下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學(xué)習(xí)好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 摘 要 采用單片機控制永磁無刷直流電動機的調(diào)速系統(tǒng)適用于電動小車等小功率的工作況。并且可以將多余的電能進行回潰。該調(diào)速控制系統(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。比較適合生活生產(chǎn)的使用實際需要。 本文從小車調(diào)速系統(tǒng)要求分析入手，將整個系統(tǒng)分成了四個部分，分析和討論了各個部分的電路原理、控制策略以及實現(xiàn)的方法。詳細的討論了系統(tǒng)的各種工況及信號的傳遞情況，并得到了系統(tǒng)各個部分在不同工況的工作狀態(tài)。系統(tǒng)各部分的控制電路基于 Intel公司的控制芯片 8051 單片機。根據(jù)永磁無刷直流電動機的特性實 施脈寬 PWM 控制，并通過轉(zhuǎn)速傳感器測量轉(zhuǎn)速通過八段數(shù)碼管動態(tài)顯示轉(zhuǎn)速與電量，通過軟硬件的配合，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的設(shè)計要求，達到設(shè)計目的。 關(guān)鍵詞 ： 單片機； 脈寬調(diào)速系統(tǒng)； 電動機； 傳感器； 蓄電池 下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學(xué)習(xí)好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 ABSTRACT SCM control of permanent magnet brushless DC motor speed control system applicable to electric bicycles, and other low-power work. Redundant power and can return to collapse. The system has good speed performance, high power factor, energy saving, small size, light weight, and other advantages. Tally with the actual situation . This paper analyzes the requirements from the system, the whole system will be divided into four parts, analysis and discussion of the various parts of the circuit of the control strategy, implementation method. Discussed in detail the status of the various systems and signal transduction, and have the system in different parts of the state the status of the work. Part of the system control circuit based on Intels 8051 chip microcontroller. According to the permanent magnet brushless DC motor control of the PWM pulse width, speed sensor and passed through eighth speed digital dynamic display of speed and electrical quantities, through hardware and software support, for the entire system design requirements. Key words: SCM； pulse speed control system； motor； speed sensor； battery 下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學(xué)習(xí)好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 目 錄 1 緒論 . 1 1.1 本課題的研究背景和意義 . 1 1.2 控制理論的概念 . 1 1.3 電動機控制技術(shù)的發(fā)展 . 2 1.3.1 電力電子器件的發(fā)展 . 2 1.3.2 微機控制電動機技術(shù)的發(fā)展 . 2 1.3.3 微機控制電動機的特點 . 2 1.4 本課題的主要任務(wù) . 3 2 噴藥小車電動機的研究 . 3 2.1 電動車對電動機的基本要求 . 4 2.2 永磁無刷直流電動機特性分析 . 4 2.2.1 無刷直流電動機的結(jié)構(gòu) . 4 2.2.2 永磁無刷直流電動機的基本性能 . 5 2.2.3 永磁無刷直流電動機的控制系統(tǒng) . 5 2.2.4 直流無刷電機的運行原理 . 5 2.2.5 永磁無刷直流電動機的不足 . 7 3 總體設(shè)計布局 . 7 4 電動小車調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計 . 7 4.1 MCS-51 單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu) . 7 4.3 電流檢測單元 . 11 4.3.1 霍爾電流傳感器的測量原理 . 11 4.3.2 電流檢測電路 .12 4.4 速度給定單元 .13 4.4.1 霍爾轉(zhuǎn)把結(jié)構(gòu) .13 4.4.2 霍爾轉(zhuǎn)把的信號特征 .13 4.5 速度檢測單元 .14 4.5.1 霍爾位置檢測電路 .14 4.5.2 集成轉(zhuǎn)速傳感器 .15 4.5.3 集成型速度傳感器的性能特點 .16 4.6 譯碼器 .16 4.7.1 Intel8279 可編程鍵盤顯示器接口簡介 .17 4.7.2 蓄電池的容量顯示 .18 4.8 控制器保護功能欠壓檢測電路 .18 5 電動小車控制器軟件設(shè)計 .19 5.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計的基本要求 .19 5.2 系統(tǒng)主程序結(jié)構(gòu) .20 5.2.1 主程序流程 .20 5.2.2 定時中斷服務(wù)程序流程 .20 5.2.3 AD 中斷服務(wù) 程序流程 .21 5.3 電機控制程序設(shè)計 .21 5.3.1 速度調(diào)節(jié)程序 .21 下載文檔就送全套 CAD 圖紙，扣扣 414951605 學(xué)習(xí)好資料，畢設(shè)專用，答辯優(yōu)秀 5.3.2 電流調(diào)節(jié)程序 .22 5.4 軟件抗干擾設(shè)計 .22 結(jié)論 .24 致 謝 .25 參考文獻 .26 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計 1 1 緒論 1.1 本課題的研究背景和意義 全套資料帶 CAD 圖， QQ 聯(lián)系 414951605 或 1304139763 本設(shè)計的出發(fā)點源自生活實際的需要，滿足我國農(nóng)民在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時候的使用。我國作為世界上的農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)是國家發(fā)展的一個命脈。國家人口眾多，需要的農(nóng)業(yè)產(chǎn)品數(shù)量便自然而然的也有量上的要求，于是種植便是發(fā)展的一個要素。加上我國地理環(huán)境多種多樣，使得在多樣的環(huán)境中 還能滿足生產(chǎn)需要顯得尤為重要。本設(shè)計是在農(nóng)產(chǎn)品種植過程中對農(nóng)作物實施噴藥作業(yè)時的一個半自動化工具的一個部分。 電動噴藥小車的研發(fā)，其控制器部分是核心的一個組成，于是控制器的設(shè)計便是一個重要的任務(wù)。 1.2 控制理論的概念 隨著社會的進步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，控制理論經(jīng)歷了從傳統(tǒng)控制理論到大系統(tǒng)理論和智能控制理論的發(fā)展歷程。傳統(tǒng)控制理論包括經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論。經(jīng)典控制理論主要解決單輸入單輸出問題，并采用傳遞函數(shù)、時域及頻域分析方法研究對被控對象的控制，其研究對象主要是線性定常對象?，F(xiàn)代控制理論從時域研究了多 輸入多輸出線性系統(tǒng)，建立了刻劃控制系統(tǒng)本質(zhì)的基本理論，使控制從一類工程設(shè)計方法提高成為一門新的科學(xué)。雖然傳統(tǒng)控制理論曾經(jīng)在一段時期成為解決控制問題的有力工具并在當(dāng)今控制領(lǐng)域起著重要作用，但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工程科學(xué)對控制提出了更高的要求，傳統(tǒng)控制理論卻表現(xiàn)出了它的局限性。工業(yè)生產(chǎn)過程多具有非線性、時變性和不確定性，一般難以用精確的數(shù)學(xué)模型描述。傳統(tǒng)控制理論的任務(wù)在于反饋控制使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。但工程技術(shù)提出的控制任務(wù)遠不能用穩(wěn)定來概括，面對復(fù)雜的對象，復(fù)雜的環(huán)境和復(fù)雜的任務(wù)必須發(fā)展新概念、理論與方法 【 1】 。 智能控制理論是控制理論與人工智能相結(jié)合的產(chǎn)物，是傳統(tǒng)控制理論在深度上的挖掘，其目標(biāo)是提高控制系統(tǒng)自尋優(yōu)、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自組織等方面的智能水平。迄今為止，世界上最高級、最有成效的控制器還是人類自身，因為人具有比任何其他動物都發(fā)達的大腦，人具有處理模糊信息和直覺推理等多種智能 【 1】 。從不同角度模擬人的智能就產(chǎn)生了不同的智能控制理論分支，其中應(yīng)用較多的有模糊控制、專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等 【 2】 。從廣義上講，各種智能控制方法的共同點是使工程控制系統(tǒng)具有某種仿人的智能，即研究人腦的微觀或宏觀結(jié)構(gòu)功能，并把它移植到工 程上 【 3】 。 “電動小車調(diào)速系統(tǒng)研究”課題的主要任務(wù)是研制一種電動小車調(diào)速裝置，為機器控制電動小車自主運行研究做前期準(zhǔn)備工作。另外，在運動控制系統(tǒng)中應(yīng)用最普遍的是電動中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計 2 機自動調(diào)速系統(tǒng)。由于直流電動機具有極好的運行性能和控制特性，長期以來是自動調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。在許多工業(yè)部門，如金屬加工、紡織、海洋鉆探、軋鋼、礦山采掘、造紙以及電動汽車等需要高性能可控電力拖動的場合，廣泛采用直流調(diào)速系統(tǒng)。因此研究電動小車調(diào)速系統(tǒng)具有重要的理論和現(xiàn)實意義。 1.3 電動機控制技術(shù)的發(fā)展 電動機控制是一門集電動機運行理論、電子技術(shù) 、自動控制理論和微機控制技術(shù)于一起的機電一起化技術(shù) 【 4】【 5】 。隨著這些相關(guān)技術(shù)的進步，電動機控制技術(shù)也在不斷地發(fā)展。 1.3.1 電力電子器件的發(fā)展 從 20 世紀(jì) 50 年代中期第一代電力電子器件即普通晶閘管 (Thyristor)發(fā)明至今，電力電子器件的發(fā)展已經(jīng)歷了第二代有自關(guān)斷能力的電力電子器件、第三代復(fù)合場控器件和第四代功率集成電路等。功率集成電路 (Powerintegratedcircuit， PlC)的出現(xiàn)是電力電子器件發(fā)展的第四次突破，它實現(xiàn)了電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的結(jié)合以及動力 信息一體化，將電動機控 制技術(shù)推向了一個新時代。自問世以來，晶閘管的功率容量己提高了 3000 倍。 電力電子器件的一個新的發(fā)展動向是電力電子器件向集成化、智能化方向發(fā)展。智能功率模塊 (Intelligent Powermodule， IPM)是電力電子器件向第四代功率集成電路發(fā)展的過渡產(chǎn)品，它是微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。功率集成電路不僅具有一定的功率輸出能力，而且具有邏輯、控制、傳感、檢測、保護和自診斷功能。功率集成電路內(nèi)集成有驅(qū)動電路、保護電路，可實現(xiàn)過電流、短路、欠壓和過壓等保護功能。外界只需提供PWM 信號，智能功率模 塊就可以實現(xiàn)以往復(fù)雜的主電路及其外圍電路的功能。 可以預(yù)期，新的更高性能的電力電子器件還會出現(xiàn)，已有的各代電力電子器件的性能還會不斷地改進和提高。 1.3.2 微機控制電動機技術(shù)的發(fā)展 微型計算機應(yīng)用的普及，為電動機控制實現(xiàn)數(shù)字化、高性能化和網(wǎng)絡(luò)化創(chuàng)造了條件。目前除采用各類單片微機作為數(shù)字控制器核心外，數(shù)字信號處理器 (DSP)已展現(xiàn)出越來越大的優(yōu)勢。 借助于數(shù)字和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，智能控制已深入到電動機控制系統(tǒng)的各個方面?；诂F(xiàn)代控制理論的控制方法建立在對象精確的數(shù)學(xué)模型之上，需要傳感器、觀察器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法擺脫系 統(tǒng)非線性和參數(shù)變化的影響。智能控制無需對象的精確數(shù)學(xué)模型并具有較強的魯棒性，近年已被陸續(xù)引入電動機的控制之中，使電動機控制朝著智能化控制方向發(fā)展 【 5】 。 1.3.3 微機控制電動機的特點 與連續(xù)控制相比較，電動機數(shù)字控制有如下主要特點 【 6】 ： 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計 3 (1)控制系統(tǒng)集成度高，硬件電路單一，可靠性高，可重復(fù)性好。 (2)一臺微機可以為多個控制回路服務(wù)，完成較多的控制功能。 (3)對于不同的控制算法和要求，一般不必改變系統(tǒng)的硬件，只需按新的控制算法編制新程序即可。 (4)借助一些人機界面設(shè)備可實現(xiàn)對系統(tǒng)運行狀態(tài)的監(jiān)控、預(yù) 警、故障診斷等功能；借助處理器的通訊功能可實現(xiàn)與上位機的通訊；借助現(xiàn)場總線技術(shù)可實現(xiàn)底層控制設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，因而能方便地實現(xiàn)高復(fù)雜度的多機協(xié)同工作。 (5)計算機運算速度快，精度高，具有邏輯判斷能力，且具有大容量的存儲單元，因此有能力實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，以達到較高的控制質(zhì)量。 (6)數(shù)字量的運算不會出現(xiàn)模擬電路中的零點漂移問題，容易保證足夠的控制精度。由于微機控制電動機有上述特點，所以微機控制電動機的理論及應(yīng)用得到迅速地發(fā)展，成為運動控制系統(tǒng)的發(fā)展方向之一。 1.4 本課題的主要任務(wù) 現(xiàn)代電動車是融合了電力、電子 、機械控制、材料科學(xué)以及化工技術(shù)等多種高新技術(shù)的綜合產(chǎn)品。整體的運行性能、經(jīng)濟性等首先取決于電池系統(tǒng)和電機驅(qū)動控制系統(tǒng)。電動車的電機驅(qū)動系統(tǒng)一般由 4 個主要部分組成，即控制器、功率變換器、電動機及傳感器。目前電動車中使用的電動機一般有直流電動機、感應(yīng)電動機、開關(guān)磁阻電動機以及永磁無刷電動機等。 本論文主要內(nèi)容包括： (l) 根據(jù)永磁無刷直流電動機的特性實施脈寬 PWM 控制，檢測直流無刷電機運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的反電勢來確定轉(zhuǎn)子的位置，從而確定換向點和換向時刻。 (2) 利用液晶技術(shù)，設(shè)計出電動小車的運行過程中的參數(shù)顯示系 統(tǒng)。 (3) 實驗、計算、分析結(jié)果得出結(jié)論。 2 噴藥小車電動機的研究 在所有已有的電動機中，綜合性能最好的是直流電動機。過去開發(fā)的電動車主要采用有刷直流電動機，有刷直流電動機系統(tǒng)調(diào)速方便，改變其輸入電壓或勵磁電流就可對其轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)獨立的控制，進行平滑的調(diào)速，所以有刷直流電動機調(diào)速系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性和調(diào)速品質(zhì)。但是有刷直流電動機系統(tǒng)由于電刷和換向器的存在而導(dǎo)致以下兩方面缺點：第一，必須進行經(jīng)常性的維修和保養(yǎng)；第二，無法實現(xiàn)高速大容量。這兩方面的缺點使其在電動車驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用受到了限制。而無刷直流電動機則克 服了有刷直流電動機的缺點，它既有有刷直流電動機的優(yōu)越的性能，又依靠電子換向，免去了機械式電刷和換向器。本系統(tǒng)選用無刷直流電動機。無刷直流電動機，就其基本結(jié)構(gòu)而言，可以認為是一臺有電子開關(guān)線路、永磁式同步電動機以及位置傳感器三者組成的“電動機系統(tǒng)”。它借助反映中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計 4 轉(zhuǎn)子位置的位置信號，通過驅(qū)動控制電路，驅(qū)動逆變電路的功率開關(guān)元件，使電樞繞組依一定次序饋電，從而在氣隙中產(chǎn)生步進式旋轉(zhuǎn)磁場，拖動永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子位置信號依一定規(guī)律變化，從而改變電樞繞組的通電狀態(tài)，實現(xiàn)無刷直流電動機的機械能量轉(zhuǎn)換。 2.1 電動小車對電動機的基本要求 電動小車的運行，與一般的工業(yè)應(yīng)用不同，非常復(fù)雜。因此，對驅(qū)動系統(tǒng)的要求是很高的。 (1) 電動小車用電動機應(yīng)具有瞬時功率大，過載能力強、過載系數(shù)應(yīng)為 (3 4)，加速性能好，使用壽命長的特點。 (2) 電動小車用電動機應(yīng)具有寬廣的調(diào)速范圍，包括恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)。在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，要求低速運行時具有大轉(zhuǎn)矩，以滿足起動和爬坡的要求；在恒功率區(qū)，要求低轉(zhuǎn)矩時具有高的速度，以滿足車在平坦的路面能夠高速行駛的要求。 (3) 電動小車用電動機應(yīng)能夠在車減速時實現(xiàn)再生制動，將能量回收并反饋回 蓄電池，使得電汽車具有最佳能量的利用率，這在內(nèi)燃機的摩托車上是不能實現(xiàn)的。 (4) 電動小車用電動機應(yīng)在整個運行范圍內(nèi)，具有高的效率，以提高 1 次充電的續(xù)駛里程。另外還要求電動小車用電動機可靠性好，能夠在較惡劣的環(huán)境下長期工作，結(jié)構(gòu)簡單適應(yīng)大批量生產(chǎn)，運行時噪聲低，使用維修方便，價格便宜等。 2.2 永磁無刷直流電動機特性分析 2.2.1 無刷直流電動機的結(jié)構(gòu) 圖 1 無刷直流電動機的結(jié)構(gòu) 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計 5 2.2.2 永磁無刷直流電動機的基本性能 永磁無刷直流電動機是一種高性能的電動機。它的最大特點就是具有直流電動機的外特性而沒有刷組成的機械接 觸結(jié)構(gòu)。加之，它采用永磁體轉(zhuǎn)子，沒有勵磁損耗，發(fā)熱的電樞繞組又裝在外面的定子上，散熱容易，因此，永磁無刷直流電動機沒有換向火花，沒有無線電干擾，壽命長，運行可靠，維修簡便。此外，它的轉(zhuǎn)速不受機械換向的限制，如果采用空氣軸承或磁懸浮軸承，可以在每分鐘高達幾十萬轉(zhuǎn)運行。永磁無刷直流電動機機系統(tǒng)相比具有更高的能量密度和更高的效率，在電動小車中有著很好的應(yīng)用前景。 2.2.3 永磁無刷直流電動機的控制系統(tǒng) 典型的永磁無刷直流電動機是一種矢量控制系統(tǒng)，由于永磁體只能產(chǎn)生固定幅值磁場，因而永磁無刷直流電動機系統(tǒng)非常適 合于運行在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，一般采用電流滯環(huán)控制或電流反饋型 SPWM 法來完成。為進一步擴充轉(zhuǎn)速，永磁無刷直流電動機也可以采用弱磁控制。弱磁控制的實質(zhì)是使相電流相位角超前，提供直軸去磁磁勢來削弱定子繞組中的磁鏈。 2.2.4 直流無刷電機的運行原理 直流無刷電動機控制器是用來控制電動機定子上各相繞組通電的順序和時間，主要由功率邏輯開關(guān)單元和位置傳感器信號處理單元兩個部件組成，如圖 2 所示。 功率邏輯開關(guān)單元是控制電路的核心，其功能是將電源的功率以一定的邏輯關(guān)系分配給直流無刷電動機的定子上各相繞組，以便電動機產(chǎn)生持續(xù)不 斷的轉(zhuǎn)矩。而各相繞組導(dǎo)通的順序和時間與轉(zhuǎn)子的位置有關(guān)，主要取決于來自位置傳感器的信號及邏輯開關(guān)信號。 【 7】 傳感器信號邏輯處理器 N V1 V3 V2 A B C H2 H3 H1 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計 6 圖 2 無刷直流電動機結(jié)構(gòu)原理 一般的永磁式直流電動機的定子由永久磁鋼組成，其主要作用是在電動機 氣隙中建立磁場，其電樞繞組通電后產(chǎn)生電樞反應(yīng)磁場，由電力電子逆變 器供給電樞繞組的電流并不是正弦波，而是 120的方波，因而三相合成磁動勢不是恒速旋轉(zhuǎn)的，而是跳躍式的步進磁動勢，它和恒速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁動勢產(chǎn)生獻轉(zhuǎn)矩除了平均轉(zhuǎn)矩之外，還有脈動分量。由于電力電子逆變器的換向作用，使得這兩個磁場的方向在電動機運動的過程中始終保持一定的角度，從而產(chǎn)生最大平均轉(zhuǎn)矩而驅(qū)動電動機不停地運轉(zhuǎn)。 圖 3 無刷直流電動機的運行原理圖 圖 4 有位置傳感器的直流無刷電機原理框圖 圖 5 無位置傳感器 的直流無刷電機原理框圖 直流電源 開關(guān)電路 電動機本體 位置傳感器 直流電源 電子電路 電動機本體 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計 7 2.2.5 永磁無刷直流電動機的不足 永磁無刷直流電動機受到永磁材料工藝的影響和限制，使得永磁無刷直流電動機的功率范圍較小，最大功率僅幾十千瓦。永磁材料在受到振動、高溫和過載電流作用時，其導(dǎo)磁性能可能會下降或發(fā)生退磁現(xiàn)象，將降低永磁電動機的性能，嚴(yán)重時還會損壞電動機，在使用中必須嚴(yán)格控制，使其不發(fā)生過載。永磁無刷直流電動機在恒功率模式下，操縱復(fù)雜，需要一套復(fù)雜的控制系統(tǒng)，從而使得永磁無刷直流電動機的驅(qū)動系統(tǒng)造價很高。 3 總體設(shè)計布局 對于電動小車控制系統(tǒng)設(shè)計主要有四個方面：一、控制電 路的設(shè)計；二、傳感器選擇以及安放設(shè)計；三、顯示電路的設(shè)計；四、程序設(shè)計。從總的方面來考慮，傳感器的使用應(yīng)該盡量減少單片機的信號處理量，但是又必須能使車行駛自如?？刂齐娐芬鶕?jù)選用的電機和傳感器來設(shè)計，主要考慮穩(wěn)定性，抗干擾性?？刂坪诵牟捎?51 單片機，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復(fù)用技術(shù)，僅用一塊單片機就實現(xiàn)了信號采集，電機控制和轉(zhuǎn)速顯示。如圖 6 所示。 4 電動小車調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計 電動小車的性能指標(biāo)一般包括：驅(qū)動性能、駕 駛性能、車載能源系統(tǒng)性能三部份，其中驅(qū)動性能取決于電機功率因素，車載能源系統(tǒng)性能取決于電池的容量，駕駛性能指標(biāo)主要包括：加速性能、最大爬坡性能、剎車性能及駕駛里程性能等駕駛模式，駕駛性能指標(biāo)的優(yōu)劣取決于控制系統(tǒng)駕駛模式的技術(shù)。 4.1 MCS-51單片機內(nèi)部結(jié)構(gòu) 8051 是 MCS-51 系列單片機的典型產(chǎn)品，我們以這一代表性的機型進行系統(tǒng)的講圖 6 電動小車控制系統(tǒng)圖 蓄電池 輸入電路 電機控制器 電 動 機 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計 8 解。 8051 單片機包含中央處理器、程序存儲器 (ROM)、數(shù)據(jù)存儲器 (RAM)、定時 /計數(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： （ 1）中央處理器 中央處理器 (CPU)是整個單片機的核心部件，是 8 位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理 8 位二進制數(shù)據(jù)或代碼， CPU 負責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運算和控制輸入輸出功能等操作。 （ 2）數(shù)據(jù)存儲器 (RAM) 8051 內(nèi)部有 128 個 8 位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和 128 個專用寄存器單元，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，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運算的中間結(jié)果或用戶定義的 字型表。 （ 3）程序存儲器 (ROM) 8051 共有 4096 個 8 位掩膜 ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。 （ 4）定時 /計數(shù)器 (ROM) 8051 有兩個 16 位的可編程定時 /計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。 （ 5）并行輸入輸出 (I/O)口 8051 共有 4 組 8 位 I/O 口 (P0、 P1、 P2 或 P3)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。 （ 6）全雙工串行口 8051 內(nèi)置一個全雙工串行通信口，用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當(dāng)同步移位器使用。 （ 7）中斷系統(tǒng) 8051 具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時 /計數(shù)器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有 2 級的優(yōu)先級別選擇。 （ 8）時鐘電路 8051 內(nèi)置最高頻率達 12MHz 的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機運行的脈沖時序，但8051 單片機需外置振蕩電容。 單片機的結(jié)構(gòu)有兩種類型，一種是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開的形式，即哈佛 圖 7 MCS-51 內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計 9 (Harvard)結(jié)構(gòu)，另一種是采用通用計算機廣泛使用的程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器合二為一的結(jié)構(gòu)，即普林斯頓 (Princeton)結(jié)構(gòu)。 INTEL 的 MCS-51 系列單片機采用的是哈佛結(jié)構(gòu)的形式，而后續(xù)產(chǎn)品 16 位的 MCS-96 系列單片機則采用普林斯頓結(jié)構(gòu)。 圖 7 是 MCS-51 系列單片機的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖 【 8】 : （ 9） MCS-51 的引腳說明 MCS-51 系列單片機中的 8031、 8051 及 8751 均采用 40Pin 封裝的雙列直接 PDIP 結(jié)構(gòu)，圖 8 是它們的引腳配置， 40 個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，4 組 8 位共 32 個 I/O 口，中斷口線與 P3 口線復(fù)用?，F(xiàn)在我們對這些引腳的功能加以說明： Pin20:接地腳。 Pin40:正電源腳，正常工作或?qū)ζ瑑?nèi) EPROM 燒寫程序時，接 +5V 電源。 Pin18:時鐘 XTAL2 腳，片內(nèi)振蕩電路的輸出端。 8051 的時鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時鐘振蕩方式，但需在 18 和 19 腳外接石英晶體(2-12MHz)和振蕩電容，振蕩電容的值一般取 10p-30p。另外一種是外部時鐘方式，即將XTAL1 接地，外部時鐘信號從 XTAL2 腳輸入。 MCS-51 系列單片機中的 8031、 8051 及8751 均采用 40Pin 封裝的雙列直接 DIP 結(jié)構(gòu)，右圖是它們的引腳配置， 40 個引腳中，正電源 和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根， 4 組 8 位共 32 個 I/O 口，中斷口線 與 P3 口線復(fù)用?，F(xiàn)在我們對這些引腳的功能加以說明： Pin20:接地腳。 Pin40:正電源腳，正常工作或?qū)ζ瑑?nèi) EPROM 燒寫程序時，接 +5V 電源。 Pin19:時鐘 XTAL1 腳，片內(nèi)振蕩電路的輸入端。 Pin18:時鐘 XTAL2 腳，片內(nèi)振蕩電路的輸出端。 8051 的時鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時鐘振蕩方式，但需在 18 和 19 腳外接石英晶體圖 8 PDIP 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計 10 (2-12MHz)和振蕩電容，振 蕩電容的值一般取 10p-30p。另外一種是外部時鐘方式，即將XTAL1 接地，外部時鐘信號從 XTAL2 腳輸入。 輸入輸出 (I/O)引腳， Pin39-Pin32 為 P0 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， P-Pin-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。 Pin9:RESET/Vpd 復(fù)位信號復(fù)用腳，當(dāng) 8051 通電，時鐘電路開始工作，在 RESET 引腳上出現(xiàn) 24 個時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 1： 表 1 8051 的初始態(tài) 特殊功能寄存器 初始態(tài) 特殊功能寄存器 初始態(tài) A 00H B 00H PC 00H SP 07H 4.2 A/D 轉(zhuǎn)換芯片 ADC0809 芯片是最常用的 8 位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 它的模數(shù)轉(zhuǎn)換原理采用逐次逼進型，芯片由單個 5V 電源供電，可以分時對 8 路輸入模擬量進行 A D 轉(zhuǎn)換，典型的 A D 轉(zhuǎn)換時間為 100 微妙左右。在同類型產(chǎn)品中， ADC0809 模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率、轉(zhuǎn)換速度和價位都 屬于居中位置。 內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)，如圖 9 所示 : 圖 9 ADC0809 內(nèi)部結(jié)構(gòu) 引腳功能說明 ： 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計 11 D7 D0： 8 位數(shù)字量輸出， A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果。 IN0 IN7： 8 路模擬電量輸入，可以是： 0 5V 或者 5V 5V 或者 10V +10V。 +VREF：正極性參考電源。 START：啟動 A/D 轉(zhuǎn)換控制輸入，高電平有效。 入的工作時鐘，典型頻率 為 500KHz。 ALE：地址鎖存控制輸入，高電平開啟接收 3 位地址碼，低電平鎖存地址。 CBA： 3 位地址輸入，其 8 個地址值分別選中 8 路輸入模擬量 IN0 IN7 之一進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。 C 是高位地址， A 是最低位地址。 OE：數(shù)字量輸出使能控制，輸入高有效，輸出 A/D 轉(zhuǎn)換結(jié)果 D7 D0。 EOC：模數(shù)轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸出。當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換未完成時， EOC 輸出低電平；當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換完成時，EOC 輸出高電平。 EOC 輸出信號可以作為中斷請求或者查詢控制。 Vcc：芯片工作電源 5V。 GND：芯片接地端。 4.3 電流檢測單元 4.3.1 霍爾電流傳感器的測量原理 圖 10 為霍爾電流傳感器原理電路圖，它是根據(jù)磁場平衡原理工作的。具體工作過程為：流過主回路的電流 IP在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生一個強的磁場，這一磁場被聚磁環(huán)聚集并感應(yīng)霍爾器件，使霍爾器件有一電壓信號輸出。這一信號被放大囂放大并使相應(yīng)的功率管導(dǎo)通，從而獲得一補償電流 IS補償電流 IS流過繞在聚磁環(huán)上的多匝副邊線圈時所產(chǎn)生的磁場與主電流所產(chǎn)生的磁場方向相反，因而產(chǎn)生補償作用，使磁場減少，霍爾電壓也隨著減少，最后當(dāng) IS所產(chǎn)生的磁場與 IP所產(chǎn)生的磁場相等時，補償電流 IS將不再變化。 圖 10 霍爾 電流傳感器原理電路圖 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計 12 此時， NPIP NSIS 公式（ 1） 式中， NP 為原邊線圈匝數(shù)； IP 為原邊電流； NS 為副邊線圈匝數(shù)； IS 為副邊電流。 主回路電流 IP 的任何變化都會破壞磁場的平衡，一旦磁場失去平衡，霍爾器件就有電壓信號輸出，相應(yīng)地就有補償電流 IS 流過副邊線圈進行補償。從宏觀來看，副邊補償電流IS 的安匝數(shù)在任何時刻都與主電流 IP 的安匝數(shù)相 等。由式 (1)可知，如果已知 NP、 NS，在測得 IS 的條件下即可求得原邊電流 IP。 4.3.2 電流檢測電路 對于兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)無刷直流電動機，任一時刻，只有兩相繞組導(dǎo)通，電流從一相繞組流進，從另一相繞組流出，電流大小與直流側(cè)電流大小相等。這樣，只要在直流側(cè)串聯(lián)一個采樣電阻就可以檢測導(dǎo)通相的相電流。常見的無刷直流電動機的電流檢測方法有：電阻法，霍爾電流傳感器法，電流互感器法。這三種方法的對比如表 2 所示。 表 2 電阻法，霍爾電流傳感器法，電流互感器法三種方法對比 在本 系統(tǒng)中采用霍爾電流傳感器測量母線電流。與普通互感器相比，霍爾電流傳感器有如下特點 【 9】 ； (1)霍爾電流傳感器可以測量任意波形的電流，它的副邊電流的波形可以不失真地反映原邊電流的波形，而普通互感器只適用于測量 50Hz的正弦波。 (2)霍爾電流傳感器的原邊和副邊之間完全絕緣，絕緣電壓一般為 212kV，特殊要求可達2050kV。 精確度 好 好 中等 溫度影響 小 大 小 費用 最低 最高 中等 隔離程度 不隔離 隔離 隔離 大電流檢測能力 差 好 好 直 流偏置問題 存在 無 無 存在飽和 /滯后 無 有 有 耗能情況 高 低 低 是否接入電路中 是 否 否 直流 /交流檢測 都可以 都可以 交流檢測 電流檢測方法 電阻法 霍爾電流傳感器法 電流互感器法 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計 13 (3)抗外磁場能力強。 (4)工作頻帶寬，在 0 100kHz頻率范圍內(nèi)精度為 l，在 05kHz范圍內(nèi)為 0 5 。 (5)過載能力強，當(dāng)原邊電流過載時，模塊可自動飽和，即使過載電流 是額定電流的 20倍，LEM模塊也不會損壞。 (6)線性度好，優(yōu)于 0 1 。 (7)動態(tài)響應(yīng)時間小于 lus，跟蹤速度高于 50A us。 4.4 速度給定單元 轉(zhuǎn)把是控制電動小車車速的轉(zhuǎn)換器件，是控制器的信號輸入部件。電動小車上使用的轉(zhuǎn)把根據(jù)傳感器種類常見的有霍爾元件式轉(zhuǎn)把和光電式轉(zhuǎn)把兩種，目前采用霍爾式轉(zhuǎn)把的電動小車占多數(shù)。 電動小車的轉(zhuǎn)把有 3根引線，分別是電源（ +5V）、地線和轉(zhuǎn)把信號線（線性連續(xù)變化信號）。下面介紹霍爾元件式轉(zhuǎn)把的構(gòu)成。 4.4.1 霍爾轉(zhuǎn)把結(jié)構(gòu) 轉(zhuǎn)把由固定的轉(zhuǎn)把座和 霍爾元件、可動轉(zhuǎn)柄和產(chǎn)生磁場強度均勻變化的磁鋼構(gòu)成。如圖 11所示。轉(zhuǎn)把的霍爾元件由三根引線輸出送到控制器中。 4.4.2 霍爾轉(zhuǎn)把的信號特征 霍爾轉(zhuǎn)把輸出電壓的大小，取決于霍爾元件周圍的磁場強度。轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)把，轉(zhuǎn)把可動手柄上的磁鐵跟著轉(zhuǎn)動，即改變了霍爾元件周圍的磁場強度，霍爾元件輸出電壓隨之改變，也就是改變了霍爾轉(zhuǎn)把的輸出電壓。 圖 11轉(zhuǎn)把外形構(gòu)造 中國地質(zhì)大學(xué)長城學(xué)院 2012 屆畢業(yè)設(shè)計 14 霍爾轉(zhuǎn)把最常用的是以下兩種信號轉(zhuǎn)把： 14.2V 變化的正向轉(zhuǎn)把和 4.21V變化的反向轉(zhuǎn)把。其中絕大多數(shù)是正向轉(zhuǎn)把，其他輸出電壓變化范圍的轉(zhuǎn)把，目 前市場中很少存在，為非標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，只存在早期生產(chǎn)的電動小車中。 4.4.3光電式轉(zhuǎn)把 光電式轉(zhuǎn)把有兩種結(jié)構(gòu)。一種是光電傳感器位于轉(zhuǎn)把中；另一種是光電傳感器位于控制器中，轉(zhuǎn)把手柄通過鋼絲帶動控制器內(nèi)光電傳感器內(nèi)部的遮光板位移，光電管產(chǎn)生控制信號。