时间：2023-05-29 18:03:36
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇直流电路，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
关键词： 信号放大电路； 放大测量电路； 低通滤波电路； 影响隔离
中图分类号： TN721+.5?34； TM930 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）14?0149?05
Abstract： In view of the facts that the low signal?to?noise ratio， poor anti?interference ability and low measurement accuracy exist in the measuring process of microvolt?level DC voltage signal， an amplifying measurement circuit taking TLC2652 as its core device is proposed in this paper to realize precision amplification of voltage signals （5～45 μV）. The low?pass filtering circuit and band?stop circuit are adopted to reduce its internal noise and external interference. The isolation circuit is adopted to isolate the effect of the measuring end on the collection end. The linear regulating chip is used in power module design to improve the measurement accuracy and reduce power consumption. The simulation experiment result proves that the amplifying measurement circuit for microvolt?level DC voltage signal can suppress common mode interference and temperature drifting， has good stability and strong anti?interference， and its accuracy can reach to 0.044%.
Keywords： signal amplifying circuit； amplification measuring circuit； low?pass filtering circuit； influence isolation
0 引 言
信号检测是人们在当今时代获取信息的重要途径。在需要微弱信号检测的各个领域中，各N微弱的物理量信号都需要先转换成电压或电流信号之后再进行放大、并进行信号检测处理，因此研究微弱信号的检测方法具有重要意义。然而，由各种微弱物理量信号转换得到的电信号多数是微弱的直流或低频信号，如微波功率检波器输出的信号[1]。微弱信号，顾名思义信号的幅度是极其微弱的，但这不是微弱信号检测的难点所在，检测微弱直流信号的困难在于其被严重淹没于噪声信号中。在实际的电路测量系统中，微弱的直流信号更是容易受到各种直流误差的影响，特别是放大器的失调、漂移等误差的影响[1]。此外，微弱直流电压信号的检测还容易受到各种低频噪声的干扰，因此，直流微弱信号的检测困难重重。
从了解的资料来看，对微伏级直流电压信号的测量大致分为两种测量方法。一是将直流信号调制成幅值和直流信号呈比例关系的方波交流信号[2]。以避免直接放大微弱直流信号存在直流误差的影响，特别是直流放大器失调电压的影响，还可以避免外部工频干扰等低频噪声的影响。在各种直流调制技术中，应用最广泛的就是通过场效应管的开关特性来作为调制器。通过一定频率的控制信号控制场效应管栅极电压的极性来控制场效应管的通断，以达到调制直流信号的目的[1]。但存在的问题是：在调制过程中会产生斩波失调电压、调制尖峰信号等。场效应管作为电子开关的同时也存在开关管损耗。实际应用中模拟开关的这种理想效果是不可能达到的，场效应管开关在作为调制器时，无论有无输入信号，只要存在调制信号，模拟开关的输出端都会产生瞬态的尖峰电压，而且还会引起输出信号漂移，从而造成测量结果不精确。二是利用特低噪声、特低漂移的高精度直流放大器对微弱直流信号进行测量。如市面上的高精度直流放大器输出电压能达到伏级，可以给数据采集和处理，但存在的问题是，价格昂贵，不能广泛应用于实践研究。
为了解决微弱直流电压信号测量易受噪声干扰、测量精度不高、抗干扰能力差的问题，设计微伏级信号放大电路时，采用高精度仪表运算放大器TLC2652进行信号的精准放大，以提高测量精度；采用四阶低通滤波电路、双T型带阻滤波电路来减小内部噪声与外部干扰；采用高精度模拟信号隔离电路，隔离测量端对采集端的影响；采用低噪声、高效率的电源芯片及线性稳压芯片进行电源模块的设计，以提高测量精度并降低功耗。
1 设计思路
微伏级直流电压信号，首先要通过放大才能被后端电路所采集。然而，后端采集电路的电压工作范围一般在伏级，因此放大电路的放大倍数应该设置的很大。但实现较高的放大倍数必须要进行多级放大才可实现，因为输入的直流微弱信号和噪声是叠加在一起的，一般比噪声小很多，如果输入级放大倍数设置过大，微弱直流电压信号在被放大的同时，噪声信号同样也会被放大，造成后续很难去除噪声[3]。但随着放大级数的增多，势必也带来很多杂波，此外，微弱直流信号的测量易受到各种低频噪声的干扰，及各种直流误差的影响，如放大器中的失调电压、温漂等。工频干扰也是一种低频噪声，这种干扰电信号进入电子检测系统会严重影响微弱信号检测的准确性。
因此，针对输入信号为微伏级直流电压信号，测量过程中存在信噪比低、测量精度不高、抗干扰能力差的问题，设计了微伏级直流电压信号放大电路。系统主要由高精度仪表放大电路、低通滤波电路、陷波电路及高精度隔离电路组成。微伏级直流电压信号采用屏蔽电缆送进高精度仪表放大电路进行初步放大后，首先进行低通滤波，再输入到中间级放大电路进行主要放大，而后进行高频噪声和市电50 Hz降噪处理，以及通过高精度模拟信号隔离电路隔离测量端对采集端的影响，实现输入、输出和电源间的相互隔离。应用低噪声、高效率的电源芯片及线性稳压芯片进行电源模块的设计，以提高测量精度并降低功耗。经实验测量，系统可以实现对5～45 μV范围内电压信号的精准放大，放大输出电压范围为0.25～2.25 V，完全可以满足后级采集电路的需要，且能够达到0.044%的精度。此外，该电路还具有抗共模干扰、抑制温漂、稳定性好、抗干扰性强等特点。微伏级电压信号放大电路系统方框图如图1所示。
2 信号放大电路
信号放大电路采用初级放大和中间级放大两级放大形式。传感器采样输出的直流电压信号经屏蔽电缆输入到初级放大电路，因此需要检测的直流电压信号微弱且含有大量杂波。从而要求选用的运算放大器具有以下特点：低失调电压、低温度漂移的高性能差动放大电路，以克服温漂；选用开环增益较大的运放，而单级放大器的闭环增益不可过大，这会大大减小增益误差，从而提高检测信号的精度。
因此，设计电路时采用高精度斩波稳零运算放大器TLC2652，具有优异的直流特性，失调电压及其漂移、低频噪声、电源电压变化、共模电压等对运算放大器的影响被降低到了最小[4]。Multisum中的具体设计电路如图2所示。
运算放大器TLC2652的增益由输入电阻和反馈电阻决定，计算公式为：
设计时输入电阻 kΩ，反馈电阻 kΩ，电路增益为50。电路中为确保运算放大器输入级差分放大电路的对称性，设置补偿电阻，其值为输入端接地时，反相输入端总等效电阻。电路中，使用绝缘电阻很高的优质电容器，可选择的容量范围为0.1～1 μF之间。放大倍数的设置，要考虑到初级放大电路中存在有用信号和噪声一起输入的问题，如果初级放大电路的增益设置较大，信号和噪声将被同时放大，在这种情况下，若噪声幅值较大，无疑会降低电路信噪比（信噪比是指电子系统中信号和噪声的比值），不便于对信号的进一步去噪处理。另外，为确保运算放大器的精度，负反馈电阻的精度要很高，同时电路的闭环增益不能设置的太大；保证印制板较高的质量，以避免印制板表面存在的漏电流问题[4]。为此，可在印制板上设置保护环。高精度仪表放大器在放大微弱直流信号时，通常可在输出端加一低通滤波电路，以滤除输出电压中的交流分量来减小交流干扰，使电压输出更加稳定。中间级放大电路，设置在四阶低通滤波电路之后，主要目的是实现放大模块较大的放大倍数。
3 滤波电路
因为需要检测的微伏级直流电压信号非常微弱且含有大量杂波，测量回路、仪表放大电路和相关器件的固有噪声以及外界的干扰噪声通常比被检测目标信号的幅值大很多，有用信号和噪声在经仪表放大电路后将被同时放大。此外，电路结构的不合理设计也会引入噪声干扰，所以，仅对信号进行放大是测量不出微伏级这样微小信号的[5]。电路中为了更好地提取出有用信号，设计了滤波模块来有效地抑制噪声。
3.1 低通滤波电路
针对电路系统的内部噪声以及外部系统的干扰多为交流信号，设计四阶巴特沃斯型有源低通滤波电路对输入级放大电路的输出电压信号进行处理，以抑制放大了的噪声信号。设置低通滤波电路的截止频率为20 Hz，选用单片集成运算放大器OP200，具体器件参数设置及电路设计如图3所示。图4为电路在Multisum中仿真的幅频特性。
3.2 陷波电路
陷波电路也即带阻滤波电路，主要用来减少工频干扰。通常使用的各种仪器的供电电源都为市电或者经市电转换得到，而市电的频率为50 Hz。这样测量电路中就会串入工频，产生工频干扰，严重时将导致电路无法接收信号[6]。电路中采用经典的双T型带阻滤波电路，其中要求电阻R和电容C有较高的精度，以保证带阻滤波电路的中心频率正好在50 Hz处。图5为陷波电路结构原理图。
由此可以得出结论：为了使设计的陷波电路性能最佳，也即满足窄带滤波效果和高Q值，m应接近1取值。
设计电路时采用增益调节电位器，使其在50 Hz处衰减效果最好。经计算kΩ， μF；为增益带宽调节电位器。图6为具体设计电路，图7为50 Hz陷波电路在Multisum中仿真的幅频特性图。
4 隔离电路
在微伏级直流电压信号放大测量过程中，抗干扰是一个不可避免的问题。若不通过信号隔离，测量系统就会引入各种电磁干扰。目诵藕胖谢烊敫扇判藕牛不但会降低测量的准确度，而且尖峰电磁脉冲会对后端采集电路造成一定破坏。因此，针对微弱直流电压信号测量存在的干扰问题，设计了隔离电路。
发光二极管和光敏三极管的伏安特性使光电耦合器件非线性失真十分严重，一般只用来隔离数字信号，而不能简单应用到对模拟信号的隔离。因此，模拟信号的隔离相对复杂的多，一方面要求其达到隔离效果，另一方面又要求最大限度地使模拟信号不失真，也就是能确保模拟信号的线性传输[7]。有源隔离模块T6550D/S内部采用电磁隔离技术，精度达到13～14位，具有良好的线性度及优良的温漂与时漂性能[8]，能够实现输入/输出和电源间的相互隔离，非常适合高精度信号隔离测量。电路接口如图8所示。
【摘 要】《电工基础》是涉电专业的基础课程，电工电子教师面对着基础各不相同的学生，教学时要循序渐进，切实以学生为主体，增强学生自主学习能力，充分挖掘学生的学习潜能。
关键词 复杂直流电路；概念；策略
笔者近年来一直处于教育教学第一线，从事电工基础的教育教学工作，深知个中滋味，每每遇到学生纠结于各种各样纷繁复杂的直流电路问题而不能自拔时，倍感焦急!为此，笔者特地将教育教学过程中一些心得体会与大家共勉，希望能够起到抛砖引玉的效果。
1.弄清概念，深入理解
一些学生在学习过程中没有搞清楚某些电工术语的相关含义，经常会发生相互混淆，以偏概全的现象。比如在理解节点这一概念的时候，为数不少的学生经常会搞错，在其定义中明确指出:三条或三条以上支路汇聚的那个点称为节点。笔者在课上跟学生交流时就告诉他们首先确定出哪些是支路，然后再数一数条数就可以了。当然，还有一些概念在理解时需要更深层次一些，譬如在解释基尔霍夫电流定律的推广应用中有关“封闭面”这一概念时，就有很多学生很茫然，纷纷表示不理解。笔者在上课时其实就在黑板上画出相应的电路图，将由若干电阻所构成的多边形全部圈起来就可以了，流进封闭面的电流等于流出该封闭面的电流即可。因此，笔者认为，学生必须弄清相关概念，必要时还要进行深入的理解才可以。
2.明确目的，按图索骥
在平时的练习中，有部分同学在求解相关电流时会感到不知从什么地方下手，就譬如在解决一条题目时，感觉运用支路电流法可以，想想用叠加定理也行，甚至还能用戴维宁定理解决问题。笔者认为遇到上述这些情况至少还属于幸福的烦恼之列，总比那些感到不知所措的情况要好很多。然而，学生在解决问题的同时也必须注重效率，争取能在最短的时间内更好更彻底地解决问题。俗话说，总不能捧着金饭碗讨饭啊。笔者在课堂上再三强调，支路电流法可以求出各条支路上的电流，它是先假设各条支路上的电流方向以及回路方向，再根据基尔霍夫定律列出相应的方程式组，最后求解出各条支路上的电流。而叠加定理应用于由线形电阻和多个电源组成的线性电路中，任何一个支路中的电流(或电压)等于各个电源单独作用时所产生的电流(或电压)的代数和。在理解所谓恒压源不作用时，就是指该恒压源处可用短接线替代;恒流源不作用，就是说该恒流源处用开路替代。当然，叠加定理只能用来求解电路中的电压或电流，而并不能用来计算电路的功率。可以这样讲，上述两种方法对各条支路的电流都能求解，只是在求解题目时要视具体情况而定。总之用一句话来概括就是，哪种方法能简捷迅速地求出结果就用哪种方法!
3.把握整体，切中肯綮
解题时，笔者认为，如果对题目的理解能够从整体上把握的话，可以起到事半功倍的效果。就像在运用戴维宁定理时，只在针对某一个复杂电路时，并不需要把所有支路的电流都求解出来，而只是要求解出其中某一条支路的电流，在这种情况下，笔者认为，就应该用戴维宁定理，比较简捷，相对方便。根据戴维宁定理可对某一个含源二端线性网络进行简化，其定理内容显示，求解的关键在于正确理解和求解出含源二端网络的开路电压和其等效电阻。在此，笔者需要提醒的是，代替含源二端网络的电源其极性应与开路电压相一致，若求得的开路电压是负值，则表示电动势的方向与原假设的方向正好相反。再举个例子，笔者在讲解两种电源模型的等效变换时，首先强调，这两种电源之间的等效变换是对外电路来讲的，电源内部是不等效的。其次讲清楚电压源和电流源这两种电源分别是如何形成的，可以从电源对于负载的功能方面来阐述，也就是说，既可以看作是电压的提供者，也可以视为是电流的提供者。然后再将两种电源模型的等效变换条件弄清楚就可以了。当然，在两者进行等效变换时彼此的方向应当一致，也就是说，恒流源的流出端和恒压源的正极性端应是相互对应的。
以上是笔者在平时课堂教育教学中的点滴感悟，恳请大家能够提出宝贵意见和建议，以便能够相互促进，共同提升。
参考文献
关键词： DSPIC； 无刷直流电机； 驱动电路； 功率MOS管
中图分类号： TN710?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）04?0107?04
无刷直流电动机（BLDCM）简单的说，就是没有电刷的直流电动机。与传统的有刷电机相比，其突出特点就是没有电刷。无刷直流电机的主体部分要由电机本体、位置传感器和电子开关3大部分构成。它是在机电一体化大背景下人类科技进步的产物。严格说，它只是一种永磁式的同步电机，而不是真正意义上的直流电机。这是因为，在大多数情况下，输入电机的直流电在送入到线圈之前，换流器（Current Inverter）都会将直流电压转换成三相交流电来驱动电机。与有刷电机相比，无刷直流电机具有响应速度快、转化效率高、磨损小以及体积小等诸多优点。因此，在能源日趋枯竭的今天，无刷直流电机越来越受到各国科研工作者的亲睐。
1 BLDCM的结构以及DSP30F4011概述
1.1 BLDCM的结构
BLDCM主要由机械本体、转子位置传感器和MOS管开关电路3大部分构成。MOS管开关组电路的主要作用是通过MOS管的开关把直流电转化成交流电，交流电使定子组能产生变化的磁场。转子位置传感器随时检测到转子位置，并给出转子位置的控制信号，间接控制MOS管开关电路，以实现快速电子换向。
1.2 DSP30F4011概述
根据市场的需要，美国微芯公司根据公司实力开发出了DSPIC30F系列单片机。这是微芯公司充分考虑了用户需求而设计开发的。这款芯片的主要特点是：接口丰富、运算速度快。它兼有单片机和DSP的双重优点。具体的讲就是，这个系列处理器采用了16位改进的哈佛结构，带有增强型指令集，同时还具备强大的数字信号处理能力。它采用24位的指令宽度，23位的PC宽度。因此，可寻址程序空间高达96 Mb。除此之外，DSPIC30F内部还有16个可供用户设置使用的16位通用寄存器。DSPIC30F系列控制器内部自带存储容量大[1]，RAM最高可达64 KB。
作为DSPIC系列典型代表的DSPIC30F4011，具有极为丰富的资源供用户使用。其中包括5个16位定时器、高速CAN总线模块、UART串口通信模块、10位精度的高速AD转换模块、40个内部中断、5个外部中断、3组6路PWM波形输出模块。其中，PWM输出模块的PWM输出是可改写的，死区时间可程控的。
BLDCM驱动电路主要是由以DSPIC30F4011的PWM模块为中心的控制电路构成。在电机运行的过程中，霍尔位置传感器随时监测转子的位置，并通过CN（Change Notification）模块进行监测计算而得到电机的转速信息。同时在此过程中，霍尔电流、电压传感器会实时的采集电机工作过程中的电流信息和电压信息，从而得到BLDCM实时运行参数。当电流或者电压信息发生异常时，处理器的FLAT端口的电位会被拉低，同时关闭PWM输出以停止电机运行[2]。而CAN模块则随时接收指令并上传电机参数信息[3]。
2 BLDCM驱动电路的硬件系统
BLDCM驱动电路模块框图如图1所示。
如图1所示，本系统主要由DSPIC30F处理器、IR2136 MOS管驱动芯片、转子位置检测模块、电压采样模块、电流采样模块以及三相MOS管逆变电路、CAN总线模块和保护电路模块构成。由于单片机无法直接驱动MOS管组，因此需要借助IR2136来间接驱动MOS管组的状态。下面分模块详细介绍。三相逆变电路主要是由三组功率MOS管构成的。由于功率型的MOS管开启电压很大，因此单片机不能直接驱动MOS管的开关，需要间接的通过IR2136来驱动。三相逆变电路的主要作用是，将直流电压按照一定的逻辑分配到电机的定子绕组上[4]。以DSPIC30F为核心的单片机模块，主要由5 V供电电路、晶振电路、RESET电路、软件下载接口、A/D采样电路以及CAN总线通信电路组成。5 V供电电路、晶振电路是单片机正常工作的基础。程序烧写接口方便用户升级程序。
过压保护电路、欠压保护电路以及过流保护电路共同构成了系统的保护电路模块。此模块是系统稳定工作的基础。欠压保护是为避免电池组过放电而对自身造成伤害。过压过流保护则是为了防止电压电流过大伤害电机本身。欠压过压过流保护的具体参数可以在软件中根据特定电机和电池参数而设定。为了增加系统的鲁棒性，系统采用了双闭环的控制策略。双闭环的含义是电流电压和转速闭环。保护电路中的电压采样电路和电流采样电路在保护电路的同时，也实时为双闭环控制提供可参考的数据。下面对各个关键模块进行简要介绍：
2.1 电源电路
系统供电拟设计为可采用220 V交流市电和48 V直流电压方案，其中220 V交流市电经过变压器、整流电路、滤波电路和稳压电路输出直流的48 V后再送到各电路中去；考虑到系统的机动性，同时拟设计48 V直流供电系统，方便与电池应用场合。
2.2 三相逆变桥
一般而言，电机主体部分由转子和定子两部分构成。有刷电机中，定子是永磁体，转子是电枢（Armature）[5]。而在无刷直流电机中，定子是电枢，转子是永磁体。在电动机中，电枢是产生磁力的部件。要使电动机转起来，那么电枢的磁场必须与定子的磁场产生一定的空间角度（90°）。在无刷直流电机中，由于电枢是定子，若直接通直流电，那么电枢上产生的磁场是不变的，并不能与定子的磁场始终保持90°夹角。因此，并不能实现电能和机械能的转化。所以，必须把电枢上的电流由直流变为可控的交流电。由此，设计了如图2所示的三相逆变桥电路来实现直流交流的变化以驱动无刷直流电机转动。
功率电子开关器件采用的是国际整流器公司的IRFP054N功率MOSFET，该MOSFET最大工作电流可达81 A，漏源耐压55 V，而通态电阻仅为0.012 Ω，完全可以满足本设计的需求。由于DSPIC处理器的输入/输出口的拉电流灌电流很小（仅40 mA），驱动能力非常有限。因此，采用集成电路IR2136[6?7]来直接驱动三组功率型MOS管。在项目进行中，发现此驱动器，具有稳定性好、反应速度快等优点。
2.3 电流采样的闭环设计
电流闭环控制电路的基础是设计电流采用电路，但是电流不能直接送入处理器的A/D采样模块进行采用。一般情况下，有两种方案可选。一种是把电流通过“电流?电压转换电路”转换成一定比例的电压信号而后对电压信号采样；另一种则是用霍尔电流传感器才实现对电流的采样。“电流?电压转换电路”精度低温漂厉害，故在可靠性要求高的电路中一般不被采用。而基于霍尔传感器的采样电路具有精度高、线性度好、温漂低、反应时间快等诸多优点[4]。
本驱动电路的电流采样电路是基于LEM公司LA?28NP型霍尔电流传感器而开发设计的。如图3所示，霍尔电流传感器被串联在三相桥电路与地线的中间，霍尔电流传感器会把流经它的电流按照一定的比例缩小，即得到副边带电流。副边带电流并不能直接被处理器所采样，因此，要经过电流电压转换电路的转换。图3中的“电流电压转换电路”是基于运算放大器的负反馈电路，具有稳定性高、温漂低的特点。电机运转的时候，周围噪声是很大的，所以要经过巴特沃斯低通滤波器来对转换得到的电压信号做去噪声处理。最后，经过比例放大电路送入单片机采样。
2.4 电压采样的闭环设计
本设计拟采用LEM公司的高精度电压传感器LV?28NP实现动态高精度线电压检测。LV?28NP将原边的交流电压转换为很小的副边电流，副边电流经过I/V电路后转换为电压信号，经过精密全波整流电路和带增益的低通滤波器后送至单片机的A/D端口进行检测。
2.5 转速检测电路
转速检测拟采用霍尔位置传感器和单片机的CN模块。每转过60 个电角度，其中一个霍尔传感器就会改变状态。因此，完成电周期需要6步。但是，一个电周期可能并不对应于完整的转子机械转动周期。完成一圈机械转动要重复的电周期数取决于转子磁极的对数。所以根据极对数可以确定电机的转速。
2.6 保护电路
为了保护电动机本体和驱动系统在过压欠压和过流状态下不至于损坏，要专门设计极限状态保护电路。设计的方案如下所述：
过压保护（OVP）：若由采样计算得出的母线电压高于48 V，则控制器发送“停转”信息，请求停转。
欠压保护（UVP）：若由采样计算得出的电池电压低于44 V，则控制器亦会强行停转电动机保护电池。
过流保护（OCP）：为了增加系统可靠性，本系统共有2套硬件OCP措施和一套软件OCP措施：
（1）第一套OCP电路主要由电流检测电路和电压比较器LM311构成。LM311的输出送到PWM模块[2]的FLTA端口进行电平检测。如果FLTA引脚被检测为低电平，那么PWM模块会立刻关断驱动波形的输出。这套硬件OCP的突出优点就是，响应速度快保护及时。
（2）第二套硬件过流保护电路是由IR2136提供的。副边带电流被转换成电压信号经过一系列处理之后，会被送到IR2136上的ITRIP引脚上。若此引脚电压值满足V>0.5 V的条件，那么IR2136内部[5]比较器会产生动作，将FAULT引脚输出电平拉低，RCIN引脚连接的电阻电容构成RC延时机制会自动延时[3]。注意：FAULT引脚在自身欠压的情况下，也会变为低电平。但是，主要区别在于过流情况下FAULT引脚的电平是由高变低而非一直为低电平。
（3）软件OCP就是把A/D模块采集到电流数据跟门限数据相比较。若大于门限值则执行相应保护程序。其特点是，反应速度慢。软件流程图如图4所示。实物电路如图5所示。
3 BLDCM驱动系统的软件设计
上述各个硬件模块在单片机的协调下进行有序的工作才可以完成无刷直流电机的驱动，这就要求软件系统发挥作用。
3.1 电子换相
无刷电机要对转子永磁置进行精确检测，并用电子开关切换不同绕组通电以获得驱动动力，换相必须及时，否则会导致电机失步，从而使电机噪音增大，效率降低，严重的还会导致控制器和电机烧毁。本设计采用dsPIC单片机的CN中断来检测换相信息，这样单片机可以在后面继续运行其他任务。
3.2 无级调速
采用单片机的PWM模块实现无级调速。要根据电机本身的性质选择PWM频率，PWM频率过高或过低都会导致电机效率下降。
3.3 过压、欠压和过流保护
为了提高软件级保护的实时性，采用PWM中点采样法进行电流和电压的检测，这样在每个PWM稳定的时间进行电流电压采样可以提高精度和实时性。
3.4 双闭环PID控制算法
双闭环PID控制系统是实现无刷直流电机平稳运行的有效方法之一。双闭环的主要含义是，通过电流控制环和转速控制环的相互嵌套相互协作，来实现无刷电机的平稳运行。PID控制是最早发展起来的线性控制策略之一，至今已经有70多年的历史，目前仍然是工业控制系统中最常用的一类控制算法。由于其简单、鲁棒性好、可靠性高和参数易整定等优点，已经在工程实际中得到了广泛的应用。电机运行过程中，各传感器和采样模块会及时的把电机运行的各个实时参数反馈给单片机，配合系统设计的保护电路，DSPIC30F系列控制器利用数字PID算法实现电机的双闭环驱动控制[8?9]。
3.5 嵌入式实时操作系统
为了方便任务调度，实时的完成系统的各个功能，本驱动电路的内部驱动程序是基于嵌入式操作系统μC/OS?Ⅱ的。μC/OS?Ⅱ是一个基于优先级的抢占式多任务实时内核，将它移植到单片机中，可以实现多任务调度[10]。μC/OS?Ⅱ能协调管理芯片里面运行的各个任务，这保证了系统的稳定性和实时性。
任务Start主要负责系统初始化以及各个任务的创建。任务CanTX主要负责与CAN总线进行通信，实时的接收来自CAN总线的信息，实时的往CAN总线上发送信息（转速、过流过压信号等）。任务Speed主要负责调节PWM占空比来实时的控制电机转速。
4 结 语
本文介绍了电机的控制方法，打破了传统的需要电机转子位置传感器的无刷直流电机控制方法的局限，不但降低了电路的成本，而且增加了系统的控制灵活性和功能的可扩展性。该方案既可以应用于普通的无刷直流电机控制，也可以用于一些特殊的应用场合，例如变频压缩机和调速风机的控制。
参考文献
[1] Microchip Technology Inc.DSPIC30F系列参考手册[EB/OL].[2012?05?11].http：//.
[2] 马瑞卿，刘卫国.自举式IR2110集成驱动电路的特殊应用[J].电力电子技术，2000（1）：31?33.
[3] 张相军，陈伯时.无刷直流电机控制系统中PWM调制方式对换相转矩脉动的影响[J].电机与控制学报，2003（2）：87?91.
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[5] 朱玲.基于DSP的无刷直流电机控制系统研究[D].武汉：武汉理工大学，2010.
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[7] 佚名.IR2136系列数据手册[EB/OL].[2010?01?11].http：//.
[8] 颜南明，李长兵.基于Matlab下的BLDCM调速系统仿真研究[J].系统仿真学报，2002（4）：462?463.
关键词： 滑动变阻器 直流电路 阻流式接法 分压式接法 分流式接法
一、滑动变阻器的限流式接法——“串反并同”
滑动变阻器采用限流式接法接入电路后，由于滑片的移动使滑动变阻器的阻值变化，从而使电路中各部分的电流、电压、电功率发生相应的变化，由闭合电路、欧姆定律推理分析，可得“串反并同”规律。
图1
例如：在图1所示电路中，当变阻器的滑动触头P向b端移动时，各电压表、电流表的示数如何变化？
解：当P向b端移动时，R■的有效阻值增大，总的阻值增大，由闭合电路欧姆定律可得：总电流减小（A■减小），内电压减小，外电压增大（V■增大），定值电阻R■上电压减小（V■减小），故V■增大，A■增大，A■减小。
图2
实例分析：如图2所示，当滑动变阻器R■的滑动片向右移动时，两电压表示数变化的绝对值分别是U■和U■，则下列结论正确的是（？摇？摇？摇？摇）
A.U■>U■
B.电阻R■的功率先增大后减小
C.电阻R■的功率一定增大
D.电源的总功率先增大后减小
解析：当滑动变阻器R■的滑动片向右移动时，R■的有效阻值减小，由“串反并同”得：总电压减小，V■减小，V■增大，故A项正确。
二、滑动变阻器的分压式接法
图3
如图3所示电路为滑动变阻器的分压式接法，在这类接法中有：分压器部分的总阻值的变化规律，与变阻器串联部分的电阻的变化规律相同。即：当P由a向b端移动时，R■增大，R■增大。
推导：设滑动变阻器总电阻为R，滑动触头右边部分的电阻为R■.电路连接为R■与R■并联，再与滑动变阻器滑动触头左边部分的电阻R■=（R-R■）串联，则电路总电阻为：R■=■+（R-R■）=R-■=R-■，
故当R■增大时，R■减小，R■减小；当R■减小时，R■增大，R■增大。
图4
实例分析：如图4所示，电路中R■为定值电阻，滑动变阻器总电阻为R，在电路两端加上恒定电压U，当从a向b移动滑动变阻器的触头P时，求电流表A■的示数变化范围和A■的示数变化情况。
解析：设滑动变阻器滑动触头右边部分的电阻为R■，电路连接为R■与R■并联，再与滑动变阻器滑动触头左边部分的电阻（R-R■）串联，则电路总电阻为：
R■=■+（R-R■）=R-■=R-■，
故当R■增大时，R■减小，R■减小，A■示数增大；当R■减小时，R■增大，R■增大，A■示数减小。
三、滑动变阻器的分流式接法
图5
如图5所示电路中，滑动变阻器的接法为分流式接法，在这类接法中有：（1）当两支路上阻值相等时（即R■+R■=R■+R■时），并联部分的总阻值最大；（2）当两支路上阻值相差最大时，并联部分的总阻值最小。
推导：如图5所示电路中，设P滑到某点时，变阻器ap段电阻为R■，则pb段电阻为（R-R■）；此时外电路的结构为：R■和R■串联的支路与（R-R■）和R■串联的支路相并联，则外电路电阻：
R■=■=■，
由函数图像可知，当R■=■时，R■有最大值。
将R=R■+R■代入可得：R■+R■=R■+R■，即：当两支路阻值相等时，并联部分的总阻值最大；当两支路上阻值相差最大时，并联部分的总阻值最小。
图6
实例分析：如图6所示电路中，电源电动势E=6.3V，内阻r=0.5Ω，电阻R■=2Ω，R■=3Ω，滑动变阻器的最大阻值R=5Ω，求滑动片c由变阻器a端滑到b端的过程中，通过电源的电流如何变化？并求出通过电源的电流的变化范围。
解析：设c滑到某点时变阻器ca段电阻为R■，则cb段电阻为（R-R■）；此时外电路的结构为：R■和R■串联的支路与（R-R■）和R■串联的支路相并联.为滑动变阻器的分流式接法，外电阻为：
R■=■代入数据得：R■=■，
则：I=■=■=■
当R■=0时，流过电源的电流最大，其最大电流为：I■=■A=3A，
当R■=3Ω时，流过电源的电流最小，其最小电流为：I■=■A=2.1A，
关键词：MSP430 压控电流源 模拟闭环控制 空载过压保护
中图分类号：TM615 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）10-0003-02
在现实的生活中，电源类产品在出厂前，必须经过性能测试，合格后才能投入市场。在以往，通常采用静态负载，如电阻箱等可变阻值的电阻来模拟负载，但其测试精度低，方法不易操作，给电源的测试带来了困难。为了解决这个问题，人们设计了一种电子负载设备，可以有效改良电源测试的方法。电子负载主要依靠电子元器件吸收并消耗电能，其体积较小，一般采用功率半导体器件作为载体，使得负载易于调节和控制，并能达到很高的精度和稳定性。本文在系统设计中采用TI公司的单片机MSP430，该单片机工作电流低，能有效降低功耗，具有16位数据的处理能力，且内置硬件乘法器，乘除法运算都为单周期指令，运行速度更快，片内集成资源丰富，为系统设计提供了可能。同时通过测量电路实时监控被测电源的相关数据，并通过LCD显示屏，显示测得的数据。本文设计简单易行，系统运行稳定可靠。
1 系统设计的基本原理
1.1 系统设计方案
系统设计利用单片机MSP430作为核心控制器，以44矩阵键盘设定单片机输出电流值，单片机将相应的数字信号输出给D/A芯片处理，将键盘设定输出的电流值从数字电压信号转换为模拟电压信号，再经恒流控制和电流放大，将产生的信号接入被测电源的输入端（电源的正极）。被测电源的实际输出电流（电源的负极）再经过采样电阻形成电压信号经过A/D信号转换和电压检测，将数字信号输入单片机进行相应的程序处理，再经LCD液晶屏显示。
在电路的设计过程中，为减少误操作给系统硬件带来的破坏，我们也设计了空载和过载报警电路。当系统中没有接入被测电源或者检测的电流值超出一定范围，通过蜂鸣器报警和高亮LED的闪烁，引起使用者足够的注意。以上功能设计的系统框图如图1所示。
1.2 系统硬件设计的实现
电路设计中，D/A转换器我们采用的是8位的数模转换芯片DAC0832，其引脚结构如图2所示。
DAC0832内部含有两级输入寄存器，使其具备双缓冲、单缓冲和直通三种输入方式，以便适用于多种电路设计需要。D/A转换结果采用电流形式输出，再通过选用合适的线性运算放大器实现模拟信号的放大，满足相应的设计需要。同时运放的反馈电阻可通过Rfb引脚端引用片内固有电阻，也可以根据设计需要外接反馈电阻。该芯片的典型应用如图3所示。
本文系统设计的控制芯片采用的是MSP430，反馈电阻采用的是外接电阻，经D/A转换后输出的电流连入集成运算放大器LM324的输入端，进行模拟信号的放大，再经过反馈电路，将相应的模拟信号进行数据处理。而反馈电路运行的稳定性，直接影响着系统工作的精度，作者采用了如图4的硬件设计方式实现反馈电路的功能。
受控电流源采用普通三极管SS8050和大功率三极管3DD15D相结合，通过控制流入大功率三极管3DD15D的基极偏置电压，间接控制输出到负载上的电流大小。在系统的设计调试过程中，我们采用15V电源和负载电阻来替代实际的被测电源，进行相关的参数研究。实际使用中，我们可以去除负载电阻，在15V电源和GND接线处连接被测电源。设计中，我们还需考虑到输入到单片机的电压是经过A/D变换的数字信号，这样才可以实现与MSP430的接口连接，由核心控制器来进行数据的处理。由于MSP430内置A/D转换器，可以完成模拟信号向数字信号的转换，因此降低了系统硬件电路设计的复杂性，有利的节约了开发成本。
实现空载和过载报警电路的方法是测量负载两端电压，由于这两点电压比较高，因此需分压后送A/D测量，分压电阻取值需要较大，以减小对输出电流的影响，当超过额定值时通过主控制器软件程序判断是空载或者过载，电路设计如图5所示。
2 系统设计的软件功能原理
在系统硬件设计的基础上，作者完成了相应的软件程序设计，其程序流程图如图6所示。
在整个硬件系统上电后，首先进行系统初始化，保证各硬件系统运行正常。空载或者过载部分的程序编写可以有效减少因误操作对系统的硬件造成的破坏，在这部分程序中，以容错技术为主，包括：空载报警提示、负载电压过大报警。当电流源没有外接负载或者外接负载超过系统设计的参数极限时，产生相应中断程序，调用声光报警程序和液晶显示程序，提示系统的操作者。
除此之外，程序流程图中的按键扫描程序是重要组成部分，实现的相应功能的子程序较多，其中实现的按键功能有加1键，减1键，退格键，取消键，确定键，保存键和基本的数字功能键。键码的分析中涉及到键盘扫描和编码技术，其中键盘扫描的方式一般有三种：主动查询方式、键盘中断方式和定时中断方式。键盘编码的方式常见的有三种：特征编码法、顺序编码法和反转查表法。本次设计采用主动查询方式对键盘进行扫描，采用反转查表法对键盘编码。
主程序示例。在主程序中，包括基本的头文件和主函数，由于整体程序的复杂性，在本文中我们针对主要的功能函数进行简单说明
3 结语
该简易直流电子负载电流可以在100mA～1000mA范围内进行设定，并且以10mA的步进值，对输出电流大小进行微调，因而可实际应用于检测小功率恒流源的稳定性。在恒流（CC）工作模式下，当电子负载两端电压变化10V时，显示电流值变化小于1%。电子负载还可以检测被测电源的电压与电流，达到设计要求。
作者在接下来的系统研究中，将进一步通过提升硬件性能，改善硬件设计的合理性，提升软件程序的运行效率，提高电流的输出精度，达到更稳定的测试性能。
参考文献
[1] 蒋益飞，周杏鹏.基于 STM32 直流电子负载的设计与实现[J]，仪器仪表用户，2012.03/
[2] 童诗白，华成英.模拟电子技术基础[M].北京：高等教育出版社，2001，248-291.
【关键词】 煤矿 电机 转子 位置检测
永磁无刷直流电机除了保留了有刷直流电机起动转距大、调速范围宽等优良性能，其最大特点是无传统换向器和电刷组成的机械换向结构，因此具有结构简单、使用寿命长、可控性强和稳定性好等优点。
随着电机学、现代控制理论和电力电子技术的进步及低成本永磁材料的出现，永磁无刷直流电机获得前所未有的发展，并在能源、汽车、航空和高精度机床等领域获得广泛应用。煤矿生产和运输过程中，对于动力设备的依赖性很大，矿井电能最终消耗主要是通过电机将电能转换为机械能，可见电机是煤矿井下运用较多的电气设备。永磁无刷直流电机凭借其优越的性能，在煤矿井下安全生产、提升运输及输电变电等领域具有广阔的应用空间。
一、无刷直流电机和位置传感器
矿用无刷直流电机与传统有刷直流电机在电磁结构上相同，但它在定子上缠绕电枢绕组，转子上安装径向充磁的稀土永磁材料，定子上的电枢绕组采用典型三相星型缠绕方式，直流电源经过逆变器与绕组相连，采用转子位置传感器取代传统电刷和机械换向器组成的换向结构。根据绕组通电与逆变器内的功率管之间关系对功率管进行合理控制，电机气隙中产生跳跃的旋转磁场与永磁体的磁场相互作用产生电磁转矩，根据转子位置改变绕组通电方式，使电磁场方向与永磁体磁场方向始终相反，保证具有持续的转矩驱动矿用永磁无刷直流电机连续运转。
位置传感器在矿用无刷直流电机中起着检测转子磁极位置的作用，即实现将转子磁极的位置信号转换成电信号，经过信号处理电路发送给处理器，处理器根据电机转子位置控制定子绕组的导通顺序。为了保证电机具有持续的转矩，功率开关的导通顺序必须和转子转角同步，所以位置传感器与功率开关起着与传统有刷直流电机的机械换向器和电刷相相似的作用。位置传感器的种类比较多，可分为直接式和间接式，其中直接式位置传感器以其检测精度高和可靠性好等优点而被广泛采用。典型的直接式位置传感器有光电式、电磁式、磁敏式和接近开关式。
二、矿用无刷直流电机控制系统硬件电路设计
在本文设计矿用无刷直流电机控制系统中，采用TI公司电机控制专用芯片TMS320LF2407A为核心，该DSP内部集成了很多电机控制专用的电路，减少了系统部分硬件电路设计，特别适合矿用无刷直流电机控制。
图1为矿用无刷直流电机控制系统结构图，控制系统由DSP、操作面板、转子位置及转速检测电路、MOSFET驱动电路、MOSFET、电流检测电路、过流保护电路、显示屏和控制对象矿用无刷直流电机组成，其中DSP用于采集数据和发送动作指令，捕捉转子位置及转速检测电路的脉冲信号，判断电机转子位置并发送合理的换向信号给MOSFET驱动电路，根据脉冲信号进行速度计算，并与速度给定比较进行速度修正；转子位置及转速检测电路检测电机的转子位置和转速，为电机的换相和转速调节提供信息；MOSFET驱动电路对控制指令进行隔离放大，保证MOSFET可靠动作。MOSFET用于电机绕组合理换相，保证电机具有持续的转矩；电流检测电路和过流保护电路用于检测电流值，并在过流时向MOSFET驱动电路发送封锁指令，保证系统的安全性。
图1 矿用无刷直流电机控制系统结构图
2.1 转子位置检测电路设计
转子位置检测是矿用无刷直流电机控制系统首先要解决的问题，本文采用三个霍尔传感器对电机转子位置进行检测，位置检测电路如图1所示。三相霍尔元件发送的信号为HA、HB、HC，当某相（C相）霍尔传感器输出高电平时，二极管IN4148截止，光耦TLP521导通，经过施密特触发器74LS14（消除信号斜坡部分）后输出高电平，经过10K的电阻R9（TTL和CMOS之间的匹配电阻）将TTL的高电平信号转换成DSP可识别的高电平信号发送给DSP的信号捕捉引脚CAP3；假如霍尔传感器输出低电平时，则二极管IN4148的阳极被置低，光耦TLP521不导通，所以施密特触发器74LS14输出为低电平信号，此时DSP接收的信号为低电平。
图2 位置检测电路
2.2 电流检测电路设计
本文选用了型号为LA58-P的霍尔型电流传感器进行电流检测，该传感器具有较高的测量精度、良好的线性度、低温漂、反应周期、宽频带、抗干扰能力强及电流过载能力好等优点，传感器典型接线图如图3所示。LA58-P型霍尔电流传感器采用±15供电，信号输出端接一个辅助测量电阻R13，通过测量测量电阻R13两端的电压计算出要测量的电流值。
图3 传感器接线图
三、结论
矿用无刷直流电机是电机和电力电子技术的相结合的产品，在煤矿井下的应用前景广阔。本文结合数字信号处理器（TMS320LF2407A）设计矿用无刷直流电机控制系统整体结构，并对转子位置检测和电流检测电路进行详细设计，控制系统能够实现矿用无刷直流电机的稳定控制，具有结构简单、反应速度快及可靠性强等优点。
参 考 文 献
[1] 王兆安，黄俊.电力电子技术〔M〕.北京：机械工业出版社，2004.
直流电动机的调速性能非常优越，利用电刷和换向器的机械整流作用实现能力的转换，在此过程中存在换向火花，容易产生各种干扰，严重限制了直流电动机在各类控制系统中的使用。无刷直流电动机应运而生，特别是随着电子整流技术的发展特别是电力电子技术的极大进步，无刷直流电动机克服了传统直流电动机的缺点和问题，使得其广泛应用在各类控制系统中。近年来，高磁能积永磁材料陆续出现，无刷直流电动机的性能更加优越、体积更小，目前无刷直流电动机已经在国民经济的各个领域广泛应用，特别是在家电、电力传动摩托车、汽车、航空航天等领域。因此对其进行控制的技术开发也越来越受到重视。
1无刷直流电动机的控制方案
整个控制系统主要由无刷直流电动机、逆变器、传感器与控制执行器等四大部分组成，同时为了保证装置的正常工作，具有短路、过流、过电压和欠电压等故障保护电路。。无刷直流电动机实际上是永磁同步电机。定子结构与普通同步电动机一致，铁心上有槽，槽内嵌入嵌有多相对称绕组，绕组根据需要可以是三角形结构，也可以是Y型结构，不管是何种形式，在使用时分别与逆变器中的各开关管直接相连。逆变器由主开关和附件做成，主开关一般采用大功率电力电子器件，例如双向可控硅或功率MOSFET等全控型器件。传感器的作用是检测无刷直流电动机的转子中磁极相对与定子中多相绕组的位置信息，为逆变器换相提供精准的位置信息，实现电流转换工作。位置传感器的结构包括两部分：定子和转子，其中转子与无刷直流电动机的结构同轴，以实时掌握记录无刷直流电动机转子磁极的位置；而定子可以固定在无刷直流电动机的静止部分，如外壳或端盖上，把检测转子位置信号输出。控制执行器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调节功能指挥中心，例如速度调节、制动、正反转等，一般具有如下功能：对转子传感器输出的信号、调制信号、控制和制动等各类信号进行逻辑处理，为各开关管的选通信号和斩波信号，实现电机启动、制动、调速和方向控制；产生调制信号实现电机开环调速；对无刷直流电动机进行电流与速度闭环调节，使得整个控制装置动态和静态的各项性能指标良好。微控制器采集电压、电流和各种控制要求，诸如调速、制动、正反装等实际控制要求和位置传感器的三个输出信号，用编程的方法来模拟无刷电机的控制逻辑，按照控制程序进行处理，将各类控制信号和要求转换成驱动六个功率开关器件所要求的驱动顺序。功率驱动单元主要由三相桥式逆变电路和自举电路组成。逆变电路把直流信号转换成交流输出给无刷直流电动机，无刷直流电动机从而完成各类控制要求，传感器在无刷直流电动机运行过程中时刻检测定转子磁极相对位置，开关电路根据上述信息为整个电路正常各种提供出换相的正确时机。短路、过流、过电压和欠电压等故障保护电路由调速信号和制动信号、过电流保护电路、电流采样电路、电压比较电路构成。
2控制装置的硬件设计
2.1电源电路
24V电池送入U1、U2、U3稳压器输出+12V、+15V和+5V给MCU及其它装置供电。
2.2逆变器主电路设计
逆变器采用自控式逆变器，将直流电转换成交流电向无刷直流电动机供电，另外通过控制使得无刷直流电动机输入电流的频率和转速始终保持在同步状态，因此无刷直流电动机和逆变器不会产生失步和振荡。
2.3MCU的选择与设计
在整个控制装置中需要把多种模拟量需要转换成数字量，在目前脉宽调制PWM技术在无刷直流电动机控制中广泛使用，综上，选用的MCU应该有多通道A/D转换模块同时应具有脉宽调制输出端口。本控制装置采用LPC2132作为主控芯片，可以实现专用控制芯片的全部功能，可以通过软件控制，修改程序可适应不同型号和用途的无刷直流电动机，使得系统设计非常灵活方便，这样很容易实现系统扩展，以满足实际控制需求。
2.4保护电路设计
电流信号经由采样电阻获取，经过LM492放大，由单片机LPC2132通道1（管脚2）输入，并进行控制处理。同时。电流采样信号通过LM492与一固定电压值比较，当电压的电流过大时，LM492输出高电平，送入IGBT直接关断输出，进行逻辑功能保护。
3控制装置的软件设计
【关键词】单片机；占空比；PWM
1.概述
随着科学技术的快速发展以及社会经济水平的不断提升，人们对物质生活水平的要求越来越高，他们迫切希望能够通过高的科学技术水平来提升人们的物质生活条件和水平，日常生产生活中的各种事宜都能按照人们的意愿，自动地完成。这就要求在生活中使用各种电动机来驱动机械设备完成人们的预期的功能。直流电机是目前电动机中稳定性较高、应用范围较广的设备，已经被广泛地应用在社会的交通、航空、工业、政府等各个领域中的方方面面。然而，人们对电动机的要求，不仅仅是能够带动机械设备完成相应的工作，而且是要在不同的环境条件下，按照不同的速度进行运转，从而提供更加高质量的服务。直流电机的调度性能非常良好，而且有专门的外部接口能够对直流电机进行速度控制，从而实现不同条件下的速度要求。单片机是人工智能化的核心控制设备和数据存储设备，能够将人们的想法，通过计算机二进制数据的形式存储在单片机中，并且通过专门的电路和接口生成固定的控制信号，从而实现对各种设备的控制。如何实现通过单片机来控制直流电机，是非常值得研究的问题，通过单片机生成调速信号，驱动直流电机工作，从而实现自动化控制，这对于实现自动化功能、提升生活质量来说，具有非常重要的现实意义。
2.直流电机的工作原理
电动机是将电能转化成动能的专业设备，而直流电动机则是以直流电为驱动电源的一种旋转设备，通过内部的磁极、电刷、铁芯、绕线组等构成的定子和转子，将直流电转换成相应的磁场，通过磁场作用产生动力。直流电机的定子是固定的，上面有两个固定的永久磁铁，电刷则是与电源直接连通，当有直流电通过时，电刷连接转子绕线组形成回路，电流通过产生磁场，该磁场与定子永久磁铁的磁场相互作用，驱动转子旋转。特别的，在直流电机中有一个换向器设备，在转子在一个旋转周期内旋转时，由于电刷位置固定，即电流流向的方向，经电刷处是固定的，而转子的线圈旋转过半时，绕线组的方向就会发生变化，如果电刷中的电流方向不变化，那么转子此时产生的磁场与定子磁场的作用力，与上半圈电流流经转子产生的磁场与定子磁场的作用力正好相反，那么此时转子就会向反方向提供作用力，电机将不会旋转，所以换向器的作用就保证了流经绕线组的电流产生的磁场与定子磁场之间的作用力始终是一致的，从而源源不断的磁场作用力就能使转子旋转。最终形成的效果就是，如果提供的电源电流方向不变，转子方向就不会发生变化，即电机旋转方向不变，改变电流方向，转子旋转方向发生变化，电机旋转方向发生变化。
3.单片机控制直流电机
单片机控制直流电机，主要是采用PWM技术，对直流电机进行控制。由于直流电机自身的特性，在不同电流流向的直流通过时以及在不同时间的磁场力作用下，转速和转向都是不同的。PWM技术就是按照直流电机自身固有的特性，通过对控制信号的改变和调整，来实现对直流电机的控制。
3.1 PWM技术
PWM技术的核心技术就是生成方波，然后调整其不同的占空比和方向来实现对直流电机控制电流的调整和改变。如图1.所示，为PWM的脉冲信号示意图。
由图1可知，PWM脉冲信号是周期为T的信号，在一个完整周期内，高电压为t1，低电压为t2，PWM脉冲信号就是重复周期T的信号对直流电机进行控制。当直流电机通过高电压t1时，直流电机转子和定子产生相互作用的磁场力，直流电机工作，当直流电机通过低电压t2时，直流电机转子不产生磁场力，直流电机不工作。那么在一个完成的周期内，如果能够按照人们的意愿灵活地改变t1和t2的比例，即可实现对直流电机作用力时间的改变，从而改变直流电机的运转速度。同样的，如果改变PWM脉冲信号的直流控制信号方向，那么直流电机的旋转方向就会发生改变，从而实现对直流电机旋转方向的控制。
PWM技术应用在单片机控制电动机方面应用十分广泛，由于PWM脉冲信号为方波，属于数字信号，单片机很容易通过专门的输入输出端口或者通过有序地控制二极管通连情况，来生成PWM脉冲信号。
3.2单片机控制直流电机框架
单片机控制直流电机的电路框架分为三部分，分别是人机交互接口的键盘控制电路，单片机核心控制电路，直流电机驱动和工作电路。其中，键盘控制电路提供了外部接口能够方便使用者对单片机输入控制信号，如开机、加速、减速、换向、关机等。单片机核心控制电路主要是读取键盘区域的外部控制信号、处理内部逻辑运算、生成PWM脉冲信号等。直流电机控制电路主要是接受单片机输出的PWM脉冲信号，并对其进行电压放大和功率放大的处理，使其能够满足直流电机的正常运转的功率需求。如图2.所示，为单片机控制直流电机的电路框架结构图。
3.3单片机控制流程
当外部用户按下开机键时，单片机开始工作，数据初始化，电动机控制芯片或者电路使能，数据初始化工作不仅包括单片机正常的数据初始化，还包括对内部定时器/计时器的设置、输入输出端口的设置等等。当用户按下加速按钮，单片机产生默认方向的PWM脉冲信号，占空比为相对较小的单位，此PWM脉冲信号输出到直流电机控制电路，通过转换进行放大处理，驱动直流电机工作。当用户继续按下加速按钮时，单片机读取此信号，继续改变PWM脉冲信号占空比，脉冲信号的高电压比例增加，直流电机产生的磁场作用力时间变长，速度提升。当用户按下减速按钮时，单片机接收到此信号，减小PWM脉冲信号一个周期内的占空比，直流电机受到的作用力时间减少，速度降低。当用户按下反向按钮时，相反地，只需要改变PWM脉冲信号的方向即可实现直流电机的转向。
改变PWM脉冲信号占空比的方法有很多，如果使用二极管产生脉冲信号，可以采用定时器/计数器方式，对高电压与低电压的固定时间进行定时即可。特别的，为了能够减少直流电机的损耗，在对直流电机的旋转方向进行控制时，一定要在相对低速的情况下改变方向，这样对直流电机来能够起到保护作用。
4.总结
单片机控制直流电机，主要是利用直流电机自身特性，通过生成PWM脉冲信号，改变其占空比与脉冲信号的方向，来对直流电机进行控制，整个电路的框架从控制接口、到核心处理部分、到驱动部分结束生成适合直流电机运转工作的合适的PWM信号，从而实现对直流电机的智能控制。
参考文献：
[1]张岩，裴晓敏，付韶彬.基于单片机的智能循迹小车设计[J].国外电子测量技术，2014（03）
关键词：晾晒器；太阳能；弹簧；价值工程
DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2017.03.051
1 引言
日常生活和生产中，需要利用太阳光和风晾晒食物、产品等，比如晾晒阳干鱼。为晾晒均匀，要求人工翻动或电机驱动翻动食物、产品，翻晒活动要么繁琐要么耗能。利用太阳能作为动力来代替现有晾晒方式，节能、省事。
但是，现有太阳能应用一般工作过程为：太阳能电池产生较少的电能----蓄电池存储电能----蓄电池向电动机集中输出较强的电能----电动机将电能转化为机械能----机械设备减速增扭后再输出，显然较多的能量转化过程极大地降低了太阳能的利用效率，同时增加价格比较贵的蓄电池，设备的成本提高，重量增重。基于价值工程理论，设计时在保证设备基本功能不变的前提下，减少不必要的零部件，降低设备成本，无疑提高了设备价值。考虑到晾晒器的主要功能是能够使产品有一定旋转，受光面、受风面有变换就可以满足生产需求，至于电动机是否匀速转动没有很高的要求。本设计就是基于价值工程理论，比较巧妙地利用弹簧蓄能、传能，减少能量转化环节，从而提高太阳能的利用效率、减轻设备重量、降低成本，提高设备价值。
2 太阳能驱动晾晒器的结构
如图1所示的太阳能驱动晾晒器，包括支撑架2、安装在支撑架2上的直流电机3、安装在支撑架2内的导轨盘7、可以在导轨盘7内圆周运动的转动架5、连接直流电机3与转动架5的蓄能弹簧4、与直流电机3电连接的太阳能电池板1以及固定在支撑架2上用于防止直流电机3反向转动的棘轮机构10。蓄能弹簧4的一端与直流电机3的转子轴30连接，蓄能弹簧4的另一端与转动架5固定连接。
转动架5为2根相互垂直的水平轴固定连接而成，2根水平轴的交汇处连接设置有连接轴50，蓄能弹簧4的一端与连接轴50连接固定。水平轴相对于转子轴30的轴线对称，每根所述水平轴的两端分别安装有滚动轴承6，滚动轴承6型号规格完全相同。
滚动轴承6安装在导轨盘7的U形槽72内。导轨盘7通过上导轨盘70和下导轨盘71拼接而成。棘轮机构10包括固定在支撑架2上的棘轮以及与直流电机3的转子轴30固定的棘爪，棘爪抵触在棘轮上后防止直流电机3反转。
太阳能电池板1产生的电能直接输出到直流电机3，输出过程受电机保护电路控制、保护。直流电机3又直接驱动蓄能弹簧4，当光线弱，太阳能电池板1产生电能不足够大时，直流电机3会使蓄能弹簧4扭转储存机械能；当蓄能弹簧4储能足够多时，就会驱动转动架5、滚动轴承6、晾晒物等绕转子轴30的轴线圆周运动；当光线较强、太阳能电池板1产生的能力足够大时，转动架5、滚动轴承6、晾晒物等绕转子轴30的轴线圆周运动的响应会迅速些，相对的转动速度也快些，保障晾晒物在强太阳光线转动快、晾晒更加均匀。
本设计巧妙地用蓄能弹簧存储机械能、直接由蓄能弹簧输出扭矩驱动晾晒物，减少了由太阳能转化为设备扭矩的中间转换环节，提高太阳能的利用率、减少了成本、降低了重量；太阳光强时需要转动晾晒物转动快些，此时太阳能电池板产生的电能也多，驱动直流电机转速也快，从而能量供给与需求天然吻合。为防止电机反转烧毁电机线圈，采用棘轮机构防止电机反转。
3 电路设计
为使电机不欠压、不过压，保障直流电机的正常使用寿命。设计图2所示保护电路。
在太阳能电池板1和直流电机之间的电机保护电路，由欠压采样电路、过压采样电路、过流采样电路、参考电压、功率管驱动电路、比较器和555单稳态触发器构成。
在正常工作状态下，太阳能电池板1输出电压12V，阴天或夜晚时，输出电压偏低，欠压取样电路检测到的电压值低于参考电压，经比较器后输出低电平，触发由555构成的单稳态触发器进行延时，并通过驱动电路关断功率管。如果经过单稳态触发器设定的延r时间后，太阳能电池板1输出电压回到正常的工作范围内，则功率管开通，直流电机正常工作，否则继续进行欠压保护。
过压和过流保护电路原理与欠压保护原理类似，当输出电压或电流过高时，过压或过流取样电路检测到低电平，触发由555构成的单稳态触发器进行延时，并通过驱动电路关断功率管。如果经过单稳态触发器设定的延时时间后，输出电压回到正常的工作范围内，则功率管开通，直流电机正常工作，否则继续进行过压或过流保护。
电机保护电路的控制面板上设置有3只电位器，其中1只电位器为延时保护时间的人工设定的电位器，余下的2只电位器分别为人工进行欠压和过压保护值设定的电位器。过流保护值是不能人工设定的，机内已经设定为额定电流的1.2-1.5倍。
4 结语
该太阳能驱动晾晒器具备如下几个优点：
第一，利用太阳能作为能源，清洁环保；
第二，使用蓄能弹簧存储机械能、直接由蓄能弹簧输出扭矩驱动晾晒物，减少了由太阳能转化为设备扭矩的中间转换环节，提高太阳能的利用率、减少了成本、降低了重量，设备价值得到提高；
第三，太阳光线弱，太阳能小，也不需要过快地转动晾晒物。当太阳光线较强时，需要相对比较快地转动晾晒物，这时太阳能电池板提供电能也大，推动直流电机转子转动的速度也相应变快，从而通过弹簧带动转子架转动也随之变快。天然地实现太阳光线强，翻动晾晒物快的需求，使晾晒物晾晒得更均匀。
第四，晾晒期间的光线不均，产生的电能不稳定，恰当的电机保护电路和棘轮机构等保证了电机不欠压、不过压、不反转，保障直流电机的正常使用寿命，所采用的电路造价低廉。
参考文献：
[1]成大先.机械设计手册[M].北京：化学工业出版社，2008.
（集宁师范学院 科研设备处，内蒙古 乌兰察布 012000）
摘 要：随着电力测控技术以及电子技术的飞速发展，无刷直流电机得到了广泛应用，其体积相对较小、运行效率较高、运行平稳可靠、维护十分便捷，凭借这一系列优势，无刷直流电机在工业控制领域应用及其广泛.本文主要阐述了基于DSP的无刷直流电机控制系统的设计，主要包括的硬件设计和软件设计两方面.所设计的控制系统主要采用触摸式一体机作为系统控制的上位机，选用专门为电机的数字控制所设计的DSP芯片TMS320LF2407A作为下位机，此芯片作为控制的核心部分，通过上位机与下位机的通讯配合完成无刷直流电机的整体控制.
关键词 ：DSP；无刷直流电机；控制系统
中图分类号：TM302文献标识码：A文章编号：1673-260X（2015）01-0047-02
1 引言
随着电力测控技术以及电子技术的飞速发展，无刷直流电机广泛应用于工业控制的各个领域.随着现代工业的不断发展，对无刷直流电机控制系统性能的可靠性要求也逐渐提高.所以，开发设计具有响应速度快、控制精度高、调节能力强的无刷直流电机控制系统具有非常重要的意义.无刷直流电机具有体积小、运行效率高、运行平稳可靠、维护便捷等性能，因此它在计算机外围设备、医疗器械、智能家居、交通运输、机械制造等领域都占据着重要的地位，它替代了其它种类的多种电机.所以，对无刷直流电机的研究以及应用都得到了广泛的重视，目前对其进行更加深入的研究以及设计已经成为了电机控制领域的一大热点.
2 无刷直流电机的工作原理
无刷直流电机主要由三部分组成：电机本体、转子位置传感器以及电子开关电路.
2.1 电机本体
电机本体是由主定子和主转子构成.主定子是电机的静止部分，主定子包括主定子绕组以及主定子铁芯，其中主定子绕组由漆包线绕制构成，主定子铁芯由硅钢片叠成.在电机本体中，主定子绕组其最重要的部分，在绕组中有电流通过时能够产生磁电动势，与转子产生的磁场，这样的相互作用来使得转子旋转；主转子是电机的转动部分，是用来使得电机中产生励磁磁场，主转子通常由永磁体、导磁体以及支撑部件构成，永磁体以及导磁体是用来产生磁场元件，支撑部件是转轴以及轴套等支撑转子的部件，实现对永磁体以及导磁体的固定.
2.2 转子位置传感器
转子位置传感器是为了实现无刷直流电机的无接触换向，这一传感器相当重要，它是无刷直流电机中的最关键部分，转子位置传感器包括静止部分和转动部分，即定子和转子，无刷直流电机的转子磁极位置是通过转子位置传感器来测定的，通过测定准确位置来为电子开关电路提供准确的换相信息.
2.3 电子开关电路
电子开关电路主要由功率管、驱动电路好转子位置信号处理模块组成，用来配合转子位置传感器对电机本体定子的各相绕组的通电时间以及顺序进行控制，着也是无刷直流电机实现无接触换向的重要部件.电子开关电路把转子位置传感器输出的信号进行解调并进行功率放大来触发功率管，为电枢绕组提供信号，使得电枢绕组遵循一定的逻辑顺序进行导通，这样来确保无刷直流电机按照一定规律可靠运行.
无刷直流电机的系统基本结构如图1所示.
3 控制系统硬件设计
3.1 控制系统硬件总体构成
本控制系统选用触摸式一体机机作为上位机，实现人家对话，从而完成数据信息命令的发送并能够对电机运行状态进行实时监控，下位机采用DSP芯片以及无刷直流电机专用的集成控制芯片MC33035构成，用来输出控制信号对电机进行控制和驱动电机.整个控制系统选用PWM的方式来控制电机的转速，并选择霍尔位置传感器来检测转子的位置，功率变换器件选用的是MOSFET场效应管.控制过程中DSP芯片能够采集到电机实时转速，并根据电机的实际转速信息，来修正上位机所给出的设定速度，从而实现整个系统对电机转速的闭环控制.集成控制芯片MC33035用来执行DSP芯片输出的控制指令，从而输出控制电机转速、转向以及启停的控制信号.
无刷直流电机控制系统硬件部分主要由三部分组成：控制部分、驱动部分以及检测部分.无刷直流电机控制系统的硬件构成如图2所示.
3.2 控制系统的设计
控制部分(DSP)：主要用来处理来自上位机的控制信号以及来自传感器的反馈信号，并且处理后经这些信号通过光电隔离处理后，传送至驱动单元，从而驱动电机的转动.DSP主控板是由TI公司专门为直流电机控制和运动控制的数字化实现而设计的，DSP芯片TMS320LF2407A是控制电路的主控芯片，通过与其配配合的外围电路组成成控制系统，其中外围电路主要包括电源转换电路、JTA仿真接口电路、时钟与复位电路、上位机通信电路以及存储器扩展电路等.
驱动部分：主要用来完成驱动控制无刷直流电机.驱动部分的核心是MOTOROLA公司所生产的专用集成控制MC33035芯片，它用来接收霍尔位置传感器反馈的位置信号并加以处理，来确定无刷直流电机转子的准确位置，为控制系统提供驱动输入的时序，从而实现功率管的开关控制，并且接收DSP芯片主控电路所发出的控制信号，并进行相应处理，从而实现对电机的转速、转向以及启停的控制.系统选用IR公司生产的IR2130功率驱动系统对功率逆变器进行驱动，MC33035芯片将位置信号处理后的换相信号发送给IR2130功率驱动电路，从而驱动三相桥式功率逆变电路.
检测部分：用来实现对无刷直流电机的定子电流以及转子位置和转速的实时检测.接在三相全控桥式功率逆变电路中的采样电阻来实现对定子电流的检测，MC33035内部的转子位置译码器对电机内部的三个转子位置进行检测.
4 控制系统软件设计
无刷直流电机控制控制系统的软件部分分为上位机和下位机.上位机由触控式一体机构成，主要实现人机对话，上位机程序设计是采用C#语言进行编程开发；下位机是由DSP应用程序和控制算法程序来进行设计，是在TI公司的DSP集成开发环境下开发完成.
4.1 上位机设计
上位机启动人机监控界面后，第一步是进行串口通讯设置，建立与下位机DSP的通讯协议，接着进入监控界面，进行对电机的运行状态信息进行监控，并将控制、调试命令通过串口与DSP芯片的控制器进行数据通信，并对电机运行时的各种实时参数进行修正，上位机程序界面中将DSP所上传的转速实时数据显示在相应位置，并可绘制出实时变化的曲线，从而实现对电机状态的实时监控功能.
上位机监控界面采用用C#语言为开发工具，通过界面设计以及程序的编写，来实现具有能够监控电机实时运行状态的人机界面的软件.操作者通过该上位机软件，既可以读取出电机的实时运行状态、转速等信息，也可以通过命令输入或者控件按钮等发送启、停、转向等指令，从而时间电机状态的改变.
4.2 下位机设计
上位机一体机要实现与下位机DSP控制器的通信，上位机需要将转速设定值以及转向信号、启停信号等通过数据传输线传送给给DSP控制器，DSP控制器要将电机的实时状态信号传送到上位机.
DSP控制系统下位机软件是采用模块化的程序思想进行设计，再根据系统功能需求，将下位机程序分为多个不同的功能模块，这些功能模块互相独立，不受影响，实现不同的功能.本系统下位机DSP程序设计模块主要包括：主程序、初始化子程序、中断服务程序、转速检测子程序和模糊PID控制算法子程序等，每个子程序模块分别实现不同功能.
5 总结
本文完成了以无刷直流电机专用集成控制芯片MC33035为核心的基于DSPD无刷直流电机控制系统的设计，设计出整个系统的硬件电路，并设计编写DSP应用程序以及控制算法程序，并采用C#语言编写了上位一体机监控人机界面，从而实现了对电机运行的各种实时参数的显示，以及控制信号的输入，从而实现了对无刷直流电机的有效控制.
参考文献:
〔1〕张焱．基于DSP的无刷直流电机高性能调速系统的研究[D]．西安电子科技大学，2007.
关键词：彩超机；故障电源；B超机维修
Abstract: The article elaborates the Philips IU22 color Doppler power structure and each component function, and emphatically introduces the special power fault examples in the use, which provides the new ideas for such models B ultrasound machine repair work.
Key words: Color Doppler; fault ultrasound machine; B ultrasound machine repair
中图分类号: R197.38文献标识码:A文章编号：2095-2104（2012）
自2004年4月荷兰皇家Philips电子集团推出全新的智能超声系统以来，Philips IU22由于控制功能智能化及人机工程设计先进而得到了市场普遍的应用和好评。作为现今较为卓越的多普勒彩色超声诊断仪之一，它集成了2D、3D和实时4D等多维成像模式（3D和实时4D成像模式即表面容积三维、超声造影功能、血流容积三维及实时四维功能)。使用3年多来，相比同等级别的B超机，Philips IU22彩超机的故障率较低。本文主要对此次特殊的电源故障现象进行了剖析，也为同类B超机的维修提供资料借鉴[1]。
1 电源故障
按正常操作开启底部交流电源，B超机进入待机状态，此时位于交流电源开关右侧的蓝色指示灯点亮，为使机器得电，打开中部ON/STANDY按键，机器开始初始化。当PHILIPS几个字母出现在显示器不到4S的时间，机器突然停止运行，且蓝色指示灯闪烁不停。再次尝试按下ON/STANDY按键，机器无反应，重新开启电源，机器依然无反应，此时彩超机出现故障。
2 分析故障
结合以往修理经验及此次彩超机出现的故障现象，初步估计该B超机的故障源位于电源。可能的原因有两个：第一，是由于电源短路或某部位损坏，导致电流或电压输出异常，致使保护电路切断电源。第二，直流电源没有提供设备正常运行的需要电压或供电不足。
3 检测维修
彩超机的底部左右侧板被打开后，可以观察到，直流供电、交流供电、待机电源部分、高压电源部分及直流电压检测和分配部分、总电源通风散热等六个部分是IU22B超机电源的主要组成部分。开启交流电源后发现，亮起的六盏LED灯包含亮红灯的DS2，DS3，DS5，DS6，DS9及亮绿灯的DS11，六盏LED灯位于直流电压检测和分配板上。核查后发现，五盏LED亮红灯是为了给予维修工作人员提示信息，而DS11亮则指示有+5V的电压来自交流电源，并使得直流电压检测和分配板进入待机状态。在电源风扇的上部右侧，由于DC OK和AC OK绿色指示灯没有亮，说明此时直流供电部分处于断电状态。当ON/STANDY键被按下后，DS1，DS4，DS7， DS10、DS11，DS12位于直流电压检测和分配板子上的LED均亮绿灯，检查发现，DS1亮表明输出交流电压正常，DS4亮表示平台和ACQ板的电源供给正常，DS7亮表示允许开机，“DC OK”的信号已经给了主板。DS10、DS11、DS12亮则分别代表从待机开关和主板输出了“POWER-ON”信号、交流电源输出了+5V的电压、平台配电板正常工作。此时，直流电源开始通电，DC OK和AC OK的指示绿灯被点亮，用于通风散热的两个风扇也开始工作，但这种现象仅维持了2～5s，风扇就停止了转动。同时直流电压检测和分配板上再次变成五盏红灯一盏绿灯，整机再次断电，电源无法工作[2]。
根据电源电路构成，首先打开交流供电部分，测量交流供电部分电压值为220V，可以判断交流供电部分工作正常。接下来判断直流供电部分工作是否正常。为进一步检查两个直流电源的构成，从底座中将直流供电部分取出，在取的时候，注意卸掉固定闸线平板上的螺丝，并将闸线抬起后，再整体取出直流供电部分。取出后，将两个直流电源的输入部分分别外接220V电源，测量直流电源的空载输出，经万用表测量显示，直流电源A为+11.8V，直流电源B为+3.7V，±5.5V，±14.9V，+45.3V，均为正常输出，因此可判断直流供电电源工作正常。下一步检测直流电压检测和分配板，对器件逐一检查后发现，带三态门的8D锁存器(Philips 74HC573D)发生短路故障，更换故障零件后，机器工作正常[3][4]。
4 分析讨论
由于熟悉电源系统结构，本次彩超机维修过程进展顺利，并在较短的时间内就找到了故障原因。电源电路各部分作用现总结如下：
①直流供电部分：是整个机器电源的核心来源，它主要由两个直流电源组成，直流电源A输出为+11.8V，而直流电源B输出为+3.7V，±5.5V，±14.9V，+45.3V。直流A和B电源均含有输出和反馈回路，排列在电源右侧的是输出回路，而排列在电源左侧的是反馈回路，处于正常工作时，绿色指示灯DC OK和AC OK会点亮。
②交流供电部分：控制交流电源的通断是该部分主要作用。它包含一个控制交流通断的开关，一个空气断路器及一个继电器。在电流突然很大的时候，空气断路器负责断开电路，保护整个机器。在整个系统自检出现问题时，继电器会自动断开，以此保护直流电源。
③待机电源部分：主要由一块电路板和三个串联的电池构成的电压为6V的电池组构成，电路板具有稳压，整流和给电池组充电的作用。在机器刚启动时，充电电池能提供T作电压给交流供电回路中的继电器，保证在开机时继电器处于通电状态。
④高压电源部分：由很多容量大的电容组成，直流电压检测机分配板分别提供±15V和+48V电压作为该部分的输入。直流电压检测和分配板的输出与高压电源输出为前端超声发射电路提供电压。
⑤直流电压检测和分配板：电压的采集，比较，分压和调整是这部分的主要作用，7块LM399(电压比较器)，1块317D2T，1块9945A和1块9435B，带三态门的8D锁存器是该部分主要零件，正常工作时，常亮的LED灯有DS7，DS4，DS12，测量发现，DS12电压在+2.1V到+3．3V之间，属于高电平工作，而DS7和DS4电压要小于+2.1V以下，都是低电平工作。
⑥总电源通风散热部分：主要起到疏散电源热量的作用，这部分主要包含两个大型风扇，以及位于风扇接口处的一个检测装置，该装置可用于检测风扇工作是否正常。
5 归纳总结
综上所述，整个机器电源的工作流程为：打开电源开关后，220V的交流电进入到直流电源部分，开启开机/待机按钮，直流电源供电给电压检测和分配板，电压检测和分配板开始对各路电压进行检测。若各路电压正常，则将DC OK信号反馈给继电器，使得继电器处于吸合状态。电源自检结束后，主机的系统开始初始化。
通过此次电源故障的检测与维修，不仅使我们更加深入的了解了Philips IU22电源的结构及工作原理，同时节省了大笔维修费用，对今后此类故障的诊断和机器维护具有一定的指导意义。
参考文献
[1] 雷旭珍.三维彩超对胎儿畸形确诊的准确性[J]. 医学信息(中旬刊). 2010(05)
[2] 史文兵.飞利浦彩色超声iU22维修一例[J]. 医疗装备. 2009(09)
关键词：PID算法 转速测量 直流电机转速控制 单片机
中图分类号：TM301 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）05（a）-0108-02
与其它类型的电机相比，直流电机具有良好的起动性能，调速范围广，过载能力强等特点，因此直流电机在起动和调速要求较高的生产机械得到了广泛的应用。随着人民生活水平的提高，对视听设备品质要求也在提高，这为小功率直流电机提供了广阔的市场，因此，高精度控制直流电机转速成为发展的必然趋势。本文基于PID算法，以ATmega16单片机为核心实现直流电机的高精度控制，具有结构简单，适应性强等特点。
1 总体设计方案
系统的总体设计方案如图1所示，包括ATmega16单片机、从单片机、电机转速测量装置、直流电机、键盘输入、显示以及功能控制电路几部分。以ATmega16单片机为核心，利用ATmega16具有PWM输出功能控制电动机转速，通过在PID运算过程中不断改变控制参数，从而不断调整被控参数，完成实时控制任务。
2 硬件设计
2.1 主机设计
主机部分电路由ATmega16单片机、复位电路、电源电路和下载接头组成。在单片机引脚RESET上保持两个周期低电平实现单片机的完全复位。采用PB3口作为PWM输出口，PB0口作为T/C0的输入捕捉引脚，接受从测速电路反馈回来的信号。PC1-PC3和PD2作为按键输入，PC4-PC7作为数码管的位选，PA口作为数码管的段选，具体电路如图2所示。
2.2 电机驱动电路
由于ATmega16具有PWM输出功能，所以通过改变占空比就可以控制电动机的转速。使用光耦Uyyy实现单片机与电机的控制部分和电机驱动部分的电气隔离。Rggo作为光耦输入端的限流电阻。Rirf3是上拉电阻，用来提高光耦输出端的驱动能力。电机上的二极管和电容用来保护电机。MOS管IRF540作为驱动电路的功率输出。
具体电路如图3所示。
2.3 电源电路
选用7805三端集成稳压器，提供+5V直流电压，输出电流为1A。交流电压经过DAC1-DAC4桥式整流、电源指示灯及平滑电容Cyl滤波后得到非稳定8-12V直流电压加到7805的输入端。在输入和输出分别接人电容Cy3和Cy4来保证电路的稳定工作。
Cy3为输入稳定电容，当稳压器输入阻抗降低时，防止发生振荡，采用0.1-1uF的陶瓷电容。Cy4为输出稳定电容，用来降低输出纹波、输出噪声及负载电流变化的影响。采用Cy1和Cy2两个大容量的电解电容进行滤波，以减小输出电压纹波。电源电路如图4所示。
2.4 测速电路
本设计中，采用光电式传感器和红外对管。小电机转子上安装八孔光栅，随着电机转动而转动，红外发光管DHW一直处于发光状态，电机转一次，转盘就挡住发光二极管一下，输出电平经过三极管Qjs放大，发生一次跳变，单片机计数一次，转盘转一圈则计数八次。
转速测量的电路图如图5所示。
3 软件设计
系统的软件设计分为主程序模块、按键识别模块、PID控制算法模块和中断子程序模块。主程序模块为其余几个模块构建整体框架和初始化工作；电机控制模块通过PWM来对直流电机进行调速，实现在线检测速度的功能。PID控制算法模块是通过定时器每隔T秒中断一次，完成一次PID控制计算，从而不断调整被控参数，完成实时控制任务。主程序模块的流程图如图6所示。
3.1 PID控制算法模块
PID参数整定通常包括试凑法，扩充临界比例度法和扩充响应曲线法。采用扩充响应曲线法确定本系统的，，。通过ATmega16的PB.0端口捕捉光电管上升沿脉冲，在ATmega16内部算出电动机转速，并同时将速度显示出来。PID运算过程中所有参数和计算值均以多字节浮点数表示，在控制过程中不断改变控制参数。系统运行中通过定时器每间隔T秒中断一次，完成一次 PID控制计算，从而不断调整被控参数，主程序中的PWM驱动模块根据控制参数而改变PB3口输出值，调整PWM输出波形，完成实时控制任务。其程序流程图如图7所示。
4 结语
PID控制在工业控制中起着非常重要的作用。本设计完成了基于PID控制算法的直流调速的系统的研究与设计，包括系统的硬件开发和软件，具有精度高，结构简单，适应性强等特点。
参考文献
[1] 赵长德.MCS-51/98单片机原理与应用[M].北京：机械工业出社，1998.
