【正文】 、 RB RB RB7引腳上的輸入信號與上一次讀入該 4 個口的舊的鎖存值進行比較，若有變化，則把兩者相或后輸出以產(chǎn)生 RBIF 中斷。因此將比較器 LM324 的三路輸出與 PICl6C74 單片機的 RB RB RB7三個引腳相連接，如圖 所示，并將 RB RBRB7 設置成輸入狀態(tài)，當反電勢過零時引起比較器輸出電平變化，從而引起單片機的中斷來處理計時和延時過程。 圖 、換向控制及調(diào)速電路圖 需要值得注意的是， PIC16C74 單片機 PORTB 端口的四個引腳中任何一個引腳電平變化都能 引起單片機產(chǎn)生中斷，但是單片機并不能夠判斷出是哪個引腳的電平變化，只能通C B A +DC R2 R2 R2 R2 R2 R2 R2 R2 R1 R1 R1 R1 C C C C Z Y X 3 2 1 LM324 P4 P6 P5 P3 P2 P1 RB7 RB6 RB5 PIC16C74 RB3 RB2 RB1 RC7 RC6 RC5 CCP1 + + + 4081 19 過中斷標志查出是 PORTB 端口電平變化引起的中斷；另外，單片機也不能夠判斷出 PORTB端口四個引腳上電平變化是從低到高 (0→l) 還是從高到低 (l→0) ，而比較器在一個周期內(nèi)，每一路輸出波形 (或電平 )的變化都表示不同的功率開關器件開或關，因此讓單片機在PORTB 端口電平變化引起中斷處理計時、延時后，當延時 30176。電角度時間到，處理控制功率開關器件開或關之前，需要進行判斷反電勢是哪一相繞組產(chǎn)生的，該反電勢過零時，轉子所在的位置，以便確保正確的 換向，本方案將使用軟件實現(xiàn)此判斷功能，在下一章進行敘述。 圖 中所示，單片機的 RC RC RC5分別和驅動電路上橋臂的三路相連，控制上橋臂的三路功率開關器件開或關； RB RB RB3分別和驅動電路下橋臂的三路相連，控制下橋臂的三路功率開關器件開或關。圖 中使用的電容 C 起濾波抗干擾作用。直流無刷電動機的端電壓檢測電路的三相端電壓信號 A、 B、 C 中含有的高頻信號及外界干擾，必須經(jīng)過濾波電路以濾掉高頻信號及外界干擾，否則會干擾比較器的正常工作；由于電動自行車用直流無刷電動機的速度較低，頻率也較低，因 此使用電容 C 就可以讓低頻段的信號通過，抑制高頻段的信號。 電動自行車的 起動 方法 直流無刷無位置傳感器電動自行車的 起 動其實就是直流無刷無位置傳感器電機的 起動，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，不能夠實現(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) 起 動 [9]： 方案一、電動自行車由于其特殊性，使用的是 輪轂 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 輪轂 式電機和車輪一起運轉，當運轉 達到一定的速度時，電機產(chǎn)生的反電勢可以被檢測到，此時閉合開關給電機供電，實現(xiàn)電動自行車的 起 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 。 起動過程中，反電勢法的轉子位置信號 A、 B、 C 無效，所以圖 的信號選擇器將它 20 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子位置信號一一對應，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(chǎn)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(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 軟件程序 實現(xiàn)。 圖 外同步起動原理框圖 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子轉速也逐漸提高，在本論文中，采用如圖 示的斜率為 K 的加速曲線，斜率K 可以根據(jù)負載轉矩慣量的大小人為調(diào)整。 在圖 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 θE0，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 了 e t k 60? ? ? ? ?個 電角度之后，達到了需要的反電動勢信號 信號選擇 器 保護信號 自同步信 號 譯碼 C′ B′ A′ C B A 轉子位置信號 外同步信號 21 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。 圖 固定斜率加速曲線示意圖 令 t0=0，由 t0， tl， t2， …… ， tk的值可得： 1 1 0t t t? ? ? 2 2 1t t t? ? ? … k 1 k 1 k 2t t t? ? ?? ? ? k k k 1t t t ?? ? ? 將 △ t1， △ t2 ， … ， △ tk1 ， △ tk轉換成定時器在一定分辨率下的定時值 n1， n2， …n k，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。 驅動電路 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，不能直接驅動功率器件 MOSFET，因此需要根據(jù) PIC16C74 單片機的特點設計出驅動電路的上下橋臂 [10]，如圖 、圖 所示。 圖 圖 0 t/s ωe() K +12V T1 T2 T3 + C1 R1 R3 R4 R2 D1 D2 s G D3 P B T4 R4 T1 T2 T3 R2 R5 R1 R3 G P +12V 22 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，則驅動電路電壓必很高，在圖 中用自舉電路的原理解決了上述問題，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 MOSFET 相連。圖 所示 的 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?。圖 除了具有上述功能外，還起著電平轉化作用，因為一般 TTL 的工作電平轉低 (5V)，不宜直接驅動電流容量較大的功率管 MOSFET。 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。因此在設計上下橋臂的驅動電路時，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。 在直流無刷電機驅動主電路中，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)式 子 diULdt? 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。 23 圖 主電路 調(diào)速和過流保護 電動自行車的調(diào)速 [11] 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； 我選用的 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 轉換后送到 PWM 波占空比寄存器來決定 PWM 波占空比。 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，T6 V2 G2 T3 G5 V5 R G6 T4 T1 V1 V6 V4 V3 G3 T2 T5 G1 G4 _ W V U P K PIC16C74 RA0 +5V 24 圖 所示的是 PIC16C74 單片機 PWM 工作方式結構示意圖， PWM 的 輸出周期是由定時器 2 的周期寄存器 PR2 的設置決定的，同時，也與 元 器件頻率和定時器 2 的預分頻值有關。 圖 PWM工作方式結構示意圖 下式說明 PWM 周期和占空比的計算 [12]： PWM 周期 = [(PR2)+l] 4 Tosc (TMR2 預分頻值 ) PWM 占空比 = (DC1) 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CCPXCON 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 轉換送給占空比寄存器 CCPR1L，由單片機的 CCP1端口發(fā)出 PWM 波 (其硬件連接如圖 所示 )，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。 導通的時間決定了速度的大小，導通時間長，速度就快；導通時間短，速度就慢。 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