【正文】 第一個小磁鐵再次靠近霍爾傳感器，傳感器把第四個霍爾信號發(fā)到單片機上的 T0/ ，停止計時。（ V=S/T） 樊小鳳：基于單片機的電動自行車設計 21 圖 310 測速電路 把三個小磁鐵平均分布在被測的轉動的車輪邊緣，固定好，小磁鐵與霍爾傳感器的相對位置在車輪轉動過程中發(fā)生變化，當小磁鐵轉動到霍爾傳感器附近時，傳感器的輸出端 Vout 產生一個低電平，將此低電平接到單片機的 T0/ 引腳。 測速電路 測速電路設計 測速電路如圖 310 所示。在接收端，通過適當的 RC 或 LC 網絡可以濾除調制高頻方波并將信號還原為模擬形式。 對噪聲抵抗能力的增強是 PWM 相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點，而且這也是在某些時候將 PWM 用于通信的主要原因。讓信號保持為數字形式可將噪聲影響降到最小。考慮到電動自行車對電機轉速，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 控制就可以實現自行車的功能。外特性、低速太原科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 20 性能也不如雙向式好。其調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調速分為雙 向式和單向式兩種 ： 1）一種雙向式 圖 38平均轉速與占空比的關系 在一個脈沖周期內 (T=Ta＋ Tb)， T1 和 T3 導通的時間為 Ta， T2 和 T4 導通的時間為 Tb，這樣在 Ta 這段時間內，電機通過的是正向電流，在 Tb 這段時間內為反相電流。 樊小鳳：基于單片機的電動自行車設計 19 圖 37電機轉速范圍 平均轉速和電樞上的脈沖占空比 D 之間的關系如 38 圖知，平均轉速與占空比并非完全的線性關系，但可以近似的看成是線性關系。 VD為二者的平均值。如圖 37所示 ： Vmax為電動機的最大轉速值。在轉速降到一定限度時使電動機再次接通電動機因此而再次加速。 （ 1） 永磁式直流電機脈寬調速原理 永磁式直流電動機電機轉速由電樞電壓 UD決定，電樞電 UD越高電機轉速越快，電樞電壓 UD降為 0V，電機就停轉。 另一種 脈寬調制 型： 脈寬調速（ PULSE WIDE MODULATION—— PWM）較常用的 一種調速方式 ，這種調速方式有調速特性優(yōu)良、調整平滑、調速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負載沖擊，還可以實現頻繁的無級快速啟動、制動和反轉的等優(yōu)點。 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?？梢哉f，無刷直流電動機在允許的電壓波動范圍內，在允許的過載能力以下，其穩(wěn)態(tài)轉速與指令轉速相差在 1%左右，并可在調范圍內恒轉矩運行。無刷直流電動機的轉速設定，取決于速度指令 V 的高低，如果速度指令最大值為 +5V 對應的最高轉速，那么 +5V 以下任何電平即對應相當的轉速現了變定。由于定子磁場軸線可視作同轉子軸線垂直，在鐵芯不飽和的情況下，產生的平均電磁轉矩與繞組電流成正比，這正是他 勵直流電動機的電流 轉矩特性。驅動器由功率電子器件和集成電路等構成，其功能是：接受電動機的啟動、停止、制動信 號，以控制電動機的啟動、停止和制動；接受位置傳感器信號和正反轉信號，用來控制逆變橋各功率管的通斷，產生連續(xù)轉矩；接受速度指令和速度反饋信號，用來控制和調整轉速；提供保護和顯示等等。動機的定子繞組多做成三相對稱星形接法，同三相異步電動機十分相似。 樊小鳳：基于單片機的電動自行車設計 17 (2)無刷直流電機的結構及工 作原理 無刷直流電動機由電動機，轉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線路向電動機定子繞組供電，電動機轉子位置由位置傳感器檢測并提供信號去觸發(fā)開關線路中的功率開關元件使之導通或截止，從而控制電動機的轉動。永磁材料在受到振動、高溫和過載電流作用時，其導磁性能可能會下降或發(fā)生退磁現象，將降低永磁電動機的性能，嚴重時還會損壞電動機，在使用中必須嚴格控制，使其不發(fā)生過載。弱磁控制 的實質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） 永磁無刷直流電動機的控制系統 典型的永磁無刷直流電動機是一種準解耦矢量控制系統，由于永磁體只能產生固定幅值磁場，因而永磁無刷直流電動機系統非常適合于運行在恒轉矩區(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，它的轉速不受機械換向的限制，如果采用空氣軸承或磁懸浮軸承，可以在每分鐘高達幾十萬轉運行。它的最大特點就是具有直流電動機的外特性而沒有刷組成的機械接觸結構。鑒于 電動車對電動機的基本要求 ，本設計采用 永磁無刷直流電動機 。直流無刷電機存在質量可靠性問題，控制器較復雜成本較高，這些問題一旦解決推廣使用則更廣。從當前市場上銷售的電動自行車看主要是用直流永磁印制繞組電機和直流無刷電機，印制繞組電機關鍵是印制轉子的制造工藝，而且需引進部分設備如轉子片疊好后外圓點和內孔點的氬弧焊點焊機。電角度，如此循環(huán)，無 刷直流電動機將產生連續(xù)轉矩，拖動負載作連續(xù)旋轉。電角度，轉子跟隨定子磁場轉動相當于 60176。 樊小鳳：基于單片機的電動自行車設計 15 圖 35驅動電路圖 通過邏輯組件 CMOS 處理產生 T1T4 導通、 T1T6 導通、 T3T6 導 通、 T3T2 導通、 T5T2導通、 T5T4導通，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，這樣轉子每轉過一對 NS 極， T1T6 功率管即按固定組合成六種狀態(tài)的依次導通。提供從掉電模式中喚醒功能 (低電平中斷輸入喚醒 )。 2個 Flash保密位可防止程序被讀出； Flash程序存儲器可實現在應用中編程。施密特觸發(fā)端口輸入； 所有口線均有 20mA 的 LED 驅動能力?？蛇x擇 RC振蕩器選項并且其頻率可進行很好的調節(jié)； 可編程 I/O口輸出模式：準雙向口，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 振蕩器時不需要外接振蕩器件。另外還提供軟件復位功能； 低電壓復位 (掉電檢測 )可在電源故障時使系統安全關閉。使用片內上電復位時不需要外接元件?？蛇x擇輸入和參考源； 增強型 UART。 I/O口可承受 5V(可上拉或驅動到 )； 256字節(jié) RAM 數據存儲器。 (2)P89LPC932單片機特性 同一時鐘頻率下，其速度為標準 80C51 器件的 6倍。與基本定時器操作一樣，當 PWM（比較）管腳連接到比較邏輯時，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。這兩種定時器工 作模式通過向TMOD21:TMOD20寫入 10H或 11H進行選擇。當輸出比較管腳使能，連接到比較鎖存時，比較管腳的狀態(tài)保持不變，直到發(fā)生比較事件或強制比較為止。當 OCMx1/OCMx0對 I/O口進行設置后，向 FCOx位寫入 1將使相應的 I/O口產生一個跳變，但不會產生中斷。該鎖存的值在復位后為 0，可通過激活一個強制的比較來改變。 為了產生比較輸出，比較值必須在 CCU 定時器的計數范圍之內。 CCCRx中的兩個位，輸出比較 x模式位 OCMx1和 OCMx0對匹配發(fā)生時所采取的動作進行選擇。如果 EA和定時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，程序計數器將指向相應的中斷。當 TH2:TL2的內容和 OCRxH:OCRxL相匹配時， TIFR2中的定時器輸出比較中斷 標志 TOCFx置位。設置捕獲比較 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，帶有事件計數器和數字噪聲濾波器 四個輸出比較通道 A,B,C和 D分 別通過 4個 16位寄存器 OCRAH:OCRAL,OCRBH:OCRBL, OCRCH:OCRCL和 OCRDH:OCRDL進行控制。邊沿觸發(fā)啟動模式適用于所有 A/D太原科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 12 工作模式。 邊沿觸發(fā) 由 A/D轉換。 立即啟動 編程為該模式將立即啟動一次轉換。執(zhí)行單次轉換并將轉換結果存放到所選輸入通道對應的結果寄存器中 定時器觸 發(fā)啟動定時器 0溢出時啟動一次 A/D轉換。六種操作模式，分別有－固定通道，單次轉換模式－固定通道，連續(xù)轉換模式－自動掃描，單次轉換模式－自動掃描，連續(xù)轉換模式－雙通道，連續(xù)轉換模式－單步模式，本實驗選固定通道，單次轉換模式。 下面就所用到的功能對單片機進行介紹 （ 1） 單片機的內部結構 P89LPC933器件有一個 A/D。 所以本設計中選用了 LPC933單片機。 LPC933集成了許多系統級的功能，這樣可大大減少元件的數目、電路板面積以及系統的成本。 LPC933采用了高性能的處理器結構，指令執(zhí)行時間只需 2到 4個時鐘周期。電路圖如圖 33所示。 控制電路 控制電路設計 控制電路選用 LPC933 作為控制器，內部存在 A/D轉換器，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，輸入、輸出電壓差應大于 2～ 3V。另外一般在三端穩(wěn)壓器的輸入輸出端接一個 二極管 ，用來防止輸入端短路時 ,輸出端存儲的電荷通過穩(wěn)壓器而損壞器件。使調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)壓器只有三個引出端子，具有外接元件少，使用方便，性能穩(wěn)定，價格低廉等優(yōu)點，因而得到廣泛應用。在這里 78L05的作用是提供 + 的工作電壓給各個芯片與器件。 D 是保護二極管，當輸入端意外短路時，給輸出電容器C3一個放電通路，防止 C3兩端電壓作用于 二級 管的 PN 結，造成 二極管 PN 結擊穿樊小鳳：基于單片機的電動自行車設計 9 而損壞。 電路中接入電容 C C2是用來實現頻率補償的，可防止穩(wěn)壓器產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。另外還要求電動車用電動機可靠性好，能夠在較惡劣的環(huán)境下長期工作，結構簡單適應大批量生產，運行時噪聲低，使用維修方便，價格便宜等。 ⑶ 電動車用電動機應能夠在車減速時實現再生制動，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，這在內燃機的摩托車上是不能實現的。 ⑵ 電動車用電動機應具有寬廣的調速范圍，包括恒轉矩區(qū)和恒功率區(qū)。因此，對驅動系統的要求是很高的。由于電動自行車最高車速不得超過 20km/h，所以顯示器用 2 個八段 LED 數碼管即可。單片機根據收到的脈沖個數和輪圈周長等數據計算出電動車的速度，并輸出給顯示電路。所以，測速電路和顯示電路的設計是十分必要的?？刂菩盘柕恼伎毡容^大時，驅動電路開通時間長，電機轉速就比較高；相反，控制信號的占空比較小時，驅動電路開通時間斷，電機轉速就比較低。由于轉速的改變需要時間，不能夠突變，我們可以通過改變在一小段時間內的平均速度來調節(jié)。這是控制信號的輸出。這是控制信號的采集。手把處安裝 一個電位器， 人轉動手把即是在控制此電位器的電壓。這樣，電動自行車只需要用一個 電源，就能夠滿足電動機與各個芯片的供電需求。 功能分析 電源電路 主控制器中的各個芯片及數字邏輯器件所的正常工作電壓遠小于無刷電機的額定電壓。 單片機等器件所需要的 + 電壓由電動車的電源經過電源電路轉化而得到。單片機里的數字信號經過處理輸出相應的 PWM 波形，用來驅動安裝在后輪的無刷直流電機轉動并調節(jié)其轉速。 圖 21總體電路方框圖 其整體工作過程為： 打開電源后，單片機上電復位后，數碼管顯示車速為 。 控制核心采用 LPC933 單 片機，僅用一塊單片機就 可以 實現信號采集，電機控樊小鳳：基于單片機的電動自行車設計 5 制 和轉速顯示 。從總的方面來考慮，傳感器的使用應該盡量減少單片機的信號處理量，但是又必須能使車行駛自如。把電壓信號通過單片機中的數模轉換控制占空比，速度顯示利用八段數碼管通過單片機輸出顯示。 太原科技大學本科生畢業(yè)設計（論文） 4 第 2 章 系統功能需求分析 設計 思路 本設計采用脈寬調制（ pwm）配以單片機為中心控制元件的調速系統。發(fā)展才是硬道理。對城市而言，大氣污染物中的 42％來自汽車、摩托車等內燃機車的廢氣排放物，嚴重威脅著人類的健康。 首先，它具有的輕 (質量輕，不大于 40kg)、低 (速度低，不大于 20km／ h)、廉 (售樊小鳳：基于單片機的電動自行車設計 3 價低廉， 20223000元 )、省 (省時省力 )、綠 (綠色環(huán)保 )的突出特點，十分符合廣大老百姓的需求；其次，技術進步為電動自行車的發(fā)展奠定了基礎。但是有部分相關技術水平還存在一定問題，市場的孕育還未完全進入良性循環(huán)，有待進一步改善。這是一個極其巨大的市場，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