【正文】 為微分系數(shù)。 (2)對負(fù)載變化起抗擾作用 。而且雙閉環(huán)系統(tǒng)以速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定值，對速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅就限定了電樞中的電流，起第 27 頁 共 32 頁 到了保護(hù)逆變橋的作用。 安裝 +5V電源部分，測試輸出電壓 。 b相頂端驅(qū)動電路，測試 b相頂端驅(qū)動輸出 。 此外 ,可以將本設(shè)計的速度閉環(huán)調(diào)制進(jìn)一步改進(jìn)為電流、速度雙閉環(huán)調(diào)制。當(dāng)要求的靜差率相同時，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以大大提高 。E(k)第 k次采樣時的偏差值 。 工作方式 :單片機(jī)可以用查詢方式獲得 Sa,Sb,Sc。TMR2預(yù)分頻比可以是 1,4 或 16。產(chǎn)生如此波形需要確定兩個基本參數(shù) :一個是周期 (高電平和低電平持續(xù)時間之和 )。 程序認(rèn)為無效后就退出此輪采樣，不保留采樣值。 AD模塊的操作過程要求占用較多的時間，其占用的時間主要包含兩個部分 。用做周期可調(diào)的時基發(fā)生 器，為 PWM提供周期可調(diào)的時基信號。通過向周期寄存器 PR2中寫入不同的值，以及給預(yù)分頻器設(shè)定不同的分頻比，來靈活調(diào)整 TMR2輸出端的信號周期 . 根據(jù)三個定時器的特點(diǎn)，在程序中將資源分配如下 : 第 21 頁 共 32 頁 (1) TMR0:計算助力傳感器送出的高低電平持續(xù)時間 。 (2) 逐個判斷可能產(chǎn)生中斷的中斷標(biāo)志位和中斷允許位，只有二者同時有效時才執(zhí) 行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序 。定速模式下，轉(zhuǎn)把信號無效，程序根據(jù)模式轉(zhuǎn)換前輸出的 PWM占空比恒定輸出 。初始化完成后，進(jìn)入自檢程序，若各電器信號正常 ，則 2秒后退出自檢模式。定速燈指示助力傳感器 。這樣各個程序模塊分第 16 頁 共 32 頁 別設(shè)計，從而使程序的調(diào)試、修改和維護(hù)都變得比較容易 。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 : tItItI dNdNddddQ ???? .. ..2211 由于蓄電池的容量受到很多因素的影響，長時間的使用，反復(fù)的充放電，一些蓄電池的容量將逐漸減小，因此要準(zhǔn)確測量蓄電池的容量比較困難。 R47和 C36組成電流波形尖峰抑制器，可抑制電流波形的前導(dǎo)峰緣，增強(qiáng)系統(tǒng)。底端驅(qū)動，當(dāng)經(jīng)過邏輯 保護(hù)的 A相底端控制信號 aBTM輸入為 1時，經(jīng)過底端驅(qū)動電路產(chǎn)生 12V有效信號，使得 VF2導(dǎo)通。本設(shè)計中，頂端驅(qū)動電路中的 15V穩(wěn)壓二極管 DZ2, DZ4和 DZ6為保護(hù)二極管。 當(dāng) 功率 MOSFET管用作開關(guān)，被驅(qū)動飽和導(dǎo)通，即在它的兩極之間壓降最低時，其柵極驅(qū)動要求可概括如下 : (1) 柵極電壓一定要比漏極電壓高 10~15V，用作高壓側(cè)開關(guān)時其柵極電壓必定高于干線電壓，常?？赡苁窍到y(tǒng)中的最高電壓 . (2) 柵極電壓從邏輯上看必須是可控的，它通常以地 為參考點(diǎn)。其功能是將電源的功率以一定邏輯關(guān)系分配給無刷直流電動機(jī)定子上各相繞組。 硬件組成 本控制器根據(jù)項目參數(shù)要求應(yīng)具有如下功能 : (1)具有電動、定速、助力三種工作模式 :在電動模式下，控制系統(tǒng)能夠根據(jù)電動車轉(zhuǎn)把所給電壓，正常加電運(yùn)轉(zhuǎn) 。當(dāng)開關(guān)管的柵極輸入高電平時，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動機(jī)電樞繞組兩端有電壓 秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管截止，電動機(jī)電樞兩端電壓為0, tz秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)管的動作重復(fù)前面的過程。 在電機(jī)轉(zhuǎn)動時，控制部分會根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的速度決定功率管的導(dǎo)通時間。電源部分可以直接以直流電輸入或者以交流電輸入，如果是以交流電輸入就需先經(jīng)轉(zhuǎn)換器 (converter)轉(zhuǎn)成直流電。 ⑥ 利用 PI控 制理論實 現(xiàn)電機(jī)速度的閉環(huán)調(diào)制 。 軟件部分 在軟件方面利用 匯編語言，采用模塊化編程和結(jié)構(gòu)化編程 。驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性與安全性，促進(jìn)整車效率，而且可以節(jié)約能源和降低自行車的維護(hù)成本，從而推動電動自行車的廣泛應(yīng)用。 ② 永磁體安裝在轉(zhuǎn)子上、電樞繞組裝在定子上，故導(dǎo)熱性能好，產(chǎn)生的熱量更容易散發(fā)出去；結(jié)構(gòu)也變得簡單，并且節(jié)省了空間，使其磁場損失也得到了減少。據(jù)資料介紹，全球電動第 5 頁 共 32 頁 自行車數(shù) 量，在過去 6年中，從 50萬輛。 據(jù)助力車專業(yè)委員會不完全統(tǒng)計，全國電動自行車的銷售量 1998年為 輛， 1999年為 14萬輛， 2021年為 29萬輛， 2021年電動自行車的實際銷量已超過58萬輛， 2021年更高達(dá) 400多萬輛，今年則可望達(dá)到 500萬輛，主要銷售在蘇浙滬、天津一帶，在鼓勵電動自行車的上海，電動自行車擁有量已達(dá) 120萬輛，其中 2021年共銷售電動自行車 40萬輛。 美國福特公司率先把無刷直流電機(jī)應(yīng)用于汽車 20世紀(jì) 80年代以來，隨著微機(jī)控制 技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了各種稱為無位置傳感器控制技術(shù)的方法，是當(dāng)代無刷直流電機(jī)控制研究的熱點(diǎn)之一?？茖W(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，帶來了半導(dǎo)體技術(shù)的飛躍，開關(guān)型晶體管的研制成功為創(chuàng)造新型的 無刷直流電動機(jī)帶來生機(jī)。在軟件方面利用匯編語言，采用模塊化編程和結(jié)構(gòu)化編程。根據(jù)無刷直流電機(jī)的控制原理，對系統(tǒng)的控制部分進(jìn)行了詳細(xì)分析。 1955年，美國人首次提出用晶體管換向線路代替機(jī)械換向裝置，經(jīng)過反復(fù)實驗，人們終于找到了用位置傳感器和電子換相線路來代替有刷直流電動機(jī)的機(jī)械換相裝置， 出現(xiàn)了磁電禍合式、光電式及霍爾元件作為位置傳感器的無刷直流電動機(jī)，以后人們發(fā)現(xiàn)電量波形和轉(zhuǎn)子磁場的位置存在著一定的對應(yīng)關(guān)系，因此又出現(xiàn)了通過觀測電樞繞組中不同電量波形，監(jiān)測轉(zhuǎn)子位置的無位置傳感器的電動機(jī) 。各國知名半導(dǎo)體公司如 Allegro,Philips,Micro Linear,To shiba等，先后推出了許多無刷直流電機(jī)無傳感器控制集成電路 。專家預(yù)計，到 2021年我國電動自行車年銷量可突破1000萬輛，電動自行車制造業(yè)已進(jìn)入高速發(fā)展時期。這樣說來，電動車作為暫時的 替代品 或最終的交通、休閑用具，市場前景都不可限量。 ③ 它 的效率與轉(zhuǎn)速永遠(yuǎn)保持同步關(guān)系，不會發(fā)生失步、震蕩等現(xiàn)象，在節(jié)約能源方面也有明顯優(yōu)勢。 第 6 頁 共 32 頁 本設(shè)計的主要工作 論文對無刷直流電機(jī)的控制原理 進(jìn)行了詳細(xì)分析，依據(jù)無刷直流電機(jī)特性，針對電動自行車的控制需求，進(jìn)行了無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計。 實現(xiàn)了信號的采集及處理，實現(xiàn)了電動自行車的電動、定速和助力三種工作模式并且在系統(tǒng)出錯情況下具有自檢功能。 本設(shè)計實現(xiàn)了無刷直流電機(jī)的自動控制，硬件結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，具有升級空間，便于用戶二次開發(fā) 。不論是直流電輸入或是交流電輸入，送入電機(jī)線圈前須先將直流電壓由逆變器 (inverter)轉(zhuǎn)成三相電壓來驅(qū)動電機(jī)。若系統(tǒng)要求加速，則增長功率管導(dǎo)通的時間，若要求減速，則縮短功率管導(dǎo)通的時間，此部分工作由 PWM脈寬調(diào)制信號控制。 U1 0 T U0 Us t1 t2 0 圖 輸入輸出電壓波形 電動機(jī)電樞繞組兩端的電壓平均值 。定速模式下，無需按住轉(zhuǎn)把，電動車能夠按照設(shè)定速度運(yùn)行 :助力模式下，能夠根據(jù)助力傳感器測得的騎車者的用力實現(xiàn)助力騎行 .三種工作模式可通過模式轉(zhuǎn)換按鈕切換。功率場效應(yīng)晶體管具有開關(guān)速度快、高頻特性好、輸入阻抗高、驅(qū)動功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、無二次擊 穿問題、安全工作區(qū)寬和跨導(dǎo)線性度電源 第 11 頁 共 32 頁 高等顯著特點(diǎn)，因而在各類中小功率開關(guān)電路中得到了廣泛的應(yīng)用。 (3) 柵極驅(qū)動電路吸收的功率不會顯著地影響總效率。漏源間也要加保護(hù)電路以防止開關(guān)過程中因電壓的突變而產(chǎn)生漏極尖峰電壓損壞管子，可用齊納二極管籍位 .當(dāng)電機(jī)意外突然停轉(zhuǎn)時，電機(jī)繞組產(chǎn)生瞬間的反向高壓可能會損壞功率管， 所以在直流母線上并聯(lián)一只耐高壓電容，意外停機(jī)時，母線上產(chǎn)生的瞬間高壓會由于電容兩端電壓不能突變而第 12 頁 共 32 頁 得到抑制。同時，單片機(jī)輸出的 PWM信號送到 NE555的 RST端，對底端控制信號進(jìn)行調(diào)制。 （ 2）振蕩倍壓電路 如圖 ， NE555的電源接 +36V電壓，地端接 +21V電壓。 本方案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監(jiān)測蓄電池的容量 .利用單片機(jī)的 A/D轉(zhuǎn)換口，將電池兩端的電壓這一模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量， 從而顯示電池相應(yīng)的電量，以及判斷電池是 否欠壓 。 結(jié)構(gòu)化編程 :各個子程序之間使用結(jié)構(gòu)良好的轉(zhuǎn)移和調(diào)用，這樣各個模塊可有效地組合成一個整體，使流程明確地從一個程序模塊轉(zhuǎn)移到下一個程序模塊 .在這個過程中，要注意嚴(yán)格控制使用任意轉(zhuǎn)移語句。捏剎把時電動燈亮 。重新對相關(guān)寄存器，定時器賦初值，打開 INT外部中斷，即允許模式轉(zhuǎn)換按鈕中斷。助力模式下，根據(jù)定時器 TO采集助力傳感器的高低電平時間，控制 PWM信號的占空比。 (3) 中斷返回時恢復(fù)這三個寄存器的值。用做欠壓保護(hù) 5秒鐘的定 時器 。 MOD鍵 (INT中斷 )處理模塊 模式轉(zhuǎn)換由外部中斷 1NT完成，電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時始終允許 MOD鍵中斷。采樣 /保持電 容的充電時間和 A/D轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換時間。 表 。另一個是脈寬 (高電平持續(xù)時間 )。 PR2值的確定 :因為系統(tǒng)所需要的 PWM的頻率約為 20kHz，根據(jù)式 ,當(dāng) PR2為 41時， PWM的頻率為 kHz，達(dá)到要求， Tosc為 。Sa,Sb,Sc與 Ta,Tb,Tc,Ba,Bb,Bc之間的關(guān)系，如表 。E(k1)第 (k1)次采樣時的偏差值 。 速度調(diào)節(jié)器是實現(xiàn)調(diào)速的核心環(huán)節(jié)，它的設(shè)計好壞對系統(tǒng)動、靜態(tài)性能關(guān)系很大。雙閉環(huán)調(diào)速的特點(diǎn)是速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和電流。 c相頂端驅(qū)動電路，測試 c相頂端驅(qū)動輸出 。 安 裝 LM339和 NE555驅(qū)動輸出部分元件 。并且，電流環(huán)的等效時間常數(shù)比較小，當(dāng)系統(tǒng)受到外來干擾時它能比較快速的作出響應(yīng)，抑制干擾的影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力 。 假設(shè)測量的轉(zhuǎn)速為 If，轉(zhuǎn)速的給定值為 I4ef，根據(jù)式 ，不考慮微分項，算法如下 : )()()( kkkP PP lP ?? () 為了 保 證流過電機(jī)的電流不超過最大限度，需要對電流調(diào)節(jié)器的輸出進(jìn)行限幅處 理，即 IF P(k)Um,THEN P(k)=Um, 轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用如下 : (1)使轉(zhuǎn)速 np跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)無靜差。P(k)第 k次采樣時調(diào)節(jié)器的輸出。e(t)調(diào)節(jié)器的偏差信號，它等于測量值與給定值之 差 :Kp為調(diào)節(jié)器的比例系數(shù) 。 符號 :Sa,Sb,Sc傳感器位置信號 。該周期計算公式如下 : PWM周期 =[(PR2)+1]X4XToscX(TMR2預(yù)分頻 ) () 其中， Tosc為系統(tǒng)時鐘周期 。當(dāng) SP對應(yīng)的數(shù)字量在 [56,132]范圍時，若 SP+1，則 DUTY(占空比 )+1。為了保證 A/D轉(zhuǎn)換電路正確地進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所選 A/D轉(zhuǎn)換時鐘源必須滿足最小 TAD 時間要求，即 TAD不得小于 。在助力或定速模式下按下 MOD鍵，返回電動模式。 (2) TMR1:做為跳出自檢模式 2秒鐘時間的定時器 。 PIC16F72配置了 3個定時器 /計 數(shù)器模塊 :TMRO、 TMR TMR2。 第 18 頁 共 32 頁 助力 N N N N 圖 系統(tǒng)工作流程圖 自檢 自檢 上電復(fù)位 初始化相關(guān)寄存器 ， MODEREG 置為電動模式 自檢模式，顯示相應(yīng)信號的狀態(tài)，若各電器信號正常，則 2 秒后退出自檢模式 測量電壓及電流，并指示 是否欠壓，過流 判斷當(dāng)前工作模式 SP 有效？ 剎車有效 啟動電機(jī) 打開 KMOD 中斷 啟動成功？ 正常工作模式 WORKMODEFLAG 有錯 關(guān)閉電機(jī) 關(guān)閉 KMOD 剎車有效 助力傳感器有 效 剎車有效 自檢 Y N N Y Y Y Y Y Y N N Y 第 19 頁 共 32 頁 圖 正常工作模式流程圖 FUNWORKMODE 開始 判斷 MODEREG 對轉(zhuǎn)把電壓進(jìn)行采樣 相位有變化 ? 是否換相超時 ? SP 是否有效 ? FUNCALTOVER CMPSENSOR 相位有錯 ? 對欠壓端進(jìn)行采樣 是否欠壓 改變指示燈狀態(tài) 對過流端進(jìn)行采樣 是否過流 ? 將