【文章內容簡介】 （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、導通時，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學模型時為什么以電源中點為基準參考點的原因。當、導通時，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）因此當無位置傳感器直流無刷電機某相不導通時，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，不能夠實現電機的換向。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，當運轉達到一定的速度時，電機產生的反電勢可以被檢測到，此時閉合開關給電機供電，實現電動自行車的啟動。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構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子位置信號一一對應，它們被選通送入譯碼模塊，產生逆變器的觸發(fā)信號，送往逆變器的驅動電路，用以驅動逆變器的功率器件。與轉子位置信號類似，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，當轉速足夠大時，轉子位置信號有效，當滿足切換條件，發(fā)出切換命令，使得信號選擇器屏蔽掉外同步信號，選通轉子位置信號并送入譯碼模塊用以產生逆變器的觸發(fā)信號，這樣就建立了轉子位置閉環(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。當保護信號有效時，逆變器功率器件被關斷，以實現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。起動時，信號發(fā)生模塊需要按序改變三路外同步信號的組合狀態(tài)，并且每個狀態(tài)所保持的時間根據加速曲線逐漸縮短，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子轉速也逐漸提高，在本論文中，采用如圖32示的斜率為K的加速曲線，斜率K可以根據負載轉矩慣量的大小人為調整。圖32 固定斜率加速曲線示意圖在圖32中，縱坐標ωe為轉子電角速度，橫坐標為加速時間，那么ωet即為轉子轉過的電角度θE。將轉子的初始位置記θED，轉60176。電角度之后的位置記為θE1，再轉過60176。的位置記為θE2。這樣依次類推，假如在轉子轉過電角度之后，達到了需要的轉速，那么由這一系列位置對應的時刻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。具體的軟件程序設計見第五章。 電動自行車的運行參數顯示功能設計 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33）來顯示電動自行車的行駛速度，液晶顯示驅動器采用ICM7211(A)控制的靜態(tài)數字量輸入型，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動器和使能檢測器等組成；驅動器一方面提供片內2位段驅動器的驅動波形，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動信號和級聯(lián)從機的同步信號。ICM7211(A)接口部結構為4位數據線B0～B3和2路位選線D0D1。數據線B0～B3接單片機的Ｉ/Ｏ口，輸入BCD碼，BCD碼經譯碼器譯碼后輸出七段顯示字形數據。2路位選線D0D1，分別控制2路七段數據鎖存器，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)數字量輸入型液晶顯示驅動技術已形成產品，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據以BCD碼形式發(fā)送到I/O接口上，就可以實現數據顯示。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。蓄電池的總容量通常以充足電后，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： （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，蓄電池的容量為不同的放電電流與相應時間的乘積之和： (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，由于蓄電池內阻r的存在，當蓄電池兩端接上負載R時，內阻上就會產生壓降，此時蓄電池的端電壓不是電勢E，而是： (3－25)而蓄電池的內阻與蓄電池的容量成反比，在充電過程中，內阻逐漸減小，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，并將處理的結果值經I/O端口發(fā)送到液晶顯示驅動器進行處理，實現顯示。第4章 驅動控制的硬件設計 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的微控制器，不同廠商生產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構高性價比的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)指令簡單易學易用(3557條指令)等，都體現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。根據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： 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，多個內部及外部中斷源。具有3個8位定時器和2個PWM輸出。 直流無刷無位置傳感器電動機的反電勢檢測及換向控制在前面己經敘述過反電勢過零檢測延時30176。換向的原理和比較器LM324的輸出波形，而PIC16C74單片機PORTB端口的RBRBRBRB7四個引腳有一個重要的特性，當把這4個引腳定義成輸入狀態(tài)時，其引腳的電平只要有變化，可以引起中斷，即單