單片機控制電動自行車調速系統設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 當 Vc 設定以后，無論 是負載變化、電源電壓變化，還是環境溫度變化，當轉速低于指令轉速時，反饋電壓 Vfb 變小，調制波的占空比δ就會變大，電樞電流變大，使電動機產生的電磁轉矩增大而產生加速度，直到電動機的實際轉速與指令轉速相等為止；反之，如果電動機實際轉速比指令轉速高時，δ減小， Tm減小，發生減速度，直至實際轉速與指令轉速相等為止?？梢哉f，無刷直流電動機在允許的電壓波動范圍內，在允許的過載能力以下，其穩態轉速與指令轉速相差在 1%左右，并可以實現在調速范圍內恒轉矩運行。 由于無刷直流電動機的勵磁來源于永磁體，所以不象異步機那樣需要從電 網吸取勵磁電流；由于轉子中無交變磁通，其轉子上既無銅耗又無鐵耗，所以效率比同容量異步電動機高 10%左右，一般來說，無刷直流電動機的力能指針（ ηcosθ）比同容量三相異步電動機高 12%20%。電動機采用無錫市日馳電機有限公司生產的永磁無刷直流電動機 4. 4 三端式穩壓器 78L05 三端式穩壓器 78L05 的工作原理 圖 45 78L05 原理圖 電路如圖 45 所示，三端式穩壓器由啟動電路、基準電壓電路、取樣比較放大電路、調整電 路和保護電路等部分組成。下面對各部分電路作簡單介紹。 啟動電路 在集成穩壓器中，常常采用許多恒流源，當輸入電壓 V1接通后，這些恒流源難以自行導通，以致輸出電壓較難建立。因此，必須用啟動電路給恒流源的BJT T T5提供基極電流。啟動電路由 T T DZ1組成。當輸入電壓 V1高于穩壓管 DZ1的穩定電壓時，有電流通過 T T2，使 T3基極電位上升而導通，同時恒流源 T 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 DZ2達到和DZ1相等的穩壓值，整個電路進入正常工作狀態，電路啟 動完畢。與此同時， T2因發射結電壓為零而截止，切斷了啟動電路與放大電路的聯系，從而保證 T2左邊出現的紋波與噪聲不致影響基準電壓源。 基準電壓電路 基準電壓電路由 T DZ T R R3及 D D2組成，電路中的基準電壓為 : VREF=[(VZ2－ 3VBE)/( R1+ R2+ R3)]R1+2RBE 式中 VZ2為 DZ2的穩定電壓， VBE為 T D D2發射結（ D D2為由發射結構成的二極管）的正向電壓值。在電路設計和工藝上使具有正溫度系數的 R R DZ2與具有負溫度系數的 T D D2發射結互相補償，可使基準電壓 VREF基本上不隨溫度變化。同時，對穩壓管 DZ2采用恒流源供電，從而保證基準電壓不受輸入電壓波動的影響。 取樣比較放大電路和調整電路 這部分電路由 T4～ T11組成，其中 T T11組成復合調整管； R1 R13組成取樣電路； T T8和 T6組成帶恒流源的差分式的電流 IC5=IC8+IB10，當調整管滿載時 IB10最大，而 IC8最??；而當負載開路時 IO=0， IB10也趨于零，這時 IC5幾乎全部流入 T8，使得 IC8的變化范圍大，這對比較放大電路來說是不允許的， 為此接入由 T R9級成的緩沖電路。當 IO減小時， IB10減小， IC8增大，待 IC8增大到 VR9時，則 T9導通起分流作用。這樣就減輕了 T8的過多負擔使 IC8的變化范圍縮小。 減流式保護電路 減流式保護電路由 T1 R1 R1 R14和 DZ DZ4組成， R11為檢流電阻。保護的目的主要是使調整管（主要是 T11）能在安全區以內工作，特別要注意使它的功耗不超過額定值 PCM。首先考慮一種簡單的情況。假設圖 1中的 DZ DZ4和 R14不存在， R15兩端短路。這時，如果穩壓電路工作正常 ，即 PCPCM 并且輸出電流 IO在額定值以內，流過 R11的電流使 V11=IOR11， T12截止。當輸出電流急劇增加，例如輸出端短路時，輸出電流超過極限值（ IO(CL)=PCM/VI=）時，即當 V11 時，使 T12管導通。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。這種簡單限流保護電路的不足之處是只能將輸出電流限制在額定值以內。由于調整管的耗散功率PCM=ICVCE，只有既考慮通過它的電流和它的管壓降 VCE值，又使 PCPCM，才能全面地進行保護。圖 1 中 DZ DZ4和 R1 R15所構成的支路就是為實現上述保護目的而設置的。電路中如果 （ VI–IOR11–VO） （ VZ3+ VZ4） ，則 DZ DZ4擊穿，導致 T12管發射結承受正向電壓而導通。 顯然，（ VI –VO）越大，即調整管的 VCE值越大，則 IO越小，從而使調整管的功耗限制在允許范圍內。由于 IO的減小，故上述保護稱為減流式保護。 過熱保護電路 過熱保護電路電路由 DZ T T14和 T13組成。在常溫時， R3上的壓降僅為， T1 T13是截止的，對電路工作沒有影響。當某種原因 （過載或環境溫升）使芯片溫度上升到某一極限值時， R3上的壓降隨 DZ2的工作電壓升高而升高，而 T14的發射結電壓 VBE14下降，導致 T14導通， T13也隨之導通。調整管 T10的基極電流 IB10被 T13分流，輸出電流 IO下降，從而達到過熱保護的目的。 電路中 R10的作用是給 T10管的 ICEO10和 T11管的 ICBO11一條分流通路，以改善溫度穩定性。 值得指出的是：當出現故障時，上述幾種保護電路是互相關聯的。 圖 46 三端穩壓器的典型接法 圖 46 是應 用 78L05 輸出固定電壓 VO的典型電路圖。正常工作 時，輸入、輸出電壓差應大于 2～ 3V。電路中接入電容 C C2是用來實現頻率補償的，可防止穩壓器產生高頻自激振蕩并抑制電路引入的高頻干擾。 C3是電解電容，以減小穩壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。 D是保護二極管，當輸入端意外短路時，給輸出電容器 C3一個放電通路，防止 C3兩端電壓作用于調整管的 be結，造成調整管 be 結擊穿而損壞。 圖 47 KMI151 型集成轉速傳感器的外形圖 集成轉速傳感器 KMI151 集成轉速傳感器具有靈敏度高、測量范圍寬、抗干擾能力強、外圍電路簡單等優點，是傳統的分立式 轉速傳感器的升級換代產品。下面是 KMI151 系列磁阻式集成轉速傳感器的工作原理與典型應用。 轉速屬于常規電測參數。測量轉速時經常采用磁阻式傳感器或光電式傳感器進行非接觸性測量，傳統的磁阻式傳感器是由磁鋼、線圈等分立元件構成的，亦可用耳塞機改裝而成。但這種傳感器存在一些缺點：第一，靈敏度低，傳感器與轉動齒輪的最大間隙（亦稱磁感應距離）只有零點幾毫米；第二，在測量高速旋轉物體的轉速時，因安裝不牢固或受機械振動，容易與齒輪發生碰撞，安全性較差；第三，這種傳感器所產生的是幅度很低且變化緩慢的模擬電壓信號，因此，需 要經過放大、整形后變成沿口陡直的數字頻率信號，才能送給數字轉速儀或數字頻率計測量轉速，而且外圍電路比較復雜；第四，它無法測量非常低（接近于零）的轉速，因為這時磁阻式傳感器可能檢測不到轉速信號。 圖 48 傳感器簡化電路 圖 49 測量原理 KMI151 型傳感器的性能特點 目前，轉速傳感器正朝著高靈敏度、高可靠性和全集成化的方向發展KMI151 芯片內含高性能磁鋼、磁敏電阻傳感器和 IC。它利用 IC 來完成信號變換功能，其輸出的電流信號頻率與被測轉速成正比，電流信號的變化幅度為7mA～ 14mA。由于其外圍電路比較簡單，因而很容易配二次儀表測量轉速。 KMI151 器件的測量范圍寬，靈敏度高，它的齒輪轉動頻率范圍是 025kHz，而且即使在轉動頻率接近于零時，它也能夠進行測量。傳感器與齒輪的最大磁感應距離為 （ 典型值），由于與齒輪相距較遠，因此使用比較安全。 該傳感器抗干擾能力強，同時具有方向性，它對軸向振動不敏感。另外，芯片內部還有電磁干擾濾波器、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。 KMI151 的體積較小，其最大外形尺寸為 8621mm，能可靠固定在齒輪附近。 KMI151 采用 ＋ 12V 電源供電（典型值），最高不超過 16V。工作溫度范圍寬達 － 40～＋ 85℃ 。 KMI151 工作原理 KMI151 型集成轉速傳感器的外形如圖 47 所示，它的兩個引腳分別為 UC（接＋ 12V 電源端）和 U－ （方波電流信號輸出端）。為使信號變換器 IC 處于較低的環境溫度中，設計時專門將 IC 與傳感元件分開，以改善傳感器的高溫工作性能。 該傳感器的簡化電路如圖 48 所示。其內部主要包 括以下六部分：磁敏電阻傳感器；前置放大器 A1；施密特觸發器；開關控制式電流源；恒流源；電壓控制器。 實際上，該傳感器是由 4 只磁敏電阻構成的一個橋路，可固定在靠近齒輪的地方，其測量原理如圖 49 所示。 當齒輪沿 Y 軸方向轉動時，由于氣隙處的磁力線發生變化，磁路中的磁阻也隨之改變，從而可在傳感器上產生電信號。此外，該傳感器具有很強的方向性，它對沿 Y 軸轉動的物體十分敏感，而對沿 Z軸方向的振動或抖動量很不敏感。這正是測量轉速所需要的。 工作時，傳感器產生的電信號首先通過 EMI 濾波器濾除高頻電磁干擾，然后經過前置放大器 ，再利用施密特觸發器進行整形以獲得控制信號 UK，并將其加到開關控制式電流源的控制端。 KMI151 的輸出電流信號 ICC是由兩個電流疊加而成的，一個是由恒流源提供的 7mA 恒定電流 IH，另一個是由開關控制式電流源輸出的可變電流 IK。它們之間的關系式為： ICC＝ IH＋ IK 當控制信號 UK＝ 0（低電平）時，該電流源關斷， IK＝ 0， ICC＝ IH＝ 7mA。當 UK＝ 1（高電平）時，電流源被接通， IK＝ 7mA，從而使得 ICC＝ 14mA。圖 410給出了從 U－ 端輸出的方波電流信號的波形，其高電平持續周期為 T。輸出波形的占空 比 D＝ t1/T＝ 50%177。20%。上升時間和下降時間分別僅為 。 圖 410 從 U－ 端輸出的方波電流信號的波形 圖 411 KMI151 的典型應用電路 KMI151 芯片中的電壓控制器實際上是一個并聯調整式穩壓器，可用于為傳感器提供穩定的工作電壓 UC。而電阻 R穩壓管 VDZ和晶體管 VT 1則可構成取樣電路，其中 VT 1接成射極跟隨器。 A2為誤差放大器， VT2為并聯式調整管。這樣， IH在經過 R R2分壓后可給 A2提供基準電壓 UREF，從而在 UCC發生變 化時，由 A2對取樣電壓與基準電壓進行比較后產生誤差電壓 Ur，同時通過改變 VT2上的電流來使 UC保持不變。 KMI151 的典型應用 安裝方法 KMI151 應當安裝在轉動齒輪的旁邊。若被測轉動工件上沒有齒輪，亦可在轉盤外緣處鉆一個小孔，套上螺扣，再擰上一個螺桿并用彈簧墊圈壓緊，以防止受震動后松動，并以此代替齒尖獲得轉速標記信號。 典