无刷电机控制器的相序检测系统设计毕业设计.docx
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无刷电机控制器的相序检测系统设计毕业设计
毕业设计成绩单
学生姓名
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
无刷电机控制器的相序检测系统设计
指导教师姓名
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
无刷电机控制器的相序检测系统设计
学生姓名
班级
电0401-2班
学号
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
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控制器相序检测系统
2、软件编程
二、基本要求
1、检测控制器角度
2、判断霍尔控制线相序
3、判断控制器三相电源相序
4、判断控制器故障
三、主要技术指标
1、显示60度/120度角控制器
2、显示霍尔位置相序及与其对应的电机电源相序
3、显示控制器故障
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、无刷电机控制器方面的资料
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13周编写软件，系统调试
第13周~第14周完成论文。
教研组主任签字
时 间
2008年2月26日
毕业设计开题报告
题 目
无刷电机控制器的相序检测系统设计
学生姓名
学号
班级
电0401-2
专业
电气工程及其自动化
一、研究背景以及现状
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。
据业内人士预测，未来几年内，电动车的容量几乎相当于自行车的市场容量，全国4.5亿辆自行车用户中至少有3亿的用户将成为电动车的用户。
电动车的电机分为有刷和无刷两种，而电动车有刷电机有它致命的缺陷就是２年之内必须更换碳刷，无刷电机的优点即电机不需要维护。
因此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。
同时随着现代无刷直流电动机的应用越来越广泛，无刷直流电机控制器的相关技术也得到了飞速发展，其中由美国安森美公司开发的高性能第二代无刷直流电机控制器MC33035最具有代表性。
本设计是以AT89C51单片机为核心的无刷电机控制器相序检测系统，达到软件检测的目的。
二、研究方案
通过电路图绘制，将电机控制器的霍耳引出线输入到单片机，应用AT89C51单片机进行软件检测，将测得的各引线对应的霍耳相序输出到数码管进行显示，并将电机电源的角度进行显示，采用继电器控制驱动电机动作，确定控制器电源相序。
使其可以实现以下功能：
⑴检测控制器角度
⑵判断霍尔控制线相序
⑶判断控制器三相电源相序
⑷判断控制器故障
三、预期目标
⑴三个数码管分别对应控制器三根电源线，当三个数码管显示OOO表示控制器完好，显示EEE时，表明该显示对应的控制器相序出现问题，需要检测。
⑵测出电机控制器的角度60°或120°并显示在数码管上。
⑶可在数码管上显示各霍耳引出线对应的相序。
⑷通过软件控制，可确定控制器的三根电源引线分别是A、B、C相。
指导教师签字
时间
年 月日
摘要
无刷电机控制器的相序检测系统采用AT89C51单片机作为主控制单元，用来检测美国安森美公司的MC33035控制器的工作情况以及霍尔器件的工作性能。
设计中检测系统的外部电路包括光电耦合隔离电路、继电器以及驱动电路。
设计采用AT89C51单片机检测无刷电机控制器的好坏及其相序和霍尔元件的相序，在所检测控制器的工作性能良好的情况下，将其相序输出到数码管显示电路，同时判断霍尔控制线的相序。
本设计主要是针对无刷电机控制器的相序检测系统，是电动车检测系统的一部分。
这个电动车检测系统主要是为了方便维修人员检修电动车，同时也适用于对电动车以及无刷电机控制器的工作原理还不太了解的客户，使其能够清晰的了解到电动车无刷电机控制器的工作性能并及时更换工作性能较差的器件。
关键字：
无刷电机控制器AT89C51单片机检测系统
第1章绪论
电动自行车以电力作动力,骑行中不产生污染,无损于空气质量，而且未来的电动车应该是以无位置传感器（霍耳元件）的3相无刷电机为主流。
由于省却了位置传感器，电机结构更简单，可靠[1]。
电机只有3条绕组线，维护更简单、方便。
因而与之相配的无刷控制器技术含量更高，更换无刷电机控制器将变得异常简单。
从改善人们的出行方式、保护环境和经济条件许可情况等因素综合来看,电动自行车目前乃至今后都有着广阔的发展空间。
随之而来的如何对出现问题的电动车进行检测已经成为工程技术人员研究的主要方向。
1.1国际和国内的研究现状
目前国际和国内的无刷电机控制器的种类繁多，生产厂家各异，为了简述控制器的研究现状，我将一些比较典型的控制方案进行了简述和比较：
（1）IC方案：
市场推广最早，4个逻辑门的IC加PIC芯片，首先开始做无刷控制，其逻辑控制通过硬件完成。
PIC品牌使它当初在市场上具有不可动摇的地位，从而市场上破解版本很多，最初推出时性能并不稳定，后经过晶汇改进，软件技术几乎做到了极致，后来晶汇推出的CYPRESS在软件基本上都是建立在此基础上的。
（2）松正的33035方案：
松正是电动车控制器行业的先锋者，最初做有刷控制器，后期做的无刷控制器方案，硬件电路复杂，电源部分采用开关电源和升压电源驱动MOS，33035+MCU使得他的方案只能他自己做，软件显得有点无力，硬件部分复杂，而且做到终身保修。
但总体来说，技术含量已经从本质上转移，电路复杂到一般人无法维修该方案的控制器。
（3）CYPRESS方案：
CYPRESS芯片一推出，它独立的逻辑电路设计，就受到大部分开发工程师的欢迎，而且它可以任意定义任何I/O口的功能，不仅方便软件设计，同时对于制板也是极大的方便，未来的IC发展还是以这样的趋势，最成功的案例首推晶汇，他们是最早做CYPRESS方案之人，紧随其后就是南京溧水，后来就有上海瑞峰等。
（4）NEC方案：
日本的控制方案，价格相对便宜，符合大多数开发商的利益。
NEC最大的优势也就是在IC的价格，性能可以说并不占优势，最大特点就是有8K的FLASH空间，可以扩展功能，但一路PWM毕竟有限，而且矽成微电子是通过自身封装的逻辑处理ICXC0806来做同步续流。
目前市场上矽成微电子和紫薇单片机是后起之秀，他们是做无同步续流的，但电流处理技术首屈一指，所以，测功机上测试的曲线是做的最理想的。
（5）AVR方案：
此方案的推广过程曲折。
AVR的芯片资源是最适合做无刷控制器的，6路相位修正型PWM完全可以不依赖外围电路来处理逻辑驱动的关系，目前最成功的数无锡方振电子，他们省掉了放大器，采用开关电路，功耗方面有点大，但稳定性方面很多客户还是认可，电流处理方面，采用芯片内部AD参考电压1.1V，可以说是完全单芯片的控制方案。
但也有不足之处，就是太过依赖MCU，放大器省掉有点风险，电流毕竟是无刷控制的核心，完全采样于康铜，直接考验MCU的极致的分辨率。
（6）合泰义隆等台湾芯片：
合泰最早也是推出MCU+33035的方式，但后来也有用其他控制芯片的。
台湾芯片大部分是OTP的，即一次性烧录的，不具备FLASH功能，芯片抗干扰能力也有待考验。
松正就用的是一次性烧录的芯片，义隆是很早就想介入无刷控制器领域的，他最早的EM78P418/419就针对电控来做的，但由于抗干扰能力存在质疑，所以推广度一直不高。
（7）ST方案：
ST是无霍尔技术应用比较成功的一款芯片。
无霍尔是最近几年最热门的话题，如果可以成功，那将是控制器技术的又一大进步[2]。
综上所述，目前国际国内的控制器发展迅速，控制器的种类繁多，其中MC33035是相当经典芯片，所以我选择以MC3305控制器进行控制器相序检测系统的设计。
1.2研究对象的技术指标
电动自行车作为一种新型的代步工具，影响其质量的最主要的部件是电机和控制器，当电机确定后，控制器的质量就决定了电动自行车的运行好坏。
控制器的质量由其控制特性和可靠性两方面决定[1]。
控制特性主要指电机运转的平稳性、调速特性和负载能力。
对控制器的考验主要是对功率驱动管的负载能力的考验。
运转的平稳性除与电机机械和装配质量有一定的关系外，还与控制器、电机间的匹配及采用的控制技术有密切的关系。
而控制器的可靠性与采用的元器件、电路设计、装配质量等因素有关,其中，尤以控制器所用的功率驱动管的负载能力最为重要。
在骑行中,控制器的驱动管处于大电流的开关运行过程，因此，从某种意义上讲，驱动器的带负载运行能力是控制器最重要的技术指标。
影响控制器可靠性的因素即控制器的失效的原因，从表现形式来看，一般有以下几种：
（1）功率器件损坏；
（2）控制器内部供电电源损坏；（3）控制器工作时断时续；（4）连接线磨损及接插件接触不良或脱落引起控制信号丢失[3]。
针对以上失效形式的起因分析如下：
（1）功率器件的损坏，一般有以下几种可能：
电机损坏引起的；功率器件本身的质量差或选用等级不够引起的；器件安装或振动松动引起的；电机过载引起的；功率器件驱动电路损坏或参数设计不合理引起的。
（2）控制器内部电源的损坏，一般有以下几种可能：
控制器内部电路短路；外围控制部件短路；外部引线短路。
（3）控制器工作起来时断时续，一般有以下几种可能：
器件本身在高温或低温环境下参数漂移；控制器总体设计功耗大导致某些器件局部温度过高而使器件本身进入保护状态；接触不良。
（4）连接线磨损及接插件接触不良或脱落，一般有以下几种可能：
线材选择不合理；对线材的保护不完备；接插件的选型不好。
提高控制器的可靠性的方案：
了解电动车控制系统可能发生故障点以后，有针对性的可靠性设计就有了目标。
（1）首先是功率器件的型号，品牌，产地与供应商的选择，然后对功率器件的筛选，以上两点是提高功率器件可靠性前提。
对无刷电机控制器而言，大多数厂家采用专用驱动芯片驱动。
专用驱动芯片的不足之处是价格较高，内部的变电路采用了有源电路，转换效率偏低，其主要的应用场合是在周围电路完全没有交流电存在情况下，利用其内部电路完成变频、升压与整流。
（2）对于控制器的内部电源，为了防止控制器内部或外部短路对电源的损坏，同时也是出于对电源自身的保护，可以把电源设计成独立供电方式，这样既可以防止局部电路（转把，闸把、电机传感器等）发生短路而烧坏控制器，又可以防止电源电压异常升高而击穿外部器件。
所以采用DC—DC模块的负载能力强，自身的功率损耗相当低（不到0.1W），这在提高控制器的整体效率，降低控制器的运行温度方面有着线形稳压器无可比拟的优点。
（3）要克服控制器对温度的敏感，第一是选择温度系数好的元器件，第二是从设计上降低各模块电路的功率消耗，第三是尽量减少无用功消耗，第四是充分考虑到控制器的散热。
在电动车控制器里，用于采样电流信号的阻值大功率电阻器件属于控制的功率器件之一，电流采样电阻的功率消耗属于无用消耗，要减小控制器的功耗，降低控制器的运行温度，可以利用电机的转速与电机电流的绝对对应关系，通过检测电机转动转速来检测电机电流，从而达到控制电流的目的。
（4）由于电动车电气系统信号的传输是用连接线束来完成的，出于提高电动车整车的可靠性和提高控制器本身的可靠性出发，对电动车连接线束与接插件的要求是：
可靠、防水、防尘、抗震、抗氧化、防磨损。
对于无刷电机控制器，由于输入控制变量与控制器使用功率器件比较多，控制器可以利用各种输入信号对控制系统完成相当完善的与想当灵活的保护，这些保护功能可以有：
过流保护、低电流过载保护、电机换相信号错误保护以及在没有过流的情况下电机堵转直接保护等。
无刷控制器通过直接读取各种控制信号，进行实时处理或保护，这种方法就可以大大提高无刷控制器的设计可靠性[4]。
现在电动自行车充分运用当今新技术、新材料,尤其采用集成电路、电子元器件,提高了电动自行车控制器的质量,使其可靠性、安全性、灵活性得到提高[12]。
当今，控制器按照与之相配的电机不同可分为：
有刷控制器和无刷控制器两类。
按照功能不同可分为：
普通型和智能型两类。
智能型一般具有助力、定速等功能。
按照电路形式可分为：
纯硬件型和软件型两类。
纯硬件简单、造价低；软件型造价高，但功能齐全，可靠性更高。
目前，电动自行车所用的控制器的型号和特点如下表1-1。
表1-1电动自行车控制器的型号和特点
控制器名称
代表型号
电路结构
功率管数
价格
骑行模式
功能描述
普通有刷
ZK3610A
简单
1～2
低
单一“电动”骑行功能
欠压、限流/过流
智能有刷
ZKC3610E
简单
1～2
中
“助力”、“电动”、“定速”
欠压、限流/过流、故障自检/显示
普通无刷
WZK3610A
复杂
6
高
单一“电动”骑行功能
智能无刷
WZKC3610E
复杂
6
高
“助力”、“电动”、“定速”
欠压、限流、电机堵转保护、缺相保护、故障自检/显示
目前，我国关于无刷电机控制器的检测系统大部分是依照控制器的工作原理搭建硬件电路，通过外部发光管的亮灭情况，分析所检测控制器的角度和相序，确定和电机的连接正确性。
但是其电路复杂，而且需要人工干预判断，尤其是相序判断的过程。
这些问题摆在设计人员的眼前，而且只从更改硬件电路方面是不能解决这些问题的。
现在，如何应用微机既能实现简化硬件电路又能实现电机控制器的相序检测以及与电机的正确连接问题成为现在工程技术人员的主要研究方向。
1.3研究设计内容
本论文主要研究的内容是电动车无刷电机控制器的相序检测系统。
设计采用了AT89C51单片机作为主控制单元,将控制器输出的三根电源引线（控制器输出的三根粗线）连接到光电隔离电路，从光电隔离电路输出的信号再接入单片机，以达到防止控制器输出信号出现强电压或强电流时对单片机产生损坏的现象，而且光电隔离电路输出的信号仅有高、低电平两种状态。
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控制器的相序、三个霍耳元件是否工作正常、显示霍耳分别对应的相序线、控制器的角度）最后通过单片机软件编程控制输出信号到光电隔离电路，再经过三极管驱动继电器动作，从而决定霍尔元件是否接地。
霍尔元件是否接地又对应的影响控制器的相序输出，由此可以清楚的判别出控制器和霍尔的相序并输出显示。
1.4研究设计的创新点
本设计改变了过去无刷电机控制器的相序检测系统必需人工干预的缺点，采用AT89C51作为控制核心，用软件编程控制外部硬件电路的相应变化（主要是继电器常开点的断开或闭合）,并可以直观地在数码管显示器上观察控制器的三相电源的相序，以及霍尔控制线的相序，根据数码管显示器上的显示，就可以正确地连接无刷电机和控制器，整个过程不需要人的干预，在接线完成后全部是系统自身完成的。
由于没有人的干预，减少了由于操作人员技术上的差异所引起的检测结果的失误，保证了检测结果的准确性。
第2章设计方案
2.1无刷电机控制器的工作原理
目前无刷电机控制器采用的核心芯片一般选择美国安森美公司的MC33033或MC33035，或者选择德州仪器公司的TMS320C240。
以下我将以MC33035为例介绍无刷电机控制器的核心芯片。
MC33035无刷直流电机控制器采用双极性模拟工艺制造，可在任何恶劣的工业环境条件下保证高品质和高稳定性。
该控制器内含可用于正确整流时序的转子位置译码器，以及可对传感器的温度进行补偿的参考电平，同时它还具有一个频率可编程的锯齿波振荡器、一个误差信号放大器、一个脉冲调制器比较器、三个集电极开路顶端驱动输出和三个非常适用于驱动功率场效应管（MOSFET）的大电流图腾柱式底部输出器。
此外，MC33035还有欠压锁定功能，同时带有可选时间延迟锁存关断模式的逐周限流特性以及内部热关断等特性。
其典型的电机控制功能包括开环速度、正向或反向、以及运行使能等。
MC33035的管脚分布情况如图2-1所示：
图2-1MC33035的管脚分布图
MC33035内部的转子位置译码器主要用于监控三个传感器输入，以便系统能够正确提供高端和低端驱动输入的正确时序。
传感器输入可直接与集电极开路型霍尔效应开关或者光电耦合器相连接。
此外，该电路还内含上拉电阻，其输入与门限典型值为2.2V的TTL电平兼容。
用MC33035系列产品控制的三相电机可在最常见的四种传感器相位下工作。
MC33035所提供的60°/120°选择可使MC33035很方便地控制具有60°、120°、240°或300°的传感器相位电机。
其三个传感器输入有八种可能的输入编码组合，其中六种是有效的转子位置，另外两种编码组合无效。
通过六个有效输入编码可使译码器在使用60°电气相位的窗口内分辨出电机转子的位置。
MC33035直流无刷电机控制器的正向/反向输出可通过翻转定子绕组上的电压来改变电机转向。
当输入状态改变时，指定的传感器输入编码将从高电平变为低电平，从而改变整流时序，以使电机改变旋转方向。
电机通/断控制可由输出使能来实现，当该管脚开路时，连接到正电源的内置上拉电阻将会启动顶部和底部驱动输出时序。
而当该脚接地时，顶端驱动输出将关闭，并将底部驱动强制为低，从而使电动机停转[1]。
MC33035中的误差放大器、振荡器、脉冲宽度调制、电流限制电路、片内电压参考、欠压锁定电路、驱动输出电路以及热关断等电路的工作原理及操作方法与其它同类芯片的方法基本类似。
基于MC33035的三相六步电机控制电路如图2-2所示：
图2-2三相六步全波电机控制电路
图2-2所示的三相应用电路是具有全波六步驱动的一个开环电机控制器的电路连接图。
其中的功率开关三极管为达林顿PNP型，下部的功率开关三极管为N沟道功率MOSFET。
由于每个器件均含有一个寄生箝位二极管，因而可以将定子电感能量返回到电源。
其输出能驱动三角型连接或星型连接的定子，如果使用分离电源,也能驱动中线接地的Y型连接。
在任意给定的转子位置，图2-2所示的电路中都仅有一个顶部和底部功率开关（属于不同的图腾柱）有效。
因此，通过合理配置可使定子绕组的两端从电源切换到地，并可使电流为双向或全波。
由于前沿尖峰通常在电流波形中出现，并会导致限流错误。
因此，可通过在电流检测输入处串联一个RC滤波器来抑制尖峰。
同时，RS采用低感型电阻也有助于减小尖峰。
2.2霍尔元件的工作原理
在无刷电机的驱动控制中，为了检测转子的位置常采用霍尔元件，用以传送控制系统的位置或速度偏差电压，即利用霍尔元件的乘算功能产生同偏差成比例的无刷电机力矩。
由于霍尔集成传感器的应用，可使得控制系统大为简化。
霍尔元件是基于霍尔效应原理，用半导体材料制成的。
所谓霍尔效应：
即通电导体置于磁场中，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间会产生电动势，其工作电路图如下图2-3所示。
图2-3霍尔元件的工作原理图
当环境温度和激励电流一定时，霍尔电势大小与磁感强度成正比，因此可通过霍尔元件能检测磁场的强弱。
无刷电机中一般用永磁磁钢，在定子线圈中流过交流或脉动电流，利用产生旋转磁场的方法，省去了电刷和整流子，而旋转磁场的磁极和旋转永磁磁钢的磁极之间保持近90度的力矩角，能产生效果良好的力矩。
霍尔位置传感器元件较小，一般放置在各相带绕组的中间位置，可以60°间隔放置，也可以120°间隔放置。
无论怎样放置，在一定范围内，位置传感器的一个状态对应着转子磁极与定子绕组的相对位置[2]。
为此，可采用霍尔元件作磁敏传感器检出转子位置，用这位置信号来控制控制器输出电源相序的变化。
2.3无刷电机控制器的相序检测硬件框图
本设计主要是单片机为核心的应用系统的设计，包含有硬件设计和软件设计两部分，针对本设计的要求，包括以下方面的硬件设计：
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、数码管与可调电压电源电路的设计等。
电源电路的硬件框图如下图2-4所示。
图2-4电源电路的硬件框图
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。
③显示电路：
根据I/O口资源可利用串行口来设计显示电路。
设计系统抗干扰：
为了使系统可以在不同的环境中得到应用，系统中设计可抗干扰电路，例如光耦隔离电路。
设计中整个硬件电路的框图如图2-5所示。
图2-5硬件框图
2.4单片机的硬件电路设计
2.4.1复位电路的设计
计算机在启动运行时都需要复位，使CPU和系统中的其它部件都处于一个确定的初始状态，并从这个状态开始工作。
单片机的复位都是靠外部电路实现的，单片机有一个复位引脚RST，高电平有效。
在AT89C51单片机的RST端输入24个振荡周期（两个机器周期）以上的高电平，单片机便进入复位状态。
在复位时，输出信号ALE、
为高电平。
RST变为低电平，退出复位状态，CPU从初始状态开始工作。
复位操作不影响片内RAM的内容[3]。
单片机通常采用上电自动复位和开关手动复位两种方式。
所谓上电复位，是指单片机只要以上电，便自动进入复位状态。
在通电瞬间，电源给电容充电，RST端出现正脉冲，用以复位。
设计中采用的晶体频率为12MHz，根据经验，可以选择C=10
，R=8.2k
。
在本检测系统中，由于系统运行后不需要复位，所以只采用上电复位。
复位电路如下图2-6所示。
图2-6复位电路
2.4.2时钟电路
AT89C51单片机的时钟产生方式有两种：
内部时钟方式和外部时钟方式。
最常用的内部时钟方式是采用外接晶体和电容组成并联谐振回路，所有的单片机并联谐振回路参数相同。
AT89C51单片机允许的振荡晶体可在1.2～12MHz之间选择，本系统选择晶体频率为12MHz。
时钟电路的外接晶体可以分为石英晶体和陶瓷谐振警惕两种。
本设计采用外接石英晶体，电容C1和C2的值选择为30pF[4]。
电容C1和C2的取值对振荡频率输出的稳定性、大小及振荡电路的起振速度有一定的影响。
时钟电路图如图2-7所示。
图2-7时钟电路
振荡器的振荡频率由外接的石英晶体或陶瓷振荡器的谐振频率确定。
为了减小寄生电容，更好的保证振荡器稳定可靠的工作，石英晶体或陶瓷振荡器和电容应该尽可能安装得与单片机芯片靠近。
外部时钟方式是利用外部振荡信号直接接入XTAL1或XTAL2，由于HMOS和CHMOS单片机内部时钟进入的引脚不同，其外部振荡信号源接入的方式也不同。
由于本检测系统中采用的是内部时钟方式，在此对外部时钟方式就不做详细介绍了。
2.5显示电路的设计
2.5.1显示方法的介绍
设计的显示部分采用数码管显示（LED显示）。
LED数码管的主要特点如下：
（1）能在低电压、小电流条件下驱动发光，能与CMOS、TTL兼容。
（2）发光响应时间极短（<0.
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