【正文】 導(dǎo)通的時(shí)間決定了速度的大小，導(dǎo)通時(shí)間長，速度就快；導(dǎo)通時(shí)間短，速度就慢。單片機(jī)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。在直流無刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)主電路中使用的每個(gè)功率管 MOSFET 實(shí)際上在其內(nèi)部集成并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管，如圖 所示。因此在設(shè)計(jì)上下橋臂的驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，需要注意讓上橋臂中 P 點(diǎn)為低 (高 )電平時(shí)，功率管 MOSFET導(dǎo)通，為高 (低 )電平時(shí)，功率管 MOSFET 關(guān)斷 。 下半橋臂中， P 點(diǎn)和與門 CD4081 相連， G 與下半橋臂功率管 MOSFET 相連。電機(jī)外同步加速時(shí)，定子磁動(dòng)勢步進(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)，將很快檢測到反電勢的位置信號 ，進(jìn)而用反電勢位置信號代替外同步信號，切入自同步運(yùn)行。電角度之后的位置記為 θE1，再轉(zhuǎn)過 60176。 圖 外同步起動(dòng)原理框圖 起動(dòng)時(shí)，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(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 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。與轉(zhuǎn)子位置信號類似，三路外 同步同步信號有六種組合狀態(tài)。因此直流無刷無位置傳感器電動(dòng)自行車的電機(jī)可以采用以下幾種方案實(shí)現(xiàn) 起 動(dòng) [9]： 方案一、電動(dòng)自行車由于其特殊性，使用的是 輪轂 式電機(jī)，在沒有供電的情況下，電動(dòng)自行車可以用作正常的自行車行駛，在行駛時(shí) 輪轂 式電機(jī)和車輪一起運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)運(yùn)轉(zhuǎn) 達(dá)到一定的速度時(shí)，電機(jī)產(chǎn)生的反電勢可以被檢測到，此時(shí)閉合開關(guān)給電機(jī)供電，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)自行車的 起 動(dòng)。 圖 中所示，單片機(jī)的 RC RC RC5分別和驅(qū)動(dòng)電路上橋臂的三路相連，控制上橋臂的三路功率開關(guān)器件開或關(guān)； RB RB RB3分別和驅(qū)動(dòng)電路下橋臂的三路相連，控制下橋臂的三路功率開關(guān)器件開或關(guān)。換向的原理和比較器 LM324 的輸出波形，而 PIC16C74 單片機(jī) PORTB 端口的 RB RB RB RB7四個(gè)引腳有一個(gè)重要的特性，當(dāng)把這 4 個(gè)引腳定義成輸入狀態(tài)時(shí)，其引腳的電平只要有變化，可以引起中斷，即單片機(jī)通過把 RB RB RB RB7引腳上的輸入信號與上一次讀入該 4 個(gè)口的舊的鎖存值進(jìn)行比較，若有變化，則把兩者相或后輸出以產(chǎn)生 RBIF 中斷。 18 (8) 具有 8 級堆棧，多個(gè)內(nèi)部及外部中斷源。 (5) 較大的輸入輸出直接驅(qū)動(dòng) LED 能力，灌入電流可達(dá) 25mA。 PIC16C74 單片機(jī)主要性能特點(diǎn)可歸納如下： (1) 簡指令集，僅有 37 條指令。它還可提供低電壓保護(hù)、瞬時(shí)限流保護(hù)、內(nèi)部過熱保護(hù)。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(diǎn)；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。使用該芯片可以配置具有多種不同外圍元器件的 微 控制器，適應(yīng)非常復(fù)雜的實(shí)時(shí)控制需求，大大提高產(chǎn)品的開發(fā)效率，降低了系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)雜性，同時(shí)增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力。目前市場上單片機(jī)種類型號非常多，多家公司在生產(chǎn)，各有所長。 在電動(dòng)自行車無刷電機(jī)控制器這樣一個(gè)應(yīng)用場合來說，根據(jù)對控制器的要求有多種數(shù)據(jù)處理芯片可供選擇。 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。其放電特性如圖 所示。 圖 ICM7211(A)原理框圖 蓄電池的容量顯示 電動(dòng)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(dòng)自行車行 駛多少里程，蓄電池是否需要充電等。 圖 七段型液晶顯示的電極引線排布 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。 13 當(dāng) AS 、 BS 導(dǎo)通時(shí)，即電流從 A 相流入， B 相流出， C 相沒有電流，此時(shí)： BAii?? ， Ci0? VA d1UU2? ， VB d1UU2?? ， iA iB iCU U U 0? ? ? 由 (式 )可知： VC iC3UU2? (式 ) 同理可得：VA iA3UU2? (式 ) VB iB3UU2? (式 ) 因此當(dāng)無位置傳感器直流無刷電機(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出該相繞組產(chǎn)生的反電勢。其 原理 如下： 直流無刷電機(jī)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(gè)基準(zhǔn)參考點(diǎn)，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(diǎn)為基準(zhǔn)參考點(diǎn)的無位置傳感器直流無刷電機(jī)數(shù)學(xué)模型。 180176。 300176。 300176。 60176。時(shí) (即檢測到反電勢過零點(diǎn)再延時(shí) 30176。換向。的電角度是連續(xù)的，由于 此時(shí)檢測 難度極大，因此必須找到該反電勢與轉(zhuǎn)子位置的關(guān)系，才能確定轉(zhuǎn)子的位置。 180176。 300176。 電動(dòng)自行車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)原理 電動(dòng)自行車的發(fā)展離不開其所采用的核心驅(qū)動(dòng)元件 ——電機(jī) 的發(fā)展，電機(jī)是電動(dòng)自行車發(fā)展的主要標(biāo)志。其各相繞組導(dǎo)通示意圖如圖 所示 (電機(jī)順時(shí)針旋轉(zhuǎn) )。首先假設(shè)轉(zhuǎn)子處于圖 (a)的位置，若此時(shí)使 V V4導(dǎo)通，則電流從 B 端流入， A 端流出，定子磁動(dòng)勢為 Fa，如圖(a)示，在 Fa 的作用下，轉(zhuǎn)子將順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)到圖 (b)的位置時(shí)，如果使 V V5導(dǎo)通，則 電流由 C 端流入， A 端流出，定子磁動(dòng)勢為 Fb，在 Fb 的作用下，轉(zhuǎn)子將繼續(xù)順時(shí) 7 針旋轉(zhuǎn)，依次類推，如果每隔 60176。的方波，因而三相合成磁動(dòng)勢不是恒速旋轉(zhuǎn)的，而是跳躍式的步進(jìn)磁動(dòng)勢，它和恒速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁動(dòng)勢產(chǎn)生 轉(zhuǎn)矩 ， 除了平均轉(zhuǎn)矩之外，還有脈動(dòng)分量。隨著人們的不斷努力，又發(fā)現(xiàn)了不用位置傳感器，而依靠電機(jī)繞組在運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的反電勢來獲得位置信號實(shí)現(xiàn)換向的直流無刷電機(jī)。由于直流有刷電機(jī)的換向器和電刷在電機(jī)高速運(yùn)行時(shí)容易產(chǎn)生火花，引起火災(zāi)、爆炸等事故，因此許多環(huán)境限制了直流有刷電機(jī)的應(yīng)用。 (3) 本系統(tǒng)使用的單片機(jī)內(nèi)部有 PWM 模塊，通過改變脈沖寬度寄存器或脈沖周期寄存器的值，就可以改變輸出的 PWM 占空比，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。如今電動(dòng)自行車已是公認(rèn)的綠色交通工具 ， 日本和美國的電動(dòng)自行車技術(shù)水平勝過我國，無論從車的外觀和內(nèi)在質(zhì)量上都堪稱佳品，但 其價(jià)格卻令國人望而生畏 ，因而研制新型系統(tǒng)有效限制制造成本是必然趨勢 [4]。要提高效率就要節(jié)省時(shí)間，交通是時(shí)間花費(fèi)的一個(gè)方面，私人汽車畢竟只是一部分人能承受的，公交車也是限時(shí)限量的，怎樣可以既節(jié)省金錢又方便快捷呢？電動(dòng)自行車應(yīng)該是個(gè)不錯(cuò)的選擇，它集便宜、安全、方便快捷于一身 。如果將這種動(dòng)力的車輛置于機(jī)動(dòng)車道，它在加速性能、最高時(shí)速、上坡能力等各個(gè)方面會與“真正的機(jī)動(dòng)車”存在很大的差距，是肯定不合適的；相反，將其作為慢車道行駛的車輛則 不會產(chǎn)生問題，原因是電動(dòng) 自行 車已經(jīng)全面采用現(xiàn)行高檔摩托車的輪系和制動(dòng)系統(tǒng)，它的制動(dòng)能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于普通自行車，制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間僅為自行車的 50%以下，再輔之以自動(dòng)的電磁阻力系統(tǒng)，可以吸收絕大部分因自重增加或速度稍快而增加的慣性能量，操作的安全性優(yōu)越，對于其它慢車道上的交通參與者不會構(gòu)成任何危險(xiǎn)。目前我國可以從事電動(dòng)自行車生產(chǎn)和車用電源專業(yè)企業(yè)的企業(yè)已有很多家，所有這些廠家都有著雄厚的資金和技術(shù)家底，有著相當(dāng)?shù)纳a(chǎn)能力和豐富的經(jīng)驗(yàn)。在電動(dòng)機(jī)的調(diào)速控制方面，采用了 最新 電力電子器件和集成電路，達(dá)到智能控制的境界。 電動(dòng)自行車的發(fā)展?fàn)顩r 及 趨勢 隨著人們對環(huán)保意識的提高和強(qiáng)化，以及對節(jié)能的重視，又由于電力電子技術(shù)的發(fā)展和橫向滲透，新的高能永磁材料的出現(xiàn)，以及鎘鎳電池、鎳氫電池、全密封免維護(hù)鉛酸電池的出現(xiàn)，終于使電動(dòng)自行車進(jìn)入了一個(gè)快速發(fā)展的途徑，將殘疾人電動(dòng)輪椅的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)經(jīng)過改進(jìn)搬到兩輪自行車上來，為了能使他們的產(chǎn)品暢通無阻，順利通過審查走向市場，電動(dòng)自行車實(shí)際上都是助力性的，不允許具有單獨(dú)電動(dòng)行駛的功能。 3 (3) 控制器 控制器是無刷直流電機(jī)正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下幾個(gè)功能： 1) 對 單片機(jī)控制 輸出的信號、 PWM 調(diào)制信號、剎車信號等進(jìn)行邏輯綜合，為驅(qū)動(dòng)電路提供各開關(guān)的斬波信號和選通信號，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和停車控制。無刷直流電機(jī) 相當(dāng)于有刷電機(jī)的 控制稍復(fù)雜，但因沒有電刷 而在壽命、安全方面優(yōu)于有刷直流電機(jī)。如果其成本有所下降，進(jìn)而降低車的售價(jià)，那么以配載鋰電池和鎳氫電池為主的電動(dòng)自行車將會大面積普及。蓄電池的電能容量、伏安特性、壽命等質(zhì)量因素對整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)有非常大的影響。 因此，研制生產(chǎn)出一種無污染、低噪音的交通工具來替代摩托車和燃油助動(dòng)車，已是時(shí)代的需要。 (3) 最高時(shí)速 20 公里，行駛安全 摩托車、燃油助動(dòng)車的速度快，在機(jī)動(dòng) 車道上行駛，事故率較高；而電動(dòng)自行車，國家強(qiáng)制性規(guī)定（國標(biāo) GB 177611999）其速度不能超過 20km/h，并且電動(dòng)自行車一般不能在機(jī)動(dòng)車道上行駛，因此相比之下安全很多。因此要減少污染并提高其工作效率，對電動(dòng)自行車控制器的研究和設(shè) 計(jì)是現(xiàn)在科技的必然趨勢。 SCM III 目 錄 摘要 .................................................................................................................................................. I Abstract ...........................................................................................................................................II 1 緒論 .............................................................................................................................................. 1 電動(dòng)自行車研究的目的和意義 .......................................................................................... 1 電動(dòng)自行車的基本結(jié)構(gòu)與發(fā)展 .......................................................................................... 2 電動(dòng)自行車的構(gòu)成 ....................................................................................................... 2 電動(dòng)自行車的發(fā)展?fàn)顩r及趨勢 ................................................................................... 3 論文的主要內(nèi)容 .................................................................................................................. 4 2 電動(dòng)自行車控制器的系統(tǒng)分析 ................................................................................................. 6 無刷直流電機(jī)的工作原理 .................................................................................................. 6 無刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展 .......