畢業(yè)設(shè)計基于單片機的電動自行車設(shè)計

1、畢業(yè)設(shè)計 題目名稱基于單片機的電動自行車控制器的設(shè)計系別專業(yè)/班級學(xué)生學(xué)號指導(dǎo)老師（職稱）摘要電動自行車由于輕便靈活、節(jié)能環(huán)保、價格適中而得到人們的廣泛使用，成為人們短途出行的理想交通工具。同時中國具有世界上最龐大的自行車市場，電動自行車產(chǎn)業(yè)在中國有著非常廣闊的應(yīng)用前景。因此發(fā)展電動自行車具有良好的社會意義和客觀的經(jīng)濟效益。目前電動自行車的動力驅(qū)動主要是輪轂式無刷直流電動機。電動自行車控制器作為電動自行車的控制核心，是電動自行車的關(guān)鍵部件，與無刷直流電動機一起構(gòu)成電動自行車的動力驅(qū)動系統(tǒng)，為了提高電動自行車的騎行舒適性、安全性，本文對電動自行車的動力驅(qū)動系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究，并重點介紹了電動自

2、行車控制器的功能構(gòu)成和軟件硬件設(shè)計。本課題研制的電動自行車用無位置傳感器直流無刷永磁電動機來驅(qū)動，用PIC16C74單片機作為主控芯片。它不僅克服了有刷直流電機的噪音、換向火花等缺點，而且避免了有位置傳感器直流無刷電機因位置傳感器帶來的不足；同時，它降低了制造和使用過程中的成本，提高了使用和維護的方便性，具有效率高、環(huán)保、經(jīng)濟和方便的特點以及具有良好運行性能和巨大的市場潛力。關(guān)鍵詞：電動自行車；位置傳感器；直流無刷電動機；單片機控制AbstractThe electric bicycles as light and flexible, energy saving, affordable and

3、 widely used by people, become the ideal short trip transport. Meanwhile, China has the world's largest bicycle market, the electric bicycleindustry in China has a very broad application prospects. Therefore the development of electric bicycle has a good social significance and objective economi

4、c benefits. Powered electric bicycles are nowadays mainly Wheel brushless DC motor. Electric bicycle controller as thecontrol core of electric bicycle is a key component of electric bicycles, and together with DC motor constitute the drive system of electric bicycles .In order toimprove the electric

5、 bicycle ridecomfort, safety, thepowerdriving systemof electric bicycleisresearcheddeeplyin this article, and it also mainly introducesthe function of the electric bicycle controller structure and software & hardware design. This topicresearched electric bicycle which usessensorless brushless DC

6、 permanent magnet motor to drive, with the PIC16C74 microcontroller as the master chip. Thus not only overcome the noise of brush DC motors, commutation spark shortcomings, but also avoid the deficiency caused by a position sensor; at the same time, it reduces the costs of the process of manufacturi

7、ng and using, improvesthe convenience ofuse andmaintenance, and it is high efficiency, environmental protection, economy and convenient characteristicwith good performance characteristics and huge market potential. Keywords:electric bicycle; position sensor; DC brushless motor; SCM目錄摘要IABSTRACTII1緒論

8、11.1 電動自行車研究的目的和意義11.2 電動自行車的基本結(jié)構(gòu)與發(fā)展21.2.1 電動自行車的構(gòu)成21.2.2 電動自行車的發(fā)展?fàn)顩r及趨勢31.3 論文的主要內(nèi)容42 電動自行車控制器的系統(tǒng)分析62.1 無刷直流電機的工作原理62.1.1 無刷直流電動機的發(fā)展62.1.2 無刷直流電動機的運行原理62.2 電動自行車的驅(qū)動電機原理82.2.1 無位置傳感器直流無刷電動機工作原理93 直流無刷無位置傳感器電動自行車控制器的設(shè)計113.1 直流無刷無位置傳感器電動機的數(shù)學(xué)模型113.2電動自行車的運行參數(shù)顯示功能設(shè)計133.2.1 速度顯示133.3.2 蓄電池的容量顯示144 電動自行車控制

9、器的硬件設(shè)計164.1 芯片的選擇164.2 無位置傳感器無刷直流電動機的反電動勢檢測及換向控制184.3 電動自行車的起動方法194.4 驅(qū)動電路214.5 調(diào)速和過流保護234.5.1 電動自行車的調(diào)速234.5.2 過流保護244.6 液晶顯示電路255 系統(tǒng)軟件構(gòu)成275.1 系統(tǒng)主程序結(jié)構(gòu)275.2 中斷程序285.2.1 反電勢過零中斷285.2.2 定時中斷295.2.3 A/D中斷315.3 程序編寫過程中的注意事項33參考文獻(xiàn)34結(jié)束語35致謝361 緒論1.1 電動自行車研究的目的和意義近年來，隨著人們生活的改善，摩托車、燃油助力車得到迅速發(fā)展，其排放的尾氣已造成城市空氣嚴(yán)

10、重污染，一些城市相繼制定法規(guī)限制摩托車、燃油助動車的使用來保護環(huán)境。發(fā)展短距離的綠色交通工具替代摩托車、燃油助動車成為一些國家的經(jīng)濟和社會課題。電動自行車具有“零排放”，是一種比較好的短距離綠色交通工具。由于控制器對電池?fù)p耗的控制問題，限制了電動自行車的速度效率和行駛距離，但可以通過提高系統(tǒng)的效率來改善其性能。因此要減少污染并提高其工作效率，對電動自行車控制器的研究和設(shè)計是現(xiàn)在科技的必然趨勢。電動自行車與摩托車、燃油助動車相比較，它具有突出的優(yōu)點1：(1) 無污染電動自行車是以蓄電池發(fā)出的電能作為驅(qū)動能源，以電動機作為動力，運行過程中沒有廢氣排放；因此和摩托車、燃油助動車相比，沒有污染。(2)

11、 低噪音、振動小電動自行車是由電動機驅(qū)動的，電動機在運行中產(chǎn)生的噪音比較小，運行比較平穩(wěn)。而摩托車、燃油助動車是由燃油發(fā)動機驅(qū)動，其汽缸產(chǎn)生的噪音比較大，由于受到體積限制，其發(fā)電機的缸數(shù)較少，運行時不夠平穩(wěn)，振動較大。(3) 最高時速20公里，行駛安全摩托車、燃油助動車的速度快，在機動車道上行駛，事故率較高；而電動自行車，國家強制性規(guī)定（國標(biāo)GB 17761-1999）其速度不能超過20km/h，并且電動自行車一般不能在機動車道上行駛，因此相比之下安全很多。(4) 效率高摩托車、燃油助動車的效率一般只有30%左右，而電動自行車的效率可以達(dá)到70%以上。(5) 結(jié)構(gòu)簡單、輕便，易維護、維修電動自

12、行車一般是有蓄電池、控制板、電機和車身組成；蓄電池用的是免維護的，電機的故障率較低，基本上不要維護，控制板由于現(xiàn)代的電力電子技術(shù)比較成熟，損壞率也比較低，另外電動自行車沒有機械傳動結(jié)構(gòu)，體積小、重量輕，因此相比摩托車、燃油助動車來說，其日常的維護、維修量少得多。正是由于以上原因，電動自行車逐漸受到人們的歡迎，同時電動自行車的廣泛運用在緩解環(huán)境污染方面占有很大優(yōu)勢，不僅可以有效節(jié)省能源，而且能夠減少大氣污染。因此，研制生產(chǎn)出一種無污染、低噪音的交通工具來替代摩托車和燃油助動車，已是時代的需要。電動自行車正是在這樣的呼喚下，逐步走進(jìn)人們的生活中。1.2 電動自行車的基本結(jié)構(gòu)與發(fā)展電動自行車的構(gòu)成電

13、動自行車主要有四個部分組成：車架、電源(蓄電池)、電機和控制器。車架部分不作討論，其他部分介紹如下：(1) 電源(蓄電池)電源為電動自行車動力系統(tǒng)及控制系統(tǒng)提供能量。蓄電池的電能容量、伏安特性、壽命等質(zhì)量因素對整個動力系統(tǒng)有非常大的影響。目前電動自行車用蓄電池基本是經(jīng)濟實惠的鉛酸電池。大多數(shù)電動自行車采用48V12AH、36V12AH鉛酸電池，另外24V12AH的電池由于續(xù)行里程較短，選擇得比較少。環(huán)保效能更好的鎳氫電池和鋰電池則因為成本較高，導(dǎo)致配載這兩種電池的電動自行車售價偏高。如果其成本有所下降，進(jìn)而降低車的售價，那么以配載鋰電池和鎳氫電池為主的電動自行車將會大面積普及。燃?xì)潆姵?、納米碳

14、管蓄能高、壽命長、性能優(yōu)良單成本高昂，隨著科技的發(fā)展，它們將是未來電動自行車動力源的發(fā)展方向。(2) 電機電氣技術(shù)發(fā)展到今天，各種電機的產(chǎn)生控制技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，電動自行車電機有多種選擇，但普遍選擇的還是有刷直流電機和無刷直流電機。采用這兩種電機的原因在于它們的控制方法簡單，整車成本相對低廉，控制器可以滿足自行車要求。無刷直流電機相當(dāng)于有刷電機的控制稍復(fù)雜，但因沒有電刷而在壽命、安全方面優(yōu)于有刷直流電機。電動自行車電機的驅(qū)動方式有：輪轂式驅(qū)動、中置式驅(qū)動、摩帶式驅(qū)動和側(cè)掛式驅(qū)動。市場上電動自行車以輪轂式驅(qū)動為主，而輪轂式驅(qū)動又以后輪驅(qū)動為好，前輪驅(qū)動性能相對較差。絕大多數(shù)電動自行車采用的是直流

15、輪轂電機，它們?yōu)橥廪D(zhuǎn)子式，這樣定子可以固定在軸承上，非常適用于電動車的驅(qū)動。(3) 控制器控制器是無刷直流電機正常運行并實現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下幾個功能：1)對單片機控制輸出的信號、PWM調(diào)制信號、剎車信號等進(jìn)行邏輯綜合，為驅(qū)動電路提供各開關(guān)的斬波信號和選通信號，實現(xiàn)電機的正反轉(zhuǎn)和停車控制。2)產(chǎn)生PWM調(diào)制信號，使電機的電樞電壓隨給定速度信號而自動變化，實現(xiàn)電機開環(huán)調(diào)速。3)對電機進(jìn)行速度閉環(huán)和電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較好的動靜態(tài)性能。4)實現(xiàn)短路、過流、欠電壓等故障保護功能。電動自行車的發(fā)展?fàn)顩r及趨勢隨著人們對環(huán)保意識的提高和強化，以及對節(jié)能的重視，又由于電力電子技術(shù)

16、的發(fā)展和橫向滲透，新的高能永磁材料的出現(xiàn)，以及鎘鎳電池、鎳氫電池、全密封免維護鉛酸電池的出現(xiàn)，終于使電動自行車進(jìn)入了一個快速發(fā)展的途徑，將殘疾人電動輪椅的驅(qū)動系統(tǒng)經(jīng)過改進(jìn)搬到兩輪自行車上來，為了能使他們的產(chǎn)品暢通無阻，順利通過審查走向市場，電動自行車實際上都是助力性的，不允許具有單獨電動行駛的功能?，F(xiàn)在的電動自行車被稱為高技術(shù)的結(jié)合體，這是很真實的描述。比如，電動機采用第三代永磁材料釹鐵硼之后，體積可以做得很小。清華大學(xué)電機系在20世紀(jì)90年代中期，試制了一臺500W柱式無刷直流電機，它的體積只有普通400W勵磁有刷直流電機的1/5左右；這種電動機重量輕、容易安裝、節(jié)省電能、并且容易調(diào)控轉(zhuǎn)速，

17、這正是電動自行車所要求的電動機類型。在電動機的調(diào)速控制方面，采用了最新電力電子器件和集成電路，達(dá)到智能控制的境界。控制電路中兼有對電池電量監(jiān)視系統(tǒng)，當(dāng)電池放電達(dá)到臨界點時可以自動切斷電源，保護電池免受過量放電而損壞或影響壽命2。經(jīng)過我國技術(shù)界的專家們的努力，我國的電動自行車事業(yè)得到迅速的發(fā)展。我國電動車事業(yè)雖然起步較晚，但卻是在一個較高的起點上開始的。目前我國可以從事電動自行車生產(chǎn)和車用電源專業(yè)企業(yè)的企業(yè)已有很多家，所有這些廠家都有著雄厚的資金和技術(shù)家底，有著相當(dāng)?shù)纳a(chǎn)能力和豐富的經(jīng)驗。但是目前電動自行車的發(fā)展受到巨大阻力，可能陷入迷局，呼吁政府支持，主要障礙有：沒有車的名分，無法管理；沒有路

18、權(quán)，無法行駛3。電動自行車要發(fā)展是毋庸置疑的，鑒于我國目前的能源局勢和世界產(chǎn)業(yè)競爭格局，發(fā)展還需要刻不容緩，但要如何解決這眼前的障礙來促使其發(fā)展呢？經(jīng)研究車輛定位是個核心問題，將其置于慢車道行駛可以解決矛盾。電動自行車的輸出功率僅為0.350.5Kw，與普通125系列中檔摩托車（輸出功率810Kw）相比，兩者相差16倍，電動自行車的輸出功率僅為125摩托車的10%左右；與輕型摩托車或燃?xì)饽ν熊囅啾龋敵龉β氏嗖?3倍，其功率僅為輕便摩托車、助動車、燃?xì)饽ν熊嚨?0%左右。如果將這種動力的車輛置于機動車道，它在加速性能、最高時速、上坡能力等各個方面會與“真正的機動車”存在很大的差距，是肯定不合適

19、的；相反，將其作為慢車道行駛的車輛則不會產(chǎn)生問題，原因是電動自行車已經(jīng)全面采用現(xiàn)行高檔摩托車的輪系和制動系統(tǒng)，它的制動能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通自行車，制動距離和制動時間僅為自行車的50%以下，再輔之以自動的電磁阻力系統(tǒng)，可以吸收絕大部分因自重增加或速度稍快而增加的慣性能量，操作的安全性優(yōu)越，對于其它慢車道上的交通參與者不會構(gòu)成任何危險。雖然電動自行車不能與機動車相比，但是要緩解公交車的壓力，甚至替代公交車，改進(jìn)電動自行車的性能是當(dāng)今時代的需求。科學(xué)技術(shù)的發(fā)展帶動著人們思維的進(jìn)化，同樣促使著人們工作效率的提高。效率提高就是在單位時間內(nèi)完成更多的任務(wù)，直接反映到時間的問題上。要提高效率就要節(jié)省時間，交通是

20、時間花費的一個方面，私人汽車畢竟只是一部分人能承受的，公交車也是限時限量的，怎樣可以既節(jié)省金錢又方便快捷呢？電動自行車應(yīng)該是個不錯的選擇，它集便宜、安全、方便快捷于一身。而且隨著社會的不斷進(jìn)步，人們生活水平的提高，環(huán)境保護和能源節(jié)約問題已經(jīng)越來越受到重視，開發(fā)“零污染”、高效率的綠色環(huán)保電動自行車替代已成為一個不可逆轉(zhuǎn)的趨勢，且具有良好的發(fā)展前景。近年來，無刷直流電機(BLDCM)以其體積小，結(jié)構(gòu)簡單，功率密度高，輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好等特點而得到了廣泛應(yīng)用。在電機的數(shù)字調(diào)速控制中，選擇高效可靠的單片機將使控制系統(tǒng)的硬件電路簡單可靠、軟件編制方便，系統(tǒng)整體性能得以提高。如今電動自行車已是公認(rèn)的

21、綠色交通工具，日本和美國的電動自行車技術(shù)水平勝過我國，無論從車的外觀和內(nèi)在質(zhì)量上都堪稱佳品，但其價格卻令國人望而生畏，因而研制新型系統(tǒng)有效限制制造成本是必然趨勢4。1.3 論文的主要內(nèi)容本課題研究的主要內(nèi)容是利用現(xiàn)代單片機技術(shù)來解決無位置傳感器無刷直流電機換向問題，從而解決電動自行車控制、驅(qū)動中不完善的地方，同時設(shè)計出方便用戶使用的電動自行車運行參數(shù)的顯示。本論文主要內(nèi)容包括：(1)根據(jù)直流無刷電機的原理，利用PIC16C74單片機作為主控芯片，檢測直流無刷電機運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的反電動勢來確定轉(zhuǎn)子的位置，從而確定換向點和換向時刻。(2)在電機的數(shù)字調(diào)速控制中，選擇高效可靠的單片機將使控制系統(tǒng)的硬件電

22、路簡單可靠、軟件編制方便，系統(tǒng)整體性能得以提高。(3)本系統(tǒng)使用的單片機內(nèi)部有PWM模塊，通過改變脈沖寬度寄存器或脈沖周期寄存器的值，就可以改變輸出的PWM占空比，從而控制電機的轉(zhuǎn)速。(4)通過電池的合理選擇，來保證控制器的正常運行。(5)電動自行車速度和電量數(shù)字顯示模塊的設(shè)計與實施。2電動自行車控制器的系統(tǒng)分析2.1 無刷直流電機的工作原理無刷直流電動機的發(fā)展直流無刷電機是在直流有刷電機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。由于直流有刷電機的換向器和電刷在電機高速運行時容易產(chǎn)生火花，引起火災(zāi)、爆炸等事故，因此許多環(huán)境限制了直流有刷電機的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)型晶體管的研制成功，為直流電機的發(fā)展帶來生機

23、。經(jīng)過不斷的研究和實踐，人們終于找到了用位置傳感器和電子換向線路來替代直流有刷電機的機械換向裝置。六十年代初出現(xiàn)了用霍爾元件傳感器的直流無刷電機，七十年代初出現(xiàn)了比霍爾元件傳感器靈敏度高許多倍的磁敏二極管換流的直流無刷電機。隨著人們的不斷努力，又發(fā)現(xiàn)了不用位置傳感器，而依靠電機繞組在運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的反電勢來獲得位置信號實現(xiàn)換向的直流無刷電機。通常把這種利用檢測繞組反電動勢獲得位置信號的直流無刷電機稱為反電動勢法無刷直流電機或直流無刷無位置傳感器電機。由于直流無刷電機具有沒有換向火花，抗干擾性強，運行可靠，維護簡便，使用壽命長等優(yōu)點，使其得以廣泛應(yīng)用于家庭、辦公、工業(yè)、軍事、航空航天等領(lǐng)域。 無刷直

24、流電動機的運行原理5一般的永磁式直流電動機的定子由永久磁鋼組成，其主要作用是在電動機氣隙中建立磁場，其電樞繞組通電后產(chǎn)生電樞反應(yīng)磁場，由電力電子逆變器供給電樞繞組的電流并不是正弦波，而是120°的方波，因而三相合成磁動勢不是恒速旋轉(zhuǎn)的，而是跳躍式的步進(jìn)磁動勢，它和恒速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁動勢產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，除了平均轉(zhuǎn)矩之外，還有脈動分量。由于電力電子逆變器的換向作用，使得這兩個磁場的方向在電動機運動的過程中始終保持一定的角度，從而產(chǎn)生最大平均轉(zhuǎn)矩而驅(qū)動電動機不停地運轉(zhuǎn)，與直流有刷電動機不同，直流無刷電動機的電樞轉(zhuǎn)一圈，定子繞組只換向6次，每個極下?lián)Q向三次，相當(dāng)于只有三個換向片的直流電動機。電子換向

25、逆變器主電路如圖2.1所示，AA、BB、CC代表直流無刷電動機的三相定子繞組，采用Y型連結(jié)，逆變器為兩兩通電方式，120°導(dǎo)電型。首先假設(shè)轉(zhuǎn)子處于圖2.2(a)的位置，若此時使V3、V4導(dǎo)通，則電流從B端流入，A端流出，定子磁動勢為Fa，如圖2.2(a)示，在Fa的作用下，轉(zhuǎn)子將順時針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)到圖2.2(b)的位置時，如果使V4、V5導(dǎo)通，則電流由C端流入，A端流出，定子磁動勢為Fb，在Fb的作用下，轉(zhuǎn)子將繼續(xù)順時針旋轉(zhuǎn)，依次類推，如果每隔60°電角度順序使V5和V6、V1和V6、V1和V2、V3和V2兩兩導(dǎo)通，即可使定子磁動勢分別如圖2.2(c)、圖2.2(d)、圖2.2

26、(e)、圖2.2(f)所示，從而形成CCBAAB+_V1V2V6V4V5V3WVU圖2.1 逆變器主電路旋轉(zhuǎn)磁動勢，在這個磁動勢的作用下，轉(zhuǎn)子也會隨之旋轉(zhuǎn)，如果使開關(guān)管反復(fù)按上述規(guī)律導(dǎo)通，即可使轉(zhuǎn)子持續(xù)旋轉(zhuǎn)下去，且定子磁動勢總是超前于轉(zhuǎn)子磁極軸線角度60°120°之間。其各相繞組導(dǎo)通示意圖如圖2.3所示(電機順時針旋轉(zhuǎn))。FaABCABCNS(a)ABCABCNSFa(b)ABCABCNSFa(c)ABCABCNSFa(d)ABCABCNSFa(e)ABCABCNSFa(f)2.2 無刷直流電動機的運行原理圖240°300°360°tAAtCC

27、tBB60°120°180°圖2.3 各相繞組導(dǎo)通示意圖由上述的分析可見，要使直流無刷電動機正確的換向運行，必須知道圖2.2所示的六個轉(zhuǎn)子關(guān)鍵位置，六個轉(zhuǎn)子關(guān)鍵位置即對應(yīng)著直流無刷電動機的反電動勢的過零點后的30°(電角度)處。如果是有位置傳感器直流無刷電動機，則可以通過傳感器來直接獲得轉(zhuǎn)子的六個轉(zhuǎn)子關(guān)鍵位置的信息，如果是無位置傳感器無刷直流電動機，則需要通過直流無刷電動機的三相定子繞組的反電勢直接或間接的獲得轉(zhuǎn)子的位置信息。2.2 電動自行車的驅(qū)動電機原理電動自行車的發(fā)展離不開其所采用的核心驅(qū)動元件電機的發(fā)展，電機是電動自行車發(fā)展的主要標(biāo)志。第一代電動

28、自行車使用的是有刷高速繞組式電機，電機的轉(zhuǎn)速達(dá)3000轉(zhuǎn)左右，通過齒輪減速，其噪音大，效率低，故障率高；第二代電動自行車使用的是有刷低速電機或有位置傳感器的無刷電機，其噪音、故障率有所下降，效率有所提高，但維護、安裝難度還是比較大；第三代電動自行車使用的是無刷無位置傳感器的稀土永磁電機，其噪音小，效率高，維護、安裝都比較方便。本課題是通過利用單片機主控芯片來檢測來無位置傳感器直流無刷電動機運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的反電動勢來確定轉(zhuǎn)子的位置，從而確定換向點和換向時刻。 無位置傳感器直流無刷電動機工作原理有位置傳感器的直流無刷電機的換向主要靠位置傳感器檢測轉(zhuǎn)子的位置，確定功率開關(guān)器件的導(dǎo)通順序來實現(xiàn)的，由于安裝

29、位置傳感器增大了電機的體積，同時安裝位置傳感器的位置精度要求比較高，帶來安裝的難度；因此人們在研究過程中發(fā)現(xiàn)，利用電子線路替代位置傳感器檢測電機在運行過程中產(chǎn)生的反電勢來確定電機轉(zhuǎn)子的位置，實現(xiàn)換向。從而出現(xiàn)了無位置傳感器的直流無刷電機，其原理框圖如圖2.4所示6。直流電源電子電路電動機本體負(fù)載圖2.4 無位置傳感器的直流無刷電機原理框圖由圖2.2無刷直流電動機的運行原理圖可知，當(dāng)電機在運行過程中，總有一相繞組沒有導(dǎo)通，此時可以在該相繞組的端口檢測到該繞組產(chǎn)生的反電勢，該反電勢在60°的電角度是連續(xù)的，由于此時檢測難度極大，因此必須找到該反電勢與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系，才能確定轉(zhuǎn)子的位置。從

30、圖2.5中可以看出，反電勢在60°的電角度過程中總有一次經(jīng)過坐標(biāo)軸(過零點)，而此點的電角度和下一次換向點的電角度正好相差30°，故可以通過檢測反電勢過零點，再延時30°換向。以圖2.2為例，假設(shè)轉(zhuǎn)子在圖2.2 (a)所示的位置為0°電角度，V3，V4導(dǎo)通，A-A相、B-B相有外加電壓，C-C相的產(chǎn)生的反電勢如圖2.5；當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)30°時，和磁動勢Fa相垂直，C-C相產(chǎn)生的反電勢正好過零點；當(dāng)轉(zhuǎn)子再旋轉(zhuǎn)30°時(即檢測到反電勢過零點再延時30°)，到圖2.2(b)所示的位置，此時使V4，V5導(dǎo)通，V3關(guān)閉，讓A-A相、C-C

31、相有外加電壓，B-B相沒有外加電壓，可以檢測B-B相產(chǎn)生的反電勢過過零點再延時30°，讓V5，V6導(dǎo)通，V4關(guān)閉，依次類推，可以實現(xiàn)無位置傳感器直流無刷電機的換向。當(dāng)然也可以通過檢測反電勢經(jīng)過電角度0°，60°，120°，180°，240°，300°，360°這些特殊點處直接實現(xiàn)換向，這將在下一章進(jìn)行敘述。240°300°360°60°120°180°tAAtCCtBB000圖2.5 電機運行時各相產(chǎn)生的反電勢示意圖3直流無刷無位置傳感器電動自行車控制器的

32、設(shè)計3.1 直流無刷無位置傳感器電動機的數(shù)學(xué)模型7無刷直流電機的無位置傳感器控制的關(guān)鍵技術(shù)在于轉(zhuǎn)子位置信息的獲取及估算方法。無位置傳感器檢測方法主要包括反電動勢過零點檢測法、反電動勢三次諧波積分檢測法、續(xù)流二極管檢測法、反電動勢積分法、磁鏈估計法、擴展卡爾曼濾波法等。本文所采用的位置檢測方法為經(jīng)典的反電勢過零點檢測法。其原理如下：直流無刷電機本體的三相繞組通常是二線制的，要檢測不導(dǎo)通相繞組產(chǎn)生的反電勢，必須要找一個基準(zhǔn)參考點，為了更好地解釋和說明檢測反電勢過零的原理，現(xiàn)建立以電源中點為基準(zhǔn)參考點的無位置傳感器直流無刷電機數(shù)學(xué)模型。假設(shè)功率開關(guān)器件導(dǎo)通時的壓降為0，電機三相繞組是對稱的，相電阻均

33、為R、電感均為L?？芍寒?dāng)、導(dǎo)通時，即電流從A相流入，B相流出，(式3.1)(式3.2)(式3.3)當(dāng)、導(dǎo)通時，即電流從A相流入，C相流出，(式3.4)由(式3.1)、(式3.4)可得：(式3.5)同理可得：(式3.6)(式3.7)再由(式3.2)、(式3.3)及可得：(式3.8)同理可得：(式3.9)(式3.10)綜合(式3.8)、(式3.9)、(式3.10)可得：(式3.11)將(式3.11)分別代入(式3.5)、(式3.6)、(式3.7)得：(式3.12)(式3.13)(式3.14)(式3.15)(式3.16)將(式3.2)代入(式3.12)得：(式3.17)同理可得：(式3.18)(式

34、3.19)當(dāng)、導(dǎo)通時，即電流從A相流入，B相流出，C相沒有電流，此時：，若過零（即），則，同理可得：，。這就是在建立無位置傳感器直流無刷電機的數(shù)學(xué)模型時為什么以電源中點為基準(zhǔn)參考點的原因。當(dāng)、導(dǎo)通時，即電流從A相流入，B相流出，C相沒有電流，此時：，由(式3.19)可知：(式3.20)同理可得：(式3.21)(式3.22)因此當(dāng)無位置傳感器直流無刷電機某相不導(dǎo)通時，以電源的中點作為基準(zhǔn)參考點，可以在該相的引出線上檢測出該相繞組產(chǎn)生的反電勢。3.2 電動自行車的運行參數(shù)顯示功能設(shè)計本課題只對速度顯示和蓄電池容量顯示做了簡要設(shè)計。速度顯示電動自行車在行駛過程中，使用者常常需要了解車行的速度，以便更

35、好地控制速度，保證行駛的安全。本課題使用七段型液晶顯示器件(如圖3.1)來顯示電動自行車的行駛速度，液晶顯示驅(qū)動器采用ICM7211(A)控制的靜態(tài)數(shù)字量輸入型，其原理如圖3.2所示；ICM7211(A)具有完整的脈沖發(fā)生器，它由RC振蕩器，128分頻電路，背電極BP驅(qū)動器和使能檢測器等組成；驅(qū)動器一方面提供片內(nèi)2位段驅(qū)動器的驅(qū)動波形，另一方面通過作為輸出的BP提供液晶顯示器件的背電極的驅(qū)動信號和級聯(lián)從機的同步信號。a1f1e1d1c1g1b1a2f2e2d2g2b2c2圖3.1 七段型液晶顯示的電極引線排布ICM7211(A)接口部結(jié)構(gòu)為4位數(shù)據(jù)線B0B3和2路位選線D0-D1。數(shù)據(jù)線B0B

36、3接單片機的I/O口，輸入BCD碼，BCD碼經(jīng)譯碼器譯碼后輸出七段顯示字形數(shù)據(jù)。2路位選線D0-D1，分別控制2路七段數(shù)據(jù)鎖存器，為“l(fā)”選通，為“0”封鎖，可以同時為“1”全部選通，也可以同時為“0”全部封鎖。a2g2a1g1OSCB3D0D1B0七段驅(qū)動器七段鎖存器七段譯碼器七段驅(qū)動器七段鎖存器七段譯碼器振蕩器19KHZ/128BP驅(qū)動器使能檢測ENBP日前，七段型液晶顯示器件和靜態(tài)數(shù)字量輸入型液晶顯示驅(qū)動技術(shù)已形成產(chǎn)品，可以直接連接到單片機I/O接口上，單片機將需要顯示的數(shù)據(jù)以BCD碼形式發(fā)送到I/O接口上，就可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)顯示。圖3.2 ICM7211(A)原理框圖蓄電池的容量顯示電動自

37、行車在使用過程中蓄電池的剩余容量顯示給用戶帶來比較大的方便，它表明蓄電池提供的電能大約能夠使電動自行車行駛多少里程，蓄電池是否需要充電等。蓄電池的總?cè)萘客ǔＳ贸渥汶姾蠓烹娭疗涠穗妷哼_(dá)到規(guī)定值時所釋放出的總電量來表示。當(dāng)蓄電池以恒定電流放電時，它的容量(Q)等于放電電流(Id)和放電時間(td)的乘積: (式中Id的單位為安(A)，td的單位為小時(h)，Q的單位為安時(A·h)。其放電特性如圖3.3所示。電壓O時間恒電流放電圖3.3蓄電池連續(xù)放電曲線如果放電電流不是一個恒定的常數(shù)，蓄電池的容量為不同的放電電流與相應(yīng)時間的乘積之和：(式3.23)由于蓄電池的容量受到多種因素的影響，長時

38、間的使用，反復(fù)的充電放電，一些蓄電池的容量將逐漸減小，因此要準(zhǔn)確顯示蓄電池的剩余容量比較困難。如果采用此方式來顯示蓄電池的容量，還需要考慮蓄電池充電特性和蓄電池的放電率(放電率=額定容量Q鎖定(A·h)/放電電流Id(A)等因素。在本方案中，利用蓄電池端電壓與容量之間的關(guān)系，通過測量蓄電池的端電壓來顯示蓄電池的容量。蓄電池的電勢是指蓄電池在開路時的端電壓，由于蓄電池內(nèi)阻r的存在，當(dāng)蓄電池兩端接上負(fù)載R時，內(nèi)阻上就會產(chǎn)生壓降，此時蓄電池的端電壓不是電勢E，而是：(式3.24)而蓄電池的內(nèi)阻與蓄電池的容量成反比，在充電過程中，內(nèi)阻逐漸減小，在放電過程中增加，由(式3.24)可知，通過實驗

39、的辦法測出蓄電池的容量與端電壓的關(guān)系。電動自行車在行駛中，利用軟件讓單片機對蓄電池端電壓U進(jìn)行測量、處理，并將處理的結(jié)果值經(jīng)I/O端口發(fā)送到液晶顯示驅(qū)動器進(jìn)行處理，實現(xiàn)顯示。4電動自行車控制器的硬件設(shè)計4.1 芯片的選擇設(shè)計硬件前有許多準(zhǔn)備工作需要做，它們是硬件設(shè)計的基礎(chǔ)，主要有芯片的選擇。在電動自行車無刷電機控制器這樣一個應(yīng)用場合來說，根據(jù)對控制器的要求有多種數(shù)據(jù)處理芯片可供選擇。若控制方法復(fù)雜、運算量較大，精度性能要求較高，可以選用OSP高能芯片。若運算量較小，速度要求不特別高，主要運算為邏輯運算，而且輸出I/O口較多，則應(yīng)用單片機設(shè)計較好。單片機的好處是自帶A/D接口、PWM模塊、捕捉/

40、比較功能、外中斷、內(nèi)部定時器甚至通訊、自編程等功能方便實現(xiàn)用戶功能的同時大大減少外圍電路、降低成本和可靠性。目前市場上單片機種類型號非常多，多家公司在生產(chǎn)，各有所長。本課題通過比較現(xiàn)在市場上常應(yīng)用于電動自行車中三個系列單片機型號的優(yōu)缺點，并根據(jù)課題研究的目的來合理選擇芯片型號，從而達(dá)到論文要求8。(1) 可編程片上系統(tǒng)系列(PSoC)PSoC(Programmable System on Chip)是美國Cypress MicroSystem公司推出的新一代功能強大的8位可配置的嵌入式單片機。該系列單片機與傳統(tǒng)的單片機根本區(qū)別在于其內(nèi)部集成了數(shù)字模塊和模擬模塊，用戶可以根據(jù)不同設(shè)計要求調(diào)用不同

41、的數(shù)字和模擬模塊，完成芯片內(nèi)部的功能設(shè)計。使用該芯片可以配置具有多種不同外圍元器件的微控制器，適應(yīng)非常復(fù)雜的實時控制需求，大大提高產(chǎn)品的開發(fā)效率，降低了系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)雜性，同時增強了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。但是就目前的發(fā)展趨勢來看，PSoC的價格還相對別的單片機較貴，還不能脫機工作使用，而且拔插換目標(biāo)板的過程中經(jīng)常出現(xiàn)問題，需要重插啟動，下載的速度也比較慢，應(yīng)用市場局限。僅就這個課題研究的過程來說，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)太過復(fù)雜，不利于研究。(2) PIC系列在微控制器(Microcontroller)應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛的今天，各個領(lǐng)域的應(yīng)用也向微控制器廠商提出了更高的要求，希望速度快、功耗低、體積小、價格

42、更廉以及組成系統(tǒng)時所需要的外圍器件更少。目前在中國市場上有幾十家半導(dǎo)體廠商生產(chǎn)的微控制器，不同廠商生產(chǎn)的微控制器各有自己的特點；在眾多的微控制器芯片中，美國Microchip技術(shù)公司生產(chǎn)的PIC系列微控制器芯片則異軍突起。它率先推出采用精簡指令集計算機RISC(Reduced Instruction Set Computer)、哈佛(Harvard)雙總線和兩級指令流水線結(jié)構(gòu)高性價比的8位嵌入式控制器(Embedded Controller)。其高速度(每條指令最快可達(dá)160ns)、低工作電壓(最低工作電壓可為3V)、低功耗(3V，32kHZ時15a)、較大的輸入輸出直接驅(qū)動LED能力(灌電流

43、可達(dá)25mA)、一次性編程OTP(One Time Programmable)芯片的低價格(最低的不到8元人民幣)、小體積(最小為8引腳)指令簡單易學(xué)易用(35-57條指令)等，都體現(xiàn)了微控制器芯片工業(yè)發(fā)展的新趨勢，在市場上具有極強的競爭力，該系列微控制器在全球已廣泛應(yīng)用于家電、辦公自動化設(shè)備、電子電訊、金融電子、汽車、儀表、工業(yè)控制等領(lǐng)域，在8位微控制器市場從90年的第20位提高到96年的第5位，以至成為8位微控制器中最具有影響力的主流嵌入式控制器。(3) MC33035系列MC33035是Motorola公司的第二代直流無刷電機控制專用集成電路系列，這種芯片功能很齊全，包括：位置檢測、提供

44、帶有溫度補償?shù)膮⒖茧娫础a(chǎn)生脈寬調(diào)制所需的鋸齒波脈寬調(diào)制比較器、誤差檢測放大器、三個集電極開路上橋臂驅(qū)動器、三個電流較大的下橋臂驅(qū)動器，特別適合于驅(qū)動功率MOSFET。它還可提供低電壓保護、瞬時限流保護、內(nèi)部過熱保護。MC330305是一個控制電路，它的功率輸出應(yīng)由外部電路組成，加上適當(dāng)電路可組成大功率電路，還可容易地形成閉環(huán)?；贛C33035的直流無刷電機控制系統(tǒng)具有電路簡單，價格經(jīng)濟，抗干擾行強，可靠性高，穩(wěn)定性好等優(yōu)點，但其只適合在電機控制精度不太高，功率要求不太大的情況下廣泛應(yīng)用。綜上所述，根據(jù)直流無刷無位置傳感器電動自行車設(shè)計方案的要求，選用PIC16C74單片機作為主控芯片。PI

45、C16C74單片機主要性能特點可歸納如下：(1)簡指令集，僅有37條指令。(2)執(zhí)行速度快：20Mhz的振蕩時鐘，200ns的指令周期。(3)低功耗SLEEP方式。(4)工作電壓范圍寬：3.0-6.0V。(5)較大的輸入輸出直接驅(qū)動LED能力，灌入電流可達(dá)25mA。(6)具有方便的8個8位A/D接口和33路可復(fù)用的I/O接口。(7)具有4K*l4位字的EPROM，可以滿足普通的系統(tǒng)軟件的容量要求。同時大大簡化了外圍硬件，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。(8)具有8級堆棧，多個內(nèi)部及外部中斷源。(9)具有3個8位定時器和2個PWM輸出。由上述可知，該芯片的功能及參數(shù)可以滿足直流無刷無位置傳感器電動自

46、行車設(shè)計方案的要求。4.2 無位置傳感器無刷直流電動機的反電動勢檢測及換向控制在前面己經(jīng)敘述過反電勢過零檢測延時30°換向的原理和比較器LM324的輸出波形，而PIC16C74單片機PORTB端口的RB4、RB5、RB6、RB7四個引腳有一個重要的特性，當(dāng)把這4個引腳定義成輸入狀態(tài)時，其引腳的電平只要有變化，可以引起中斷，即單片機通過把RB4、RB5、RB6、RB7引腳上的輸入信號與上一次讀入該4個口的舊的鎖存值進(jìn)行比較，若有變化，則把兩者相或后輸出以產(chǎn)生RBIF中斷。因此將比較器LM324的三路輸出與PICl6C74單片機的RB5、RB6、RB7三個引腳相連接，如圖4.l所示，并將

47、RB5、RB6、RB7設(shè)置成輸入狀態(tài)，當(dāng)反電勢過零時引起比較器輸出電平變化，從而引起單片機的中斷來處理計時和延時過程。CBA+DCR2R2R2R2R2R2R2R2R1R1R1R1CCCCZYX321LM324P4P6P5P3P2P1RB7RB6RB5PIC16C74RB3RB2RB1RC7RC6RC5CCP1+-+-+-4081圖4.1反電勢檢測、換向控制及調(diào)速電路圖需要值得注意的是，PIC16C74單片機PORTB端口的四個引腳中任何一個引腳電平變化都能引起單片機產(chǎn)生中斷，但是單片機并不能夠判斷出是哪個引腳的電平變化，只能通過中斷標(biāo)志查出是PORTB端口電平變化引起的中斷；另外，單片機也不能

48、夠判斷出PORTB端口四個引腳上電平變化是從低到高(0l)還是從高到低(l0)，而比較器在一個周期內(nèi)，每一路輸出波形(或電平)的變化都表示不同的功率開關(guān)器件開或關(guān)，因此讓單片機在PORTB端口電平變化引起中斷處理計時、延時后，當(dāng)延時30°電角度時間到，處理控制功率開關(guān)器件開或關(guān)之前，需要進(jìn)行判斷反電勢是哪一相繞組產(chǎn)生的，該反電勢過零時，轉(zhuǎn)子所在的位置，以便確保正確的換向，本方案將使用軟件實現(xiàn)此判斷功能，在下一章進(jìn)行敘述。圖4.1中所示，單片機的RC7、RC6、RC5分別和驅(qū)動電路上橋臂的三路相連，控制上橋臂的三路功率開關(guān)器件開或關(guān)；RB1、RB2、RB3分別和驅(qū)動電路下橋臂的三路相連

49、，控制下橋臂的三路功率開關(guān)器件開或關(guān)。圖4.1中使用的電容C起濾波抗干擾作用。直流無刷電動機的端電壓檢測電路的三相端電壓信號A、B、C中含有的高頻信號及外界干擾，必須經(jīng)過濾波電路以濾掉高頻信號及外界干擾，否則會干擾比較器的正常工作；由于電動自行車用直流無刷電動機的速度較低，頻率也較低，因此使用電容C就可以讓低頻段的信號通過，抑制高頻段的信號。4.3 電動自行車的起動方法直流無刷無位置傳感器電動自行車的起動其實就是直流無刷無位置傳感器電機的起動，由于電機在正常運行前的速度很小或為0，電機產(chǎn)生的反電勢也很小或為0，使得檢測線路無法檢測到反電勢，不能夠?qū)崿F(xiàn)電機的換向。因此直流無刷無位置傳感器電動自行

50、車的電機可以采用以下幾種方案實現(xiàn)起動9：方案一、電動自行車由于其特殊性，使用的是輪轂式電機，在沒有供電的情況下，電動自行車可以用作正常的自行車行駛，在行駛時輪轂式電機和車輪一起運轉(zhuǎn)，當(dāng)運轉(zhuǎn)達(dá)到一定的速度時，電機產(chǎn)生的反電勢可以被檢測到，此時閉合開關(guān)給電機供電，實現(xiàn)電動自行車的起動。方案二、采用他控式同步電動機的起動方式(又稱為外同步方式)。由于無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)和永磁同步電動機相似，所以無刷直流電動機起動時可以采用他控式同步電動機的起動方式，從靜止開始加速，直至轉(zhuǎn)速足夠大能夠檢測到反電動勢，再切換到直流無刷直流電動機的運行方式，其原理框圖如圖4.2。起動過程中，反電勢法的轉(zhuǎn)子位置信號A、B、

51、C無效，所以圖4.1的信號選擇器將它們屏蔽掉，而選通了由信號發(fā)生模塊產(chǎn)生的一系列外同步信號A、B、C，這三路外同步信號與三路轉(zhuǎn)子位置信號一一對應(yīng)，它們被選通送入譯碼模塊，產(chǎn)生逆變器的觸發(fā)信號，送往逆變器的驅(qū)動電路，用以驅(qū)動逆變器的功率器件。與轉(zhuǎn)子位置信號類似，三路外同步同步信號有六種組合狀態(tài)。如果先將外同步信號的某個組合狀態(tài)保持一段時間，再按序改變其組合狀態(tài)并逐步提高頻率，按他控式同步電動機的運行方式由靜止開始加速，當(dāng)轉(zhuǎn)速足夠大時，轉(zhuǎn)子位置信號有效，當(dāng)滿足切換條件，發(fā)出切換命令，使得信號選擇器屏蔽掉外同步信號，選通轉(zhuǎn)子位置信號并送入譯碼模塊用以產(chǎn)生逆變器的觸發(fā)信號，這樣就建立了轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)，完

52、成了從他控式同步電動機運行狀態(tài)到直流無刷電動機運行方式的切換。當(dāng)保護信號有效時，逆變器功率器件被關(guān)斷，以實現(xiàn)對功率器件的保護措施。在本論文中，信號選擇及譯碼均由單片機的軟件程序?qū)崿F(xiàn)。反電動勢信號信號選擇器保護信號自同步信號譯碼CBACBA轉(zhuǎn)子位置信號外同步信號圖4.2 外同步起動原理框圖起動時，信號發(fā)生模塊需要按序改變?nèi)吠馔叫盘柕慕M合狀態(tài)，并且每個狀態(tài)所保持的時間根據(jù)加速曲線逐漸縮短，即逐漸提高逆變器的輸出頻率，那么在電機在不失步的前提下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也逐漸提高，在本論文中，采用如圖4.3示的斜率為K的加速曲線，斜率K可以根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩慣量的大小人為調(diào)整。在圖4.3中，縱坐標(biāo)e為轉(zhuǎn)子電角速度，橫坐

53、標(biāo)為加速時間，那么e·t即為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的電角度E。將轉(zhuǎn)子的初始位置記E0，轉(zhuǎn)60°電角度之后的位置記為E1，再轉(zhuǎn)過60°的位置記為E2。這樣依次類推，假如在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過了個電角度之后，達(dá)到了需要的轉(zhuǎn)速，那么由這一系列位置對應(yīng)的時刻t0，tl，t2，tk的值，即可確定逆變器的每一個逆變狀態(tài)的改變時刻。0t/se(rad.s-t)K圖4.3 固定斜率加速曲線示意圖令t0=0，由t0，tl，t2，tk的值可得：將t1，t2，tk-1，tk轉(zhuǎn)換成定時器在一定分辨率下的定時值n1，n2，nk，存放在一個加速曲線表格中，加速時，由程序從表格中依次取出，形成外同步加速信號。電機外同步

54、加速時，定子磁動勢步進(jìn)旋轉(zhuǎn)的速度取決于逆變器改變節(jié)拍的頻率，而逆變器改變節(jié)拍的頻率將完全取決于加速曲線中的定時值；電機實際加速時，將很快檢測到反電勢的位置信號，進(jìn)而用反電勢位置信號代替外同步信號，切入自同步運行。具體的軟件程序設(shè)計見第五章。4.4 驅(qū)動電路+12VT1T2T3+C1R1R3R4R2D1D2sGD3PBT4R4T1T2T3R2R5R1R3GP+12V由于PIC16C74單片機使用的電源電壓是+5V，其I/O端口輸出輸入的電壓電流相對來說比較小，不能直接驅(qū)動功率器件MOSFET，因此需要根據(jù)PIC16C74單片機的特點設(shè)計出驅(qū)動電路的上下橋臂10，如圖4.4、圖4.5所示。圖4.4

55、上橋臂驅(qū)動電路圖4.5下橋臂驅(qū)動電路上橋臂中，P點和單片機輸出口RCx(x=5，6，7)相連，G、S與上半橋臂功率管MOSFET相連，如圖4.4所示，MOSFET源極電位是在0與DC(主電路直流電壓)之間跳變，當(dāng)功率管MOSFET導(dǎo)通時，柵極電位必高于源極，因此若信號源與主電路共地，則驅(qū)動電路電壓必很高，在圖4.4中用自舉電路的原理解決了上述問題，自舉電容在導(dǎo)通前已充電至+12V(相對于源極)，導(dǎo)通時，US=UDC，UG=US+12V，保證了UGS=12V。下半橋臂中，P點和與門CD4081相連，G與下半橋臂功率管MOSFET相連。圖4.3所示的電路，當(dāng)T4截止，Tl截止，T2導(dǎo)通，功率管MOSFET柵極輸入電容上的電荷釋放使功率管MOSFET關(guān)斷，當(dāng)Tl導(dǎo)通時，T2必然截止，功率管MOSFET柵極輸入電容被充電，功率管MOSFET由阻斷變?yōu)閷?dǎo)通。圖4.5除了具有上述功能外，還起著電平轉(zhuǎn)化作用，因為一般TTL的工作電平轉(zhuǎn)低(5V)，不宜直接驅(qū)動電流容量較大的功率管MOSFET。另外，單片機在剛通電執(zhí)行初始化程序時，還未來得及封鎖I/O端口(RC7、RC6、RC5、 R