【正文】 據(jù) 總 線 圖 34 PIC系列單片機哈佛總線結構 (3) RISC技術 RISC (Reduced Instruction Set Computer)是指精簡指令集計算機。程序指令存儲和 數(shù)據(jù)存儲 分開，可以使指令和數(shù)據(jù)有不同的數(shù)據(jù)寬度。又由于程序和數(shù)據(jù)存儲在兩個分開的物理空間中，因此取址和執(zhí)行能完全重疊。與兩個存儲器相對應的是系統(tǒng)的 4 條總線：程序的 數(shù)據(jù)總線 與 地址總線 ，數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總線與地址總線。 (2) 哈佛總線結構 如圖 34所示， PIC系列單片機在普林斯頓體系結構和哈佛體系結構的基礎上采用的哈佛總線結構， 將 程序存儲器 和 數(shù)據(jù)存儲 器分開，使得讀程序和對數(shù)據(jù)的存取可以同時進行 ，為采用不同的字節(jié)寬度，有效擴展指令的字長奠定了技術基礎。 (1)單片機種類豐富 PIC單片機目前有 8位系列、 16位系列和 32位系列。在一些小型的應用中，比傳統(tǒng)的 51 單片機更加靈活，外圍電路更少，因而得到了廣泛的應用。 PIC 系列單片機具有高，中，低 3個檔次，可以滿足不同用戶開發(fā)的需求，適合在各個領域中的應用。 是美國 Microchip公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。 PIC 單片機特點： 單片機（ Peripheral Interface Controller）是一種用來開發(fā)和控制外圍設備的 集成電路 。 ★ 工作電壓、功耗 ： 單片機的工作電壓最低可以達到 ，最高為 6V，常見的是 3V 和 5V 單片機的功耗參數(shù)主要是指正常模式、空閑模式、掉電模式下的工作 電流，用電 池供電的系統(tǒng)要選用電流小的產(chǎn)品，同時要考慮是否要用到單片機的掉電模式，如果要用的話必須選擇有相應功能的單片機。 ★ 串行接口 ： 單片機常見的串行接口有：標準 UART 接口、增強型 UART 接口、 I2C總線接口、 CAN總線接口、 SPI 接口、 USB 接口等。 ★ I／ O 口 ： I／ O 口的數(shù)量和功能是選用單片機時首先要考慮的問題之一，根據(jù)實際需要確定數(shù)量， I／ O 多余不僅芯片的體積增大，也增加了成本。 所以， 根據(jù) 上述 原則對單片機進行選擇， 選擇出最能適用于你的應用系統(tǒng)的單片機，從而保證應用系統(tǒng)有最高的可靠性、最優(yōu)的性價比、最長的使用壽命和最好的升級換代性 ，還有市場的推廣性 。 ★ 安全因素： 電子產(chǎn)品的安全性是一個非常重要的環(huán)節(jié)，作為控制系統(tǒng)的核心 部分 ，單片機的安全性必須達到 控制 系統(tǒng) 的 要求。 PWM模塊可用來產(chǎn)生不同頻率和占空比的脈沖信號。 但 由于整個控制系統(tǒng)有多種模擬 量 需要轉換成數(shù)字量，因此 所 選的單片機應該 具 有多通道 A/D轉換模塊。本 論文 設計 的無刷直流電機控制器 采用PIC16F72單片機作為 控制器的 主控芯片，不僅可以實現(xiàn)專用控制芯片 MC33035的全部功能，而且 也 容易實現(xiàn)系統(tǒng) 的 擴展，通過硬件設計與軟件設計，實現(xiàn)多功能的電機控制。系統(tǒng)采用軟件編程的方法來模擬無刷電機的控制邏輯，其特點是使用靈活，通過修改程序可適應不同規(guī)格的無刷電機，增加系統(tǒng)功能方便。它們將是未來電動自行車無刷電機控制器主控芯片的發(fā)展方向，擁有廣闊的市場前景。但 是這些專用芯片價格昂貴，外圍電路設計復雜，在廣大的民用市場無法大規(guī)模推廣應用 。該控制系統(tǒng)的缺點是智能性差，保護措施有限，系統(tǒng)升級空間小 。其主要作用是在保證電動自行車正常工作的前提下，提高電機和蓄電池的效率、節(jié)省能源、保護 電機及蓄電池，以及降低電動自行車在受到破壞時的損傷程度。這種方案可以編程控制，應用范圍廣，且靈活方便 [9][10]。這種方案可以降低設備投 資，提高裝置的可靠性，但不夠靈活。在電機轉速控制方面，絕大多數(shù)場合數(shù)字調速系統(tǒng)已取代模 擬調速系統(tǒng)。由模擬器 件構成的控制器只能實現(xiàn)簡單的控制，功能單一、升級換代 困難，而且由分立器件構成的系統(tǒng)控制精度不高，溫度漂移，器件老化嚴重，使 得維護成本增高，限制了它的發(fā)展和應用 范圍 。 現(xiàn)代控制技術的發(fā)展與微處理器的發(fā)展息息相關，可以說，每一次微處理器 的進步都推動了控制技術的一次飛躍。這種方案可以編程控制，應用范圍廣，且靈活方便。這種方案可以降低設備投資，提高裝置的可靠性，但不夠靈活。在電機轉速控制方面，絕大多數(shù)場合數(shù)字調速系統(tǒng)已取代模擬調速系統(tǒng)。所以當電源電壓 sU 不變時，電樞的端電壓的平均值 0U 取決于占空比大小，改變 ? 值就可以改變端電壓的平均值，從而達到調速的目的。當開關管的柵極輸入高電平 1U 時，開關管導通，直流電動機電樞繞組兩端有電壓 sU ； 1t 秒后，柵極輸 入變?yōu)榈碗娖剑_關管截止，電動機電樞兩端電壓為 0； 2t 秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖剑_關管的動作重復前面的過程。本 系統(tǒng)利用開關驅動方式使半導體功率器件工作在開關狀態(tài)，通過脈寬調制 (PWM)來控制無刷直流電動機電樞電壓，實現(xiàn)調速。為了獲得可調的直流電壓，利用電力電子器件的完全可控性，采用脈寬調制技術 (Pulse Width Modulation，即 PWM)，直接將恒定的直流電壓調制成可變大小和極性的直流電壓作為電動機的電樞端電壓，實現(xiàn)系統(tǒng)的平滑調速，這種調速系統(tǒng)就稱為直流脈寬調速系統(tǒng)。 電機的 PWM 調速原理 直流電動機的調速方法主要包括調節(jié)電樞電路中的外串電阻或調節(jié)加在電 動機電樞上的電壓，其中調節(jié)電樞電壓的方法運用最為廣泛。 圖 122 無刷直流電機機械特性曲線 圖 14 調節(jié)特性 調節(jié)特性的始動電壓和斜率分別為： macpa KTrU ?0 （ 111） eKK1? （ 112） 從機械特性和調節(jié)特性可以看出，無刷直流電動機與一般直流電動機一樣，具有良好的調速控制性能，可以通過調節(jié)電源電壓實現(xiàn)無級調速。所以，無刷直流電機的調速性能很好，可以通過改變電源電壓實現(xiàn)平滑調速，但此時電子換相線路及其他控制線路的電源電壓仍應保持不變。當式 110 等號右邊兩項相等時，電磁轉矩為零，此時的轉速即為理想空載轉速。此時， 流過 晶體 管和電樞繞組的電流很大，晶體管 管壓降 TU? 隨著電流 的 增大而增加 較快 ， 從而 使 加 在電樞繞組上的電壓 不恒定而 有所減小，因而 無刷直流電動機 的機械特性曲線會偏離直線，向下彎曲 ，如圖 122 所示。 (19) 電磁轉矩為： 錯誤 !未找到引用源。 電機的機械特性是指外加電源恒定時，電機轉速和電磁轉矩之間的關系。隨后，效率又開始下降，如圖 120 所示。隨著輸出轉矩的增加，電機的效率也就增加。電機效率：112 1 p ppp ????? 18 式中， ?p 為電機的損耗； 1p 為電機的輸入功率， UIP acp?1 ； 2P 為輸出功率，nMP 22 ? 。 （ 1） 電樞電流和輸出轉矩關系由式 15 可知，電樞電流隨著輸出轉矩的增加而增加，如圖 15所示。這個變化量要比有刷直流電機因電刷接觸壓降和電刷所短路元件數(shù)的變化而造成的起動轉矩的變化大的多。轉矩位置不同時，起動轉矩是不同的，這是因為上面所討論的關系式都是平均值間的關系。另外當 電機發(fā)生堵轉時，電機也會 產(chǎn)生 很大的電樞電流，這時 要 在控制器上設置一個過流保護電路 以此 電機的安全。在空載起動時，電樞電流和轉矩的變化如圖 120所示。 起動特性 由 11~16可知， 電機在起動時，由于反電動勢為零，因此電樞電流（即 起動電流）為 acpn rUUI ??? (17) 其值 可為 正常工作電樞電流的幾倍到十幾倍， 所以， 由式 (15)可知，此時電樞的電磁轉矩非常大，電機能很快起 ，并能帶負載直接起動。 (16) 式中， J 是轉動部分（包括電機本體轉子及負載）的轉動慣量（ kg。m／ A）。這里， 錯誤 !未找到引用源。m） Mo 是摩擦轉矩（ N (13) 在轉速不變時，轉矩平衡方程式為 錯誤 !未找到引用源。 是反電動勢系數(shù)（ V／ r／ min）。 對于不同的電樞繞組形式和換相線路形式，電 樞繞組反電動勢有不同的等效表達式，但不論哪一種繞組和線路結構，均可表示為 錯誤 !未找到引用源。 (11) 式中， U 是電源電壓（ V）； E 是電樞繞組反電動勢（ V）； Iacp 是平均電樞電流（ A）； 錯誤 !未找到引用源。 討論各種電機的運行特性時，一般都從轉速公式、電動勢平衡方程式、轉矩公式和轉矩平衡方程式出發(fā)。因此，我們最關心的是它的轉矩、轉速，以及轉矩和轉速隨輸入電壓、電流、負 載變化而變化的規(guī)律。 無刷直流電機的運行特性 無刷直流電機的運行特性是指電機在轉動、正常工作和調速等情況下，電機外部各可測物理量之間的關系。和無刷直流電機相比，就不難看出，其實無 刷直流電機和有刷直流電機一樣，本身都是一臺同步電機，只是有刷直流電機中加的是一個機械的逆變器一換向器和電刷，而無刷直流電機中采用電子換向裝置一電子逆變器代替機械換向器和電刷的作用。由于電刷的換相作用，使得這兩個磁場的方向在直流電機運行的過程中始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生最大轉矩而驅動電機不停的運轉。 一般的直流電機的定子由永久磁鋼組成，其主要的作用是在電動機氣隙中產(chǎn)生磁場。功率邏輯開關單元是控制電路的核心，其功能是將電源的功率以一定的邏輯關系分配給無刷直流電機的各項繞組，以便使電機產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉矩 。 這恰好與傳統(tǒng)的直流電動機結構相反。隨著轉子的轉動， 位置傳感器不斷送出信號，然后通過控制器對這些信號的判斷，不斷送出驅動信號控制相應的功率器件開關，以 改變電 樞繞組的通電狀態(tài)，使得在某一磁極下導體中的電流方向始終保持不變，這就是無刷直流電動機的無接觸式換流過程的實質。 無刷直流電動機電 子 開 關 線 路功 率 邏 輯 開 關電 動 機 主 體位 置 傳 感 器傳 感 器 定 子傳 感 器 轉 子主 轉 子主 定 子位 置 信 號 處 理 圖 15 直流無刷電動機的組成框圖 無刷直流電機的工作原理 無刷直流電動機是在有刷直流電動機的基礎上發(fā)展起來的，無刷直流電機的工作過程是電 動 機本體、位置傳感器和電子 開關 電路三者協(xié)同工作的過程，只要有任何一方出了差錯，都會對電機的運行造成很大的影響 。但位置傳感器產(chǎn)生的信號要經(jīng)過一定的邏輯處理 后去控制功率開關。功率邏輯開關單元是控制電路的核心，其功能是將電源的功率以一定的邏輯關系分配給電動機定子的各項繞組，以使電動機產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉矩。由于電子開關線路的導通次序是與轉子轉角同步的，因而起到了機械換向器的換向作用。位置傳感器的跟蹤轉子與電動機轉軸相連接。 圖 13 所示的電動機本體為 2 極三相。定子繞組一般制成多相（三、四、五 相不等），轉子由永久磁鐵按一定的極對數(shù)（ 2p=2,4,...）組成，電子開關一般是由功率電子器件和它的控制電路以及轉子位置傳感器等所組成，以此 代替了有刷直流電動機的機械換向裝置 并通過 位置傳感器來檢測主轉子在運行過程中的位置。永磁體和導磁體是產(chǎn)生磁場的核心，由永磁材料和導磁材料組成。 電動機本體主要包括帶有電樞繞組的定子和轉子，定子部分最重要的部件是電子的繞組 ， 當電機接上電源后，電流流入繞組，產(chǎn)生磁動勢，后者與轉子產(chǎn)生的勵磁磁場相互作用而產(chǎn)生電功率，并通過轉子輸出一定的機械功率從而實現(xiàn)了將電能轉換為機械能這個過 程。 由于無刷直流電機具有上述一系列優(yōu)點，因此，它的用途比有刷直流電機更加廣泛，尤其適用于航空航天、電子設備、采礦、化工等特殊工業(yè)部門。同時，由于無刷直流電機是以自控式運行的，所以不會像變頻調速下重載啟動的同步電機那樣在轉子上另加啟動繞組，也不會在負載突變時產(chǎn)生振蕩和失步。無刷直流電機以法拉第的電磁感應定律為基礎，而又以新興的電力電子技術、數(shù)字電子技術和各種物理原理為后盾，具有很強的生命力。 本設計的主要工作 第二章 無刷直流電機 概述 無刷直流電機是隨著電子技術的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型的直流電機，它的最大特點是沒有換向器和電刷組成的機械接觸機構。 加上 電動自行車在整車設計、驅動系統(tǒng)、 控制系統(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 動自行車作為一種新型綠色環(huán)保交通工具，具有無污染、低噪音、振動小、效率高、能耗低、安全、輕便、易維護等優(yōu)點。 無刷直流 電機的機械特性和調節(jié)特性的線性度好，調速范圍廣，壽命長 、 可靠性高 、 穩(wěn)定性好、高效率 、 維護方便 ；并且 電機本身沒有勵磁損耗和碳刷損耗，消除了多級減速耗，綜合節(jié)電率可達 20%~60%。 無刷 直流 電機的電樞繞組 裝 在定子上，永磁磁鋼放在轉子上，故導熱性能好，產(chǎn)生的熱量更容易散發(fā)出去；這與傳統(tǒng)的永磁直流電動機的結構剛好相反，直流無刷電機除了由定子和轉子組成的電動機本體外，還要有位置傳感器、控制電路以及功率開關器件共同構成換向裝置，使得直流無刷電機在運動過程中定子繞組所產(chǎn)生的磁場和轉動中的轉子磁鋼產(chǎn)生的永磁磁場，在空間始終保