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免费毕业论文--电动车无刷直流电动机控制设计(一)
摘要：无刷直流电机控制系统集电机、逆变电路、检测元件、控制软件和硬件于一体，具有高可靠、高效率、寿命长、调速方便等优点，在电动调速领域有着广泛的应用。电动自行车的发明和使用对解决燃油车造成的严重环境污染和缓解日益突出的能源危机问题有一定的现实意义。
&根据项目参数要求，采用Mcrochip公司的PIC16F72单片机作为控制芯片，在硬件方面，进行了微控制单元电路设计、逻辑互锁电路设计、转子位置信号采集电路设计、电源电路设计、升压电路设计、系统硬件保护电路设计、三相全桥逆变电路设计、逆变器驱动电路设计和显示电路设计。采用开关型霍尔传感器作为电机转子位置传感器，微控制单元根据转子位置信号向驱动电路传递PWM (脉宽调制)信号、逆变器上下臂驱动信号控制电机。
&在软件方面利用汇编语言，采用模块化编程和结构化编程。根据无刷直流电机的控制原理，对系统的控制部分进行了详细分析。设计了系统状态显示面板程序模块。利用数字PI控制理论实现电机速度的闭环调制，提出了一种电机控制系统的接线模式自识别功能设计方案，能够自动识别电机的换相角度、霍尔相位和电机输出相位。在系统可靠性方面:设计了系统的欠压、过流和堵转保护。本文还对影响控制器和单片机系统可靠性的因素进行了分析，并且给出了解决方案.
&本文所设计的无刷电机控制器实现了电动、定速、助力三种工作模式并且在系统出错情况下具有自检功能。保护功能较完善、硬件结构简单、成本较低，具有升级空间，便于用户二次开发。
关键词:无刷直流电机； PIC单片机； 电动自行车； 控制系统
Abstract：The control system consists of Brushless DC Motor,controlling part,sensor part，hardware and software controlling part. With its unique advantages of high efficiency, high reliability, good controllability and maintenance-free,it is widely used in many fields.To d evelop the electric-bike will be helpful to solve the pollution problem caused by the waste gas from the gasoline-automobiles and energy sources problems.
&The task is to design a Brushless DC Motor (BLDCM) controls ystem For electric-bike.According to the project,PIC16F72MCU produced by Microchip Company has been selected.T he design of hardware including MCU circuit,logic lock circuit,position of the rotor circuit, power circuit, voltage up circuit, hardware protection circuit, electronic commutatorci rcuitan dd isplayc ircuith aveb eenc arriedo ut.Th erea reth reeh allse nsorsfor he position of the rotor, according to the position of the rotor and pwm (pulsewidth modulation)controlsi gnals,the electronicc ommutator works.
&The software was designed following the principle of modularization and structured programming and using assembly as the programme languages.The display module is designed.Ty pical PI control strategy is used to control the speed.Mode identified module can identify the angle of the BLDCM, the position of the rotor and the output of the system automatically. Less voltage protection, current excessive protection and wrong angle protection are designed to reinforce th e system. Also,factors that affect the reliability of the system are discussed in this paper,and some m ethods are introduced soon after.
& This controller realizes three work modes-electromotion,stationary speed and assisting work mode.Another self-test mode,which work sunder error,is also designed.This kind of brushless DC motor control system is superior in many fields such as high reliability, simple hardware st ructure,lowcost,and convenient for the further development.
Key Words: E Brushless DC M PIC; Control System
1&第一章& 绪论&5
1.1无刷直流电机的现状&5
1.2电动自行车介绍和发展状况&5
1.3 无刷直流电机控制器概述&8
1.4本设计的主要工作&9
2&第二章 无刷电机控制系统分析&10
2.1电机的基本原理&10
&2.1.1稀土永磁无刷直流电机的基本结构&10
&2.1.2电机的基本工作原理&11
&2.1.3三相无刷直流电机星形连接全桥驱动原理&12
2.2 电机的特性分析&14
&2.2.1电机的运行特性分析&14
&2.2.2机械特性和调速特性分析&16
&2.2.3其他特性分析&17
2.3直流电动机的PWM调速原理&18
2.4霍尔传感器&19
&2.4.1开关型霍尔集成传感器&19
&2.4.2霍尔器件在无刷直流电机中的应用&19
3&第三章 无刷直流电机控制器硬件设计&
3.1单片机选择&20
&3.1.1单片机选择依据&20
&3.1.2 PIC单片机特点&20
&3.1.3 PIC16F72单片机的功能特性&21
&3.1.4 PWM信号在PIC单片机中的处理&22
3.2硬件组成&22
3.3微控制器电路&24
3.4三相全桥逆变电路和驱动电路&27
&3.4.1顶端、底端驱动电路&27
&3.4.2电源电路&29
&3.4.3振荡倍压电路&30
&3.4.4硬件保护电路&30
3.5其他&31
&3.5.1蓄电池检测方案&31
&3.5.2助力信号检测方案&31
&3.5.3电动自行车面板显示电路&32
4&第四章 系统软件设计&33
4.1概述&33
4.2主程序&34
4.3中断&35
&4.3.1单片机中断资源&35
&4.3.2定时器资源分配&36
&4.3.3 MOD键(INT中断)处理模块&36
4.4 A D转换&37
4.5 PWM(脉冲宽度调制)&38
4.6位置信号和驱动信号的对应关系&39
4.7欠压保护、过流保护和堵转保护&40
&4.7.1欠压和过流保护功能&40
&4.7.2堵转保护功能&40
4.8面板显示模块&41
4.9数字PI速度调节&41
&4.9.1概述&41
&4.9.2& PID基本原理&42
&4.9.3位置型PID算法程序的设计&42
&4.9.4数字PI速度调节器设计&43
4.10接线模式自识别方案&44
&4.10.1接线模式自识别功能的作用&44
&4.10.2接线模式自识别解决方案&44
4.11编程注意的问题&47
&4.11.1数据存储体的选择&48
&4.11.2二程序存储体的选择&48
第五章 系统调试与运行分析&51
5.1系统软、硬件部分调试&51
&5.1.1系统硬件调试&51
5.2控制器的可靠性&53
&5.2.1影响控制器可靠性的因素&53
&5.2.2 提高控制器可靠性的方案&53
5.3单片机系统可靠性设计&54
&5.3.1接地技术&54
&5.3.3抗电磁干扰技术&55
5.4实验结果分析与建议&55
&5.4.1实验结果分析&55
&5.4.2实验结论与建议&56
结&&& 论&58
参考文献&59
附录A 控制器电路图&60
附录B 控制器电路板PCB图纸&61
附录C 控制器实物图&61
附录D 电动自行车和指示面板实物图&62
第一章& 绪论
1.1无刷直流电机的现状
&有刷直流电动机作为最早的电动机广泛应用于工农业生产的各个领域，由于其宽阔而平滑的优良调速性能，在需要调速的应用领域占有重要地位，但机械换向装置的存在，限制了其发展和应用范围。直流电动机的机械电刷和换向器因强迫性接触，造成其结构复杂、可靠性差、火花、噪声等一系列问题，影响了直流电动机的调速精度和性能。
&科学技术的飞速发展，带来了半导体技术的飞跃，开关型晶体管的研制成功为创造新型的无刷直流电动机带来生机。1955年，美国人首次提出用晶体管换向线路代替机械换向装置，经过反复实验，人们终于找到了用位置传感器和电子换相线路来代替有刷直流电动机的机械换相装置， 出现了磁电耦合式、光电式及霍尔元件作为位置传感器的无刷直流电动机，以后人们发现电量波形和转子磁场的位置存在着一定的对应关系，因此又出现了通过观测电枢绕组中不同电量波形，监测转子位置的无位置传感器的电动机。
&80年代初，无刷直流电机进入了实用阶段，方波和正弦波无刷直流电机先后研究成功。“无刷直流电机”的概念已由最初的具有电子换相器的直流电机发展到泛指一切具有传统直流电机外部特性的电子换相电机。现今，无刷直流电机集电机、变速机构、检测元件、控制软件和硬件于一体，形成为新一代的电动调速系统。
&无刷直流电机具有最优越的调速性能，主要表现在:调速方便(可无级调速)，调速范围宽，低速性能好(启动转矩大，启动电流小)，运行平稳，噪音低，效率高，应用场合从工业到民用极其广?。如电动自行车、电动汽车、电梯、抽油烟机、豆浆机、小型清污机、数控机床、机器人等等.由于无刷直流电机具有这些优点，因此在2004年的国际电机会议上提出了有刷电机将被无刷电机取代这一发展趋势。美、日、英、德在工业自动化领域中已经实现了以无刷直流电机代替有刷电动机的转换。
&美国福特公司率先把无刷直流电机应用于汽车20世纪80年代以来，随着微机控制技术的快速发展，出现了各种称为无位置传感器控制技术的方法，是当代无刷直流电机控制研究的热点之一。各国知名半导体公司如Allegro,Philips,Micro Linear,Toshiba等，先后推出了许多无刷直流电机无传感器控制集成电路.
&2004年12月我国电机制造业共1167家生产企业，全部从业人员388282人，资产972亿。我国生产的微特电机己经占世界60%以上，目前是全球最大的永磁体(生产无刷电机的主要原材料)生产供应基地，中国还将会成为全球最大的无刷电机生产国。随着汽车工业的快速发展，车用小功率电机的需求增长带动了以永磁无刷直流电机为主体的车用小功率电机的兴起，我国正在成为世界电动汽车制造业的主要供应商。
1.2电动自行车介绍和发展状况
&(1) 电动自行车发展现状
&目前在中国的石油消费中，交通运输业用油增长最为迅速。大力发展电动自行车是缓解石油危机的重要途径之一。另外电动自行车具有环保的特点.为了解决燃油车对环境造成的严重污染问题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、高数率、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，电动自行车却可以得到迅速的发展。由于电动自行车具有轻便省力、环保节能、价格适中的特点，因此己经成为很多出行者的交通工具之一。
许多国家也把电动自行车看作未来交通发展的趋势。自从1993年雅马哈公司的PAS(能量辅助系统)进入市场以来，电动自行车在日本已经成为短距离用交通工具的主流。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.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，大部分依赖进口。欧盟许多国家对电动自行车的年需求量在1000万辆左右。德国的MSG公司、DIAMANT公司、SAGHS公司、英国的ASGHBAGH等公司的电动自行车己投入市场，销路很好，使得德国奔驰、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.
&从7 0年 代 起，我国电动车辆的研究开发便一直在进行之中，到1993年，已被确定为国家十大重点科技工程之一，并制定了电动汽车的发展目标。1999年5月国家质量技术监督局发布了《电动自行车通用技术条件》国家标准，为电动车规模化生产提供了条件。经过连续两年的快速发展，中国电动自行车行业迅速呈现出一片欣欣向荣的景象。2005年全行业的电动自行车产销量在1200万辆左右，对比2004年增长率在15-20%左右，行业中有不少品牌新诞生，销售规模在150亿元左右。至2005年，全行业申领电动自行车许可证的企业已经达到了上千家，品种出现近50个.
&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150W-400W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3-8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，载重量越75kg，百公里耗电量1kwh左右，图1.1为两款国内生产的电动自行车。
图1.1为两款国内生产的电动自行车。
&（2）电动自行车的组成部分
&&& 电动自行车一般由动力部分、传动部分、行车部分、控纵制动部分、电气仪表部分组成。
&&& ①动力部分
&&& 电动自行车的动力部分通常有蓄电池和电机构成，是电动自行车的动力来源。其性能的好坏，直接影响电动自行车的动力性和经济性。
&& ②传动部分
&&& 电动自行车传动部分的作用是将动力部分输出的功率传递给驱动轮，驱使电动自行车行使。通过变速器或调速器，使电动自行车获得行使所需要的驱动力和速度，并保证电动自行车的平稳起步和停车，他有变速器、后传动装置组成。
&& ③行车部分
& 行车部分的作用是使电动自行车构成一个整体，支撑全车的总重量，将传动部分传递到的扭矩转换成驱使电自行车行使的牵引力，同时承受吸收和传递路面作用于车轮上的各种反作用力，确保电动自行车正常、安全行使、他主要有车架、前减震器、前后轮、座垫等组成。
&&& ④操纵制动部分
&&& 操纵制动部分的作用是直接控制行车方向、行使速度、制动等，以确保电动自行车行使安全，他有车把、制动装置、调速手把等组成。
&&& ⑤电气仪表部分
&&& 电气仪表装置是保证车辆安全行使并反映车辆运动状态的主要装置，他使骑行者能正确、有效地对车辆行使适时地进行控制。他由数据显示装置、充电器等组成。
&& （3）电动自行车的特点
&&& 作为一种新能源绿色交通工具，电动自行车具有以下特点
&&& ①无污染；电动自行车是以蓄电池发出的电源作为驱动能源，运行过程中无废气排放，不会对大气造成污染；
&②低噪音、震动小；电动自行车采用电动机驱动，与用内燃机的摩托相比，运行产生的噪音显著减小，通常要低10-15db，且运行比较平稳；
&③效率高：摩托车、燃油助力车的效率一般只有30%左右，而电动自行车采用电动机驱动系统，无空转损头，电池能量的80%以上转化成为动力，而且可以在制动时候进行能量回馈，更加提高了他的能量利用率，其效率可高达到70%到80%以上；
&④安全、轻便、易维护：电动自行车的最高时速限制在20km/h以内，只能在非机动车道行使，可以快速起停，安全可靠。相对于摩托车，他的速度是大受限制，但在人口密集的城市城镇是足够了，能让大众普遍接受，而且他体积小、重量轻、整车质量大概在30-35kg，即使没电时脚踏骑行也不会费劲，蓄电池是免维护的，电机的故障率也较低，
&& 以上的这些特点使电动自行车成为了当前交通工具市场的一大亮点，市场需求不断扩大，因此其未来的发展潜力很大。
&（4）电动自行车的发展前景
&& 电机是电动自行车的关键部件。为使电动自行车有良好的使用性能，驱动电机应该具有宽调速范围，高转速和足够大的起动转矩。此外，由于电动自行车的驱动电机是车载形式运行的，这要求电机体积小、重量轻、效率高、且具有较好的能量回馈性能。
&稀土永磁无刷直流电机是近20年发展起来的一类电机，电力电子技术，微电子技术、微机和稀土永磁材料的发展为无刷直流电机的研究奠定了基础。目前无刷直流电机的发展已经和大功率开关器件、专用集成电路、稀土永磁材料、微机、新型控制理论及电机理论的发展紧密结合，显示出广泛的应用前景和强大的生命力。与其他电机想比他具有几个明显的优点：①永磁无刷直流电机没有电刷、而是利用电子换相,故克服了任何有电刷引起的问题。 ② 永磁体安装在转子上、电枢绕组装在定子上，故导热性能好，产生的热量更容易发出去；结构也变得简单，并且节省了空间，使其磁场损失也得到了减少。③他的效率与转速永远保持同步关系，不会发生交步、震荡等现象，在节约能量方面也有明显的优势。
&& 近些年来，随着现代电力电子技术、控制 技术和计算机技术的发展，电机的应用技术也得到了进一步的发展，新产品、新技术层出不穷。许多电动车生产厂家都应用了一系列的电动车新技术，大大增强了自身品牌在市场上的影响，也颇受消费者的关注。麦科特集团电助动力公司研制出智能变频电机，变频控制器和变频高效电机共同组成高效动力系统，充分利用小电流大扭矩原理，在骑行过程中根据路况和载重情况及时调整输出功率；北京新日公司研制开发了双动力电动车，与普通电动车相比，双动力电动车拥有两个动力源，可实现在两个额度电流下的效能转换，既实现高效动力档和高速动力档的转换；莫拉克公司开发出在骑行的同时就能给蓄电池充电的电动车，可以提高电动自行车一次充电续使里程。
&& 电动自行车作为自行车史上具有革命性的交通工具，在给人们生活带来方便的同时，也对整个社会的经济产生了积极的影响。价廉物美的电动自行车有着巨大的市场需求。电动自行车在整车设计、驱动系统、电池管理，
尤其是锂电池、燃料电池等高性能的电池的研制方面不断取得突破。驱动系统的可靠性与高效率对整个电动自行车系统有着非常重要的作用，不但可以提高整个系统的可靠性与安全性，促进整车效率，而且可以节约能源和降低自行车的维护成本，从而推动电动自行车的广泛应用。
1.3 无刷直流电机控制器概述
&&& 无刷直流电动机兼有直流电动机调整和起动性能好以及异步电动机结构简单无需维护的优点，因而在高可靠性的电机调速系统。目前，数字调速系统主要采用两种控制方案：一种采用专用集成电路。这种方案可以降低设备投资，提高装置的可靠性，但不购灵活。另一种是以微处理器为控制核心构成硬件系统。这种方案可以编程控制，应用范围广。且灵活方便。
&电机控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，他主要完成以下功能：对各种输入信号进行逻辑综合，为驱动电路提供各种控制信号：产生PWM脉宽调制信号，实现电机的调速：对电机进行速度环和电流环调节；使系统具有较好的动态和静态性能；实现短路、过流、欠压等故障保护功能。
&控制器是电动自行车的驱动系统，他?电动自行车的大脑，其主要作用是在保证电动自行车正常工作的前提下，提高电机和蓄电池的效率、节省能源、保护电机及蓄电池，以及降低电动自行车在受到破坏时的损伤程度。
&目前，市场上常用的电动自行车无刷直流控制器主要采用专用集成电路为主控芯片，像MOTOLORA公司研制的专用集成电路MC33035，其针对无刷电机的控制要求。将控制逻辑集成在芯片内，一般该类控制器称为模拟式控制器，其工作原理是用电子装置代替电刷控制电机线圈电流换向，根据电机内的位置传感器(霍尔传感器)信号，决定换相的顺序和时间，从而决定电机的转向和转速。该控制系统的缺点是智能性差，保护措施有限，系统升级空间小。
&本文采用单片机做为主控芯片，用编程的方法来模拟无刷电机的控制逻辑，其特点是使用灵活，通过修改程序可适应不同规格的无刷电机，增加系统功能方便，如电机缺相保护、堵转保护、添加力矩传感器等等，可根据不同结构的电机进行控制的优化以达到良好的匹配，通常将此类控制器称为数字式控制器。
&近几年 ，国外一些大公司纷纷推出较MCU性能更加优越的DSP(数字信号处理器)芯片电机控制器，如ADI公司的ADMC3xx系列，TI公司的TMS320C24系列及Motorola公司的DSP56F8xx系列，都是由一个以DSP为基础的内核，配以电机控制所需的外围功能电路，集成在单一芯片内，使体积缩小，结构紧凑，使用便捷，可靠性提高。但是这些专用芯片价格昂贵，外围电路设计复杂，在广大的民用市场无法大规模推广应用。无刷电机控制方法主要分为有位置传感器控制和无位置传感器控制两种。在有位置传感器的控制方法中，现今，由于霍尔传感器性价比高，安装方便，被广泛应用作为无刷直流电机的位置传感器。当前，国内外对无刷直流电机无位置传感器的控制方法主要有反电势法、定子三次谐波法、续流二极管检测法、脉冲检测法神经网络控制法等。但是由于无位置传感器控制方法在低速时无法实现精确的速度调制，所以现阶段在电动车领域只是处于研究阶段，无法推广到工业生产当中。
1.4本设计的主要工作
&本论文对无刷直流电机的控制原理进行了详细分析，依据无刷直流电机特性，针对电动自行车的控制需求，进行了无刷直流电机控制系统的设计。技术指标如下:系统正常工作电压36V;最低工作电压31V;最大工作电流10A;最大输出功率360W.
&(1) 硬件部分
&硬件部分以PIC16F72单片机作为控制芯片，逆变器由6个MOSFET管组成。通过微控制单元电路、逆变器驱动电路等电路模块的设计，实现了电机的智能控制以及欠压保护、过流保护、堵转保护等保护功能，可靠的对电动车电机和电池进行保护，确保电动车使用及安全。
&(2) 软件部分
&在软件方面利用汇编语言，采用模块化编程和结构化编程.实现了信号的采集及处理，实现了电动自行车的电动、定速和助力三种工作模式并且在系统出错情况下具有自检功能。利用数字PI控制理论实现电机速度的闭环调制。
具体设计 如下:
&① 选用PICI6P72单片机作为主控芯片;
&② 采用开关型霍尔传感器作为电机转子位置传感器;
&③ 通过对PIC单片机编程，实现电动车电动、定速和助力三种工作模式;
&④ 通过硬件电路和软件编程，实现系统自检、欠压、过流、堵转保护功能;
&⑤ 通过软硬件设计，实现电动自行车仪表盘显示控制;
&⑥ 利用PI控制理论实现电机速度的闭环调制;
&⑦ 提出一 种软件电机接线模式自识别设计方案.
&本设计实现了无刷直流电机的自动控制，硬件结构简单、成本较低，具有升级空间，便于用户二次开发.设计中，利用PIC开发环境完成软件编写和调试;利用逻辑分析仪和示波器等完成硬件调试;借助于电动自行车实体，对软硬件参数进行测试，实现结构优化.
第二章 无刷电机控制系统分析
&直流电机具有响应快速、起动转矩较大，以及从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩，则电枢磁场与转子磁场须恒维持90°，这就需要碳刷及整流子.碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉，因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。
&交流电机没有碳刷及整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能实现。现今半导体发展迅速，功率组件切换频率加快许多，提升了驱动电机的性能。微处理机速度亦越来越快，可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直交坐标系统中，适当控制交流电机在两轴电流分量，可达到类似交流电机的控制并有与直流电机相当的性能。无刷直流电机即是以电子方式控制交流电机换相，得到类似直流电机特性且结构上优于直流电机的一种电机。
2.1电机的基本原理
&2.1.1稀土永磁无刷直流电机的基本结构
&稀土永磁无刷直流电动机的基本构成包括电动机基体、开关电路、位置传感器三部分，如图2.1所示。
图2 .1 无刷直流电动机的组成
&(1) 电机基体
&稀土永磁电动机基体是由带有电枢绕组的定子和永磁转子组成。常用的有三种结构形式:转子铁心外圆粘贴瓦片形稀土永磁体;转子铁心中嵌入矩形板状稀土永磁体:转子外套上一个整体粘结稀土磁环的环形永磁体。还有一种外转子式结构，即带有稀土永磁极的转子在外，嵌有绕组的定子在里。电机运行时，外转子旋转。
&(2) 开关电路
&开关电路由逆变器和驱动电路组成。逆变器主电路有桥式(图2.2a)和非桥式(图2.2b)两种。电枢绕组与逆变器联接形式多种多样，但应用最广泛的是三相星形六状态(图2.2a)。驱动电路将控制电路的输出信号进行功率放大，并向各开关管送去能使其饱和导通与关断的驱动信号。
&图2．2桥式(a)与非桥式
(b)逆变电路
&(3)转子位置传感器
&转子位置传感器是检测转子磁极相对于电枢绕组轴线的位置，向控制器提供位置信号的一种装置。它由定、转子组成，其转子与电动机同轴，以跟踪电机本体转子位置；其定子固定于电机本体定子或端盖，以感应和输出转子位置信号。
2.1.2电机的基本工作原理
&一般永磁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产生磁场，其转子一电枢绕组通电后产生反应磁场，由于电刷的换相作用，使得这两个磁场的方向在直流电动机的运行过程中始终保持相互垂直，从而产生最大转矩驱动电动机不停地运转。直流无刷电动机为了实现无刷换相，首先要求把一般直流电动机的电枢绕组放在定子上，把永久磁钢放在转子上，这与传统直流永磁电动机的结构正好相反，而且还要由位置传感器、控制电路以及功率逻辑开关共同组成换相装置，使得直流无刷电动机在运行过程中由定子绕组所产生的磁场和转动中的转子磁钢产生的永久磁场，在空间中始终保持在90。左右的电角度，从而产生转矩推动转子旋转.无刷 直 流 电动机按驱动方式可以分为半桥驱动和全桥驱动，按绕组接法又可分为星形连接和角形连接。不同的绕组接法和驱动方式的选择将会使电动机产生不同的性能并且成本也不同，主要从以下三个方面来进行分析:
&(1) 绕组利用率
&开关电路由逆变器和驱动电路组成.逆变器主电路有桥式(图2.2a)和非桥式(图2.2b)两种。电枢绕组与逆变器联接形式多种多样，但应用最广泛的是三相星形六状态(图2.2a) o驱动电路将控制电路的输出信号进行功率放大，并向各开关管送去能使其饱和导通与关断的驱动信号。
& (2) 转矩的波动
&无刷直流电动机的输出转矩波动比普通直流电动机大，因此希望尽量减小转矩波动。一般相数越多，转矩的波动越小，全桥驱动比半桥驱动转矩的波动小。
&(3) 电路成本
&相数越多 ，驱动电路所使用的开关管越多，成本越高，全桥驱动比半桥驱动所使用的开关管多一倍，因此成本要高。多相电动机的结构复杂，成本也高。综合上述分析，三相电机星形连接全桥驱动方式综合性能最好，应用最多，本系统即是选择的这种控制方式，下面介绍三相无刷直流电动机星形连接全桥驱动的基本原理。
2.1.3三相无刷直流电机星形连接全桥驱动原理
&无刷直流电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数的影响，在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。无刷直流电机控制器包括电源部分和控制部分，如图2.3所示。电源部分提供三相电源给电机，控制部分则按照需求转换电源频率。电源部分可以直接以直流电输入或者以交流电输入，如果是以交流电输入就需先经转换器(converter)转成直流电。不论是直流电输入或是交流电输入，送入电机线圈前须先将直流电压由逆变器(inverter)转成三相电压来驱动电机。逆变器一般由六个功率晶体管，分为上桥臂和下桥臂，连接电机作为控制流经电机线圈的开关。控制部分则提供PWM脉冲宽度调制信号决定功率晶体管开关频率及逆变器换相的时机。对于无刷直流电机，当负载变动时，一般希望速度可以稳定于设定值而不会有太大的变动，所以电机内部装有霍尔传感器(hall-sensor)，作为速度的闭回路控制，同时也作为相序控制的依据。
&电机转动由霍尔传感器感应到的电机转子所在位置，决定开启或关闭逆变器中功率晶体管的顺序来控制，如图2.4所示，逆变器中的AH, BH, CH(上桥臂功率晶体管)及AL, BL, CL(下桥臂功率晶体管)，使电流依序流经电机线圈，产生顺向或逆向旋转磁场，并与转子磁铁产生的磁场相互作用，使电机顺向或逆向转动。当电机转子转动到霍尔传感器感应出另一组信号的位置时，控制部又再开启下一组功率晶体管，如此循环，电机就可以实现转动.功率晶体管的开启方法举例如下:AH, BL一组→AH, CL一组→BH, CL一组→BH, AL一组→CH, AL一组→CH, BL一组，但不能使AH, AL或BH, BL或CH, CL，即同相上下桥臂同时导通.此外，因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的?错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭，下臂(或上臂)就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率晶体管烧毁。设电机转子位置传感器采集的位置信号为Ha, Hb, Hc，分别对应于逆变器的A相、B相、C相，则当前位置与下一位置电子开关导通相的对应关系如表2.1所示。
&在电机转动时，控制部分会根据系统设定的速度决定功率管的导通时间。若系统要求加速，则增长功率管导通的时间，若要求减速，则缩短功率管导通的时间，此部分工作由PWM脉宽调制信号控制。
&图2．3三相无刷直流电机工作原理
&图2．4逆变器原理图
2.2 电机的特性分析
2.2.1电机的运行特性分析
&电动机是一种输入电功率、输出机械功率的原动机械，因此我们最关心的是它的转矩、转速，以及转矩和转速随电压、负载变化的规律。据此，电动机的运行特性可分为:起动特性、电动运行特性、机械特性及调速特性。对于无刷直流电机，其电势平衡方程式为:
式中 U 一 一电源电压(V);
&E一 一 电 枢 绕 组 反 电势(V);
&一 一 平 均电 枢 电 流(A);
&一 一 电枢 绕 组 的 平均电阻(Ω);
&一 一 功 率 器 件的 饱和管压降(V).
对于不同的电枢绕组形式和换向线路形式，电枢反电势均可表示为:
式中n一一电动机转速(r／min)；
Ke一一反电势系数(V／r/min)。由式2.1、2.2可知
在转速不变时，转矩平衡方程式为：
式中T--电磁转矩（N?m）；
&Tl--输出转矩（N?m）
&T。--（N?m）
&Kt--转矩系数(N?m／A)。
&在转速变动情况下，则有
&式中系数：J一一转动部分的转动惯量；
&--转子的机械角加速度。
&下面从这些基本公式出发，来讨论无刷直流电动机的各种运行特性。
&&& 由式2.1、2.5、2.6可知，电动机在起动时，由于反电势为零，因此电枢电流(即起动
电流)为&&&
&& 其值可为正常工作电枢电流的几倍到十几倍。所以起动电磁转矩很大，电动机可以很快起动，并能带负载直接起动。随着转子的加速，反电势E增加，电磁转矩降低，加速力矩也减小，最后进入正常工作状态。
&& (2)电动机运行特性
在电动运行状态下，6只开关管任意时刻只有2只开关管导通，分别属于上桥臂和下桥臂。
图2．5电动运行等效电路图
&& 由图2．5的运行等效电路图可得，在电动运行时AH管和CL管导通时通电回路的回路电压方程如下：
式中一一相电势，电动运行时最大幅值
&在电动运行时，换相前电路电流为零，
换相后&0。由于R很小，可以忽略，故在电路接通后过渡过程结束前，i正向增加，电路工作在吸收电功率状态，吸收的电功率为：
&对AH管和CL管进行脉宽调制，改变占空比，就可控制电流i的平均值，从而控制平均转矩。
2.2.2机械特性和调速特性分析
&机械特性是指外加电源电压恒定时，电动机转速和电磁转矩之间的关系。由式2．1、2．2、2．3可知，式2．12等号右边的第一项是常数(当不计AU的变化和电枢反应的影响时)。
&所以电磁转矩随着转速的减小而线性增加。当速度为零时，即为起动电磁转矩。当式2.11右边两项相等时，电磁转矩为零，此时的转速即为理想空载转速。实际上，由于电动机损耗中可变部分及电枢反应的影响，输出转矩稍稍偏离直线变化。又因为功率晶体管的饱和管压降随着集电极电流的变化而变化，在基极电流不变时，功率晶体管的饱和压降和集电极电流之间成正比的关系。所以，随着转速的减小，电动机的反电势也减小，电枢电流增加，△U增大，到一定值以后，增加较快。所以其机械特性是在接近堵转(即转速很低)时，加快下跌。
&若假定外加直流电压一定，减小电机负载，转速升高，逆变器的触发频率也会提高，同时反电势增加，电流减小，电磁转矩也减小。当电磁转矩和负载转矩平衡时，电机就维持在一个较高的转速下运行。如果负载不变，提高外加直流电压，则转速升高，逆变器的频率提高，反电势增大，使电流减小，电磁转矩又呈现减小趋势，这样就使电机维持在一个较高的转速下运行。由此可见，由于无刷直流电动机的自同步性，其调速方法与有刷直流电动机非常相似，可通过调节直流电压来实现。又从式2.12可见，改变电源电压，可以很容易地改变输出转矩(在同一转速下)或(在同一负载下)。所以在电子换相线路及其它控制线路保持不变的情况下，无刷直流电动机调速性能很好，可以利用改变电压来实现平滑的调速。
2.2.3其他特性分析
&无刷直流电机的基本物理量有电磁转矩、电枢电流、反电动势和转速等。这些物理量的表达式与电机气隙磁场分布、绕组形式有十分密切的关系.对于稀土永磁无刷直流电机，其气隙磁场波形可以为方波，也可以是正弦波或者梯形波，本文主要研究方波无刷直流电机的特性及其控制策略，其气隙磁场的理想波形如图2.6所示。为气隙磁感应强度.
&对于二相导通星形三相六状态无刷直流电机，方波气隙磁感应强度在空间的宽度应大于120°电角度，在定子电枢绕组中感应的梯形波反电势的平顶波宽度应大于120°电角度。这种具有方波气隙磁感应强度分布、梯形波反电势的无刷直流电机称为方波电机。方波电机通常采用方波电流驱动，即与120°导通型三相逆变器相匹配，由逆变器
&图2．6方波气隙磁场分布
&向方波电机提供三相对称的、宽度为120°电角度的方波电流。方波电流应与电势同相位或位于梯形波反电势的平顶波宽度范围内，如图2.7所示.其中B为磁通密度，ea和ia分别为一相的反电势和相电流。
2.3直流电动机的PWM调速原理
&直流调速系统中应用最广泛的一种调速方法就是调节电枢电压。改变电枢电压调速的方法有稳定性较好、调速范围大的优点。为了获得可调的直流电压，利用电力电子器件的完全可控性，采用脉宽调制（PWM）技术，直接将恒定的直流电压调制成可变大小和极性的直流电压作为电动机的电枢端电压，实现系统的平滑调速，这种调速系统就称为直流脉宽调速系统。它被越来越广泛的应用在各种功率的调速系统中。
&本系统利用开关驱动方式使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制(PWM)来控制电动机电枢电压，实现调速。图2.8是对电机进行PWM调速控制时的电枢绕组两端的电压波形。当开关管的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压Us, t1秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0, tz秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。
式中占空比a表示在一个周期T里，开关管导通的时间与周期的比值，a变化范围为0-1之间。所以当电源电压Us不变时，电枢的端电压的平均值U。取决于占空比的大小，改变a值就可改变端电压的平均值，从而达到调速的目的.理想空载转速与占空比a成正比。
2.4霍尔传感器
&霍尔器件是一种磁传感器。按照霍尔器件的功能可将它们分为:霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者输出数字量，可用于磁场的测量和控制。霍尔器件具有许多优点，它们的体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高(可达1MHz),耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动，无回跳、位置重复精度高。此外，其工作温度范围宽，可达一55°C-150°C。
&由无刷直流电机控制系统工作原理可知，电机位置传感器在无刷直流电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息。由于电动自行车的电机安装在轮毅内，对电机的尺寸和位置传感器体积的要求都比较高，考虑传感器的体积和性能通常采用的传感器是磁敏式开关式传感器，目前使用最广泛的是开关型霍尔集成传感器。
2.4.1开关型霍尔集成传感器
&开关型集成霍尔元件，简称霍尔开关，是由电压调整器、霍尔元件、差分放大器、施密特触发器和输出级组成的集成电路。输入是磁感应强度，输出是数字信号。其内部结构与引脚以及输出特性如图2.9所示。
&由此可见开关集成霍尔传感器可与数字电路直接配合使用，直接满足控制系统的需要。
2.4.2霍尔器件在无刷直流电机中的应用
&当霍尔传感器用作无刷直流电机转子位置信息检测装置时，将其安放在电机定子的适当位置，霍尔器件的输出与控制部分相连。当无刷直流电机的永磁转子经过霍尔器件附近时，永磁转子的磁场令霍尔器件输出一个电压信号，该信号被送到控制部分，由控制部分发出信号使得定子绕组供电电路导通，给相应的定子绕组供电，从而产生和转子磁场极性相同的磁场，推斥转子继续转动.当转子到下一位置时，前一位置的霍尔器件停止工作，下一位置的霍尔器件输出电压信号，控制部分使得对应定子绕组通电，产生推斥场使转子继续转动，如此循环，维持电机运转。
第三章 无刷直流电机控制器硬件设计
&无刷直流电机控制器在控制方式上主要有以专用集成芯片、单片机和DSP芯片控制三种方式。以专用集成芯片为核心的控制器，系统结构简单，价格较便宜，但是系统灵活性不足，保护功能有限:以DSP芯片为核心的控制器，控制精度较高，但是算法较复杂，开发周期长，成本较高，不易在市场上推广。本设计使用单片机作为主控芯片可以弥补上述两方案的不足。
3.1单片机选择
&目前，市场上有很多无刷电机专用控制芯片，大部分电动车生产厂商采用Motorola公司的MC3303无刷电机专用控制芯片，它具有无刷直流电机控制系统所需要的基本功能。本设计采用PIC16F72单片机作为主控芯片，不仅可以实现专用控制芯片MC33035的全部功能，而且容易实现系?扩展，通过软硬件设计，实现多功能的电机控制
3.1.1单片机选择依据
&(1) 价格因素。考虑到该设计要与市场接轨，因此价格问题尤为重要，要选择一个性价比较高的单片机，包括单片机的单片价格和开发系统的造价。
&(2) 性能因素。通过对该系统分析，8位单片机可以满足系统控制精度的要求.由于整个系统有多种模拟参数需要转换成数字量，因此选用的单片机应该有多通道A/D转换模块。在无刷电机控制中，脉宽调制PWM技术广泛应用，因此所选单片机应具有脉宽调制输出端口。
&(3) 安全因素.电子产品的安全性是一个非常重要的环节，作为控制系统的核心，单片机的安全性必须达到系统要求。
3.1.2 PIC单片机特点
&PIC ( Per ipheryI nterfaceC hip)系列单片机是美国Microchip公司生产的产品.PIC单片机以其独特的硬件系统和指令系统的设计，逐渐被广大工程设计人员采用。
&Microchi p公司是一家集开发、研制和生产为一体的专业单片机芯片制造商，其产品综合应用系统设计的思路，具有很强的技术特色。产品采用全新的流水线结构，单字节指令体系，嵌入Flash以及10位A/D转换器。使之具有卓越的性能，代表着单片机发展新的潮流。PIC系列单片机具有高，中，低3个档次，可以满足不同用户开发的需求，适合在各个领域中的应用.PIC系列单片机具有如下特点:
&(1) 单片机种类丰富
&PIC 最大的特点是不搞单纯的功能堆积，而是从实际出发，重视产品的性能与价格比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求。就实际而言，不同的应用对单片机功能和资源的需求也是不同的.
&(2) 哈佛总线结构
&PIC系列单片机在普林斯顿体系结构和哈佛体系结构的基础上采用独特的哈佛总线结构，彻底将芯片内部的数据总线和指令总线分离，为采用不同的字节宽度，有效扩展指令的字长奠定了技术基础。图3.1描述了PIC单片机的结构。
&(3) RISC技术
&RISC (Reduced Instruction Set Computer)是指精简指令集计算机。RISC技术并非只是简单地去减少指令，而是着眼于如何改善计算机的结构，更加简单合理地提高计算机的运算速度。PICF877单片机指令集系统只有35条指令，全部采用单字节指令，而且除4条判断转移指令发生间跳外，均为单周期指令，执行速度较高.
&(4) 指令特色
&PIC系列单片机的指令系统具有寻址方式简单和代码压缩率高等优点.
&(5) 功耗低
&由于P IC 系列单片机采用CMOS结构，使其功率消耗极低。
&(6) 驱 动 能力强
&PIC系列单片机I/O端口驱动负载的能力较强，每个输出引脚可以驱动多达20-25mA的负载，既能够高电平直接驱动发光二极管LED、光电祸合器、小型继电器等，也可以低电平直接驱动，这样可以大大简化控制电路。
&(7) 同步串行数据传送方式
&可以满足主控/从动和主控总线要求。
&(8) 应用平台界面友好，开发方便
&Microchip公司为用户提供了周全的技术方案，不管是对初学者还是后续的应用开发，都提供了完善的硬件和软件支持，包括各种档次的硬件仿真器和编程器。
&(9) 程序存储器版本齐全
&Microchip 公司提供的产品是一个单片机系列，可供选择的存储器类别和产品封装工艺的形式较多，为产品的不同试验阶段和不同应用场合可提供一个全方位的选择内容和不同的性能档次。
3.1.3 PIC16F72单片机的功能特性
(1) 功能部件特性
?带 8 位 A/D转换输入
?高驱动电流，I/O脚可直接驱动数码管(LED)显示每个 I /O 引 脚 最大灌电流25mA;每个I/O引脚最大拉电流25mA
?双向可独立编程设置I/O引脚
?8位定时器/计数器TMR0，带8位预分频
?有1路捕捉输入/比较输出/PWM输出(CCP)
?1 6位定时器/计数器TMR1，睡眠中仍可计数
?8位定时器/计数器TMR2? 带有8位的周期寄存器及预分频器和后分频器
(2) 微控制器特性
?内置上电复位电路(POR)
?上电定时器，保障工作电压的稳定建立
?振荡定时器，保障振荡的稳定建立
?断电复位锁定，即当芯片电源电压下降到某一值以后时，使芯片保持复位，当电源电压恢 复正常后恢复运行
?内置自振式(RC振荡)看门狗
?程序保密位，可防程序代码的非法拷贝
?掉电保护电路
?在线串行编程
3.1.4 PWM信号在PIC单片机中的处理
&改变直流电动机转速的方法分为励磁控制法(控制磁通)与电枢电压控制法(改变电枢端电压)。在众多的电枢电压控制方法中，脉宽调制PWM(PulseWidth Modulation)技术因为需用的大功率可控器件少、线路简单、调速范围宽、电流波形系数好、附加损耗小、功率因数高的优点，从而得到广泛应用。
&CCP(捕捉输入/比较输出/PWM输出)模块是PIC16F72芯片的重要组成部分，它有3种工作方式:捕捉方式、输出比较方式和脉宽调制方式。当处于脉宽调制工作方式时，可以在引脚输出分辨率高达10位的PWM信号。用程序语句控制PWM信号的周期和高电平持续时间，从而控制电机电枢电压，达到调速目的。
3.2硬件组成
&本控制器根据项目参数要求应具有如下功能:
&(1) 具有电动、定速、助力三种工作模式:在电动模式下，控制系统能够根据电动车转把所给电压，正常加电运转;定速模式下，无需按住转把，电动车能够按照设定速度运行:助力模式下，能够根据助力传感器测得的骑车者的用力实现助力骑行.三种工作模式可通过模式转换按钮切换。
&(2) 当系统出错或者位置传感器、助力传感器出错时能够进入自检模式并显示错误。
&(3) 能够实现系统的欠压保护、过流保护、堵转保护。
&(4) 能够实时显示电动车的状态。
&根据上述功能，所设计的系统硬件框图如图3.2所示。
&本文在硬件设计中，将电路分为微控制器电路MCU.SchDoc.驱动电路Driver.SchDoc和面板显示电路Panel.SchDoc三个功能模块。如图3.3所示，单片机作为控制核心，向驱动电路传递PWM 信号、a相顶端驱动信号aTOP、b相顶端驱动信号bTOP、c相端驱动信号cTOP、a相底端驱动信号aBTM、b相底端驱动信号bBTM、c相底端驱动信号cBTM;通过I/0口向面板显示电路传递CLK时钟信号、RST复位信号和DAT数据信号。单片机从驱动电路部分获得a相传感器位置信号aSensor、b相传感器位置信号bSensor、c相传感器位置信号cSensor、刹车指令信号kBRK、电流采样信号adCur。各种功能模块之间共地，电源使用+36v 电池作为电源。功能逻辑连接部分不包括电源和接地部分。
3.3微控制器电路
&微控制器电路由微控制核心PIC16F72单片机、逻辑保护门74LS00和+5V电源电路构成，附加电路包括电源滤波电
出，MOs管驱动信号为单极性PWM控制，上桥臂MOs管导通期间为常开状态，下桥臂MOs管导通期间为PWM控制状态;由于设计了硬件逻辑保护电路，因此严格避免了上下桥臂同时导通的情况。由图可见，上臂驱动波形中，上升与下降的过程与电流换相有关。
图5 .5 是下桥臂功率管Q2( Q4,Q 6类似)对应位置A的触发波形。可见上桥臂功率管的导通时序与位置信号严格对应，但是由于本系统采用的是半桥调制，所以在导通期间，下桥臂进行PWM斩波控制.
5.4.2实验结论与建议
&通过实验和分析，可得到以下结论:
&(1) 本文提出的基于PIC单片机控制的电动自行车控制系统的设计方案是可行的，能实现快速、精确的调速，且系统可靠性强，调试方便。
&(2) 实验样车起动时比较平稳，在起动和运行中过载时，没有出现因大电流而损坏电子器件或电机的现象。
&(3)系统的过流保护值为10A、欠压保护值为31V，并且堵转和自检保护工作正常，运行时的面板显示部分工作正常。
&(4) 控制电路的对称半桥调制能实现电压电流波形对称，转矩脉动和开关损耗都小，是理想的调制方式进一步研究的建议:
&(1) 可采用Matlab/Simulink模块建立无刷直流电动机控制系统仿真模型，仿真数据对实际设计有重要的参考意义.
&(2) 可利用软件检测电机的反电动势，实现电机的无位置传感器控制，降低硬件成本，提高可靠性.
&(3) 可采用专用控制芯片和单片机相结合的方式实现无刷直流电机的控制，该系统会具有单片机的灵活性和专用控制芯片的稳定性双重优点.
&作为一种新能源绿色交通工具，具有零污染、高效率、低噪音特点的电动自行车必将有广阔的发展空间。本文在广泛查阅资料，深入了解无刷直流电机特性的基础上，对无刷直流电机的控制原理进行了详细的研究，设计了一款电动自行车用无刷直流电机控制器。一年来，经过多次的方案论证和软硬件设计，系统的功能和性能基本达到要求。
&本文所设计的基于PIC单片机的无刷直流电机控制器具有硬件结构简单、保护功能完善、软件采用模块化设计易于用户二次开发等特点。主要实现了如下功能:
&(1) 采用FIC16F72单片机作为主控芯片，加强了电动车的智能控制，实现了电动运行、定速运行和助力运行三种工作模式;
&(2) 安全控制电机系统，实现了系统的自检保护、欠压保护、过流保护、堵转保护;
&(3) 设计了逆变器驱动电路、硬件逻辑互锁电路和硬件过流保护电路，提高系统的可靠性;
&(4) 应用数字PI控制理论实现了系统速度的闭环控制;
&(5) 提出了一种电机的模式自识别设计方案.能够自动识别电机的换相角度、霍尔相位和电机输出相位.保证电机在接线错误的情况下可以进行自动纠正:
&(6) 系统软件采用模块化设计，为二次开发提供了非常便利的条件。
&由于时间与能力有限，本文所设计的控制系统还有待于进一步的改进，比如可采用无位置传感器的控制方法，利用软件检测电机的反电动势，从而省去位置传感器，降低硬件成本，提高可靠性;还可采用专用控制芯片和单片机相结合的方式实现无刷直流电机的控制，使系统具有更好的灵活性和稳定性。
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附录A 控制器电路图
驱动电路图
附录B 控制器电路板PCB图纸
附录C 控制器实物图
附录D 电动自行车和指示面板实物图
电动自行车实物图
指示面板实物图
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