畢業(yè)設(shè)計(jì)---電動(dòng)自行車調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、<p>　　畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)</p><p>　題目電動(dòng)自行車調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì) </p><p>　系別</p><p>　專業(yè)</p><p>　班級(jí)</p><p>　姓名</p><p>　學(xué)號(hào)</p>

2、<p>　指導(dǎo)教師</p><p>　日期</p><p><b>　　設(shè)計(jì)任務(wù)書</b></p><p><b>　　設(shè)計(jì)題目</b></p><p>　　電動(dòng)自行車調(diào)速系統(tǒng)的設(shè)計(jì)</p><p><b>　　設(shè)計(jì)要求：</b></p

3、><p>　　實(shí)現(xiàn)單片機(jī)對(duì)電動(dòng)自行車調(diào)速系統(tǒng)的控制，即永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制；</p><p>　　要求使用脈寬調(diào)速系統(tǒng)；</p><p>　　單片機(jī)選用芯片要合適；</p><p>　?、?要求有系統(tǒng)電路圖、原理圖、程序圖等。</p><p><b>　　設(shè)計(jì)進(jìn)度要求：</b></p&g

4、t;<p>　　第一周：找指導(dǎo)老師，確定設(shè)計(jì)題目；</p><p>　　第二周：結(jié)合題目，查閱相關(guān)的資料勾畫調(diào)速系統(tǒng)基本框架；</p><p>　　第三、四周：根據(jù)有關(guān)要求和所查資料的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)；</p><p>　　第五、六周：對(duì)所設(shè)計(jì)的內(nèi)容進(jìn)行調(diào)試；</p><p>　　第七周：書寫畢業(yè)設(shè)計(jì)論文；</p>

5、;<p>　　第八周：準(zhǔn)備畢業(yè)論文答辯。</p><p>　　指導(dǎo)教師（簽名）：______________</p><p><b>　　摘　　要</b></p><p>　　單片機(jī)控制的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速系統(tǒng)適用于電動(dòng)自行車等小功率的工作情況，并能將多余的電能回饋。該系統(tǒng)具有調(diào)速性能好、功率因數(shù)高、節(jié)能、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)

6、。</p><p>　　本文從系統(tǒng)要求分析入手，將整個(gè)系統(tǒng)分成四個(gè)部分，分析和討論了各個(gè)部分的電路原理、控制策略、實(shí)現(xiàn)方法。詳細(xì)討論了系統(tǒng)的各種工況及信號(hào)的傳遞情況，并得到了系統(tǒng)各個(gè)部分在不同工況的工作狀態(tài)。系統(tǒng)各個(gè)部分的控制電路基于Intel公司的控制芯片8051單片機(jī)。根據(jù)永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的特性實(shí)施脈寬PWM控制，并通過轉(zhuǎn)速傳感器測(cè)量轉(zhuǎn)速通過八段數(shù)碼管動(dòng)態(tài)顯示轉(zhuǎn)速，通過軟硬件的配合，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。

7、</p><p>　　關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)，脈寬調(diào)速系統(tǒng)，三端式穩(wěn)壓器，永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)</p><p><b>　　目　　錄</b></p><p><b>　　摘要II</b></p><p><b>　　1概述1</b></p><p>　　1.1

8、電動(dòng)車的發(fā)展史1</p><p>　　1.2電動(dòng)車對(duì)電動(dòng)機(jī)的基本要求1</p><p>　　1.3 永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本性能2</p><p>　　1.4無刷直流電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)自行車上的應(yīng)用2</p><p><b>　　2總體設(shè)計(jì)4</b></p><p><b>　　3電

9、路設(shè)計(jì)5</b></p><p><b>　　3.1電源電路5</b></p><p><b>　　3.2顯示電路5</b></p><p><b>　　3.3控制電路7</b></p><p>　　3.4驅(qū)動(dòng)電路及原理8</p><p

10、>　　4主要器件性能及原理11</p><p>　　4.1 8051單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)11</p><p>　　4.2 A/ D轉(zhuǎn)換芯片13</p><p>　　4.3永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)15</p><p>　　4.4 三端式穩(wěn)壓器78L05的工作原理18</p><p>　　4.5集成轉(zhuǎn)速傳感器KMI15

11、-120</p><p><b>　　4.6譯碼器24</b></p><p><b>　　5程序設(shè)計(jì)25</b></p><p>　　5.1主程序框圖25</p><p>　　5.2 INT0中斷服務(wù)程序26</p><p>　　5.3部分子程序27</p

12、><p><b>　　結(jié)論29</b></p><p><b>　　致謝30</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)31</b></p><p><b>　　1 概 述</b></p><p>　　1.1電動(dòng)車的發(fā)展史&l

13、t;/p><p>　　電動(dòng)車的發(fā)展史比燃油汽車更長(zhǎng)，世界上第一輛機(jī)動(dòng)車就是電動(dòng)車。后來，由于燃油汽車技術(shù)的迅速發(fā)展，而電動(dòng)車在能源技術(shù)和行駛里程的研制上長(zhǎng)期未能取得突破，從20世紀(jì)20年代初至60 代末，電動(dòng)車的發(fā)展進(jìn)入了一個(gè)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(duì)自然環(huán)境的日益關(guān)注，電動(dòng)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(guó)家為電動(dòng)車的開發(fā)投入了大量的人力和財(cái)力，電動(dòng)車的各項(xiàng)相關(guān) 技

14、術(shù)也取得了重大的進(jìn)展。盡管電動(dòng)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(dòng)車的美好前景仍然激勵(lì)著人們鍥而不舍地開發(fā)新型電動(dòng)車，改善其性能。 </p><p>　　現(xiàn)代電動(dòng)車的能源系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、智能化的能量管理系統(tǒng)、充電系統(tǒng)、車載空調(diào)系統(tǒng)和變速系統(tǒng)，電動(dòng)車的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)以及未來智能化的交通系統(tǒng)的發(fā)展。根據(jù)各類子系統(tǒng)的不同特點(diǎn).近年來，各種顯示高新技術(shù)的電動(dòng)車層出不窮，日新月異。</

15、p><p>　　1.2電動(dòng)車對(duì)電動(dòng)機(jī)的基本要求</p><p>　　電動(dòng)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(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求是很高的。</p><p>　?。?）電動(dòng)車用電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有瞬時(shí)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(zhǎng)等特點(diǎn)。</p><p>　?。?）電動(dòng)車用電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有寬廣的調(diào)速范圍，包括恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和

16、恒功率區(qū)。在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，要求低速運(yùn)行時(shí)具有大轉(zhuǎn)矩，以滿足起動(dòng)和爬坡的要求；在恒功率區(qū)，要求低轉(zhuǎn)矩時(shí)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。</p><p>　?。?）電動(dòng)車用電動(dòng)機(jī)能夠在減速時(shí)實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)，將能量回收并反饋回蓄電池，使得電動(dòng)車具有最佳能量的利用率，這在內(nèi)燃機(jī)得摩托車上是不能實(shí)現(xiàn)得。</p><p>　　（4）電動(dòng)車用電動(dòng)機(jī)應(yīng)在整個(gè)運(yùn)行范圍內(nèi)，應(yīng)具有高得效率，以提

17、高1次充電得續(xù)駛里程。</p><p>　　另外，還要求電動(dòng)車用電動(dòng)機(jī)可靠性好，能夠在較惡劣得環(huán)境下長(zhǎng)期工作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單并適應(yīng)大批量生產(chǎn)，運(yùn)行時(shí)噪聲低，價(jià)格便宜等。</p><p>　　1.3 永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本性能</p><p>　?。?）永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)是一種高性能的電動(dòng)機(jī)。它的最大特點(diǎn)就是具有直流電動(dòng)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

18、磁體轉(zhuǎn)子，沒有勵(lì)磁損耗，發(fā)熱的電樞組又裝在外面的定子上，散熱容易。因此，永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)沒有換向火花，沒有無線電干擾，壽命長(zhǎng)，運(yùn)行可靠，維修簡(jiǎn)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)的情況下運(yùn)行。</p><p>　　無刷直流電動(dòng)機(jī)因其無電刷和機(jī)械換向器，不需要減速裝置，噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)自行車中。</p><p>　?。?

19、）永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng)</p><p>　　永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)是一種高性能的電動(dòng)機(jī)。它的最大特點(diǎn)就是具有直流電動(dòng)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(lì)磁損耗，發(fā)熱的電樞組又裝在外面的定子上，散熱容易。因此，永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)沒有換向火花，沒有無線電干擾，壽命長(zhǎng)，運(yùn)行可靠，維修簡(jiǎn)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)的情況下

20、運(yùn)行。由于永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)具有上述一系列的優(yōu)點(diǎn)，因而，其用途十分的廣泛，特別適合于對(duì)性能，體積重量要求很高的場(chǎng)合，如航空航天，電動(dòng)汽車，精密電子儀器與設(shè)備，工業(yè)自動(dòng)化和現(xiàn)代家用電器等領(lǐng)域。</p><p>　　1.4無刷直流電動(dòng)機(jī)在電動(dòng)自行車上的應(yīng)用</p><p><b>　　1．應(yīng)用特點(diǎn) </b></p><p>　　無刷直流電動(dòng)機(jī)之所以

21、被廣泛應(yīng)用于電動(dòng)自行車，是因?yàn)樗c傳統(tǒng)的有刷直流電動(dòng)機(jī)相比具有以下二方面的優(yōu)勢(shì)。</p><p>　　（1）壽命長(zhǎng)、免維護(hù)、可靠性高。在有刷直流電動(dòng)機(jī)中，由于電機(jī)轉(zhuǎn)速較高，電刷和換向器磨損較快，一般工作1000小時(shí)左右就需更換電刷。另外其減速齒輪箱的技術(shù)難度較大，特別是傳動(dòng)齒輪的潤(rùn)滑問題，是目前有刷方案中比較大的難題。所以有刷電機(jī)就存在噪聲大、效率低、易產(chǎn)生故障等問題。因此無刷直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)很明顯。</p

22、><p>　?。?）效率高、節(jié)能。一般而言，因無刷直流電動(dòng)機(jī)沒有機(jī)械換向的磨擦損耗及齒輪箱的消耗，以及調(diào)速電路損耗，效率通?？筛哂?5%，但考慮到實(shí)際設(shè)計(jì)中的最高性價(jià)比，為減少材料消耗，一般設(shè)計(jì)為76%。而有刷直流電動(dòng)機(jī)的效率由于齒輪箱和超越離合器的消耗，通常在70%左右。 </p><p><b>　　2．常見故障 </b></p><p>　　

23、無刷直流電動(dòng)機(jī)的常見故障通常從其三個(gè)組成部分來檢查。在不清楚故障部位時(shí)，首先應(yīng)該檢查電動(dòng)機(jī)本體，其次是位置傳感器，最后檢查驅(qū)動(dòng)控制電路。在電動(dòng)機(jī)本體中，可能出現(xiàn)的問題是：A、電動(dòng)機(jī)繞組接觸不良，斷線或短路。會(huì)造成電動(dòng)機(jī)不轉(zhuǎn)；電動(dòng)機(jī)在某些位置能夠起動(dòng)，而在某些位置不能起動(dòng)；電動(dòng)機(jī)運(yùn)行不平衡。B、電動(dòng)機(jī)主磁極退磁，會(huì)使電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩明顯小，而空載轉(zhuǎn)速高、電流大。在位置傳感器上常見問題是霍爾元件損壞、接觸不良、位置變化，都會(huì)使電動(dòng)機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩變小，

24、嚴(yán)重時(shí)會(huì)使得電動(dòng)機(jī)不動(dòng)或在某一點(diǎn)來回振動(dòng)。在驅(qū)動(dòng)控制電路中最容易出現(xiàn)故障的是功率晶體管，即由于長(zhǎng)期過載、過電壓或短路使功率晶體管損壞。以上是對(duì)無刷電動(dòng)機(jī)的常見故障進(jìn)行的簡(jiǎn)單分析，在電動(dòng)機(jī)實(shí)際運(yùn)行時(shí)問題會(huì)是多種多樣的，檢查者應(yīng)注意在沒有確切把握情況時(shí)，不能隨意通電，以免造成電動(dòng)機(jī)的其他器件損壞。</p><p><b>　　2總體設(shè)計(jì)</b></p><p>　　對(duì)于電

25、動(dòng)自行車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要有三個(gè)方面:</p><p>　　1．控制電路的設(shè)計(jì)；</p><p>　　2．傳感器選擇以及安放設(shè)計(jì)；</p><p>　　3．顯示電路的設(shè)計(jì)；</p><p><b>　　4．程序設(shè)計(jì)。</b></p><p>　　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(hào)

26、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(shí)復(fù)用技術(shù)，僅用一塊單片機(jī)就實(shí)現(xiàn)了信號(hào)采集，電機(jī)控制和轉(zhuǎn)速顯示。如圖2.1所示：</p><p><b>　　圖2.1總體電路圖</b></p><p><b>　　3 電路設(shè)計(jì)<

27、;/b></p><p>　　控制電路主要由電源電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、單片機(jī)接口電路、顯示電路四個(gè)部分。考慮到電機(jī)的起動(dòng)電流和制動(dòng)時(shí)比較大，會(huì)造成電源電壓不穩(wěn)定容易對(duì)單片機(jī)和傳感器的工作產(chǎn)生干擾，所以，電機(jī)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和單片機(jī)以及傳感器電路用光耦隔離 。</p><p><b>　　3.1電源電路</b></p><p>　　傳感器的電源直接

28、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。見圖3.1：</p><p><b>　　圖3.1電源電路圖</b></p><p>　　24V直流電源經(jīng)三端穩(wěn)壓器78L05輸出即為單片機(jī)所要求的+5V電源。電路中接入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

29、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(shí)，給輸出電容器C3一個(gè)放電通路，防止C3兩端電壓作用于調(diào)整管的be解結(jié)，造成調(diào)整管be結(jié)擊穿而損壞。</p><p><b>　　3.2顯示電路</b></p><p>　　顯示部分見圖3.2，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)。我們所設(shè)計(jì)的采用共陽極連接方式的L

30、ED七段顯示數(shù)碼管如圖3.3所示。</p><p><b>　　圖3.2顯示電路圖</b></p><p>　　圖3.3七段顯示數(shù)碼管</p><p><b>　　靜態(tài)顯示原理：</b></p><p>　　MCS-51單片機(jī)串行口方式0為移位寄存器方式，外接6片74LS164作為6位LED顯示器的

31、靜態(tài)顯示接口，把8051的RXD作為數(shù)據(jù)輸出線，TXD作為移位時(shí)鐘脈沖。74LS164為TTL單向8位移位寄存器，可實(shí)現(xiàn)串行輸入，并行輸出。其中A、B（第1、2腳）為串行數(shù)據(jù)輸入端，2個(gè)引腳按邏輯與運(yùn)算規(guī)律輸入信號(hào)，共一個(gè)輸入信號(hào)時(shí)可并接。T（第8腳）為時(shí)鐘輸入端，可連接到串行口的TXD端。每一個(gè)時(shí)鐘信號(hào)的上升沿加到T端時(shí)，移位寄存器移一位，8個(gè)時(shí)鐘脈沖過后，8位二進(jìn)制數(shù)全部移入74LS164中。R（第9腳）為復(fù)位端，當(dāng)R=0時(shí)，移位寄

32、存器各位復(fù)0，只有當(dāng)R=1時(shí)，時(shí)鐘脈沖才起作用。Q1…Q8（第3-6和10-13引腳）并行輸出端分別接LED顯示器的hg···a各段對(duì)應(yīng)的引腳上。</p><p><b>　　段碼控制：</b></p><p>　　如送段碼73H時(shí)，顯示P以此類推，如表3.1所示：</p><p><b>　　表3.1段

33、碼表</b></p><p>　　直流電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為190轉(zhuǎn)/分大約需要三位數(shù)碼管顯示。驅(qū)動(dòng)器采用74LS164串接510Ω的限流電阻。</p><p><b>　　3.3控制電路</b></p><p><b>　　圖3.4控制電路</b></p><p>　　打開系統(tǒng)電源后由電位

34、器控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，IN0-IN6線上那一路模擬電壓被換成數(shù)字量由ADDA-ADDC線上的地址決定。ADDC0809內(nèi)部“地址鎖存與譯碼”電路便把IN0線上模擬電壓送入8位A/D轉(zhuǎn)換器。此時(shí)，若單片機(jī)使STRA線處于高電平，則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(qǐng)求。單片機(jī)檢測(cè)和響應(yīng)該中斷請(qǐng)求后就通過使RD非變?yōu)榈?/p>

35、電平而使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)字量輸出相應(yīng)的巨型脈沖信號(hào)。脈沖信號(hào)經(jīng)74LS254放大后經(jīng)光電耦合控制繼電器。</p><p>　　3.4驅(qū)動(dòng)電路及原理</p><p>　　電動(dòng)自行車使用24V直流電機(jī)，對(duì)于這種小功率直流電機(jī)的調(diào)速方法一般有兩種。</p><p>　　一種是線性型：使用功率三級(jí)管作為功率放大器的輸出控制直流

36、電機(jī)。線性型驅(qū)動(dòng)的電路結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，成本低，加速能力強(qiáng)，但功率損耗大，特別是低速大轉(zhuǎn)矩運(yùn)行時(shí)，通過電阻R的電流大，發(fā)熱厲害，損耗大。</p><p>　　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)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(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。因此決定采用PWM方式控制直流電機(jī)

37、。永磁式直流電機(jī)脈寬調(diào)速原理：永磁式直流電動(dòng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速由電樞電壓UD決定，電樞電壓UD越高電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，電樞電壓UD降為0V，電機(jī)就就停轉(zhuǎn)。直流電機(jī)的具體調(diào)速過程是：先讓它啟動(dòng)一段時(shí)間，然后切斷電源，電動(dòng)機(jī)因慣性而降速轉(zhuǎn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)速降到一定限度時(shí)使電動(dòng)機(jī)再次接通，電動(dòng)機(jī)因此而再次加速，不斷的給電樞兩端送入脈動(dòng)電壓源（即脈動(dòng)信號(hào)）就可以使電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制在指定的范圍內(nèi)。如圖3.5所示：</p><p><b&g

38、t;　　圖3.5脈沖信號(hào)圖</b></p><p>　　Vmax為電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速值，Vmin為電動(dòng)機(jī)的最小轉(zhuǎn)速值，VD為二者的平均值。VD=D*max式中D=t/Tc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之間關(guān)系如圖3.6所示：</p><p>　　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(dòng)機(jī)的平均轉(zhuǎn)速V

39、D就可以有占空比D加以控制。</p><p>　　圖3.6 VD/D關(guān)系圖</p><p>　　PWM調(diào)速分為雙向式和單向式兩種：</p><p>　　雙向式：在一個(gè)脈沖周期內(nèi)（T=Ta+Tb）,T1和T3導(dǎo)通時(shí)間為Ta,T2和T4導(dǎo)通時(shí)間為Tb，這樣在Ta這段時(shí)間內(nèi)，電機(jī)通過的是正向電流，在Tb這段時(shí)間內(nèi)為反相電流。當(dāng)Ta=Tb時(shí)電機(jī)停轉(zhuǎn)，Ta>Tb電機(jī)正轉(zhuǎn)

40、，Ta<Tb電機(jī)反轉(zhuǎn)。</p><p>　　單向式：?jiǎn)蜗蚴降碾娐泛碗p向式相同，同的是在電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，Tb這段時(shí)間內(nèi)不通過反相電流；電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，Ta內(nèi)不通過正向電流。其調(diào)速原理基本與雙向相同，單向式與雙向式相比，三極管的開關(guān)頻率少一半，比較不容易發(fā)生上下三極管導(dǎo)通而造成電源短路的情況，故可靠性有所提高，但控制性能比雙向式稍差;外特性、低速性也不如雙向式好。</p><p>　　綜合以上兩

41、種方式的優(yōu)缺點(diǎn)，并考慮到電動(dòng)自行車對(duì)調(diào)速精度要求不太高，以及省電、器件損耗等方面因素，決定采用單向式PWM；考慮到編程時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生使T1、T2、T3、T4都導(dǎo)通的情況，以致電源短路，燒毀器件。為了避免出現(xiàn)這種情況，設(shè)計(jì)了圖3.7所示的電路:</p><p>　　此電路只用一個(gè)三極管控制電路的通斷，用四個(gè)繼電器控制電流流向，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。這樣無論如何，都不會(huì)出現(xiàn)因編程原因而造成電源短路的情況。</p&g

42、t;<p>　　由于采用單片機(jī)控制電機(jī)，如果單片機(jī)的電源采用與電機(jī)同一電源，雖然經(jīng)過穩(wěn)壓、濾波，但單片機(jī)仍然容易受到電機(jī)以及繼電器的干擾。為了避免干擾，采用光電隔離，單片機(jī)和電機(jī)采用兩套電源，4N26光耦一般需要2mA以上的驅(qū)動(dòng)電流，由于單片機(jī)的輸出電流只有幾百毫安，故需要先接74LS245或者接一個(gè)三極管增加驅(qū)動(dòng)能力（74LS245的高電平驅(qū)動(dòng)能力為15mA）。光耦的輸出再接給達(dá)林頓管，考慮到電機(jī)的短路電流有2A，故選用

43、TIP132型號(hào)的達(dá)林頓管（允許通過的最大瞬時(shí)</p><p><b>　　圖3.7電源電路</b></p><p>　　電流為8A）。另外，在達(dá)林頓管的C極和電源的正極之間接一個(gè)耐流為2A的二極管，這樣在關(guān)斷電源后，使繼電器反相，可以讓電機(jī)放電，這樣停時(shí)車不至于因?yàn)閼T性滑行太遠(yuǎn)而浪費(fèi)能源。因此，切斷電源后要將電動(dòng)車停下來而采取的無謂制動(dòng)不能將電能回饋給蓄電池。<

44、;/p><p>　　考慮到電動(dòng)自行車對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速距離控制要求不高，為了簡(jiǎn)化程序和外接電路，所以沒有考慮采用閉環(huán)PWM控制，用開環(huán)PWM控制和就可以實(shí)現(xiàn)自行車的功能。</p><p>　　圖3.8脈沖信號(hào)波形圖</p><p>　　工作時(shí)Ta為高電平，通過光耦驅(qū)動(dòng)復(fù)合管T導(dǎo)通，此時(shí)Tb為高電平通過光耦使三極管導(dǎo)通，繼電器各線圈被短路。K1、K2為常閉觸點(diǎn)，所以電動(dòng)機(jī)加正向電

45、壓。當(dāng)Tb為低電平電壓時(shí)所有繼電器得電，常開觸點(diǎn)閉合常閉觸點(diǎn)斷開，K1、K3斷開K2、K4導(dǎo)通。電動(dòng)機(jī)加反向電壓。如果保證Ta>Tb則電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。通過改變Ta、Tb的占空比即可改變轉(zhuǎn)速。</p><p>　　4主要器件性能及原理</p><p>　　4.1 8051單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p>　　8051是MCS-51系列單片機(jī)的典型產(chǎn)品，我們以這一代表性

46、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(chǔ)器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM)、定時(shí)/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大總線，現(xiàn)在我們分別加以說明：</p><p>　　中央處理器(CPU)</p><p>　　中央處理器(CPU)是整個(gè)單片機(jī)的核心部件，是8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

47、和調(diào)度整個(gè)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。</p><p>　　數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM）</p><p>　　8051內(nèi)部有128個(gè)8位用戶數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元和128個(gè)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(gè)，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</p&

48、gt;<p>　　程序存存儲(chǔ)器（ROM）</p><p>　　8051共有4096個(gè)8位掩膜ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。</p><p>　　定時(shí)/計(jì)數(shù)器（ROM）</p><p>　　8051有兩個(gè)16位的可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器，以實(shí)現(xiàn)定時(shí)或計(jì)數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。</p><p>　　并行輸入輸出(I/O)口

49、</p><p>　　8051共有4組8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于對(duì)外部數(shù)據(jù)的傳輸。</p><p><b>　　全雙工串行口</b></p><p><b>　　中斷系統(tǒng)</b></p><p>　　8051具備較完善的中斷功能，有兩個(gè)外中斷、兩個(gè)定時(shí)/計(jì)數(shù)器中斷和一個(gè)串行中斷，

50、可滿足不同的控制要求，并具有2級(jí)的優(yōu)先級(jí)別選擇</p><p><b>　　時(shí)鐘電路</b></p><p>　　8051內(nèi)置最高頻率達(dá)12MHz的時(shí)鐘電路，用于產(chǎn)生整個(gè)單片機(jī)運(yùn)行的脈沖時(shí)序，但8051單片機(jī)需外置振蕩電容。</p><p>　　8051的引腳說明：</p><p>　　8051引腳如圖4.1所示：<

51、;/p><p>　　圖4.1 8051引腳圖</p><p>　　Pin20:接地腳。</p><p>　　Pin40:正電源腳，正常工作或?qū)ζ瑑?nèi)EPROM讀寫程序時(shí)，接+5V電源。</p><p>　　Pin19:時(shí)鐘XTAL1腳，片內(nèi)振蕩電路的輸入端。</p><p>　　Pin18:時(shí)鐘XTAL2腳，片內(nèi)振蕩電路的輸

52、出端。</p><p>　　輸入輸出(I/O)引腳：</p><p>　　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。</p><p>　　Pin9:RESE

53、T/Vpd復(fù)位信號(hào)復(fù)用腳，當(dāng)8051通電，時(shí)鐘電路開始工作，在RESET引腳上出現(xiàn)24個(gè)時(shí)鐘周期以上的高電平，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)位不改變RAM（包括工作寄存器R0-R7）的狀態(tài)，8051的初始態(tài)如表4.1所示:</p><p

54、>　　表4.1 8051初始狀態(tài)</p><p>　　Pin30: ALE/當(dāng)訪問外部程序器時(shí)，ALE(地址鎖存)的輸出用于鎖存地址的低位字節(jié)。而訪問內(nèi)部程序存儲(chǔ)器時(shí)，ALE端將有一個(gè)1/6時(shí)鐘頻率的正脈沖信號(hào)，這個(gè)信號(hào)可以用于識(shí)別單片機(jī)是否工作，也可以當(dāng)作一個(gè)時(shí)鐘向外輸出。更有一個(gè)特點(diǎn)，當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器，ALE會(huì)跳過一個(gè)脈沖。如果單片機(jī)是EPROM，在編程其間，將用于輸入編程脈沖。</p>

55、<p>　　Pin29:當(dāng)訪問外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，此腳輸出負(fù)脈沖選通信號(hào)，PC的16位地址數(shù)據(jù)將出現(xiàn)在P0和P2口上，外部程序存儲(chǔ)器則把指令數(shù)據(jù)放到P0口上，CPU讀入并執(zhí)行。</p><p>　　Pin31:EA/Vpp程序存儲(chǔ)器的內(nèi)外部選通線，8051和8751單片機(jī)，內(nèi)置有4kB的程序存儲(chǔ)器，當(dāng)EA為高電平并且程序地址小于4kB時(shí)，讀取內(nèi)部程序存儲(chǔ)器指令數(shù)據(jù)，而超過4kB地址則讀取外部指令數(shù)據(jù)。

56、如EA為低電平，則不管地址大小，一律讀取外部程序存儲(chǔ)器指令。</p><p>　　4.2 A/ D轉(zhuǎn)換芯片</p><p><b>　?。?）內(nèi)部結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　ADC0809芯片是最常用的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它的模數(shù)轉(zhuǎn)換原理采用逐次逼近型，芯片由單個(gè)+5V電源供電，可以分時(shí)對(duì)8路輸入模擬量進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，典型的A/D轉(zhuǎn)換時(shí)間為1

57、00微秒左右。在同類產(chǎn)品中，ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率、轉(zhuǎn)換速度和價(jià)位都居首位。ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)，如圖4.2：</p><p>　　圖4.2 ADC0809的內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)</p><p>　　由上圖可知，ADC0809由一個(gè)8路模擬開關(guān)、一個(gè)地址鎖存與譯碼器、一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)三態(tài)輸出鎖存器組成。多路開關(guān)可選通8個(gè)模擬通道，允許8路模擬量分時(shí)輸入，共用A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行

58、轉(zhuǎn)換。三態(tài)輸出鎖器用于鎖存A/D轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，當(dāng)OE端為高電平時(shí)，才可以從三態(tài)輸出鎖存器取走轉(zhuǎn)換完的數(shù)據(jù)。</p><p><b>　?。?）引腳結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　圖4.3 ADC0809引腳結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　IN0－IN7：8條模擬量輸入通道</p><p>　　ADC0809對(duì)輸入模擬量

59、要求：信號(hào)單極性，電壓范圍是0－5V，若信號(hào)太小，必須進(jìn)行放大；輸入的模擬量在轉(zhuǎn)換過程中應(yīng)該保持不變，如若模擬量變化太快，則需在輸入前增加采樣保持電路。</p><p>　　地址輸入和控制線：4條</p><p>　　ALE為地址鎖存允許輸入線，高電平有效。當(dāng)ALE線為高電平時(shí)，地址鎖存與譯碼器將A，B，C三條地址線的地址信號(hào)進(jìn)行鎖存，經(jīng)譯碼后被選中的通道的模擬量進(jìn)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換。A，B和

60、C為地址輸入線，用于選通IN0－IN7上的一路模擬量輸入。通道選擇表如表4.2所示：</p><p>　　表4.2 通道選擇表</p><p>　　數(shù)字量輸出及控制線：11條</p><p>　　ST為轉(zhuǎn)換啟動(dòng)信號(hào)。當(dāng)ST上跳沿時(shí)，所有內(nèi)部寄存器清零；下跳沿時(shí)，開始進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；在轉(zhuǎn)換期間，ST應(yīng)保持低電平。EOC為轉(zhuǎn)換結(jié)束信號(hào)。當(dāng)EOC為高電平時(shí)，表明轉(zhuǎn)換結(jié)束；

61、否則，表明正在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換。OE為輸出允許信號(hào)，用于控制三條輸出鎖存器向單片機(jī)輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)。OE＝1，輸出轉(zhuǎn)換得到的數(shù)據(jù)；OE＝0，輸出數(shù)據(jù)線呈高阻狀態(tài)。D7－D0為數(shù)字量輸出線。</p><p>　　CLK為時(shí)鐘輸入信號(hào)線。因ADC0809的內(nèi)部沒有時(shí)鐘電路，所需時(shí)鐘信號(hào)必須由外界提供，通常使用頻率為500KHZ，VREF（＋），VREF（－）為參考電壓輸入。</p><p>　

62、　4.3永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)</p><p>　　1．無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)</p><p>　　無刷直流電動(dòng)機(jī)（BLDCM）由電動(dòng)機(jī)本體和驅(qū)動(dòng)器構(gòu)成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。</p><p>　　定子繞組做成三相對(duì)稱星行接法，同三相異步電動(dòng)機(jī)十分相似。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子由釹鐵硼永磁材料構(gòu)成。在定轉(zhuǎn)子形成的氣隙中產(chǎn)生N-S級(jí)相間的方波磁場(chǎng)，所以也把這種電動(dòng)機(jī)稱為“方波電

63、動(dòng)機(jī)”。為了使電動(dòng)機(jī)繞組準(zhǔn)確換向，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器，作為轉(zhuǎn)子極性的位置信號(hào)。</p><p>　　驅(qū)動(dòng)器組成： 作為控制中樞的單片子；作為電子換向的由IGBT或MOSFET構(gòu)成的逆變橋；作為電壓型交一直一交主電路的整流、濾波單位；作為人機(jī)接口的鍵盤和數(shù)字顯示單位；作為控制、驅(qū)動(dòng)電源的開關(guān)電源。</p><p>　　2．無刷直流電動(dòng)機(jī)的主要特點(diǎn)</p><p>

64、;　　無刷直流電動(dòng)機(jī)有效率高；功率因子高；啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)電流小；電動(dòng)機(jī)出力高；適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)。此外，無刷直流電動(dòng)機(jī)是一種自控式調(diào)速系統(tǒng)，它無需像普通同步電動(dòng)機(jī)那樣需要啟動(dòng)繞組；在負(fù)載突變時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生振蕩和失步；無刷直流電動(dòng)機(jī)具有直流電動(dòng)機(jī)特性、交流異步電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)；無刷直流電動(dòng)機(jī)適合長(zhǎng)期低速運(yùn)轉(zhuǎn)、頻繁啟動(dòng)的場(chǎng)合，這是變頻調(diào)速器拖動(dòng)Y系列電動(dòng)機(jī)不可能實(shí)現(xiàn)的。</p><p>　　3．永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的基本工作原

65、理 </p><p>　　無刷直流電動(dòng)機(jī)由電動(dòng)機(jī)主體和驅(qū)動(dòng)器組成，是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品。電動(dòng)機(jī)的定子繞組多做成三相對(duì)稱星形接法，同三相異步電動(dòng)機(jī)十分相似。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的極性，在電動(dòng)機(jī)內(nèi)裝有位置傳感器。驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號(hào)，以控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和制動(dòng)；接受位置傳感器信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào)，用來控制逆變橋各功率管的

66、通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受速度指令和速度反饋信號(hào)，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(dòng)機(jī)的原理簡(jiǎn)圖如圖4.4所示：</p><p>　　圖4.4無刷直流電動(dòng)機(jī)的原理圖</p><p>　　主電路是一個(gè)典型的電壓型交-直-交電路，逆變器提供等幅等頻5-26KHZ調(diào)制波的對(duì)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

67、號(hào)產(chǎn)生有效的六狀態(tài)編碼信號(hào)：101、100、110、010、011、001，通過邏輯組建處理產(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(duì)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，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態(tài)，定子繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)軸線在空間轉(zhuǎn)

68、動(dòng)60°電度角，轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)于60°電度角空間位置，轉(zhuǎn)子在新位置上，使位置傳感器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(chǎng)軸再前進(jìn)60°電度角，如此循環(huán)，無刷直流電動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，拖動(dòng)負(fù)載作連續(xù)旋轉(zhuǎn)。正因?yàn)闊o刷直流電動(dòng)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(dòng)機(jī)。由于定子磁場(chǎng)軸線可視作同轉(zhuǎn)</p><

69、;p>　　電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩正比于繞組平均電流: TM=Ktlav(N/M)</p><p>　　電動(dòng)機(jī)兩相組反電勢(shì)的差比于電動(dòng)機(jī)的角速度: ELL=Keω(V)</p><p>　　所以電動(dòng)機(jī)繞組中的平均電流為：Iav=(Vm-ELL)/2Ra(A)</p><p>　　其中，Vm=δ?VDC是加在電動(dòng)機(jī)線間電壓平均值，VDC是直流母線電壓，δ是調(diào)制波的占空比，

70、Ra為每相繞組電阻。由此可以得到直流電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩：Tm=δ×(VDC×Kt/2Ra)-Kt×(Keω/2Ra)Kt、Ke是電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)常數(shù)，ω為電動(dòng)機(jī)的角速度(rad/s)，所以，在一定的ω時(shí)，改變占空比δ，就可以線性地改變電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，得到與他勵(lì)支流電動(dòng)機(jī)電樞電壓控制相同的控制特性和機(jī)械特性。</p><p>　　無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定，取決于速度指令Vc的高低，如果速度

71、指令最大值為+5V對(duì)應(yīng)的最高轉(zhuǎn)速：Vc(max)ón max,那么，+5V以下任何電平即對(duì)應(yīng)相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速n，這就實(shí)現(xiàn)了變速設(shè)定。</p><p>　　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(shí)，反饋電壓Vfb變小，調(diào)制波的占空比δ就會(huì)變大，電樞電流變大，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩增大而產(chǎn)生加速度，直到電動(dòng)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(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速比指令轉(zhuǎn)

72、速高時(shí)，δ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，無刷直流電動(dòng)機(jī)在允許的電網(wǎng)波動(dòng)范圍內(nèi)，在允許的過載能力以下，其穩(wěn)定轉(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(dòng)機(jī)的勵(lì)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(lì)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(dòng)機(jī)高10%左右，一般來說，無刷直流電動(dòng)機(jī)的能力指針（ηcosθ）比同容量三相異步

73、電動(dòng)機(jī)高12%-20%。電動(dòng)機(jī)采用無錫市日弛電機(jī)有限公司生產(chǎn)的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)各參數(shù)如表4.3所示：</p><p>　　表4.3電動(dòng)機(jī)各參數(shù)表</p><p>　　4.4 三端式穩(wěn)壓器78L05的工作原理</p><p>　　現(xiàn)以具有正電壓輸出的78L××系列為例介紹它的工作原理。</p><p>　　電路如圖

74、4.5所示，三端式穩(wěn)壓器由啟動(dòng)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(duì)各部分電路作簡(jiǎn)單介紹。</p><p>　　圖4.5三端式穩(wěn)壓器工作原理</p><p>　　注 圖中R11由輸出電流檔次決定，R12由輸出電壓檔次決定</p><p><b>　　4.4.1啟動(dòng)電路</b></p><p

75、>　　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(dòng)電路給恒流源的BJT T4、T5提供基極電流。啟動(dòng)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(shí)，有電流通過T1、T2，使T3基極電位上升而導(dǎo)通，同時(shí)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，當(dāng)DZ2達(dá)到和DZ1相等的穩(wěn)壓值，整個(gè)電路進(jìn)入正常工作狀態(tài)，

76、電路啟動(dòng)完畢。與此同時(shí)，T2因發(fā)射結(jié)電壓為零而截止，切斷了啟動(dòng)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。</p><p>　　4.4.2準(zhǔn)電壓電路</p><p>　　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</p><p>　　式中VZ2為DZ2的穩(wěn)定電壓，VBE為T3、D1、D2發(fā)射結(jié)（D1

77、、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基本上不隨溫度變化。同時(shí)，對(duì)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(dòng)的影響。</p><p>　　4.4.3取樣比較放大電路和調(diào)整電路</p><p>　　這部分電路由T4～T11組成，其中T10、T11

78、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。</p><p>　　T9、R9的作用說明如下：如果沒有T9、R9，恒流源管T5的電流IC5=IC8+IB10，當(dāng)調(diào)整管滿載時(shí)IB10最大，而IC8最?。欢?dāng)負(fù)載開路時(shí)IO=0，IB10也趨于零，這時(shí)IC5幾乎全部流入T8，使得IC8的變化范圍大，這對(duì)比較放大電路來說是不允許的，為此接

79、入由T9、R9級(jí)成的緩沖電路。當(dāng)IO減小時(shí)，IB10減小，IC8增大，待IC8增大到 >0.6V時(shí)，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IC8的變化范圍縮小。 </p><p><b>　　4.4.4保護(hù)電路</b></p><p>　　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

80、（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PCM。首先考慮一種簡(jiǎn)單的情況。假設(shè)圖4.5中的DZ3、DZ4和R14不存在，R15兩端短路。這時(shí)，如果穩(wěn)壓電路工作正常，即PC<PCM并且輸出電流IO在額定值以內(nèi)，流過R11的電流使 =IOR11<0.6V，T12截止。當(dāng)輸出電流急劇增加，例如輸出端短路時(shí)，輸出電流超過極限值（IO(CL)=PCM/VI=0.6V/R11）時(shí)，即當(dāng) >0.6V時(shí)，使T

81、12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(jiǎn)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=ICVCE，只有既考慮通過它的電流和它的管壓降VCE值，又使PC<PCM，才能全面地進(jìn)行保護(hù)。圖4.10中DZ3、DZ4和R14、R15所構(gòu)成的支路就是為實(shí)現(xiàn)上述保護(hù)目的而設(shè)置的。電路中如果（VI–IOR11–VO）>（VZ3+ VZ4），則DZ3、DZ4擊穿，

82、導(dǎo)致T12管發(fā)射結(jié)承受正向電壓而導(dǎo)通。V</p><p><b>　　經(jīng)整理后得</b></p><p>　　顯然，（VI –VO）越大，即調(diào)整管的VCE值越大，則IO越小，從而使調(diào)整管的功耗限制在允許范圍內(nèi)。由于IO的減小，故上述保護(hù)稱為減流式保護(hù)。</p><p>　　4.4.5過熱保護(hù)電路</p><p>　　電路

83、由DZ2、T3、T14和T13組成。在常溫時(shí)，R3上的壓降僅為0.4V左右，T14、T13是截止的，對(duì)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(shí)，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IB10被T13分流，輸出電流IO下降，從而達(dá)到過熱保護(hù)的目的。</p><p>　　電路中R10的作用

84、是給T10管的ICEO10和T11管的ICBO11一條分流通路，以改善溫度穩(wěn)定性。</p><p>　　值得指出的是：當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，上述幾種保護(hù)電路是互相關(guān)聯(lián)的。</p><p>　　4.5集成轉(zhuǎn)速傳感器KMI15-1</p><p>　　集成轉(zhuǎn)速傳感器具有靈敏度高、測(cè)量范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)、外圍電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是傳統(tǒng)的分立式轉(zhuǎn)速傳感器的升級(jí)換代產(chǎn)品。轉(zhuǎn)速屬于常規(guī)電

85、測(cè)參數(shù)。測(cè)量轉(zhuǎn)速時(shí)經(jīng)常采用磁阻式傳感器或光電式傳感器進(jìn)行非接觸性測(cè)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(dòng)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(cè)量高速旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速時(shí)，因安裝不牢固或受機(jī)械振動(dòng)，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(hào)，因此，需要經(jīng)過放大、整形后變成沿口陡直的數(shù)字

86、頻率信號(hào)，才能送給數(shù)字轉(zhuǎn)速儀或數(shù)字頻率計(jì)測(cè)量轉(zhuǎn)速，而且外圍電路比較復(fù)雜；第四，它無法測(cè)量非常低（接近于零）的轉(zhuǎn)速，因?yàn)檫@時(shí)磁阻式傳感器可能檢測(cè)不到轉(zhuǎn)速信號(hào)。</p><p>　　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方向發(fā)展，典型產(chǎn)品有飛利浦（Philips）公司生產(chǎn)的KMI15系列磁阻式集成轉(zhuǎn)速傳感器。該傳感器性能優(yōu)良，安全性好，穩(wěn)定性強(qiáng)，是分立式轉(zhuǎn)速傳感器理想的升級(jí)換代產(chǎn)品。KMI15-1系列包

87、括KMI15-1、KMI15-2、KMI15-3、KMI15-3等型號(hào)，它們的工作原理相同，僅性能指標(biāo)略有差異。下面就以KMI15-1為例來介紹該系列集成轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理與具體應(yīng)用方法。</p><p>　　4.5.1 KMI15-1型傳感器的性能特點(diǎn)</p><p>　　KMI15-1芯片內(nèi)含高性能磁鋼、磁敏電阻傳感器和IC。它利用IC來完成信號(hào)變換功能，其輸出的電流信號(hào)頻率與被測(cè)轉(zhuǎn)

88、速成正比，電流信號(hào)的變化幅度為7mA～14mA電流信號(hào)的變化幅度為7mA～14mA。由于其外圍電路比較簡(jiǎn)單，因而很容易配二次儀表測(cè)量轉(zhuǎn)速。</p><p>　　KMI15-1器件的測(cè)量范圍寬，靈敏度高，它的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率范圍是0--25kHz，而且即使在轉(zhuǎn)動(dòng)頻率接近于零時(shí)，它也能夠進(jìn)行測(cè)量。傳感器與齒輪的最大磁感應(yīng)距離為2.99mm（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(shí)具有方向

89、性，它對(duì)軸向振動(dòng)不敏感。另外，芯片內(nèi)部還有電磁干擾（EMI）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。</p><p>　　KMI15-1的體積較小，其最大外形尺寸為8×6×21 mm，能可靠固定在齒輪附近。KMI15-1采用+12V電源供電（典型值），最高不超過16V。工作溫度范圍寬達(dá)-40——+85℃。</p><p><b>

90、　　4.5.2工作原理</b></p><p>　　KMI15-1型集成轉(zhuǎn)速傳感器的外形如圖4.6所示：</p><p>　　圖4.6 KMI15-1型集成轉(zhuǎn)速傳感器的外形圖</p><p>　　它的兩個(gè)引腳分別為UCC（接＋12V電源端）和U-（方波電流信號(hào)輸出端）。為使IC處于較低的環(huán)境溫度中，設(shè)計(jì)時(shí)專門將IC與傳感元件分開，以改善傳感器的高溫工作性

91、能。</p><p>　　該傳感器的簡(jiǎn)化電路如圖4.7所示。其內(nèi)部主要包括：（1）磁敏電阻傳感器；（2）前置放大器A1；（3）施密特觸發(fā)器；（4）開關(guān)控制式電流源；（5）恒流源；（6）電壓控制器。</p><p><b>　　4.7傳感器簡(jiǎn)化圖</b></p><p><b>　　4.8測(cè)量原理圖</b></p>

92、;<p>　　實(shí)際上，該傳感器是由4只磁敏電阻構(gòu)成的一個(gè)橋路齒輪的地方，其測(cè)量原理如圖4.8所示。當(dāng)齒輪沿Y軸方向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，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(hào)。此外，該傳感器具有很強(qiáng)的方向性，它對(duì)沿Ｙ軸轉(zhuǎn)動(dòng)的物體十分敏感，而對(duì)沿Z軸方向的振動(dòng)或抖動(dòng)量很不敏感。這正是測(cè)量轉(zhuǎn)速所需要的。工作時(shí)，傳感器產(chǎn)生的電信號(hào)首先通過EMI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)

93、器進(jìn)行整形以獲得控制信號(hào)UK，并將其加到開關(guān)控制式電流源的控制端。KMI15-1的輸出電流信號(hào)ICC是由兩個(gè)電流疊加而成的，一個(gè)是由恒流源提供的7ｍA恒定電流IH，另一個(gè)是由開關(guān)控制式電流源輸出的可變電流IK。它們之間的關(guān)系式為：ICC＝IH＋I(xiàn)K</p><p>　　當(dāng)控制信號(hào)UK＝0（低電平）時(shí)，該電流源關(guān)斷，IK＝0，ICC＝IH＝7mA。當(dāng)UK＝1（高電平）時(shí)，電流源被接通，IK＝7mA，從而使得ICC＝

94、14mA。圖4.9給出了從U-端輸出的方波電流信號(hào)的波形，其高電平持續(xù)時(shí)間為T1，周期為T。輸出波</p><p>　　形的占空比D＝t1/t＝50％±20％。上升時(shí)間和降時(shí)間分別僅為0.5μｓ和0.7μｓ。</p><p>　　圖4.9從U-輸出的方波電流信號(hào)的波形</p><p>　　KMI15-1芯片中的電壓控制器實(shí)際上是一個(gè)并聯(lián)調(diào)整式穩(wěn)壓器，可用于

95、為傳感器提供穩(wěn)定的工作電壓UC。而電阻R3、穩(wěn)壓管VDZ和晶體管VT1則可構(gòu)成取樣電路，其中VT1接成射極跟隨器。A2為誤差放大器，VT2為并聯(lián)式調(diào)整管。這樣，1H在經(jīng)過R1、R2分壓后可給A2提供基準(zhǔn)電壓UREF，從而在UCC發(fā)生變化時(shí)，由A2對(duì)取樣電壓與基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較后產(chǎn)生誤差電壓Ur，同時(shí)通過改變VT2上的電流來使UC保持不變。</p><p>　　4.5.3 KMI15-1的應(yīng)用</p>

96、<p>　　安裝方法KMI15-1應(yīng)當(dāng)安裝在轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪的旁邊。若被測(cè)轉(zhuǎn)動(dòng)工件上沒有齒輪，亦可在轉(zhuǎn)盤外緣處鉆一個(gè)小孔，套上螺扣，再擰上一個(gè)螺桿并用彈簧墊圈壓緊，以防止受震動(dòng)后松動(dòng)，并以此代替齒尖獲得轉(zhuǎn)速標(biāo)記信號(hào)。</p><p>　　圖4.10 KMI15-1的典型應(yīng)用電路</p><p>　　KMI15-1型集成轉(zhuǎn)速傳感器的典型應(yīng)用電路如圖4.10(a)所示。工作時(shí)，轉(zhuǎn)速傳感<

97、;/p><p>　　器輸出方波電流信號(hào)，從而在負(fù)載電阻ＲＬ與負(fù)載電容CL上形成電壓頻率信號(hào)UO(f)，并送至二次儀表。通常取RL＝115Ω、CL＝0.1μＦ。需要指出：KMI15-1輸出的是齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)頻率ｆ（單位是Hz，即次/S）信號(hào)，欲得到轉(zhuǎn)速n（r/min），還應(yīng)將ｆ除以齒輪上的齒數(shù)N，并將時(shí)間單位改成分鐘，公式如下：n＝60f／N</p><p>　　圖4.10(b)所示電路是由二極VD、

98、穩(wěn)壓管VDZ和電C1構(gòu)成的靜電放電(ESD)保</p><p>　　護(hù)電路，該電路可吸收2KV的ESD電壓，因而可對(duì)芯片起到保護(hù)作用。此外，還需注意，在存放KMI15系列產(chǎn)品時(shí)，不要將多個(gè)芯片放在一起以防磁化。</p><p><b>　　4.6譯碼器</b></p><p>　　串行移位譯碼器74LS164內(nèi)部功能圖見圖4.11所示，其邏輯符

99、合表如表4.4：</p><p>　　圖4.11 74LS164內(nèi)部功能圖</p><p>　　表4.4 74LS164邏輯符合表</p><p>　　74LS164為串行移位譯碼器，它主要由時(shí)鐘線控制，時(shí)鐘線每來一個(gè)上升弦，數(shù)據(jù)線將把一位數(shù)移進(jìn)去，移八次就進(jìn)一個(gè)字節(jié)，同時(shí)在數(shù)碼管顯示出來。</p><p>　　譯碼器是實(shí)現(xiàn)組合邏輯的功能部

100、件。它的輸入是二進(jìn)制的代碼，輸出是一組高低電平信號(hào)，每輸入一組不同的代碼，只有一個(gè)輸出端呈現(xiàn)有效信號(hào)。</p><p>　　74LS245芯片是一個(gè)八位的總線收發(fā)器，其輸入\輸出引腳分成兩組，其工作原理如下：允許E 方向控制DIR 操作</p><p>　　低電平 低電平 B數(shù)據(jù)線到A數(shù)據(jù)線</p><p>　　

101、低電平 高電平 A數(shù)據(jù)線到B數(shù)據(jù)線</p><p>　　高電平 懸空 隔離</p><p><b>　　5程序設(shè)計(jì)</b></p><p>　　調(diào)速系統(tǒng)程序主要由主程序、INT0中斷服務(wù)程序、子程序等組成；主程序控制整個(gè)調(diào)速系統(tǒng)；INT0中斷服務(wù)程序控制系統(tǒng)中的中斷；子程序包括

102、延時(shí)子程序和PWM子程序，延時(shí)子程序具有定時(shí)功能，PWM子程序用于控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速。</p><p><b>　　5.1主程序框圖</b></p><p>　　圖5.1 主程序框圖</p><p>　　在執(zhí)行主程序時(shí)，首先要將棧針初始化分配顯示緩沖，然后設(shè)置中斷開CPU中斷允許INT0，接著掃描鍵盤，若按下則掃描IN7接著啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，調(diào)用顯示子

103、程序；若未按下則需要掃描后啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，接著調(diào)用調(diào)寬子程序并循環(huán)直至返回。主程序框圖如圖5.1所示:</p><p>　　5.2 INT0中斷服務(wù)程序</p><p>　　在執(zhí)行INT0中斷服務(wù)程序時(shí)，首先要保護(hù)現(xiàn)，場(chǎng)然后讀取A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果并將其送至顯示緩沖區(qū)，接著啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，最后回復(fù)現(xiàn)場(chǎng)后返回。INT0中斷服務(wù)程序框圖如圖5.2所示：</p><p>　　圖

104、5.2 INT0中斷服務(wù)程序框圖</p><p><b>　　5.3子程序設(shè)計(jì)</b></p><p>　　延時(shí)子程序：定時(shí)功能</p><p>　　PWM子程序：用于控制馬達(dá)轉(zhuǎn)速。80C51芯片沒有PWM輸出功能，需要通過程序來實(shí)現(xiàn)。為了在輸出PWM波時(shí)，單片機(jī)仍能執(zhí)行其它程序，可以利用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器溢出中斷來實(shí)現(xiàn)。占空比占用一個(gè)字節(jié)的

105、PAM，占空比D=N/256。（脈寬調(diào)速是使用單片機(jī)內(nèi)部中斷產(chǎn)生周期約為8ms的方波，通過改變高電平的寬度來進(jìn)行改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速）</p><p>　　利用單片機(jī)輸出PWM信號(hào)。實(shí)現(xiàn)了從0%—100%線性可調(diào)。</p><p><b>　　源碼如下：</b></p><p>　　單片機(jī)串口通信+PWM輸出程序；</p><p

106、>　　在P1.3輸出調(diào)寬信號(hào)；</p><p>　　定時(shí)器0在工作方式3，TL0為調(diào)寬值，TH0為脈沖頻率；</p><p>　　定義：TH0=30H ，TL0=31H;</p><p>　　TH0DAT EQU 30H ;脈沖頻率</p><p>　　TL0DAT EQU 31H ;脈沖寬度</p><p&

107、gt;　　ORG 0000H</p><p>　　AJMP START</p><p>　　ORG 000BH</p><p>　　AJMP PWM-TUN ;調(diào)寬子程序</p><p>　　ORG 001BH</p><p>　　AJMP PWM ;脈頻率子程序</p><

108、;p><b>　　START:</b></p><p>　　CLR P1.3</p><p>　　MOV TCON,#00H</p><p>　　MOV TMOD,#03H ;T0工作方式3定時(shí)</p><p>　　MOV TH0,#56 ;200um頻率為50KHZ</p><

109、p>　　MOV TL0,#186 ;70us脈沖寬度為35%用示波儀實(shí)測(cè)相和</p><p>　　SETB TR1 </p><p>　　SETB TR0</p><p>　　SETB ET0</p><p>　　SETB ET1</p><p><b>　　SETB EA<

110、;/b></p><p>　　AJMP MAIN1</p><p><b>　　......</b></p><p><b>　　PWM子程序</b></p><p>　　定時(shí)值通過串口接收，在P1.0輸出調(diào)寬信號(hào)</p><p>　　定時(shí)器0工作在方式3，TL0為

111、調(diào)寬值，TH0為脈沖頻率</p><p>　　定義：TH0=30H, TL0=31H</p><p>　　程序入口PWM輸入：TH0DAT、TH0DAT</p><p>　　PWM: TH0使用T1的中斷標(biāo)志。本段為脈沖頻率</p><p>　　MOV TCON,#00H</p><p>

112、;　　CLR ET0 ;暫停中斷以防干擾</p><p>　　SETB P1.3</p><p>　　MOV TMOD,#03H</p><p>　　MOV TH0,#56 ;12MHZ晶振時(shí)PWM為50KHZ,脈寬35%</p><p>　　MOV TL0,#186 ;</p><p>　　

113、SETB TR1</p><p>　　SETB TR0</p><p>　　SETB ET0</p><p><b>　　SETB EA</b></p><p><b>　　RETI</b></p><p><b>　　PWM-TUN</b&g