【正文】 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 蓄電池檢測方案 電動自行車在使用過程中實(shí)時(shí)監(jiān)測蓄電池的容量情況將給用戶帶來很大的方便，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，測試點(diǎn) 1處電平約 ,測試點(diǎn) 2處電壓為 21V左右， RST有效，振蕩電路停止振蕩， 頂 端驅(qū)動電路將不再輸出驅(qū)動電壓，從而實(shí)現(xiàn)硬件制動穩(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)了純硬件制動保護(hù)電路，如圖 示。另一部分是通過三端穩(wěn)壓器 LM7812產(chǎn)生的 +12V電壓，用于頂端驅(qū)動匹配和底端驅(qū)動電路。同時(shí)，單片機(jī)輸出的 PWM信號送到 NE555的 RST端，對底端控制信號進(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，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 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 由于電容兩端電壓不能突變而第 12 頁 共 32 頁 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大。 當(dāng)某相頂端驅(qū)動電路有效時(shí)，場效應(yīng)器件 VF1(或 VF3,V F5)的柵極電壓不低于46V，才能保 證場效應(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)動電路吸收的功率不會顯著地影響總效率。因此，當(dāng)前的無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，電機(jī)三相繞組的工作也相對獨(dú)立，必須對三相電流分別控制。功率場效應(yīng)晶體管具有開關(guān)速度快、高頻特性好、輸入阻抗高、驅(qū)動功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)寬和跨導(dǎo)線性度電源 第 11 頁 共 32 頁 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)動電路 逆變電路和驅(qū)動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)、過流保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)。定速模式下，無需按住轉(zhuǎn)把，電動車能夠按照設(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. 無刷直流電機(jī)控制器硬件設(shè)計(jì) 無刷直流電機(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)制信號控制。設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器采集的位置信號為 Ha, Hb, Hc，分別對應(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 相的對應(yīng)關(guān)系如表 所示。 電機(jī)轉(zhuǎn)動由霍爾傳感器感應(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，并與轉(zhuǎn)子磁鐵產(chǎn)生的磁場相互作用，使電機(jī)順向或逆向轉(zhuǎn)動?？刂撇糠謩t提供 PWM脈沖寬度調(diào)制信號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)成三相電壓來驅(qū)動電機(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. 無刷電機(jī)控制系統(tǒng)分析 三相無刷直流電機(jī)星形連接全橋驅(qū)動原理 無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度及轉(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)了無刷直流電機(jī)的自動控制，硬件結(jié)構(gòu)簡 單、成本較低，具有升級空間，便于用戶二次開發(fā)。 ⑤ 通過軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電動自行車儀表盤顯示控制 。 ③ 通過對 PIC單片機(jī)編程，實(shí)現(xiàn)電動車電動、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)了信號的采集及處理，實(shí)現(xiàn)了電 動自行車的電動、定速和助力三種工作模式并且在系統(tǒng)出錯情況下具有自檢功能。通過微控制單元電路、逆變器驅(qū)動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)、過流保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)等保護(hù)功能，可靠的對電動車電機(jī)和電池進(jìn)行保護(hù)，確保電動車使用及安全。 最大輸出功率 360W。最低工作電壓 31V。 第 6 頁 共 32 頁 本設(shè)計(jì)的主要工作 論文對無刷直流電機(jī)的控制原理進(jìn)行了詳細(xì)分析，依據(jù)無刷直流電機(jī)特性，針對電動自行車的控制需求，進(jìn)行了 無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。電動自行車在整車設(shè)計(jì)、驅(qū)動系統(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，在給人們生活帶來方便的同時(shí)，也對整個(gè)社會的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生了積極的影響。許多電動車生產(chǎn)廠家都應(yīng)用了一系列的電動車新技術(shù)，大大增強(qiáng)了自身品牌在市場上的影響，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。與其它電機(jī)相比它具有幾個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn)：① 永磁無刷直流電機(jī)沒有電刷、而是利用電子換相，故克服了任何由電刷硬氣的問題。 稀土永磁無刷直流電機(jī)是近 20年發(fā)展起來的一類電機(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)展為無刷直流電機(jī)的研究奠定了基礎(chǔ)。為使電動自行車有良好的使用性能，驅(qū)動電機(jī)應(yīng)具有寬調(diào)速范圍、高轉(zhuǎn)速和足夠大的起動轉(zhuǎn)矩。這樣說來，電動車作為暫時(shí)的 替代品 或最終的交通、休閑用具，市場前景都不可限量。從全球市場上看，日本雅馬哈、本田、三洋、松下等知名公司紛紛進(jìn)入電動自行車行業(yè)，而且日益擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模；德國、英國、奧地利、意大利、美國等國著名的自行車廠商和公司，也不斷加入電動自行車的開發(fā)、生產(chǎn)和銷售，電動自行車的銷售也呈逐年上升趨勢。中國自行車協(xié)會理事長王鳳和指出，作為綠色環(huán)保產(chǎn)品，電動自行車的發(fā)展全 國不平衡，其中江浙滬地區(qū)占了總額的 80％，以旅游城市杭州為例， 2021年電動自行車保有量為 40萬輛，而自行車為 100萬輛，已經(jīng)占到 40％。目前全國自行車的保有量在 4億輛左右，以 10％被電動自行車替代，每輛電動自行車2021~3000元計(jì)算，這個(gè)市場將達(dá)到 1000億元左右。專家預(yù)計(jì)，到 2021年我 國電動自行車年銷量可突破1000萬輛，電動自行車制造業(yè)已進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期。不過現(xiàn)在有些電動車控制器將這兩種功能綜合在一起，通過功能選擇按鍵可以選擇相應(yīng)的騎行模式。 電動自行車介紹及發(fā)展前景 電動自行車概況 電動自行車一般分為兩類，一種是 零啟動電動自行車 ，一般稱為電動自行車，這種電動自行車盡管有腳踏騎行功能但可以完全靠電動騎行。我國生產(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 第 4 頁 共 32 頁 無 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，中國還將會成為全球最大的無刷電機(jī)生產(chǎn)國。各國知名半導(dǎo)體公司如 Allegro,Philips,Micro Linear,To shiba等，先后推出了許多無刷直流電機(jī)無傳感器控制集成電路。美、日、英、德在工業(yè)自動化領(lǐng)域中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了以無刷直流電機(jī)代 替有刷電動機(jī)的轉(zhuǎn)換。無刷 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 (可無級調(diào)速 )，調(diào)速范圍寬，低速性能好 (啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流小 )，運(yùn)行平穩(wěn)，噪音低，效率高，應(yīng)用場合從工業(yè)到民用極其廣泛?！盁o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代替有刷直流電動機(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刷直流電動機(jī)，以后人們發(fā)現(xiàn)電量波形和轉(zhuǎn)子磁場的位置存在著一定的對應(yīng)關(guān)系，因此又出現(xiàn)了通過觀測電樞繞組中不同電量波形，監(jiān)測轉(zhuǎn)子位置的無位置傳感器的電動機(jī)。直流電動機(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、噪聲等一系列問題，影響了直流電動機(jī)的調(diào)速精度和性能。保護(hù)功能較完善、硬件結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，具有升級空間，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、過流和堵轉(zhuǎn)保護(hù)。根據(jù)無刷直流電機(jī)的控制原理，對系統(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)控制的無刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 目錄 摘要 ........................................................................................................................................ 1 ABSTRACT .......................................................