【正文】 到霍爾傳感器附近時(shí)，傳感器的輸出端 Vout 產(chǎn)生一個(gè)低電平，將此低電平接到單片機(jī)的 T0/ 引腳。 測速電路 測速電路設(shè)計(jì) 測速電路如圖 310 所示。在接收端，通過適當(dāng)?shù)?RC或 LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號(hào)還原為模擬形式。 對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是 PWM 相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)，而且這也是在某些時(shí)候?qū)?PWM用于通信的主要原因。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小?？紤]到電動(dòng)自行車對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速，距離控制的要求不高，為了簡化程序和外接電路，所以沒有考慮采用閉環(huán) PWM 控制，用開環(huán) PWM 控制就可以實(shí)現(xiàn)自行車的功能。外特性、低速太原科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 20 性能也不如雙向式好。其調(diào)速原理基本與雙向式相同。 2） 另一種單向式 單向式的電路更雙向式相同。 PWM 調(diào)速分為雙 向式和單向式兩種 ： 1）一種雙向式 圖 38平均轉(zhuǎn)速與占空比的關(guān)系 在一個(gè)脈沖周期內(nèi) (T=Ta＋ Tb)， T1 和 T3 導(dǎo)通的時(shí)間為 Ta， T2 和 T4 導(dǎo)通的時(shí)間為 Tb，這樣在 Ta 這段時(shí)間內(nèi)，電機(jī)通過的 是正向電流，在 Tb 這段時(shí)間內(nèi)為反相電流。 樊小鳳： 基于單片機(jī)的電動(dòng)自行車設(shè)計(jì) 19 圖 37電機(jī)轉(zhuǎn)速范圍 平均轉(zhuǎn)速和電樞上的脈沖占空比 D 之間的關(guān)系如 38 圖知，平均轉(zhuǎn)速與占空比并非完全的線性關(guān)系，但可以近似的看成是線性關(guān)系。 VD為二者的平均值。如圖 37所示 ： Vmax為電動(dòng)機(jī)的最大轉(zhuǎn)速值。在轉(zhuǎn)速降到一定限度時(shí)使電動(dòng)機(jī)再次接通電動(dòng)機(jī)因此而再次加速。 （ 1） 永磁式直流電機(jī)脈寬調(diào)速原理 永磁式直流電動(dòng)機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速由電樞電壓 UD決定，電樞電 UD越高電機(jī)轉(zhuǎn)速越快，電樞電壓 UD降為 0V，電機(jī)就停轉(zhuǎn)。 另一種 脈寬調(diào)制 型： 脈寬調(diào)速（ PULSE WIDE MODULATION—— PWM）較常用的 一種調(diào)速方式 ，這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻 繁的無級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)的等優(yōu)點(diǎn)。 一種 線性型 ： 使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)?？梢哉f，無刷直流電動(dòng)機(jī)在允許的電壓波動(dòng)范圍內(nèi)，在允許的過載能力以下，其穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速與指令轉(zhuǎn)速相差在 1%左右，并可在調(diào)范圍 內(nèi)恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行。無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速設(shè)定，取決于速度指令 V 的高低，如果速度指令最大值為 +5V 對(duì)應(yīng)的最高轉(zhuǎn)速，那么 +5V 以下任何電平即對(duì)應(yīng)相當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速現(xiàn)了變定。由于定子磁場軸線可視作同轉(zhuǎn)子軸線垂直，在鐵芯不飽和的情況下，產(chǎn)生的平均電磁轉(zhuǎn)矩與繞組電流成正比，這正是他勵(lì)直流電動(dòng)機(jī)的電流 轉(zhuǎn)矩特性。驅(qū)動(dòng)器由功率電子器件和集成電路等構(gòu)成，其功能是：接受電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止、制動(dòng)信號(hào)，以控制電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、停止和制動(dòng)；接受位置傳感器信號(hào)和正反轉(zhuǎn)信號(hào)，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩；接受速度指令和速度反饋信號(hào)，用來控制和調(diào)整轉(zhuǎn)速；提供保護(hù)和顯示等等。動(dòng)機(jī)的定子繞組多做成三相對(duì)稱星形接法，同三相異步電動(dòng)機(jī)十分相似。 樊小鳳： 基于單片機(jī)的電動(dòng)自行車設(shè)計(jì) 17 (2)無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理 無刷直流電動(dòng)機(jī)由電動(dòng)機(jī)，轉(zhuǎn)子位置傳感器和位置傳感器組成，它的原理框圖如下 36 圖所示，圖中直流電源通過開關(guān)線路向電動(dòng)機(jī)定子繞組供電，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子位置由位置傳感器檢測并提供信號(hào)去觸發(fā)開關(guān)線路中的功率開關(guān)元件使 之導(dǎo)通或截止，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。永磁材料在受到 振動(dòng)、高溫和過載電流作用時(shí)，其導(dǎo)磁性能可能會(huì)下降或發(fā)生退磁現(xiàn)象，將降低永磁電動(dòng)機(jī)的性能，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞電動(dòng)機(jī)，在使用中必須嚴(yán)格控制，使其不發(fā)生過載。弱磁控制的實(shí)質(zhì)是使相電流相位角超前，提供直軸去磁磁勢來削弱定子繞組中的磁鏈。 2） 永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)的控制系統(tǒng) 典型的永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)是一種準(zhǔn)解耦矢量控制系統(tǒng)，由于永磁體只能產(chǎn)生固定幅值磁場，因而永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)非常適合于運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，一般采用電流滯環(huán)控制或電流反饋型 SPWM 法來完成。此外，它的轉(zhuǎn)速不受機(jī)械換向的限制，如果采用空氣軸承或磁懸浮軸承，可以在每分鐘高達(dá)幾十萬轉(zhuǎn)運(yùn)行。它的最大特點(diǎn)就是具有直流電動(dòng)機(jī)的外特性而沒有刷組成的機(jī)械接觸結(jié)構(gòu)。鑒于 電動(dòng)車對(duì)電動(dòng)機(jī)的基本要求 ，本設(shè)計(jì)采用 永磁無刷直流電動(dòng)機(jī) 。直流無刷電機(jī)存在質(zhì)量可靠性問題，控制器較復(fù)雜成本較高，這些問題一旦解決推廣使用則更廣。從當(dāng)前市場上銷售的電動(dòng)自行車看主要是用直流永磁印制繞組電機(jī)和直流無刷電機(jī)，印制繞組電機(jī)關(guān)鍵是印制轉(zhuǎn)子的制造工藝，而且需引進(jìn)部分設(shè)備如轉(zhuǎn)子片疊好后外圓點(diǎn)和內(nèi)孔點(diǎn)的氬弧焊點(diǎn)焊機(jī)。電角度，如此循環(huán)，無刷直流電動(dòng)機(jī)將產(chǎn)生連續(xù)轉(zhuǎn)矩，拖動(dòng)負(fù)載作連續(xù)旋轉(zhuǎn)。電角度，轉(zhuǎn)子跟隨定子磁場轉(zhuǎn)動(dòng)相當(dāng)于 60176。 樊小鳳： 基于單片機(jī)的電動(dòng)自行車設(shè)計(jì) 15 圖 35驅(qū)動(dòng)電路圖 通過邏輯組件 CMOS 處理產(chǎn)生 T1T4 導(dǎo)通、 T1T6 導(dǎo)通、 T3T6 導(dǎo)通、 T3T2 導(dǎo)通、 T5T2導(dǎo)通、 T5T4 導(dǎo)通，也就是說將直流母線電壓依次加在 A+B、 A+C、 B+C、B+A、 C+A、 C+B上，這樣轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對(duì) NS 極， T1T6 功率管即按固定組合成六種狀態(tài)的依次導(dǎo)通 。提供從掉電模式中喚醒功能 (低電平中斷輸入喚醒 )。 2個(gè) Flash 保密位可防止程序被讀出； Flash 程序存儲(chǔ)器可實(shí)現(xiàn)在應(yīng)用中編程。施密特觸發(fā)端口輸入； 所有口線均有 20mA 的 LED 驅(qū)動(dòng)能力?？蛇x擇 RC振蕩器選項(xiàng)并且其頻率可進(jìn)行很好的調(diào)節(jié)； 可編程 I/O口輸出模式：準(zhǔn)雙向口，開漏輸出，推挽和僅為輸入功能； 端口“輸入模式匹配”檢測。選擇 RC 振蕩器時(shí)不需要外接振蕩器件。另外還提供軟件復(fù)位功能； 低電壓復(fù)位 (掉電 檢測 )可在電源故障時(shí)使系統(tǒng)安全關(guān)閉。使用片內(nèi)上電復(fù)位時(shí)不需要外接元件。可選擇輸入和參考源； 增強(qiáng)型 UART。 I/O 口可承受 5V(可上拉或驅(qū)動(dòng)到 )； 256 字節(jié) RAM 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 (2)P89LPC932 單片機(jī)特性 同一時(shí)鐘頻率下，其速度為標(biāo)準(zhǔn) 80C51 器件的 6倍。與基本定時(shí)器操作一樣，當(dāng) PWM（比較）管腳連接到比較邏輯時(shí)，它們的邏輯狀態(tài)保持不變。表 52所示為 PWM模式中比較管腳的狀態(tài)。該模式與基本定時(shí)器操作的主要區(qū)別在于比較模塊的操作。該情況下， TDIR2 的值讀出總是為 1。這兩種定時(shí)器工作模式通過向TMOD21:TMOD20寫入 10H或 11H進(jìn)行選擇。當(dāng)輸出比較管腳使能，連接到比較鎖存時(shí)，比較管腳的狀態(tài) 保持不變，直到發(fā)生比較事件或強(qiáng)制比較為止。當(dāng) OCMx1/OCMx0對(duì) I/O口進(jìn)行設(shè)置后，向 FCOx位寫入 1將使相應(yīng)的 I/O口產(chǎn)生一個(gè)跳變，但不會(huì)產(chǎn)生中斷。該鎖存的值在復(fù)位后為 0，可通過激活一個(gè)強(qiáng)制的比較來改變。 為了產(chǎn)生比 較輸出，比較值必須在 CCU 定時(shí)器的計(jì)數(shù)范圍之內(nèi)。 CCCRx中的兩個(gè)位，輸出比較 x模式位 OCMx1和 OCMx0對(duì)匹配發(fā)生時(shí)所采取的動(dòng)作進(jìn)行選擇。如果 EA和定時(shí)器輸出比較中斷使能位 TOCIE2x（位于 TICR2寄存器中）以及 IEN1中的 ECCU位都已置位，程序計(jì)數(shù)器將指向相應(yīng)的中斷。當(dāng) TH2:TL2的內(nèi)容和 OCRxH:OCRxL相匹配時(shí)， TIFR2中的定時(shí)器輸出比較中斷標(biāo)志 TOCFx置位。設(shè)置捕獲比較 x控制寄存器－ CCCRx(x=A,B,C,D)中的 OCMx1:0位可使能不同的輸出比較類型。 2路捕獲輸入，帶有事件計(jì)數(shù)器和數(shù)字噪聲濾波器 四個(gè)輸出比較通道 A,B,C和 D分別通過 4個(gè) 16位寄存器 OCRAH:OCRAL,OCRBH:OCRBL, OCRCH:OCRCL和 OCRDH:OCRDL進(jìn)行控制。邊沿觸發(fā)啟動(dòng)模式適用于所有 A/D太原科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 工作模式。 邊沿觸發(fā) 由 A/D轉(zhuǎn)換。 立即啟動(dòng) 編程為該模式將立即啟動(dòng)一次轉(zhuǎn)換。執(zhí)行單次轉(zhuǎn)換并將轉(zhuǎn)換結(jié)果存放到所選輸入通道對(duì)應(yīng)的結(jié)果寄存器中 定時(shí)器觸 發(fā)啟動(dòng)定時(shí)器 0溢出時(shí)啟動(dòng)一次 A/D轉(zhuǎn)換。六種操作模式，分別有－固定通道，單次轉(zhuǎn)換模式－固定通道，連續(xù)轉(zhuǎn)換模式－自動(dòng)掃描，單次轉(zhuǎn)換模式－自動(dòng)掃描，連續(xù)轉(zhuǎn)換模式－雙通道，連續(xù)轉(zhuǎn)換模式－單步模式，本實(shí)驗(yàn)選固定通道，單次轉(zhuǎn)換模式。 下面就所用到的功能對(duì)單片機(jī)進(jìn)行介紹 （ 1） 單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu) P89LPC933器件有一個(gè) A/D。 所以本設(shè)計(jì)中選用了 LPC933 單片機(jī)。 LPC933集成了許多系統(tǒng)級(jí)的功能，這樣可大大減少元件的數(shù)目、電路板面積以及系統(tǒng)的成本。 LPC933采用了高性能的處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行時(shí)間只需 2到 4個(gè)時(shí)鐘周期。電路圖如圖 33所示。 控制電路 控制電路設(shè)計(jì) 控制電路選用 LPC933 作為控制器，內(nèi)部存在 A/D轉(zhuǎn)換器，可與外部 +5V 電壓連接。 C3 是電解電容，以減小穩(wěn)壓電源輸出端由輸入電源引入的低頻干擾。正常工作時(shí)，輸入、輸出電壓差應(yīng)大于 2～ 3V。另外一般在三端穩(wěn)壓器的輸入輸出端接一個(gè) 二極管 ，用來防止輸入端短路時(shí) ,輸出端存儲(chǔ)的電荷通過穩(wěn)壓器而損壞器件。使調(diào)整管保證工作在放大區(qū)。在線性集成穩(wěn)壓器中，由于三端穩(wěn)壓器只有三個(gè)引出端子，具有外接元件少，使用方便，性能穩(wěn)定，價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，因而得到廣泛應(yīng)用。在這里 78L05的作用是提供 + 的工作電壓給各個(gè)芯片與器件。 D 是保護(hù)二極管，當(dāng)輸入端意外短路時(shí)，給輸出電容器C3一個(gè)放電通路，防止 C3兩端電壓作用于 二級(jí) 管的 PN結(jié)，造成 二極管 PN 結(jié)擊穿樊小鳳： 基于單片機(jī)的電動(dòng)自行車設(shè)計(jì) 9 而損壞。 電路中接入電容 C C2是用來實(shí)現(xiàn)頻率補(bǔ)償?shù)?，可防止穩(wěn)壓器產(chǎn)生高頻自激振蕩并抑制電路引入的高頻干擾。整體硬件電路圖見附錄 2。另外還要求電動(dòng)車用電動(dòng)機(jī)可靠性好，能夠在較惡劣的環(huán)境下長期工作，結(jié)構(gòu)簡單適應(yīng)大批量生產(chǎn)，運(yùn)行時(shí)噪聲低，使用維修方便，價(jià)格便宜等。 ⑶ 電動(dòng)車用電動(dòng)機(jī)應(yīng)能夠在車減速時(shí)實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)，將能 量回收并反饋回蓄電池，使得電汽車具有最佳能量的利用率，這在內(nèi)燃機(jī)的摩托車上是不能實(shí)現(xiàn)的。 ⑵ 電動(dòng)車用電動(dòng)機(jī)應(yīng)具有寬廣的調(diào)速范圍，包括恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)。因此，對(duì)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的要求是很高的。由于電動(dòng)自行車最高車速不得超過 20km/h，所以顯示器用 2 個(gè)八段 LED 數(shù)碼管即可。單片機(jī)根據(jù)收到的脈沖個(gè)數(shù)和輪圈周長等數(shù)據(jù)計(jì)算出電動(dòng)車的速度，并輸出給顯示電路。所以，測速電路和顯示電路的設(shè)計(jì)是十分必要的?？刂菩盘?hào)的占空比較大時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路開通時(shí)間長，電機(jī)轉(zhuǎn)速就比較高；相反，控制信號(hào)的占空比較小時(shí)，驅(qū)動(dòng)電路開通時(shí)間斷，電機(jī)轉(zhuǎn)速就比較低。由于轉(zhuǎn)速的改變需要時(shí)間，不能夠突變，我們可以通過改變?cè)谝恍《螘r(shí)間內(nèi)的平均速度來調(diào)節(jié)。這是控制信號(hào)的輸出。這是控制信號(hào)的采集。手把處安裝 一個(gè)電位器， 人轉(zhuǎn)動(dòng)手把即是在控制此電位器的電壓。這樣，電動(dòng)自行車只需要用一個(gè)電源，就能夠滿足電動(dòng)機(jī)與各個(gè)芯片的供電需求。 功能分析 電源電路 主控制器中的各個(gè)芯片及數(shù)字邏輯器件所的正常工作電壓遠(yuǎn)小于無刷電機(jī)的額定電壓。 單片機(jī)等器件所需要的 + 電壓由電動(dòng)車的電源經(jīng)過電源電路轉(zhuǎn)化而得到。單片機(jī)里的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過處理輸出相應(yīng)的 PWM 波形，用來驅(qū)動(dòng)安裝在后輪的無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)并調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)速。 圖 21總體電路方框圖 其整體工作過程為： 打開電源后，單片機(jī)上電復(fù)位后，數(shù)碼管顯示車速為 。 控制核心采用 LPC933 單片機(jī)，僅用一塊單片機(jī)就 可以 實(shí)現(xiàn)信號(hào)采集，電機(jī)控樊小鳳： 基于單片機(jī)的電動(dòng)自行車設(shè)計(jì) 5 制 和轉(zhuǎn)速顯示 。從總的方面來考慮，傳感器的使用應(yīng)該盡量減少單片機(jī)的信號(hào)處理量，但是又必須能 使車行駛自如。把電壓信號(hào)通過單片機(jī)中的數(shù)模轉(zhuǎn)換控制占空比，速度顯示利用八段數(shù)碼管通過單片機(jī)輸出顯示。 太原科技大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第 2 章 系統(tǒng)功能需求分析 設(shè)計(jì)思路 本設(shè)計(jì)采用脈寬調(diào)制（ pwm）配以單片機(jī)為中心控制元件的調(diào)速系統(tǒng)。發(fā)展才是硬道理。對(duì)城市而言，大氣污染物中的 42％來自汽車、摩托車等內(nèi)燃機(jī)車的廢氣排放物，嚴(yán)重威脅著人類的健康。 首先，它具有的輕 (質(zhì)量輕，不大于 40kg)、低 (速度低，不大于 20km／ h)、廉 (售樊小鳳： 基于單片機(jī)的電動(dòng)自行車設(shè)計(jì) 3 價(jià)低廉， 20213000元 )、省 (省時(shí)省力 )、綠 (綠色環(huán)保 )的突出特點(diǎn)，十分符合廣大老百姓的需求；其次，技術(shù)進(jìn)步為電動(dòng)自行車的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。但是有部分相關(guān)技術(shù)水平還存在一定問題，市場的孕育還未完 全進(jìn)入良性循環(huán)，有待進(jìn)一步改善。這是一個(gè)極其巨大的市場，尤其在人口居各大洲首位的亞洲。而目前普通居民的購買力有限，小轎車普遍進(jìn)入家庭還不太可能，況且燃油、環(huán)境和場地等多方因素都制約著汽車不可能成為 大眾化的代步工具；燃油摩托車曾一度成為許多城市比較普及的交通工具，但由于交通安全和環(huán)境保護(hù)等因素的影響，近年來在許多大中城市已經(jīng)采取了限制措施。亞洲城市，一般人口眾多，交通擁擠，自行車一直是大多數(shù)居民的主要交通工具。實(shí)際上，全球的 電動(dòng)車輛工業(yè)領(lǐng)域中發(fā)展最快的也是電動(dòng)自行車、電動(dòng)助動(dòng)車和電動(dòng)摩托車等一類小型電動(dòng)車輛。而與汽車相比，靈活方便的中短途個(gè)人交通工具，如自行車、助動(dòng)車和摩