毕业设计-基于单片机的电动自行车设计.doc

毕业设计毕业设计 题目名称基于单片机的电动自行车 控制器的设计 系别 专业 班级 学生 学号 指导老师 职称 i 摘要 电动自行车由于轻便灵活 节能环保 价格适中而得到人们的广泛使用 成为人们 短途出行的理想交通工具 同时中国具有世界上最庞大的自行车市场 电动自行车产业 在中国有着非常广阔的应用前景 因此发展电动自行车具有良好的社会意义和客观的经 济效益 目前电动自行车的动力驱动主要是轮毂式无刷直流电动机 电动自行车控制器作为 电动自行车的控制核心 是电动自行车的关键部件 与无刷直流电动机一起构成电动自 行车的动力驱动系统 为了提高电动自行车的骑行舒适性 安全性 本文对电动自行车 的动力驱动系统进行了深入的研究 并重点介绍了电动自行车控制器的功能构成和软件 硬件设计 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及 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 ii abstract the electric bicycles as light and flexible energy saving affordable and widely used by people become the ideal short trip transport meanwhile china has the world s largest bicycle market the electric bicycle industry in china has a very broad application prospects therefore the development of electric bicycle has a good social significance and objective economic benefits powered electric bicycles are nowadays mainly wheel brushless dc motor electric bicycle controller as the control core of electric bicycle is a key component of electric bicycles and together with dc motor constitute the drive system of electric bicycles in order to improve the electric bicycle ride comfort safety the power driving system of electric bicycle is researched deeply in this article and it also mainly introduces the function of the electric bicycle controller structure and software at the same time it reduces the costs of the process of manufacturing and using improves the convenience of use and maintenance and it is high efficiency environmental protection economy and convenient characteristic with good performance characteristics and huge market potential keywords electric bicycle position sensor dc brushless motor scm iii 目 录 摘要 i abstract ii 1 绪论 1 1 1 电动自行车研究的目的和意义 1 1 2 电动自行车的基本结构与发展 2 1 2 1 电动自行车的构成 2 1 2 2 电动自行车的发展状况及趋势 3 1 3 论文的主要内容 4 2 电动自行车控制器的系统分析 6 2 1 无刷直流电机的工作原理 6 2 1 1 无刷直流电动机的发展 6 2 1 2 无刷直流电动机的运行原理 6 2 2 电动自行车的驱动电机原理 8 2 2 1 无位置传感器直流无刷电动机工作原理 9 3 直流无刷无位置传感器电动自行车控制器的设计 11 3 1 直流无刷无位置传感器电动机的数学模型 11 3 2 电动自行车的运行参数显示功能设计 13 3 2 1 速度显示 13 3 3 2 蓄电池的容量显示 14 4 电动自行车控制器的硬件设计 16 4 1 芯片的选择 16 4 2 无位置传感器无刷直流电动机的反电动势检测及换向控制 18 4 3 电动自行车的起动方法 19 4 4 驱动电路 21 4 5 调速和过流保护 23 iv 4 5 1 电动自行车的调速 23 4 5 2 过流保护 24 4 6 液晶显示电路 25 5 系统软件构成 27 5 1 系统主程序结构 27 5 2 中断程序 28 5 2 1 反电势过零中断 28 5 2 2 定时中断 29 5 2 3 a d 中断 31 5 3 程序编写过程中的注意事项 33 参考文献 34 结束语 35 致谢 36 1 1 绪论 1 1 电动自行车研究的目的和意义 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 燃油助动车的使用来保 护环境 发展短距离的绿色交通工具替代摩托车 燃油助动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 由于控制器 对电池损耗的控制问题 限制了电动自行车的速度效率和行驶距离 但可以通过提高系 统的效率来改善其性能 因此要减少污染并提高其工作效率 对电动自行车控制器的研 究和设计是现在科技的必然趋势 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 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 2 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 同时电动自行车的广泛运用 在缓解环境污染方面占有很大优势 不仅可以有效节省能源 而且能够减少大气污染 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 1 2 电动自行车的基本结构与发展 1 2 1 电动自行车的构成 电动自行车主要有四个部分组成 车架 电源 蓄电池 电机和控制器 车架部分不 作讨论 其他部分介绍如下 1 电源 蓄电池 电源为电动自行车动力系统及控制系统提供能量 蓄电池的电能容量 伏安特性 寿命等质量因素对整个动力系统有非常大的影响 目前电动自行车用蓄电池基本是经济 实惠的铅酸电池 大多数电动自行车采用 48v12ah 36v12ah 铅酸电池 另外 24v12ah 的电池由于续行里程较短 选择得比较少 环保效能更好的镍氢电池和锂电池 则因为成本较高 导致配载这两种电池的电动自行车售价偏高 如果其成本有所下降 进而降低车的售价 那么以配载锂电池和镍氢电池为主的电动自行车将会大面积普及 燃氢电池 纳米碳管蓄能高 寿命长 性能优良单成本高昂 随着科技的发展 它们将 是未来电动自行车动力源的发展方向 2 电机 电气技术发展到今天 各种电机的产生控制技术已经相当成熟 电动自行车电机有 多种选择 但普遍选择的还是有刷直流电机和无刷直流电机 采用这两种电机的原因在 于它们的控制方法简单 整车成本相对低廉 控制器可以满足自行车要求 无刷直流电 机相当于有刷电机的控制稍复杂 但因没有电刷而在寿命 安全方面优于有刷直流电机 电动自行车电机的驱动方式有 轮毂式驱动 中置式驱动 摩带式驱动和侧挂式驱动 市场上电动自行车以轮毂式驱动为主 而轮毂式驱动又以后轮驱动为好 前轮驱动性能 相对较差 绝大多数电动自行车采用的是直流轮毂电机 它们为外转子式 这样定子可 以固定在轴承上 非常适用于电动车的驱动 3 3 控制器 控制器是无刷直流电机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心 它主要完成 以下几个功能 1 对单片机控制输出的信号 pwm 调制信号 刹车信号等进行逻辑综合 为驱动电 路提供各开关的斩波信号和选通信号 实现电机的正反转和停车控制 2 产生 pwm 调制信号 使电机的电枢电压随给定速度信号而自动变化 实现电机 开环调速 3 对电机进行速度闭环和电流闭环调节 使系统具有较好的动静态性能 4 实现短路 过流 欠电压等故障保护功能 1 2 2 电动自行车的发展状况及趋势 随着人们对环保意识的提高和强化 以及对节能的重视 又由于电力电子技术的发 展和横向渗透 新的高能永磁材料的出现 以及镉镍电池 镍氢电池 全密封免维护铅 酸电池的出现 终于使电动自行车进入了一个快速发展的途径 将残疾人电动轮椅的驱 动系统经过改进搬到两轮自行车上来 为了能使他们的产品畅通无阻 顺利通过审查走 向市场 电动自行车实际上都是助力性的 不允许具有单独电动行驶的功能 现在的电动自行车被称为高技术的结合体 这是很真实的描述 比如 电动机采用 第三代永磁材料钕铁硼之后 体积可以做得很小 清华大学电机系在 20 世纪 90 年代中 期 试制了一台 500w 柱式无刷直流电机 它的体积只有普通 400w 励磁有刷直流电机的 1 5 左右 这种电动机重量轻 容易安装 节省电能 并且容易调控转速 这正是电动自 行车所要求的电动机类型 在电动机的调速控制方面 采用了最新电力电子器件和集成 电路 达到智能控制的境界 控制电路中兼有对电池电量监视系统 当电池放电达到临 界点时可以自动切断电源 保护电池免受过量放电而损坏或影响寿命 2 经过我国技术界的专家们的努力 我国的电动自行车事业得到迅速的发展 我国电 动车事业虽然起步较晚 但却是在一个较高的起点上开始的 目前我国可以从事电动自 行车生产和车用电源专业企业的企业已有很多家 所有这些厂家都有着雄厚的资金和技 术家底 有着相当的生产能力和丰富的经验 但是目前电动自行车的发展受到巨大阻力 可能陷入迷局 呼吁政府支持 主要障 碍有 没有车的名分 无法管理 没有路权 无法行驶 3 电动自行车要发展是毋庸置疑 4 的 鉴于我国目前的能源局势和世界产业竞争格局 发展还需要刻不容缓 但要如何解 决这眼前的障碍来促使其发展呢 经研究车辆定位是个核心问题 将其置于慢车道行驶 可以解决矛盾 电动自行车的输出功率仅为 0 35 0 5kw 与普通 125 系列中档摩托车 输出功率 8 10kw 相比 两者相差 16 倍 电动自行车的输出功率仅为 125 摩托车的 10 左右 与轻型摩托车或燃气摩托车相比 输出功率相差 2 3 倍 其功率仅为轻便摩 托车 助动车 燃气摩托车的 30 左右 如果将这种动力的车辆置于机动车道 它在加 速性能 最高时速 上坡能力等各个方面会与 真正的机动车 存在很大的差距 是肯 定不合适的 相反 将其作为慢车道行驶的车辆则不会产生问题 原因是电动自行车已 经全面采用现行高档摩托车的轮系和制动系统 它的制动能力远远优于普通自行车 制 动距离和制动时间仅为自行车的 50 以下 再辅之以自动的电磁阻力系统 可以吸收绝 大部分因自重增加或速度稍快而增加的惯性能量 操作的安全性优越 对于其它慢车道 上的交通参与者不会构成任何危险 虽然电动自行车不能与机动车相比 但是要缓解公 交车的压力 甚至替代公交车 改进电动自行车的性能是当今时代的需求 科学技术的发展带动着人们思维的进化 同样促使着人们工作效率的提高 效率提 高就是在单位时间内完成更多的任务 直接反映到时间的问题上 要提高效率就要节省 时间 交通是时间花费的一个方面 私人汽车毕竟只是一部分人能承受的 公交车也是 限时限量的 怎样可以既节省金钱又方便快捷呢 电动自行车应该是个不错的选择 它 集便宜 安全 方便快捷于一身 而且随着社会的不断进步 人们生活水平的提高 环 境保护和能源节约问题已经越来越受到重视 开发 零污染 高效率的绿色环保电动自行 车替代已成为一个不可逆转的趋势 且具有良好的发展前景 近年来 无刷直流电机 bldcm 以其体积小 结构简单 功率密度高 输出转矩大 动态性能好等特点而得到 了广泛应用 在电机的数字调速控制中 选择高效可靠的单片机将使控制系统的硬件电 路简单可靠 软件编制方便 系统整体性能得以提高 如今电动自行车已是公认的绿色 交通工具 日本和美国的电动自行车技术水平胜过我国 无论从车的外观和内在质量上 都堪称佳品 但其价格却令国人望而生畏 因而研制新型系统有效限制制造成本是必然 趋势 4 1 3 论文的主要内容 本课题研究的主要内容是利用现代单片机技术来解决无位置传感器无刷直流电机换 5 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的显示 本论文主要内容包括 1 根据直流无刷电机的原理 利用 pic16c74单片机作为主控芯片 检测直流无刷 电机运转时产生的反电动势来确定转子的位置 从而确定换向点和换向时刻 2 在电机的数字调速控制中 选择高效可靠的单片机将使控制系统的硬件电路简单 可靠 软件编制方便 系统整体性能得以提高 3 本系统使用的单片机内部有 pwm 模块 通过改变脉冲宽度寄存器或脉冲周期寄 存器的值 就可以改变输出的 pwm 占空比 从而控制电机的转速 4 通过电池的合理选择 来保证控制器的正常运行 5 电动自行车速度和电量数字显示模块的设计与实施 6 2 电动自行车控制器的系统分析 2 1 无刷直流电机的工作原理 2 1 1 无刷直流电动机的发展 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动 势获得位置信号的直流无刷电机称为反电动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 无刷直流电动机的运行原理 5 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 定子绕组只换向 6 次 每个极下换向三 次 相当于只有三个换向片的直流电动机 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 7 fa 如图 2 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 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 图 2 1 逆变器主电路 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 电机顺时针旋转 fa a b c a b c n s a a b c a b c n s fa b a b c a b c n s fa c a b c a b c n s fa d a b c a b c n s fa e a b c a b c n s fa f c cb a a b v1 v2 v6 v4 v5v3 w v u 8 2 2 无刷直流电动机的运行原理图 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向运行 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 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是无刷无位置传感器的稀土永 240 300 360 t a a t c c t b b 60 120 180 9 磁电机 其噪音小 效率高 维护 安装都比较方便 本课题是通过利用单片机主控芯片来检测来无位置传感器直流无刷电动机运转时产 生的反电动势来确定转子的位置 从而确定换向点和换向时刻 2 2 1 无位置传感器直流无刷电动机工作原理 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 4 所示 6 图 2 4 无位置传感器的直流无刷电机原理框图 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 由于此时检测难度极大 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 5 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 5 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 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 直流电源电子电路 电动机本体负载 10 图 2 5 电机运行时各相产生的反电势示意图 240 300 360 60 120 180 t a a t c c t b b 0 0 0 11 3 直流无刷无位置传感器电动自行车控制器的设计 3 1 直流无刷无位置传感器电动机的数学模型 7 无刷直流电机的无位置传感器控制的关键技术在于转子位置信息的获取及估算方法 无位置传感器检测方法主要包括反电动势过零点检测法 反电动势三次谐波积分检测法 续流二极管检测法 反电动势积分法 磁链估计法 扩展卡尔曼滤波法等 本文所采用 的位置检测方法为经典的反电势过零点检测法 其原理如下 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 asbsbaii 式 3 1 vaabvbuuuu 式 3 2 a aaia di urilu dt 式 3 3 b bbib di urilu dt 当 导通时 即电流从 a 相流入 c 相流出 ascscaii 式 3 4 vaacvcuuuu 由 式 3 1 式 3 4 可得 式 3 5 avavbvcabc 1 u2uuuuuu 3 同理可得 式 3 6 bvbvcvaabc 1 u2uuuuuu 3 12 式 3 7 cvcvavbabc 1 u2uuuuuu 3 再由 式 3 2 式 3 3 及可得 baii 式 3 8 abiaibuuuu 同理可得 式 3 9 bcibicuuuu 式 3 10 caiciauuuu 综合 式 3 8 式 3 9 式 3 10 可得 式 3 11 abciaibicuuuuuu 将 式 3 11 分别代入 式 3 5 式 3 6 式 3 7 得 式 3 12 avavbvciaibic 1 u2uuuuuu 3 式 3 13 bvbvcvaiaibic 1 u2uuuuuu 3 式 3 14 cvcvavbiaibic 1 u2uuuuuu 3 式 3 15 0vavbvciaibic 1 uuuuuuu 3 式 3 16 abciii0 将 式 3 2 代入 式 3 12 得 式 3 17 cc a vaiavxiaa x ax a 1di uuuuril 3dt 同理可得 式 3 18 cc b vbibvxixb x ax a 1di uuuuril 3dt 式 3 19 cc c vcicvxixc x ax a 1di uuuuril 3dt 当 导通时 即电流从 a 相流入 b 相流出 c 相没有电流 此时 asbs baii ci0 vavbduuu iaibicuuu0 若过零 即 则icuicu0 13 同理可得 这就是在建立无位置传感器 vavbd vc uuu u 22 d va u u 2 d vb u u 2 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 asbs baii ci0 vad 1 uu 2 vbd 1 uu 2 iaibicuuu0 由 式 3 19 可知 式 3 20 vcic 3 uu 2 同理可得 式 3 21 vaia 3 uu 2 式 3 22 vbib 3 uu 2 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 电动自行车的运行参数显示功能设计 本课题只对速度显示和蓄电池容量显示做了简要设计 3 2 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 本课题使用七段型液晶显示器件 如图 3 1 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 2 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 驱动器 和使能检测器等组成 驱动器一方面提供片内 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 a1f1e1d1c1g1b1a2f2e2d2g2b2c2 14 图 3 1 七段型液晶显示的电极引线排布 icm7211 a 接口部结构为 4 位数据线 b0 b3和 2 路位选线 d0 d1 数据线 b0 b3接 单片机的 i o 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 七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 2 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 池的总容量通常用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 a2g2a1g1 osc b3 d0 d1 b0 七段驱动器 七段锁存器 七段译码器 七段驱动器 七段锁存器 七段译码器 振荡器 19khz 128bp 驱动器 使能检测 en bp 15 ddqit 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 3 所示 图 3 3 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 式 d1d1d2d2dndnqititit 3 23 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 由于蓄电池内阻 r 的存在 当蓄电池两 端接上负载 r 时 内阻上就会产生压降 此时蓄电池的端电压不是电势 e 而是 式 3 24 ueir 而蓄电池的内阻与蓄电池的容量成反比 在充电过程中 内阻逐渐减小 在放电过 程中增加 由 式 3 24 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 电压 o 时间 恒电流放电 16 4 电动自行车控制器的硬件设计 4 1 芯片的选择 设计硬件前有许多准备工作需要做 它们是硬件设计的基础 主要有芯片的选择 在电动自行车无刷电机控制器这样一个应用场合来说 根据对控制器的要求有多种数 据处理芯片可供选择 若控制方法复杂 运算量较大 精度性能要求较高 可以选用 osp 高能芯片 若运算量较小 速度要求不特别高 主要运算为逻辑运算 而且输出 i o 口较多 则应用单片机设计较好 单片机的好处是自带 a d 接口 pwm 模块 捕捉 比 较功能 外中断 内部定时器甚至通讯 自编程等功能方便实现用户功能的同时大大减 少外围电路 降低成本和可靠性 目前市场上单片机种类型号非常多 多家公司在生产 各有所长 本课题通过比较现在市场上常应用于电动自行车中三个系列单片机型号的优缺点 并根据课题研究的目的来合理选择芯片型号 从而达到论文要求 8 1 可编程片上系统系列 psoc psoc programmable system on chip 是美国 cypress microsystem 公司推出的新一代功 能强大的 8 位可配置的嵌入式单片机 该系列单片机与传统的单片机根本区别在于其内 部集成了数字模块和模拟模块 用户可以根据不同设计要求调用不同的数字和模拟模块 完成芯片内部的功能设计 使用该芯片可以配置具有多种不同外围元器件的微控制器 适应非常复杂的实时控制需求 大大提高产品的开发效率 降低了系统开发的复杂性 同时增强了系统的可靠性和抗干扰能力 但是就目前的发展趋势来看 psoc 的价格还相 对别的单片机较贵 还不能脱机工作使用 而且拔插换目标板的过程中经常出现问题 需要重插启动 下载的速度也比较慢 应用市场局限 仅就这个课题研究的过程来说 其内部结构太过复杂 不利于研究 17 2 pic 系列 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 价格更廉以及组成系统时所 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 15 a 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 3 mc33035 系列 mc33035 是 motorola 公司的第二代直流无刷电机控制专用集成电路系列 这种芯片 功能很齐全 包括 位置检测 提供带有温度补偿的参考电源 产生脉宽调制所需的锯 齿波脉宽调制比较器 误差检测放大器 三个集电极开路上桥臂驱动器 三个电流较大 的下桥臂驱动器 特别适合于驱动功率 mosfet 它还可提供低电压保护 瞬时限流保 护 内部过热保护 mc330305 是一个控制电路 它的功率输出应由外部电路组成 加上 适当电路可组成大功率电路 还可容易地形成闭环 基于 mc33035 的直流无刷电机控制 系统具有电路简单 价格经济 抗干扰行强 可靠性高 稳定性好等优点 但其只适合 在电机控制精度不太高 功率要求不太大的情况下广泛应用 综上所述 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 pic16c74 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 18 3 低功耗 sleep 方式 4 工作电压范围宽 3 0 6 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 多个内部及外部中断源 9 具有 3 个 8 位定时器和 2 个 pwm 输出 由上述可知 该芯片的功能及参数可以满足直流无刷无位置传感器电动自行车设计 方案的要求 4 2 无位置传感器无刷直流电动机的反电动势检测及换向控制 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 cba dc r2 r2r2r2 r2r2 r2 r2 r1r1r1r1 c c c c z y x 3 2 1 lm324 p4 p6 p5 p3 p2 p1 rb7 rb6 rb5 pic16c74 rb3 rb2 rb1 rc7 rc6 rc5 ccp1 4081 19 图 4 1 反电势检测 换向控制及调速电路图 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 0 l 还是从高到低 l 0 而比较器在一个 周期内 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 中含有的高频信号及外界干扰 必须经过滤波电路以滤掉高频信号及外界干扰 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 电动自行车的起动方法 直流无刷无位置传感器电动自行车的起动其实就是直流无刷无位置传感器电机的起 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起动 9 方案一 电动自行车由于其特殊性 使用的是轮毂式电机 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 在行驶时轮毂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 20 电动自行车的起动 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 4 2 起动过程中 反电势法的转子位置信号 a b c 无效 所以图 4 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 信号选择及译码均由单片机的软件程序实现 图 4 2 外同步起动原理框图 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 反电动势信号 信号选择器 保护信号 自同步信号 译码 c b a c b a 转子位置信号外同步信号 21 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 4 3 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 在图 4 3 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 e0 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 假如在转子转过了个电角度之后 达到了etk 60 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 图 4 3 固定斜率加速曲线示意图 令 t0 0 由 t0 tl t2 tk的值可得 110ttt 221ttt k1k1k2ttt kkk1ttt 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 4 4 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 10 如图 4 4 图 4 5 所示 0t s e rad s t k 12v t1 t2 t3 c1 r1 r3 r4 r2 d1 d2 s g d3 p b t4 r4 t1 t2 t3 r2 r5 r1 r3 g p 12v 22 图 4 4 上桥臂驱动电路 图 4 5 下桥臂驱动电路 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 4 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 mosfet 相连 图 4 3 所示的电路 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 5 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 另外 单片机在刚通电执行初始化程序时 还未来得及封锁 i o 端口 rc7 rc6 rc5 rb1 rb2 rb3 使功率管 mosfet 关断 若上下桥臂中 p 点同为低 电平或同为高电平 功率管 mosfet 导通 则此时 有可能出现上下桥臂中的功率管 mosfet 即 v1 v4或 v3 v6或 v5 v2 同时导通 这样使电源的正负极直通 电流很 大 烧坏功率器件 因此在设计上下桥臂的驱动电路时 需要注意让上桥臂中 p 点为低 高 电平时 功率管 mosfet