【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 當(dāng)電動(dòng)自行車(chē)在水平路面上行駛時(shí)，由公式可得電動(dòng)自行車(chē)的推動(dòng)力牛頓，那么電動(dòng)自行車(chē)的轉(zhuǎn)矩， NM。 當(dāng)電動(dòng)自行車(chē)在上坡路（坡面角為α）面上行駛時(shí)，電動(dòng)自行車(chē)的推動(dòng)力=水平路面上行駛時(shí)的推動(dòng)力+載重和車(chē)重沿坡面的分量，即：而，當(dāng)ɑ=1176。時(shí)，；當(dāng)ɑ=2176。時(shí)，；當(dāng)ɑ=3176。時(shí)，；當(dāng)ɑ=176。時(shí)，（176。）。由此可以看出，隨著路面坡度的增加，電動(dòng)自行車(chē)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(hù)的使用帶來(lái)不便；為了解決這個(gè)問(wèn)題，一方面，電動(dòng)自行車(chē)在上坡時(shí)，對(duì)其施加外力（如用腳踩電動(dòng)自行車(chē)的腳蹬）來(lái)增大轉(zhuǎn)矩，提高速度；另一方面，在選用電動(dòng)自行車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)時(shí)，不僅要考慮到電機(jī)的功率，而且要考慮電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩，使用大功率的或輸出轉(zhuǎn)矩大的電機(jī)，也可以解決電動(dòng)自行車(chē)上坡時(shí)遇到的問(wèn)題，但電動(dòng)自行車(chē)的成本也提高了。第3章 直流無(wú)刷無(wú)位置傳感器電動(dòng)自行車(chē)的控制設(shè)計(jì) 無(wú)位置傳感器直流無(wú)刷電機(jī)的數(shù)學(xué)模型直流無(wú)刷電機(jī)本體的三相繞組通常是二線制的，要檢測(cè)不導(dǎo)通相繞組產(chǎn)生的反電勢(shì)，必須要找一個(gè)基準(zhǔn)參考點(diǎn)，為了更好地解釋和說(shuō)明檢測(cè)反電勢(shì)過(guò)零的原理，現(xiàn)建立以電源中點(diǎn)為基準(zhǔn)參考點(diǎn)的無(wú)位置傳感器直流無(wú)刷電機(jī)數(shù)學(xué)模型。 假設(shè)功率開(kāi)關(guān)器件導(dǎo)通時(shí)的壓降為0，電機(jī)三相繞組是對(duì)稱(chēng)的，相電阻均為R、電感均為L(zhǎng)。可知：當(dāng)、導(dǎo)通時(shí)，即電流從A相流入，B相流出， (31) (32) (33)當(dāng)、導(dǎo)通時(shí)，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(shí)，即電流從A相流入，B相流出，C相沒(méi)有電流，此時(shí)：，若過(guò)零（即），則，同理可得：。這就是在建立無(wú)位置傳感器直流無(wú)刷電機(jī)的數(shù)學(xué)模型時(shí)為什么以電源中點(diǎn)為基準(zhǔn)參考點(diǎn)的原因。當(dāng)、導(dǎo)通時(shí)，即電流從A相流入，B相流出，C相沒(méi)有電流，此時(shí)：，，由（319）可知： （320）同理可得： （321） （322）因此當(dāng)無(wú)位置傳感器直流無(wú)刷電機(jī)某相不導(dǎo)通時(shí)，以電源的中點(diǎn)作為基準(zhǔn)參考點(diǎn)，可以在該相的引出線上檢測(cè)出該相繞組產(chǎn)生的反電勢(shì)。 電動(dòng)自行車(chē)的啟動(dòng)方法直流無(wú)刷無(wú)位置傳感器電動(dòng)自行車(chē)的啟動(dòng)其實(shí)就是直流無(wú)刷無(wú)位置傳感器電機(jī)的啟動(dòng)，由于電機(jī)在正常運(yùn)行前的速度很小或?yàn)?，電機(jī)產(chǎn)生的反電勢(shì)也很小或?yàn)?，使得檢測(cè)線路無(wú)法檢測(cè)到反電勢(shì)，不能夠?qū)崿F(xiàn)電機(jī)的換向。因此直流無(wú)刷無(wú)位置傳感器電動(dòng)自行車(chē)的電機(jī)可以采用以下幾種方案實(shí)現(xiàn)啟動(dòng)：方案一、電動(dòng)自行車(chē)由于其特殊性，使用的是輪毅式電機(jī)，在沒(méi)有供電的情況下，電動(dòng)自行車(chē)可以用作正常的自行車(chē)行駛，在行駛時(shí)輪毅式電機(jī)和車(chē)輪一起運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn)達(dá)到一定的速度時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生的反電勢(shì)可以被檢測(cè)到，此時(shí)閉合開(kāi)關(guān)給電機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)自行車(chē)的啟動(dòng)。方案二、采用他控式同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式（又稱(chēng)為外同步方式）。由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)和永磁同步電動(dòng)機(jī)相似，所以無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)時(shí)可以采用他控式同步電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)方式，從靜止開(kāi)始加速，直至轉(zhuǎn)速足夠大能夠檢測(cè)到反電動(dòng)勢(shì)，再切換到直流無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行方式，其原理框圖如圖31。圖31 外同步起動(dòng)原理框圖起動(dòng)過(guò)程中，反電勢(shì)法的轉(zhuǎn)子位置信號(hào)A、B、C無(wú)效，所以圖31的信號(hào)選擇器將它們屏蔽掉，而選通了由信號(hào)發(fā)生模塊產(chǎn)生的一系列外同步信號(hào)A‵、B‵、C‵，這三路外同步信號(hào)與三路轉(zhuǎn)子位置信號(hào)一一對(duì)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(hào)，送往逆變器的驅(qū)動(dòng)電路，用以驅(qū)動(dòng)逆變器的功率器件。與轉(zhuǎn)子位置信號(hào)類(lèi)似，三路外同步信號(hào)有六種組合狀態(tài)。如果先將外同步信號(hào)的某個(gè)組合狀態(tài)保持一段時(shí)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(dòng)機(jī)的運(yùn)行方式由靜止開(kāi)始加速，當(dāng)轉(zhuǎn)速足夠大時(shí)，轉(zhuǎn)子位置信號(hào)有效，當(dāng)滿足切換條件，發(fā)出切換命令，使得信號(hào)選擇器屏蔽掉外同步信號(hào)，選通轉(zhuǎn)子位置信號(hào)并送入譯碼模塊用以產(chǎn)生逆變器的觸發(fā)信號(hào)，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(dòng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)到直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方式的切換。當(dāng)保護(hù)信號(hào)有效時(shí)，逆變器功率器件被關(guān)斷，以實(shí)現(xiàn)對(duì)功率器件的保護(hù)措施。在本論文中，信號(hào)選擇及譯碼均由單片機(jī)的軟樣算法實(shí)現(xiàn)。起動(dòng)時(shí)，信號(hào)發(fā)生模塊需要按序改變?nèi)吠馔叫盘?hào)的組合狀態(tài)，并且每個(gè)狀態(tài)所保持的時(shí)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(jī)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(fù)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(shí)間，那么ωet即為轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)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(guò)60176。的位置記為θE2。這樣依次類(lèi)推，假如在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)電角度之后，達(dá)到了需要的轉(zhuǎn)速，那么由這一系列位置對(duì)應(yīng)的時(shí)刻t0，tl，t2，……，tk的值，即可確定逆變器的每一個(gè)逆變狀態(tài)的改變時(shí)刻。令t0=0，由t0，tl，t2，……，tk的值可得： …將△t1，△t2 ，…，△tk1 ，△tk轉(zhuǎn)換成定時(shí)器在一定分辨率下的定時(shí)值n1，n2，…nk，存放在一個(gè)加速曲線表格中，加速時(shí)，由程序從表格中依次取出，形成外同步加速信號(hào)。電機(jī)外同步加速時(shí)，定子磁動(dòng)勢(shì)步進(jìn)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(shí)值；電機(jī)實(shí)際加速時(shí)，將很快檢測(cè)到反電勢(shì)的位置信號(hào)，進(jìn)而用反電勢(shì)位置信號(hào)代替外同步信號(hào)，切入自同步運(yùn)行。具體的軟件程序設(shè)計(jì)見(jiàn)第五章。 電動(dòng)自行車(chē)的運(yùn)行參數(shù)顯示功能設(shè)計(jì) 速度顯示電動(dòng)自行車(chē)在行駛過(guò)程中，使用者常常需要了解車(chē)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(lái)顯示電動(dòng)自行車(chē)的行駛速度，液晶顯示驅(qū)動(dòng)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(dòng)器和使能檢測(cè)器等組成；驅(qū)動(dòng)器一方面提供片內(nèi)2位段驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)波形，另一方面通過(guò)作為輸出的BP提供液晶顯示器件的背電極的驅(qū)動(dòng)信號(hào)和級(jí)聯(lián)從機(jī)的同步信號(hào)。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(jī)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(shí)為“1”全部選通，也可以同時(shí)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(dòng)技術(shù)已形成產(chǎn)品，可以直接連接到單片機(jī)I/O接口上，單片機(jī)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(shí)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(dòng)自行車(chē)在使用過(guò)程中蓄電池的剩余容量顯示給用戶(hù)帶來(lái)比較大的方便，它表明蓄電池提供的電能大約能夠使電動(dòng)自行車(chē)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(dá)到規(guī)定值時(shí)所釋放出的總電量來(lái)表示。當(dāng)蓄電池以恒定電流放電時(shí)，它的容量(Q)等于放電電流(Id)和放電時(shí)間(td)的乘積： （323）式中Id的單位為安(A)，td的單位為小時(shí)(h)，Q的單位為安時(shí)(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(gè)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(shí)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(zhǎng)時(shí)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。如果采用此方式來(lái)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(guò)測(cè)量蓄電池的端電壓來(lái)顯示蓄電池的容量。 蓄電池的電勢(shì)是指蓄電池在開(kāi)路時(shí)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(fù)載R時(shí)，內(nèi)阻上就會(huì)產(chǎn)生壓降，此時(shí)蓄電池的端電壓不是電勢(shì)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(guò)程中，內(nèi)阻逐漸減小，在放電過(guò)程中增加，由式(3－25)可知，通過(guò)實(shí)驗(yàn)的辦法測(cè)出蓄電池的容量與端電壓的關(guān)系。電動(dòng)自行車(chē)在行駛中，利用軟件讓單片機(jī)對(duì)蓄電池端電壓U進(jìn)行測(cè)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(dòng)器進(jìn)行處理，實(shí)現(xiàn)顯示。第4章 驅(qū)動(dòng)控制的硬件設(shè)計(jì) PIC單片機(jī)簡(jiǎn)介在微控制器（Microcontroller）應(yīng)用領(lǐng)域日益廣泛的今天，各個(gè)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(jià)格更廉以及組成系統(tǒng)時(shí)所需要的外圍器件更少。目前在中國(guó)市場(chǎng)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(diǎn)；在眾多的微控制器芯片中，美國(guó)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(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)RISC(Reduced Instruction Set Computer)、哈佛(Harvard)雙總線和兩級(jí)指令流水線結(jié)構(gòu)高性?xún)r(jià)比的8位嵌入式控制器(Embedded Controller)。其高速度（每條指令最快可達(dá)160ns）、低工作電壓（最低工作電壓可為3V）、低功耗（3V，32kHZ時(shí)15μA）、較大的輸入輸出直接驅(qū)動(dòng)LED能力(灌電流可達(dá)25mA)、一次性編程O(píng)TP(One Time Programmable)芯片的低價(jià)格(最低的不到8元人民幣)、小體積(最小為8引腳)指令簡(jiǎn)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(shì)，在市場(chǎng)上具有極強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，該系列微控制器在全球已廣泛應(yīng)用于家電、辦公自動(dòng)化設(shè)備、電子電訊、金融電子、汽車(chē)、儀表、