1、石家庄铁道学院毕业设计无刷电机相序检测系统设计The Testing System Design of Brushless Motor Phase Sequence 2008 届 电气与电子工程 分院专 业 电气工程及其自动化 学 号 学生姓名 李 刚 指导教师 邓 晓 燕 完成日期 2008 年 5 月 25 日毕业设计成绩单学生姓名 李 刚 学号 班级 电 0401-2 班 专业 电气工程及其自动化毕业设计题目 无刷电机相序检测系统设计指导教师姓名 邓晓燕指导教师职称 教 授评 定 成 绩指导教师 得分评阅人 得分答辩小组组长 得分成绩：院长签字：年 月 日毕业设计任务书题 目 无刷电机相
2、序检测系统设计学生姓名 李 刚 学号 班级 电 0401-2 专业 电气工程及其自动化承担指导任务单位 电气与电子工程分院导师姓名 邓晓燕导师职称 教 授一、设计内容1、设计以单片机为核心的无刷电机相序检测系统2、硬件设计及软件编程二、基本要求1、判断电机角度2、判断霍尔控制线相序3、判断电机绕组相序4、判断霍尔控制线及电机绕组故障5、实时显示三、主要技术指标1、显示 60 度/120 度角电机2、显示霍尔位置相序及与其对应的电机电源相序3、显示电机绕组故障及霍尔控制线故障四、应收集的资料及参考文献1、单片机方面的知识及其接口技术2、无刷电机方面的资料3、霍尔传感器方面的资料4、模电、数电等资
3、料五、进度计划第 1 周第 4 周 调研、搜集资料、初步设计第 5 周第 8 周 绘制原理图，制作板图第 9 周第 12 周 编写软件，系统调试第 13 周第 14 周 完成论文教研室主任签字 时 间 2008 年 2 月 26 日毕业设计开题报告题 目 无刷电机相序检测系统设计学生姓名 李 刚 学号 班级 电 0401-2 班 专业 电气工程及其自动化一、研究背景与现状无刷直流电机是近几年小电机行业发展最快的品种，随着视听产品“小、轻、薄”化和家电产品的静音化以及豪华轿车需求量的增多，无刷直流电动机需要量迅速增加。各国都加快了开发新产品的速度和占领市场的力度。在电动车使用的电机中，无刷电机更
4、是优势明显。现在，大多数电动车都采用无刷电机，当电动车出现故障需要维修的时候，就需要对无刷电机与控制器进行相序检测，以便对它们的相序实施对接。如果相序对接发生错误，那么电动车轻则电机不转，重则有损坏电机与控制器的可能，需要重新对接。目前，在国内外的电机维修中，当电机输出相序不匹配时，往往需要人为判断故障原因，并使电机与控制器相序匹配，这就需要人的参与并改变电机的连接。为了解决这些不必要的麻烦，我们就有必要研制一种自动检测电动车无刷电机相序的软硬件设备，故我们设计无刷电机相序检测系统就显得十分有意义！二、研究方案针对 MC33035 芯片组成的无刷电机控制器，利用 AT89C51 单片机，使用单
5、片机方面的知识及其接口技术和模电、数电等知识结构以及收集到的大量无刷电机方面和霍尔传感器的资料，设计以单片机为核心的无刷电机相序检测系统软件编程及其硬件系统的设计，并且在硬件上显示出来预期中的结果。三、预期要达到的目标1设计出的无刷电机相序检测系统可以判断电机的转动角度。2设计出的可以判断霍尔控制线相序，电机三相绕组的相序。3设计出无刷电机相序检测系统还可以判断电机空载负载时的电流。4设计出的硬件电路还要实时显示出 60 度/120 度角电机、显示霍尔位置相序及与其对应的电机电源相序、显示电机绕组故障及霍尔控制线故障。指导教师签字 时 间 2008 年 3 月 10 日摘 要我们设计的电动车无
6、刷电机检测系统采用了传统的AT89C51单片机作为控制单元，集成检测了电动车无刷电机工作的情况以及无刷电机中霍尔器件的工作性能。在设计外部电路时还采用了光电耦合隔离电路、继电器以及驱动电路。我们应用AT89C51单片机检测无刷电机霍尔元件的好坏以及霍尔相序，将检测到的工作性能良好的霍尔相序输出到数码管显示电路，并判断电机的相序。本设计主要是针对无刷电机相序的检测系统，是电动车智能检测系统的一部分。我们设计的电动车智能检测系统主要是为了方便维修人员检修电动车，同时本智能检测系统也适用于对电动车以及无刷电机工作原理还不太了解的客户，以便他们能够比较容易的了解到电动车无刷电机各部件工作性能并及时更换
7、掉工作性能较差的器件。关键词：无刷电机 AT89C51 单片机 继电器 检测系统AbstractWe choose the microcomputer AT89C51 as the unit, which is used to test the condition of brushless motor and the condition of hall device for Electric Bicycle . we used bright and electric isolating circuit, delay and driving circuit.We used microcomput
8、er AT89C51 to test the condition of hall components and the sequences of hall, to out the sequences of hall with good conditions to the digital tube and juge the motors sequences. The main idea of this design is to test the conditions of brushless motor, and it is also a part of testing system for E
9、lectric Bicycle. We designed the intelligent testing system to convinent the maintenance workers. It is also suit the clients who do not understand the working of brushless motor to realize and exchange the worse device.Key words：Brushless motor AT89C51 Delay Testing system目 录第 1 章 绪论 11.1 课题研究的目的和意
10、义及电动车电动机发展简介 .11.1.1 课题研究的目的和意义 .11.1.2 电动车电动机发展简介 .21.2 论文研究内容及其创新点 .31.2.1 主要研究内容 .31.2.2 研究的主要创新点 .41.3 霍尔元件以及无刷电机工作原理的论述 .41.3.1 霍尔元件的基本工作原理 .41.3.2 电动车无刷电机工作原理 .51.3.3 无刷电机检测硬件设计的论述 .7第 2 章 硬件电路设计 92.1 硬件电路的设计构思 .92.1.1 硬件电路的设计总体分析 .92.1.2 分步硬件电路的原理框图 102.2 霍尔信号输入电路的基本设计 112.3 驱动电路驱动信号输出的设计 122
11、.4 驱动器电路的选择 122.5 继电器型号的选择原则 132.5.1 开关继电器的选择 132.5.2 继电器选用的基本技术要求 142.5.3 继电器的选择 142.5.4 继电器电压的选择 152.6 数码管显示电路的选择 162.6.1 动静态显示方法的选择 162.6.2 静态数码显示的具体应用简介 17第 3 章 系统软件设计 .203.1 软件系统简述 203.1.1 软件设计基本要求 203.2 电动车 60和 120的检测规律 203.3 软件主程序流程图 233.3.1 霍尔输入判断子程序流程图 243.3.2 60 度电机霍尔相序检测子相序流程图 .253.3.3 12
12、0 度电机霍尔元件相序检测子程序流程图 263.3.4 60 度电机绕组相序检测子程序流程图 .273.3.5 120 度电机绕组相序检测子程序流程图 28第 4 章 结论与展望 .294.1 结论 294.2 展望 29参考文 献 .30致谢 .31附录 .32附录 A 外文资料翻译 .32附录 B 硬件电路图 .41附录 C 软件程序 .42石家庄铁道学院毕业设计1第 1 章 绪论电 动 车 作 为 一 种 新 型 的 代 步 工 具 ， 已 经 实 实 在 在 地 被 人 民 群 众 所 接 受 。 业 内 人士 预 测 ， 未 来 几 年 内 ， 电 动 车 的 容 量 几 乎 相 当
13、 于 自 行 车 的 市 场 容 量 。 而 随 之 而 来 的如 何 对 出 现 问 题 的 电 动 车 进 行 检 修 、 检 测 已 经 成 为 工 程 技 术 人 员 的 主 要 研 究 领 域 。1.1 课题研究的目的和意义及电动车电动机发展简介1.1.1 课题研究的目的和意义随着电动车产业规模的快速扩张，其绿色环保作用已经成为广泛的共识，其对中国经济发展以及绿色中国的促进作用也越来越引起社会的广泛关注，电动车产业是绿色，环保产业，对降低石油消耗，减少环境污染，提高交通效率，提高人民生活水平、促进社会经济发展都起到了举足轻重的作用。电 动 自 行 车 作 为 一 种 较 受 欢迎 的
14、 新 型 交 通 工 具 ， 相 对 于 普 通 自 行 车 电 动 自 行 车 的 主 要 优 点 有 如 下 ：(1)电 动 车 在 行 进 时 的 零 排 放 ， 不 污 染 大 气 , 且噪音小；(2)价 格 2-3 千 元 ， 每 一 百 公 里 耗 电 仅 1 度 左 右 ， 一 般 老 百 姓 能 够 接 受 ；(3)一 次 充 电 能 行 30 50km， 能 解 决 城 市 骑 车 上 班 族 的 需 要 ， 有 较 大 的 市 场 需求 ；(4)当 车 速 限 制 在 每 小 时 15km 左 右 时 （ 特 别 是 轻 蹬 轻 踩 的 智 能 型 电 动 自 行 车 ）不
15、 会 对 其 他 人 力 自 行 车 和 行 人 构 成 过 多 威 胁 和 安 全 问 题 ；(5)所 用 零 配 件 大 多 与 自 行 车 通 用 ， 容 易 修 理 ；(6)用 户 白 天 使 用 ， 半 夜 充 电 ， 有 利 于 电 力 部 门 均 衡 负 荷 ；(7)电 动 自 行 车 的 大 量 上 市 和 争 取 出 口 ， 能 够 生 成 新 的 产 业 和 可 贵 的 经 济 增 长 点1。随 着 电 动 车 市 场 趋 向 成 熟 ， 无 刷 电 机 电 动 车 逐 渐 占 据 了 约 80%以 上 的 市 场 份 额 。在 电 动 车 原 配 件 发 生 质 量 问
16、题 时 如 何 选 择 合 适 的 电 机 类 型 与 原 机 型 配 套 已 经 成 为 维修 人 员 以 及 售 后 服 务 人 员 最 关 注 的 问 题 。 我 国 现 在 关 于 电 机 检 测 系 统 大 部 分 技 术 成果 是 依 照 工 作 原 理 搭 建 硬 件 电 路 ， 实 现 参 数 匹 配 ， 根 据 不 同 数 据 ， 分 析 确 定 电 机 类型 是 否 匹 配 ， 工 作 状 况 是 否 良 好 。 其 电 路 复 杂 ， 参 数 匹 配 困 难 等 问 题 摆 在 设 计 人 员的 眼 前 ， 如 何 应 用 软 件 既 简 化 电 路 又 实 现 电 机
17、检 测 与 选 择 问 题 成 为 现 在 工 程 技 术 人员 的 主 要 研 究 方 向 2。1.1.2 电动车电动机发展简介电机是电动车的一个关键部件，也是我们的核心技术，中国第一台电动车还没有生产出来的时候我们的电机研发就已经有很多年的历史了。以动力电池为能源、依靠电机拖动是电动自行车与普通自行车的本质区别之一，正由于此，电机是电动自行车的核心部件之一，我国电动自行车在六十年代、八十年代曾热过两次都失败了，技术上的原因之一也在于当时还没有适合电动自行车的电机，由于当代科学技术的突飞猛进，自二十世纪末的几年起，不断发展起来的第三次电动自行车热，所用的电机都是采用了稀土材料的直流电机。由于
18、我国自二十世纪八十年代中期起，稀土材料的研究与应用一直处于世界领先的地位，这对我国电动自行车的发展来说无疑是一种强大的支持。自 1998 年起蓬勃发展的电动自行车产业，至今已有近 700 家制造商，这近 700家制造商在对电动自行车的研制中，为了使电动自行车更好的满足消费者的需要，对电机的认识和选择也在不断地提高要求。这就出现了在短短 45 年的时间里，电动车所用的电机的技术水平已经大大的进步了。伴随着电机的技术要求的提高，电机的种类也正在发生变化。1998 年一些电动自行车厂家所用的电机是有刷盘式绕阻电机。这种电机以稀土材料粘结在一缸体上，漆包铜线成的盘式绕阻置于缸体之内，构成转子。电机相位
19、靠机械式换相器调整。机械式换相器是靠固定的碳制电刷与转动的铜制换相面磨擦来实现调整电压相位的位置的。这种电机在使用中电刷一直在磨损。同时由于电机的转速较高，必须采取减速措施。制造厂采用两级齿轮减速，这带来了两个问题，一是噪音较高，二是效率损失大，经减速后的电机额定效率往往只能在68 72。而电动自行车所用的电池是有限的，电机效率不高，使电耗增加，这影响了整车的续行力。1999 年主要电动自行车厂家广泛采用了有刷印制铜簿板作为绕阻，电机重量减轻了。又由于这一电机全部是在进口的生产线上制作，工艺有可靠保证，噪音大幅度下降，效率提高到 7276。但这一电机有“嗡嗡”的高频声噪音，靠齿轮减速后效率仍不
20、理想，有刷换相器的使用使电机寿命无法再提高。2 000 年主要电动自行车厂家广泛采用的又是新一代电机有刷压制绕阻电机。这种电机以绕制好的铜线压制成一种新型绕阻。从而使电机的效率提高到 747 8，这一电机目前仍然是较多电动自行车厂家主要采用的电机。但这一电机的效率、噪音、寿命仍然是必须改进的问题。2001 年主要电动自行车厂家中有的继续采用有刷压制绕阻电机，有的开始用有刷无齿电机，有的主要用无刷电机了。2 001 年开始在有些厂家用的有刷无齿电机，石家庄铁道学院毕业设计3由于在电机设计中的改进，实现了低噪音、低成本。目前很多低价位的电动自行车广泛采用了这种电机。但这种电机扭矩小、载重负荷小、爬
21、坡爬不上；使用时电耗较大；由于仍然采用机械式的电刷换相器寿命仍然是个问题。因此中高档电动自行车均不采用这种电机。在电动车的技术发展历程里，200 3 年以前用的都是有刷电机，有刷电机寿命短、容易出现故障等不成熟的特点，还要定期更换炭刷。而无刷电机的控制系统难度大，无刷直流电机的历史其实并不短。过去广泛应用于军工产品上。如：飞机、潜艇等。我们国家从二十世纪五十年代起就开始研制。无刷电机不再使用齿轮减速器，避免了齿轮传动中的效率损失，使效率可达 808 5，并较大幅度减小了噪音。但是，由于电动自行车上使用的无刷电机要求成本低、体积小、重量轻，使技术上出现了两大难题，一是扭矩小，二是会出现低速振动，
22、使一些电动自行车厂家无法实际使用无刷电机，随着现代科学技术的发展，目前，据悉，技术领先的电动自行车企业及有关电机厂已经成功的解决了这两个问题，他们采用了目前电动车用电机中最先进的无刷数码变频技术，使无刷电机的扭矩已经与有刷压制式电机相当，低速振动已经控制在一般感觉不到的范围。现在最新的电机系统采用目前最先进的无刷数码变频控制技术，是根据电机在不同转速所输出的信号到控制器，经过控制器数字取理器对接收到的信号进行分析后提供给电机相应的电流和适当的频率。在运行过程中适当的提前或滞后电子换向角度，使电机和控制器得到一个准确的配合，在各阶段都能发挥强大的转矩和更高的效率。电机系统的力矩特性和效率曲线大大
23、优于市场上的电机，最大扭矩可达40Nm 以上，爬坡能力可达 20 度。无刷数码变频电机系统磁钢有 40 块，矽钢片有86 片，磁场力大而损耗少，其电机系统重达 6.5kg，而一般无刷电机只有 20 块磁钢，矽钢片只用了 76 片，其电机系统不到 5kg，无刷数码变频电机的额定功率在180w3 50w 之间变动，在平路上正常行驶时功率为 180w，而爬坡时最大功率可以达到 350w。从而使爬坡与省电完美地结合起来。这样的电机自然就成为目前比较理想的高效率、大扭矩、低噪音、远续力的目标，无刷数码变频电机将成为今后几年电动自行车用的主力电机 3。1.2 论文研究内容及其创新点1.2.1 主要研究内容
24、本 论 文 主 要 研 究 的 内 容 是 电 动 车 无 刷 电 机 相 序 的 检 测 系 统 。 设 计 采 用 了AT89C51 单 片 机 作 为 主 控 制 单 元 ， 将 电 机 输 出 的 霍 尔 引 线 连 接 到 光 电 隔 离 电 路 ， 从电 路 输 出 的 信 号 再 接 入 单 片 机 。 单 片 机 对 进 入 它 的 信 号 进 行 判 断 检 测 ， 将 检 测 结 果输 出 到 显 示 电 路 ， 显 示 电 路 的 显 示 主 要 显 示 电 机 的 相 角 是 60还 是 120、 显 示 霍尔 分 别 对 应 的 相 序 线 ， 以 及 显 示 电 机
25、 绕 组 的 相 序 。 检 测 电 机 绕 组 的 相 序 时 ， 我 们 先控 制 单 片 机 ， 从 单 片 机 输 出 的 信 号 来 控 制 ULN2803 驱 动 器 进 而 驱 动 继 电 器 动 作 ，先 任 意 导 通 电 机 绕 组 的 两 相 ， 然 后 再 捕 捉 此 时 的 电 机 霍 尔 信 号 ， 再 根 据 电 机 霍 尔 信号 去 导 通 电 机 绕 组 的 相 应 两 相 ， 直 到 检 测 出 电 机 绕 组 的 相 序 ， 再 由 单 片 机 控 制 从 数码 管 输 出 相 应 的 电 机 绕 组 A、 B、 C 相 序 。1.2.2 研究的主要创新点
26、本论文研究的主要创新点主要是针对在电动车维修过程中，由于型号不对或者货源不足，需要让不同型号的电机和控制器进行对接。以往需要人工一个一个的试，或者需要人工根据经验做出判断然后才能实施对接以及出现对接错误时可能会烧毁电机的严重后果的情况，利用 AT89C51 单片机以及光耦、继电器还有数码管静态显示，通过软件编程，可以即插即显，也就是说只要将霍尔元件的三相以及电机的三相接在端口上，就可以很快在数码管上显示出正确的相序，可以方便的实施对接。本系统以 AT89C51 单片机作为主控制器，可以实行检测的自动化，不仅节省了大量的时间，而且方便了电动车的维修人员的维修工作,便于没有专业知识的普通员工使用，
27、所以此软硬件设备还便于普及。1.3 霍尔元件以及无刷电机工作原理的论述1.3.1 霍尔元件的基本工作原理无刷电机霍尔位置传感器是将有关外围电子元件集成在一起，组成一个有源的磁敏集成电路。通常将霍尔芯片、放大器、温度补偿电路、电源稳压电路、输出级等制作在同一块硅片上，然后用塑料封装。它是一个有源磁电转换元器件，我们俗称霍尔元件 4。霍尔元件内部的核心是霍尔芯片。霍尔芯片是一矩形半导体薄片，薄片厚度 极小，在薄片左右两侧面（即 X 轴方向）上通以恒定电流 I，在上下面（即 Z 轴方向）上施加上磁场 B，则在前后两侧面（即 Y 轴方向）上产生一电压 UH。此原理由科学家霍尔首先发现，故后人称为霍尔效
28、应。霍尔电压 UH 大小与磁场 B 和电流 I成正比，与厚度 d 成反比。具体原理如图 1-1 所示。石家庄铁道学院毕业设计5图 1-1 霍尔效应原理图直流无刷电机使用永磁转子，在定子的适当位置放置所需数量的霍尔器件，它们的输出和相应的定子绕组的供电电路相连。当转子经过霍尔器件附近时，永磁转子的磁场令已通电的霍尔器件输出一个电压使定子绕组供电电路导通，给相应的定子绕组供电，产生和转子磁场极性相同的磁场，推斥转子继续转动。到下一位置，前一位置的霍尔器件停止工作，下位的霍尔器件导通，使下一绕组通电，产生推斥场使转子继续转动。如此循环，维持电机的工作。在这里，霍尔器件起位置传感器的作用，检测转子磁极
29、的位置，它的输出使定子绕组供电电路通断，又起开关作用，当转子磁极离去时，令上一个霍尔器件停止工作，下一个器件开始工作，使转子磁极总是面对推斥磁场，霍尔器件又起定子电流的换向作用。霍尔元件有线性型和开关行之分，供电电源有 12V 和 5V 之别。用于电动自行车无刷电机的霍尔元件均为开关型（双极性开关型）且供电电源均为 5V。霍尔效应用于位置识别就是将电流 I 恒定（由控制器控制），则 UH 唯一随 B变化。开关型就是 UH 只有两个极限值，即高电平和低电平，无中间状态。易见，UH 的有无，也就是 B 的有无，而 B 随位置而变，这就是霍尔效应应用于位置识别的基本原理 5。1.3.2 电动车无刷电
30、机工作原理目 前 电 动 自 行 车 采 用 的 直 流 无 刷 电 机 都 是 三 相 电 机 ， 电 角 度 有 60 度 和 120 度两 种 。 电 机 极 数 大 部 分 为 18 极 ， 也 有 16 极 、 20 极 等 。 控 制 器 根 据 霍 尔 反 馈 的 电机 电 极 位 置 ， 控 制 相 应 的 功 率 驱 动 管 的 开 通 或 关 断 ， 在 定 子 中 产 生 旋 转 磁 场 ， 驱 动电 机 的 转 子 转 动 6。电 动 车 无 刷 电 机 主 要 工 作 在 三 相 六 拍 运 行 方 式 。 电 机 工 作 在 三 相 六 拍 运 行 方 式时 ， 每
31、 个 状 态 的 变 化 使 电 机 转 动 1 6 齿 距 ， 三 相 步 进 电 动 机 有 三 个 绕 组 ：A、 B、 C， 它 们 分 别 代 表 接 到 三 相 电 机 A 相 、 B 相 、 C 相 绕 组 的 驱 动 脉 冲 。 正 转通 电 顺 序 为 ： A AB B BC C CA A； 反 转 通 电 顺 序 为 ：A CA C BC B AB A。 三 相 激 励 规 律 为 A AB B BC C CA A 时对 应 时 序 如 图 1-2 和 图 1-3 所 示 。ABC图 1-2 60电机三相六拍时序控制图图 1-3 120电机三相六拍时序控制图电 动 车 无
32、刷 电 机 的 霍 尔 元 件 有 5 根 引 线 ， 分 别 是 霍 尔 元 件 的 公 共 电 源 正 极 、 公共 电 源 负 极 、 A 相 霍 尔 输 出 、 B 相 霍 尔 输 出 和 C 相 霍 尔 输 出 。 市 场 上 检 测 无 刷 电 机角 度 的 流 行 方 法 是 利 用 无 刷 控 制 器 的 5 根 霍 尔 引 线 ， 将 无 刷 电 机 霍 尔 元 件 引 线 的 正负 电 源 接 好 ， 其 余 A、 B、 C 三 个 相 位 传 感 器 的 引 线 ， 任 意 接 在 控 制 器 霍 尔 信 号 引线 的 引 线 ， 接 通 控 制 器 电 源 ， 有 控
33、制 器 给 霍 尔 元 件 供 电 ， 就 可 以 检 测 到 无 刷 电 机 的相 角 了 7。观察霍尔元件安装空间位置判断无刷电机的相角,1 20和 60两种相角电机的霍尔元件安装空间位置不一样。无刷电机的相角是无刷电机的相位代数角的简称,指无刷电机各线圈在一个通电周期里面线圈内部电流方向改变的角度.电动车用无刷电机常见的相位代数角有120与 60两种。石家庄铁道学院毕业设计7如 果 是 60 度 无 刷 电 机 ， 连 续 转 动 6 个 最 小 磁 拉 力 角 度 ， 则 测 量 出 的 霍 尔 真 值信 号 应 该 是 ： 100、 110、 111、 011、 001、 000。
34、调 整 三 个 霍 尔 元 件 引 线 的 引 脚 顺 序 ，让 真 值 的 信 号 严 格 按 照 上 面 的 真 值 顺 序 变 化 ， 这 样 对 于 60 度 无 刷 电 机 的A、 B、 C 三 个 相 位 就 判 断 出 来 了 。 如 果 是 120 度 无 刷 电 机 ， 连 续 转 动 6 个 最 小 磁拉 力 角 度 ， 测 量 出 的 霍 尔 真 值 信 号 应 该 是 按 照 100、 110、 010、 011、 001、 101 的规 律 变 化 ， 这 样 霍 尔 元 件 引 线 的 通 电 相 序 就 判 断 出 来 了 。 分 析 60 度 与 120 度 无
35、 刷电 机 霍 尔 真 值 信 号 ， 可 以 发 现 它 们 的 第 一 个 状 态 是 100， 第 二 个 状 态 都 是 110， 我们 可 以 认 为 100 状 态 的 1 代 表 电 机 的 A 相 线 ， 110 状 态 中 的 第 二 个 1 代 表 B 相 线 ，剩 下 的 一 个 引 线 就 是 C 霍 尔 引 线 了 。 需 要 说 明 的 是 ， 此 时 还 不 能 判 定 100 真 值 就是 代 表 120 度 无 刷 的 A、 B、 C 相 位 了 （ 可 能 是 B、 C、 A 或 C、 A、 B） 。 只 是 在维 修 实 践 中 ， 我 们 只 需 要 知
36、 道 120 度 无 刷 电 机 的 相 序 就 可 以 了 。 以 上 是 电 动 车 维 修人 员 经 常 采 用 的 检 测 方 法 ， 简 单 方 便 但 同 时 又 缺 乏 智 能 性 。要 检 测 电 机 的 角 度 ， 无 刷 电 机 的 接 线 方 法 也 不 是 唯 一 的 ， 无 刷 电 机 的 线 圈 引 线有 3 根 ， 霍 尔 引 线 有 5 根 ， 这 8 根 引 线 必 须 和 控 制 器 相 应 引 线 一 一 对 应 ， 否 则 电 机不 能 正 常 转 动 。 一 般 说 来 60和 120相 角 的 无 刷 电 机 需 要 由 与 之 相 对 应 的 60
37、和 120相 角 的 无 刷 控 制 器 来 驱 动 。 两 种 相 角 的 控 制 器 不 能 直 接 互 换 。 60相 角 的无 刷 电 机 与 60相 角 控 制 器 相 连 的 8 根 线 的 正 确 接 线 有 两 种 ， 一 种 正 转 ， 一 种 反转 。 因 为 对 于 120相 角 的 无 刷 电 机 ， 通 过 调 整 线 圈 引 线 的 相 序 和 霍 尔 引 线 的 相 序 ，电 机 与 控 制 器 相 连 的 8 根 线 的 正 确 接 法 可 以 有 6 种 8。1.3.3 无刷电机检测硬件设计的论述本 设 计 主 要 是 单 片 机 应 用 系 统 的 设 计
38、， 包 含 有 硬 件 设 计 和 软 件 设 计 两 部 分 。 本设 计 主 要 判 断 电 机 角 度 、 判 断 霍 尔 控 制 线 相 序 以 及 判 断 电 机 绕 组 相 序 。针 对 本 设 计 要 求 应 该 包 括 以 下 方 面 的 硬 件 设 计 ：(1)电 源 电 路 设 计 ： 单 片 机 电 源 电 路 设 计 以 及 复 位 电 路 设 计 、 继 电 器 电 源 电 路 设计 以 及 、 数 码 管 与 变 压 电 路 的 设 计 等 。(2)通 道 与 接 口 设 计 ： 由 于 大 多 数 通 道 都 是 通 过 I/O 配 置 ， 它 们 与 单 片 机
39、 本 身 并无 紧 密 联 系 ， 大 多 数 接 口 电 路 都 能 方 便 移 植 到 其 它 类 型 的 单 片 机 应 用 系 统 中 去 ， 但必 须 注 意 I/O 口 的 驱 动 能 力 ， 在 设 计 数 码 管 显 示 时 74LS164 与 数 码 管 显 示 电 路 之 间的 电 阻 值 应 匹 配 9。(3)显 示 电 路 ： 根 据 I/O10口 资 源 可 利 用 串 行 口 来 设 计 显 示 电 路 ， 在 显 示 电 路 中 ，我 们 用 前 三 位 数 码 管 来 显 示 霍 尔 元 件 的 相 序 ， 后 三 位 数 码 管 来 显 示 电 机 绕 组 的
40、 相 序 。(4)驱 动 电 路 以 及 其 执 行 电 路 ： 使 用 驱 动 器 来 驱 动 继 电 器 的 开 合 来 控 制 电 源 给 电机 的 A、 B、 C 三 相 中 两 相 的 导 通 。石家庄铁道学院毕业设计9第 2 章 硬件电路设计2.1 硬件电路的设计构思2.1.1 硬件电路的设计总体分析本设计要求能够利用单片机来判 断 电 机 角 度 、 判 断 霍 尔 控 制 线 相 序 以 及 判 断 电机 绕 组 相 序 。 针 对 设 计 要 求 ， 我 们 来 设 计 硬 件 电 路 。(1)要 判 断 电 机 的 角 度 ， 我 们 就 要 求 有 输 入 电 路 ， 我
41、 们 把 霍 尔 元 件 的 三 相 做 为 输入 ， 输 入 单 片 机 。 经 单 片 机 检 测 其 信 号 ， 就 可 以 知 道 它 的 电 机 角 度 。(2)要 判 断 霍 尔 控 制 线 相 序 ， 就 必 须 知 道 其 霍 尔 元 件 的 三 相 的 信 号 ， 所 以 仍 然 以霍 尔 元 件 的 1、 2、 3 三 相 做 为 输 入 ， 输 入 单 片 机 。 经 过 单 片 机 的 检 测 其 三 相 六 拍 规律 ， 我 们 就 可 以 检 测 出 其 相 序 。(3)我 们 要 判 断 电 机 绕 组 相 序 ， 根 据 其 内 部 规 律 ， 就 必 须 要
42、导 通 A、 B、 C 三 相中 的 任 意 两 相 ， 再 通 过 此 时 霍 尔 元 件 的 信 号 来 判 断 电 机 的 绕 组 相 序 。 要 导 通 其 中 任意 两 相 ， 就 必 须 要 求 第 三 相 不 能 导 通 ， 这 样 我 们 就 可 以 利 用 继 电 器 的 互 锁 来 解 决 这个 问 题 ， 所 以 我 们 要 用 到 继 电 器 电 路 及 其 驱 动 电 路 。(4)我 们 要 把 检 测 结 果 要 显 示 出 来 ， 就 必 须 要 有 显 示 电 路 ， 我 们 可 以 采 用 数 码 管显 示 其 角 度 以 及 相 序 。最 后 ， 我 们 要
43、 用 的 这 些 硬 件 器 件 ， 要 能 工 作 ， 就 必 须 要 有 电 源 电 路 ， 我 们 还 要设 计 电 源 电 路 来 给 器 件 供 电 。电 源 电 路 的 硬 件 原 理 框 图 设 计 11如 图 2-1 所 示 ：图 2-1 电源电路原理框图变压 整流 电容滤波第一级稳压 第二级稳压220V转 动电 机AT89C51 单片机检测数码管输出显示以霍尔元件的 a、b、c三相信号为输入总的硬件设计原理框图如图 2-2 所示：图 2-2 硬件设计原理框图2.1.2 分步硬件电路的原理框图1 判 断 电 机 角 度 以 及 霍 尔 控 制 线 相 序 的 原 理 框 图 如
44、 图 2-3 所 示图 2-3 判断电机角度及霍尔控制线相序原 理 框 图2 判 断 电 机 绕 组 相 序 的 原 理 框 图 如 图 2-4 所 示图 2-4 判断电机绕 组 相序原 理 框 图接通电机绕组AT89C51 单片机捕捉此时的霍尔信号再根据捕捉的霍尔信号，导通相应的两相定时器定时控制，数码管输出显示数码管显示电路发光二极管显示导通的电机绕组霍尔元件的三相输入光电隔离电路AT89C51时钟电路复位电路光电隔离电路驱动电 路继电器动作霍尔信号的变化石家庄铁道学院毕业设计112.2 霍尔信号输入电路的基本设计在本设计中，我们要将霍尔元件的信号输入单片机。由于单片机只能识别 0 和1，
45、所以要将其信号转化为高低电平，才能输入单片机。在确定输入电路时应注意切断来自传感器、测量信号功能模块、控制信号功能模块部分的干扰。所以我们采用光电隔离来解决这个问题。采取的主要措施有：模拟电路通过隔离放大器进行隔离，数字电路通过光电耦合器进行隔离、模拟地和数字地分开 12。本 设 计 中 从 无 刷 电 机 输 出 的 8 根 引 线 中 有 三 根 细 线 ， 它 们 是 霍 尔 元 件 输 出 的 信号 ， 相 序 分 别 为 a,b,c,由 于 不 确 定 霍 尔 相 互 出 线 的 具 体 输 出 相 序 ， 需 要 将 其 引 出 到图 2-5 输入电路单 片 机 进 行 检 测 。
46、 但 是 由 于 电 机 输 出 的 电 压 与 电 流 都 不 确 定 ， 为 防 止 霍 尔 输 出 的 强电 压 或 强 电 流 进 入 单 片 机 ， 烧 毁 单 片 机 因 此 我 们 采 用 了 光 电 隔 离 电 路 来 切 断 干 扰 。将 从 隔 离 电 路 输 出 的 对 应 霍 尔 信 号 分 别 命 名 为 P1.0、 P1.1、 P1.2、 分 别 引 入 到 单 片机 的 P10、 P11、 P12 口 ， 这 样 可 有 效 防 止 干 扰 ， 保 护 单 片 机 的 安 全 使 用 。 限 流 电 阻的 取 值 ,是 我 们 根 据 光 电 隔 离 器 的 最
47、佳 导 通 电 流 为 10mA 来 选 择 的 ， 由 于 霍 尔 信 号供 电 电 源 是 +5V 电 源 ， 所 以 我 们 选 择 0.51K 的 电 阻 ， 这 样 就 基 本 达 到 光 电 隔 离 器 最佳 导 通 状 态 。 其 电 路 如 图 2-5 所 示 。2.3 驱动电路驱动信号输出的设计在电机相序检测中，我们需要控制单片机送出信号来导通电机绕组的两相，但是由于单片机的电源一般为+5V，而我们驱动电路采用的是 +12V 的电源，所以我们要在其中加上光电隔离，如图 2-6 所示。图 2-6 驱动电路驱动信号输出的设计从单片机的 P0 口输出控制驱动电路的信号经过光电隔离，
48、然后再进入驱动电路，最后再驱动继电器工作。2.4 驱动器电路的选择在本设计中，我们采用 ULN2803 作为我们的驱动器，来驱动继电器工作。ULN2803 广泛用于计算机，工业消费类产品中。所有器件有集电极开路输出和用于瞬变抑制的续流箝位二极管。ULN2803 是八组 NPN 型达林顿功放三极管集成芯片，集电极输出功率可达 50V500mA。其内部电路以及其具体连接电路如图 2-7 所示。石家庄铁道学院毕业设计13图 2-7 驱动器电路2.5 继电器型号的选择原则2.5.1 开关继电器的选择在本设计中，我们开始采用六个单刀单掷开关继电器，但是可能会出现单个线圈被直接加在电源两端，可能会烧毁线圈
49、，严重影响检测结果。为此，我们选择三个单刀单掷开关继电器以及三个双刀双掷开关继电器来代替原来的单刀单掷开关继电器。具体接线时，我们把双刀双掷开关继电器的常开点直接与电源相连，然后与线圈相连，在线圈的接地电路上，我们先接上双刀双掷开关继电器的常闭点，再接上单刀单掷开关继电器的常开点，这样，无论是测哪两相之间的电压就都不会出现上述情况了。并且在每个电路上，我们都接上发光二极管，来显示是哪条电路正在导通。为了保护继电器线圈，我们在其两端都反并上二极管。其电路如图 2-8 所示。图 2-8 继电器电路2.5.2 继电器选用的基本技术要求继 电 器 的 选 用 对 于 检 测 电 机 绕 组 的 相 序 具 有 十 分 重 要 的 意 义 ， 直 接 关 系 到 检 测结 果 ， 故 而 我 们 对 继 电 器 的 基 本 技 术 有 一 定 要 求 。 一 个 继 电 器 虽 然 有 很 多 技 术 参 数 ，各 种 继 电 器 的 技 术 参 数 也 不 尽 相 同 ， 但
