畢業(yè)設(shè)計(jì)論文----單片機(jī)控制的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、黃黃 岡岡 師師 范范 學(xué)學(xué) 院院本本 科科 生生 畢畢 業(yè)業(yè) 論論 文文題 目：?jiǎn)纹瑱C(jī)控制的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 專(zhuān)業(yè)年級(jí)：電子信息科學(xué)與技術(shù)（2005 級(jí)）學(xué) 號(hào)：200522340219學(xué)生姓名： 李青 指導(dǎo)教師： 雷學(xué)堂 論文完成日期 2009 年 05 月I目錄目錄摘要.1ABSTRACT.21. 概論 .31.1 無(wú)刷直流電機(jī)的現(xiàn)狀.31.2 電動(dòng)自行車(chē)介紹及發(fā)展前景.41.3 本設(shè)計(jì)的主要工作.62. 無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)分析.62.1 三相無(wú)刷直流電機(jī)星形連接全橋驅(qū)動(dòng)原理.62.2 直流電動(dòng)機(jī)的 PWM 調(diào)速原理.93. 無(wú)刷直流電機(jī)控制器硬件設(shè)計(jì).93.1 硬件組成.103.

2、2 三相全橋逆變電路和驅(qū)動(dòng)電路.103.3 速度控制電路.143.4 其他.144. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì).154.1 概述.154.2 主程序.164.3 中斷.204.4 AD 轉(zhuǎn)換.214.5 PWM(脈沖寬度調(diào)制).234.6 位置信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系.234.7 數(shù)字 PI 速度調(diào)節(jié).245. 系統(tǒng)調(diào)制與實(shí)驗(yàn)結(jié)論.275.1 系統(tǒng)硬件調(diào)試.275.2 系統(tǒng)軟件調(diào)試.285.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論與建議.29結(jié)論.30參考文獻(xiàn).31致謝.32單片機(jī)控制的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 1 頁(yè) 共 32 頁(yè)單片機(jī)控制的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)控制的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)：電科 班級(jí)：20050

3、2 作者：李青 指導(dǎo)老師：雷學(xué)堂摘要摘要本課題是講述無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)集電機(jī)、逆變電路、檢測(cè)元件、控制軟件和硬件于一體，具有高可靠、高效率、壽命長(zhǎng)、調(diào)速方便等優(yōu)點(diǎn)，在電動(dòng)調(diào)速領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。電動(dòng)自行車(chē)的發(fā)明和使用對(duì)解決燃油車(chē)造成的嚴(yán)重環(huán)境污染和緩解日益突出的能源危機(jī)問(wèn)題有一定的現(xiàn)實(shí)意義。根據(jù)項(xiàng)目參數(shù)要求，采用Microchip公司的PIC16F72單片機(jī)作為控制芯片，在硬件方面，進(jìn)行了電源電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)硬件保護(hù)電路設(shè)計(jì)、三相全橋逆變電路設(shè)計(jì)、逆變器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。在軟件方面利用匯編語(yǔ)言，采用模塊化編程和結(jié)構(gòu)化編程。根據(jù)無(wú)刷直流電機(jī)的控制原理，對(duì)系統(tǒng)的控制部分進(jìn)行了詳細(xì)分析。利用數(shù)字PI控制

4、理論實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的閉環(huán)調(diào)制。在系統(tǒng)可靠性方面:設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的欠壓、過(guò)流和堵轉(zhuǎn)保護(hù)。本文還對(duì)影響控制器和單片機(jī)系統(tǒng)可靠性的因素進(jìn)行了分析，并且給出了解決方案.本文所設(shè)計(jì)的無(wú)刷電機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)、定速、助力三種工作模式并且在系統(tǒng)出錯(cuò)情況下具有自檢功能。保護(hù)功能較完善、硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，具有升級(jí)空間，便于用戶(hù)二次開(kāi)發(fā)。關(guān)鍵詞關(guān)鍵詞無(wú)刷直流電機(jī),PIC 單片機(jī),電動(dòng)自行車(chē),控制系統(tǒng)單片機(jī)控制的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 2 頁(yè) 共 32 頁(yè)The Design of The Brushless DC MotorControl SystemSpeciality : dianke class:050

5、2 Author: liqing Tuor:leixuetangAbstractAbstractThis thesis is part of the project named the controller of the Brushless DC Motor for electric-bike. The control system consists of Brushless DC Motor, controlling part, sensor part, hardware and software controlling part. With its unique advantages of

6、 high efficiency, high reliability, good control ability and maintenance-free, it is widely used in many fields. To developth 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 Brushl

7、ess DC Motor (BLDCM) control system for electric-bike. According to the project, PIC16F72M CU produced by Microchip Company has been selected. The design of hardware including power circuit, hardware protection circuit, electronic commutate circuit have been carried out. The software was designed fo

8、llowing the principle of modularization and structured programming and using assembly as the programme languages. Typical PI controls theory is used to control the speed. Less voltage protection, current excessive protection and wrong angle protection are designed to reinforce the system. Also, fact

9、ors that affect the reliability of the system are discussed in this paper, and some methods are introduced soon after. This cont roller realizes three work modes-electromotion, stationary speed and assisting work mode. Another self-test mode, which works under error, is also designed. This kind of b

10、rushless DC motor control system is superior in many fields such as high reliability, simple hardware structure, low cost, and convenient for the further development.KeyKey WordsWordsElectric bike, Brushless DC Motor, PIC, Control System單片機(jī)控制的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 3 頁(yè) 共 32 頁(yè)1.1. 概論概論1.11.1 無(wú)刷直流電機(jī)的現(xiàn)狀無(wú)刷直流電機(jī)的現(xiàn)

11、狀有刷直流電動(dòng)機(jī)作為最早的電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，由于其寬闊而平滑的優(yōu)良調(diào)速性能，在需要調(diào)速的應(yīng)用領(lǐng)域占有重要地位，但機(jī)械換向裝置的存在，限制了其發(fā)展和應(yīng)用范圍。直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械電刷和換向器因強(qiáng)迫性接觸，造成其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、火花、噪聲等一系列問(wèn)題，影響了直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速精度和性能。科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，帶來(lái)了半導(dǎo)體技術(shù)的飛躍，開(kāi)關(guān)型晶體管的研制成功為創(chuàng)造新型的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)帶來(lái)生機(jī)。1955年，美國(guó)人首次提出用晶體管換向線路代替機(jī)械換向裝置，經(jīng)過(guò)反復(fù)實(shí)驗(yàn)，人們終于找到了用位置傳感器和電子換相線路來(lái)代替有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換相裝置， 出現(xiàn)了磁電禍合式、光電式及霍爾元件作為位置傳

12、感器的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，以后人們發(fā)現(xiàn)電量波形和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)的位置存在著一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，因此又出現(xiàn)了通過(guò)觀測(cè)電樞繞組中不同電量波形，監(jiān)測(cè)轉(zhuǎn)子位置的無(wú)位置傳感器的電動(dòng)機(jī)。80年代初，無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)入了實(shí)用階段，方波和正弦波無(wú)刷直流電機(jī)先后研究成功?！盁o(wú)刷直流電機(jī)”的概念已由最初的具有電子換相器的直流電機(jī)發(fā)展到泛指一切具有傳統(tǒng)直流電機(jī)外部特性的電子換相電機(jī)?，F(xiàn)今，無(wú)刷直流電機(jī)集電機(jī)、變速機(jī)構(gòu)、檢測(cè)元件、控制軟件和硬件于一體，形成為新一代的電動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)。無(wú)刷 直 流 電機(jī)具有最優(yōu)越的調(diào)速性能，主要表現(xiàn)在:調(diào)速方便(可無(wú)級(jí)調(diào)速)，調(diào)速范圍寬，低速性能好(啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)電流小)，運(yùn)行平穩(wěn)，噪音低，效率高，應(yīng)用

13、場(chǎng)合從工業(yè)到民用極其廣泛。如電動(dòng)自行車(chē)、電動(dòng)汽車(chē)、電梯、抽油煙機(jī)、豆?jié){機(jī)、小型清污機(jī)、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等等.由于無(wú)刷直流電機(jī)具有這些優(yōu)點(diǎn)，因此在2004年的國(guó)際電機(jī)會(huì)議上提出了有刷電機(jī)將被無(wú)刷電機(jī)取代這一發(fā)展趨勢(shì)。美、日、英、德在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了以無(wú)刷直流電機(jī)代替有刷電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)換。美國(guó)福特公司率先把無(wú)刷直流電機(jī)應(yīng)用于汽車(chē)20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著微機(jī)控制技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了各種稱(chēng)為無(wú)位置傳感器控制技術(shù)的方法，是當(dāng)代無(wú)刷直流電機(jī)控制研究的熱點(diǎn)之一。各國(guó)知名半導(dǎo)體公司如Allegro,Philips,Micro Linear,To shiba等，先后推出了許多無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)傳感器控制集

14、成電路。單片機(jī)控制的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 4 頁(yè) 共 32 頁(yè)2004年12月我國(guó)電機(jī)制造業(yè)共1167家生產(chǎn)企業(yè)，全部從業(yè)人員388282人，資產(chǎn)972億。我國(guó)生產(chǎn)的微特電機(jī)己經(jīng)占世界60%以上，目前是全球最大的永磁體(生產(chǎn)無(wú)無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)刷電機(jī)的主要原材料)生產(chǎn)供應(yīng)基地，中國(guó)還將會(huì)成為全球最大的無(wú)刷電機(jī)生產(chǎn)國(guó)。隨著汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展，車(chē)用小功率電機(jī)的需求增長(zhǎng)帶動(dòng)了以永磁無(wú)刷直流電機(jī)為主體的車(chē)用小功率電機(jī)的興起，我國(guó)正在成為世界電動(dòng)汽車(chē)制造業(yè)的主要供應(yīng)商。1.21.2 電動(dòng)自行車(chē)介紹及發(fā)展前景電動(dòng)自行車(chē)介紹及發(fā)展前景1.2.1 電動(dòng)自行車(chē)概況電動(dòng)自行車(chē)概況電動(dòng)自行車(chē)一般分為兩類(lèi)

15、，一種是零啟動(dòng)電動(dòng)自行車(chē)，一般稱(chēng)為電動(dòng)自行車(chē)，這種電動(dòng)自行車(chē)盡管有腳踏騎行功能但可以完全靠電動(dòng)騎行。還有一種智能型電動(dòng)自行車(chē)，這種智能型電動(dòng)自行車(chē)不能完全電動(dòng)騎行，是需要人力騎行的助力電動(dòng)自行車(chē)，一般為一比一助力即人機(jī)對(duì)等出力。不過(guò)現(xiàn)在有些電動(dòng)車(chē)控制器將這兩種功能綜合在一起，通過(guò)功能選擇按鍵可以選擇相應(yīng)的騎行模式。據(jù)助力車(chē)專(zhuān)業(yè)委員會(huì)不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)電動(dòng)自行車(chē)的銷(xiāo)售量1998年為5.4萬(wàn)輛，1999年為14萬(wàn)輛，2000年為29萬(wàn)輛，2001年電動(dòng)自行車(chē)的實(shí)際銷(xiāo)量已超過(guò)58萬(wàn)輛，2004年更高達(dá)400多萬(wàn)輛，今年則可望達(dá)到500萬(wàn)輛，主要銷(xiāo)售在蘇浙滬、天津一帶，在鼓勵(lì)電動(dòng)自行車(chē)的上海，電動(dòng)自行車(chē)

16、擁有量已達(dá)120萬(wàn)輛，其中2005年共銷(xiāo)售電動(dòng)自行車(chē)40萬(wàn)輛。專(zhuān)家預(yù)計(jì)，到2008年我國(guó)電動(dòng)自行車(chē)年銷(xiāo)量可突破1000萬(wàn)輛，電動(dòng)自行車(chē)制造業(yè)已進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期。 據(jù)中國(guó)自行車(chē)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，目前全國(guó)電動(dòng)自行車(chē)保有量已超過(guò)1000萬(wàn)輛。目前全國(guó)自行車(chē)的保有量在4億輛左右，以10被電動(dòng)自行車(chē)替代，每輛電動(dòng)自行車(chē)20003000元計(jì)算，這個(gè)市場(chǎng)將達(dá)到1000億元左右。千億元的大蛋糕讓人心動(dòng)，全國(guó)已經(jīng)在自行車(chē)的發(fā)展基地上自然形成了三大電動(dòng)自行車(chē)板塊：以天津?yàn)槭椎奶旖?、南京板塊，以上海為首的江浙板塊以及以廣州為首的廣東板塊，三足鼎立。中國(guó)自行車(chē)協(xié)會(huì)理事長(zhǎng)王鳳和指出，作為綠色環(huán)保產(chǎn)品，電動(dòng)自行車(chē)的發(fā)展全國(guó)不平衡

17、，其中江浙滬地區(qū)占了總額的80，以旅游城市杭州為例，2003年電動(dòng)自行車(chē)保有量為40萬(wàn)輛，而自行車(chē)為100萬(wàn)輛，已經(jīng)占到40。國(guó)外的電動(dòng)車(chē)業(yè)近年來(lái)也得到了快速的發(fā)展。從全球市場(chǎng)上看，日本雅馬哈、本田、三洋、松下等知名公司紛紛進(jìn)入電動(dòng)自行車(chē)行業(yè)，而且日益擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模；單片機(jī)控制的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 5 頁(yè) 共 32 頁(yè)德國(guó)、英國(guó)、奧地利、意大利、美國(guó)等國(guó)著名的自行車(chē)廠商和公司，也不斷加入電動(dòng)自行車(chē)的開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和銷(xiāo)售，電動(dòng)自行車(chē)的銷(xiāo)售也呈逐年上升趨勢(shì)。據(jù)資料介紹，全球電動(dòng)自行車(chē)數(shù)量，在過(guò)去6年中，從3.6萬(wàn)輛劇增到50萬(wàn)輛。這樣說(shuō)來(lái)，電動(dòng)車(chē)作為暫時(shí)的替代品或最終的交通、休閑用具，市場(chǎng)前景都

18、不可限量。1.2.2 發(fā)展前景發(fā)展前景電機(jī)是電動(dòng)自行車(chē)的關(guān)鍵部件。為使電動(dòng)自行車(chē)有良好的使用性能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)具有寬調(diào)速范圍、高轉(zhuǎn)速和足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。此外，由于電動(dòng)自行車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是車(chē)載形式運(yùn)行的，這要求電機(jī)體積小、重量輕、效率高、且具有良好的能量回饋性能。稀土永磁無(wú)刷直流電機(jī)是近20年發(fā)展起來(lái)的一類(lèi)電機(jī)，電力電子技術(shù)，微電子技術(shù)、微機(jī)和稀土永磁材料的發(fā)展為無(wú)刷直流電機(jī)的研究奠定了基礎(chǔ)。目前無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展已經(jīng)和大功率開(kāi)關(guān)器件、專(zhuān)用集成電路、稀土永磁材料、微機(jī)、新型控制理論及電機(jī)理論的發(fā)展緊密結(jié)合，顯示出廣泛的應(yīng)用前景和強(qiáng)大的生命力。與其它電機(jī)相比它具有幾個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn)： 永磁無(wú)刷直流電機(jī)沒(méi)有電

19、刷、而是利用電子換相，故克服了任何由電刷硬氣的問(wèn)題。 永磁體安裝在轉(zhuǎn)子上、電樞繞組裝在定子上，故導(dǎo)熱性能好，產(chǎn)生的熱量更容易散發(fā)出去；結(jié)構(gòu)也變得簡(jiǎn)單，并且節(jié)省了空間，使其磁場(chǎng)損失也得到了減少。 它的效率與轉(zhuǎn)速永遠(yuǎn)保持同步關(guān)系，不會(huì)發(fā)生失步、震蕩等現(xiàn)象，在節(jié)約能源方面也有明顯優(yōu)勢(shì)。近些年來(lái)，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)、控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)的應(yīng)用技術(shù)也得到了進(jìn)一步發(fā)展，新產(chǎn)品、新技術(shù)層出不窮。許多電動(dòng)車(chē)生產(chǎn)廠家都應(yīng)用了一系列的電動(dòng)車(chē)新技術(shù)，大大增強(qiáng)了自身品牌在市場(chǎng)上的影響，也頗受消費(fèi)者的關(guān)注。麥科集團(tuán)電助動(dòng)車(chē)公司研制出智能變頻電機(jī)，變頻控制器和變頻高效電機(jī)共同組成高效動(dòng)力系統(tǒng)，充分利用小電流

20、大扭矩原理，在其行過(guò)程中根據(jù)路況和載重情況及時(shí)調(diào)整輸出功率；北京新日電動(dòng)車(chē)研制開(kāi)發(fā)了雙動(dòng)力電動(dòng)車(chē)，與普通電動(dòng)車(chē)相比，雙動(dòng)力電動(dòng)車(chē)擁有兩個(gè)動(dòng)力源，可實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)不同惡毒點(diǎn)留下的效能轉(zhuǎn)換，即實(shí)現(xiàn)高效動(dòng)力檔和高速動(dòng)力檔的轉(zhuǎn)換；莫拉克公司開(kāi)發(fā)出在騎行的同時(shí)就能給蓄電池充電的電動(dòng)車(chē)，可以提高電動(dòng)自行車(chē)一次充電續(xù)駛里程。電動(dòng)自行車(chē)作為自行車(chē)史上具有革命性的交通工具，在給人們生活帶來(lái)方便的同時(shí)，也對(duì)整個(gè)社會(huì)的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生了積極的影響。物美價(jià)廉的電動(dòng)自行車(chē)有著巨大的市場(chǎng)需求。電動(dòng)自行車(chē)在整車(chē)設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、電池管理，尤其是鋰電池、燃料電單片機(jī)控制的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 6 頁(yè) 共 32 頁(yè)池等高性能電池的研制

21、方面不斷取得突破。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性與安全性，促進(jìn)整車(chē)效率，而且可以節(jié)約能源和降低自行車(chē)的維護(hù)成本，從而推動(dòng)電動(dòng)自行車(chē)的廣泛應(yīng)用。1.31.3 本設(shè)計(jì)的主要工作本設(shè)計(jì)的主要工作論文對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的控制原理進(jìn)行了詳細(xì)分析，依據(jù)無(wú)刷直流電機(jī)特性，針對(duì)電動(dòng)自行車(chē)的控制需求，進(jìn)行了無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。技術(shù)指標(biāo)如下:系統(tǒng)正常工作電壓36V;最低工作電壓31V;最大工作電流10A;最大輸出功率360W。1.3.11.3.1 硬件部分硬件部分硬件部分以PIC16F72單片機(jī)作為控制芯片，逆變器由6個(gè)MOSFET管組成。通過(guò)微控制單元電路、逆變器驅(qū)動(dòng)電路等電路模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的智能控制以及欠壓保護(hù)

22、、過(guò)流保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)等保護(hù)功能，可靠的對(duì)電動(dòng)車(chē)電機(jī)和電池進(jìn)行保護(hù)，確保電動(dòng)車(chē)使用及安全。1.3.21.3.2 軟件部分軟件部分在軟件方面利用匯編語(yǔ)言，采用模塊化編程和結(jié)構(gòu)化編程。實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的采集及處理，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)自行車(chē)的電動(dòng)、定速和助力三種工作模式并且在系統(tǒng)出錯(cuò)情況下具有自檢功能。利用數(shù)字PI控制理論實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的閉環(huán)調(diào)制。具體設(shè)計(jì)下: 選用PIC16P72單片機(jī)作為主控芯片; 采用開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器作為電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器; 通過(guò)對(duì)PIC單片機(jī)編程，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車(chē)電動(dòng)、定速和助力三種工作模式; 通過(guò)硬件電路和軟件編程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自檢、欠壓、過(guò)流、堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能; 通過(guò)軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)自行車(chē)儀表盤(pán)顯示

23、控制; 利用PI控制理論實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的閉環(huán)調(diào)制;本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了無(wú)刷直流電機(jī)的自動(dòng)控制，硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，具有升級(jí)空間，便于用戶(hù)二次開(kāi)發(fā)。設(shè)計(jì)中，利用PIC開(kāi)發(fā)環(huán)境完成軟件編寫(xiě)和調(diào)試;利用邏輯分析儀和示波器等完成硬件調(diào)試;借助于電動(dòng)自行車(chē)實(shí)體，對(duì)軟硬件參數(shù)進(jìn)行測(cè)試，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。2.2. 無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)分析無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)分析單片機(jī)控制的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 7 頁(yè) 共 32 頁(yè)2.12.1 三相無(wú)刷直流電機(jī)星形連接全橋驅(qū)動(dòng)原理三相無(wú)刷直流電機(jī)星形連接全橋驅(qū)動(dòng)原理無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度及轉(zhuǎn)子極數(shù)的影響，在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子

24、的轉(zhuǎn)速。無(wú)刷直流電機(jī)控制器包括電源部分和控制部分，如圖2.1所示。電源部分提供三相電源給電機(jī)，控制部分則按照需求轉(zhuǎn)換電源頻率。電源部分可以直接以直流電輸入或者以交流電輸入，如果是以交流電輸入就需先經(jīng)轉(zhuǎn)換器(converter)轉(zhuǎn)成直流電。不論是直流電輸入或是交流電輸入，送入電機(jī)線圈前須先將直流電壓由逆變器(inverter)轉(zhuǎn)成三相電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。逆變器一般由六個(gè)功率晶體管，分為上橋臂和下橋臂，連接電機(jī)作為控制流經(jīng)電機(jī)線圈的開(kāi)關(guān)。控制部分則提供PWM脈沖寬度調(diào)制信號(hào)決定功率晶體管開(kāi)關(guān)頻率及逆變器換相的時(shí)機(jī)。對(duì)于無(wú)刷直流電機(jī)，當(dāng)負(fù)載變動(dòng)時(shí)，一般希望速度可以穩(wěn)定于設(shè)定值而不會(huì)有太大的變動(dòng)，所以電機(jī)

25、內(nèi)部裝有霍爾傳感器(hall-sensor)，作為速度的閉回路控制，同時(shí)也作為相序控制的依據(jù)。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)由霍爾傳感器感應(yīng)到的電機(jī)轉(zhuǎn)子所在位置，決定開(kāi)啟或關(guān)閉逆變器中功率晶體管的順序來(lái)控制，如圖2.2所示，逆變器中的AH, BH, CH(上橋臂功率晶體管)及AL, BL, CL(下橋臂功率晶體管)，使電流依序流經(jīng)電機(jī)線圈，產(chǎn)生順向或逆向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，使電機(jī)順向或逆向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到霍爾傳感器感應(yīng)出另一組信號(hào)的位置時(shí)，控制部又再開(kāi)啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)，電機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng).功率晶體管的開(kāi)啟方法舉例如下:AH, BL一組AH, CL一組BH, CL一組BH, A

26、L一組CH, AL一組CH、BL一組，但不能使AH, AL或BH, BL或CH, CL，即同相上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通.此外，因?yàn)殡娮恿慵傆虚_(kāi)關(guān)的響應(yīng)時(shí)間，所以功率晶體管在關(guān)與開(kāi)的交錯(cuò)時(shí)間要將零件的響應(yīng)時(shí)間考慮進(jìn)去，否則當(dāng)上臂(或下臂)尚未完全關(guān)閉，下臂(或上臂)就已開(kāi)啟，結(jié)果就造成上、下臂短路而使功率晶體管燒毀。設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器采集的位置信號(hào)為Ha, Hb, Hc，分別對(duì)應(yīng)于逆變器的A相、B相、C相，則當(dāng)前位置與下一位置電子開(kāi)關(guān)導(dǎo)通相的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表2.1所示。在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，控制部分會(huì)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的速度決定功率管的導(dǎo)通時(shí)間。若系統(tǒng)要求加速，則增長(zhǎng)功率管導(dǎo)通的時(shí)間，若要求減速，則縮短功率管導(dǎo)通的時(shí)

27、間，單片機(jī)控制的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 8 頁(yè) 共 32 頁(yè)此部分工作由PWM脈寬調(diào)制信號(hào)控制。 圖2.1三相無(wú)刷直流電機(jī)工作原理 Inverter MOTOR AHALBHBLCHCLinverter圖2.2 逆變器原理圖表2.1霍爾位置信號(hào)與換相的關(guān)系正向 當(dāng)前位置(Ha,Hb,Hc) 下一位置導(dǎo)通相100 AH,CL 110 BH,CL 010 BH,AL 011 CH,AL 001 CH,BL 101 AH,BL反向 當(dāng)前位置(Ha,Hb,Hc) 下一位置導(dǎo)通相 001 CH,AL 011 CH,BL 010 AH,BL 110 AH,CL 100 BH,CL單片機(jī)控制的無(wú)刷直流電

28、機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 9 頁(yè) 共 32 頁(yè) 101 BH,AL2.22.2 直流電動(dòng)機(jī)的直流電動(dòng)機(jī)的PWMPWM調(diào)速原理調(diào)速原理直流調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)速方法就是調(diào)節(jié)電樞電壓。改變電樞電壓調(diào)速的方法有穩(wěn)定性較好、調(diào)速范圍大的優(yōu)點(diǎn)。為了獲得可調(diào)的直流電壓，利用電力電子器件的完全可控性，采用脈寬調(diào)制PWM)技術(shù)，直接將恒定的直流電壓調(diào)制成可變大小和極性的直流電壓作為電動(dòng)機(jī)的電樞端電壓，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的平滑調(diào)速，這種調(diào)速系統(tǒng)就稱(chēng)為直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。它被越來(lái)越廣泛的應(yīng)用在各種功率的調(diào)速系統(tǒng)中。本系統(tǒng)利用開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)方式使半導(dǎo)體功率器件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，通過(guò)脈寬調(diào)制(PWM)來(lái)控制電動(dòng)機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。圖2

29、.3是對(duì)電機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速控制時(shí)的電樞繞組兩端的電壓波形。當(dāng)開(kāi)關(guān)管的柵極輸入高電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，直流電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端有電壓秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖?，開(kāi)關(guān)管截止，電動(dòng)機(jī)電樞兩端電壓為0, tz秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖剑_(kāi)關(guān)管的動(dòng)作重復(fù)前面的過(guò)程。 U1 0TU0 Us t1 t2 0圖2.3 輸入輸出電壓波形電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端的電壓平均值。為: UUtttUtUaTS1112110式中占空比a表示在一個(gè)周期T里，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間與周期的比值，a變化范圍為0-1之間。所以當(dāng)電源電壓Us不變時(shí)，電樞的端電壓的平均值U。取決于占空比的大小，改變a值就可改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的.理

30、想空載轉(zhuǎn)速與占空比a成正比。單片機(jī)控制的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 10 頁(yè) 共 32 頁(yè)電量檢測(cè)助力信號(hào)轉(zhuǎn)把信號(hào)BRK 信號(hào)MOD 轉(zhuǎn)換面板信號(hào)MCU 升壓電路邏輯保護(hù)電路電流檢測(cè)驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息5V36V電源語(yǔ)法語(yǔ)法錯(cuò)誤，錯(cuò)誤，V3.3. 無(wú)刷直流電機(jī)控制器硬件設(shè)計(jì)無(wú)刷直流電機(jī)控制器硬件設(shè)計(jì)無(wú)刷直流電機(jī)控制器在控制方式上主要有以專(zhuān)用集成芯片、單片機(jī)和DSP芯片控制三種方式。以專(zhuān)用集成芯片為核心的控制器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格較便宜，但是系統(tǒng)靈活性不足，保護(hù)功能有限:以DSP芯片為核心的控制器，控制精度較高，但是算法較復(fù)雜，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，成本較高，不易在市場(chǎng)上推廣。本設(shè)計(jì)使用單片機(jī)作為主控

31、芯片可以彌補(bǔ)上述兩方案的不足。 3.13.1 硬件組成硬件組成本控制器根據(jù)項(xiàng)目參數(shù)要求應(yīng)具有如下功能:(1)具有電動(dòng)、定速、助力三種工作模式:在電動(dòng)模式下，控制系統(tǒng)能夠根據(jù)電動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)把所給電壓，正常加電運(yùn)轉(zhuǎn);定速模式下，無(wú)需按住轉(zhuǎn)把，電動(dòng)車(chē)能夠按照設(shè)定速度運(yùn)行:助力模式下，能夠根據(jù)助力傳感器測(cè)得的騎車(chē)者的用力實(shí)現(xiàn)助力騎行.三種工作模式可通過(guò)模式轉(zhuǎn)換按鈕切換。(2)當(dāng)系統(tǒng)出錯(cuò)或者位置傳感器、助力傳感器出錯(cuò)時(shí)能夠進(jìn)入自檢模式并顯示錯(cuò)誤。(3)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)。(4)能夠?qū)崟r(shí)顯示電動(dòng)車(chē)的狀態(tài)。根據(jù)上述功能，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件框圖 。如圖3.1所示。 50V PWM圖3.1 硬件

32、系統(tǒng)框圖 3.23.2 三相全橋逆變電路和驅(qū)動(dòng)電路三相全橋逆變電路和驅(qū)動(dòng)電路逆變電路和驅(qū)動(dòng)電路是主控芯片與被控電機(jī)之間聯(lián)系的紐帶，其傳輸性能的好電源單片機(jī)控制的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 11 頁(yè) 共 32 頁(yè)壞直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。其功能是將電源的功率以一定邏輯關(guān)系分配給無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定子上各相繞組。功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有開(kāi)關(guān)速度快、高頻特性好、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、熱穩(wěn)定性?xún)?yōu)良、無(wú)二次擊穿問(wèn)題、安全工作區(qū)寬和跨導(dǎo)線性度高等顯著特點(diǎn)，因而在各類(lèi)中小功率開(kāi)關(guān)電路中得到了廣泛的應(yīng)用。在本控制系統(tǒng)中就采用了MOSFET組成的逆變器變換電路。根據(jù)第二節(jié)所述，半橋逆變器的控制比較復(fù)雜，需要六組

33、控制信號(hào)，電機(jī)三相繞組的工作也相對(duì)獨(dú)立，必須對(duì)三相電流分別控制。而全橋逆變器的控制比較簡(jiǎn)單，只需三組獨(dú)立控制信號(hào)，且任一時(shí)刻導(dǎo)通的兩相電流相等，只要對(duì)其中一相電流進(jìn)行控制，另外一相電流也得到了控制.因此本設(shè)計(jì)采用全橋逆變電路來(lái)控制各相位的導(dǎo)通，如圖2.2所示。本設(shè)計(jì)中逆變器上下橋臂都采用N溝道MOSFET管，如圖3.2所示。P型MOSFET管由于工藝的原因，參數(shù)一致性較差，價(jià)格較貴，而且其內(nèi)阻比N溝道的MOSFET管大，損耗也大。因此，當(dāng)前的無(wú)刷控制器一般都采用兩個(gè)N溝道MOSFET管組成逆變器的一相。 當(dāng)功率MOSFET管用作開(kāi)關(guān)，被驅(qū)動(dòng)飽和導(dǎo)通，即在它的兩極之間壓降最低時(shí)，其柵極驅(qū)動(dòng)要求可

34、概括如下:(1) 柵極電壓一定要比漏極電壓高1015V，用作高壓側(cè)開(kāi)關(guān)時(shí)其柵極電壓必定高于干線電壓，常?？赡苁窍到y(tǒng)中的最高電壓.(2) 柵極電壓從邏輯上看必須是可控的，它通常以地為參考點(diǎn)。(3) 柵極驅(qū)動(dòng)電路吸收的功率不會(huì)顯著地影響總效率。本系統(tǒng)中功率MOSFET的漏極電壓為36V，本系統(tǒng)的最高電源電壓也為36V。為滿(mǎn)足柵極高于漏極10V15V的要求，需要采用升壓電路。3.2.13.2.1 頂端、底端驅(qū)動(dòng)電路頂端、底端驅(qū)動(dòng)電路(1) 驅(qū)動(dòng)電路如圖3.2所示，由于受到匹配電壓的限制，頂端驅(qū)動(dòng)電路無(wú)法直接與TTL器件匹配，因此在電路中通過(guò)LM339用來(lái)間接匹配電壓，匹配后的LM339輸出端(Ql開(kāi)

35、通，電流流過(guò)R19，電流方向?yàn)樽笳邑?fù)(從而保證Ql開(kāi)通時(shí)Q2關(guān)斷)，VF1柵極電壓為50V左右，源極電壓為36V左右，VF1開(kāi)通;當(dāng)LM339的2口輸出為高時(shí)，Ql關(guān)斷，這時(shí)VF1截止。Q2與R18, R19, C26組成有源濾波器。底端驅(qū)動(dòng)，當(dāng)經(jīng)過(guò)邏輯保護(hù)的A相底端控制信號(hào)aBTM輸入為1時(shí)，經(jīng)過(guò)底端驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生12V有效信號(hào)，使得VF2導(dǎo)通。同時(shí)，單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)送到NE555的RST端，對(duì)底端控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。單片機(jī)控制的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 13 頁(yè) 共 32 頁(yè)452312aT OPC26C29C43R15DZ1DZ2Q1Q2R16R17R18R19R20+12R22R

36、21+36+36PWMaBTMTRIG2OUT3RST4CVolt5THR6DIS7VCC8GND1U1+12+50+12452312aT OPC27C30C39R23DZ3DZ4Q3Q4R24R25R26R27R28+12R30R29+36+36PWMaBTMTRIG2OUT3RST4CVolt5THR6DIS7VCC8GND1U2+12+50+12452312aT OPC28C31C37R31DZ5DZ6Q5Q6R32R33R34R35R36+12R38R37+36+36PWMaBTMTRIG2OUT3RST4CVolt5THR6DIS7VCC8GND1U3+12+12R51OUTR26R

37、ES1+50aCOMEVF3VF1VF4X1VF6VF5VF2aCOMEaCOMEX3X2MOTORMOTORMOTOR圖3.2 MOSFET驅(qū)動(dòng)逆變電路3.2.23.2.2 電源電路電源電路驅(qū)動(dòng)電路的電源部分包含兩部分電路:一部分是將電池電源36V，通過(guò)三端穩(wěn)壓器LM7915產(chǎn)生相對(duì)電源電壓的-15V電壓，即36V-15V=21V ，用于倍壓電路產(chǎn)生高驅(qū)動(dòng)電壓;另一部分是通過(guò)三端穩(wěn)壓器LM7812產(chǎn)生的+12V電壓，用于頂端驅(qū)動(dòng)匹配和底端驅(qū)動(dòng)電路。如圖3.3所示，電源電路中，根據(jù)各個(gè)部分的電流，合理的選擇分流電阻*R14和*R45的阻值和功率，減小直接流過(guò)三端穩(wěn)壓器件的電流，降低其發(fā)熱量，提

38、高電路穩(wěn)定性。單片機(jī)控制的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 14 頁(yè) 共 32 頁(yè) IN1OUT3GND2U6LM7812CT (3)IN(T AB)2OUT3GND1U4LM7915CT (3)C33104C18104C19104C20104C34104C35104R141.5KR452.4K.ICPCB .IC.ICPCB .IC+36+36+36+36+21+12+12+36圖3.3 +21V和+12V電源電路3.2.33.2.3 振蕩倍壓和硬件保護(hù)電路振蕩倍壓和硬件保護(hù)電路（1）硬件保護(hù)電路為了增加控制系統(tǒng)的可靠性和安全性，設(shè)計(jì)了純硬件制動(dòng)保護(hù)電路，如圖3.4所示。制動(dòng)電路通過(guò)控制振蕩電路的

39、RST端的電平狀態(tài)，間接控制頂端驅(qū)動(dòng)電路導(dǎo)通所需電壓源.通過(guò)LM339的保護(hù)功能，當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)，測(cè)試點(diǎn)1處的電壓通過(guò)上拉電阻，電平為12V，經(jīng)過(guò)22V穩(wěn)壓二極管，測(cè)試點(diǎn)2處的電平在34V左右，振蕩電路正常工作;當(dāng)系統(tǒng)過(guò)流時(shí)，純硬件的保護(hù)電路U5反向輸入端的電壓將高于正向輸入端參考電壓，U5內(nèi)部的三極管導(dǎo)通，測(cè)試點(diǎn)1處電平約0.7V,測(cè)試點(diǎn)2處電壓為21V左右，RST有效，振蕩電路停止振蕩，頂端驅(qū)動(dòng)電路將不再輸出驅(qū)動(dòng)電壓，從而實(shí)現(xiàn)硬件制動(dòng)穩(wěn)定性。R47和C36組成電流波形尖峰抑制器，可抑制電流波形的前導(dǎo)峰緣，增強(qiáng)系統(tǒng)。（2）振蕩倍壓電路如圖3.4所示，NE555的電源接+36V電壓，地端接+

40、21V電壓。NE555和外圍電路組成振蕩電路，振蕩電路產(chǎn)生的振蕩頻率約為4-5KHz,振蕩信號(hào)從NE555的3腳輸后，通過(guò)陶瓷電容C23和C24、二極管D3和D4構(gòu)成的倍壓電路，將輸出電壓提升到50V左右，送到MOS管的柵極。NE555的RST腳能夠控制振蕩電路的起停。倍壓電路的工作原理是:當(dāng)NE555的3腳為GND電壓(+21V)時(shí)，電源36V通過(guò)二極管D4給電容C24充電，如果時(shí)間常數(shù)合適，C24上的電壓近似等于36V-21V=15V，方向?yàn)樽筘?fù)右正:當(dāng)NE555的3腳為高時(shí)，電容C24左側(cè)為36V，右側(cè)為36V+15V=51V，因?yàn)槎O管D4反偏截止，產(chǎn)生的51V電壓就通過(guò)二極管D3給C

41、23, C25充電，這樣經(jīng)過(guò)若干周期的反復(fù)充電，電容C25上的電壓就升到后部驅(qū)動(dòng)所需要的51V恒定電壓。單片機(jī)控制的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 15 頁(yè) 共 32 頁(yè).ICTest voctor.ICPCB.ICTest voctor.ICC21103C24105C22103C36105C23105R5010kR4751R131.5KR4810KR49510R461KD?DIODE111013123U?ALM339C25104DZ20VTRIG2OUT3RST4CVolt5THR6DIS7VCC8GND1U5NE555OUTR131.5K+12+36+36+12+36D41N4148D31N4

42、148+51kBUkTP1 圖 3.4 振蕩倍壓電路和純硬件保護(hù)電路3.33.3 速度控制電路速度控制電路 123J2CON312J3CON2123J1CON3C15104R141.5KR91.5KR31R121KVCCVCC3.43.4 其他其他3.4.13.4.1 蓄電池檢測(cè)方案蓄電池檢測(cè)方案電動(dòng)自行車(chē)在使用過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)蓄電池的容量情況將給用戶(hù)帶來(lái)很大的方便，它能提供蓄電池的電能大約能夠使車(chē)輛行駛多少里程，蓄電池是否需要充電等信息。蓄電池的總?cè)萘客ǔＲ猿渥汶姾螅烹娭疗涠穗妷哼_(dá)到規(guī)定值時(shí)所釋放出的總電量來(lái)表示。當(dāng)蓄電池以恒定電流放電時(shí)，它的容量等于放電電流和放電時(shí)間的乘積: tIddQ

43、單片機(jī)控制的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 16 頁(yè) 共 32 頁(yè)式中Q的單位為(A-h)。如果放電電流不是一個(gè)恒定的常數(shù)，蓄電池的容量為不同的放電電流與相應(yīng)時(shí)間的乘積之和:tItItIdNdNddddQ.2211由于蓄電池的容量受到很多因素的影響，長(zhǎng)時(shí)間的使用，反復(fù)的充放電，一些蓄電池的容量將逐漸減小，因此要準(zhǔn)確測(cè)量蓄電池的容量比較困難。本方案利用蓄電池端電壓與容量之間的關(guān)系，通過(guò)測(cè)量蓄電池的端電壓來(lái)監(jiān)測(cè)蓄電池的容量.利用單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換口，將電池兩端的電壓這一模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，從而顯示電池相應(yīng)的電量，以及判斷電池是否欠壓。3.4.23.4.2 助力信號(hào)檢測(cè)方案助力信號(hào)檢測(cè)方案本設(shè)計(jì)中用到的

44、助力傳感器為V7系列電動(dòng)車(chē)用助力傳感器。V7助力傳感器由開(kāi)關(guān)型霍爾元件和后部處理電路組成，供電電源5V。當(dāng)霍爾原件感應(yīng)面有磁場(chǎng)時(shí)，傳感器輸出為低，無(wú)磁場(chǎng)時(shí)輸出為高，后部處理電路根據(jù)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，向單片機(jī)發(fā)出符合以下規(guī)律的信號(hào):(1) 頻率與轉(zhuǎn)速成正比；(2) 電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，一周期內(nèi)的高電平時(shí)間:低電平時(shí)間=2:1 ；電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，一周期內(nèi)的高電平時(shí)間:低電平時(shí)間=1:2 。為了使得采集的數(shù)據(jù)更精確，電動(dòng)車(chē)助力輪上裝有5個(gè)感應(yīng)鐵塊，所以助力輪轉(zhuǎn)一圈，助力傳感器會(huì)按照上述規(guī)律送出5組信號(hào).利用PIC單片機(jī)的普通I/O口和定時(shí)器TO加以配合，檢測(cè)高低電平的時(shí)間，從而確定相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，給出對(duì)應(yīng)的助力

45、。4.4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)4.14.1 概述概述在軟件方面，本設(shè)計(jì)利用匯編語(yǔ)言，采用模塊化編程和結(jié)構(gòu)化編程。模塊化編程:完全實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)所有的技術(shù)指標(biāo)需要大量而有效的程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，煩瑣的程序需要采用模塊化編程的方法，即將一個(gè)大的程序分成若干小的模塊，各個(gè)模塊保持相對(duì)的獨(dú)立性，模塊之間只靠少量的出入口參數(shù)相聯(lián)系。這樣各個(gè)程序模單片機(jī)控制的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 17 頁(yè) 共 32 頁(yè)塊分別設(shè)計(jì)，從而使程序的調(diào)試、修改和維護(hù)都變得比較容易。結(jié)構(gòu)化編程:各個(gè)子程序之間使用結(jié)構(gòu)良好的轉(zhuǎn)移和調(diào)用，這樣各個(gè)模塊可有效地組合成一個(gè)整體，使流程明確地從一個(gè)程序模塊轉(zhuǎn)移到下一個(gè)程序模塊.在這個(gè)過(guò)程中，

46、要注意嚴(yán)格控制使用任意轉(zhuǎn)移語(yǔ)句。根據(jù)課題要求，無(wú)刷智能控制器智能部分功能如下:(1) 電動(dòng)模式:打開(kāi)電鎖，如果各電器部件正常工作，電動(dòng)車(chē)進(jìn)入電動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)前儀表板電動(dòng)指示燈點(diǎn)亮，轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)把，電動(dòng)車(chē)正常加電運(yùn)轉(zhuǎn);如轉(zhuǎn)把、剎把、助力傳感器信號(hào)出錯(cuò)，則電動(dòng)車(chē)進(jìn)入自檢狀態(tài)，待前面所說(shuō)電器部件信號(hào)恢復(fù)正常，過(guò)2-3秒電動(dòng)車(chē)退出自檢模式，進(jìn)入正常電動(dòng)狀態(tài)。(2) 助力模式:打開(kāi)電鎖，在電動(dòng)車(chē)進(jìn)入電動(dòng)模式下，按動(dòng)模式轉(zhuǎn)換按鈕，電動(dòng)模式轉(zhuǎn)換到助力模式，此時(shí)前儀表板電動(dòng)指示燈滅，助力指示燈亮，騎行實(shí)現(xiàn)一加一助力:再次按動(dòng)模式轉(zhuǎn)換按鈕或剎車(chē)，則電動(dòng)車(chē)退出助力模式回到電動(dòng)模式，助力模式下剎車(chē)，電機(jī)斷電，但不退出

47、助力模式。(3) 定速模式:打開(kāi)電鎖，在電動(dòng)車(chē)進(jìn)入電動(dòng)模式下，按住模式轉(zhuǎn)換按鈕保持2-3秒鐘不動(dòng)，電動(dòng)車(chē)由電動(dòng)模式轉(zhuǎn)換到定速模式，此時(shí)前儀表板電動(dòng)指示燈滅，定速模式指示燈點(diǎn)亮，電動(dòng)車(chē)將保持現(xiàn)有的固定速度運(yùn)行，再次按動(dòng)模式按鈕或剎車(chē)，則電動(dòng)車(chē)退出定速模式回到電動(dòng)模式。當(dāng)車(chē)速低于2km/h時(shí)，定速功能無(wú)效，其目的是避免用戶(hù)在推車(chē)時(shí)誤觸發(fā)模式轉(zhuǎn)換按鍵。(4) 自檢功能:當(dāng)轉(zhuǎn)把不在零位、剎把處于剎車(chē)狀態(tài)下，或轉(zhuǎn)把、剎把工作正常，但助力傳感器信號(hào)出錯(cuò)時(shí)，打開(kāi)電鎖，此時(shí)電動(dòng)車(chē)進(jìn)入自檢模式，轉(zhuǎn)把擰得角度越大，欠壓燈閃的頻率無(wú)刷育流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)越快;定速燈指示助力傳感器;捏剎把時(shí)電動(dòng)燈亮;三個(gè)電量指示燈分

48、別指示無(wú)刷電機(jī)的三個(gè)霍爾信號(hào)。如各電器部件信號(hào)恢復(fù)正常，過(guò)2-3秒電動(dòng)車(chē)退出自檢模式回到電動(dòng)模式，或重新打開(kāi)電鎖，電動(dòng)車(chē)進(jìn)入正常電動(dòng)狀態(tài)。4.24.2 主程序主程序單片機(jī)控制的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 18 頁(yè) 共 32 頁(yè)程序主流程圖如圖4.1所示，主程序上電復(fù)位后完成系統(tǒng)初始化:PWM,ADC端口、定時(shí)器等單元的初值設(shè)置;中斷設(shè)置;變量、標(biāo)志寄存器的初始化。為了防止在初始化的過(guò)程中，中斷的意外到來(lái)，應(yīng)在主程序的開(kāi)始處先關(guān)閉全局中斷。初始化完成后，進(jìn)入自檢程序，若各電器信號(hào)正常，則2秒后退出自檢模式。重新對(duì)相關(guān)寄存器，定時(shí)器賦初值，打開(kāi)INT外部中斷，即允許模式轉(zhuǎn)換按鈕中斷。判斷電機(jī)啟動(dòng)是

49、否成功,如果成功進(jìn)入正常工作模式函數(shù)，若有非法狀態(tài)，停電機(jī)，程序跳入自檢模式進(jìn)行自檢。電機(jī)正常工作模式流程如圖4.2所示。系統(tǒng)進(jìn)入到正常工作模式的主循環(huán)時(shí)，首先判斷系統(tǒng)處于何種工作模式，然后檢查系統(tǒng)是否處于非法態(tài)，如果出現(xiàn)欠壓、過(guò)流、堵轉(zhuǎn)等錯(cuò)誤，則停機(jī)，程序跳入到自檢狀態(tài);否則，判斷是否有剎車(chē)信號(hào)，如沒(méi)有，進(jìn)入判斷模式及模式功能處理函數(shù):如果有，則停機(jī)，等待剎車(chē)結(jié)束信號(hào)。剎車(chē)結(jié)束后，如果工作模式為定速模式，則退出定速模式，進(jìn)入電動(dòng)模式。在電動(dòng)模式下，單片機(jī)采集轉(zhuǎn)把電壓信息，控制輸出的PWM信號(hào)的占空比;定速模式下，轉(zhuǎn)把信號(hào)無(wú)效，程序根據(jù)模式轉(zhuǎn)換前輸出的PWM占空比恒定輸出;助力模式下，根據(jù)定時(shí)

50、器TO采集助力傳感器的高低電平時(shí)間，控制PWM信號(hào)的占空比。在這個(gè)過(guò)程中，始終允許KMOD按鍵中斷，因此可以通過(guò)按下KMOD鍵切換電動(dòng)、定速和助力三種模式。單片機(jī)控制的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 19 頁(yè) 共 32 頁(yè)助力N N NN 自檢自檢上電復(fù)位初始化相關(guān)寄存器，MODE-REG 置為電動(dòng)模式自檢模式，顯示相應(yīng)信號(hào)的狀態(tài)，若各電器信號(hào)正常，則 2 秒后退出自檢模式測(cè)量電壓及電流，并指示是否欠壓，過(guò)流判斷當(dāng)前工作模式SP 有效？剎車(chē)有效啟動(dòng)電機(jī)打開(kāi) KMOD 中斷啟動(dòng)成功？正常工作模式WORK-MODE-FLAG 有錯(cuò)關(guān)閉電機(jī)關(guān)閉 KMOD剎車(chē)有效助力傳感器有效剎車(chē)有效自檢YNNYYYYY

51、YNNY單片機(jī)控制的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 20 頁(yè) 共 32 頁(yè)圖4.1 系統(tǒng)工作流程圖 FUN-WORK-MODE 開(kāi)始判斷 MODE-REG對(duì)轉(zhuǎn)把電壓進(jìn)行采樣相位有變化?是否換相超時(shí)?SP 是否有效?FUN-CAL-TOVERCMP-SENSOR相位有錯(cuò)?對(duì)欠壓端進(jìn)行采樣是否欠壓改變指示燈狀態(tài)對(duì)過(guò)流端進(jìn)行采樣是否過(guò)流?將 WORK-MODE-FLAG置為錯(cuò)誤將 WORK-MODE-FLAG 置為正確返回電機(jī)停轉(zhuǎn)助力信號(hào)有效?ERROR:助力ERRORYYYYYYNNNNNN定速電動(dòng)單片機(jī)控制的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 21 頁(yè) 共 32 頁(yè)圖 4.2 正常工作模式流程圖4.34.3

52、 中斷中斷4.3.14.3.1 單片機(jī)中斷資源單片機(jī)中斷資源本設(shè)計(jì)中應(yīng)用到的PIC單片機(jī)的中斷源有:外部觸發(fā)中斷INT，定時(shí)器TMRO溢出中斷，定時(shí)器TMR1溢出中斷，定時(shí)器TAM溢出中斷，A/D轉(zhuǎn)換中斷，CCP中斷。其中外部觸發(fā)中斷INT, TMRO溢出中斷為第一級(jí)中斷，TMR1溢出中斷，TMR2溢出中斷，A/D轉(zhuǎn)換中斷，CCP中斷為第二級(jí)中斷。所有中斷源都受全局中斷屏蔽位(也可以稱(chēng)為總屏蔽位)C正的控制;第一級(jí)中斷源不僅受全局中斷屏蔽位的控制，.還受各自中斷屏蔽位的控制;第二級(jí)中斷源不僅受全局中斷屏蔽位和各自中斷屏蔽位的控制，還要額外受到一個(gè)外設(shè)中斷屏蔽位PEIE的控制PIC單片機(jī)只有一個(gè)

53、中斷向量，沒(méi)有中斷優(yōu)先級(jí)別之分，也沒(méi)有類(lèi)似51系列、AVR系列單片機(jī)的PUSH和POP指令.當(dāng)總中斷允許位GIE有效時(shí)，任何一個(gè)中斷標(biāo)志位有效都會(huì)將PC指針指向中斷向量0004H處.因此中斷處理一般分為以下幾步:(1) 保存臨時(shí)寄存器W、狀態(tài)寄存器STATUS、指針寄存器PCLATH的值;(2) 逐個(gè)判斷可能產(chǎn)生中斷的中斷標(biāo)志位和中斷允許位，只有二者同時(shí)有效時(shí)才執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序;(3) 中斷返回時(shí)恢復(fù)這三個(gè)寄存器的值。4.3.24.3.2 定時(shí)器資源分配定時(shí)器資源分配定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的作用:檢測(cè)外部電路送來(lái)的一系列方波信號(hào)的脈寬、周期或者頻率:對(duì)外部事件產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確地計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)。P

54、IC16F72配置了3個(gè)定時(shí)器/計(jì)數(shù)器模塊:TMRO、TMR1、TMR2。(1) TMRO:8位寬，有一個(gè)可選的預(yù)分頻器，用于通用目的。(2) TMR1:16位寬，有一個(gè)可編程的預(yù)分頻器和一個(gè)可選的低頻時(shí)基振蕩器.適合與CCP 捕捉/比較/脈寬調(diào)制)模塊配合使用來(lái)實(shí)現(xiàn)輸入捕捉或輸出比較功能。(3) TMR2:8位寬，有一個(gè)可編程的預(yù)分頻器和一個(gè)可編程的后分頻器，還附帶一個(gè)周期寄存器和比較器，適合與CCP模塊配合使用來(lái)實(shí)現(xiàn)PWM脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生。這時(shí)，應(yīng)通過(guò)將中斷使能位TMR2清0，把TMR2的中斷功能屏蔽掉，同時(shí)也把后分頻器的作用屏蔽掉;通過(guò)向周期寄存器PR2中寫(xiě)入不同的值，以及給預(yù)分頻

55、器設(shè)定不同的單片機(jī)控制的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 22 頁(yè) 共 32 頁(yè)分頻比，來(lái)靈活調(diào)整TMR2輸出端的信號(hào)周期.根據(jù)三個(gè)定時(shí)器的特點(diǎn)，在程序中將資源分配如下:(1) TMR0:計(jì)算助力傳感器送出的高低電平持續(xù)時(shí)間;用做欠壓保護(hù)5秒鐘的定時(shí)器;計(jì)算電機(jī)換相時(shí)間。(2) TMR1:做為跳出自檢模式2秒鐘時(shí)間的定時(shí)器;通過(guò)改變定時(shí)時(shí)間，控制PWM占空比輸出;用于模式轉(zhuǎn)換按鍵的時(shí)間判斷;用于堵轉(zhuǎn)保護(hù)的時(shí)間判斷。(3) TMR2:控制自檢模式下LED SPEED閃爍的頻率;用做周期可調(diào)的時(shí)基發(fā)生器，為PWM提供周期可調(diào)的時(shí)基信號(hào)。4.3.34.3.3 MODMOD鍵鍵(INT(INT中斷中斷) )

56、處理模塊處理模塊模式轉(zhuǎn)換由外部中斷1NT完成，電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)始終允許MOD鍵中斷。自檢完成后，若工作條件正常，啟動(dòng)電機(jī)，進(jìn)入電動(dòng)模式，此時(shí)按下MOD鍵，按鍵標(biāo)志位KMOD FLAG置1，在T1中斷服務(wù)子程序中判斷，若按下MOD鍵小于2秒，則進(jìn)入助力模式:若按下MOD鍵2-3秒進(jìn)入定速模式。在助力或定速模式下按下MOD鍵，返回電動(dòng)模式。4.44.4 ADAD轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換本系統(tǒng)涉及到A/D轉(zhuǎn)換的參量有電池電壓值、轉(zhuǎn)把給定值、過(guò)流電阻的采樣電壓值。每次A/D轉(zhuǎn)換結(jié)束后，單片機(jī)都將把采樣后經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)放入相應(yīng)的存儲(chǔ)單元，供其他子程序調(diào)用，AD轉(zhuǎn)換子程序，如圖4.3所示。PIC16F72單片機(jī)內(nèi)部的AD模

57、塊是8位的，具有5個(gè)模擬通道。通過(guò)定義AD控制寄存器1的A/D轉(zhuǎn)換引腳功能選擇位可以分配模擬和數(shù)字通道。AD模塊的操作過(guò)程要求占用較多的時(shí)間，其占用的時(shí)間主要包含兩個(gè)部分;采樣/保持電容的充電時(shí)間和A/D轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換時(shí)間。每一位數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換時(shí)間被定義為T(mén)AD。為了保證A/D轉(zhuǎn)換電路正確地進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所選A/D轉(zhuǎn)換時(shí)鐘源必須滿(mǎn)足最小TAD時(shí)間要求，即 TAD 不得小于 1.6us 。對(duì)于模擬輸入電壓:當(dāng)模擬輸入電壓高于單片機(jī)電源正電壓VDD或者低于單片機(jī)電源負(fù)電壓Vss有0.2V以上時(shí)，將會(huì)使得A/D轉(zhuǎn)換精度有所下降。為了消除輸入模擬量上的噪聲所帶來(lái)的偏差，需要在A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入通道中加入阻

58、容RC濾波電路。單片機(jī)控制的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 23 頁(yè) 共 32 頁(yè)圖4.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序流程圖在A/D轉(zhuǎn)換的過(guò)程中，可能出現(xiàn)隨機(jī)千擾、誤檢或者傳感器不穩(wěn)定而引起的失真，所以需要采取一定的算法以得到較為精確和穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換結(jié)果。采用的算法如下:每輪進(jìn)行8次采樣，第一次采樣值存入一備份寄存器XX_TMP,接下來(lái)每次采樣得到的值存入ADC_RES，采樣結(jié)果應(yīng)該滿(mǎn)足下述算法:ADC_RES內(nèi)的值應(yīng)大于0X03，否則認(rèn)為無(wú)效；ADC_RES應(yīng)小于251(即255-4)，否則認(rèn)為無(wú)效；XX_TMP應(yīng)大于(ADC_RES-3) ，否則認(rèn)為無(wú)效；XX_TMP應(yīng)小于(ADC_RES+4)，否則認(rèn)為無(wú)效

59、。程序認(rèn)為無(wú)效后就退出此輪采樣，不保留采樣值。表4.1和4.2分別是電源電壓轉(zhuǎn)換數(shù)值表和轉(zhuǎn)把電壓轉(zhuǎn)換數(shù)值表。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)把電壓與PWM占空比的對(duì)應(yīng)函數(shù)時(shí)，參照了Motorola公司生產(chǎn)的MC33035電機(jī)專(zhuān)用控制芯片的輸出曲線:設(shè)定轉(zhuǎn)把電壓SP的有效范圍為1.1V-3.3V;當(dāng)SP對(duì)應(yīng)的數(shù)字量在56,132范圍時(shí)，若SP+1，則DUTY(占空比)+1;當(dāng)SP對(duì)應(yīng)的數(shù)字量在132, 169范圍時(shí)，若SP+1，則DUTY(占空比)+2。表4.1電源電壓轉(zhuǎn)換數(shù)值表 電源電壓 數(shù)字量電池電量1級(jí)變 36.0V 196電池電量2級(jí) 34.5V 188電池電量3級(jí) 32.4V 177電池電量4級(jí) 31.0V

60、169入口,通道號(hào)初始化 ADC延時(shí)等待讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果返回,讀通道結(jié)果單片機(jī)控制的無(wú)刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)第 24 頁(yè) 共 32 頁(yè) 表4.2轉(zhuǎn)把電壓(SP)轉(zhuǎn)換數(shù)值表轉(zhuǎn)把電壓 0V 1.1V 2.6V 3.3V 5V數(shù)字量 0 56 132 169 2554.54.5 PWM(PWM(脈沖寬度調(diào)制脈沖寬度調(diào)制) )PIC16F72系列單片機(jī)配有輸入捕捉/輸出比較/脈沖寬度調(diào)制CCP模塊。其中脈寬調(diào)制輸出工作模式，適合用于從引腳上輸出脈沖寬度隨時(shí)可調(diào)的PWM信號(hào)，例如實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速、步進(jìn)電機(jī)的變頻控制等。當(dāng)CCP工作于PWM模式時(shí)，CCP引腳可以輸出分辨率達(dá)10位的PWM信號(hào)波形。產(chǎn)生如此波形