【正文】 1 .5 KR 4 81 0KR 4 95 10R 4 61KD?D I O D E111013123U ? AL M 3 39C 2 51 04DZ2 0VT R I G2OUT3R S T4C V o l t5T H R6D I S7V C C8GND1U5N E 55 5OUTR 1 31 .5 K+ 12+ 36+ 36+ 12+ 36D41 N 41 4 8D31 N 41 4 8+ 51k B U kT P 1 圖 振蕩倍壓電路和純硬件保護(hù)電路 速度控制電路 123J2C O N 312J3C O N 2123J1C O N 3C 1 51 04R 1 41 .5 KR91 .5 KR 3 1R 1 21KV C CV C C 其他 蓄電池檢測(cè)方案 電動(dòng)自行車在使用過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池的容量情況將給用戶帶來(lái)很大的方便，它能提供蓄電池的電能大約能夠使車輛行駛多少里程，蓄電池是否需要充電等信息。 NE555的 RST腳能夠控制振蕩電路的起停。 （ 2）振蕩倍壓電路 如圖 ， NE555的電源接 +36V電壓，地端接 +21V電壓。當(dāng)系統(tǒng)過(guò)流時(shí)，純硬件的保護(hù)電路 U5反向輸入端的電壓將高 于正向輸入端 參考電壓， U5內(nèi)部的三極管導(dǎo)通，測(cè)試點(diǎn) 1處電平約 ,測(cè)試點(diǎn) 2處電壓為 21V左右， RST有效，振蕩電路停止振蕩， 頂 端驅(qū)動(dòng)電路將不再輸出驅(qū)動(dòng)電壓，從而實(shí)現(xiàn)硬 件制動(dòng)穩(wěn)定性。 IN1OUT3GND2U6L M 7 81 2 C T ( 3)I N ( T A B )2OUT3GND1U4L M 7 91 5 C T ( 3)C 3 31 04C 1 81 04C 1 91 04C 2 01 04C 3 41 04C 3 51 04R 1 41 .5 KR 4 52 .4 K.ICP C B .I C.I CP C B .I C+ 36 + 36+ 36 + 36+ 21+ 12+ 12+ 36 圖 +21V和 +12V電源電路 振蕩倍壓 和 硬件保護(hù)電路 （ 1）硬件保護(hù)電路 為了增加控制系統(tǒng)的可靠性和安全性，設(shè)計(jì)了純硬件制動(dòng)保護(hù)電路，如圖 示。另一部分是通過(guò)三端穩(wěn)壓器 LM7812產(chǎn)生的 +12V電壓，用于頂端驅(qū)動(dòng)匹配和底端驅(qū)動(dòng)電路。同時(shí)，單片機(jī)輸出的 PWM信號(hào)送到 NE555的 RST端，對(duì)底端控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。 Q2與 R18, R19, C26組成有源濾波器。 以 A相為例，頂端驅(qū)動(dòng)，當(dāng) LM339的 2口輸出為低時(shí)， 12腳 正端接地，使得 Ql基極電壓為 22VQl開通，電流流過(guò) R19，電流方向?yàn)樽笳邑?fù) (從而保證 Ql開通時(shí) Q2關(guān)斷 )， VF1柵極電壓為 50V左右，源極電壓為 36V左右， VF1開通 。因?yàn)榈锥蓑?qū)動(dòng)電路中 NE555功耗較大，因此 需要為 U8, U9和 U10配上禍合電容 C37, C39和 C43。漏源間也要加保護(hù)電路以防止開關(guān)過(guò)程中因電壓的突變而產(chǎn)生漏極尖峰電壓損壞管子，可用齊納二極管籍位 .當(dāng)電機(jī)意外突然停轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)繞組產(chǎn)生瞬間的反向高壓可能會(huì)損壞功率管， 所以在直流母線上并聯(lián)一只耐高壓電容，意外停機(jī)時(shí)，母線上產(chǎn)生的瞬間高壓會(huì)由于電容兩端電壓不能突變而第 12 頁(yè) 共 32 頁(yè) 得到抑制。 柵源間并聯(lián)電阻或齊納二極管，以防止柵源間電壓過(guò)大。 當(dāng)某相頂端驅(qū)動(dòng)電路有效時(shí) ，場(chǎng)效應(yīng)器件 VF1(或 VF3,V F5)的柵極電壓不低于46V，才能保證場(chǎng)效應(yīng)管的充分導(dǎo)通 .導(dǎo)通后， X1(或 X2, X3電壓與電池電壓相同 )。為滿足柵極高于漏極 10V~15V的要求，需要采用升壓電路 。 (3) 柵極驅(qū)動(dòng)電路吸收的功率不會(huì)顯著地影響總效率。 因此，當(dāng)前的無(wú)刷控制器一般都采用兩個(gè) N溝道 MOSFET管組成逆變器的一相。 本設(shè)計(jì)中逆變器上下橋臂都采用 N溝道 MOSFET管， 如圖 。根據(jù)第二 節(jié) 所述，半橋逆變器的控制比較復(fù)雜，需要六組控制信號(hào)，電機(jī)三相繞組的工作也相對(duì)獨(dú)立，必須對(duì)三相電流分別控制。功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有開關(guān)速度快、高頻特性好、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、無(wú)二次擊 穿問(wèn)題、安全工作區(qū)寬和跨導(dǎo)線性度電源 第 11 頁(yè) 共 32 頁(yè) 高等顯著特點(diǎn)，因而在各類中小功率開關(guān)電路中得到了廣泛的應(yīng)用。 50V PWM 圖 硬件系統(tǒng)框圖 三相全橋逆變電路和驅(qū)動(dòng)電路 逆變電路和驅(qū)動(dòng)電路是主控芯片與被控電機(jī)之間聯(lián)系的紐帶，其傳輸性能的好壞直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。 根據(jù)上述功能，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件框圖 。 (3)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)。定速模式下，無(wú)需按住轉(zhuǎn)把，電動(dòng)車能夠按照設(shè)定速度運(yùn)行 :助力模式下，能夠根據(jù)助力傳感器測(cè)得的騎車者的用力實(shí)現(xiàn)助力騎行 .三種工作模式可通過(guò)模式轉(zhuǎn)換按鈕切換。本設(shè)計(jì)使用單片機(jī)作為主控芯片可以彌補(bǔ)上述兩方案的不足。 3. 無(wú)刷直流電 機(jī)控制器硬件設(shè)計(jì) 無(wú)刷直流電機(jī)控制器在控制方式上主要有以專用集成芯片、單片機(jī)和 DSP芯片控制三種方式。所以當(dāng)電源電壓 Us不變時(shí)，電樞的端電壓的平均值 U。 U1 0 T U0 Us t1 t2 0 圖 輸入輸出電壓波形 電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端的電壓平均值 。圖 PWM調(diào)速控制時(shí)的電樞繞組 兩端的電壓波形。它被 越來(lái)越廣泛的應(yīng)用在各種功率的調(diào)速系統(tǒng)中。改變電樞電壓調(diào)速的方法有穩(wěn)定性較好、調(diào)速范圍大的優(yōu)點(diǎn) 。若系統(tǒng)要求加速，則增長(zhǎng)功率管導(dǎo)通的時(shí)間，若要求減速，則縮短功率管導(dǎo)通的時(shí)間，此部分工作由 PWM脈寬調(diào)制信號(hào)控制。設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器采集的位置信號(hào)為 Ha, Hb, Hc，分別對(duì)應(yīng)于逆變器的 A相、 B相、 C相，則當(dāng)前位置與下一位置電子開關(guān)導(dǎo)通相的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表 所 示 。 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)由霍爾傳感器感應(yīng)到的電機(jī)轉(zhuǎn)子所在位置，決定開啟或關(guān)閉逆變器中功率晶體管的順序來(lái)控制，如圖 ，逆變器中的 AH, BH, CH(上橋臂功率晶體管 ) 及 AL, BL, CL(下橋臂功率晶體管 )，使電流依序流經(jīng)電機(jī)線圈，產(chǎn)生順向或逆向旋轉(zhuǎn) 磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，使電機(jī)順向或逆向轉(zhuǎn)動(dòng)?？刂撇糠謩t提供 PWM脈沖寬度調(diào)制信號(hào)決定功率晶體管開關(guān)頻率及逆變器換相的時(shí)機(jī)。不論是直流電輸入或是交流電輸入，送入電機(jī)線圈前須先將直流電壓由逆變器 (inverter)轉(zhuǎn)成三相電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。電源部分提供三相電源給電機(jī)，控制部分則按照需求轉(zhuǎn)換電源頻率。 2. 無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)分析 三相無(wú)刷直流電機(jī)星形連接全橋驅(qū)動(dòng)原理 無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度及轉(zhuǎn)子極數(shù)的影響，在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。利用邏輯分析儀和示波器等完成硬件調(diào)試 。 本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷直流電機(jī)的自動(dòng)控制，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，具有升級(jí)空間，便于用戶二次開發(fā) 。 ⑤ 通過(guò)軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)自行車儀表盤顯示控制 。 ③ 通過(guò)對(duì) PIC單片機(jī)編程，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車電動(dòng)、定速和助力三種工作模式 。 具體設(shè)計(jì)下 : ① 選用 PIC16P72單片機(jī)作為主控芯片 。 實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的采集及處理，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)自行車的電動(dòng)、定速和助力三種工作模式并且在系統(tǒng)出錯(cuò)情況下具有自檢功能。通過(guò)微控制單元電路、逆變器驅(qū)動(dòng)電路等電路模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的智能控制以及欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)等保護(hù)功能，可靠的對(duì)電動(dòng)車電機(jī)和電池進(jìn)行保護(hù)，確保電動(dòng)車使用及安全。 最大輸出功率 360W。最低工作電壓 31V。 第 6 頁(yè) 共 32 頁(yè) 本設(shè)計(jì)的主要工作 論文對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的控制原理 進(jìn)行了詳細(xì)分析，依據(jù)無(wú)刷直流電機(jī)特性，針對(duì)電動(dòng)自行車的控制需求，進(jìn)行了無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。電動(dòng)自行車在整車設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電池管理，尤其是鋰電池、燃料電池等高性能電池的研制方面不斷取得突破。 電動(dòng)自行車作為自行車史上具有革命性的交通工具，在給人們生活帶來(lái)方便的同時(shí)，也對(duì)整個(gè)社會(huì)的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生了積極的影響。許多電動(dòng)車生產(chǎn)廠家都應(yīng)用了一系列的電動(dòng)車新技術(shù)，大大增強(qiáng)了自身品牌在市場(chǎng)上的影響，也頗受消費(fèi)者的關(guān)注。 ③ 它 的效率與轉(zhuǎn)速永遠(yuǎn)保持同步關(guān)系，不會(huì)發(fā)生失步、震蕩等現(xiàn)象，在節(jié)約能源方面也有明顯優(yōu)勢(shì)。與其它電機(jī)相比它具有幾個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn)：① 永磁無(wú)刷直流電機(jī)沒(méi)有電刷、而是利用電子換相，故克服了任何由電刷硬氣的問(wèn)題。 稀土永磁無(wú)刷直流電機(jī)是近 20年發(fā)展起來(lái)的一類電機(jī)，電力電子技術(shù)，微電子技術(shù)、微機(jī)和稀土永磁材料的發(fā)展為無(wú)刷直流電機(jī)的研究奠定了基礎(chǔ)。為使電動(dòng)自行車有良好的使用性能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)具有寬調(diào)速范圍、高轉(zhuǎn)速和足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。這樣說(shuō)來(lái)，電動(dòng)車作為暫時(shí)的 替代品 或最終的交通、休閑用具，市場(chǎng)前景都不可限量。從全球市場(chǎng)上看，日本雅馬哈、本田、三洋、松下等知名公司紛紛進(jìn)入電動(dòng)自行車行業(yè)，而且日益擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模；德國(guó)、英國(guó)、奧地利、意大利、美國(guó)等國(guó)著名的自行車廠商和公司，也不斷加入電動(dòng)自行車的開發(fā)、生產(chǎn)和銷售，電動(dòng)自行車的銷售也呈逐年上升趨勢(shì)。中國(guó)自行車協(xié)會(huì)理事長(zhǎng)王鳳和指出，作為綠色環(huán)保產(chǎn)品，電動(dòng)自行車的發(fā)展全國(guó)不平衡，其中江浙滬地區(qū)占了總額的 80％，以旅游城市杭州為例， 2021年電動(dòng)自行車保有量為 40萬(wàn)輛，而自行車為 100萬(wàn)輛，已經(jīng)占到 40％。目前全國(guó)自行車的保有量在 4億輛左右，以 10％被電動(dòng)自行車替代，每輛電動(dòng)自行車2021~3000元計(jì)算，這個(gè)市場(chǎng)將達(dá)到 1000億元左右。專家預(yù)計(jì)，到 2021年我國(guó)電動(dòng)自行車年銷量可突破1000萬(wàn)輛，電動(dòng)自行車制造業(yè)已進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期。不過(guò)現(xiàn)在有些電動(dòng)車控制器將這兩種功能綜合在一起，通過(guò)功能選擇按鍵可以選擇相應(yīng)的騎行模式。 電動(dòng)自行車介紹及發(fā)展前景 電動(dòng)自行車概況 電動(dòng)自行車一般分為兩類，一種是 零啟動(dòng)電動(dòng)自行車 ，一般稱為電動(dòng)自行車，這種電動(dòng)自行車盡管有腳踏騎行功能但可以完全靠電動(dòng)騎行。我國(guó) 生產(chǎn)的微特電機(jī)己經(jīng)占世界 60%以上，目前是全球最大的永磁體 (生產(chǎn)無(wú) 第 4 頁(yè) 共 32 頁(yè) 無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)刷電機(jī)的主要原材料 )生產(chǎn)供應(yīng)基地，中國(guó)還將會(huì)成為全球最大的無(wú)刷電機(jī)生產(chǎn)國(guó)。各國(guó)知名半導(dǎo)體公司如 Allegro,Philips,Micro Linear,To shiba等，先后推出了許多無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)傳感器控制集成電路 。美、日、英、德在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了以無(wú)刷直流電機(jī)代替有刷電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)換。無(wú)刷 直 流 電機(jī)具有最優(yōu)越的調(diào)速性能，主要表現(xiàn)在 :調(diào)速方便 (可無(wú)級(jí)調(diào)速 )，調(diào)速范圍寬，低速性能好 (啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)電流小 )，運(yùn)行平穩(wěn)，噪音低，效率高，應(yīng)用場(chǎng)合從工業(yè)到民用極其廣泛?！盁o(wú)刷直流電機(jī)”的概念已由最初的具有電子換相器的直流 電機(jī)發(fā)展到泛指一切具有傳統(tǒng)直流電機(jī)外部特性的電子換相電機(jī)。 1955年，美國(guó)人首次提出用晶體管換向線路代替機(jī)械換向裝置，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，人們終于找到了用位置傳感器和電子換相線路來(lái)代替有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換相裝置， 出現(xiàn)了磁電禍合式、光電式及霍爾元件作為位置傳感器的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，以后人們發(fā)現(xiàn)電量波形和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的位置存在著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此又出現(xiàn)了通過(guò)觀測(cè)電樞繞組中不同電量波形，監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子位置的無(wú)位置傳感器的電動(dòng)機(jī) 。直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械電刷和換向器因強(qiáng)迫性接觸，造成其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、火花、噪聲等一系列問(wèn)題，影響了直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速精度和性能。保護(hù)功能較完善、硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，具有升級(jí)空間，便于用戶二次開發(fā)。在系統(tǒng)可靠性方面 :設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的欠壓、過(guò)流和堵轉(zhuǎn)保護(hù)。根據(jù)無(wú)刷直流電機(jī)的控制原理，對(duì)系統(tǒng)的控制部分進(jìn)行了詳細(xì)分析。根據(jù)項(xiàng)目參數(shù)要求，采用 Microchip公司的PIC16F72單片機(jī)作為控制芯片，在硬件方面，進(jìn)行了電源電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)硬件保護(hù)電路設(shè)計(jì)、三相全橋逆變電路設(shè)計(jì)、逆變器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。I 本 科 生 畢 業(yè) 論 文 題 目： 單片機(jī)控制的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專業(yè)年級(jí)： 電子信息 科學(xué)與技術(shù)（ 2021 級(jí) ） 目錄 摘要 ........................................................................................................................................ 1