4 无刷直流电动机在电动自行车上的应用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大的难题。所以有刷电机就存在噪
13、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 磨擦损耗及齿轮箱的消耗，以及调速电路损耗，效率通常可高于 85%， -6 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
14、某些位置能够起 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。 -7 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
15、； 2传感器选择以及安放设计； 3显示电路的设计； 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 -8 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
16、干扰，所以，电机机驱动电 路和单片机以及传感器电路用光耦隔离 。 3.13.13.13.1 电源电路电源电路 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： 13 2 VV GND IN OUT 78L05 C2C1 0.33F 0.33F D? DIODE +10F 24V VCC 5V 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
17、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。 3.23.23.23.2 显示电路显示电路 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 -9 片机通过中断的方式为显示服务。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 a bf c g d e DPY LEDgn 1 2 3 4 5 6 7 a b c d e f g 图 3.3 七段显示数码管 静态显示原
18、理： MCS-51 单片机串行口方式 0 为移位寄存器方式，外接 6 片 74LS164 作为 6 位 LED 显示器的静态显示接口，把 8051 的 RXD 作为数据输出线， TXD 作为移位时钟脉冲。74LS164 为 TTL 单向 8 位移位寄存器，可实现串 行输入，并行输出。其中 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，共一个输入信号时可并接。T（第 8 脚） -10 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。R（第 9
19、脚）为复位端，当 R=0 时，移位寄存器各位复 0， 只有当 R=1 时，时钟脉冲才起作用。Q1Q8（第 3-6 和 10-13 引脚）并 行输出端分别接 LED 显示器的 hga 各段对应的引脚上。 段码控制： 如送段码 73H 时，显示 P 以此类推，如表 3.1 所示： 表 3.1 段码表 显 示 P0. 7 P0. 6 P0.5P0.4P0.3P0.2P0.1P0.0位码 hgfedcba p0111001173H -1000000080H 10000011003H 2100110119BH 3100011118FH 410110110B6H 510101101ADH 61011110
20、1BDH 70000011107H 810111111BFH -11 910101111AFH 0001111113FH e10111101B9H n0010001123H d100111109EH 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。 3.33.33.33.3 控制电路控制电路控制电路控制电路 IN-0 26 msb2-1 21 2-2 20 IN-1 27 2-3 19 2-4 18 IN-2 28 2-5 8 2-6 15 IN-3 1 2-7 14 lsb2-817 IN-4 2
21、EOC 7 IN-5 3 ADD-A 25 IN-6 4 ADD-B 24 ADD-C 23 IN-7 5 ALE 22 ref(-) 16 ENABLE 9 START 6 ref(+) 12 CLOCK 10 U? ADC0809 EA/VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 1 P11 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P2
22、1 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN29 ALE/P30 TXD 11 RXD10 U? 8051 12MHZ 1 2 3 A 74ALS02 1 2 3 74LS02 1 2 3 74LS02 B C 10K +5 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 图 3.4 控制电路 打开系统电源后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内部 “地 址锁存与译码”电路便把 IN
23、0 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 -12 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。 3.43.43.43.4 驱动电路及原理驱动电路及原理 电动自行车使用 24V 直
24、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 （ PULSEWIDE MODULATIONPWM）较常用的 一种调速方式，这种调速方式有调速 特性优良、调速范围广、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
25、 机转速由电枢电压 UD 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 范围内。如图 3.5 所示： -13 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
26、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：在一个脉冲周期内（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 这段时间内，电机通过的是正向电流， 在 Tb 这段时间内为反相电流。当 Ta=Tb 时电机停转，TaTb 电机正转， TaTb 则电动机正转。 通过改变Ta、 Tb 的占空比即可改变转速。 4 主要器件性能及原理 4.14.14.1
27、4.1 8051805180518051 单片机内部结构单片机内部结构 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。8051 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 及数据总线、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
28、器（RAM） 8051 内部有 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 RAM 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） -17 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
29、 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 内置最高频率达 12MHz 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： -18 图 4.1 8051 引脚图 Pin20:接地脚。 Pin40:正电源脚， 正常工作或对片内 EPROM 读写程序时， 接+5V 电源。 Pin19
30、:时钟 XTAL1 脚，片内振荡电路的输入端。 Pin18:时钟 XTAL2 脚，片内振荡电路的输出端。 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能说明将在以下内容阐述。 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
31、 指向 0000H，P0-P3 输出口全部为高电平，堆栈 -19 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 所示: 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 ACC00HB00H PSW00HSP07H DPH00HTH000H DPL00HTL000H IP xxx00000 B TH100H IE 0xx00000 B TL100H TMOD00HTCON00H SCON
32、 xxxxxxxx B SBUF00H P0-P31111111BPCON 0xxxxxx xB Pin30: 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。而访问内部程序存储器时，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 -20 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 位地址数据将出现在 P0 和 P2 口上，外部程序存储器则把
33、指令数据 放到 P0 口上，CPU 读入并执行。 Pin31: :EA/Vpp程序存储器的内外部选通线，8051 和 8751 单片机，内 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 内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。 4.24.24.24.2 A/A/A/A/ D D D D 转换芯片转换芯片 （1）内部结构 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
34、 转换，典型的 A/D 转换时间为 100 微秒左右。在同类产品中， ADC0809 模数转换器的分辨率、转换速度和价位都居首位。ADC0809 的 内部逻辑结构，如图 4.2： -21 图 4.2ADC0809 的内部逻辑结构 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 4.3ADC0809
35、 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，电压范围是 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， 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 -22 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 所示： 表 4.2 通道选择表 CBA选择的通
36、道 000IN0 001IN1 010IN2 011IN3 100IN4 111IN5 110IN6 111IN7 数字量输出及控制线：11 条 ST 为转换启动信号。当 ST 上跳沿时，所有内部寄存器清零；下跳 沿时，开始进行 A/D 转换；在转换期间，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。 -23 CLK 为时钟输入信号线。 因 ADC0809 的内部没
37、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。 4.34.34.34.3 永磁无刷直流电动机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。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，在电动机内装有位置传感器，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
38、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， 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， -24 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
39、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，在电动机内装有位置传感器。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
40、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 -25 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-、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
41、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，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
42、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=(VDCKt/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 动机电枢电压控制相同的控制特性和机械特性。 -26 无刷直流电动机的转速设定
43、，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)n 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 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范围内， 在允许的过载能力以下，其稳定转速
44、与指令转速相差在 1%左右，并可以 实现在调速范围内恒转矩运行。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%。 电动机采用无锡市日弛电机有限公司生产的永磁 无刷直流电动机，电动机各参数如表 4.3 所示： 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 SW0062419014074% -27 4.44.44.44.4 三端式稳
45、压器三端式稳压器 78L0578L0578L0578L05 的工作原理的工作原理 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 所示，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 4 4.4.1.4.1.4.1.4.1 启动电路启动电路 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
46、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、T2，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 -28 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 4 4.4.2.4.2.4.2.4.2 准电压电路准电压电路 基准电压电路由 T4、DZ2、T3、R1、R3及 D1、D2组成，电路中的基准
47、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 4 4.4.3.4.3.4.3.4.3 取样比较放大电路和调整电路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
48、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的变化范围大，这对比较放大电路 来说是不允许的，为此接入由 T9、R9级成的缓冲电路。当 IO减小时，IB10 -29 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的变化范围缩小。 4 4 4 4.4.4.4.4 保护电路保护电路 减
49、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）能在安全区以内工作，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 PC0.6V 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 在额定值以内。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（VZ3+ VZ4），则 DZ3、DZ4 击穿， 导致 T12 管发射结承受正向电压而导通。VBE12 的值为 经整理后得 -30 显然，（VIVO）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范围内。由于 IO的减小，故上述保护称为减流 式保护。 4.4.54.4.5 过热保护电路过热保护电路 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，