免费毕业论文--基于Motorola单片机的电动自行车控(5)
2013-06-14 01:09
导读：一般有3个位置传感器，输出波形有2种：一种是相位差为60°角度，如图a-1所示；另一种是相位差为120°电角度，图a-2对六拍换相方式进行了描述并给出霍尔
一般有3个位置传感器，输出波形有2种：一种是相位差为60°角度，如图a-1所示；另一种是相位差为120°电角度，图a-2对六拍换相方式进行了描述并给出霍尔传感器输出信号的对照图。六拍换相提供了一种简单但高效的BLDC 电机驱动方法。Hall A（HA）、Hall B（HB）和Hall C（HC）用于检测相对于R、Y 和B 绕组的转子位置。根据来自霍尔传感器的读数（1 至6），将分别驱动相应的两相绕组而第三相则不通电。每一个360 电角度周期将被分为6 个60 度电角度区间，在每一个60 度电角度区间中，一相绕组将被驱动为高电平，第二相则被驱动为低电平而第三相则将不通电。例如：在霍尔位置6 或区间1，R 绕组将被驱动至高电平而B 绕组将被驱动为低电平，Y 绕组将不导通。通过读入霍尔传感器状态，使用软件方式可方便实现六拍换相算法。
图 a-1
图 a-2
三、位置传感器的结构
霍尔位置传感器和电动机本体一样，也是由静止部分和运动部分组成，即位置传感器定子和位置传感器转子。其转子与电机主转子一同旋转，以指示电机主转子的位置，既可以直接利用电动机的永磁转子，也可以在转轴其他位置上另外安装永磁转子。定子是由若干个霍尔元件，按一定的间隔，等距离地安装在传感器定子上，以检测电机转子的位置。下图为霍尔位置传感器的结构示意图。
3.3.5 调速控制
与直流电动机调速的方法一样，通过调整PWM占空比的方法调速，也是一种无刷直流电动机最常用的调速方法。脉宽 调 制 (PWM)是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量。PWM具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。模拟控制电路有以下缺陷:模拟电路容易随时间漂移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而在用了PWM技术后，避免了以上的缺陷，实现了用数字方式来控制模拟信号，可以大幅度降低成本和功耗。本设计中采用Motorola单片机自带的PWM功能来输出PWM波形，从而实现电机的调速。在电动机正常工作情况下，通过改变PWM的占空比可以实现电动自行车的速度调节。在电动机过流或电源电压过低时，PWM信号被关闭，使自行车惯性滑行，从而保证了安全性。该控制器中调速接口电路如下：
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调速手柄出来的模拟信号送至Motorola单片机的A/D转换接口， A/D转换处理后，改变相应的PWM输出占空比，达到无刷电机的调速。
3.3.6 检测电路的设计
一、过流检测电路的设计
直流电机在启动、超负荷运行或异常运行时，其电流很大。为了防止通过电机的电流太大而发生意外，系统中增加了驱动电路的电流检测环节。在主电路中串一个采样电阻（其值很小，常取0.01欧），将采样电阻的电压送至LM358进行放大，然后再送至比较器中与给定电压进行比较。当主电路电流增大，大到取样电压高于参考电压时，比较器LM358输出高电平，过流检测电路见下图：
二、电池电压检测电路
直流电源的电压过高或过低都可能影响电机的正常运行，甚至引起电机无法正常起动。过高的电压会损坏功率器件的安全构成威胁，很可能超过功率器件的最大耐压而将其击穿，造成永久性损坏。负载不变，而电源电压降低会引起电流增大，开关损耗增大，可能使功率器件因过热而损坏:电压过低还可能造成电机发生堵转等情况，产生危害，而且过低的电压会降低系统的抗干扰能力。因此，有必要对系统实行电压保护，本系统中设计了过压、欠压保护电路，防止因电压过高或过低对整个控制系统和电机本体产生损害，保证整个控制系统安全可靠的运行。图3-1中所示的电路为过压保护电路。比较器的反相输入端接固定的电压阀值，直流电源电压VCC经分压电路输入到比较器的同相输入端，把该电压值和设定的阀值相比较，直流电源电压正常时，比较器输出为低电平。如果发生了过电压，VCC的分压值超过了阀值，则比较器输出高电平，将此比较器的输出端与电流检测电路中反相器的输出端通过一个或非门连接起来，或非门的输出端送至单片机IRQ引脚。因此只要发生过流或过压情况，就会触发外部中断，从而使MCU执行相应的中断保护子程序以保护功率器件。同理，通过调整分压电阻阻值，也可以将该电路设计为欠压检测电路。当系统检欠压情况时，控制器立刻停止电机的运行，保证整个系统的安全。直到电源电压恢复正常以后，再重新恢复系统的正常工作。
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图 3-1
3.3.7 系统控制示意图
从无刷电机的三根霍尔信号线中传出来的霍尔信号被送至MCU的PTA0、PTA1、PTA2三个端口中，经MCU内部判断处理后来输出相应的全桥驱动信号。有关系统详细的工作过程将在以下章节重点讲解。
3.3.8 硬件设计中的抗干扰措施
随着电子技术的迅速发展，现代的电子设备已广泛地应用于工业和人类生活的各个领域。电子设备的广泛应用和发展，使得电子设备不可避免地在电磁环境中工作。因此，必须解决电子设备在电磁环境中的适应能力，抗干扰措施己经成为每一个电子系统设计者必须要考虑的因素。
控制系统在正常工作的时候，外界的各种自然的和人为的因素所产生的电磁能量会窜入到电路系统中，产生不需要的电压和电流，当这些电压电流达到一定程度时就会影响系统的正常工作，因此我们就把这些电压和电流称为噪声。如果这些噪声对系统产生了影响的话，我们就称之为电磁干扰(Electromagnetic Interference，简称EMI)。电磁干扰是客观存在的，很难完全消除，但是可以设法使其降至不干扰系统正常工作的程度，即不会对系统产生有害的影响。按照电磁干扰的传播方式，可以将其分为电磁辐射干扰和电磁传导干扰两类，电磁辐射干扰即为空间磁场产生的干扰，如高频的电磁信号等;电磁传导干扰主要指通过导体入侵的干扰，如电源线上的干扰等。[10]
干扰可能来源于系统外部，也可能来源于系统内部。外部干扰主要是空间电或磁的影响，还有从电源窜入的干扰。内部干扰主要是分布电容、分布电感引起的藕合感应，长线传输的波反射，多点接地造成的电位差引起的干扰，甚至元件产生的噪声。本系统存在着强电信号和弱电信号，如果对整个控制系统不采取抗干扰及保护措施，系统有可能会因为受到外界的干扰而动作紊乱，不能正常工作，甚至烧毁器件。因此必须在整个系统中加入抗干扰措施。本系统的硬件抗干扰及保护措施主要包括以下几个方面:
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1. 滤波电路
工频交流电经二型滤波器滤除电网中的谐波以及干扰噪声后，才进行下一步处理以供电机和控制驱动电路使用;每个集成芯片的电源输入端并接一个高频电容(一般为0.1),以减小集成芯片对电源的影响。
2. 元器件合理布局
印制电路板(PCB)的设计以逻辑功能一致性为原则，把属于同一功能模块的元器件尽量合理的放置在一起。对容易产生千扰或容易发热的器件
