无刷直流电动机控制系统设计 毕业论文.doc

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1、键入文字 学校代码 10857 学 号 20102112117 1 分 类 号 1密 级 公 开 毕业设计(论文) 无刷直流电动机控制系统设计 学历层次大 专 教学系名称电子工程系 专业名称电子信息工程技术 学生姓名 指导教师 2013 年 3 月 20 日 摘要 I 摘要摘要 无刷直流电动机(brushless direct current motor BLDCM)是新型机电一 体化电机,其鲜明的特征和使用技术越来越受到关注,已成为微特电机明显的发 展趋势。 无刷直流电动机具有调速性能好、控制方法灵活多变、效率高、启动转矩 大、过载能力强、无换向火花、无无线电干扰、无励磁损耗及运行寿命长等诸

2、 多优点。近年来,由于永磁材料性能提高、制造成本价格下降、电力电子技术发 展及对电机性能要求等因素的影响,无刷直流电动机的应用领域迅速扩展。随着 大规模集成电路的普及,各具特色的无刷直流电动机专用集成电路控制芯片纷纷 涌现,将各种功能的电子控制电路集成在一片控制芯片中,既使控制电路体积大 大减小,又减少了整个装置的调试工作量。随着电力电子工业的发展,无刷直流 电动机的应用将更加普及。 本设计使用 PIC16F726 单片机来驱动无刷直流电动机，单片机采集电路使 用霍尔传感器，经软件编程后，实现无刷直流电动机的控制。 关键词：无刷直流电机；PIC 单片机；电动自行车；控制系统 II 目录目录 无

3、刷直流电动机控制系统设计无刷直流电动机控制系统设计 1 摘要摘要 I 目录目录 .II 第一章第一章 概述概述 1 1.1 无刷直流电机发展历程1 1.2 无刷直流电机的优缺点2 1.3 无刷直流电机控制器研究4 第二章第二章 无刷直流电机控制系统设计方案无刷直流电机控制系统设计方案 .6 2.1 三相无刷直流电机星形连接全桥驱动原理6 2.2 直流电动机的 PWM 调速原理.8 第三章第三章 无刷直流电机硬件设计无刷直流电机硬件设计.10 3.13.1 硬件组成硬件组成 10 3.23.2 三相全桥逆变电路和驱动电路三相全桥逆变电路和驱动电路.11 3.33.3 速度控制电路速度控制电路 1

4、5 3.43.4 其他其他 15 第四章第四章 系统软件设计系统软件设计17 4.14.1 概述概述 17 4.24.2 主程序主程序 18 4.34.3 中断中断 21 4.44.4 ADAD 转换转换 .22 4.54.5 PWM(PWM(脉冲宽度调制脉冲宽度调制) ).24 4.64.6 位置信号和驱动信号的对应关系位置信号和驱动信号的对应关系.25 4.74.7 数字数字 PIPI 速度调节速度调节.25 结论结论29 致谢致谢30 参考文献参考文献31 第一章 概述 1 第一章第一章 概述概述 1.1 无刷直流电机发展历程无刷直流电机发展历程 现代社会中，电能是最常用且最为普遍的二次

5、能源。而电机作为机电能量 转换装置，经过一个多世纪的发展，其应用范围已遍及现代社会和国民经济的 各个领域及环节。为了适应不同的实际应用，各种类型的电机应运而生，其中 包括同步电机、异步电机、直流电机、开关磁阻电机的各种类型的电机，其容 量小到几毫瓦，大到百万千瓦。相比之下，同步电机具有转矩大、效率和精度 高、机械特性硬等优点，但调速困难，容易“失步”等弱点大大限制了它的应 用范围；异步电机结构简单、制造方便、运行可靠、价格便宜，但其机械特性 软、启动困难、功率因数低、不能经济地实现范围较广的平滑调速，且必须从 电网吸取滞后的励磁电流，从而降低电网功率因数；开关磁阻电机转子既无绕 组也无永磁体，

6、其结构简单、成本低廉，但低速时具有较大的转矩，控制换向 时无上下桥直通等问题，但其噪声和转矩波动相对较大，这在某种程度上限制 了该类型电机的推广应用；直流电机具有运行效率高和调速性能好等诸多优点， 被广泛地应用于对启动和调速有较高要求的拖动系统，如电力牵引、轧钢机、 起重设备等。目前，小容量的直流电机在自动控制系统中仍然得到广泛应用。 但是，传统直流电机均采用电刷以机械方式换向，因而存在机械摩擦，使得电 机寿命缩短、并带来了噪声、火花以及无线电干扰等问题，再加上制造成本高 及维修困难等缺点，从而限制了其在某些特殊场合的应用。因此，在一些对电 机性能要求较高的中小型应用场合，亟需新型高性能电机的

7、出现。 无刷直流电机是在有刷直流电机基础上发展起来的。1831 年法拉第发现电 磁感应现象，从而奠定了现代电机的理论基础。19 世纪 40 年代，第 1 台直流 电机研制成功。受电力电子器件和永磁体材料等发展的限制，无刷直流电机在 一个多世纪后才面世。1915 年，美国人 Langmuir 发明了控制栅极的水银整流 器，并制成了直流变交流的逆变装置。针对传统直流电机的弊病，20 世纪 30 年代，一些学者开始研制采用电子换向的无刷直流电机,为无刷直流电机的诞生 提供了条件。但由于当时的大功率电子器件还处于初级发展阶段，没能找到理 2 想的电子换相器件，使得这种可靠性差、效率低下的电机只能停留在

8、实验室阶 段，无法推广使用。1955 年，美国的 Harrison 和 Rye 首次申请成功用晶体管 换相线路代替电机机械电刷换向装置的专利，这就是现代无刷直流电机的雏形， 但是该装置还是存在了一些问题。其后，经过反复实验和不断实践，借助霍尔 元件实现电子换相的无刷直流电机终于在 1962 年问世，从而开创了无刷直流电 机产品化的新纪元。20 世纪 70 年代初期，出现了比霍尔元件的灵敏度高千倍 左右的磁敏二极管，借助磁敏二极管实现换相的无刷直流电机也试制了成功。 此后，随着电力电子工业的飞速发展，许多新型的高性能半导体功率器件相继 出现，再加上钴、铁、硼等高性能永磁材料的问世，均为无刷直流电

9、机的广泛 应用奠定了坚实的基础。 1978 年，联邦德国 Mannesmann 公司的 Indramat 分部在汉诺威贸易展览会 上正是推出 MAC 无刷直流电机及其驱动系统，这标志着无刷直流电机真正进入 了实用阶段。之后，国际上对无刷直流电机开展了深入的研究，先后研制成梯 形波/方波和正弦波无刷直流电机。随着永磁材料、微电子技术、电力电子技术、 检测技术以及自动控制技术特别是绝缘栅双极晶体管（IGBT）和集成门极换流 晶闸管（IGCT）等大功率开关器件的发展，采用电子换相原理工作的无刷直流 电机正朝着智能化、高频化和集成化方向迅速发展。 20 世纪 90 年代以后，计算机技术与控制理论发展十

10、分迅速，单片机、数 字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列（FPGA）、复杂可编程逻辑器件 （CPLD）等微处理器得到了空前的发展，指令速度和存储空间都有了质的飞跃， 进一步推动了无刷直流电机的发展。此外，一些先进的控制策略和方法，如滑 模变结构控制、神经网络控制、模糊控制、自抗扰控制和自适应控制等，不断 地被应用到无刷直流电机控制系统中。这些方法在一定程度上提高了无刷直流 电机控制系统在转矩波动抑制、转速动态和稳定响应以及系统抗干扰等方面的 性能，扩大了无刷直流电机控制系统的应用范围，同时还丰富了相关控制理论 的内涵。 1.2 无刷直流电机的优缺点无刷直流电机的优缺点 与有刷直流电动机相比

11、，BLDC 电机有许多有优点，也有一些缺点。无刷 第一章 概述 3 电机需要的维护较少，因此和有刷直流电机相比寿命更长。与同体积的有刷直 流电机和感应电机相比，BLDC 电机能产生更大的输出效率。由于转子用永磁 体制成，和其他类型的电机相比，转子惯性较小。这就改进了加速和减速特性， 缩短了工作周期。其线性的转速/转矩特性有助于预测转速调节的结果。使用无 刷电机就无需检修电刷。在维护困难的应用以及检修空间狭小的场合，无刷电 机是理想的选择。BLDC 电机运行时比有刷直流电机安静得多，并且减少了电 磁干扰（Electromagnetic Interference,EMI） 。低电压型号对使用电池供

12、电的应用、 便携式设备或医疗应用很理想。 表 1-1 对 BLDC 电机与有刷直流电机之间的比较进行了总结。表 1-2 比较 了 BLDC 电机与感应电机。 表 1-1 将 BLDC 电机与有刷直流电机比较 特性BLDC 电机有刷直流电机 维护根据霍尔传感器进行电子换向采用电刷换向。 寿命较长较短 转速/ 转矩特 性 平坦-在负载额定的条件下，可 在所有转速下正常工作。 中等平坦-转速较高时，电刷摩 擦增加，因此较少了用用转矩。 效率高-没有电刷两端的压降。中等 输出功 率/体 积 高-由于出众的散热特性而缩小 了体积。由于 BLDC 电机将绕组放 在了连接至电机外壳的定子上， 因而散热更好。

13、 中等/低-电枢产生的热容量散发 到气隙中，这使气隙中的温度升 高，限制了输出功率/体积规范。 转子惯 性 小，因为转子上有永磁体。这改 进了动态响应。较大的转子惯性限制了动态特性 转速范 围 较高-无电刷/换向器是施加的机 械限制。较低-有电刷的机械限制 产生的 电子干 扰低 电刷中的电弧会对附近设备产生 电磁干扰。 制造成 本 较高-由于其中有永磁体，制造 成本较高。低 控制复杂且昂贵简单且便宜 控制要 求 要保持电机运转，始终需要控制 器。还可使用这一控制器控制转 速。 固定转速不需要控制器；只有需 要改变转速时才需要控制器。 4 表 1-2 将 BLDC 电机与感应电机比较 特性BLD

14、C 电机交流感应电机电机 转速 /转 矩特 性 平坦-在负载额定的条件下，可 在所有转速下正常工作。非线性-低转速下转矩也低。 输出 功率 /体 积 高-由于转子采用永磁体，对于 给定的输出功率可以实现较小的 体积。 中等-由于定子和转子都有绕组，输 出功率与体积之比低于 BLDC。 转子 惯性小-动态特性较佳大-动态特性较差。 起动 电流额定值-无需专门的启动电路。 大约是额定值的 7 倍-应谨慎选择合 适的起动电路。通常使用星型-三角形 启动器 控制 要求 要保持电机运转，始终需要控制 器。还可使用这一控制器控制转 速。 固定转速不需要控制器；只有需要改 变转速时才需要控制器。 差额定子和

15、转子磁场的频率相等。 转子运行频率低于定子，差值即为差 频，随着电机负载的增加该差频也增 加 1.3 无刷直流电机控制器研究无刷直流电机控制器研究 无刷直流电机控制器的发展通电器元件类似，经历了从分立元件控制方式 到数字可编程集成电路控制方式的发展历程。 一般，采用分立电子元器件设计的无刷直流电机控制器结构复杂，体积较 大，相应的可靠性和通用性也较差，不利于批量生产。因此，对无刷直流电机 的控制，当前主要采用专用集成电路（ASIC）控制器、FPGA、单片机和 DSP 控制器等方式。 目前，很多先进工业国家的半导体厂商，都能提供自己开发的电机控制专 用集成电路，如美国 ON Semiconduc

16、tor 和 Motorola 等公司开发的 MC33035、MC33039 无刷直流电机控制芯片和 MicroLinear 公司的 ML4425/4428 无位置传感器控制芯片。专门集成电路控制其结构简单，性价比 高、外围器件比分立式控制器少，但在使用时也会受到一定的限制，功能扩展 性不好，不易进行产品的功能变化和升级等操作。因此，如果考虑控制器今后 第一章 概述 5 的软硬件设计等功能，可使用 FPGA、单片机或 DSP 等对无刷直流电机进行控 制，该类控制器具有功能完善和控制灵活等特点，当然相应的成本可能会比专 用集成电路控制器高。FPGA 可以用 VHDL、Verilog 或 C 语言来

17、编程，灵活性 强，具有静态可重复编程和动态在线系统重构的特性，使得硬件的功能可以像 软件一样通过编程来修改，并能按照用户需求来定义接口功能。单片机和 DSP 具有丰富的外围接口，单片机一般用于简单的电机控制系统，而 DSP 由于具有 强大的计算和数据处理能力，通常应用于电机的智能控制系统中。 经济实用型的无刷直流电机控制器可采用多种单片机来实现，起初应用较 多的是 MCS-51/96 系列产品，现在已经扩展达 PIC16F877A、MSP430F149、MC68HC908MR16 和 LPC2101 等不同公司生产 的多种单片机。 本文采用 PIC16F726 单片机来驱动无刷直流电动机系统设

18、计。 6 第二章第二章 无刷直流电机控制系统设计方案无刷直流电机控制系统设计方案 2.1 三相无刷直流电机星形连接全桥驱动原理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 2-1 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

19、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 2-2 所示，逆变器中的 AH, BH, CH(上桥 臂功率晶体管)及 AL, BL,

20、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 管在关与开的交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

21、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 第二章 无刷直流电机控制系统设计方案 7 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 2-1 三相无刷直流电机工作原理 Inverter MOTOR AH AL BH BL CH CL inverte

22、r 图 2-2 逆变器原理图 表 2-1 霍尔位置信号与换相的关系 正向 当前位置(Ha,Hb,Hc) 下一位置导通相 100 AH,CL 110 BH,CL 010 BH,AL 011 CH,AL 001 CH,BL 101 AH,BL 8 反向 当前位置(Ha,Hb,Hc) 下一位置导通相 001 CH,AL 011 CH,BL 010 AH,BL 110 AH,CL 100 BH,CL 101 BH,AL 2.2 直流电动机的直流电动机的 PWM 调速原理调速原理 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

23、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2-3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

24、管的动作重 复前面的过程。 U1 0T U0 Us t1 t2 0 图2-3 输入输出电压波形 第二章 无刷直流电机控制系统设计方案 9 电动机电枢绕组两端的电压平均值。为: （2-1） UU t tt Ut U a T S 11 1 21 1 0 式（2-1）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。 10 电量检测 助力信号 转把信号 BRK 信号 MOD 转换 面板信号 MCU 升压电路 逻

25、辑保护电路 电流检测 驱 动 电 路 电 机 转子位置信息 5V36V 电源 语法语法 错误，错误， V 第三章第三章 无刷直流电机硬件设计无刷直流电机硬件设计 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。 3.13.1 硬件组成硬件组成 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、

26、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 3-1 所示。 50V PWM 电源 第三章 无刷直流电机硬件设计 11 图3-1 硬件系统框图 3.23.2 三相全桥逆变电路和驱动电路三相全桥逆

27、变电路和驱动电路 逆变电路和驱动电路是主控芯片与被控电机之间联系的纽带，其传输性能 的好坏直接影响着整个系统的运行质量。其功能是将电源的功率以一定逻辑关 系分配给无刷直流电动机定子上各相绕组。功率场效应晶体管具有开关速度快、 高频特性好、输入阻抗高、驱动功率小、热稳定性优良、无二次击穿问题、安 全工作区宽和跨导线性度高等显著特点，因而在各类中小功率开关电路中得到 了广泛的应用。 在本控制系统中就采用了 MOSFET 组成的逆变器变换电路。根据第二节所 述，半桥逆变器的控制比较复杂，需要六组控制信号，电机三相绕组的工作也 相对独立，必须对三相电流分别控制。而全桥逆变器的控制比较简单，只需三 组独

28、立控制信号，且任一时刻导通的两相电流相等，只要对其中一相电流进行 控制，另外一相电流也得到了控制，因此本设计采用全桥逆变电路来控制各相 位的导通。 本设计中逆变器上下桥臂都采用 N 沟道 MOSFET 管，如图 3-2 所示。P 型 MOSFET 管由于工艺的原因，参数一致性较差，价格较贵，而且其内阻比 N 沟 道的 MOSFET 管大，损耗也大。因此，当前的无刷控制器一般都采用两个 N 沟道 MOSFET 管组成逆变器的一相。 当功率 MOSFET 管用作开关，被驱动饱和导通，即在它的两极之间压降最 低时，其栅极驱动要求可概括如下: (1) 栅极电压一定要比漏极电压高 1015V，用作高压侧

29、开关时其栅极电压 必定高于干线电压，常常可能是系统中的最高电压. (2) 栅极电压从逻辑上看必须是可控的，它通常以地为参考点。 (3) 栅极驱动电路吸收的功率不会显著地影响总效率。 本系统中功率 MOSFET 的漏极电压为 36V，本系统的最高电源电压也为 36V。为满足栅极高于漏极 10V15V 的要求，需要采用升压电路。 3.2.13.2.1 顶端、底端驱动电路顶端、底端驱动电路 (1) 驱动电路 12 如图 3-2 所示，由于受到匹配电压的限制，顶端驱动电路无法直接与 TTL 器件匹配，因此在电路中通过 LM339 用来间接匹配电压，匹配后的 LM339 输 出端(Ql 开通，电流流过

30、R19，电流方向为左正右负(从而保 证 Ql 开通时 Q2 关断)，VF1 栅极电压为 50V 左右，源极电压为 36V 左右， VF1 开通;当 LM339 的 2 口输出为高时，Ql 关断，这时 VF1 截止。Q2 与 R18, R19, C26 组成有源滤波器。底端驱动，当经过逻辑保护的 A 相底端控制信号 aBTM 输入为 1 时，经过底端驱动电路产生 12V 有效信号，使得 VF2 导通。同 时，单片机输出的 PWM 信号送到 NE555 的 RST 端，对底端控制信号进行调制。 第三章 无刷直流电机硬件设计 13 4 5 2 312 aT OP C26 C29 C43 R15 DZ

31、1 DZ2 Q1Q2 R16 R17 R18 R19 R20 +12 R22 R21 +36 +36 PWM aBTMTRIG 2 OUT 3 RST 4 CVolt 5 THR 6 DIS 7 VCC 8 GND 1 U1 +12 +50 +12 4 5 2 312 aT OP C27 C30 C39 R23 DZ3 DZ4 Q3Q4 R24 R25 R26 R27 R28 +12 R30 R29 +36 +36 PWM aBTMTRIG 2 OUT 3 RST 4 CVolt 5 THR 6 DIS 7 VCC 8 GND 1 U2 +12 +50 +12 4 5 2 312 aT OP

32、C28 C31 C37 R31 DZ5 DZ6 Q5Q6 R32 R33 R34 R35 R36 +12 R38 R37 +36 +36 PWM aBTMTRIG 2 OUT 3 RST 4 CVolt 5 THR 6 DIS 7 VCC 8 GND 1 U3 +12 +12 R51 OUT R26 RES1 +50 aCOME VF3 VF1 VF4 X1 VF6 VF5 VF2 aCOME aCOME X3 X2 MOTOR MOTOR MOTOR 图3-2 MOSFET驱动逆变电路 3.2.23.2.2 电源电路电源电路 驱动电路的电源部分包含两部分电路:一部分是将电池电源 36V，通过

33、三端 稳压器 LM7915 产生相对电源电压的-15V 电压，即 36V-15V=21V ，用于倍压 电路产生高驱动电压;另一部分是通过三端稳压器 LM7812 产生的+12V 电压， 用于顶端驱动匹配和底端驱动电路。如图 3-3 所示，电源电路中，根据各个部 分的电流，合理的选择分流电阻*R14 和*R45 的阻值和功率，减小直接流过 三端稳压器件的电流，降低其发热量，提高电路稳定性。 14 IN 1 OUT 3 GND 2 U6 LM7812CT (3) IN(T AB) 2 OUT 3 GND 1 U4 LM7915CT (3) C33 104 C18 104 C19 104 C20 1

34、04 C34 104 C35 104 R14 1.5K R45 2.4K .IC PCB .IC .IC PCB .IC +36+36+36+36 +21+12 +12+36 图3-3 +21V和+12V电源电路 3.2.33.2.3 振荡倍压和硬件保护电路振荡倍压和硬件保护电路 （1）硬件保护电路 为了增加控制系统的可靠性和安全性，设计了纯硬件制动保护电路，如图 3-4 所示。制动电路通过控制振荡电路的 RST 端的电平状态，间接控制顶端驱 动电路导通所需电压源.通过 LM339 的保护功能，当系统正常工作时，测试点 1 处的电压通过上拉电阻，电平为 12V，经过 22V 稳压二极管，测试点

35、 2 处的 电平在 34V 左右，振荡电路正常工作;当系统过流时，纯硬件的保护电路 U5 反 向输入端的电压将高于正向输入端参考电压，U5 内部的三极管导通，测试点 1 处电平约 0.7V,测试点 2 处电压为 21V 左右，RST 有效，振荡电路停止振荡， 顶端驱动电路将不再输出驱动电压，从而实现硬件制动稳定性。R47 和 C36 组 成电流波形尖峰抑制器，可抑制电流波形的前导峰缘，增强系统。 （2）振荡倍压电路 如图 3-4 所示，NE555 的电源接+36V 电压，地端接+21V 电压。NE555 和 外围电路组成振荡电路，振荡电路产生的振荡频率约为 4-5KHz,振荡信号从 NE555

36、 的 3 脚输后，通过陶瓷电容 C23 和 C24、二极管 D3 和 D4 构成的倍压电 路，将输出电压提升到 50V 左右，送到 MOS 管的栅极。NE555 的 RST 脚能够 控制振荡电路的起停。 倍压电路的工作原理是:当 NE555 的 3 脚为 GND 电压(+21V)时，电源 36V 通过二极管 D4 给电容 C24 充电，如果时间常数合适，C24 上的电压近似等于 36V-21V=15V，方向为左负右正:当 NE555 的 3 脚为高时，电容 C24 左侧为 36V，右侧为 36V+15V=51V，因为二极管 D4 反偏截止，产生的 51V 电压就通 过二极管 D3 给 C23,

37、 C25 充电，这样经过若干周期的反复充电，电容 C25 上的 第三章 无刷直流电机硬件设计 15 电压就升到后部驱动所需要的 51V 恒定电压。 .IC Test voctor .IC PCB .IC Test voctor .IC C21 103 C24 105 C22 103 C36 105 C23 105 R50 10k R47 51 R13 1.5K R48 10K R49 510 R46 1K D? DIODE 11 10 13 123 U?A LM339 C25 104 DZ 20V TRIG 2 OUT 3 RST 4 CVolt 5 THR 6 DIS 7 VCC 8 GND

38、 1 U5 NE555 OUT R13 1.5K +12 +36 +36 +12 +36 D4 1N4148 D3 1N4148 +51 kBUk TP1 图 3-4 振荡倍压电路和纯硬件保护电路 3.33.3 速度控制电路速度控制电路 如图 3-5 所示，为速度控制电路。 1 2 3 J2 CON3 1 2 J3 CON2 1 2 3 J1 CON3 C15 104 R14 1.5K R9 1.5K R31 R12 1K VCC VCC 图 3-5 速度控制电路 3.43.4 其他其他 3.4.13.4.1 蓄电池检测方案蓄电池检测方案 电动自行车在使用过程中实时监测蓄电池的容量情况将给用户

39、带来很大的 方便，它能提供蓄电池的电能大约能够使车辆行驶多少里程，蓄电池是否需要 16 充电等信息。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，它的容量等于放电电 流和放电时间的乘积: （3-1） tI dd Q 式（3-1）中 Q 的单位为(A-h)。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，如式（3-2）： （3-2） tItItI dNdNdddd Q 2211 由于蓄电池的容量受到很多因素的影响，长时间的使用，反复的充放电， 一些蓄电池的容量将逐渐减小，因此要准确测量蓄电池的容量比

40、较困难。 本方案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 监测蓄电池的容量.利用单片机的 A/D 转换口，将电池两端的电压这一模拟量转 化为数字量，从而显示电池相应的电量，以及判断电池是否欠压。 3.4.23.4.2 助力信号检测方案助力信号检测方案 本设计中用到的助力传感器为 V7 系列电动车用助力传感器。V7 助力传感 器由开关型霍尔元件和后部处理电路组成，供电电源 5V。当霍尔原件感应面有 磁场时，传感器输出为低，无磁场时输出为高，后部处理电路根据接收到的信 号进行处理，向单片机发出符合以下规律的信号: (1) 频率与转速成正比； (2) 电机正转时，一周期内的高电平时

41、间:低电平时间=2:1 ； 电机反转时，一周期内的高电平时间:低电平时间=1:2 。 为了使得采集的数据更精确，电动车助力轮上装有 5 个感应铁块，所以助 力轮转一圈，助力传感器会按照上述规律送出 5 组信号.利用 PIC 单片机的普通 I/O 口和定时器 TO 加以配合，检测高低电平的时间，从而确定相应的转速，给 出对应的助力。 第四章 系统软件设计 17 第四章第四章 系统软件设计系统软件设计 4.14.1 概述概述 在软件方面，本设计利用汇编语言，采用模块化编程和结构化编程。 模块化编程:完全实现本设计所有的技术指标需要大量而有效的程序来实现， 烦琐的程序需要采用模块化编程的方法，即将一

42、个大的程序分成若干小的模块， 各个模块保持相对的独立性，模块之间只靠少量的出入口参数相联系。这样各 个程序模块分别设计，从而使程序的调试、修改和维护都变得比较容易。 结构化编程:各个子程序之间使用结构良好的转移和调用，这样各个模块可 有效地组合成一个整体，使流程明确地从一个程序模块转移到下一个程序模块. 在这个过程中，要注意严格控制使用任意转移语句。 根据课题要求，无刷智能控制器智能部分功能如下: (1) 电动模式: 打开电锁，如果各电器部件正常工作，电动车进入电动状态，此时前仪表 板电动指示灯点亮，转动电动车转把，电动车正常加电运转;如转把、刹把、助 力传感器信号出错，则电动车进入自检状态，

43、待前面所说电器部件信号恢复正 常，过 2-3 秒电动车退出自检模式，进入正常电动状态。 (2) 助力模式: 打开电锁，在电动车进入电动模式下，按动模式转换按钮，电动模式转换 到助力模式，此时前仪表板电动指示灯灭，助力指示灯亮，骑行实现一加一助 力:再次按动模式转换按钮或刹车，则电动车退出助力模式回到电动模式，助力 模式下刹车，电机断电，但不退出助力模式。 (3) 定速模式: 打开电锁，在电动车进入电动模式下，按住模式转换按钮保持 2-3 秒钟不 动，电动车由电动模式转换到定速模式，此时前仪表板电动指示灯灭，定速模 式指示灯点亮，电动车将保持现有的固定速度运行，再次按动模式按钮或刹车， 则电动车

44、退出定速模式回到电动模式。当车速低于 2km/h 时，定速功能无效， 18 其目的是避免用户在推车时误触发模式转换按键。 (4) 自检功能: 当转把不在零位、刹把处于刹车状态下，或转把、刹把工作正常，但助力 传感器信号出错时，打开电锁，此时电动车进入自检模式，转把拧得角度越大， 欠压灯闪的频率无刷育流电机控制系统设计越快;定速灯指示助力传感器;捏刹把 时电动灯亮;三个电量指示灯分别指示无刷电机的三个霍尔信号。如各电器部件 信号恢复正常，过 2-3 秒电动车退出自检模式回到电动模式，或重新打开电锁， 电动车进入正常电动状态。 4.24.2 主程序主程序 程序主流程图如图 4-1 所示，主程序上电

45、复位后完成系统初始化: PWM,ADC 端口、定时器等单元的初值设置;中断设置;变量、标志寄存器的初始 化。为了防止在初始化的过程中，中断的意外到来，应在主程序的开始处先关 闭全局中断。初始化完成后，进入自检程序，若各电器信号正常，则 2 秒后退 出自检模式。重新对相关寄存器，定时器赋初值，打开 INT 外部中断，即允许 模式转换按钮中断。判断电机启动是否成功,如果成功进入正常工作模式函数， 若有非法状态，停电机，程序跳入自检模式进行自检。 电机正常工作模式流程如图 4-2 所示。系统进入到正常工作模式的主循环 时，首先判断系统处于何种工作模式，然后检查系统是否处于非法态，如果出 现欠压、过流

46、、堵转等错误，则停机，程序跳入到自检状态;否则，判断是否有 刹车信号，如没有，进入判断模式及模式功能处理函数:如果有，则停机，等待 刹车结束信号。刹车结束后，如果工作模式为定速模式，则退出定速模式，进 入电动模式。 在电动模式下，单片机采集转把电压信息，控制输出的 PWM 信号的占空 比;定速模式下，转把信号无效，程序根据模式转换前输出的 PWM 占空比恒定 输出;助力模式下，根据定时器 TO 采集助力传感器的高低电平时间，控制 PWM 信号的占空比。在这个过程中，始终允许 KMOD 按键中断，因此可以通 过按下 KMOD 键切换电动、定速和助力三种模式。 第四章 系统软件设计 19 助力 N

47、 N NN 自检 自检 上电复位 初始化相关寄存器，MODE-REG 置为电动模式 自检模式，显示相应信号的状态，若各电器信 号正常，则 2 秒后退出自检模式 测量电压及电流，并指示 是否欠压，过流 判断当前工作模式 SP 有效？ 刹车有效 启动电机 打开 KMOD 中断 启动成功？ 正常工作模式 WORK-MODE-FLAG 有错 关闭电机 关闭 KMOD 刹车有效 助力传感器有效 刹车有效 自检 Y N N Y Y Y Y Y Y N N Y 20 图4-1 系统工作流程图 FUN-WORK-MODE 开始 判断 MODE- REG 对转把电压进行采样 相位有变化? 是否换相超时? SP

48、是否有效? FUN-CAL-TOVER CMP-SENSOR 相位有错? 对欠压端进行采样 是否欠压 改变指示灯状态 对过流端进行采样 是否过流? 将 WORK-MODE-FLAG 置为错误 将 WORK-MODE-FLAG 置为正确 电机停转 助力信号有效? ERROR: 助力 ERROR Y Y Y Y Y Y N N N N N N 定速 电动 第四章 系统软件设计 21 图 4-2 正常工作模式流程图 4.34.3 中断中断 4.3.14.3.1 单片机中断资源单片机中断资源 本设计中应用到的 PIC 单片机的中断源有:外部触发中断 INT，定时器 TMRO 溢出中断，定时器 TMR1

49、 溢出中断，定时器 TAM 溢出中断，A/D 转换 中断，CCP 中断。其中外部触发中断 INT, TMRO 溢出中断为第一级中断， TMR1 溢出中断，TMR2 溢出中断，A/D 转换中断，CCP 中断为第二级中断。 所有中断源都受全局中断屏蔽位(也可以称为总屏蔽位)C 正的控制;第一级中断 源不仅受全局中断屏蔽位的控制，.还受各自中断屏蔽位的控制;第二级中断源不 仅受全局中断屏蔽位和各自中断屏蔽位的控制，还要额外受到一个外设中断屏 蔽位 PEIE 的控制 PIC 单片机只有一个中断向量，没有中断优先级别之分，也 没有类似 51 系列、AVR 系列单片机的 PUSH 和 POP 指令.当总中断允许位 GIE 有效时，任何一个中断标志位有效都会将 PC 指针指向中断向量 0004H 处.因此 中断处理一般分为以下几步: (1) 保存临时寄存器 W、状态寄存器