【正文】 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?xí)p壞電機。 當 RA0將給定 UK值采樣后經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)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(dǎo)通時間。 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(jié)構(gòu)示意圖， PWM 的 輸出周期是由定時器 2 的周期寄存器 PR2 的設(shè)置決定的，同時，也與 元 器件頻率和定時器 2 的預(yù)分頻值有關(guān)。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。 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。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。而在下半橋臂中則要讓 P 點為高 (低 )電平時，功率管 MOSFET 導(dǎo)通，為低 (高 )電平時，功率管 MOSFET 關(guān)斷，以避免出現(xiàn)電源短時的直通，燒壞功率器件現(xiàn)象。 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(guān)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(dǎo)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(dǎo)通，這樣使電源的正負極直通，電流很大，燒壞功率器件。圖 所示 的 電路，當 T4截止， Tl 截止， T2導(dǎo)通，功率管 MOSFET 柵極輸入電容上的電荷釋放使功率管 MOSFET 關(guān)斷，當 Tl導(dǎo)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?dǎo)通。 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(dǎo)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(qū)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(dǎo)通前已充電至+12V(相對于源極 )，導(dǎo)通時， US=UDC， UG=US+12V，保證了 UGS=12V。具體的軟件程序設(shè)計見第五章。 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(zhuǎn)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。的位置記為 θE2。將轉(zhuǎn)子的初始位置記 θE0，轉(zhuǎn) 60176。 在圖 中，縱坐標 ωe 為轉(zhuǎn)子電角速度，橫坐標為加速時間，那么 ωe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)。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(zhuǎn)速足夠大時，轉(zhuǎn)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(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。 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 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(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。 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 )。 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?qū)崿F(xiàn)電機的換向。圖 中使用的電容 C 起濾波抗干擾作用。電角度時間到，處理控制功率開關(guān)器件開或關(guān)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(zhuǎn)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。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(shè)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。 無位置傳感器無刷直流電動機的反電動勢檢測及換向控制 在前面己經(jīng)敘述過反電勢過零檢測延時 30176。 (9) 具有 3 個 8 位定時器和 2 個 PWM 輸出。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。 (6) 具有方便的 8 個 8 位 A/D 接口和 33 路可復(fù)用的 I/O 接口。 (4) 工作電壓范圍寬： 。 (2) 執(zhí)行速度快： 20Mhz 的振蕩時鐘， 200ns 的指令周期。 綜上所述，根據(jù)直流無刷無位置傳感器電動自行車設(shè)計方案的要求，選用 PIC16C74單片機作為主控芯片。 MC330305 是一個控制電路，它的功率輸出應(yīng)由外部電路組成，加上適當電路可組成大功率電路，還可容易地形成閉環(huán)。 (3) MC33035 系列 MC33035 是 Motorola 公司的第二代直流無刷電機控制專用集成電路系列，這種芯片功能很齊全，包括：位置檢測、提供帶有溫度補償?shù)膮⒖茧娫础a(chǎn)生脈寬調(diào)制所需的鋸齒波脈寬調(diào)制比較器、 誤差檢測放大器、三個集電極開路上橋臂驅(qū)動器、三個電流較大的下橋臂驅(qū)動器 ，特別適合于驅(qū)動功率 MOSFET。它率先推出采用精 簡指令集計算機 RISC(Reduced 17 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)。 (2) PIC 系列 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。 但是就目前的發(fā)展趨勢來看， PSoC 的價格還相對別的單片機較貴，還不能脫機工作使用，而且拔插換目標板的過程中經(jīng)常出現(xiàn)問 題，需要重插啟動， 下載 的速度也比較慢，應(yīng)用市場局限。該系列單片機與傳統(tǒng)的單片機根本區(qū)別在于其內(nèi)部集成了數(shù)字模塊和模擬模塊，用戶可以根據(jù)不同設(shè)計要求調(diào)用不同的數(shù)字和模擬模塊，完成芯片內(nèi)部的功能設(shè)計。 本課題通過比較現(xiàn)在市場上常應(yīng)用于電動自行車中三個系列單片機型號的優(yōu)缺點，并根據(jù)課題研究的目的來合理選擇芯片型號，從而達到論文要求 [8]。單片機的好處是自帶 A/D 接口、 PWM 模塊、捕捉 /比較功能、外中斷、內(nèi)部定時器甚至通訊、自編程等功能方便實現(xiàn)用戶功能的同時大大減少外圍電路、降低成本和可靠性。若控制方法復(fù)雜、運算量較大，精度性能要求較高，可以選用 OSP高能 芯片。 電壓 O 時間 恒電流放 電 16 4 電動自行車控制器的硬件設(shè)計 芯片的選擇 設(shè)計硬件前有許多準備工作需要做，它們是硬件設(shè)計的基礎(chǔ)，主要有芯片的選擇。 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： U E Ir?? (式 ) 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 )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。h)/放電電流 Id(A))等因素。 a2 g2 a1 g1 OSC B3 D0 D1 B0 七段驅(qū)動器 七段 鎖存 器 七段 譯碼 器 七段驅(qū)動器 七段 鎖存 器 七段 譯碼 器 振蕩器 19KHZ /128 BP 驅(qū)動器 使能檢測 EN BP 15 圖 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： d 1 d 1 d 2 d 2 dn dnQ I t I t I t? ? ? ? ? ? ? (式 ) 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。h))。蓄電池的總?cè)萘客ǔＳ贸渥汶姾?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。 日前， 七 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。數(shù)據(jù)線 B0～ B3接a1 f1 e1 d1 c1 g1 b1 a2 f2 e2 d2 g2 b2 c2 14 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)。本課題使用 七 段型液晶顯示器件 (如圖 )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 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 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。 電動自行車的運行參數(shù)顯示功能設(shè)計 本課題 只 對速度 顯示和 蓄電池容量顯示做了簡要設(shè)計。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。 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。本文所采用的位置檢測方法為經(jīng)典的反電勢過零點檢測法。 ωt A—A′ ωt C—C′ ωt B—B′ 0 0 0