【文章內(nèi)容簡介】 當(dāng)電動自行車在水平路面上行駛時，由公式可得電動自行車的推動力牛頓，那么電動自行車的轉(zhuǎn)矩， NM。 當(dāng)電動自行車在上坡路（坡面角為α）面上行駛時，電動自行車的推動力=水平路面上行駛時的推動力+載重和車重沿坡面的分量，即：而，當(dāng)ɑ=1176。時，；當(dāng)ɑ=2176。時，；當(dāng)ɑ=3176。時，；當(dāng)ɑ=176。時，（176。）。由此可以看出，隨著路面坡度的增加，電動自行車在輸出功率不變的情況下，其最大速度在迅速減小，這給用戶的使用帶來不便；為了解決這個問題，一方面，電動自行車在上坡時，對其施加外力（如用腳踩電動自行車的腳蹬）來增大轉(zhuǎn)矩，提高速度；另一方面，在選用電動自行車的驅(qū)動電機時，不僅要考慮到電機的功率，而且要考慮電機的電磁轉(zhuǎn)矩，使用大功率的或輸出轉(zhuǎn)矩大的電機，也可以解決電動自行車上坡時遇到的問題，但電動自行車的成本也提高了。第3章 直流無刷無位置傳感器電動自行車的控制設(shè)計 無位置傳感器直流無刷電機的數(shù)學(xué)模型直流無刷電機本體的三相繞組通常是二線制的，要檢測不導(dǎo)通相繞組產(chǎn)生的反電勢，必須要找一個基準參考點，為了更好地解釋和說明檢測反電勢過零的原理，現(xiàn)建立以電源中點為基準參考點的無位置傳感器直流無刷電機數(shù)學(xué)模型。 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?？芍寒?dāng)、導(dǎo)通時，即電流從A相流入，B相流出， (31) (32) (33)當(dāng)、導(dǎo)通時，即電流從A相流入，C相流出， (34)由（31）（34）可得： （35）同理可得： （36） （37）再由（32）（33）及可得： （38）同理可得： （39） （310）綜合式（38）（39）（310）可得： （311）將式（311）分別代入式（35）（36）（37）得： （312） （313） （314） （315） （316） 將式（32）代入式（312）得： （317）同理可得： （318） （319）當(dāng)、導(dǎo)通時，即電流從A相流入，B相流出，C相沒有電流，此時：，若過零（即），則，同理可得：。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參考點的原因。當(dāng)、導(dǎo)通時，即電流從A相流入，B相流出，C相沒有電流，此時：，，由（319）可知： （320）同理可得： （321） （322）因此當(dāng)無位置傳感器直流無刷電機某相不導(dǎo)通時，以電源的中點作為基準參考點，可以在該相的引出線上檢測出該相繞組產(chǎn)生的反電勢。 電動自行車的啟動方法直流無刷無位置傳感器電動自行車的啟動其實就是直流無刷無位置傳感器電機的啟動，由于電機在正常運行前的速度很小或為0，電機產(chǎn)生的反電勢也很小或為0，使得檢測線路無法檢測到反電勢，不能夠?qū)崿F(xiàn)電機的換向。因此直流無刷無位置傳感器電動自行車的電機可以采用以下幾種方案實現(xiàn)啟動：方案一、電動自行車由于其特殊性，使用的是輪毅式電機，在沒有供電的情況下，電動自行車可以用作正常的自行車行駛，在行駛時輪毅式電機和車輪一起運轉(zhuǎn)，當(dāng)運轉(zhuǎn)達到一定的速度時，電機產(chǎn)生的反電勢可以被檢測到，此時閉合開關(guān)給電機供電，實現(xiàn)電動自行車的啟動。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）。由于無刷直流電動機的結(jié)構(gòu)和永磁同步電動機相似，所以無刷直流電動機起動時可以采用他控式同步電動機的起動方式，從靜止開始加速，直至轉(zhuǎn)速足夠大能夠檢測到反電動勢，再切換到直流無刷直流電動機的運行方式，其原理框圖如圖31。圖31 外同步起動原理框圖起動過程中，反電勢法的轉(zhuǎn)子位置信號A、B、C無效，所以圖31的信號選擇器將它們屏蔽掉，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。與轉(zhuǎn)子位置信號類似，三路外同步信號有六種組合狀態(tài)。如果先將外同步信號的某個組合狀態(tài)保持一段時間，再按序改變其組合狀態(tài)并逐步提高頻率，按他控式同步電動機的運行方式由靜止開始加速，當(dāng)轉(zhuǎn)速足夠大時，轉(zhuǎn)子位置信號有效，當(dāng)滿足切換條件，發(fā)出切換命令，使得信號選擇器屏蔽掉外同步信號，選通轉(zhuǎn)子位置信號并送入譯碼模塊用以產(chǎn)生逆變器的觸發(fā)信號，這樣就建立了轉(zhuǎn)子位置閉環(huán)，完成了從他控式同步電動機運行狀態(tài)到直流無刷電動機運行方式的切換。當(dāng)保護信號有效時，逆變器功率器件被關(guān)斷，以實現(xiàn)對功率器件的保護措施。在本論文中，信號選擇及譯碼均由單片機的軟樣算法實現(xiàn)。起動時，信號發(fā)生模塊需要按序改變?nèi)吠馔叫盘柕慕M合狀態(tài)，并且每個狀態(tài)所保持的時間根據(jù)加速曲線逐漸縮短，即逐漸提高逆變器的輸出頻率，那么在電機在不失步的前提下轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速也逐漸提高，在本論文中，采用如圖32示的斜率為K的加速曲線，斜率K可以根據(jù)負載轉(zhuǎn)矩慣量的大小人為調(diào)整。圖32 固定斜率加速曲線示意圖在圖32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ωet即為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過的電角度θE。將轉(zhuǎn)子的初始位置記θED，轉(zhuǎn)60176。電角度之后的位置記為θE1，再轉(zhuǎn)過60176。的位置記為θE2。這樣依次類推，假如在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過電角度之后，達到了需要的轉(zhuǎn)速，那么由這一系列位置對應(yīng)的時刻t0，tl，t2，……，tk的值，即可確定逆變器的每一個逆變狀態(tài)的改變時刻。令t0=0，由t0，tl，t2，……，tk的值可得： …將△t1，△t2 ，…，△tk1 ，△tk轉(zhuǎn)換成定時器在一定分辨率下的定時值n1，n2，…nk，存放在一個加速曲線表格中，加速時，由程序從表格中依次取出，形成外同步加速信號。電機外同步加速時，定子磁動勢步進旋轉(zhuǎn)的速度取決于逆變器改變節(jié)拍的頻率，而逆變器改變節(jié)拍的頻率將完全取決于加速曲線中的定時值；電機實際加速時，將很快檢測到反電勢的位置信號，進而用反電勢位置信號代替外同步信號，切入自同步運行。具體的軟件程序設(shè)計見第五章。 電動自行車的運行參數(shù)顯示功能設(shè)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33）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34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33 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。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(fā)”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(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。圖34 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猿渥汶姾螅烹娭疗涠穗妷哼_到規(guī)定值時所釋放出的總電量來表示。當(dāng)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： （323）式中Id的單位為安(A)，td的單位為小時(h)，Q的單位為安時(Ah)。其放電特性如圖35所示。圖35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(yīng)時間的乘積之和： (3－24)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(Ah)/放電電流Id(A)﹞等因素。 在本方案中，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(dāng)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： (3－25)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(3－25)可知，通過實驗的辦法測出蓄電池的容量與端電壓的關(guān)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。第4章 驅(qū)動控制的硬件設(shè)計 PIC單片機簡介在微控制器（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。目前在中國市場上有幾十家半導(dǎo)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(shù)公司生產(chǎn)的PIC系列微控制器芯片則異軍突起。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15μA）、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(最低的不到8元人民幣)、小體積(最小為8引腳)指令簡單易學(xué)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(yīng)用于家電、辦公自動化設(shè)備、電子電訊、金融電子、汽車、儀表、