【正文】 a A B C A’ B’ C’ N S (a) A B C A’ B’ C’ N S Fa (b) A B C A’ B’ C’ N S Fa (c) A B C A’ B’ C’ N S Fa (d) A B C A’ B’ C’ N S Fa (e) A B C A’ B’ C’ N S Fa (f) C′ C B A′ A B′ + _ V1 V2 V6 V4 V5 V3 W V U 8 圖 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(dòng)機(jī)正確的換 向 運(yùn)行，必須知道圖 所示的六個(gè)轉(zhuǎn)子關(guān)鍵位置，六個(gè)轉(zhuǎn)子關(guān)鍵位置即對應(yīng)著直流無刷電動(dòng)機(jī)的反電動(dòng)勢的過零點(diǎn)后的30176。第一代電動(dòng)自行車使用的 是有刷高速繞組式電機(jī)，電機(jī)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(dòng)自行車使用的 是有刷低速電機(jī)或有位置傳感器的無刷電機(jī)，其噪音、故障率有所下降，效 率有所提高，但維護(hù)、安裝難度還 是比較大；第三代電動(dòng)自行車使用的 是無刷無位置傳感器的稀土永磁電機(jī)，其噪音小，效率高，維護(hù)、安裝都比較方便。 360176。 9 無位置傳感器直流無刷電動(dòng)機(jī) 工作 原理 有位置傳感器的直流無刷電機(jī)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(shí)現(xiàn)的，由于安裝位置傳感器增大了電機(jī)的體積，同時(shí)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(jī)在運(yùn)行過程中產(chǎn)生的反電勢來確定電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，實(shí)現(xiàn)換向。從圖 中可以看出，反電勢在 60176。以圖 為例，假設(shè)轉(zhuǎn)子在圖 (a)所示的位置為 0176。)，到圖 (b)所示的位置，此時(shí)使 V4， V5 導(dǎo)通， V3關(guān)閉，讓 AA′相、 CC′ 相有外加電壓， BB′ 相沒有外加電壓，可以檢測 BB′ 相產(chǎn)生的反電勢過過零點(diǎn)再延時(shí) 30176。 120176。 360176。 360176。 ωt A—A′ ωt C—C′ ωt B—B′ 0 0 0 11 3 直流無刷無位置傳感器電動(dòng)自行車控制器的設(shè)計(jì) 直流無刷無位置傳感器電動(dòng)機(jī)的數(shù)學(xué)模型 [7] 無刷 直流電機(jī)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。 假設(shè)功率開關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)的 壓降為 0，電機(jī)三相繞組是對稱的，相電阻均為 R、電感均為 L。 電動(dòng)自行車的運(yùn)行參數(shù)顯示功能設(shè)計(jì) 本課題 只 對速度 顯示和 蓄電池容量顯示做了簡要設(shè)計(jì)。數(shù)據(jù)線 B0～ B3接a1 f1 e1 d1 c1 g1 b1 a2 f2 e2 d2 g2 b2 c2 14 單片機(jī)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)。蓄電池的總?cè)萘客ǔＳ贸渥汶姾?放電至其端電壓達(dá)到規(guī)定值時(shí)所釋放出的總電量來表示。 a2 g2 a1 g1 OSC B3 D0 D1 B0 七段驅(qū)動(dòng)器 七段 鎖存 器 七段 譯碼 器 七段驅(qū)動(dòng)器 七段 鎖存 器 七段 譯碼 器 振蕩器 19KHZ /128 BP 驅(qū)動(dòng)器 使能檢測 EN BP 15 圖 如果 放電電流不是一個(gè)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(shí)間的乘積之和： d 1 d 1 d 2 d 2 dn dnQ I t I t I t? ? ? ? ? ? ? (式 ) 由于蓄電池的容量受到多種因素的影響，長時(shí)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。 蓄電池的電勢是指蓄電池在開路時(shí)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(shí)，內(nèi)阻上就會(huì)產(chǎn)生壓降，此時(shí)蓄電池的端電壓不是電勢 E，而是： U E Ir?? (式 ) 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 )可知，通過實(shí)驗(yàn)的辦法測出蓄 電池的容量與端電壓的關(guān)系。若控制方法復(fù)雜、運(yùn)算量較大，精度性能要求較高，可以選用 OSP高能 芯片。 本課題通過比較現(xiàn)在市場上常應(yīng)用于電動(dòng)自行車中三個(gè)系列單片機(jī)型號的優(yōu)缺點(diǎn)，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]。 但是就目前的發(fā)展趨勢來看， PSoC 的價(jià)格還相對別的單片機(jī)較貴，還不能脫機(jī)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(dòng)， 下載 的速度也比較慢，應(yīng)用市場局限。它率先推出采用精 簡指令集計(jì)算機(jī) RISC(Reduced 17 Instruction Set Computer)、哈佛 (Harvard)雙總線和兩級指令流水線結(jié)構(gòu)高性價(jià)比的 8 位嵌入式控制器 (Embedded Controller)。 MC330305 是一個(gè)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)。 (2) 執(zhí)行速度快： 20Mhz 的振蕩時(shí)鐘， 200ns 的指令周期。 (6) 具有方便的 8 個(gè) 8 位 A/D 接口和 33 路可復(fù)用的 I/O 接口。 (9) 具有 3 個(gè) 8 位定時(shí)器和 2 個(gè) PWM 輸出。因此將比較器 LM324 的三路輸出與 PICl6C74 單片機(jī)的 RB RB RB7三個(gè)引腳相連接，如圖 所示，并將 RB RBRB7 設(shè)置成輸入狀態(tài)，當(dāng)反電勢過零時(shí)引起比較器輸出電平變化，從而引起單片機(jī)的中斷來處理計(jì)時(shí)和延時(shí)過程。圖 中使用的電容 C 起濾波抗干擾作用。 方案二、采用他控式同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式 (又稱為外同步方式 )。如果先將外同步信號的某個(gè)組合狀態(tài)保持一段時(shí)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(dòng)機(jī)的運(yùn)行方式由靜止開始加速，當(dāng)轉(zhuǎn)速足夠大時(shí)，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)，完成 了從他控式同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)到直流無刷電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式的切換。 在圖 中，縱坐標(biāo) ωe 為轉(zhuǎn)子電角速度，橫坐標(biāo)為加速時(shí)間，那么 ωe的位置記為 θE2。具體的軟件程序設(shè)計(jì)見第五章。圖 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(shí)， 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。而在下半橋臂中則要讓 P 點(diǎn)為高 (低 )電平時(shí)，功率管 MOSFET 導(dǎo)通，為低 (高 )電平時(shí)，功率管 MOSFET 關(guān)斷，以避免出現(xiàn)電源短時(shí)的直通，燒壞功率器件現(xiàn)象。 23 圖 主電路 調(diào)速和過流保護(hù) 電動(dòng)自行車的調(diào)速 [11] 電動(dòng)自行車的在行駛過程中，并不是以恒定的速度進(jìn)行，有時(shí)需要加快速度，有時(shí)需要減慢速度，因此調(diào) 速是電動(dòng)自行車不可缺少的一個(gè)功能。 圖 PIC16C74 單片機(jī)有 8 個(gè) 8 位 A/D 接口，這里只使用一個(gè)端口 RA0作為速度采樣端口，T6 V2 G2 T3 G5 V5 R G6 T4 T1 V1 V6 V4 V3 G3 T2 T5 G1 G4 _ W V U P K PIC16C74 RA0 +5V 24 圖 所示的是 PIC16C74 單片機(jī) PWM 工作方式結(jié)構(gòu)示意圖， PWM 的 輸出周期是由定時(shí)器 2 的周期寄存器 PR2 的設(shè)置決定的，同時(shí)，也與 元 器件頻率和定時(shí)器 2 的預(yù)分頻值有關(guān)。 過流保護(hù) 直流無刷電機(jī)在起動(dòng)或超負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，其電流很大，如不加限流保護(hù)，將會(huì)燒壞控制板上的功率器件，甚至?xí)p壞電機(jī)。 當(dāng) RA0將給定 UK值采樣后經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換送給占空比寄存器 CCPR1L，由單片機(jī)的 CCP1端口發(fā)出 PWM 波 (其硬件連接如圖 所示 )，對與下橋臂相連的 I/O 口輸出波進(jìn)行脈寬調(diào)制，決定功率管的導(dǎo)通時(shí)間。K 點(diǎn)的電壓 UK 值將隨著可調(diào)電阻的位置變化而變化，向上調(diào)， UK 值增大；向下調(diào)， UK減小。根 據(jù)式 子 diULdt? 可知，電機(jī)相繞組電感在電流突變?yōu)?0 的瞬間，產(chǎn)生的電壓很大，若不采取續(xù)流措施，使換向時(shí)相電流逐漸衰減為 0，則可能損壞功率器件或電機(jī)。 另外，單片機(jī)在剛通電執(zhí)行初始化程序時(shí)，還未來得及封鎖 I/O 端口 (RC RC RC RB RB RB3)使功率管 MOSFET 關(guān)斷，若上下橋臂中 P 點(diǎn)同為低電平或同為高電平，功率管 MOSFET 導(dǎo)通，則此時(shí)，有可能出 現(xiàn)上下橋臂中的功率管 MOSFET(即 V V4 或V V6或 V V2)同時(shí)導(dǎo)通，這樣使電源的正負(fù)極直通，電流很大，燒壞功率器件。 圖 圖 0 t/s ωe() K +12V T1 T2 T3 + C1 R1 R3 R4 R2 D1 D2 s G D3 P B T4 R4 T1 T2 T3 R2 R5 R1 R3 G P +12V 22 上橋臂中， P 點(diǎn)和單片機(jī)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 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(shí)，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(dòng)電路電壓必很高，在圖 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(shí)， US=UDC， UG=US+12V，保證了 UGS=12V。 圖 固定斜率加速曲線示意圖 令 t0=0，由 t0， tl， t2， …… ， tk的值可得： 1 1 0t t t? ? ? 2 2 1t t t? ? ? … k 1 k 1 k 2t t t? ? ?? ? ? k k k 1t t t ?? ? ? 將 △ t1， △ t2 ， … ， △ tk1 ， △ tk轉(zhuǎn)換成定時(shí)器在一定分辨率下的定時(shí)值 n1， n2， …n k，存放在一個(gè)加速曲線表格中，加速時(shí)，由程序從表格中依次取出，形成外同步加速信號。將轉(zhuǎn)子的初始位置記 θE0，轉(zhuǎn) 60176。在本論文中，信號選擇及譯碼均由單片機(jī)的 軟件程序 實(shí)現(xiàn)。 起動(dòng)過程中，反電勢法的轉(zhuǎn)子位置信號 A、 B、 C 無效，所以圖 的信號選擇器將它 20 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(dòng)電路，用以驅(qū)動(dòng)逆變器的功率器件。 電動(dòng)自行車的 起動(dòng) 方法 直流無刷無位置傳感器電動(dòng)自行車的 起 動(dòng)其實(shí)就是直流無刷無位置傳感器電機(jī)的 起動(dòng)，由于電機(jī)在正常運(yùn)行前的速度很小或?yàn)?0，電機(jī)產(chǎn)生的反電勢也很小或?yàn)?0，使得檢測線路無法檢測到反電勢，不能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的換向。電角度時(shí)間到，處