无刷电机相序检测系统设计.docx
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无刷电机相序检测系统设计
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石家庄铁道学院毕业设计
无刷电机相序检测系统设计
TheTestingSystemDesignofBrushlessMotorPhaseSequence
2008届电气与电子工程分院
专业电气工程及其自动化
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
Abstract
WechoosethemicrocomputerAT89C51astheunit,whichisusedtotesttheconditionofbrushlessmotorandtheconditionofhalldeviceforElectricBicycle.weusedbrightandelectricisolatingcircuit,delayanddrivingcircuit.
WeusedmicrocomputerAT89C51totesttheconditionofhallcomponentsandthesequencesofhall,tooutthesequencesofhallwithgoodconditionstothedigitaltubeandjugethemotor’ssequences.Themainideaofthisdesignistotesttheconditionsofbrushlessmotor,anditisalsoapartoftestingsystemforElectricBicycle.Wedesignedtheintelligenttestingsystemtoconvinentthemaintenanceworkers.Itisalsosuittheclientswhodonotunderstandtheworkingofbrushlessmotortorealizeandexchangetheworsedevice.
Keywords：
BrushlessmotorAT89C51DelayTestingsystem
第1章绪论1
1.1课题研究的目的和意义及电动车电动机发展简介1
1.1.1课题研究的目的和意义1
1.1.2电动车电动机发展简介2
1.2论文研究内容及其创新点3
1.2.1主要研究内容3
1.2.2研究的主要创新点4
1.3霍尔元件以及无刷电机工作原理的论述4
1.3.1霍尔元件的基本工作原理4
1.3.2电动车无刷电机工作原理5
1.3.3无刷电机检测硬件设计的论述7
第2章硬件电路设计9
2.1硬件电路的设计构思9
2.1.1硬件电路的设计总体分析9
2.1.2分步硬件电路的原理框图10
2.2霍尔信号输入电路的基本设计11
2.3驱动电路驱动信号输出的设计12
2.4驱动器电路的选择12
2.5继电器型号的选择原则13
2.5.1开关继电器的选择13
2.5.2继电器选用的基本技术要求14
2.5.3继电器的选择14
2.5.4继电器电压的选择15
2.6数码管显示电路的选择16
2.6.1动静态显示方法的选择16
2.6.2静态数码显示的具体应用简介17
第3章系统软件设计20
3.1软件系统简述20
3.1.1软件设计基本要求20
3.2电动车60°和120°的检测规律20
3.3软件主程序流程图23
3.3.1霍尔输入判断子程序流程图24
3.3.260度电机霍尔相序检测子相序流程图25
3.3.3120度电机霍尔元件相序检测子程序流程图26
3.3.460度电机绕组相序检测子程序流程图27
3.3.5120度电机绕组相序检测子程序流程图28
第4章结论与展望29
4.1结论29
4.2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
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4－5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72~76％。
但这一电机有“嗡嗡”的高频声噪音，靠齿轮减速后效率仍不理想，有刷换相器的使用使电机寿命无法再提高。
2000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74％－78％，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。
2001年开始在有些厂家用的有刷无齿电机，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，2003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80％－85％，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，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优于市场上的电机，最大扭矩可达40N•m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180w－350w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
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
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，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δ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。
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。
A
B
C
图1-260°电机三相六拍时序控制图
图1-3120°电机三相六拍时序控制图
电动车无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,120°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。
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。
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°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，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/O[10]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
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