電動車用無刷直流電機(jī)控制器的設(shè)計

1、2014屆畢業(yè)生畢業(yè)設(shè)計說明書題 目: 電動車用無刷直流電機(jī)控制器的設(shè)計 學(xué)院名稱： 電氣工程學(xué)院 班 級： 學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 教師職稱： 講師 2014年 05月 27日 2014年5月22日30摘 要近年來，社會發(fā)展快速，而我們生活的環(huán)境也在遭受破壞，民眾的環(huán)境保護(hù)意識和資源節(jié)約意識不斷提高，電動車在這樣的機(jī)遇下獲得很大關(guān)注并蓬勃發(fā)展。之前有刷直流電機(jī)在電動車驅(qū)動裝置中占據(jù)著主導(dǎo)地位，但有刷電機(jī)憑借機(jī)械換向器和電刷配合進(jìn)行換向，特別容易造成磨損，元件也比較復(fù)雜，同時運(yùn)行穩(wěn)定性較差且有雜音?，F(xiàn)在無刷直流電機(jī)運(yùn)用在更多行業(yè)，它兼?zhèn)溆兴⒅绷麟姍C(jī)優(yōu)點(diǎn)，沒有機(jī)械換向裝置，使用時間長、

2、安全性高、維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)使它成為電動車用電機(jī)的首選。利用PICl6F72單片機(jī)進(jìn)行無刷直流電機(jī)控制器的設(shè)計。用它來實(shí)現(xiàn)各個模塊的功能，電池經(jīng)穩(wěn)壓器輸出不同電壓，一個給驅(qū)動芯片IR2130，通過IR2130芯片驅(qū)動逆變橋電路，根據(jù)檢測的逆變橋輸出電流大小對電機(jī)控制，同時確定是否過流。檢測電池電壓，然后輸入單片機(jī)進(jìn)行控制。另一個給單片機(jī)，提供電壓和基準(zhǔn)值。關(guān)鍵詞：無刷直流電動機(jī) PIC16F72 控制系統(tǒng)目 次1引言41.1課題背景描述41.2無刷直流電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀41.3無刷直流電機(jī)發(fā)展前景52電動車控制總體設(shè)計62.1電機(jī)選擇62.2 無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)62.3 無刷直流電機(jī)的原理

3、62.4無刷直流電機(jī)的運(yùn)行特性83 硬件設(shè)計103.1無刷直流電機(jī)控制器硬件設(shè)計103.2 PIC16F72單片機(jī)的主要性能113.3電源變換電路113.3 MOSFET驅(qū)動芯片IR2130簡介123.5 輸入信號處理部分133.5.1 速度控制和電量檢測部分133.5.2 電流檢測和放大部分143.5.3 霍爾位置傳感器信號處理部分153.5.4 轉(zhuǎn)把剎車處理部分164軟件設(shè)計174.1 軟件設(shè)計的總體思路簡介174.2程序流程圖174.3 轉(zhuǎn)子換相流程圖18總 結(jié)20致 謝21參 考 文 獻(xiàn)22附錄A 硬件電路原理圖24附錄B 控制程序261引言1.1課題背景描述目前，全國各地都出現(xiàn)霧霾天

4、氣，人們越來越關(guān)注生活環(huán)境。減少資源浪費(fèi)，發(fā)展新能源的呼聲高漲，特別是國家把這個問題提上日程，可以看出對環(huán)境衛(wèi)生的重視。在這樣的背景下，無污染的交通工具受到熱捧。市場上新能源汽車的高效節(jié)能得到很多重視和大量研究，特別是電動車的發(fā)展。由于電子控制技術(shù)的革新發(fā)展使得對電機(jī)性能要求也越來越高，例如：質(zhì)量小，輸出轉(zhuǎn)矩高，占地小，運(yùn)行效率高。無刷直流電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單，安全運(yùn)行，沒有摩擦，電磁噪聲小優(yōu)點(diǎn)，大量運(yùn)用在現(xiàn)代生產(chǎn)裝備、功能測量儀器、電腦外圍設(shè)備和特殊電器。它克服了有刷直流電機(jī)電刷和換向器的接觸產(chǎn)生摩擦火花,電流干擾和其它缺點(diǎn)，延長使用時間,所以無刷直流電機(jī)在電動自行車產(chǎn)品中逐漸被運(yùn)用。鑒于無刷直

5、流電機(jī)這些優(yōu)異的功能，它將會獲得更大的應(yīng)用空間。1.2無刷直流電機(jī)的發(fā)展現(xiàn)狀電動車在行駛時，由于受到交通路況的影響，通常是處在走走停停的狀況，特別是在城市交通中，這種狀況更為明顯。因此,電動機(jī)的啟動特性、加速度特性、效率利用率、低速運(yùn)行、再生回饋制動具有特別高的品質(zhì)。電機(jī)過載、電機(jī)的能量密度是電動車電機(jī)的一個重要指標(biāo)。沒有某一電動機(jī)是電動車專用的,都是使用通用電機(jī),如直流它勵電機(jī),直流串勵電機(jī)、永磁直流電動機(jī)。通用電動機(jī)負(fù)載特性常數(shù)隨著電動車負(fù)荷特性變化而變化,如果這兩個特征不匹配,就會影響電動機(jī)的輸出,從而影響電動車的性能。此外,大多數(shù)電機(jī)設(shè)計的最高效率點(diǎn)設(shè)置在額定負(fù)載左右。開關(guān)磁阻電機(jī)低速

6、高扭矩,但效率低,永磁同步電機(jī)效率高,但不能改善低速扭矩。無刷直流電機(jī)恰恰有這些優(yōu)點(diǎn)。把多種電機(jī)的技術(shù)指標(biāo)列出見表1-1。由表1-1看出無刷直流電機(jī)為最佳驅(qū)動電動車的電機(jī)，跟列表中其它電機(jī)比較它突出優(yōu)點(diǎn)是：依靠轉(zhuǎn)子上的霍爾位置傳感器完成電子換向，不用借助電刷和換向器，不經(jīng)常維修，耐用經(jīng)濟(jì)，硬性指標(biāo)好，能實(shí)現(xiàn)平滑且大范圍的調(diào)速，它消除了電刷上的降壓，具有很高的效率，將電樞繞組纏繞在電動機(jī)的定子上，容易把熱量排出。這種情況下可最大程度減小電機(jī)尺寸。把永磁體安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子上，優(yōu)化電機(jī)動態(tài)響應(yīng)。減掉了換向器和電刷的限制，轉(zhuǎn)速可以很高，控制器可以驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，同時它又可調(diào)節(jié)電動機(jī)的速度。表1-1 各種電

7、機(jī)性能指標(biāo)性能指標(biāo)直流電機(jī)永磁直流電機(jī)鼠籠異步電機(jī)永磁同步電機(jī)無刷直流電機(jī)起動性能54245低速性能54345低速時效率34355平均效率34455能量密度23455過載能力44455再生能力34355可靠性22544制造成本44544控制器成本55444合計36383745471.3無刷直流電機(jī)發(fā)展前景不可否認(rèn)，電動車是近些年發(fā)展尤為迅速并且成為趨勢的一個產(chǎn)業(yè)。它減少尾氣、使用便捷、方便維護(hù)的特點(diǎn)，得到消費(fèi)者的喜愛，在我國它的需求量非常大。到2008年我國消費(fèi)的電動車數(shù)量達(dá)到1.1億輛。除此之外，從近年來的情況看，它大大超越自行車數(shù)量，與燃油車比較中它的優(yōu)勢逐漸明晰，最近幾年很多公司推出樣式

8、新穎能耗低的電動車，是交通出行的工具。依靠數(shù)據(jù)顯示：預(yù)計至2015年，市場上電動車消費(fèi)量可達(dá)到3.2億輛。加上各階層認(rèn)識到電動車的經(jīng)濟(jì)環(huán)保，它每年的增長可以達(dá)500萬輛，連帶其附屬產(chǎn)業(yè)，它能創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟(jì)效益。所以，在擴(kuò)大內(nèi)需和減少污染的大環(huán)境下，電動車可以保持長期發(fā)展。2電動車控制總體設(shè)計2.1電機(jī)選擇無刷直流電機(jī)與其它電機(jī)相比，它運(yùn)行穩(wěn)定，啟動轉(zhuǎn)矩大，成本低。并且回饋部分不復(fù)雜，功率密度保持的很高，電機(jī)輸出轉(zhuǎn)矩也很大，控制裝置也非常好設(shè)計，這樣電機(jī)和逆變器的優(yōu)點(diǎn)得到最大限度發(fā)揮。無刷電機(jī)調(diào)速范圍很寬，尺寸小，質(zhì)量不大，轉(zhuǎn)自慣量較低，客服了傳統(tǒng)電機(jī)的勵磁消耗。2.2 無刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)電動機(jī)

9、上電樞繞組的連接是用三相星型的形式，繞組的首端或尾端相連。三個霍爾位置傳感器安裝在電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸上，單片機(jī)將輸入的位置信號經(jīng)分析計算后輸出下一步的驅(qū)動信號，驅(qū)動信號經(jīng)特定驅(qū)動芯片后導(dǎo)通逆變器的功率管，使電機(jī)繞組按一定順序?qū)?。圖2.1是無刷直流電機(jī)的構(gòu)成：電機(jī)本體轉(zhuǎn)子位置傳感器無刷直流電機(jī)電子換相電路 圖2.1無刷直流電機(jī)組成電機(jī)的組成元件有轉(zhuǎn)軸、機(jī)殼、定子和轉(zhuǎn)子。定子上三相星形繞組，接上電源后，電流流入定子三相繞組，形成旋轉(zhuǎn)的磁動勢，定子磁動勢與轉(zhuǎn)子磁鐵產(chǎn)生的勵磁磁場相互感應(yīng)而產(chǎn)生輸出功率，并通過轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)拖動輸出一定的機(jī)械功率，從而實(shí)現(xiàn)了將電能向機(jī)械能這個方向轉(zhuǎn)化。2.3 無刷直流電機(jī)的原理無

10、刷直流電機(jī)的運(yùn)行原理是電動機(jī)、霍爾傳感器、換向電路配合工作，一個環(huán)節(jié)出現(xiàn)差錯，電機(jī)的安全運(yùn)行都不能保證。它們之間的工作原理如圖2.2所示：圖2.2無刷直流電機(jī)工作原理直流無刷電機(jī)中，依靠霍爾傳感器檢測出的轉(zhuǎn)子位置信號，經(jīng)單片機(jī)處理后輸出，經(jīng)驅(qū)動芯片放大后導(dǎo)通或關(guān)斷逆變橋中MOSFET管，保證電機(jī)三相繞組按序通電，定子產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)磁場與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的永磁磁場相互作用，讓電機(jī)轉(zhuǎn)子進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。跟隨電機(jī)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)，霍爾位置傳感器不停地感應(yīng)輸出位置信號，然后通過單片機(jī)對這些感應(yīng)信號進(jìn)行運(yùn)算判斷，不斷輸出驅(qū)動信號對相應(yīng)的功率管進(jìn)行導(dǎo)通或關(guān)段，通過信號處理可改變電機(jī)繞組的通電組合，確保某一磁極下流過的電流方向保持同

11、向，上述即為無刷電機(jī)換向原理。無刷直流電機(jī)的定子電樞繞組的繞線形式分為星形繞組和三角形繞組兩大類，本文運(yùn)用星形繞組。與它相連的是三相全橋逆變電路，圖2.3是星形連接的三相全橋電路圖。以圖2.3星形連接的三相全橋電路來分析電機(jī)換向步驟?；魻杺鞲衅鞅舜讼喔?20。電角度，當(dāng)轉(zhuǎn)子在正轉(zhuǎn)時，三個霍爾傳感器輸出的信號為001、011、010、110、100、101，如此進(jìn)行下一輪運(yùn)行。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子反轉(zhuǎn)時，霍爾傳感器輸出的信號與正轉(zhuǎn)時的相反，這里不再講述。圖2.3 星形連接的全橋逆變圖當(dāng)無刷直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)時，霍爾傳感器信號為001時，晶體管V4、V5導(dǎo)通，信號為010時，V2、V3導(dǎo)通，信號為100時，V1

12、、V6導(dǎo)通。依靠電子換相電路及時跟蹤電動機(jī)內(nèi)部霍爾位置傳感器感應(yīng)的信號，電機(jī)才能正常轉(zhuǎn)動起來。表2-1無刷電動機(jī)通電控制表。表2-1電機(jī)通電控制表旋轉(zhuǎn)方向位置傳感器逆變橋開關(guān)管驅(qū)動信號H1H2H3V1V2V3V4V5V6正轉(zhuǎn)001000110010011000011010010100100001101100100110001001反轉(zhuǎn)0010010010101001000111100001000100101010110001100001102.4無刷直流電機(jī)的運(yùn)行特性我們選用電機(jī)時會從它的運(yùn)行特點(diǎn)考慮，這里分析它啟動的特性和調(diào)速的特性，這決定著電機(jī)是否符合電動車運(yùn)行要求。剛啟動時電流是正常電樞

13、電流的幾倍甚至到幾十倍，此刻電機(jī)電樞的電磁轉(zhuǎn)矩最大，電動機(jī)能在很短的時間內(nèi)啟動。而隨著電機(jī)轉(zhuǎn)子的加速旋轉(zhuǎn)，感應(yīng)的反電動勢E在逐漸增大，電磁轉(zhuǎn)矩隨之減小，加速度的轉(zhuǎn)矩降低，直到最后在正常的運(yùn)行狀態(tài)。為了預(yù)防接通電源后，在電機(jī)剛起動時由于起動電流過大而燒壞電動機(jī)線圈繞組，這樣就需要單片機(jī)在控制電動機(jī)啟動時，一定要保證PWM脈寬調(diào)制波分配在某個比較合適的占空比上，并且安裝電流反饋控制環(huán)，在確定電動機(jī)能迅速起動的同時又最大可能的讓電機(jī)處在一個電機(jī)安全運(yùn)行的范圍內(nèi)。電機(jī)調(diào)速方法：可以改變電機(jī)電樞電壓大小，還可以在轉(zhuǎn)子中串電阻。改變電樞電壓，進(jìn)而改變電機(jī)輸出功率大小，調(diào)節(jié)電機(jī)運(yùn)行速度，調(diào)速范圍比較寬。轉(zhuǎn)子

14、串電阻調(diào)速就是在電機(jī)繞組外串接電阻，這種方法容易實(shí)現(xiàn)?？伤荒苓M(jìn)行無級調(diào)速，載負(fù)載能力很弱。同時電阻浪費(fèi)很多電能。無刷直流電機(jī)現(xiàn)在大多選用改變電機(jī)繞組上電壓的大小進(jìn)行調(diào)速。此外，當(dāng)電動機(jī)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)時，那么電機(jī)也會產(chǎn)生巨大的電樞電流，這樣在單片機(jī)上安裝一個過電流保護(hù)的電路是非常必要的。一句話，對電樞電流的檢測，全部都是為了確保電機(jī)安全運(yùn)行。在全面考慮電機(jī)運(yùn)行功能以及會出現(xiàn)的問題后，我們設(shè)計出符合實(shí)際應(yīng)用的電動車。3 硬件設(shè)計3.1無刷直流電機(jī)控制器硬件設(shè)計硬件原理圖如圖3.1所示。設(shè)計電路包括蓄電池供電模塊、穩(wěn)壓電源模塊、逆變器驅(qū)動模塊、逆變器模塊、剎車模塊、電流檢測模塊等。圖3.1 無刷直流電機(jī)

15、控制器原理框圖穩(wěn)壓電源模塊是通過變壓裝置的變壓轉(zhuǎn)換，輸出電路所需要的工作電壓，為整個系統(tǒng)不同電路裝置提供所需的電壓和電流，是整個系統(tǒng)的動力保證。于電動車用無刷直流電機(jī)來講，由于它僅能依靠電池的形式來供電，但是電池的能量儲存總是越來越少，所以說一定要定時檢測一下電源電壓以確定此時電池的剩余電量，避免電池使用過量而縮短電池的使用壽命。調(diào)速模塊對電機(jī)進(jìn)行速度調(diào)速。它通過霍爾轉(zhuǎn)把輸出電壓大小變化調(diào)節(jié)速度。單片機(jī)輸出驅(qū)動IR2130的信號后，對逆變器中各功率管進(jìn)行導(dǎo)通。逆變橋電路輸出電機(jī)所需要的電壓，為電動機(jī)提供動力。單片機(jī)處理傳感器信號，經(jīng)過計算后向逆變橋發(fā)出控制指令，使電機(jī)轉(zhuǎn)動起來；單片機(jī)控制模塊經(jīng)

16、過對調(diào)速信號的采集，計算出電機(jī)的預(yù)定運(yùn)行轉(zhuǎn)速，給出實(shí)際速度與預(yù)定速度間的差值，最后采集逆變橋的電流，在電流沒達(dá)最大電流前提下，單片機(jī)通過調(diào)PWM波的占空比進(jìn)行調(diào)速；運(yùn)行時，控制模塊又要讀取檢測電源的電壓，保證電源沒處在欠壓狀態(tài)。3.2 PIC16F72單片機(jī)的主要性能外部時鐘輸入：工作頻率是20MHz，帶有2K字14位寬的程序存儲空間，伴隨著128字節(jié)8位寬的數(shù)據(jù)存儲空間，另外還有8個中斷，3個8位I/O口以及PORTA、PORTB、PORTC。還有三個定時器模塊：TIMER0、TIMER1、TIMER2。帶有一個CCP模塊；5路8位模數(shù)轉(zhuǎn)換。在CPU方面：精簡指令僅有35條；它的運(yùn)算速度是2

17、0M外部時鐘輸入，200ns指令周期；2K*14位字節(jié)的程序存儲空間；并且在輸出引腳與PIC16F872、PIC16C72/A兼容，它具有中斷功能其具備8級硬件堆棧；直接尋址、間接尋址、相對尋址模式。圖 3.2 PIC16F72引腳圖3.3電源變換電路穩(wěn)壓電路輸出兩個不同的電壓值，一個是+12V電壓，另一個是+5V電壓。第一路的輸出是+12V電壓，它供給驅(qū)動芯片IR2130，用來驅(qū)動逆變橋，它利用LM7812輸出電壓，C5的作用是濾波。 然而逆變驅(qū)動電路對變換第一路電壓的要求不是特別嚴(yán)格，大致在12V到15V時即可控制MOSFET管的開通或關(guān)斷，所以選擇12V還是非常合適的。而LM7812的輸

18、入和輸出電壓是不能超出+60V。 第二路輸出電壓是+5V，由LM78L05供給，它可以為智能控制系統(tǒng)提供+5V的電源電壓，又可用來提供A/D轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓值，如果說電壓不在4.8-5.2V之間，控制系統(tǒng)不能輸出相應(yīng)的控制指令，所以對電壓精度要求非常高。圖3.3 電源變換電路3.3 MOSFET驅(qū)動芯片IR2130簡介IR2130專門用來驅(qū)動功率晶體管的芯片,經(jīng)過自帶的自舉電路可以驅(qū)動低、中、高壓側(cè)晶體管。它有六個輸入端口和六個輸出端口,僅需一個12V電壓就可驅(qū)動逆變橋中的6個功率晶體管,一個IR2030就做了3個IR2103的工作,降低了設(shè)計成本，又減少電路復(fù)雜程度，安全運(yùn)行更有保障。驅(qū)動芯片

19、IR2130 優(yōu)點(diǎn):可直接驅(qū)動電壓達(dá)620V的設(shè)備，自身帶有死區(qū)時間可保證上、下橋臂的功率管不能同時導(dǎo)通 ，它工作電壓范圍在2-18V。各個引腳功能:VCC是電壓輸入端,HIN1、HIN2、HIN3是單片機(jī)控制上橋的輸出信號，LIN1、LIN2、LIN3單片機(jī)控制下橋的驅(qū)動信號,FALUT處理電機(jī)運(yùn)行中的突發(fā)事件,ITRIP是電流檢測輸入端口,CAO是放大電流的輸出端口，VSS是電源地，HO1、HO2、HO3驅(qū)動逆變橋上臂功率管，LO1、LO2、LO3驅(qū)動逆變橋下臂功率管。 圖3.4 IR2130管腳圖IR2130驅(qū)動逆變器給電機(jī)供電，接成三相全橋逆變電路，PIC16F72經(jīng)過計算輸出六個驅(qū)動

20、信號，輸入到引腳2、3、4和5.、6、7中。以A相驅(qū)動為例，自舉電容C12儲存的能量經(jīng)引腳VB1、HO1加到逆變器上橋功率管Q1的柵極，負(fù)極接在Q1的源極，形成一個回路，流過的電流使Q1柵源極之間電壓為+14V，此時Q1導(dǎo)通。48V電壓就加到A相繞組上。引腳16輸出高電平時，經(jīng)電阻R43加到功率管Q2的柵極，Q2飽和導(dǎo)通，此時Q1截止，Q2導(dǎo)通后，飽和管壓降不大，經(jīng)電阻RS接地，電流從A相繞組中經(jīng)Q2到地。經(jīng)IR2130芯片輸出逆變橋中晶體管導(dǎo)通所需的驅(qū)動信號。電阻RS檢測的電流送到管腳9、13中，如果電路中電流過大，將會導(dǎo)致IR2130輸出的信號全部是低電平，使功率晶體管關(guān)斷。圖3.5 逆變

21、橋驅(qū)動電路3.5 輸入信號處理部分3.5.1 速度控制和電量檢測部分電動車的轉(zhuǎn)把分光電式和霍耳式,當(dāng)前多是運(yùn)用霍爾轉(zhuǎn)把。它的結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)行穩(wěn)定，成本較低?；魻栟D(zhuǎn)把工作原理采用線性霍爾傳感器感應(yīng)周圍磁場的強(qiáng)度來輸出電壓值?；魻栟D(zhuǎn)把一般輸出電壓在1.0V-4.5V。電路圖如3.6所示?；魻栟D(zhuǎn)把根據(jù)感應(yīng)到的電壓值，進(jìn)入引腳1中，控制芯片經(jīng)過計算后輸出控制信號，進(jìn)而調(diào)節(jié)PWM信號占空比控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。J2用來限制速度,限制進(jìn)入單片機(jī)的電流過大，保證電機(jī)的安全。圖3.6 速度控制電路電池電壓的測量如圖所示。電路中電阻R16 和R17 起到分壓作用。通過單片機(jī)計算出檢測到的電壓值，然后與設(shè)定的最小限值進(jìn)行比

22、較。為了延長電池使用壽命 ,當(dāng)檢測到電池電壓低于設(shè)定的41.5V時,警示使用人員進(jìn)行充電。圖3.7 電池測壓及報警電路3.5.2 電流檢測和放大部分電動車運(yùn)行中會因外在條件導(dǎo)致電流大于額定值，如果不及時處理將會損毀電機(jī)，利用采樣電阻RS將測得電壓換算成電流。采樣電流進(jìn)入到下面電路中進(jìn)行比較和放大處理。驅(qū)動電路地端RS與系統(tǒng)地相連。測定的電流決定逆變橋功率管是否導(dǎo)通，經(jīng) LM358 的比較器UIA，送進(jìn)單片機(jī)的引腳21，作為中斷請求輸入信號。U1A 作為比較器，腳3用作基準(zhǔn)電壓的輸入，基準(zhǔn)電壓值設(shè)定是0.3V。腳1在正常工作情況下是高電平，當(dāng)電流增大時，腳2上電壓大于腳3的0.3V，這時腳1變成

23、低電平，控制器會發(fā)出停止運(yùn)行的指令，保護(hù)電機(jī)。U2A作為放大器將檢測電流從腳3輸入，經(jīng)過放大后送人單片機(jī)引腳4中。圖3.8電流檢測和過流保護(hù)電路3.5.3 霍爾位置傳感器信號處理部分霍爾傳感器信號處理部分的電路圖如圖3.9所示。圖3.9 霍爾位置傳感器輸入信號電路我們知道，這三個霍爾傳感器安裝在電機(jī)的內(nèi)部，它是一種開關(guān)型器件，并且采用OC門輸出，如果讓它產(chǎn)生高電平和低電平，那必須要接上拉電阻。H1、H2、H3是霍爾傳感器的輸出信號，經(jīng)過低通濾波處理后的霍爾信號Ha、Hb、Hc才能進(jìn)入單片機(jī)，這樣做是為了減少干擾單片機(jī)判斷的因素。經(jīng)過處理后的信號H1送到單片機(jī)引腳13中，借助CCP1脈沖捕獲，計

24、算出H1相鄰兩次上升沿相隔時間，即可算出電機(jī)運(yùn)行速度。3.5.4 轉(zhuǎn)把剎車處理部分設(shè)計要求是握下剎車時，剎車信號傳人單片機(jī)中，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。電動車閘把上安有閘把位置傳感元件，可將感應(yīng)到的剎車信號輸出。剎車動作時，單片機(jī)將接收剎車信號，處理后不再驅(qū)動電機(jī)。電動車閘把的位置傳感元件為開關(guān)型霍耳感應(yīng)元件。在機(jī)械剎車的同時，又?jǐn)嚅_電動機(jī)電壓驅(qū)動。電子低電位閘把正常工作時，它為高電平。當(dāng)剎車時，它跳變成低電平。電子高電位閘把正常工作時為低電平，當(dāng)剎車時，跳變成高電平。電路如圖3.10。圖3.10 剎車信號電路4軟件設(shè)計4.1 軟件設(shè)計的總體思路簡介實(shí)現(xiàn)的功能：欠壓警告功能、過流中斷功能、剎車斷電功能、速

25、度調(diào)節(jié)功能。這些是電動車最基本的功能，它能夠?qū)崿F(xiàn)這些功能是依據(jù)輸入模塊的特殊性及對實(shí)時性的要求，用不同的掃描頻率定時檢測硬件電路中所述各輸入模塊的輸入信號，經(jīng)單片機(jī)計算后再進(jìn)行輸出。它利用定時的方式對信號進(jìn)行掃描：檢測輸入模塊時，幾個模塊根據(jù)自身對時性要求不同，進(jìn)而設(shè)定不同的定時檢測周期；而對于輸出信號，因?yàn)閷?shí)時性的要求，使得中斷程序不可太過冗長，當(dāng)單片機(jī)檢測接受了某一項觸發(fā)任務(wù)時，設(shè)置相應(yīng)標(biāo)志位，等到退出中斷程序后再執(zhí)行，如果是對必須立即執(zhí)行完成的任務(wù)，可安排在中斷程序?qū)崿F(xiàn)。從電動車和無刷直流電機(jī)自身特性兩方面分析，對于檢測輸入信號，平均每128us都要的電機(jī)相序、電流以及逆變橋的電流進(jìn)行檢

26、測，而調(diào)速功能檢測、剎車功能檢測以及欠壓保護(hù)功能檢測則對實(shí)時性要求低，僅需每10ms至50ms定時檢測就可滿足設(shè)計要求。4.2程序流程圖主程序上電后完成各個模塊初始化：對脈沖寬度調(diào)制、數(shù)模轉(zhuǎn)換、通用輸入輸出口、定時器單元設(shè)初始值；無刷直流電機(jī)控制器的軟件設(shè)計采用模塊化思想，用 C語言進(jìn)行軟件編程。電動車無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的軟件主要用于完成電動車電壓的檢測，以及是否有剎車信號的輸入、轉(zhuǎn)子換相檢測、速度給定值的計算、PWM信號產(chǎn)生及故障輸入的處理等方面。因此，系統(tǒng)軟件設(shè)計要求包括初始化子程序，霍爾傳感器信號檢測、采集子程序，剎車、轉(zhuǎn)把輸入信號采集。流程圖如圖4.1所示。圖4.1 無刷直流控制器主

27、程序流程圖4.3 轉(zhuǎn)子換相流程圖將霍爾傳感器的信號輸入單片機(jī)中，與之前輸入的信號值進(jìn)行比較，如果比較結(jié)果不同，單片機(jī)輸出相應(yīng)的驅(qū)動信號給驅(qū)動芯片IR2130,進(jìn)而控制逆變橋中對應(yīng)功率管導(dǎo)通、關(guān)斷，讓流過電機(jī)繞組的電流改變方向。為確保安全，不能同時導(dǎo)通、關(guān)斷兩管功率管，例如以前的輸出結(jié)果是六位的二進(jìn)制數(shù)X,換相要求變成Y，它實(shí)現(xiàn)的順序是先輸出X、Y相與操作后的數(shù)，穩(wěn)定后在輸出Y值。如圖4.2所示。4.2 轉(zhuǎn)子換相流程圖 總 結(jié)比較了眾多單片機(jī)，PIC16F72具有很多優(yōu)點(diǎn)，它的指令非常簡單，是哈弗總線結(jié)構(gòu)。關(guān)于驅(qū)動芯片選定IR2130，它是專用來驅(qū)動逆變橋電路的。選用干電池供電，這也符合實(shí)際。電

28、源電路輸出兩路電壓,分別是+12V電壓和+5V電壓。電流的檢測和處理是通過LM358的兩個放大器， U1A用來做過流保護(hù)的工作，U2A做電流放大器?；魻杺鞲衅餍盘柪肙C門輸出形式處理。調(diào)速功能實(shí)現(xiàn)通過線性霍爾元件來完成。 經(jīng)過這次畢業(yè)設(shè)計，詳細(xì)了解直流無刷電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理，學(xué)會用Protel繪電路圖，能利用PIC16F72單片機(jī)對無刷電機(jī)直流電機(jī)進(jìn)行轉(zhuǎn)把速度調(diào)節(jié)、逆變橋驅(qū)動、剎車斷電功能、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)等基本功能的應(yīng)用。不足之處：硬件方面，由于缺乏這方面的實(shí)踐，對于單片機(jī)參數(shù)還不能完全了解，造成選擇上有些錯誤。軟件方面，個人能力有限，僅實(shí)現(xiàn)了控制系統(tǒng)所列的幾個模塊功能，不能全面反映實(shí)

29、際運(yùn)用功能。致 謝時間過得很快，我的大學(xué)生活即將結(jié)束，感謝學(xué)院對我們的教育，讓我們在這四年中鍛煉成長，思考學(xué)習(xí)。在這里愉快度過了美好的青春，我敬愛的老師，親愛的同學(xué)們，這里懷著感激、不舍之情要說再見了。在我的畢業(yè)論文設(shè)計中，非常感謝我的畢業(yè)設(shè)計導(dǎo)師王秀霞老師，王老師認(rèn)真負(fù)責(zé)，對畢業(yè)設(shè)計的開題報告，外文譯文做了很耐心的更改和指正，對我的幫助非常大，對于畢業(yè)設(shè)計王老師也是細(xì)致的解答我們遇到的問題。還幫助我進(jìn)行參考資料的選擇，對電路圖中不合格的點(diǎn)一一進(jìn)行指正。每當(dāng)遇到問題老師都會進(jìn)行專業(yè)的講解，使我們豁然開朗。謝謝我的同學(xué)，特別是室友，在設(shè)計方面給我的指導(dǎo)和專業(yè)知識，誠摯致謝。參 考 文 獻(xiàn)1 李鐘

30、明，劉衛(wèi)國等稀土永磁電機(jī)M北京：國防工業(yè)出版社，20042 邱建琪永磁無刷直流電動機(jī)轉(zhuǎn)矩脈動抑制的控制策略研究D杭州：浙江大學(xué)，20023 顧銘無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計D大連：大連理工大學(xué)，20064 余永權(quán)，汪明慧，黃英單片機(jī)在控制系統(tǒng)中的應(yīng)用M北京：電子工業(yè)出版社，20035 符曦高磁場永磁式電動機(jī)及其驅(qū)動系統(tǒng)M北京：機(jī)械工業(yè)出版社，20046 王緒偉，費(fèi)樹，胡繼峰基于MC33035的永磁無刷直流電機(jī)控制器的設(shè)計J電子工程師，20017 潘建無刷直流電機(jī)控制器MC33035的原理及應(yīng)用J國外電子元器件，20038何信龍，李雪銀PICl6C7X入門與應(yīng)用范例M北京：清華大學(xué)出版社，20069

31、 胡寶興基于DSP的電動自行車用無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的研究D杭州：浙江工業(yè)大學(xué)，200510周志新電動自行車結(jié)構(gòu)與維修M江蘇：江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，200811郝曉弘智能控制全數(shù)字交流伺服系統(tǒng)A第五屆中國交流電機(jī)調(diào)速傳動學(xué)術(shù)會議論文集C200612周淵深交直流調(diào)速系統(tǒng)與MATLAB仿真M北京：中國電力出版社，200313周雪琴計算機(jī)控制系統(tǒng)M西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社，200414 何信龍，李雪銀PICl6C7X入門與應(yīng)用范例M北京：清華大學(xué)出版社，200215 張明蜂PIC單片機(jī)入門與實(shí)踐M北京：北京航空航天大學(xué)出版社，200416 李榮正，劉啟中，陳學(xué)中PIE單片機(jī)原理及應(yīng)用 M北京：北京航空

32、航天大學(xué)出版社，200517 李先祥無刷直流電機(jī)的單片機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的研制J電氣傳動自動化200218 廖志敏. 電動自行車電氣故障診斷與維修M：人民郵電出版社，2007.19 陳隆昌，閻治安，劉新正控制電機(jī)(第三版)M西安電子科技大學(xué)出版社，2000.20 劉亮喜無刷直流電動機(jī)原理及其應(yīng)用J交頻器世界，2001.21 董學(xué)明電動自行車用智能無刷直流電機(jī)驅(qū)動器J微電機(jī)，2006.22 唐蘇亞.我國電動自行車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀J.電機(jī)技術(shù)，2004.23 陳清泉，李宜巨.21世紀(jì)的綠色交通工具一電動車M.北京:清華大學(xué)出版社， 2000.24Woong-chul Yang.Larry RBrandenb

33、urg and Bradford BatesM”Ford P2000 Fuel CellVehicle” EVS，2007.25 Chee WLuTorque Controller for Brushless DC MotorJIEEE Transaction onIndustrial Electronics，2006，46(2)：47 1-47326 RPillary,RKxishnanModeling，Simulation,and Analysis of Permanent Magnet MotorDriversJIEEE Transactions on Ndustry Applicati

34、ons，2006，12(3)：28-2027 Hong-xing Wu. and Shumei CuiA Contronller of Brushless DC Motorfor Electric VehicleJIEEE Transaction on Magnetics，2005，41(1)509-51328 KyeongHwa Kim.Myung-Joong YounPerformance comparison of PWMinverter and variable DC link inverter schemes for high-speed sensorless controlof B

35、LDG motorJElectronics Letters，2002，38(10)：1294-129529 Chee WLuTorque Controller for Brushless DC MotorJIEEE Transaction on Industrial Electronics，2001，46(2)：47 1-473 附錄A 硬件電路原理圖附錄B 控制程序端口初始化程序/*/ void Init(void) PORTB = 0B00000000; PORTC = 0B00000000; TRISB = 0B00000001;/設(shè)置RB0為輸入 TRISC = 0B00000000;

36、/設(shè)置RC輸出 RBPU=0;/PORTB上拉使能主要是保存數(shù)據(jù)到EEPROM中Main()uint win;uchar i; Init();/初始化程序 delayms(100); PORTC=0XFF; PORTB=0XFF; PORTA=0XFF; WIN24C64_write(0x0000,0x55);/存數(shù)據(jù)到EEPROM delayms(20); WIN24C64_write(0x0001,0xaa);/存數(shù)據(jù)到EEPROM delayms(20); while(1) delayms(1000); /延時 PORTC=WIN24C64_read(0x0000);/讀取24C64地址

37、00H中的數(shù)據(jù) delayms(1000); /延時 PORTC=WIN24C64_read(0x0001);/讀取24C64地址00H中的數(shù)據(jù) 中斷處理程序void interrupt ISR(void) uchar j; if(INTF=1)/外部INT0 PEIE=0; INTF=0; /清除中斷標(biāo)志位 if(counter_temp<1024) ; else int0_flag=1; counter=counter_temp/256; /counter=counter_temp; counter_temp=0; counter_temp1=0; count_num=0; / LE

38、D9=!LED9; PEIE=1; else if(TMR1IF=1) /定時器中斷 TIMER1 /time1_flag=1; TMR1IF=0;/清除中斷標(biāo)志位 TMR1L=T1L; TMR1H=T1H; /重新設(shè)置定時器時間 counter_temp+; counter_temp1+; / LED10=!LED10; else ; 顯示程序void plot1bar(char value, char max_value)unsigned int plot_value;int i;char hibyte_value, lobyte_value;lobyte_value = 0;/ Initial values.h