【正文】 your fantasies. If it rains heavily on Saturday night, some elderly Chinese will say it is because Zhinu, or the Weaving Maid, is crying on the day she met her husband Niulang, or the Cowherd, on the Milky Way. Most Chinese remember being told this romantic tragedy when they were children on Qixi, or the Seventh Night Festival, which falls on the seventh day of the seventh lunar month, which is usually in early August. This year it falls on Saturday, August 2. Folklore Story As the story goes, once there was a cowherd, Niulang, who lived 28 with his elder brother and sisterinlaw. But she disliked and abused him, and the boy was forced to leave home with only an old cow for pany. The cow, however, was a former god who had violated imperial rules and was sent to earth in bovine form. One day the cow led Niulang to a lake where fairies took a bath on earth. Among them was Zhinu, the most beautiful fairy and a skilled seamstress. The two fell in love at first sight and were soon married. They had a son and daughter and their happy life was held up as an example for hundreds of years in China. Yet in the eyes of the Jade Emperor, the Supreme Deity in Taoism, marriage between a mortal and fairy was strictly forbidden. He ordered the heaven troop to catch Zhinu back. Niulang grew desperate when he discovered Zhinu had been taken back to heaven. Driven by Niulang39?；叵胝麄€(gè)論文的寫作過(guò)程，雖有不易，卻讓我除卻浮躁，經(jīng)歷了思考和啟示，也更加深切地體會(huì)了科研的艱難與不易，因此倍感珍惜。本論文從選題到完成，幾易其稿，每一步都是在26 徐老師的指導(dǎo)下完成的，傾注了大量的心血，在此向我的指導(dǎo)教師徐坤老師表示深切的謝意與祝福！ 本論文的完成也離不開物理與電子工程系其他各位老師、同學(xué)和朋友的關(guān)心與幫助。值此畢業(yè)論文完成之際，我謹(jǐn)向所有關(guān)心、愛護(hù)、幫助我的人們表示最誠(chéng)摯 的感謝與最美好的祝愿。閉環(huán)控制的理論及方法已非常成熟，但是測(cè)速電機(jī)的成本卻影響了閉環(huán)方法在直流無(wú)刷電機(jī)控制器上的應(yīng)用，而以反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法為主的低成本速度檢測(cè)方法目前尚在性能上與測(cè)速電機(jī)方法有較大差異。數(shù)字化設(shè)計(jì)具有參數(shù)修改方便、減小系統(tǒng)對(duì)器件性能依賴、提高工作效率和便于實(shí)現(xiàn)多種功能等優(yōu)點(diǎn)。力矩的抖動(dòng)對(duì)電動(dòng)車的使用者會(huì)產(chǎn)生一定程度的不適感，不利于提高用戶對(duì)產(chǎn)品的人性化的需求。 針對(duì)原有直流無(wú)刷電機(jī)控制器電流采樣的快速性、準(zhǔn)確性問(wèn)題， 設(shè)計(jì)出合理的電流采樣保持電路。 5. 展望 本 設(shè)計(jì) 對(duì)電動(dòng)自行車用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器的各個(gè)方面進(jìn)行了 分析 探討 ，經(jīng)過(guò)分24 析驗(yàn)證能夠較好地解決目前直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)控制器存在的一些問(wèn)題 。 圖 19 堵轉(zhuǎn)保護(hù)相電流波形 通過(guò)波形圖可以看出，在電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，相電流迅速增大，此時(shí)保護(hù)程序啟動(dòng)，使輸出 PWM 波占空比迅速減小，從而相電流減小，保護(hù)電機(jī)不至于損毀。在沒(méi)有使用機(jī)械剎車的情況下只使用柔性電子剎車，如圖 18 所示為柔性電子剎車效果圖。可以看出電動(dòng)車剛啟動(dòng)轉(zhuǎn)速較低時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)矩迅速增大。如圖 16所示為 PWM 波形。在調(diào)試過(guò)程中，能夠很容易找到錯(cuò)誤位置。只有當(dāng)將速度給定歸零重新設(shè)定后，電機(jī)才會(huì)再次運(yùn)行。堵轉(zhuǎn)是指由于程序中速度給定值設(shè)置較高，此時(shí)控制器有 PWM 波輸出，但是電機(jī)由于電子換相順序紊亂而無(wú)法正常運(yùn)行，在兩個(gè)相位之間來(lái)回轉(zhuǎn)動(dòng)的現(xiàn)象。過(guò)流保護(hù)是控制器整體安全保護(hù)的最后一道防線，過(guò)流保護(hù)采樣電阻采用康銅絲，當(dāng)系統(tǒng)瞬間電流超過(guò)最大設(shè)定保護(hù)電流值而保護(hù)服務(wù)子程序來(lái)不及反應(yīng)時(shí)，燒斷康銅絲以起到保護(hù)作用。其流程圖如圖 15 所示。EABS 在電動(dòng)自行車上作為傳統(tǒng)機(jī)械剎車的輔助措施，平時(shí)正常騎行中優(yōu)先采用電子剎車，當(dāng)遇到緊急情況時(shí)電子剎車、剎車片剎車同時(shí)進(jìn)行，使機(jī)械剎車片壽命延長(zhǎng)的同時(shí)，還增強(qiáng)了剎車效果，從而降低事故發(fā)生的概率。定時(shí)中斷服務(wù)子程序不斷掃描以獲取外部輸入的各種信號(hào)，如剎車信號(hào)、巡航信號(hào)等。 中斷服務(wù)模塊 中斷處理的過(guò)程為：進(jìn)入中斷服務(wù)子程序后，先關(guān)閉系統(tǒng)總中斷，防止更高優(yōu)先級(jí)的中斷進(jìn)入，同時(shí)保存中斷現(xiàn)場(chǎng)。手動(dòng)巡航的實(shí)現(xiàn)只需要按下巡航按鈕，電動(dòng)車就進(jìn)入巡航模式。進(jìn)入電子換相子程序后，首先檢查電動(dòng)機(jī)是否處于正常運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)電機(jī)出現(xiàn)運(yùn)行不正常時(shí)，單片機(jī)中斷響應(yīng)將故障標(biāo)志位置為 1，電子換相子程序根據(jù)得到的故障標(biāo)志位的狀態(tài)確定輸出正常換相信號(hào)或者跳出電子換相子程序，跳出換相子程序后進(jìn)入故障保護(hù)子程序，故障排除之后要把故障標(biāo)志位置為 0。而 111 為不應(yīng)該存在的狀態(tài)，若出現(xiàn)這種狀態(tài)，說(shuō)明電機(jī)或者霍爾傳感器可能出現(xiàn)故障，此時(shí)程序應(yīng)當(dāng)立即停止運(yùn)行。這種相互結(jié)合的電流調(diào)節(jié)方法可以更好的保護(hù)系統(tǒng)電路以及電動(dòng)機(jī)，同時(shí)也不會(huì)發(fā)生因突發(fā)原因?qū)е码娏魉查g增大而突然停車，使整個(gè)系統(tǒng)更加安全舒適，更加人性化。這類處理程序包含在閉環(huán)調(diào)速控制環(huán)節(jié)。每次循環(huán)開始先檢測(cè)蓄電池電壓是否欠缺以及剎車信號(hào)是否存在 [13]。設(shè)計(jì)了堵轉(zhuǎn)保護(hù)、過(guò)載保護(hù)、上電自檢、欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)以及防飛車保護(hù)等，提高安全性且更人性化。包括無(wú)級(jí)調(diào)速、手動(dòng) /自動(dòng)巡航、柔性電子剎車等。 3. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 16 軟件整體設(shè)計(jì)方案 系統(tǒng)軟件采用純模塊設(shè)計(jì)，在 KEIL 集成開發(fā)環(huán)境中由 C 語(yǔ)言編寫完成，軟件設(shè)計(jì)主要完成以下功能： （ 1） 實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直 流電動(dòng)機(jī)的軟啟動(dòng)和電子換相。 欠壓保護(hù)的電路設(shè)計(jì) 欠壓保護(hù)電路主要對(duì)電池電壓實(shí)施監(jiān) 控?；魻栁恢脵z測(cè)電路如圖 10 所示 ，其中 J1 為霍爾傳感器接口?；魻杺鞲衅鞯目梢詸z測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置，同時(shí)也可以根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈霍爾信號(hào)變化的周期數(shù)，計(jì)算出電機(jī)的轉(zhuǎn)速，為轉(zhuǎn)速 PID 閉環(huán)調(diào)節(jié)奠定基礎(chǔ)。當(dāng)霍爾元件置于外磁場(chǎng)中有電流流過(guò)時(shí)，輸出霍爾電勢(shì)信號(hào)；當(dāng)其沒(méi)有外磁場(chǎng)作用時(shí)，其輸出端無(wú)信號(hào)輸出。 14 5VC511015VR5220KR531KR54R581KR5520KR5610KR571K8R5110K1O1121+3GND4262O7VCC82+5U5LM358采樣 圖 9 采樣 比較 電路 霍爾位置檢測(cè)電路 位置信號(hào)是電機(jī)控制的主要反饋信息，只有確定轉(zhuǎn)子的當(dāng)前位 置，才能根據(jù)程序要求決定下一步的定子三相繞組的導(dǎo)通模式。因此本系統(tǒng)采用第 2 套方案，降低成本，優(yōu)化算法。 （ 2） 采用分流電阻間接測(cè)流。 13 VD6FR107VT1MOSFETNVT2MOSFETN51R23Res251R22Res212345678IC3IR2103S18V24V GND47pFC2222C1U至電機(jī) U 相GND 圖 8 驅(qū)動(dòng)電路 電流采樣電路 對(duì)于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，在較大負(fù)載低速運(yùn)行時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)子繞組相線會(huì)產(chǎn)生較大電流，從而使得大功率 M0S 管中流入大電流，這樣容易導(dǎo)致 M0S 管燒壞，控制器無(wú)法正常運(yùn)行。本系統(tǒng)采用 MOSFET 管的型號(hào)為 60N06，是意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一種 N 溝道 MOSFET。所謂單極性 PWM 控制，就是兩個(gè)開通管中一個(gè)開關(guān)管采用定頻調(diào)寬的 PWM 控制，另一個(gè)開關(guān)管常開。其中 5V 給單片機(jī)和除 IR2103S 以外的集成電路供電， 18V 給 IR2103S 供電， 24V 直接給大功率 MOSFET 管供電。過(guò)熱保護(hù)、欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和堵轉(zhuǎn)保護(hù)等功能的實(shí)現(xiàn)，由運(yùn)算放大器采樣放大處理后送至單片機(jī)，再由單片機(jī)控制是否禁止輸出 PWM波 [9]。電機(jī)速度控制采用脈寬調(diào)制方式，不同的速度對(duì)應(yīng)電機(jī)的電壓電流也不同。 “軟啟動(dòng) ”可以緩解零狀態(tài)起步時(shí)耗電量大的問(wèn)題，能延長(zhǎng)一次充電的騎行里程。 圖 5 雙閉環(huán)調(diào)速原理 整體硬件系統(tǒng)框圖 本文設(shè)計(jì)的電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)包括以單片機(jī)為核心的主控 模塊；以 IR2103S 為核心的驅(qū)動(dòng)模塊；另外還有位置信號(hào)檢測(cè)及綜合部分、電流信號(hào)采樣放大和比較部分以及一些外圍功能輔助電路等。而且雙閉環(huán)調(diào)節(jié)系統(tǒng)以速度調(diào)節(jié)電路 的輸出作為電流調(diào)節(jié)電路的輸入設(shè)定值，對(duì)速度調(diào)節(jié)電路的輸出做出限制就同時(shí)限制了電路中的電流大小，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)逆變橋的作用 [8]。 雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)把速度控制電路的輸出作為電流控制電路的設(shè)定值來(lái)回饋控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速 [7]。 速度電流雙閉環(huán)調(diào)節(jié) 整個(gè)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)包括電流回饋控制環(huán)和速度回饋控制環(huán)。這種調(diào)節(jié)方式能保證電源的輸出電壓在工作發(fā)生條件變化時(shí)維持恒定，是利用處理器輸出的數(shù)字信號(hào)對(duì)模擬電路進(jìn)行有效控制的一種方法。采用抗干擾 CMOS 工藝制造， DIP8 腳封裝，具有獨(dú)立的低端輸入通道和高端輸入通道；其高端工作電壓可達(dá) 600V；輸出電壓范圍 10～ 20V；工作頻率可達(dá) 500kHz；導(dǎo)通、關(guān)斷延遲小，響應(yīng)迅速 [6]。 電磁隔離方式的隔離元件采用脈沖變壓器，能夠快速響應(yīng)，共模抑制能力強(qiáng)。 表 1 導(dǎo)通換相關(guān)系表 Ha Hb Hc 導(dǎo)通的 MOS 管 導(dǎo)通相 1 1 0 T1 T2 U→W 0 1 0 T2 T3 V→W 0 1 1 T3 T4 V→U 0 0 1 T4 T5 W→U 1 0 1 T5 T6 W→V 1 0 0 T6 T1 U→V 高壓三相場(chǎng)效應(yīng)管電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 IR2103S 在功率變換電路中，根據(jù)主電路的結(jié)構(gòu)分布，功率開關(guān)器件驅(qū)動(dòng)方式有兩種：直接驅(qū)動(dòng)和隔離驅(qū)動(dòng)。 8 T1MOSFETNT2MOSFETNT4MOSFETNT3MOSFETNT6MOSFETNT5MOSFETND2FR107D1FR107D3FR107D4FR107D5FR107D6FR107CUVW24VGND 圖 3 無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)化圖 在任意時(shí)刻無(wú)刷直流電機(jī)只有兩相導(dǎo)通，第三相懸空。 無(wú)刷直流電機(jī)結(jié)構(gòu) 如圖 2 所示 。 （ 5） 電機(jī)整體體積小、重量輕 。 與前兩類電機(jī)相比，無(wú)刷直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)有： （ 1） 電機(jī)性能好，具有轉(zhuǎn)矩大的特性 。 圖 1 AT89S52 引腳排列 電機(jī)的選取 異步電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)有價(jià)格便宜、可靠性高、轉(zhuǎn)速高、低轉(zhuǎn)矩波動(dòng)和不用位置傳感器等，7 采用矢量控制性能優(yōu)異而成為電動(dòng)車用驅(qū)動(dòng)電機(jī)的首要選擇。另外， AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品 指令和引腳完全兼容。所以目前這類電動(dòng)自行車控制器得到廣泛的關(guān)注和研究。但是目前來(lái)看這些專用集成芯片價(jià)格較為昂貴，外圍電路設(shè)計(jì)復(fù)雜造成維修困難，所以在廣大的民用市場(chǎng)難以大規(guī)模推廣。這類控制器在初期的電動(dòng)車中采 用較多。電動(dòng)車控制器的設(shè)計(jì)應(yīng)兼顧蓄電池和電機(jī)的實(shí)際使用情況，合理分配蓄電池、控制器和電機(jī)之間的關(guān)系，將其作為一個(gè)整體系統(tǒng)來(lái)設(shè)計(jì)，這樣才能得到較為匹配的電動(dòng)車控制器。運(yùn)行時(shí)，霍爾位置傳感器獲得電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息，經(jīng)過(guò)處理后輸入控制器進(jìn)行邏輯綜合，之后控制器輸出 PWM 波使功率逆變驅(qū)動(dòng)電路中的開關(guān)管有序的導(dǎo)通和截止，從而實(shí)現(xiàn)電子換流，驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)可靠穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。 BLDCM 用電子換相克服了以前直流電機(jī)機(jī)械換相的缺點(diǎn)，用永磁材料做轉(zhuǎn)子省去了電刷；而 PMSM 是用永磁材料代替普通電機(jī)轉(zhuǎn)子