【文章內容簡介】 ，與 TDIR2 的設定無關。該情況下， TDIR2 的值讀出總是為 1。 在對稱模式中，定時器交替遞增 /遞減計數(shù)并且 TDIR2的值無效。該模式與基本定時器操作的主要區(qū)別在于比較模塊的操作。該模塊在 PWM模式中用于 PWM波形的產生。表 52所示為 PWM模式中比較管腳的狀態(tài)。 用戶必須將輸出比較管腳配置為輸出狀態(tài)以使能 PWM輸出。與基本定時器操作一樣，當 PWM（比較）管腳連接到比較邏輯時，它們 的邏輯狀態(tài)保持不變。但是，有一點不同：由于 FCO位用于保持停止的值，因此只有比較事件才能改變管腳的狀態(tài)。 (2)P89LPC932單片機特性 同一時鐘頻率下，其速度為標準 80C51 器件的 6倍。只需要較低的時鐘頻率即 可達到同樣的性能，這樣無疑降低了功耗和 EMI； 操作電壓范圍為 ～ 。 I/O口可承受 5V(可上拉或驅動到 )； 256字節(jié) RAM 數(shù)據(jù)存儲器。 512字節(jié)附加片內 RAM； 2個 16位定時 /計數(shù)器，每一個定時器均可設置為溢出時觸發(fā)相應端口輸出或作為 PWM輸出； 捕獲 /比較單元 (CCU)提供 PWM，輸入捕獲和輸出比較功能； 2個模擬比較器 。可選擇輸入和參考源； 增強型 UART。具有波特率發(fā)生器、間隔檢測、幀錯誤檢測、自動地址識別和通用的中斷功能； 400kHz字節(jié)方式 I2C通信端口； 8個鍵盤中斷輸入，另加 2路外部中斷輸入； 4個中斷優(yōu)先級； 低電 平復位。使用片內上電復位時不需要外接元件。復位計數(shù)器和復位干擾抑制電路可防止虛假和不完全的復位。另外還提供軟件復位功能； 低電壓復位 (掉電檢測 )可在電源故障時使系統(tǒng)安全關閉。該功能也可配置為一個中斷； 可配置的片內振蕩器及其頻率范圍和 RC振蕩器選項 (通過用戶可編程 Flash配置位選擇 )。選擇 RC 振蕩器時不需要外接振蕩器件。振蕩器選項支持的頻率范圍為太原科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 14 20KHz～ 12MHz?？蛇x擇 RC振蕩器選項并且其頻率可進行很好的調節(jié)； 可編程 I/O口輸出模式：準雙向口，開漏輸出，推挽和僅為輸入功能； 端口“輸入模式匹配”檢測。當 P0 口管腳的值與一個可編程的模式匹配或者不匹配時，可產生一個中斷。施密特觸發(fā)端口輸入； 所有口線均有 20mA 的 LED 驅動能力。但整個芯片有一個最大值的限制 (見 DC特性 )； 可控制口線輸出轉換速度以降低 EMI，輸出最小轉換時間約為 10ns； 最少 23 個 I/O 口 (28 腳封裝 )，選擇片內振蕩和片內復位時可多達 26 個 I/O口； 當選擇片內振蕩及復位時， LPC932只需連接電源和地； 串行 Flash編程可實現(xiàn)簡單的在線編程。 2個 Flash保密位可防止程序被讀出； Flash程序存儲器可實現(xiàn)在應用中編程。這允許在程序運行時改變代碼； 空閑和兩種不同的掉電節(jié)電模式。提供從掉電模式中喚醒功能 (低電平中斷輸入喚醒 )。 驅動電路 驅動電路設計 驅動電路如圖 35所示。 樊小鳳：基于單片機的電動自行車設計 15 圖 35驅動電路圖 通過邏輯組件 CMOS 處理產生 T1T4 導通、 T1T6 導通、 T3T6 導 通、 T3T2 導通、 T5T2導通、 T5T4導通，也就是說將直流母線電壓依次加在 A+B、 A+C、 B+C、B+A、 C+A、 C+B上，這樣轉子每轉過一對 NS 極， T1T6 功率管即按固定組合成六種狀態(tài)的依次導通。每種狀態(tài)下，僅有兩相繞組通電，依次改變一種狀態(tài)，定子繞組產生的磁場軸線在空間轉動 60176。電角度，轉子跟隨定子磁場轉動相當于 60176。電角度空間位置，轉子在新位置上，使位置傳感器 U、 V、 W 按約定產生一組新編碼，新的編碼又改變了功率管的導通組合，使定子繞組產生的磁場軸再前進 60176。電角度，如此循環(huán)，無 刷直流電動機將產生連續(xù)轉矩，拖動負載作連續(xù)旋轉。 無刷直流電動機 (1)無刷直流電動機的選擇 電機是電動自行車的心臟，是關鍵部件，電機要適應頻繁起動，頻繁變速又考太原科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 16 慮到薄形安裝特點，目前大都采用盤式結構，同時為了適應道路使用和環(huán)境特點，電機通常設計成全封閉結構形式，具有可靠防護性能。從當前市場上銷售的電動自行車看主要是用直流永磁印制繞組電機和直流無刷電機，印制繞組電機關鍵是印制轉子的制造工藝，而且需引進部分設備如轉子片疊好后外圓點和內孔點的氬弧焊點焊機。一旦轉子工藝突破，該電機的批量生產即不成問題了 。直流無刷電機存在質量可靠性問題，控制器較復雜成本較高，這些問題一旦解決推廣使用則更廣?？傊鲜龆N電機用于電動自行車是較為理想的。鑒于 電動車對電動機的基本要求 ，本設計采用 永磁無刷直流電動機 。 1） 永磁無刷直流電動機的基本性 能 永磁無刷直流電動機是一種高性能的電動機。它的最大特點就是具有直流電動機的外特性而沒有刷組成的機械接觸結構。加之，它采用永磁體轉子，沒有勵磁損耗：發(fā)熱的電樞繞組又裝在外面的定子上，散熱容易，因此，永磁無刷直流電動機既有一般直流電機良好的調速起動性能，又具有 壽命長，沒有換向火花，沒有無線電干擾，運行可靠，維修簡便 及噪聲低等優(yōu)點 。此外，它的轉速不受機械換向的限制，如果采用空氣軸承或磁懸浮軸承，可以在每分鐘高達幾十萬轉運行。永磁無刷直流電動機機系統(tǒng)相比具有更高的能量密度和更高的效率，在電動車中有著很好的應用前景。 2） 永磁無刷直流電動機的控制系統(tǒng) 典型的永磁無刷直流電動機是一種準解耦矢量控制系統(tǒng)，由于永磁體只能產生固定幅值磁場，因而永磁無刷直流電動機系統(tǒng)非常適合于運行在恒轉矩區(qū)域，一般采用電流滯環(huán)控制或電流反饋型 SPWM法來完成。為進一步擴充轉速，永磁無刷直流電動機也可以采用弱磁控制。弱磁控制 的實質是使相電流相位角超前，提供直軸去磁磁勢來削弱定子繞組中的磁鏈。 3） 永磁無刷直流電動機的不足 永磁無刷直流電動機受到永磁材料工藝的影響和限制，使得永磁無刷直流電動機的功率范圍較小，最大功率僅幾十千瓦。永磁材料在受到振動、高溫和過載電流作用時，其導磁性能可能會下降或發(fā)生退磁現(xiàn)象，將降低永磁電動機的性能，嚴重時還會損壞電動機，在使用中必須嚴格控制，使其不發(fā)生過載。永磁無刷直流電動機在恒功率模式下，操縱復雜，需要一套復雜的控制系統(tǒng)，從而使得永磁無刷直流電動機的驅動系統(tǒng)造價很高。 樊小鳳：基于單片機的電動自行車設計 17 (2)無刷直流電機的結構及工 作原理 無刷直流電動機由電動機，轉子位置傳感器和位置傳感器組成，它的原理框圖如下 36 圖所示，圖中直流電源通過開關線路向電動機定子繞組供電，電動機轉子位置由位置傳感器檢測并提供信號去觸發(fā)開關線路中的功率開關元件使之導通或截止，從而控制電動機的轉動。是一種典型的機電一體化產品。動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相似。電動機的轉子上粘有已充磁的永磁體，為了檢測電動機轉子的極性，在電動機內裝有位置傳感器。驅動器由功率電子器件和集成電路等構成，其功能是：接受電動機的啟動、停止、制動信 號，以控制電動機的啟動、停止和制動；接受位置傳感器信號和正反轉信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產生連續(xù)轉矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調整轉速；提供保護和顯示等等。 圖 36無刷直流電動機的原理框圖 無刷直流電動機的位置傳感器編碼使通電的兩相繞組合成磁場軸線位置超前轉子磁場軸線位置，所以不論轉子的起始位置處在何處，電動機在啟動瞬間就會產生足夠大的啟動轉矩，因此轉子上不需另設啟動繞組。由于定子磁場軸線可視作同轉子軸線垂直，在鐵芯不飽和的情況下，產生的平均電磁轉矩與繞組電流成正比，這正是他 勵直流電動機的電流 轉矩特性。在一定的 ω 時，改變占空比 δ ，就可以線性地改變電動機的電磁轉矩，得到與他勵直流電動機電樞電壓控制相同的控制特性和機械特性。無刷直流電動機的轉速設定，取決于速度指令 V 的高低，如果速度指令最大值為 +5V 對應的最高轉速，那么 +5V 以下任何電平即對應相當?shù)霓D速現(xiàn)了變定。當 V 設定以后，無論是負載變化、電源電壓變化，還是環(huán)境溫度變化，當轉速低于指令轉速時，反饋電壓 Vfb變小，調制波的占空比 δ 就會變大，電樞電流變大，使電動機產生的電磁轉矩增大而產生加速度，直到電動機的實際轉速與指令轉速相等為止 ；反之，如果電動機實際轉速比指令轉速高時， δ 減小， Tm 減小，發(fā)生減速太原科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 18 度，直至實際轉速與指令轉速相等為止?？梢哉f，無刷直流電動機在允許的電壓波動范圍內，在允許的過載能力以下，其穩(wěn)態(tài)轉速與指令轉速相差在 1%左右，并可在調范圍內恒轉矩運行。 PWM 調速原理 電動自行車使用 24V 直流電機， 對于這種小功率直流電機的調速方法一般有兩種。 一種 線性型 ： 使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機。線性型驅動的電路結構和原理簡單，成本低，加速能力強，但功率損耗大，特別是低速大轉距運行時，通過電阻 R的電流大， 發(fā)熱厲害，損耗大。 另一種 脈寬調制 型： 脈寬調速（ PULSE WIDE MODULATION—— PWM）較常用的 一種調速方式 ，這種調速方式有調速特性優(yōu)良、調整平滑、調速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負載沖擊，還可以實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉的等優(yōu)點。因此決定采用 PWM方式控制直流電機。 （ 1） 永磁式直流電機脈寬調速原理 永磁式直流電動機電機轉速由電樞電壓 UD決定，電樞電 UD越高電機轉速越快，電樞電壓 UD降為 0V，電機就停轉。直流電機的具體調速過程是：先讓它啟動一段時間，然后切斷電源，電動機因慣性而降速轉 動。在轉速降到一定限度時使電動機再次接通電動機因此而再次加速。不斷的給電樞兩端送入脈動電壓源（即脈動信號） 就可以使電動機的轉速控制在指定的范圍內。如圖 37所示 ： Vmax為電動機的最大轉速值。 Vmin為電動機的最小轉速值。 VD為二者的平均值。 VD=D * Vmax式中 D=t/T 稱為占空比 D越大 VD就越大反之亦然。 樊小鳳：基于單片機的電動自行車設計 19 圖 37電機轉速范圍 平均轉速和電樞上的脈沖占空比 D 之間的關系如 38 圖知，平均轉速與占空比并非完全的線性關系，但可以近似的看成是線性關系。因此電動機的平均轉速 VD就可以有占空比 D 加以 控制。 PWM調速分為雙 向式和單向式兩種 ： 1）一種雙向式 圖 38平均轉速與占空比的關系 在一個脈沖周期內 (T=Ta＋ Tb)， T1 和 T3 導通的時間為 Ta， T2 和 T4 導通的時間為 Tb，這樣在 Ta 這段時間內，電機通過的是正向電流，在 Tb 這段時間內為反相電流。當 Ta=Tb 時電機停轉， TaTb 時電機正轉， Ta Tb 時電機反轉。 2） 另一種單向式 單向式的電路更雙向式相同。不同的是，在電機正轉時， Tb 這段時間內不通過反向電流，電機反轉時， Ta 內不通過正向電流。其調速原理基本與雙向式相同。單向式與雙向式相比，三 極管的開關頻率少一半，比較不容易發(fā)生上下三極管導通而造成電源短路的情況 ,故可靠性有所提高，但控制性能比雙向式稍差。外特性、低速太原科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 20 性能也不如雙向式好。 （ a）雙向式調速 （ b）單項式調速 圖 39 速度與占空比關系曲線 如上圖 39（ a） 所示為雙向式調速方式下速度與占空比關系曲線，圖 39（ b）為單向式調速方式曲線?？紤]到電動自行車對電機轉速，距離控制的要求不高，為了簡化程序和外接電路，所以沒有考慮采用閉環(huán) PWM 控制，用開環(huán) PWM 控制就可以實現(xiàn)自行車的功能。 (2)脈沖寬度調制的優(yōu)點 PWM 的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行 數(shù)模轉換 。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯 1 改變?yōu)檫壿?0 或將邏輯 0 改變?yōu)檫壿?1 時，也才能對數(shù)字信號產生影響。 對噪聲抵抗能力的增強是 PWM 相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點，而且這也是在某些時候將 PWM 用于通信的主要原因。從模擬信號轉向 PWM 可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當?shù)?RC 或 LC 網絡可以濾除調制高頻方波并將信號還原為模擬形式。 總之， PWM 既經濟、節(jié)約空間、抗噪性能強，是一種值得廣大工程師在許多設 計應用中使用的有效技術。 測速電路 測速電路設計 測速電路如圖 310 所示。 當檢測到到信號時，輸出一個高電平三極管導通，中斷引腳接地，產生中斷，定時器停止計時，進行速度處理。（ V=S/T） 樊小鳳：基于單片機的電動自行車設計 21 圖 310 測速電路 把三個小磁鐵平均分布在被測的轉動的車輪邊緣，固定好，小磁鐵與霍爾傳感器的相對位置在車輪轉動過程中發(fā)生變化，當小磁鐵轉動到霍爾傳感器附近時，傳感器的輸出端 Vout 產生一個低電平，將此低電平接到單片機的 T0/ 引腳。編程決定當單片機被第一個信號觸發(fā)中斷后， T0 計數(shù)一次，并且立刻 啟動定時器 T1計時。而當車輪轉動一圈后使得第一個小磁鐵再次靠近霍爾傳感器，傳感器把第四個