毕业设计-基于PIC16C74单片机的电动自行车无位置传感器直流无刷永磁电动机设计.doc

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abstractin the recent years，the motorbike has rapidly developed with the improving of living chinese people. because of air pollution of internal combustion engine the local governments of different cities in china come on a lot of rules of law to restrict the use of combustion engine and then to promote the environment protection. to replace the motorbike with a short green transportation has become some nations economic and social issue. this paper deals with an electric motor driven bike (eb) and its control stratagem. without fail，eb 15 very helpful to environment protection. nevertheless eb has its disadvantages，especially the too weak continuous run distance. except the battery problem，the efficiency of the whole system 15 also one of the most important problems to be solved. a permanent brush-less and sensor-less dc motor and its control set are specially designed for this developed eb. a study on control stratagem and electronic resorts are given in this paper. a microchip pic16c74 used as cpu and corresponding software developed by author 15 introduced in this control system. the experiments of the prototype show that the performance，including system efficiency，noise，spark，maintenance-free and its cost are obviously improved. it may be expected，that this eb driving system has really huge market potential.key words: motor bike；position sensor；bldc motor；microcomputer controlled目录摘要iabstractii第1章 概述- 1 -1.1 电动自行车的意义及发展状况- 1 -1.1.1 电动自行车的意义- 1 -1.1.2 电动自行车的发展状况- 2 -1.2 本课题的主要任务- 2 -第2章 电动自行车的研究- 3 -2.1 直流无刷电机原理简介- 3 -2.1.1 直流无刷电机的发展- 3 -2.1.2 直流无刷电机的运行原理- 3 -2.2 电动自行车的驱动电机原理- 5 -2.3 电动自行车的转矩- 7 -第3章 直流无刷无位置传感器电动自行车的控制设计- 9 -3.1 电动自行车的启动方法- 9 -3.2 电动自行车的运行参数显示功能设计- 11 -3.2.1 速度显示- 11 -3.2.2 蓄电池的容量显示- 12 -第4章 驱动控制的硬件设计- 14 -4.1 pic单片机简介- 14 -4.2 驱动电路- 15 -4.3 调速和过流保护- 17 -4.3.1 电动自行车的调速- 17 -4.3.2 过流保护- 18 -4.4 液晶显示电路- 20 -第5章 系统软件构成- 21 -5.1 系统主程序结构- 21 -5.2 中断程序- 22 -5.2.1 反电势过零中断- 22 -5.2.2 定时中断- 23 -5.2.3 a/d中断- 25 -参考文献- 27 -总 结- 28 -致 谢- 30 -附录1：- 31 -附录2：- 42 -附录3：- 43 - 47 -第1章 概述1.1 电动自行车的意义及发展状况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。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及人民群众重视。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。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，一百公里耗电量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。本论文主要内容包括：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作为主控芯片，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、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。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2.2(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60120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。2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，国内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。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。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2.5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。电动机本体电子电路直流电源图2.4 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。图2.5 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。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p=f*v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，v=6.69km/h；当=3时，v=5.02 km/h；当=3.44时，v=4.52km/h（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 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5。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，信号选择及译码均由单片机的软样算法实现6。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。we(rad/s)kt/s0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et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。3.2 电动自行车的运行参数显示功能设计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7。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3.2.2 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(ah)。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： (3.24)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(ah)/放电电流id(a)等因素8。 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： (3.25)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(3.25)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、价格更廉价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9。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、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10。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11： 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、工作电压范围宽：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，多个内部及外部中断源。9、具有3个8位定时器和2个pwm输出。4.2 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4.1、图4.2所示。图4.1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4.1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，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4.1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4.2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4.2下桥臂驱动电路另外，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(在实验中遇到这种情况)。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导通，为高(低)电平时，功率管mosfet关断;而在下半桥臂中则要让p点为高(低)电平时，功率管mosfet导通，为低(高)电平时，功率管mosfet关断，以避免出现电源短时的直通，烧坏功率器件现象12。 在直流无刷电机驱动主电路中，电机换向时功率管mosfet突然关断，某一相的电流突变为0。根据下式： 可知，电机相绕组电感在电流突变为0的瞬间，产生的电压很大，若不采取续流措施，使换向时相电流逐渐衰减为0，则可能损坏功率器件或电机。在直流无刷电机驱动主电路中使用的每个功率管mosfet实际上在其内部集成并联一个续流二极管，如图4.3所示。图4.3主电路4.3 调速和过流保护4.3.1 电动自行车的调速电动自行车的在行驶过程中，并不是以恒定的速度进行，有时需要加快速度，有时需要减慢速度，因此调速是电动自行车不可缺少的一个功能。电动自行车的调速常常是在手柄上安装一个光耦可调电阻，由手动实现的；在实验中用的是可调电阻，其原理如图4.4所示。k点的电压uk值将随着可调电阻的位置变化而变化，向上调，uk值增大；向下调，uk减小。单片机将uk值采样后经a/d转换后送到pwm波占空比寄存器来决定pwm波占空比。图4.4电动自行车调速原理图pic16c74单片机有8个8位a/d接口，这里只使用一个端口ra0作为速度采样端口，图4.5所示的是pici 6c74单片机pwm工作方式结构示意图，pwm的输出周期是由定时器2的周期寄存器prz的设置决定的，同时，也与上器件频率和定时器2的预分频值有关。下式说明pwm周期和占空比的计算。 pwm周期=(pr2)+l 4 tosc (tmr2预分频值) pwm占空比=(dc1) 4 tosc （tmr2预分频值)其中，dc1的10位值由8位的ccpr1l的值(作为10位中的高8位)和控制寄存器ccp1con中的d5和d4(作为最低两位)组成，所以pwm的输出分辨率是可编程的，可从8位的定时器2模块得到10位的分辨率。 当ra0将给定uk值采样后经a/d转换送给占空比寄存器ccpr1l，由单片机的ccp1端口发出pwm波，对与下桥臂相连的i/o口输出波进行脉宽调制，决定功率管的导通时间。图4.5 pwm工作方式结构示意图 4.3.2 过流保护直流无刷电机在起动或超负荷运行时，其电流很大，如不加限流保护，将会烧坏控制板上的功率器件，甚至会损坏电机。当电机刚起动时，反电势e尚未建立或者很小(可以忽略不计)，则直流无刷电动机的相电压平衡方程由下式 （4.1）可得： （4.2）由式(4.2)可知，此时电流很大，烧坏功率开关器件，若电动机的磁极是永磁体，则能引起永磁体的去磁。因此必须过流保护措施，其过流保护电路如图4.6所示13。k点与图4.3中的k点相连（图4.2中的电阻r1是取样电阻，其值很小，常取0.01)，取样电压在被lm328放大后，送至比较器lm324，给定参考电压比较，当主电路的电流增大，大到取样电压高于参考电压值时，lm324输出为低电平，使半导体开关器件t立即导通，b点的电势降为0，而b点与图4.2上桥臂中的b点相连，此时上桥臂半导体开关器件tl的基极电压为0，半导体开关器件tl关闭，使得上桥臂的功率管mosfet关断，切断主电路的电流，当主电路的电流正常时，采样电压降到低于参考电压值，比较器lm324输出为高电平，由于电容c3的存在，需要给电容c3充电，使得半导体开关器件t延时一段时间后截止，上桥臂的驱动恢复正常。图4.6电路中的d1、r7、c3 图4.6过流保护电路图组成了一个单稳电路，使得主电路过流时，保护电路立即响应，切断主电路电流；当主电路电流降到安全值时，保护电路要延时一段时间后，才使主电路恢复正常。在实验过程中需要正确调整图4.6中电阻r4和r5的比值，确保主电路的安全，实验证明，该保护电路速度快，效果比较好。另外，可以将与非门4011的输出信号送给单片机，由软件识别电机处于起动或过载状态，若处于过载状态，则使上桥臂的功率管mosfet关断，切断电流，同时伸单片和复位，重新起动。4.4 液晶显示电路由前面叙述可知，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。由portb端口引起单片机中断相邻两次的时间是60电角度时间(即t/6)，如图3.3所示，而在60电角度时间里，电动自行车行驶的里程等于车轮周长的六分之一(一个周期车轮旋转一转)，因此单片机只要测量出由portb端口引起的相邻两次中断的时间t就可以计算机出电动自行车的行驶速度14。 （4.3）式中：v速度，d车轮直径。单片机将v处理后送给静态数字量输入型液晶显示驱动器，显示当前电动自行车的行驶速度。其原理如图4.7所示。图4.7速度显示控制原理图在这里需要解释的是本方案是在电机绕组产生的反电势能够被检测到(即反电势能够引起比较器的输出波形变化，使单片机产生中断)的情况下实现的；当电动自行车处于起动状态(即反电势为零或者不能够引起比较器的输出波形变化)时，速度不能够被显示。第5章 系统软件构成在前面几个章节里已经介绍了直流无刷无位置传感器电动自行车的原理、方案及硬件设计等方面的内容，控制方面采用microchip技术公司生产的pic16c74单片机作为主控芯片，在本章节里将介绍软件控制的内容。5.1 系统主程序结构主程序的主要任务是系统初始化、识别启动方式、过流保护、等待中断等，其结构流程图如图5.1所示。图5.1主程序流程图初始化主要是：端口的初始化，如将rb5rb7设置为输入状态，rb1rb3、rc5rc7、rd6rd3等端口设置为输出状态，置rb1rb3、rc5rc7初始值，使上下桥臂的功率开关管mosfet关闭等；设备的初始化，如a/d转换、定时器等的初始化；芯片配置字节的设置，如定时器的字节位数选择等。外同步加速，当电动自行车处于行时或人工使车轮旋转状态(3.2节的方案一)，即电机产生的反电势过零能够引起单片机中断时，就不需要采用外同步加速来起动，当电机产生的反电势过零能够引起单片机中断时，才采用外同步加速方式起动。在外同步加速起动的控制中，按照前面叙述的思想，将控制字编码表事先存放在eprom中，单片机依次从控制字编码表中取出编码以控制功率管的导通，形成下一个定子磁动势，使转子继续朝定子磁动势的方向运行，如此反复，电机的转速逐渐增大，反电势上升，直至反电势使检测电路发挥作用，将外同步加速起动方式切换到电机的正常运行状态下15。当主电路的电流大于某一值(即过流)时，过流保护电路中的半导体开关器件t输出为高电平(此时，保护电路切断主电路的电流，见本文4.3节)：主电路的电流正常时，t输出为低电平。因此单片机根据此情况对主电路的过流次数进行计数，当连续超过一定次数时，单片机将封锁驱动电路的上、下桥臂，延时一段时间，再重新起动电动自行车。5.2 中断程序 在单片机的控制中，常常使用中断进行分时操作、实时处理和故障处理，提高了外设的工作速度。在本控制系统中利用中断来处理计时、发送编码、完成a/d采样等工作。5.2.1 反电势过零中断由前面叙述的思想可知，当反电势过零时，比较器的输出波形将跳变一次，引起单片机中断，在中断中将要完成计时、延时和相关计算的任务，其结构流程图如图5.2所示。直流无刷电机三相绕组互成120角，当相绕组两两导通时，其相邻两次反电势过零相差60电角度(如图2.7所示)，因此测出相邻两次反电势过零的时间，再除以2，就是30电角度的时间。在这里需要注意的是，pic16c74单片机没有乘除指令，若利用电机运行的一个(或半个)周期来计算30电角度时间，则需要调用乘除子程序，占用单片机的运行时间。在此程序中利用pic16c74单片机不带进位位寄存器内容循环右移“rrncf”指令，将相邻两次反电势过零的时间值放到位寄存器内向右移一位，实现除以2的目的。因此在电机实现换向后，利用定时中断时刻开始计时。需要说明的是，pic16c74单片机的定时器是8位的定时器，其模块中的计数器每个周期加1，因此30电角度时间的定时应从(28t1)或(28)时刻开始。5.2.2 定时中断在定时中断中主要完成计时、向与驱动控制的i/o输出口正确地发驱动编码等任务，其结构流程如图5.2所示。当30电角度时间定时到了时，单片机产生中断，在此中断中，由上一节内容可知，让tmr1开始计时。同时单片机需要向与驱动电路连接的i/o口发编码，为了正确发出编码，将编码和比较器lm324三个端口状态一一对应的关系存入单片机eprom的表格中，单片机在发编码之前，读入rb5、rb6、rb7三个端口的值(即比较器三路端口的状态)，与表格中相应栏的值比较，找出与三个端口值对应的编码发出去。表5.2中表示的是电机在换向点处还没有换向时单片机部分i/o输出口状态、功率管mosfet状态和比较器端口状态关系。 关 中 断开 始tmr1开始计时查 表发 编 码返 回检测rb5、rb6、rb7的电平开 放 中 断图5.2定时中断结构流程图表5.1电机在换向点处还没有换向时单片机部分i/o输出口状态、mosfet状态和比较器端口状态的关系表换向点60120180240300360比较器端口100111021000113111000单片机i/o输出端口rb1000011rb2110000rb3001100rc5100111rc6011110rc7111001功率管mosfetv1断断断通通断v2断断断断通通v3通断断断断通v4通通断断断断v5断通通断断断v6断断通通断断 根据pic单片机i/o口的特点，写值是到输出锁存器里，读是i/o口的电平，单片机读入portb上8个口上的电平之后，将其值送到工作寄存器中，置工作寄存器的d0d4位为0，再将表中比较器的状态值与工作寄存器的值比较，取相等值的比较器状态所对应的i/o口状态值，分别发送给portb、portc输出锁存器，来控制i/o输出端口的电平变化，从而实现换向。发送编码值与读入编码值的对应关系见表5.2，表5.2中表示的是电机在换向点处已经换向后的比较器端口状态、单片机部分i/o输出口状态和功率管mosfet状态关系。5.2.3 a/d中断在a/d中断中主要完成给定速度模拟量的a/d采样转换、将转换结果送入占空比周期寄存器，其结构流程如图5.3所示。表5.2电机在换向点处换向后比较器端口状态、单片机部分i/o输出口状态和mosfet状态的关系表换向点60120180240300360比较器端口1/rb50011102/rb61000113/rb7111000状态值0x0c0x080x0a0x020x060x04单片机i/o输出端口rb1000110rb2100001rb3011000状态值0x400x800x800x200x200x40rc5001111rc6111100rc7110011状态值0xc00xc00x600x600xa00xa0功率管mosfetv1断断通通断断v2断断断通通断v3断断断断通通v4通断断断断通v5通通断断断断v6断通通断断断图5.3 a/d中断结构流程图参考文献1陈清泉，詹宜巨.21世纪的绿色交通工具电动车.清华大学出版社、暨南大学出版社.2000 2王迎旭.单片机原理与应用m.北京机械工业出版社.20043张世铭.电力拖动直流调速系统.