基于单片机的电动自行车调速专业系统设计.doc

基于单片机电动自行车调速系统设计摘要：近年来，随着人们生活改进，摩托车、燃油助力车得到迅速发展，其排放尾气已导致都市空气严重污染，某些都市相继制定法规限制摩托车、燃油助力车使用来保护环境。发展短距离绿色交通工具代替摩托车、燃油助力车成为某些国家经济和社会课题。电动自行车具备“零排放”，是一种比较好短距离绿色交通工具。由于电池问题，限制了电动自行车行驶距离，但可以通过提高系统效率来改进其性能。本课题研制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，它不但克服了有刷直流电机噪音、换向火花等缺陷，并且避免了有位置传感器直流无刷电机因位置传感器带来局限性；同步，它减少了制造和使用过程中成本，提高了使用和维护以便性，具备效率高、环保、经济和以便特点以及具备良好运营性能和巨大市场潜力。核心词：电动自行车；位置传感器；直流无刷电动机；单片机控制Based on the SCM system designspeed electric bicyclesAbstract:In 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第1章 概述1.1 电动自行车意义及发展状况1.1.1 电动自行车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，使得空气中二氧化碳和二氧化硫急剧增长，导致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”频繁浮现。酸雨导致农作物减产，大片森林死亡；温室效应给工农业生产和人民生活导致损失，无法预计。当前，发展中华人民共和国家空气还在进一步恶化，国内作为世界上最大发展中华人民共和国家，环境问题已经引起党和国家以及人民群众注重。研究表白，导致大气污染重要气体有非甲烷有机物、氧化氮和一氧化碳等气体。具记录，在美国城区大气中，43%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，而全世界20%一氧化碳排放量来源于燃油机动车废气。由此可见，燃油机动车废气己成为都市大气污染一种重要来源。燃油机动车废气中氮氧化物在太阳紫外线照射下，容易形成高毒性光化学烟雾，再加上机动车噪音，严重污染着咱们赖以生存自然环境，直接危害着咱们身体健康。因而，在大都市，燃油机动车废气和噪音已成为倍受关注公害之一。随着国内改革开放进一步，人民生活水平日益提高，在家用轿车还没有普及状况下，摩托车和燃油助动车得以广泛使用，这给国内都市环境问题带来很大压力，例如在上海市，1995年中心城区内机动车一氧化碳、非甲烷有机物和氧化氮排污负荷分别占该区域内相应排放总量76%、93%和44%；某些都市如上海、广州、合肥、济南等，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牌照。因而，研制生产出一种无污染、低噪音交通工具来代替摩托车和燃油助动车，已是时代需要。电动自行车正是在这样呼唤下，逐渐走进人们生活中。电动自行车与摩托车、燃油助动车相比较，它具备突出长处： （1）无污染电动自行车是以蓄电池发出电能作为驱动能源，以电动机作为动力，运营过程中没有废气排放；因而和摩托车、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，电动机在运营中产生噪音比较小，运营比较平稳。而摩托车、燃油助动车是由燃油发动机驱动，其汽缸产生噪音比较大，由于受到体积限制，其发电机缸数较少，运营时不够平稳，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，并且电动自行车普通不能在机动车道上行驶，因而相比之下安全诸多。（4）效率高摩托车、燃油助动车效率普通只有30%左右，而电动自行车效率可以达到70%以上。（5）构造简朴、轻便，易维护、维修电动自行车普通是有蓄电池、控制板、电机和车身构成；蓄电池用是免维护，电机故障率较低，基本上不要维护，控制板由于当代电力电子技术比较成熟，损坏率也比较低，此外电动自行车没有机械传动构造，体积小、重量轻，因而相比摩托车、燃油助动车来说，其寻常维护、维修量少得多。正是由于以上因素，电动自行车逐渐受到人们欢迎。1.1.2 电动自行车发展状况为理解决燃油车对环境导致严重污染和缓和日益突出能源危机，许多国家都在寻找代替燃油机车交通工具。相继开发了以天然气、甲醇为燃料交通工具，相比之下，电动车以零污染、高效率、低噪音特点被以为是真正“绿色”交通工具，而电动汽车受到机电、电池限制，批量进入市场尚有一定难度，电动自行车却得到迅速发展。1、自从1993年雅马哈公司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主流。日本本土1996年电动自行车销售量在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需求量在750万辆，并且每年以5%10%速度递增，其中尚有一半需进口。相继之下，不少公司如本田、三菱、五十铃等50多家公司参加电动自行车、电动助力车研究开发，共生产出48个品种规格。日本电动自行车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；蓄电池普通以镍铬或镍氢为主，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%速度递增大某些靠进口；美国克莱斯勒汽车公司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月推出一款电动自行车，年销售目的在1000万辆。美国ZAP（Zero Air Pollution）公司生产电动自行车是采用摩擦轮驱动方式，其重要特点是安装以便，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使用寿命，节约能源。欧盟许多国家对电动自行车年需求在量1000万辆左右。德国MSG公司、DIAMANT公司、SAGHS公司、英国ASGHBAGH公司、奥地利VEIECKRO公司、SCHACHANER公司生产电动自行车己投入市场，销路较好，致使德国奔驰、法国标致等大公司也把目的投入到电动自行车这一产品上来。2、国内电动自行车在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世纪世界环保潮流。从1996年“上海国际自行车展览会”到1997年在浙江上虞召开“全国电动自行车信息交流会”短短一年里，国内开发厂家从20多家一跃发展到100多家。许多地方如上海、天津、江苏、四川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，特别采用集成电路、电子元器件，提高了电动自行车控制器质量，使其可靠性、安全性、灵活性得到了提高。中华人民共和国是一种自行车王国，据报道全国自行车拥有量为4.5亿。随着国内都市化进程加快，用电动自行车代替摩托车、燃油助动车和自行车，一方面可以缓和都市中大气污染问题，另一方面也可以提高人们生活节奏，因而电动自行车社会需求市场巨大，据专家预测，本世纪初，国内电动自行车年需求量将达到100万辆以上。当前，国内市场上国产电动自行车品种规格较多，驱动多数用有刷或无刷轮式直流电机，工作电压为24V、36V或48V，功率在150W400W之间；蓄电池普通用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 本课题重要任务由于电动自行车诸多长处，市场需求量大，因而电动自行车在将来发展潜力比较大；但是当前市场上电动自行车还或多或少存在某些不够完善地方。使用有刷直流电动机容易解决电压换向问题，但是噪音大，并且碳刷容易磨损、损坏，增大维护、维修难度、增长使用成本；使用位置传感器，容易解决直流无刷电机换向时，转子位置检测，但是增大了电机设计、制造、安装难度和电机体积，也增长成本。因而，本课题重要任务是运用当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、驱动中不完善地方，同步设计出以便顾客使用电动自行车运营参数显示和防盗系统。本论文重要内容涉及：l、依照直流无刷电机原理，运用美国Microchip公司生产芯片PIC16C74A做为主控芯片，检测直流无刷电机运转时产生反电势来拟定转子位置，从而拟定换向点和换向时刻。2、运用液晶技术，设计出电动自行车运营过程中参数显示系统。3、实验、计算、分析成果得出结论。 第2章 电动自行车研究2.1 直流无刷电机原理简介2.1.1 直流无刷电机发展直流无刷电机是在直流有刷电机基本上发展起来。由于直流有刷电机换向器和电刷在电机高速运营时容易产生火花，引起火灾、爆炸等事故，因而许多环境限制了直流有刷电机应用。随着科学技术发展，开关型晶体管研制成功，为直流电机发展带来生机。通过不断研究和实践，人们终于找到了用位置传感器和电子换向线路来代替直流有刷电机机械换向装置。六十年代初浮现了用霍尔元件传感器直流无刷电机，七十年代初浮现了比霍尔元件传感器敏捷度高许多倍磁敏二极管换流直流无刷电机。随着人们不断努力，又发现了不用位置传感器，而依托电机绕组在运转时产生反电势来获得位置信号实现换向直流无刷电机。普通把这种运用检测绕组反电势获得位置信号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备无换向火花，抗干扰性强，运营可靠，维护简便，使用寿命长等长处，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 直流无刷电机运营原理普通永磁式直流电动机定子由永久磁钢构成，其重要作用是在电动机 气隙中建立磁场，其电枢绕组通电后产生电枢反映磁场，由电力电子逆变器供应电枢绕组电流并不是正弦波，而是120方波，因而三相合成磁动势不是恒速旋转，而是跳跃式步进磁动势，它和恒速旋转转子磁动势产生献转矩除了平均转矩之外，尚有脉动分量。由于电力电子逆变器换向作用，使得这两个磁场方向在电动机运动过程中始终保持一定角度，从而产生最大平均转矩而驱动电动机不断地运转，与直流有刷电动机不同，直流无刷电动机电枢转一圈，定子绕组只换相6次，每个极下换相三次，相称于只有三个换向片直流电动机。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。一方面假设转子处在图2-2(a)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作用下，转子将顺时针旋转，转到图2-2(b)位置时，图2-2 无刷直流电动机运营原理图如果使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，在这个磁动势作用下，转子也会随之旋转，如果使开关管重复按上述规律导通，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分析可见，要使直流无刷电动机对的换相运营，必要懂得图2-2所示六个转子核心位置，六个转子核心位置即相应着直流无刷电动机反电动势过零点后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六个转子核心位置信息，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三相定子绕组反电势直接或间接获得转子位置信息。2.2 电动自行车驱动电机原理电动自行车发展离不开其所采用核心驱动元件电机发展，电机是电动自行车发展重要标志。第一代电动自行车使用是有刷高速绕组式电机，电机转速达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是有刷低速电机或有位置传感器无刷电机，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是无刷无位置传感器稀土永磁电机，其噪音小，效率高，维护、安装都比较以便。当前，国内市场上电动自行车使用电机有三种：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 有位置传感器直流无刷电机原理有位置传感器直流无刷电机重要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三个某些构成，其原理框图如图2-4所示。有位置传感器直流无刷电机电流换向重要是通过位置传感器测得转子位置，拟定功率开关器件导通或关闭，其构造原理图如图2-5所示，位置传感器是由六只光电器件Pl、P1、P2、P2、P3、P3构成，位置各直流电源开关电路电动机本体位置传感器图2-4 有位置传感器直流无刷电机原理框图相差60，均匀分布在电机一端，借助安装在电机轴上旋转遮光板（或称截光器）作用，使得从光源依次照射在各个光电器上，并依照某光电器与否被照射到光线来判断转子位置。当某光电器被光照射届时，它所连接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V3、V4导通，其所相应转子位置和绕组产生磁动势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相应连接功率开关器件V4、V5，V5、V6，V6、V1，V1、V2 ，V2、V3依次导通，其所相应转子位置和绕组产生磁动势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换向。图2-5 有位置传感器无刷电机构造原理图2.2.2 无位置传感器直流无刷电机原理有位置传感器直流无刷电机换向重要靠位置传感器检测转子位置，拟定功率开关器件导通顺序来实现，由于安装位置传感器增大了电机体积，同步安装位置传感器位置精度规定比较高，带来安装难度；因而人们在研究过程中发现，运用电子线路代替位置传感器检测电机在运营过程中产生反电势来拟定电机转子位置，实现换向。从而浮现了无位置传感器直流无刷电机，其原理框图如图2-6所示。由图2-2无刷直流电动机运营原理图可知，当电机在运营过程中，总有一相绕组没有导通，此时可以在该相绕组端口检测到该绕组产生反电势，该反电势在60电角度是持续，由于电难度极大，因而必要找到该反电势与转子位置关系，才干拟定转子位置。从图2-7中可以看出，反电势在60电角度过程中总有一次通过坐标轴（过零点），而此点电角度和下一次换向点电角度正好相差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相产生反电势如图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换向。直流电源电子电路电动机本体图2-6 无位置传感器直流无刷电机原理框图 固然也可以通过检测反电势通过电角度0，60， 120， 180，240， 300，360这些特殊点处直接实现换向，这将在下一章进行论述，这里将不再赘述。图2-7 电机运营时各相产生反电势示意图2. 3 电动自行车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，也就是电动自行车转矩性能，而电动自行车驱动力重要来自于电机，因而电动自行车电机电磁转矩大小直接影响电动自行车爬坡性能好坏。2. 3. 1 直流无刷电机平均电磁转矩当直流无刷电机有负载时，通过绕组中电流与气隙中合成磁场互相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)电枢反映影响不计；3)控制电路开关状态时，功率管导通压降Ut不变；(4)绕组电感不计；(5)绕组为60相带、均匀、整距三相对称绕组。此外，为了推导以便，对下面需要用到符号进行定义：每极最大磁通； a、b、c表达A，B，C三相磁通；转子电角速度，=；极对数；n转速，rmin； 相电势最大值，；基波绕组系数；W每相串联匝数；绕组并联支路对数；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功率管导通压降；ia、in、ic分别表达A，B，C三相电流；i导体中电流，；电枢内径。 那么各相磁通表达式为： （2-1） 而气隙磁密成正弦分布，电机绕组为整距三相对称绕组，则： （2-2）电机各相电势表达式为： （2-3） 电机各相电流表达式为： （2-4）依照可得在A相电枢表面任一点X处导体受到电磁力为： （2-5）则相应电磁转矩为： （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，对于一种直流无刷电机来说，它平均电磁转矩与电压、电机内部构造、材料等成一定关系。2.3.2 电动自行车转矩在讨论电动自行车在行驶时转矩，为了以便起见，假定：(1)电动自行车自重35公斤，载重75公斤，先后车轮直径均为0.6lM；(2)电动自行车效率为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推动力牛顿，那么电动自行车转矩，也就是电机输出电磁转矩应为5.76 NM。 当电动自行车在上坡路（坡面角为）面上行驶时，电动自行车推动力=水平路面上行驶时推动力+载重和车重沿坡面分量，即：而，当=1时，；当=2时，；当=3时，；当=3.44时，（当前都市道路坡度普通不超过3.44）。由此可以看出，随着路面坡度增长，电动自行车在输出功率不变状况下，其最大速度在迅速减小，这给顾客使用带来不便；为理解决这个问题，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脚蹬）来增大转矩，提高速度；另一方面，在选用电动自行车驱动电机时，不但要考虑到电机功率，并且要考虑电机电磁转矩，使用大功率或输出转矩大电机，也可以解决电动自行车上坡时遇到问题，但电动自行车成本也提高了。第3章 直流无刷无位置传感器电动自行车控制设计3.1 无位置传感器直流无刷电机数学模型直流无刷电机本体三相绕组普通是二线制，要检测不导通相绕组产生反电势，必要要找一种基准参照点，为了更好地解释和阐明检测反电势过零原理，现建立以电源中点为基准参照点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压降为0，电机三相绕组是对称，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）及可得： （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数学模型时为什么以电源中点为基准参照点因素。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）因而当无位置传感器直流无刷电机某相不导通时，以电源中点作为基准参照点，可以在该相引出线上检测出该相绕组产生反电势。3.2 电动自行车启动办法直流无刷无位置传感器电动自行车启动其实就是直流无刷无位置传感器电机启动，由于电机在正常运营前速度很小或为0，电机产生反电势也很小或为0，使得检测线路无法检测到反电势，不可以实现电机换向。因而直流无刷无位置传感器电动自行车电机可以采用如下几种方案实现启动：方案一、电动自行车由于其特殊性，使用是轮毅式电机，在没有供电状况下，电动自行车可以用作正常自行车行驶，在行驶时轮毅式电机和车轮一起运转，当运转达到一定速度时，电机产生反电势可以被检测到，此时闭合开关给电机供电，实现电动自行车启动。方案二、采用她控式同步电动机起动方式（又称为外同步方式）。由于无刷直流电动机构造和永磁同步电动机相似，因此无刷直流电动机起动时可以采用她控式同步电动机起动方式，从静止开始加速，直至转速足够大可以检测到反电动势，再切换到直流无刷直流电动机运营方式，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，反电势法转子位置信号A、B、C无效，因此图3-1信号选取器将它们屏蔽掉，而选通了由信号发生模块产生一系列外同步信号A、B、C，这三路外同步信号与三路转子位置信号一一相应，它们被选通送入译码模块，产生逆变器触发信号，送往逆变器驱动电路，用以驱动逆变器功率器件。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某个组合状态保持一段时间，再按序变化其组合状态并逐渐提高频率，按她控式同步电动机运营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，使得信号选取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触发信号，这样就建立了转子位置闭环，完毕了从她控式同步电动机运营状态到直流无刷电动机运营方式切换。当保护信号有效时，逆变器功率器件被关断，以实现对功率器件保护办法。在本论文中，信号选取及译码均由单片机软样算法实现。起动时，信号发生模块需要按序变化三路外同步信号组合状态，并且每个状态所保持时间依照加速曲线逐渐缩短，即逐渐提高逆变器输出频率，那么在电机在不失步前提下转子转速也逐渐提高，在本论文中，采用如图3-2示斜率为K加速曲线，斜率K可以依照负载转矩惯量大小人为调节。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即为转子转过电角度E。将转子初始位置记ED，转60电角度之后位置记为E1，再转过60位置记为E2。这样依次类推，如果在转子转过电角度之后，达到了需要转速，那么由这一系列位置相应时刻t0，tl，t2，tk值，即可拟定逆变器每一种逆变状态变化时刻。令t0=0，由t0，tl，t2，tk值可得： 将t1，t2 ，tk-1 ，tk转换成定期器在一定辨别率下定期值n1，n2，nk，存储在一种加速曲线表格中，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速度取决于逆变器变化节拍频率，而逆变器变化节拍频率将完全取决于加速曲线中定期值；电机实际加速时，将不久检测到反电势位置信号，进而用反电势位置信号代替外同步信号，切入自同步运营。详细软件程序设计见第五章。3.3 电动自行车运营参数显示功能设计3.3.1 速度显示电动自行车在行驶过程中，使用者经常需要理解车行速度，以便更好地控制速度，保证行驶安全。本课题使用笔段型液晶显示屏件（如图3-3）来显示电动自行车行驶速度，液晶显示驱动器采用ICM7211(A)控制静态数字量输入型，其原理如图3-4所示；ICM7211(A)具备完整脉冲发生器，它由RC振荡器，128分频电路，背电极BP 图3-3 七段型液晶显示电极引线排布驱动器和使能检测器等构成；驱动器一方面提供片内2位段驱动器驱动波形，另一方面通过作为输出BP提供液晶显示屏件背电极驱动信号和级联从机同步信号。ICM7211(A)接口部构造为4位数据线B0B3和2路位选线D0-D1。数据线B0B3接单片机/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，可以同步为“1”所有选通，也可以同步为“0”所有封锁。日前，笔段型液晶显示屏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 蓄电池容量显示电动自行车在使用过程中蓄电池剩余容量显示给顾客带来比较大以便，它表白蓄电池提供电能大概可以使电动自行车行驶多少里程，蓄电池与否需要充电等。蓄电池总容量普通以充分电后，放电至其端电压达到规定值时所释放出总电量来表达。当蓄电池以恒定电流放电时，它容量(Q)等于放电电流(Id)和放电时间(td)乘积： （3-23）式中Id单位为安(A)，td单位为小时(h)，Q单位为安时(Ah)。其放电特性如图3-5所示。图3-5蓄电池持续放电曲线如果放电电流不是一种恒定常数，蓄电池容量为不同放电电流与相应时间乘积之和： (324)由于蓄电池容量受到各种因素影响，长时间使用，重复充电放电，某些蓄电池容量将逐渐减小，因而要精确显示蓄电池剩余容量比较困难。如果采用此方式来显示蓄电池容量，还需要考虑蓄电池充电特性和蓄电池放电率放电率=额定容量Q锁定(Ah)/放电电流Id(A)等因素。 在本方案中，运用蓄电池端电压与容量之间关系，通过测量蓄电池端电压来显示蓄电池容量。 蓄电池电势是指蓄电池在开路时端电压，由于蓄电池内阻r存在，当蓄电池两端接上负载R时，内阻上就会产生压降，此时蓄电池端电压不是电势E，而是： (325)而蓄电池内阻与蓄电池容量成反比，在充电过程中，内阻逐渐减小，在放电过程中增长，由式(325)可知，通过实验办法测出蓄电池容量与端电压关系。电动自行车在行驶中，运用软件让单片机对蓄电池端电压U进行测量、解决，并将解决成果值经I/O端口发送到液晶显示驱动器进行解决，实现显示。第4章 驱动控制硬件设计4.1 PIC单片机简介在微控制器（Microcontroller）应用领域日益广泛今天，各个领域应用也向微控制器厂商提出了更高规定，但愿速度快、功耗低、体积小、价格更廉以及构成系统时所需要外围器件更少。当前在中华人民共和国市场上有几十家半导体厂商生产微控制器，不同厂商生产微控制器各有自己特点；在众多微控制器芯片中，美国Microchip技术公司生产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构造高性价比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)芯片低价格(最低不到8元人民币)、小体积(最小为8引脚)指令简朴易学易用(35-57条指令)等，都体现了微控制器芯片工业发展新趋势，在市场上具备极强竞争力，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年第20位提高到96年第5位，以至成为8位微控制器中最具备影响力主流嵌入式控制器。依照直流无刷无位置传感器电动自行车设计方案规定，选用PIC16C74A单片机作为主控芯片。PIC16C74单片机重要性能特点可归纳如下： 1、简指令集，仅有37条指令。