【正文】 the electric bicycle controller structure and software amp。由于 控制器對電池損耗的控制 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。 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。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。絕大多數(shù)電動自行車采用的是直流輪轂電機，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。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，這正是電動自行車所 要求的電動機類型。 電動自行車 的輸出功率僅為 ～ ，與普通 125 系列中檔摩托車（輸出功率 8～10Kw）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；與輕型摩托車或燃氣摩托車相比，輸出功率相差 2～ 3 倍，其功率僅為輕便摩托車、助動車、燃氣摩托車的 30%左右。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。 6 2 電動自行車控制器的系統(tǒng)分析 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。 無刷直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 120176。之間。 240176。 圖 無位置傳感器的直流無刷電機原理框圖 由圖 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 60176。時，和磁動勢 Fa 相垂直， CC′ 相產(chǎn)生的反電勢正好過零點；當(dāng)轉(zhuǎn)子再旋轉(zhuǎn) 30176。 240176。 120176。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。 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。h)/放電電流 Id(A))等因素。單片機的好處是自帶 A/D 接口、 PWM 模塊、捕捉 /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。 (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、價格更廉以及組成系統(tǒng)時所需要的外圍器件更少。 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。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。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，在下一章進行敘述。 起動過程中，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)動電路，用以驅(qū)動逆變器的功率器件。將轉(zhuǎn)子的初始位置記 θE0，轉(zhuǎn) 60176。 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 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 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。根 據(jù)式 子 diULdt? 可知，電機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，使換向時相電流逐漸衰減為 0，則可能損壞功率器件或電機。 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 口輸出波進行脈寬調(diào)制，決定功率管的導(dǎo)通時間。 圖 PIC16C74 單片機有 8 個 8 位 A/D 接口，這里只使用一個端口 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 PWM 工作方式結(jié)構(gòu)示意圖， PWM 的 輸出周期是由定時器 2 的周期寄存器 PR2 的設(shè)置決定的，同時，也與 元 器件頻率和定時器 2 的預(yù)分頻值有關(guān)。而在下半橋臂中則要讓 P 點為高 (低 )電平時，功率管 MOSFET 導(dǎo)通，為低 (高 )電平時，功率管 MOSFET 關(guān)斷，以避免出現(xiàn)電源短時的直通，燒壞功率器件現(xiàn)象。具體的軟件程序設(shè)計見第五章。 在圖 中，縱坐標(biāo) ωe 為轉(zhuǎn)子電角速度，橫坐標(biāo)為加速時間，那么 ωe 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 )。因此將比較器 LM324 的三路輸出與 PICl6C74 單片機的 RB RB RB7三個引腳相連接，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。 (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。 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)。 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。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。 a2 g2 a1 g1 OSC B3 D0 D1 B0 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 /128 BP 驅(qū)動器 使能檢測 EN BP 15 圖 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： 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。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)。 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，相電阻均為 R、電感均為 L。 360176。 120176。以圖 為例，假設(shè)轉(zhuǎn)子在圖 (a)所示的位置為 0176。 9 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。第一代電動自行車使用的 是有刷高速繞組式電機，電機的轉(zhuǎn)速達 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。電角度順序使 V5和 V V1和 V V1和 V V3 和 V2兩兩導(dǎo)通， 即可 使定子磁動勢分別如圖 (c)、圖 (d)、圖 (e)、圖 (f)所示， 從 而形成 圖 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 60176。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。 (4) 通過電池的合理選擇，來保證控制器的正常運行。而且隨著社會的不斷進步，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。 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；沒有路權(quán)，無法行駛 [3]。 現(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。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。目前電動自行車用蓄電池基本是經(jīng)濟實惠的鉛酸電池 。 (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到 70%以上。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。 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。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。 hardware design. This topic researched electric bicycle which uses sensorless brushless DC permanent mag motor to drive, with the PIC16C74 microcontroller as the master chip. Thus not only overe the noise of brush DC motors, muta