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1、电动自行车调速系统的设计摘 要单片机控制的永磁无刷直流电动机调速系统适用于电动自行车等小功率的工作情况。并能将多余的电能回溃。该系统具有调速性能好、功率因数高、节能、体积小、重量轻等优点。本文从系统要求分析入手，将整个系统分成四个部分，分析和讨论了各个部分的电路原理、控制策略、实现方法。详细讨论了系统的各种工况及信号的传递情况，并得到了系统各个部分在不同工况的工作状态。系统各部分的控制电路基于Intel公司的控制芯片8051单片机。根据永磁无刷直流电动机的特性实施脉宽PWM控制，并通过转速传感器测量转速通过八段数码管动态显示转速，通过软硬件的配合，实现了整个系统的设计要求。本文主要是让更多的人
2、正确的认识电动自行车和对电动自行车的主要器件的保养，便与延长电动自行车的寿命。 关键词：单片机；脉宽调速系统；电动机；传感器；蓄电池Electric Bicycle Speed Control System DesignAbstract Author : Chen Yan Tutor : Li XiuyingSCM control of permanent magnet brushless DC motor speed control system applicable to electric bicycles, and other low-power work. Redundant powe
3、r and can return to collapse. The system has good speed performance, high power factor, energy saving, small size, light weight, and other advantages. This paper analyzes the requirements from the system, the whole system will be divided into four parts, analysis and discussion of the various parts
4、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. Acco
5、rding 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, through hardware and software support, for the entire system design requirements. This paper is designed to allow more people to the correct
6、 understanding of electric bicycles, and electric bicycles on the main device maintenance, and would extend the life of electric bicycles. Key words: SCM; pulse speed control system; motor; speed sensor; battery毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢
7、的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位论文原创性
8、声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期： 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文
9、按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日目 录1 绪论.12 系统要求.23总体设计.44 硬件选择和设计 .54.1 MCS-51单片机内部结构 .54.2 A/D转换芯片.84.3 永磁无刷直流电动机.94.4 三端式稳压器78LM05.124.5 集成转速传感器KMI15-1.154.6 译码器.184.7 电动自行车的核心蓄电池.194.8控制器与保护功能 205系统电路设计.23 5.1 电源电路.23 5.2 显示电路.23 5.3 控制电路.23 5.4 驱动电路及原理.24结论.28致谢.29参考文献.30附录.31附录A.33附录B.341绪
10、论电动车的发展史比燃油汽车更长，世界上第一辆机动车就是电动车。后来，由于燃油汽车技术的迅速发展，而电动车在能源技术和行驶里程的研制上长期未能取得突破，从20世纪20年代初至80年代末，电动车的发展进入了一个沉寂期。进入70年代以来，由于中东石油危机的爆发以及人类对自然环境的日益关注，电动车才再度成为技术发展的热点。 近几十年来，主要工业化国家为电动车的开发投入了大量的人力和财力，电动车的各项相关技术也取得了重大的进展。尽管电动车在能源和行驶里程的研制方面，至今尚未取得突破性的进展，但是电动车的美好前景仍然激励着人们锲而不舍地开发新型电动车，改善其性能处于世纪之交的今天，能源和环境对人类的压力越
11、来越大，要求尽快改善人类生存环境的呼声越来越高。为了适应这个发展趋势，世界各国的政府、学术界、工业界正在加大对电动车开发的投资力度，加快电动车的商品化步伐。虽然目前电动车在能源和行驶里程方面还未能尽如人意，但已足以满足人们的基本需要。从技术发展的角度来看，在走过了漫长而艰难的发展历程之后，电动车正面临着重大的技术突破，有望成为21世纪的重要交通工具。 现代电动车是融合了电力、电子、机械控制、材料科学以及化工技术等多种高新技术的综合产品。整体的运行性能、经济性等首先取决于电池系统和电机驱动控制系统。电动车的电机驱动系统一般由4个主要部分组成，即控制器、功率变换器、电动机及传感器。目前电动车中使用
12、的电动机一般有直流电动机、感应电动机、开关磁阻电动机以及永磁无刷电动机等。2 系统要求2.1 电动车对电动机的基本要求电动车的运行，与一般的工业应用不同，非常复杂。因此，对驱动系统的要求是很高的。 2.1.1 电动车用电动机应具有瞬时功率大，过载能力强、过载系数应为(34)，加速性能好，使用寿命长的特点。2.1.2电动车用电动机应具有宽广的调速范围，包括恒转矩区和恒功率区。在恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩，以满足起动和爬坡的要求；在恒功率区，要求低转矩时具有高的速度，以满足车在平坦的路面能够高速行驶的要求。2.1.3电动车用电动机应能够在车减速时实现再生制动，将能量回收并反馈回蓄电池，使得
13、电汽车具有最佳能量的利用率，这在内燃机的摩托车上是不能实现的。 2.1.4电动车用电动机应在整个运行范围内，具有高的效率，以提高1次充电的续驶里程。 另外还要求电动车用电动机可靠性好，能够在较恶劣的环境下长期工作，结构简单适应大批量生产，运行时噪声低，使用维修方便，价格便宜等。 2.2 鉴于电动车对电动机的基本要求采用永磁无刷直流电动机 2.2.1永磁无刷直流电动机的基本性能 永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机。它的最大特点就是具有直流电动机的外特性而没有刷组成的机械接触结构。加之，它采用永磁体转子，没有励磁损耗：发热的电枢绕组又装在外面的定子上，散热容易，因此，永磁无刷直流电动机没有换向
14、火花，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维修简便。此外，它的转速不受机械换向的限制，如果采用空气轴承或磁悬浮轴承，可以在每分钟高达几十万转运行。永磁无刷直流电动机机系统相比具有更高的能量密度和更高的效率，在电动车中有着很好的应用前景。 2.2.2永磁无刷直流电动机的控制系统 典型的永磁无刷直流电动机是一种准解耦矢量控制系统，由于永磁体只能产生固定幅值磁场，因而永磁无刷直流电动机系统非常适合于运行在恒转矩区域，一般采用电流滞环控制或电流反馈型SPWM法来完成。为进一步扩充转速，永磁无刷直流电动机也可以采用弱磁控制。弱磁控制的实质是使相电流相位角超前，提供直轴去磁磁势来削弱定子绕组中的磁链。 2.
15、2.3永磁无刷直流电动机的不足 永磁无刷直流电动机受到永磁材料工艺的影响和限制，使得永磁无刷直流电动机的功率范围较小，最大功率仅几十千瓦。永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，其导磁性能可能会下降或发生退磁现象，将降低永磁电动机的性能，严重时还会损坏电动机，在使用中必须严格控制，使其不发生过载。永磁无刷直流电动机在恒功率模式下，操纵复杂，需要一套复杂的控制系统，从而使得永磁无刷直流电动机的驱动系统造价很高。3总体设计对于电动自行车控制系统设计主要有四个方面：一、控制电路的设计；二、传感器选择以及安放设计；三、显示电路的设计；四、程序设计。从总的方面来考虑，传感器的使用应该尽量减少单片机的信
16、号处理量，但是又必须能使车行驶自如。控制电路要根据选用的电机和传感器来设计，主要考虑稳定性，抗干扰性。控制核心采用51单片机，控制系统与电路用光耦完全隔离以避免干扰。控制上采用分时复用技术，仅用一块单片机就实现了信号采集，电机控制和转速显示。如图3-1所示:直流电动机控制系统显示部分程序部分控制电路驱动 图 3-1电动自行车的基本原理是：由蓄电池提供电能，电动机驱动自行车。4 硬件选择和设计电动车的性能指标一般包括：驱动性能、驾驶性能、车载能源系统性能三部份，其中驱动性能取决于电机功率因素，车载能源系统性能取决于电池的容量，驾驶性能指标主要包括：加速性能、最大爬坡性能、刹车性能及驾驶里程性能等
17、驾驶模式，驾驶性能指标的优劣取决于控制系统驾驶模式的技术。4.1 MCS-51单片机内部结构 8051是MCS-51系列单片机的典型产品，我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。8051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：4.1.1中央处理器 中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。4.1.2 数据存储器(RAM)
18、 8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。4.1.3 程序存储器(ROM) 8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。4.1.4 定时/计数器(ROM) 8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。4.1.5 并行输入输出(I/O)口 8051共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。4
19、.1.6 全双工串行口 8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。4.1.7 中断系统 8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。4.1.8 时钟电路 8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林
20、斯顿(Princeton)结构。INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。图4-1是MCS-51系列单片机的内部结构示意图:图4-1 MCS-51内部结构示意图图4-2 PDIP4.1.9 MCS-51的引脚说明 MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接PDIP结构，图4-2是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明：Pin20:接地脚。Pin40:正电源脚，
21、正常工作或对片内EPROM烧写程序时，接+5V电源。Pin18:时钟XTAL2脚，片内振荡电路的输出端。8051的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在18和19脚外接石英晶体(2-12MHz)和振荡电容，振荡电容的值一般取10p-30p。另外一种是外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入。MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，右图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线 与P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明：Pin20:
22、接地脚。Pin40:正电源脚，正常工作或对片内EPROM烧写程序时，接+5V电源。Pin19:时钟XTAL1脚，片内振荡电路的输入端。Pin18:时钟XTAL2脚，片内振荡电路的输出端。8051的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在18和19脚外接石英晶体(2-12MHz)和振荡电容，振荡电容的值一般取10p-30p。另外一种是外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入。输入输出(I/O)引脚，Pin39-Pin32为P0输入输出脚，Pin1-Pin1为P1.0-P1.7输入输出脚，Pin21-Pin28为P2.0-P2.7输入输出脚，P-Pin-P3.7输入输
23、出脚，这些输入输出脚的功能说明将在以下内容阐述。Pin9:RESET/Vpd复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指钟写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，8051的初始态如表4-1：表4-1特殊功能寄存器初始态特殊功能寄存器初始态A00HB00HPC00HSP07H4. 2 A/D转换芯片 ADC0809芯片是最
24、常用的8位模数转换器。 它的模数转换原理采用逐次逼进型，芯片由单个5V电源供电，可以分时对8路输入模拟量进行AD转换，典型的AD转换时间为100微妙左右。在同类型产品中，ADC0809模数转换器的分辨率、转换速度和价位都属于居中位置。内部逻辑结构，如图4-3所示:图 4-3 ADC0809内部结构引脚功能说明：D7D0：8位数字量输出，A/D转换结果。IN0IN7：8路模拟电量输入，可以是：05V或者5V5V或者10V+10V。+VREF：正极性参考电源。性参考电源。START：启动A/D转换控制输入，高电平有效。入的工作时钟，典型频率为500KHz。ALE：地址锁存控制输入，高电平开启接收3
25、位地址码，低电平锁存地址。CBA：3位地址输入，其8个地址值分别选中8路输入模拟量IN0IN7之一进行模数转换。C是高位地址，A是最低位地址。OE：数字量输出使能控制，输入高有效，输出A/D转换结果D7D0。EOC：模数转换状态输出。当模数转换未完成时，EOC输出低电平；当模数转换完成时，EOC输出高电平。EOC输出信号可以作为中断请求或者查询控制。Vcc：芯片工作电源5V。GND：芯片接地端。4. 3 永磁无刷直流电动机4. 3.1稀土永磁无刷直流电动机的基本工作原理 无刷直流电动机由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。动机的定子绕组多做成三相对称星形接法，同三相异步电动机十
26、分相似。电动机的转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器。驱动器由功率电子器件和集成电路等构成，其功能是：接受电动机的启动、停止、制动信号，以控制电动机的启动、停止和制动；接受位置传感器信号和正反转信号，用来控制逆变桥各功率管的通断，产生连续转矩；接受速度指令和速度反馈信号，用来控制和调整转速；提供保护和显示等等。无刷直流电动机的原理简图如图4-4所示:图 4-4电动机原理图主电路是一个典型的电压型交-直-交电路，逆变器提供等幅等频5-26KHZ调制波的对称交变矩形波。永磁体N-S交替交换，使位置传感器产生相位差120的U、V、W方波，结合正/反转信号产生有
27、效的六状态编码信号：101、100、110、010、011、001，通过逻辑组件处理产生T1-T4导通、T1-T6导通、T3-T6导通、T3-T六种状态的依次导通。每种状态下，仅有两相绕组通电，依次改变一种状态，定子绕组产生的磁场轴线在空间转动60电角度，转子跟随定子磁场转动相当于60电角度空间位置，转子在新位置上，使位置传感器U、V、W按约定产生一组新编码，新的编码又改变了功率管的导通组合，使定子绕组产生的磁场轴再前进60电角度，如此循环，无刷直流电动机将产生连续转矩，拖动负载作连续旋转。正因为无刷直流电动机的换向是自身产生的，而不是由逆变器强制换向的，所以也称作自控式同步电动机。无刷直流电
28、动机的位置传感器编码使通电的两相绕组合成磁场轴线位置超前转子磁场轴线位置，所以不论转子的起始位置处在何处，电动机在启动瞬间就会产生足够大的启动转矩，因此转子上不需另设启动绕组。由于定子磁场轴线可视作同转子轴线垂直，在铁芯不饱和的情况下，产生的平均电磁转矩与绕组电流成正比，这正是他励直流电动机的电流-转矩特性。电动机的转矩正比于绕组平均电流：Tm=KtIav （Nm）电动机两相绕组反电势的差正比于电动机的角速度：ELL=Ke （V）所以电动机绕组中的平均电流为：Iav=（Vm-E为每相绕组电阻。由此可以得到直流电动机的电磁转矩：Tm=（VDCKt/2Ra）Kt（Ke/2Ra）Kt、Ke是电动机的
29、结构常数，为电动机的角速度（rad/s），所以，在一定的时，改变占空比，就可以线性地改变电动机的电磁转矩，得到与他励直流电动机电枢电压控制相同的控制特性和机械特性。无刷直流电动机的转速设定，取决于速度指令Vc的高低，如果速度指令最大值为+5V对应的最高转速Vc(max)那么，+5V以下任何电平即对应相当的转速n，这就实现了变速设定。当Vc设定以后，无论是负载变化、电源电压变化，还是环境温度变化，当转速低于指令转速时，反馈电压Vfb变小，调制波的占空比就会变大，电枢电流变大，使电动机产生的电磁转矩增大而产生加速度，直到电动机的实际转速与指令转速相等为止；反之，如果电动机实际转速比指令转速高时，减
30、小，Tm减小，发生减速度，直至实际转速与指令转速相等为止。可以说，无刷直流电动机在允许的电压波动范围内，在允许的过载能力以下，其稳态转速与指令转速相差在1%左右，并可以实现在调速范围内恒转矩运行。由于无刷直流电动机的励磁来源于永磁体，所以不象异步机那样需要从电网吸取励磁电流；由于转子中无交变磁通，其转子上既无铜耗又无铁耗，所以效率比同容量异步电动机高10%左右，一般来说，无刷直流电动机的力能指针（cos）比同容量三相异步电动机高12%-20%。电动机采用无锡市日驰电机有限公司生产的永磁无刷直流电动机4. 4 三端式稳压器78L05三端式稳压器78L05的工作原理 图 4-5 78L05原理图电
31、路如图4-5所示，三端式稳压器由启动电路、基准电压电路、取样比较放大电路、调整电路和保护电路等部分组成。下面对各部分电路作简单介绍。4.4.1启动电路 在集成稳压器中，常常采用许多恒流源，当输入电压V1接通后，这些恒流源难以自行导通，以致输出电压较难建立。因此，必须用启动电路给恒流源的BJT T4、T5提供基极电流。启动电路由T1、T2、DZ1组成。当输入电压V1高于稳压管DZ1的稳定电压时，有电流通过T1、T2，使T3基极电位上升而导通，同时恒流源T4、T5也工作。T4的集电极电流通过DZ2以建立起正常工作电压，当DZ2达到和DZ1相等的稳压值，整个电路进入正常工作状态，电路启动完毕。与此同
32、时，T2因发射结电压为零而截止，切断了启动电路与放大电路的联系，从而保证T2左边出现的纹波与噪声不致影响基准电压源。4.4.2基准电压电路 基准电压电路由T4、DZ2、T3、R1、R3及D1、D2组成，电路中的基准电压为:VREF=(VZ23VBE)/( R1+ R2+ R3)R1+2RBE式中VZ2为DZ2的稳定电压，VBE为T3、D1、D2发射结（D1、D2为由发射结构成的二极管）的正向电压值。在电路设计和工艺上使具有正温度系数的R1、R2、DZ2与具有负温度系数的T3、D1、D2发射结互相补偿，可使基准电压VREF基本上不随温度变化。同时，对稳压管DZ2采用恒流源供电，从而保证基准电压不
33、受输入电压波动的影响。4.4.3取样比较放大电路和调整电路 这部分电路由T4T11组成，其中T10、T11组成复合调整管；R12、R13组成取样电路；T7、T8和T6组成带恒流源的差分式的电流IC5=IC8+IB10，当调整管满载时IB10最大，而IC8最小；而当负载开路时IO=0，IB10也趋于零，这时IC5几乎全部流入T8，使得IC8的变化范围大，这对比较放大电路来说是不允许的，为此接入由T9、R9级成的缓冲电路。当IO减小时，IB10减小，IC8增大，待IC8增大到VR90.6V时，则T9导通起分流作用。这样就减轻了T8的过多负担使IC8的变化范围缩小。 4.4.4减流式保护电路 减流式
34、保护电路由T12、R11、R15、R14和DZ3、DZ4组成，R11为检流电阻。保护的目的主要是使调整管（主要是T11）能在安全区以内工作，特别要注意使它的功耗不超过额定值PCM。首先考虑一种简单的情况。假设图1中的DZ3、DZ4和R14不存在，R15两端短路。这时，如果稳压电路工作正常，即PCPCM并且输出电流IO在额定值以内，流过R11的电流使V11=IOR110.6V时，使T12管导通。由于它的分流作用，减小了T10的基极电流，从而限制了输出电流。这种简单限流保护电路的不足之处是只能将输出电流限制在额定值以内。由于调整管的耗散功率PCM=ICVCE，只有既考虑通过它的电流和它的管压降VC
35、E值，又使PC（VZ3+ VZ4），则DZ3、DZ4击穿，导致T12管发射结承受正向电压而导通。显然，（VI VO）越大，即调整管的VCE值越大，则IO越小，从而使调整管的功耗限制在允许范围内。由于IO的减小，故上述保护称为减流式保护。4.4.5过热保护电路 过热保护电路电路由DZ2、T3、T14和T13组成。在常温时，R3上的压降仅为0.4V左右，T14、T13是截止的，对电路工作没有影响。当某种原因（过载或环境温升）使芯片温度上升到某一极限值时，R3上的压降随DZ2的工作电压升高而升高，而T14的发射结电压VBE14下降，导致T14导通，T13也随之导通。调整管T10的基极电流IB10被T
36、13分流，输出电流IO下降，从而达到过热保护的目的。电路中R10的作用是给T10管的ICEO10和T11管的ICBO11一条分流通路，以改善温度稳定性。值得指出的是：当出现故障时，上述几种保护电路是互相关联的。图 4-6三端稳压器的典型接法图4-6是应用78L05输出固定电压VO的典型电路图。正常工作时，输入、输出电压差应大于23V。电路中接入电容C1、C2是用来实现频率补偿的，可防止稳压器产生高频自激振荡并抑制电路引入的高频干扰。C3是电解电容，以减小稳压电源输出端由输入电源引入的低频干扰。D是保护二极管，当输入端意外短路时，给输出电容器C3一个放电通路，防止C3两端电压作用于调整管的be结
37、，造成调整管be结击穿而损坏。图4-7 KMI15-1型集成转速传感器的外形图4.5集成转速传感器KMI15-1 集成转速传感器具有灵敏度高、测量范围宽、抗干扰能力强、外围电路简单等优点，是传统的分立式转速传感器的升级换代产品。下面是KMI15-1系列磁阻式集成转速传感器的工作原理与典型应用。转速属于常规电测参数。测量转速时经常采用磁阻式传感器或光电式传感器进行非接触性测量，传统的磁阻式传感器是由磁钢、线圈等分立元件构成的，亦可用耳塞机改装而成。但这种传感器存在一些缺点：第一，灵敏度低，传感器与转动齿轮的最大间隙（亦称磁感应距离）只有零点几毫米；第二，在测量高速旋转物体的转速时，因安装不牢固或
38、受机械振动，容易与齿轮发生碰撞，安全性较差；第三，这种传感器所产生的是幅度很低且变化缓慢的模拟电压信号，因此，需要经过放大、整形后变成沿口陡直的数字频率信号，才能送给数字转速仪或数字频率计测量转速，而且外围电路比较复杂；第四，它无法测量非常低（接近于零）的转速，因为这时磁阻式传感器可能检测不到转速信号。图4-8 传感器简化电路图4-9测量原理4.5.1 KMI15-1型传感器的性能特点 目前，转速传感器正朝着高灵敏度、高可靠性和全集成化的方向发展KMI15-1芯片内含高性能磁钢、磁敏电阻传感器和IC。它利用IC来完成信号变换功能，其输出的电流信号频率与被测转速成正比，电流信号的变化幅度为7mA
39、14mA。由于其外围电路比较简单，因而很容易配二次仪表测量转速。KMI15-1器件的测量范围宽，灵敏度高，它的齿轮转动频率范围是0-25kHz，而且即使在转动频率接近于零时，它也能够进行测量。传感器与齿轮的最大磁感应距离为2.9mm（典型值），由于与齿轮相距较远，因此使用比较安全。该传感器抗干扰能力强，同时具有方向性，它对轴向振动不敏感。另外，芯片内部还有电磁干扰滤波器、电压控制器以及恒流源，从而保证了其工作特性不受外界因素的影响。KMI15-1的体积较小，其最大外形尺寸为8621mm，能可靠固定在齿轮附近。KMI15-1采用12V电源供电（典型值），最高不超过16V。工作温度范围宽达4085
40、。4.5.2 KMI15-1工作原理 KMI15-1型集成转速传感器的外形如图4-7所示，它的两个引脚分别为UC（接12V电源端）和U（方波电流信号输出端）。为使信号变换器IC处于较低的环境温度中，设计时专门将IC与传感元件分开，以改善传感器的高温工作性能。该传感器的简化电路如图4-8所示。其内部主要包括以下六部分：磁敏电阻传感器；前置放大器A1；施密特触发器；开关控制式电流源；恒流源；电压控制器。实际上，该传感器是由4只磁敏电阻构成的一个桥路，可固定在靠近齿轮的地方，其测量原理如图4-9所示。当齿轮沿Y轴方向转动时，由于气隙处的磁力线发生变化，磁路中的磁阻也随之改变，从而可在传感器上产生电信
41、号。此外，该传感器具有很强的方向性，它对沿Y轴转动的物体十分敏感，而对沿Z轴方向的振动或抖动量很不敏感。这正是测量转速所需要的。工作时，传感器产生的电信号首先通过EMI滤波器滤除高频电磁干扰，然后经过前置放大器，再利用施密特触发器进行整形以获得控制信号UK，并将其加到开关控制式电流源的控制端。KMI15-1的输出电流信号ICC是由两个电流叠加而成的，一个是由恒流源提供的7mA恒定电流IH，另一个是由开关控制式电流源输出的可变电流IK。它们之间的关系式为：ICCIHIK 当控制信号UK0（低电平）时，该电流源关断，IK0，ICCIH7mA。当UK1（高电平）时，电流源被接通，IK7mA，从而使得
42、ICC14mA。图4-10给出了从U端输出的方波电流信号的波形，其高电平持续周期为T。输出波形的占空比Dt1/T50%20%。上升时间和下降时间分别仅为0.5US和0.7US。 图4-10 从U端输出的方波电流信号的波形 图4-11 KMI15-1的典型应用电路 KMI15-1芯片中的电压控制器实际上是一个并联调整式稳压器，可用于为传感器提供稳定的工作电压UC。而电阻R3、稳压管VDZ和晶体管VT1则可构成取样电路，其中VT1接成射极跟随器。A2为误差放大器，VT2为并联式调整管。这样，IH在经过R1、R2分压后可给A2提供基准电压UREF，从而在UCC发生变化时，由A2对取样电压与基准电压进
43、行比较后产生误差电压Ur，同时通过改变VT2上的电流来使UC保持不变。4.5.3 KMI15-1的典型应用 安装方法KMI15-1应当安装在转动齿轮的旁边。若被测转动工件上没有齿轮，亦可在转盘外缘处钻一个小孔，套上螺扣，再拧上一个螺杆并用弹簧垫圈压紧，以防止受震动后松动，并以此代替齿尖获得转速标记信号。4.5.6 典型应用电路 KMI15-1型集成转速传感器的典型应用电路如图4-11(a)所示。工作时，转速传感器输出方波电流信号，从而在负载电阻RL与负载电容CL上形成电压频率信号UO（），并送至二次仪表。通常取RL115、CL0.1F。需要指出：KMI15-1输出的是齿轮转动频率f（单位是Hz，即次/s）信号，欲得到转速（r/min），还应将f除以齿轮上的齿数