【文章內(nèi)容簡介】 信號，切入自同步運行。具體的軟件程序設計見第五章。 電動自行車的運行參數(shù)顯示功能設計 速度顯示 電動自行車在行駛過程中，使用者常常需要了解車行的速度，以便更好地控制速度，保證行駛的 安全。本課題使用筆段型液晶顯示器件 （ 如圖 ） 來顯示電動自行車的行駛速度，液晶顯示驅(qū)動器采用 ICM7211(A)控制的靜態(tài)數(shù)字量輸 入 型，其原理如圖 所示；ICM7211(A)具有完整的脈沖發(fā)生器，它由 RC 振蕩器， 128 分頻電路，背電極 BP 圖 七段型液晶顯示的電極引線排布 驅(qū) 動器和使能檢測器等組成 ； 驅(qū)動器一方面提供片內(nèi) 2 位段驅(qū)動器的驅(qū)動波形，另一方面通過作為輸出 的 BP 提供液晶顯示器件的背電極的驅(qū)動信號和級聯(lián)從機的同步信號 [7]。 12 ICM7211(A)接口部結(jié)構(gòu)為 4 位數(shù)據(jù)線 B0～ B3 和 2 路 位選線 D0D1。數(shù)據(jù)線 B0～ B3接單片機的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)。 2 路位選線 D0D1，分別控制 2 路七段數(shù)據(jù)鎖存器，為“ l”選通，為“ 0”封鎖，可以同時為“ 1”全部選通，也可以同時為“ 0”全部封鎖。 日前，筆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。 圖 ICM7211(A)原理框圖 蓄電池的容量顯示 電動自 行車在使用過程中蓄電池的剩余容量顯示給用戶帶來比較大的方便，它表明蓄電池提供的電能大約能夠使電動自行車行駛多少里程，蓄電池是否需要充電等。蓄電池的總?cè)萘客ǔＲ猿渥汶姾?，放電至其端電壓達到規(guī)定值時所釋放出的總電量來表示。當蓄電池以恒定電流放電時，它的容量 (Q)等于放電電流 (Id)和放電時間 (td)的乘積 ： dd tIQ ?? （ ） 式中 Id 的單位 為安 (A)， td 的單位為小時 (h)， Q 的單位為安時 (A h)。其放電特性如圖 所示。 13 圖 蓄電池連續(xù)放電曲線 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時間的乘積之和 ： dndndddd tItItIQ ??????? ?2211 () 由于蓄電池的容量受到多種因素的影響，長時間的使用，反復的充電放電，一些蓄電池的容量將逐漸減小，因此要準確顯示蓄電池的剩余容量比較困難。如果采用此方式來顯示蓄電池的容量，還需要考 慮蓄電池充電特性和蓄電池的放電率﹝放電率 =額定容量 Q 鎖定(A h)/放電電流 Id(A)﹞等因素 [8]。 在本方案中，利用蓄電池端電壓與容量之間的關系，通過測量蓄電池的端電壓來顯示蓄電池的容量。 蓄電池的電勢是指蓄電池在開路時的端電壓，由于蓄電池內(nèi)阻 r 的存在，當蓄電池兩端接上負載 R 時，內(nèi)阻上就會產(chǎn)生壓降，此時蓄電池的端電壓不是電勢 E，而是 ： IrEU ?? () 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，通過實驗的辦法測出蓄電池的容量與端電壓的關系。電動自行車在行駛中，利用軟件讓單片機對蓄電池端電壓 U 進行測量、處理，并將處理的結(jié)果值經(jīng) I/O端口發(fā)送到液晶顯示驅(qū)動器進行處理，實現(xiàn)顯示。 14 第 4 章 驅(qū)動控制的硬件設計 PIC 單片機簡介 在微控制器 （ Microcontroller） 應用領域日益廣泛的今天，各個領域的應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 價 以及組成系統(tǒng)時所需要的外圍器件更少。目前在中國市場上有幾十家半導體廠商生產(chǎn)的微控制器，不同廠商生產(chǎn)的微控制器各有自己的特點；在眾多的微控制器芯片中，美國 Microchip 技術公司生產(chǎn)的 PIC 系列微控制器芯片則異軍突起 [9]。它率先推出采用精簡指令集計算機RISC(Reduced Instruction Set Computer)、哈佛 (Harvard)雙總線和兩級指令流水線結(jié)構(gòu)高性價比的 8 位嵌入式控制器 (Embedded Controller)。 其高速度 （ 每條指令最快可達 160ns） 、低工作電壓 （ 最低工作 電壓可為 3V） 、低功耗 （ 3V， 32kHZ 時 15μ A） 、較大的輸入輸出直接驅(qū)動 LED 能力 (灌電流可達 25mA)、一次性編程 OTP(One Time Programmable)芯片的低價格、小體積 (最小為 8 引腳 )指令簡單易學易用 (3557 條指令 )等，都體現(xiàn)了微控制器芯片工業(yè)發(fā)展的新趨勢，在市場上具有極強的競爭力，該系列微控制器在全球已廣泛應用于家電、辦公自動化設備、電子電訊、金融電子、汽車、儀表、工業(yè)控制等領域，在 8 位微控制器市場從 90 年的第 20 位提高到 96 年的第 5 位，以至成為 8 位微控制器中最具有影響力的主流 嵌入式控制器 [10]。 根據(jù)直流無刷無位置傳感器電動自行車設計方案的要求，選用 PIC16C74A 單片機作為主控芯片。 PIC16C74 單片機主要性能特點可歸納如下 [11]： 簡指令集，僅有 37 條指令。 執(zhí)行速度快 ： 20Mhz 的振蕩時鐘， 200ns 的指令周期。 低功耗 SLEEP 方式。 工作電壓范圍寬 ： — 。 較大的輸入輸出直接驅(qū)動 LED 能力，灌入電流可達 25mA。 具有方便的 8 個 8 位 A/D 接口和 33 路可復用的 I/O 接口。 具有 4K*l4 位字的 EPROM，可以 滿足普通的系統(tǒng)軟件的容量要求。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。 具有 8 級堆棧，多個內(nèi)部及外部中斷源。 具有 3 個 8 位定時器和 2 個 PWM 輸出。 15 驅(qū)動電路 由于 PIC16C74 單片機使用的電源電壓是 +5V，其 I/O 端口輸出輸入的電壓電流相對來說比較小，不能直接驅(qū)動功率器件 MOSFET，因此需要根據(jù) PIC16C74 單片機的特點設計出驅(qū)動電路的上下橋臂，如圖 、圖 所示。 T3T1T2R1R2R3R E S 2R4D1D3 D2V C CGBPS+ C1 圖 上橋臂驅(qū)動電路 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，當功率管 MOSFET 導通時，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，自舉電容在導通前已充電至 +12V（ 相對于源極 ） ，導通時， US=UDC， UG=US+12V，保證了 UGS=12V。 下半橋臂中， P 點和與門 CD4081 相連， G 與下半橋臂功率管管 MOSFET 相連。圖 所示得電路，當 T4 截止， Tl截止， T2 導通，功率管 MOSFET 柵極輸入電容上的電荷釋放使功率管 MOSFET 關斷，當 Tl導通時， 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āD 除了具有上述功能外，還起著電平轉(zhuǎn)化作用，因為一般 TTL 的工作電平轉(zhuǎn)低（ 5V），不宜直接驅(qū)動電流容量較大的功率管 MOSFET。 16 圖 下橋臂驅(qū)動電路 另外，單片機在剛通電執(zhí)行初始化程序時，還未來得及封鎖 I/O 端口 (RC RC RC RB RB RB3)使功率管 MOSFET 關斷，若上下橋臂中 P 點同為低電平或同為高電平，功率管 MOSFET 導通，則此時，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)同時導通，這樣使電源的正負極直通，電流很大，燒壞功率器件 (在實驗中遇到這種情況 )。因此在設計上下橋臂的驅(qū)動電路時，需要注意讓上橋臂中 P 點為低 (高 )電平時，功率管 MOSFET 導通，為高 (低 )電平時，功率管 MOSFET 關斷 。而在下半橋臂中則要讓 P 點為高 (低 )電平時，功率管 MOSFET 導通，為低 (高 )電平時，功率管 MOSFET 關斷，以避免出現(xiàn)電源短時的直通，燒壞功率器件現(xiàn)象 [12]。 在直流無刷電機驅(qū)動主電路中，電機換向時功率管 MOSFET 突然關斷，某一相的電流突變?yōu)?0。 根據(jù) 下 式 ： dtdiLU? 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。在直流無刷電機驅(qū)動主電路中使用的每個功率管 MOSFET 實際上在其內(nèi)部集成并聯(lián)一個續(xù)流二極管，如圖 所示。 17 圖 主電路 調(diào)速和過流保護 電動自行車的調(diào)速 電動自行車的在行駛過程中，并不是以恒定的速度進行，有時需要加快速度，有 時需要減慢速度，因此調(diào)速是電動自行車不可缺少的一個功能。電動自行車的調(diào)速常常是在手柄上安裝一個光耦可調(diào)電阻，由手動實現(xiàn)的；在實驗中用的是可調(diào)電阻，其原理如圖 所示。 K 點的電壓 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。單片機將 UK 值采樣后經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換后送到 PWM 波占空比寄存器來決定 PWM 波占空比。 圖 電動自行車調(diào)速原理圖 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，圖 所示的是 PICI 6C74 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 18 器 2 的周期寄存器 PRZ 的設置決定的，同時，也 與 上器件頻率和定時器 2 的預分頻值有關。下式說明 PWM 周期和占空比的計算。 PWM 周期 =[(PR2)+l] 4 Tosc (TMR2 預分頻值 ) PWM 占空比 =(DC1) 4 Tosc （ TMR2 預分頻值 ) 其中， DC1 的 10 位值由 8 位的 CCPR1L 的值 (作為 10 位中的高 8 位 )和控制寄存器CCP1CON 中的 D5 和 D4(作為最低兩位 )組成，所以 PWM 的輸出分辨率是可編程的，可從 8 位的定時器 2 模塊得到 10 位的分辨率。 當 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，對與下橋臂相連的 I/O 口輸出波進行脈寬調(diào)制，決定功率管的導通時間。 圖 PWM 工作方式結(jié)構(gòu)示意圖 過流保護 直流無刷電機在起動或超負荷運行時，其電流很大，如不加限流保護，將會燒壞控制板上的功率器件，甚至會損壞電機。當電機剛起動時，反電勢 E 尚未建立或者很小 (可以忽略不計 )，則直流無刷電動機的相電壓平衡方程由下式 EdtdiLiRU ????相 （ ） 可得 ： 19 dtdiLiRU ???相 （ ） 由式 ()可知，此時電流很大，燒壞功率開關器件，若電動機的磁極是永磁體，則能引起永磁體的去磁。因此必須過流保護措施，其過流保護電路如圖 所示 [13]。 K 點與圖 中的 K 點相連 （ 圖 中的電阻 R1 是取樣電阻，其值很小，常取 )，取樣電壓在被 LM328 放大后，送至比較器 LM324，給定參考電壓比較，當主電路的電流增大，大到取樣電壓高于參考電壓值時， LM324 輸出為低電平，使半導體開關器件 T 立即導通， B 點的電勢降為 0，而 B 點與圖 上橋臂中的 B 點相連 ， 此時上橋臂半導體開關器件 Tl的基極電壓為 0，半導體開關器件 Tl關閉，使得上橋臂的功率管 MOSFET 關斷，切斷主電路的電流，當主電路的電流正常時，采樣電壓降到低于參考電 壓值，比較器 LM324 輸出為高電平，由于電容 C3 的存在，需要給電容 C3充電，使得半導體開關器件 T 延時一段時間后截止，上橋臂的驅(qū)動恢復正常。圖 電路中的 D R C3 圖 過流保護電路圖 組成了一個單 穩(wěn)電路，使得主電路過流時，保護電路 立即響應，切斷主電路電流；當主電路電流降到安全值時，保護電路要延時一段時間后，才使主電路恢復正常。在實驗過程中需要正確調(diào)整圖 中電阻 R4 和 R5 的比值，確保主電路的安全，實驗證明，該保護電路速度快，效果比較好。 另外，可以將與非門 4011 的輸出信號送給單片機，由軟件識別電機處于起動或過載狀態(tài)，若處于過載狀態(tài)，則使上橋臂的功率管 MOSFET