畢業論文設計無刷直流電動機控制系統設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 壓可達500V；芯片自身的門輸入驅動范圍為10~20V；輸入端帶施密特觸發電器；可實現兩路分立的驅動輸出，可驅動高壓高頻器件，如IGBT、功率MOSFET等，且工作頻率高可達500KHz ，開通、關斷延遲小，分別為120ns和94ns；邏輯電源的輸入范圍（腳9）5~15V，可方便的與TTL，CMOS電平相匹配。 (2) IR2110 主要功能及技術參數IR2110 采用CMOS 工藝制作,邏輯電源電壓范圍為5 V～20 V ,適應TTL 或CMOS 邏輯信號輸入,具有獨立的高端和低端2 個輸出通道。由于邏輯信號均通過電平耦合電路連接到各自的通道上,容許邏輯電路參考地(USS) 與功率電路參考地(COM) 之間有 5 V和+ 5 V 的偏移量,并且能屏蔽小于50 ns 的脈沖,這樣有較理想的抗噪聲效果。采用CMOS 施密特觸發輸入,以提高電路抗干擾能力。IR2110 浮置電源采用自舉電路,其高端工作電壓可達500 V ,工作頻率可達到500 kHz。兩路通道均帶有滯后欠壓鎖定功能。其推薦典型工作參數如表32所示。 表32 　IR2110 工作參數參數最小值/ V最大值/ VVBVS + 10VS + 20VS 4500HOVSVBVCC1020LO0VCCVDDVCC + 4. 5VCC + 20VSS 5+ 5HIN ,SD ,LINVSSVDD(3)IR2110內部功能如圖32所示：圖32 IR2110內部框圖LO （引腳1） :低端輸出COM（引腳2） :公共端Vcc（引腳3） :低端固定電源電壓Nc （引腳4） :空端Vs （引腳5） :高端浮置電源偏移電壓VB (引腳6) :高端浮置電源電壓HO （引腳7） :高端輸出Nc （引腳8） :空端VDD（引腳9） :邏輯電源電壓HIN（引腳10）:邏輯高端輸入SD （引腳11）:關斷LIN（引腳12）:邏輯低端輸入Vss（引腳13）:邏輯電路地電位端，其值可以為0VNc （引腳14）:空端功能概述IR2110驅動器將邏輯輸入信號送到相應的低阻抗輸出。高端輸出HO和低端基準輸出LO分別以浮置電位VBS和固定電位Vcc為基準。邏輯電路為兩路輸出提供相應的控制脈沖。HO和LO輸出分別與HIN和LIN輸入同相位。當SD輸入高電平時兩路均關閉。當VDD低于欠電壓閥值時，欠電壓UV檢測電路關閉兩路輸出。同樣，當VBS低于規定的欠電壓點時，欠電壓檢測電路也會使高端輸出中斷。，以提高抗擾能力。高抗噪聲平移位電路將邏輯信號送到輸出驅動級。低端延時電路可簡化控制脈沖定時要求，兩路輸出的傳播延時匹配的。當Vs為500V或接近500V時，高端功率MOSFET關斷。輸出驅動MOSFET接成源極跟隨器，另一只輸出驅動MOSFET接成共源極電路，高端的脈沖發生器驅動HV電平轉化器并觸發RS閂鎖置位或復位。由于每個高電壓DMOS電平轉換器僅在 很狹窄的脈沖持續期內才導通，所以功率很低。 自舉電路原理圖33 驅動電路以一相為例，如圖33所示，當下管導通上管截止時，IR2110LO輸出為高，HO為低，隔離二極管導通，自舉電容C8充電，三極管C極電壓近似等于電源正極電壓；當下管截止上管導通時，隔離二極管D2截止，自居電容C8儲存的電荷給三極管C極供電，IR211HO為高，三極管導通，驅動MOSFET管柵極，使上管保持導通。 單片機的選擇目前，市場上有很多無刷電機專用控制芯片，大部分電動車生產廠商采用Motorola公司的MC3303無刷電機專用控制芯片，它具有無刷直流電機控制系統所需要的基本功能。本設計采用PIC16F72單片機作為主控芯片，不僅可以實現專用控制芯片MC33035的全部功能，而且容易實現系統擴展，通過軟硬件設計，實現多功能的電機控制。單片機選擇依據：(1)性能因素。通過對該系統分析，8位單片機可以滿足系統控制精度的要求。由于整個系統有多種模擬參數需要轉換成數字量，因此選用的單片機應該有多通道A/D轉換模塊。在無刷電機控制中，脈寬調制PWM ( PulseWidth Modulation)技術廣泛應用，因此所選單片機應具有脈寬調制輸出端口。(2)安全因素。電子產品的安全性是一個非常重要的環節，作為控制系統的核心，單片機的安全性必須達到系統要求。(3)價格因素。考慮到該設計要與市場接軌，因此價格問題尤為重要，要選擇一個性價比較高的單片機，包括單片機的單片價格和開發系統的造價。 PIC單片機特點：PIC (Periphery Interface Chip)系列單片機是美國Microchip公司生產的產品。PIC單片機以其獨特的硬件系統和指令系統的設計，逐漸被廣大工程設計人員接受Microchip公司是一家集開發、研制和生產為一體的專業單片機芯片制造商，其產品綜合應用系統設計的思路，具有很強的技術特色。產品采用全新的流水線結構，單字節指令體系，嵌入Flash以及10位A/D轉換器。使之具有卓越的性能，代表著單片機發展新的潮流。PIC系列單片機具有高，中，低3個檔次，可以滿足不同用戶開發的需求，適合在各個領域中的應用。PIC系列單片機具有如下特點:(1)單片機種類豐富PIC最大的特點是不搞單純的功能堆積，而是從實際出發，重視產品的性能與價格比，靠發展多種型號來滿足不同層次的應用要求。就實際而言，不同的應用對單片機功能和資源的需求也是不同的。(2) 哈佛總線結構如圖34所示，PIC系列單片機在普林斯頓體系結構和哈佛體系結構的基礎上采用獨特的哈佛總線結構，徹底將芯片內部的數據總線和指令總線分離，為采用不同的字節寬度，有效擴展指令的字長奠定了技術基礎。圖34 PIC系列單片機哈佛總線結構(3) RISC技術 RISC (Reduced Instruction Set Computer)是指精簡指令集計算機。RISC技術并非只是簡單地去減少指令，而是著眼于如何改善計算機的結構，更加簡單合理地提高計算機的運算速度。PICF877單片機指令集系統只有35條指令，全部采用單字節指令，而且除4條判斷轉移指令發生間跳外，均為單周期指令，執行速度較高。(4)指令特色 PIC系列單片機的指令系統具有尋址方式簡單和代碼壓縮率高等優點。(5)功耗低 由于PIC系列單片機采用CMOS結構，使其功率消耗極低。(6)驅動能力強 PIC系列單片機I/O端口驅動負載的能力較強，每個輸出引腳可以驅動多達2025mA的負載，既能夠高電平直接驅動發光二極管LED、光電耦合器、小型繼電器等，也可以低電平直接驅動，這樣可以大大簡化控制電路。(7)同步串行數據傳送方式可以滿足主控/從動和主控總線要求。(8)應用平臺界面友好，開發方便Microchip公司為用戶提供了周全的技術方案，不管是對初學者還是后續的應用開發，都提供了完善的硬件和軟件支持，包括各種檔次的硬件仿真器和編程器。(9)程序存儲器版本齊全Microchip公司提供的產品是一個單片機系列，可供選擇的存儲器類別和產品封裝工藝的形式較多，為產品的不同試驗階段和不同應用場合可提供一個全方位的選擇內容和不同的性能檔次。 PIC16F72單片機管腳排列及功能定義圖35 PIC16F72單片機管腳圖（1）MCLR:清除（復位）輸入。其中MCLR為低電平時，對芯片復位；該管腳的電壓不能超過VDD，否則會進入測試方式。（2）RA0RA5：雙向可編程，亦可作為并行口。電池欠壓信號：電池電壓經分壓后接單片機管腳3。轉把復位信號：由單片機的第4腳讀入剎車信號：剎車信號由單片機的第5腳讀入。（3）OSCOSC2：為振蕩器晶振。（4）RC0RC7：數字I/O（5）RB0RB7：數字I/O （6）VDD：+5V電壓輸入 PIC16F72單片機的功能特性(1)功能部件特性 帶8位AID轉換輸入 高驅動電流，I/O腳可直接驅動數碼管(LED)顯示每個I/O引腳最大灌電流25mA。每個I/O引腳最大拉電流25mA 雙向可獨立編程設置I/O引腳 8位定時器/計數器TMRO，帶8位預分頻 有1路捕捉輸入/比較輸出/PWM輸出(CCP) 16位定時器/計數器TMR 1，睡眠中仍可計數 8位定時器/計數器 TMR2,帶有8位的周期寄存器及預分頻器和后分頻器(2)微控制器特性 內置上電復位電路(POR) 上電定時器，保障工作電壓的穩定建立振蕩定時器，保障振蕩的穩定建立 斷電復位鎖定，即當芯片電源電壓下降到某一值以后時，使芯片保持復位，當電源電壓恢復正常后恢復運行 內置自振式(RC振蕩)看門狗 程序保密位，可防程序代碼的非法拷貝 掉電保護電路 在線串行編程 PWM信號在PIC單片機中的處理改變直流電動機轉速的方法分為勵磁控制法(控制磁通)與電樞電壓控制法(改變電樞端電壓)。在眾多的電樞電壓控制方法中，脈寬調制 PWM( PulseWidth Modulation)技術因為需用的大功率可控器件少、線路簡單、調速范圍寬、電流波形系數好、附加損耗小、功率因數高的優點，從而得到廣泛應用。CCP(捕捉輸入/比較輸出//PWM輸出)模塊是PIC16F72芯片的重要組成部分，它有3種工作方式:捕捉方式、輸出比較方式和脈寬調制方式。當處于脈寬調制工作方式時，可以在引腳輸出分辨率高達10位的PWM信號。用程序語句控制PWM信號的周期和高電平持續時間，從而控制電機電樞電壓，即可達到調速目的。 時鐘電路 如圖35所示，單片機的10腳外接16Mhz晶體。圖35 時鐘電路圖 復位電路如圖36所示，與單片機1腳外接圖36 復位電路圖 人機接口電路 轉把和剎車1 轉把圖37 轉把圖調速轉把是利用線性霍爾元件實現的，其輸出電壓隨著磁場的線性變化而改變，將此電壓輸入給控制器，實現調速功能。如圖37所示，轉動轉把，改變了霍耳元件周圍的磁場強度，也就改變了霍耳轉把的輸出電壓。然后把這個電壓輸入控制器，控制器再根據這個信號的大小進行PWM脈寬調制，從而控制功率管的導通關閉的比例以控制電機轉速的大小。2 剎車圖38 剎車圖電動自行車標準要求電動車在剎車制動時，控制器應能自動切斷對電動機的供電。因此電動自行車閘把上應該有閘把位置傳感元件，在捏制動把時，將制動信號傳給控制器，電路根據預設程序發出指令，立即切斷基極驅動電流，使功率截止，停止供電。因而，既保護了功率管本身，又保護了電動機，也防止了電源的浪費。在電動車實際使用當中，普遍采用機械觸點開關，平時常開，剎車時信號線對地短路作為剎車信號，即低電位剎車。同時也有少數高檔車采用霍爾元件做開關，剎車時輸出高電平給控制器，實現剎車斷電功能，即高電位剎車，也稱之為電子剎把。它的特點是可靠性高，但價格昂貴。 顯示電路本系統采用3個發光二極管作為面板指示燈，如圖所示。面板顯示電路主要由單片機的普通1/O口串行輸出，由串入并出芯片74LS164進行串并轉換，采用發光二極管進行顯示。面板顯示電路如圖39所示：圖39 面板顯示電路圖1 74LS164引腳圖74LS164為8位移位寄存器（串行輸入，并行輸出）圖310 74LS164引腳圖如圖310所示，當清除端（CLEAR）為低電平時，輸出端（QA－QH）均為低電平。串行數據輸入端（A，B）可控制數據。當 A、B 任意一個為低電平，則禁止新數據輸入，在時鐘端（CLOCK）脈沖上升沿作用下輸出為低電平。當 A、B有一個為高電平，則另一個就允許輸入數據，并在CLOCK上升沿作用下決定輸出的狀態。 引出端符號 CLOCK ：時鐘輸入端。 CLEAR ：同步清除輸入端（高電平有效）A，B 串行數據輸入端。 QA－QH :輸出端。2 面板指示燈狀態定義面板指示燈狀態定義如表33表33 序 號功 能指示燈狀態1過 流過流時亮，否則滅2欠 壓欠壓時亮，否則滅3剎 車剎車時亮，否則滅 門陣列可編程器件GAL16V8 GAL16V8圖及引腳功能圖311 GAL16V8引腳功能圖表34 GAL16V8（門陣列可編程器件）引腳名稱及功能名 稱 功 能 I0I9 輸 入 F0F7 輸入/輸出I0/CK 時鐘輸入UDD 電 源 GND 地 GAL器件是從PAL發展過來的，PAL器件的出現為數字電路的研制工作和小批量產品的生產提供了很大的方便。但是，由于它采用的是雙極型熔絲工藝，一旦編程以后不能修改，因而不適應研制工作中經常修改電路的需要。 GAL有如下優點：　　，克服了采用熔斷絲技術只能一次編程的缺點，其可改寫的次數超過100次；　　，用戶可根據需要進行組態，一片GAL器件可以實現各種組態的PAL器件輸出結構的邏輯功能，給電路設計帶來極大的方便；　　，保護了知識產權；　　——即電子標簽的功能。GAL16V8主要是把驅動順序信號和帶有各種控制信息的脈寬調制PWM信號綜合成六個輸出驅動信號。 傳感器選擇霍爾器件是一種磁傳感器。按照霍爾器件的功能可