单片机的电动自行车调速系统设计说明.doc

. . . . 基于单片机的电动自行车调速系统设计摘要：近年来，随着人们生活的改善，摩托车、燃油助力车得到迅速发展，其排放的尾气已造成城市空气严重污染，一些城市相继制定法规限制摩托车、燃油助力车的使用来保护环境。发展短距离的绿色交通工具替代摩托车、燃油助力车成为一些国家的经济和社会课题。电动自行车具有“零排放”，是一种比较好的短距离绿色交通工具。由于电池问题，限制了电动自行车的行驶距离，但可以通过提高系统的效率来改善其性能。本课题研制的电动自行车用无位置传感器直流无刷永磁电动机来驱动，用PIC16C74单片机作为主控芯片，它不仅克服了有刷直流电机的噪音、换向火花等缺点，而且避免了有位置传感器直流无刷电机因位置传感器带来的不足；同时，它降低了制造和使用过程中的成本，提高了使用和维护的方便性，具有效率高、环保、经济和方便的特点以与具有良好运行性能和巨大的市场潜力。关键词：电动自行车；位置传感器；直流无刷电动机；单片机控制38 / 39第1章 概述1.1 电动自行车的意义与发展状况1.1.1 电动自行车的意义人类在进入工业化社会之后，大量使用地球上石油、煤等化石能源，使得空气中的二氧化碳和二氧化硫急剧增加，造成了酸雨蔓延和温室效应，特别是二十世纪后期，酸雨大面积扩展，几乎蔓延至所有国家，“厄尔尼诺现象”、“拉尼拉现象”频繁出现。酸雨造成农作物减产，大片森林死亡；温室效应给工农业生产和人民生活造成的损失，无法估量。目前，发展中国家的空气还在进一步恶化，我国作为世界上最大的发展中国家，环境问题已经引起党和国家以与人民群众重视。研究表明，造成大气污染的主要气体有非甲烷有机物、氧化氮和一氧化碳等气体。具统计，在美国城区的大气中，43%的非甲烷有机物、57%氧化氮和82%一氧化碳都是由燃油机动车废气排放产生的，而全世界20%的一氧化碳排放量来源于燃油机动车的废气。由此可见，燃油机动车的废气己成为城市大气污染的一个主要来源。燃油机动车废气中的氮氧化物在太阳紫外线的照射下，容易形成高毒性的光化学烟雾，再加上机动车的噪音，严重污染着我们赖以生存的自然环境，直接危害着我们的身体健康。因此，在大城市，燃油机动车的废气和噪音已成为倍受关注的公害之一。随着我国改革开放的深入，人民的生活水平日益提高，在家用轿车还没有普与的情况下，摩托车和燃油助动车得以广泛使用，这给我国城市的环境问题带来很大压力，例如在市，1995年中心城区机动车的一氧化碳、非甲烷有机物和氧化氮排污负荷分别占该区域相应的排放总量的76%、93%和44%；一些城市如、等，己相继出台政策法规，停止或限量核发摩托车和燃油助动车的牌照。因此，研制生产出一种无污染、低噪音的交通工具来替代摩托车和燃油助动车，已是时代的需要。电动自行车正是在这样的呼唤下，逐步走进人们的生活中。电动自行车与摩托车、燃油助动车相比较，它具有突出的优点： （1）无污染电动自行车是以蓄电池发出的电能作为驱动能源，以电动机作为动力，运行过程中没有废气排放；因此和摩托车、燃油助动车相比，没有污染。（2）低噪音、振动小电动自行车是由电动机驱动的，电动机在运行中产生的噪音比较小，运行比较平稳。而摩托车、燃油助动车是由燃油发动机驱动，其汽缸产生的噪音比较大，由于受到体积限制，其发电机的缸数较少，运行时不够平稳，振动较大。（3）最高时速20公里，行驶安全摩托车、燃油助动车的速度快，在机动车道上行驶，事故率较高；而电动自行车，国家强制性规定（国标GB 17761-1999）其速度不能超过20km/h，并且电动自行车一般不能在机动车道上行驶，因此相比之下安全很多。（4）效率高摩托车、燃油助动车的效率一般只有30%左右，而电动自行车的效率可以达到70%以上。（5）结构简单、轻便，易维护、维修电动自行车一般是有蓄电池、控制板、电机和车身组成；蓄电池用的是免维护的，电机的故障率较低，基本上不要维护，控制板由于现代的电力电子技术比较成熟，损坏率也比较低，另外电动自行车没有机械传动结构，体积小、重量轻，因此相比摩托车、燃油助动车来说，其日常的维护、维修量少得多。正是由于以上原因，电动自行车逐渐受到人们的欢迎。1.1.2 电动自行车的发展状况为了解决燃油车对环境造成的严重污染和缓解日益突出的能源危机，许多国家都在寻找替代燃油机车的交通工具。相继开发了以天然气、甲醇为燃料的交通工具，相比之下，电动车以零污染、高效率、低噪音的特点被认为是真正的“绿色”交通工具，而电动汽车受到机电、电池的限制，批量进入市场还有一定的难度，电动自行车却得到迅速的发展。1、自从1993年雅马哈公司的PAS（能量辅助系统）进入市场以来，电动自行车在日本己经成为短距离用交通工具的主流。日本本土1996年电动自行车的销售量在20万辆以上，1998年6、7两个月日本共生产电动自行车29432辆，据报道日本电动自行车的需求量在750万辆，而且每年以5%10%速度递增，其中还有一半需进口。相继之下，不少公司如本田、三菱、五十铃等50多家公司参与电动自行车、电动助力车的研究开发，共生产出48个品种规格。日本的电动自行车的驱动系统多为永磁无刷电机，工作电压为24V或36V，功率在180W250W之间；蓄电池一般以镍铬或镍氢为主，容量在5 10Ah之间，充电一次行驶里程约2540Km；车速低于24Km/h。美国的电动自行车年需求量在1500万辆左右，每年以5%10%速度递增大部分靠进口；美国克莱斯勒汽车公司的一款电动自行车年销售量在5万量以上，而尤尼克公司于1998年6月推出的一款电动自行车，年销售目标在1000万辆。美国ZAP（Zero Air Pollution）公司生产的电动自行车是采用摩擦轮驱动方式，其主要特点是安装方便，可以直接改装普通自行车，下坡或进行锻炼时，驱动电机可作为发电机向蓄电池充电，从而延长行驶里程和蓄电池的使用寿命，节约能源。欧盟许多国家对电动自行车的年需求在量1000万辆左右。德国的MSG公司、DIAMANT公司、SAGHS公司、英国的ASGHBAGH公司、奥地利的VEIECKRO公司、SCHACHANER公司生产的电动自行车己投入市场，销路很好，致使德国奔驰、法国标致等大公司也把目标投入到电动自行车这一产品上来。2、我国电动自行车在7080年代经历了几次大起大落之后，到90年代初又再度形成热点，顺应了20世纪世界环保的潮流。从1996年的“国际自行车展览会”到1997年在上虞召开的“全国电动自行车信息交流会”的短短的一年里，国开发厂家从20多家一跃发展到100多家。许多地方如、等省市都将电动自行车产业列入“九五”重点发展品种。电动自行车充分运用当今新技术、新材料，尤其采用集成电路、电子元器件，提高了电动自行车控制器的质量，使其可靠性、安全性、灵活性得到了提高。中国是一个自行车王国，据报道全国自行车拥有量为4.5亿。随着我国城市化进程加快，用电动自行车替代摩托车、燃油助动车和自行车，一方面可以缓解城市气污染问题，另一方面也可以提高人们的生活节奏，因此电动自行车的社会需求市场巨大，据专家预测，本世纪初，我国电动自行车年需求量将达到100万辆以上。目前，我国市场上国产电动自行车的品种规格较多，驱动多数用有刷或无刷的轮式直流电机，工作电压为24V、36V或48V，功率在150W400W之间；蓄电池一般用的是免维护铅酸蓄电池，容量为12Ah，充电时间在38小时左右，充电一次行驶里程约50Km左右；车速低于20Km/h，爬坡能力在4度上下；车型有普通型和豪华型，车重约35Kg，载重量约75Kg，百公里耗电量1Kwh左右。1.2 本课题的主要任务由于电动自行车的诸多优点，市场需求量大，因此电动自行车在未来的发展潜力比较大；但是目前市场上的电动自行车还或多或少存在一些不够完善的地方。使用有刷直流电动机容易解决电压的换向问题，但是噪音大，而且碳刷容易磨损、损坏，增大维护、维修难度、增加使用成本；使用位置传感器，容易解决直流无刷电机换向时，转子的位置检测，但是增大了电机的设计、制造、安装的难度和电机的体积，也增加成本。因此，本课题主要任务是利用现代电力电子技术来解决无位置传感器无刷直流电机换向问题，从而解决电动自行车控制、驱动中不完善的地方，同时设计出方便用户使用的电动自行车运行参数显示和防盗系统。本论文主要容包括：l、根据直流无刷电机的原理，利用美国Microchip公司生产的芯片PIC16C74A做为主控芯片，检测直流无刷电机运转时产生的反电势来确定转子的位置，从而确定换向点和换向时刻。2、利用液晶技术，设计出电动自行车的运行过程中的参数显示系统。3、实验、计算、分析结果得出结论。第2章 电动自行车的研究2.1 直流无刷电机原理简介2.1.1 直流无刷电机的发展直流无刷电机是在直流有刷电机的基础上发展起来的。由于直流有刷电机的换向器和电刷在电机高速运行时容易产生火花，引起火灾、爆炸等事故，因此许多环境限制了直流有刷电机的应用。随着科学技术的发展，开关型晶体管的研制成功，为直流电机的发展带来生机。经过不断的研究和实践，人们终于找到了用位置传感器和电子换向线路来替代直流有刷电机的机械换向装置。六十年代初出现了用霍尔元件传感器的直流无刷电机，七十年代初出现了比霍尔元件传感器灵敏度高许多倍的磁敏二极管换流的直流无刷电机。随着人们的不断努力，又发现了不用位置传感器，而依靠电机绕组在运转时产生的反电势来获得位置信号实现换向的直流无刷电机。通常把这种利用检测绕组反电势获得位置信号的直流无刷电机称为反电势法无刷直流电机或直流无刷无位置传感器电机。由于直流无刷电机具有没有换向火花，抗干扰性强，运行可靠，维护简便，使用寿命长等优点，使其得以广泛应用于家庭、办公、工业、军事、航空航天等领域。2.1.2 直流无刷电机的运行原理一般的永磁式直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要作用是在电动机气隙中建立磁场，其电枢绕组通电后产生电枢反应磁场，由电力电子逆变器供给电枢绕组的电流并不是正弦波，而是120°的方波，因而三相合成磁动势不是恒速旋转的，而是跳跃式的步进磁动势，它和恒速旋转的转子磁动势产生献转矩除了平均转矩之外，还有脉动分量。由于电力电子逆变器的换向作用，使得这两个磁场的方向在电动机运动的过程中始终保持一定的角度，从而产生最大平均转矩而驱动电动机不停地运转，与直流有刷电动机不同，直流无刷电动机的电枢转一圈，定子绕组只换相6次，每个极下换相三次，相当于只有三个换向片的直流电动机。图2-1 逆变器主电路电子换向逆变器主电路如图2-1所示，AA、BB、CC代表直流无刷电动机的三相定子绕组，采用Y型连结，逆变器为两两通电方式，120°导电型。首先假设转子处于图2-2(a)的位置，若此时使V3、V4导通，则电流从B端流入，A端流出，定子磁动势为Fa，如图-2(a)示，在Fa的作用下，转子将顺时针旋转，转到图2-2(b)的位置时，图2-2 无刷直流电动机的运行原理图如果使V4、V5导通，则电流由C端流入，A端流出，定子磁动势为Fb，在Fb的作用下，转子将继续顺时针旋转，依次类推，如果每隔60°电角度顺序使V5和V6、V1和V6、V1和V2、V3和V2两两导通，即可使定子磁动势分别如图2-2(c)、图2-2(d)、图2-2(e)、图2-2(f)所示，从而形成旋转磁动势，在这个磁动势的作用下，转子也会随之旋转，如果使开关管反复按上述规律导通，即可使转子持续旋转下去，且定子磁动势总是超前于转子磁极轴线角度60°120°之间。其各相绕组导通示意图如图2-3所示。图2-3 各相绕组导通示意图由上述的分析可见，要使直流无刷电动机正确的换相运行，必须知道图2-2所示的六个转子关键位置，六个转子关键位置即对应着直流无刷电动机的反电动势的过零点后的30°（电角度）处。如果是有位置传感器直流无刷电动机，则可以通过传感器来直接获得转子的六个转子关键位置的信息，如果是无位置传感器无刷直流电动机，则需要通过直流无刷电动机的三相定子绕组的反电势直接或间接的获得转子的位置信息。2.2 电动自行车的驱动电机原理电动自行车的发展离不开其所采用的核心驱动元件电机的发展，电机是电动自行车发展的主要标志。第一代电动自行车使用的的是有刷高速绕组式电机，电机的转速达3000转左右，通过齿轮减速，其噪音大，效率低，故障率高；第二代电动自行车使用的的是有刷低速电机或有位置传感器的无刷电机，其噪音、故障率有所下降，效率有所提高，但维护、安装难度还是比较大；第三代电动自行车使用的的是无刷无位置传感器的稀土永磁电机，其噪音小，效率高，维护、安装都比较方便。目前，国市场上电动自行车使用的电机有三种：有刷电机、有位置传感器无刷电机和无刷无位置传感器电机。2.2.1 有位置传感器的直流无刷电机原理有位置传感器的直流无刷电机主要由电动机的本体、位置传感器和电子开关线路三个部分组成，其原理框图如图2-4所示。有位置传感器的直流无刷电机的电流换向主要是通过位置传感器测得转子位置，确定功率开关器件的导通或关闭，其结构原理图如图2-5所示，位置传感器是由六只光电器件Pl、P1、P2、P2、P3、P3组成，位置各直流电源开关电路电动机本体位置传感器图2-4有位置传感器的直流无刷电机原理框图相差60°，均匀分布在电机的一端，借助安装在电机轴上的旋转遮光板（或称截光器）的作用，使得从光源依次照射在各个光电器上，并依照某光电器是否被照射到光线来判断转子的位置。当某光电器被光照射到时，它所连接的功率开关器件就导通，当某光电器没有被光照射到它所连接时的功率开关器件就关闭。图2-5中旋转遮光板所在位置，光电器P2、Pl被光照射到，它所连接的V3、V4导通，其所对应的转子位置和绕组产生的磁动势Fa如图2-2(a)所示；当电机按顺时针方向运转，光电器依次是pl、P3，P3、P2，P2、 Pl，P1、P3、，P3、P2被光照射到使得它们所对应连接的功率开关器件V4、V5，V5、V6，V6、V1，V1、V2 ，V2、V3依次导通，其所对应的转子位置和绕组产生的磁动势Fa分别如图2-2(b)、2-2(c)、2-2(d)、2-2(e)、2-2(f)所示，从而实现直流无刷电机的换向。图2-5有位置传感器无刷电机的结构原理图2.2.2 无位置传感器的直流无刷电机原理有位置传感器的直流无刷电机的换向主要靠位置传感器检测转子的位置，确定功率开关器件的导通顺序来实现的，由于安装位置传感器增大了电机的体积，同时安装位置传感器的位置精度要求比较高，带来安装的难度；因此人们在研究过程中发现，利用电子线路替代位置传感器检测电机在运行过程中产生的反电势来确定电机转子的位置，实现换向。从而出现了无位置传感器的直流无刷电机，其原理框图如图2-6所示。由图2-2无刷直流电动机的运行原理图可知，当电机在运行过程中，总有一相绕组没有导通，此时可以在该相绕组的端口检测到该绕组产生的反电势，该反电势在60°的电角度是连续的，由于电难度极大，因此必须找到该反电势与转子位置的关系，才能确定转子的位置。从图2-7中可以看出，反电势在60°的电角度过程中总有一次经过坐标轴（过零点），而此点的电角度和下一次换向点的电角度正好相差30°，故可以通过检测反电势过零点，再延时30°换向。以图2-2为例，假设转子在图2-2 (a)所示的位置为0°电角度，V3, V4导通，A-A、相、B-B相有外加电压，C-C相的产生的反电势如图2-7；当转子旋转30°时，和磁动势Fa相垂直，C-C相产生的反电势正好过零点；当转子再旋转30°时（即检测到反电势过零点再延时30°），到图2-2 (b)所示的位置，此时使V4, V5导通，V3关闭，让A-A相、C-C相有外加电压，B-B相没有外加电压，可以检测B-B相产生的反电势过过零点再延时30°，让V5, V6导通，V4关闭，依次类推，可以实现无位置传感器直流无刷电机的换向。直流电源电子电路电动机本体图2-6无位置传感器的直流无刷电机原理框图 当然也可以通过检测反电势经过电角度0°, 60°, 120°， 180°, 240°， 300°，360°这些特殊点处直接实现换向，这将在下一章进行叙述，这里将不再赘述。图2-7电机运行时各相产生的反电势示意图2. 3 电动自行车的转矩电动自行车作为交通工具，在行驶过程中经常会遇到上坡或下坡，衡量电动自行车性能好坏时，其中有一项指标就是爬坡性能，也就是电动自行车的转矩性能，而电动自行车的驱动力主要来自于电机，因此电动自行车电机的电磁转矩大小直接影响电动自行车爬坡性能的好坏。2. 3. 1 直流无刷电机的平均电磁转矩当直流无刷电机有负载时，通过绕组中的电流与气隙中的合成磁场相互作用而产生电磁转矩。为了简化分析，以三相三状态为例，假定：(1)气隙磁密成正弦分布；(2)电枢反应的影响不计；3)控制电路开关状态时，功率管的导通压降Ut不变；(4)绕组电感不计；(5)绕组为60°相带、均匀、整距的三相对称绕组。另外，为了推导的方便，对下面需要用到的符号进行定义：每极最大磁通；a、b、c表示A, B, C三相的磁通；转子的电角速度，=；极对数；n转速，rmin； 相电势的最大值，；基波绕组系数；W每相串联匝数；绕组的并联支路对数；极距；f计算极弧系数，气隙磁密正弦分布时，取；气隙最大磁密；导体所在处的磁密， ； I导体有效长度；U电源电压；Ra，Rb，Rc分别为A, B, C相电阻；Ut功率管的导通压降；ia、in、ic分别表示A, B, C三相的电流；i导体中的电流，；电枢的径。 那么各相磁通的表达式为： （2-1）而气隙磁密成正弦分布，电机绕组为整距的三相对称绕组，则：（2-2）电机各相电势的表达式为： （2-3）电机各相电流的表达式为： （2-4）根据可得在A相电枢表面任一点X处的导体受到的电磁力为： （2-5）则对应的电磁转矩为： （2-6）而电磁转矩M为： （2-7）综合式（2-1）（2-7）可得平均电磁转矩为： （2-8）由式（2-8）可以看出，对于一个直流无刷电机来说，它的平均电磁转矩与电压、电机部的结构、材料等成一定的关系。2.3.2 电动自行车的转矩在讨论电动自行车在行驶时的转矩，为了方便起见，假定：(1)电动自行车自重35公斤，载重75公斤，前后车轮直径均为0.6lM；(2)电动自行车的效率为70%，电机功率为150W；(3)路面平坦、无风、最大速度为20公里/小时。 当电动自行车在水平路面上行驶时，由公式可得电动自行车的推动力牛顿，那么电动自行车的转矩，也就是电机的输出电磁转矩应为5.76 NM。 当电动自行车在上坡路（坡面角为）面上行驶时，电动自行车的推动力=水平路面上行驶时的推动力+载重和车重沿坡面的分量，即：而，当=1°时，；当=2°时，；当=3°时，；当=3.44°时，（目前城市道路的坡度一般不超过3.44°）。由此可以看出，随着路面坡度的增加，电动自行车在输出功率不变的情况下，其最大速度在迅速减小，这给用户的使用带来不便；为了解决这个问题，一方面，电动自行车在上坡时，对其施加外力（如用脚踩电动自行车的脚蹬）来增大转矩，提高速度；另一方面，在选用电动自行车的驱动电机时，不仅要考虑到电机的功率，而且要考虑电机的电磁转矩，使用大功率的或输出转矩大的电机，也可以解决电动自行车上坡时遇到的问题，但电动自行车的成本也提高了。第3章 直流无刷无位置传感器电动自行车的控制设计3.1 无位置传感器直流无刷电机的数学模型直流无刷电机本体的三相绕组通常是二线制的，要检测不导通相绕组产生的反电势，必须要找一个基准参考点，为了更好地解释和说明检测反电势过零的原理，现建立以电源中点为基准参考点的无位置传感器直流无刷电机数学模型。 假设功率开关器件导通时的压降为0，电机三相绕组是对称的，相电阻均为R、电感均为L。可知：当、导通时，即电流从A相流入，B相流出， (3-1) (3-2) (3-3)当、导通时，即电流从A相流入，C相流出， (3-4)由（3-1）（3-4）可得： （3-5）同理可得： （3-6） （3-7）再由（3-2）（3-3）与可得： （3-8）同理可得： （3-9） （3-10）综合式（3-8）（3-9）（3-10）可得： （3-11）将式（3-11）分别代入式（3-5）（3-6）（3-7）得： （3-12） （3-13） （3-14） （3-15） （3-16） 将式（3-2）代入式（3-12）得： （3-17）同理可得： （3-18） （3-19）当、导通时，即电流从A相流入，B相流出，C相没有电流，此时：，若过零（即），则，同理可得：，。这就是在建立无位置传感器直流无刷电机的数学模型时为什么以电源中点为基准参考点的原因。当、导通时，即电流从A相流入，B相流出，C相没有电流，此时：，由（3-19）可知： （3-20）同理可得： （3-21） （3-22）因此当无位置传感器直流无刷电机某相不导通时，以电源的中点作为基准参考点，可以在该相的引出线上检测出该相绕组产生的反电势。3.2 电动自行车的启动方法直流无刷无位置传感器电动自行车的启动其实就是直流无刷无位置传感器电机的启动，由于电机在正常运行前的速度很小或为0，电机产生的反电势也很小或为0，使得检测线路无法检测到反电势，不能够实现电机的换向。因此直流无刷无位置传感器电动自行车的电机可以采用以下几种方案实现启动：方案一、电动自行车由于其特殊性，使用的是轮毅式电机，在没有供电的情况下，电动自行车可以用作正常的自行车行驶，在行驶时轮毅式电机和车轮一起运转，当运转达到一定的速度时，电机产生的反电势可以被检测到，此时闭合开关给电机供电，实现电动自行车的启动。方案二、采用他控式同步电动机的起动方式（又称为外同步方式）。由于无刷直流电动机的结构和永磁同步电动机相似，所以无刷直流电动机起动时可以采用他控式同步电动机的起动方式，从静止开始加速，直至转速足够大能够检测到反电动势，再切换到直流无刷直流电动机的运行方式，其原理框图如图3-1。图3-1外同步起动原理框图起动过程中，反电势法的转子位置信号A、B、C无效，所以图3-1的信号选择器将它们屏蔽掉，而选通了由信号发生模块产生的一系列外同步信号A、B、C，这三路外同步信号与三路转子位置信号一一对应，它们被选通送入译码模块，产生逆变器的触发信号，送往逆变器的驱动电路，用以驱动逆变器的功率器件。与转子位置信号类似，三路外同步信号有六种组合状态。如果先将外同步信号的某个组合状态保持一段时间，再按序改变其组合状态并逐步提高频率，按他控式同步电动机的运行方式由静止开始加速，当转速足够大时，转子位置信号有效，当满足切换条件，发出切换命令，使得信号选择器屏蔽掉外同步信号，选通转子位置信号并送入译码模块用以产生逆变器的触发信号，这样就建立了转子位置闭环，完成了从他控式同步电动机运行状态到直流无刷电动机运行方式的切换。当保护信号有效时，逆变器功率器件被关断，以实现对功率器件的保护措施。在本论文中，信号选择与译码均由单片机的软样算法实现。起动时，信号发生模块需要按序改变三路外同步信号的组合状态，并且每个状态所保持的时间根据加速曲线逐渐缩短，即逐渐提高逆变器的输出频率，那么在电机在不失步的前提下转子转速也逐渐提高，在本论文中，采用如图3-2示的斜率为K的加速曲线，斜率K可以根据负载转矩惯量的大小人为调整。图3-2 固定斜率加速曲线示意图在图3-2中，纵坐标e为转子电角速度，横坐标为加速时间，那么e·t即为转子转过的电角度E。将转子的初始位置记ED，转60°电角度之后的位置记为E1，再转过60°的位置记为E2。这样依次类推，假如在转子转过电角度之后，达到了需要的转速，那么由这一系列位置对应的时刻t0，tl，t2，tk的值，即可确定逆变器的每一个逆变状态的改变时刻。令t0=0，由t0，tl，t2，tk的值可得：将t1，t2 ，tk-1 ，tk转换成定时器在一定分辨率下的定时值n1，n2，nk，存放在一个加速曲线表格中，加速时，由程序从表格中依次取出，形成外同步加速信号。电机外同步加速时，定子磁动势步进旋转的速度取决于逆变器改变节拍的频率，而逆变器改变节拍的频率将完全取决于加速曲线中的定时值；电机实际加速时，将很快检测到反电势的位置信号，进而用反电势位置信号代替外同步信号，切入自同步运行。具体的软件程序设计见第五章。3.3 电动自行车的运行参数显示功能设计3.3.1 速度显示电动自行车在行驶过程中，使用者常常需要了解车行的速度，以便更好地控制速度，保证行驶的安全。本课题使用笔段型液晶显示器件（如图3-3）来显示电动自行车的行驶速度，液晶显示驱动器采用ICM7211(A)控制的静态数字量输入型，其原理如图3-4所示；ICM7211(A)具有完整的脉冲发生器，它由RC振荡器，128分频电路，背电极BP图3-3七段型液晶显示的电极引线排布驱动器和使能检测器等组成；驱动器一方面提供片2位段驱动器的驱动波形，另一方面通过作为输出的BP提供液晶显示器件的背电极的驱动信号和级联从机的同步信号。ICM7211(A)接口部结构为4位数据线B0B3和2路位选线D0-D1。数据线B0B3接单片机的/口，输入BCD码，BCD码经译码器译码后输出七段显示字形数据。2路位选线D0-D1，分别控制2路七段数据锁存器，为“l”选通，为“0”封锁，可以同时为“1”全部选通，也可以同时为“0”全部封锁。日前，笔段型液晶显示器件和静态数字量输入型液晶显示驱动技术已形成产品，可以直接连接到单片机I/O接口上，单片机将需要显示的数据以BCD码形式发送到I/O接口上，就可以实现数据显示。图3-4 ICM7211(A)原理框图3.3.2 蓄电池的容量显示电动自行车在使用过程中蓄电池的剩余容量显示给用户带来比较大的方便，它表明蓄电池提供的电能大约能够使电动自行车行驶多少里程，蓄电池是否需要充电等。蓄电池的总容量通常以充足电后，放电至其端电压达到规定值时所释放出的总电量来表示。当蓄电池以恒定电流放电时，它的容量(Q)等于放电电流(Id)和放电时间(td)的乘积：（3-23）式中Id的单位为安(A)，td的单位为小时(h)，Q的单位为安时(A·h)。其放电特性如图3-5所示。图3-5蓄电池连续放电曲线如果放电电流不是一个恒定的常数，蓄电池的容量为不同的放电电流与相应时间的乘积之和： (324)由于蓄电池的容量受到多种因素的影响，长时间的使用，反复的充电放电，一些蓄电池的容量将逐渐减小，因此要准确显示蓄电池的剩余容量比较困难。如果采用此方式来显示蓄电池的容量，还需要考虑蓄电池充电特性和蓄电池的放电率放电率=额定容量Q锁定(A·h)/放电电流Id(A)等因素。 在本方案中，利用蓄电池端电压与容量之间的关系，通过测量蓄电池的端电压来显示蓄电池的容量。 蓄电池的电势是指蓄电池在开路时的端电压，由于蓄电池阻r的存在，当蓄电池两端接上负载R时，阻上就会产生压降，此时蓄电池的端电压不是电势E，而是： (325)而蓄电池的阻与蓄电池的容量成反比，在充电过程中，阻逐渐减小，在放电过程中增加，由式(325)可知，通过实验的办法测出蓄电池的容量与端电压的关系。电动自行车在行驶中，利用软件让单片机对蓄电池端电压U进行测量、处理，并将处理的结果值经I/O端口发送到液晶显示驱动器进行处理，实现显示。第4章驱动控制的硬件设计4.1 PIC单片机简介在微控制器（Microcontroller）应用领域日益广泛的今天，各个领域的应用也向微控制器厂商提出了更高的要求，希望速度快、功耗低、体积小、价格更廉以与组成系统时所需要的外围器件更少。目前在中国市场上有几十家半导体厂商生产的微控制器，不同厂商生产的微控制器各有自己的特点；在众多的微控制器芯片中，美国Microchip技术公司生产的PIC系列微控制器芯片则异军突起。它率先推出采用精简指令集计算机RISC(Reduced Instruction Set Computer)、哈佛(Harvard)双总线和两级指令流水线结构高性价比的8位嵌入式控制器(Embedded Controller)。其高速度（每条指令最快可达160ns）、低工作电压（最低工作电压可为3V）、低功耗（3V，32kHZ时15A）、较大的输入输出直接驱动LED能力(灌电流可达25mA)、一次性编程OTP(One Time Programmable)芯片的低价格(最低的不到8元人民币)、小体积(最小为8引脚)指令简单易学易用(35-57条指令)等，都体现了微控制器芯片工业发展的新趋势，在市场上具有极强的竞争力，该系列微控制器在全球已广泛应用于家电、办公自动化设备、电子电讯、金融电子、汽车、仪表、工业控制等领域，在8位微控制器市场从90年的第20位提高到96年的第5位，以至成为8位微控制器中最具有影响力的主流嵌入式控制器。根据直流无刷无位置传感器电动自行车设计方案的要求，选用PIC16C74A单片机作为主控芯片。PIC16C74单片机主要性能特点可归纳如下： 1、简指令集，仅有37条指令。 2、执行速度快：20Mhz的振荡时钟，200ns的指令周期。 3、低功耗SLEEP方式。 4、工作电压围宽：3.06.0V。 5、较大的输入输出直接驱动LED能力，灌入电流可达25mA。 6、具有方便的8个8位A/D接口和33路可复用的I/O接口。 7、具有4K*l4位字的EPROM，可以满足普通的系统软件的容量要求。同时大大简化了外围硬件，提高了系统的稳定性和可靠性。 8、具有8级堆栈，多个部与外部中断源。9、具有3个8位定时器和2个PWM输出。4.2 直流无刷无位置传感器电动机的反电势检测与换向控制在前面己经叙述过反电势过零检测延时30°换向的原理和比较器LM324的输出波形，而PIC16C74单片机PORTB端口的RB4、RB5、RB6、RB7四个引脚有一个重要的特性，当把这4个引脚定义成输入状态时，其引脚的电平只要有变化，可以引起中断，即单片机通过把RB4、RB5、RB6、RB7引脚上的输入信号与上一次读入该4个口的旧的锁存值进行比较，若有变化，则把两者相或后输出以产生RBIF中断。因此将比较器LM324的三路输出与PICl6C74单片机的RB5、RB6、RB7三个引脚相连接，如图4-l所示，并将RB5、RB6、RB7设置成输入状态，当反电势过零时引起比较器输出电平变化，从而引起单片机的中断来处理计时和延时过程。图4-1反电势检测、换向控制与调速电路图需要值得注意的是，PIC16C74单片机PORTB端口的四个引脚中任何一个引脚电平变化都能引起单片机产生中断，但是单片机并不能够判断出是哪个引脚的电平变化，只能通过中断标志查出是PORTB端口电平变化引起的中断；另外，单片机也不能够判断出PORTB端口四个引脚上电平变化是从低到高(0l)还是从高到低(l0)，而比较器在一个周期，每一路输出波形(或电平)的变化都表示不同的功率开关器件开或关，因此让单片机在PORTB端口电平变化引起中断处理计时、延时后，当延时30°电角度时间到，处理控制功率开关器件开或关之前，需要进行判断反电势是哪一相绕组产生的，该反电势过零时，转子所在的位置，以便确保正确的换向，本方案将使用软件实现此判断功能，在下一章进行叙述。图4-1中所示，单片机的RC7、RC6、RC5分别和驱动电路上桥臂的三路相连，控制上桥臂的三路功率开关器件开或关；RB1、RB2、RB3分别和驱动电路下桥臂的三路相连，控制下桥臂的三路功率开关器件开或关。图4-1中使用的电容C起滤波抗干扰作用。直流无刷电动机的端电压检测电路的三相端电压信号A、B、C中含有的高频信号与外界干扰，必须经过滤波电路以滤掉高频信号与外界干扰，否则会干扰比较器的正常工作；由于电动自行车用直流无刷电动机的速度较低，频率也较低，因此使用电容C就可以让低频段的信号通过，抑制高频段的信号。4.3 驱动电路由于PIC16C74单片机使用的电源电压是+5V，其I/O端口输出输入的电压电流相对来说比较小，不能直接驱动功率器件MOSFET，因此需要根据PIC16C74单片机的特点设计出驱动电路的上下桥臂，如图4-2、图4-3所示。图4-2上桥臂驱动电路上桥臂中，P点和单片机输出口RCx(x=5，6，7)相连，G、S与上半桥臂功率管MOSFET相连，如图4-4所示，MOSFET源极电位是在0与DC(主电路直流电压)之间跳变，当功率管MOSFET导通时，栅极电位必高于源极，因此若信号源与主电路共地，则驱动电路电压必很高，在图4-2中用自举电路的原理解决了上述问题，自举电容在导通前已充电至+12V（相对于源极），导通时，US=UDC，UG=US+12V，保证了UGS=12V。下半桥臂中，P点和与门CD4081相连，G与下半桥臂功率管管MOSFET相连。图4-3所示得电路，当T4截止，Tl截止，T2导通，功率管MOSFET栅极输入电容上的电荷释放使功率管MOSFET关断，当Tl导通时，T2必然截止，功率管MOSFET栅极输入电容被充电，功率管MOSFET由阻断变为导通。图4-3除了具有上述功能外，还起着电平转化作用，因为一般TTL的工作电平转低（5V），不宜直接驱动电流容量较大的功率管MOSFET。图4-3下桥臂驱动电路