1、黃黃 岡岡 師師 范范 學學 院院 本本 科科 生生 畢畢 業業 論論 文文 題 目：單片機控制的無刷直流電機驅動系統設計 專業年級：電子信息科學與技術（2005 級） 學 號： 學生姓名： 指導教師： 論文完成日期 2009 年 05 月 目錄目錄 摘要.1 ABSTRACT.2 1. 概論 .3 1.1 無刷直流電機的現狀.3 1.2 電動自行車介紹及發展前景.4 1.3 本設計的主要工作.6 2. 無刷電機控制系統分析.6 2.1 三相無刷直流電機星形連接全橋驅動原理.6 2.2 直流電動機的 PWM 調速原理.9 3. 無刷直流電機控制器硬件設計.9 3.1 硬件組成.10 3.2 三

2、相全橋逆變電路和驅動電路.10 3.3 速度控制電路.14 3.4 其他.14 4. 系統軟件設計.15 4.1 概述.15 4.2 主程序.16 4.3 中斷.20 4.4 AD 轉換.21 4.5 PWM(脈沖寬度調制).23 4.6 位置信號和驅動信號的對應關系.23 4.7 數字 PI 速度調節.24 5. 系統調制與實驗結論.27 5.1 系統硬件調試.27 5.2 系統軟件調試.28 5.3 實驗結論與建議.29 結論.30 參考文獻.31 致謝.32 單片機控制的無刷直流電機驅動系統設計單片機控制的無刷直流電機驅動系統設計 專業：電科 班級： 作者： 指導老師： 摘要摘要 本課題

3、是講述無刷直流電機控制系統集電機、逆變電路、檢測元件、控制軟件 和硬件于一體，具有高可靠、高效率、壽命長、調速方便等優點，在電動調速領域 有著廣泛的應用。電動自行車的發明和使用對解決燃油車造成的嚴重環境污染和緩 解日益突出的能源危機問題有一定的現實意義。根據項目參數要求，采用Microchip 公司的PIC16F72單片機作為控制芯片，在硬件方面，進行了電源電路設計、系統硬 件保護電路設計、三相全橋逆變電路設計、逆變器驅動電路設計。在軟件方面利用 匯編語言，采用模塊化編程和結構化編程。根據無刷直流電機的控制原理，對系統 的控制部分進行了詳細分析。利用數字PI控制理論實現電機速度的閉環調制。在系

4、 統可靠性方面:設計了系統的欠壓、過流和堵轉保護。本文還對影響控制器和單片機 系統可靠性的因素進行了分析，并且給出了解決方案.本文所設計的無刷電機控制器 實現了電動、定速、助力三種工作模式并且在系統出錯情況下具有自檢功能。保護 功能較完善、硬件結構簡單、成本較低，具有升級空間，便于用戶二次開發。 關鍵詞關鍵詞 無刷直流電機,PIC 單片機,電動自行車,控制系統 The Design of The Brushless DC Motor Control System Speciality : dianke class:0502 Author: liqing Tuor:leixuetang Abst

5、ractAbstract This 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 high efficiency, high reliability,

6、 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 Brushless DC Motor (BLDCM) control system

7、 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 following the principle of modulariza

8、tion 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, factors that affect the reliability of

9、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 brushless DC motor control system i

10、s superior in many fields such as high reliability, simple hardware structure, low cost, and convenient for the further development. KeyKey WordsWords Electric bike, Brushless DC Motor, PIC, Control System 1.1. 概論概論 1.11.1 無刷直流電機的現狀無刷直流電機的現狀 有刷直流電動機作為最早的電動機廣泛應用于工農業生產的各個領域，由于其 寬闊而平滑的優良調速性能，在需要調速的應用領域

11、占有重要地位，但機械換向裝 置的 存在，限制了其發展和應用范圍。直流電動機的機械電刷和換向器因強迫性接觸， 造成其結構復雜、可靠性差、火花、噪聲等一系列問題，影響了直流電動機的調速 精度和性能?？茖W技術的飛速發展，帶來了半導體技術的飛躍，開關型晶體管的研 制成功為創造新型的無刷直流電動機帶來生機。1955年，美國人首次提出用晶體管 換向線路代替機械換向裝置，經過反復實驗，人們終于找到了用位置傳感器和電子 換相線路來代替有刷直流電動機的機械換相裝置， 出現了磁電禍合式、光電式及霍 爾元件作為位置傳感器的無刷直流電動機，以后人們發現電量波形和轉子磁場的位 置存在著一定的對應關系，因此又出現了通過觀

12、測電樞繞組中不同電量波形，監測 轉子位置的無位置傳感器的電動機。 80年代初，無刷直流電機進入了實用階段，方波和正弦波無刷直流電機先后研 究成功?！盁o刷直流電機”的概念已由最初的具有電子換相器的直流電機發展到泛 指一切具有傳統直流電機外部特性的電子換相電機。現今，無刷直流電機集電機、 變速機構、檢測元件、控制軟件和硬件于一體，形成為新一代的電動調速系統。無 刷 直 流 電機具有最優越的調速性能，主要表現在:調速方便(可無級調速)，調速 范圍寬，低速性能好(啟動轉矩大，啟動電流小)，運行平穩，噪音低，效率高，應 用場合從工業到民用極其廣泛。如電動自行車、電動汽車、電梯、抽油煙機、豆漿 機、小型清

13、污機、數控機床、機器人等等.由于無刷直流電機具有這些優點，因此在 2004年的國際電機會議上提出了有刷電機將被無刷電機取代這一發展趨勢。美、日、 英、德在工業自動化領域中已經實現了以無刷直流電機代替有刷電動機的轉換。 美國福特公司率先把無刷直流電機應用于汽車20世紀80年代以來，隨著微機控 制 技術的快速發展，出現了各種稱為無位置傳感器控制技術的方法，是當代無刷直流 電機控制研究的熱點之一。各國知名半導體公司如Allegro,Philips,Micro Linear,To shiba等，先后推出了許多無刷直流電機無傳感器控制集成電路。 2004年12月我國電機制造業共1167家生產企業，全部從

14、業人員人，資產 972億。我國生產的微特電機己經占世界60%以上，目前是全球最大的永磁體(生產無 無刷直流電機控制系統設計刷電機的主要原材料)生產供應基地，中國還將會成為全 球最大的無刷電機生產國。隨著汽車工業的快速發展，車用小功率電機的需求增長 帶動了以永磁無刷直流電機為主體的車用小功率電機的興起，我國正在成為世界電 動汽車制造業的主要供應商。 1.21.2 電動自行車介紹及發展前景電動自行車介紹及發展前景 1.2.1 電動自行車概況電動自行車概況 電動自行車一般分為兩類，一種是零啟動電動自行車，一般稱為電動自行車， 這種電動自行車盡管有腳踏騎行功能但可以完全靠電動騎行。還有一種智能型電動

15、自行車，這種智能型電動自行車不能完全電動騎行，是需要人力騎行的助力電動自 行車，一般為一比一助力即人機對等出力。不過現在有些電動車控制器將這兩種功 能綜合在一起，通過功能選擇按鍵可以選擇相應的騎行模式。 據助力車專業委員會不完全統計，全國電動自行車的銷售量1998年為5.4萬 輛，1999年為14萬輛，2000年為29萬輛，2001年電動自行車的實際銷量已超過 58萬輛，2004年更高達400多萬輛，今年則可望達到500萬輛，主要銷售在蘇浙 滬、天津一帶，在鼓勵電動自行車的上海，電動自行車擁有量已達120萬輛，其中 2005年共銷售電動自行車40萬輛。專家預計，到2008年我國電動自行車年銷量

16、可 突破1000萬輛，電動自行車制造業已進入高速發展時期。 據中國自行車協會統計，目前全國電動自行車保有量已超過1000萬輛。目前全 國自行車的保有量在4億輛左右，以10被電動自行車替代，每輛電動自行車 20003000元計算，這個市場將達到1000億元左右。千億元的大蛋糕讓人心動， 全國已經在自行車的發展基地上自然形成了三大電動自行車板塊：以天津為首的天 津、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 國自行車協會理事長王鳳和指出，作為綠色環保產品，電動自行車的發展全國不平 衡，其中江浙滬地區占了總額的80，以旅游城市杭州為例，2003年電動自行車 保有量為40萬輛

17、，而自行車為100萬輛，已經占到40。 國外的電動車業近年來也得到了快速的發展。從全球市場上看，日本雅馬哈、 本田、三洋、松下等知名公司紛紛進入電動自行車行業，而且日益擴大生產規模； 德國、英國、奧地利、意大利、美國等國著名的自行車廠商和公司，也不斷加入電 動自行車的開發、生產和銷售，電動自行車的銷售也呈逐年上升趨勢。據資料介紹， 全球電動自行車數量，在過去6年中，從3.6萬輛劇增到50萬輛。這樣說來，電動車 作為暫時的替代品或最終的交通、休閑用具，市場前景都不可限量。 1.2.2 發展前景發展前景 電機是電動自行車的關鍵部件。為使電動自行車有良好的使用性能，驅動電機 應具有寬調速范圍、高轉速

18、和足夠大的起動轉矩。此外，由于電動自行車的驅動電 機是車載形式運行的，這要求電機體積小、重量輕、效率高、且具有良好的能量回 饋性能。 稀土永磁無刷直流電機是近20年發展起來的一類電機，電力電子技術，微電子 技術、微機和稀土永磁材料的發展為無刷直流電機的研究奠定了基礎。目前無刷直 流電機的發展已經和大功率開關器件、專用集成電路、稀土永磁材料、微機、新型 控制理論及電機理論的發展緊密結合，顯示出廣泛的應用前景和強大的生命力。與 其它電機相比它具有幾個明顯優點： 永磁無刷直流電機沒有電刷、而是利用電子 換相，故克服了任何由電刷硬氣的問題。 永磁體安裝在轉子上、電樞繞組裝在定 子上，故導熱性能好，產生

19、的熱量更容易散發出去；結構也變得簡單，并且節省了 空間，使其磁場損失也得到了減少。 它的效率與轉速永遠保持同步關系，不會發 生失步、震蕩等現象，在節約能源方面也有明顯優勢。 近些年來，隨著現代電力電子技術、控制技術和計算機技術的發展，電機的應 用技術也得到了進一步發展，新產品、新技術層出不窮。許多電動車生產廠家都應 用了一系列的電動車新技術，大大增強了自身品牌在市場上的影響，也頗受消費者 的關注。麥科集團電助動車公司研制出智能變頻電機，變頻控制器和變頻高效電機 共同組成高效動力系統，充分利用小電流大扭矩原理，在其行過程中根據路況和載 重情況及時調整輸出功率；北京新日電動車研制開發了雙動力電動車

20、，與普通電動 車相比，雙動力電動車擁有兩個動力源，可實現在兩個不同惡毒點留下的效能轉換， 即實現高效動力檔和高速動力檔的轉換；莫拉克公司開發出在騎行的同時就能給蓄 電池充電的電動車，可以提高電動自行車一次充電續駛里程。 電動自行車作為自行車史上具有革命性的交通工具，在給人們生活帶來方便的 同時，也對整個社會的經濟產生了積極的影響。物美價廉的電動自行車有著巨大的 市場需求。電動自行車在整車設計、驅動系統、電池管理，尤其是鋰電池、燃料電 池等高性能電池的研制方面不斷取得突破。驅動系統的可靠性與安全性，促進整車 效率，而且可以節約能源和降低自行車的維護成本，從而推動電動自行車的廣泛應 用。 1.31

21、.3 本設計的主要工作本設計的主要工作 論文對無刷直流電機的控制原理進行了詳細分析，依據無刷直流電機特性，針 對電動自行車的控制需求，進行了無刷直流電機控制系統的設計。技術指標如下:系 統正常工作電壓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單片機作為控制芯片，逆變器由6個MOSFET管組成。通過微 控制單元電路、逆變器驅動電路等電路模塊的設計，實現了電機的智能控制以及欠 壓保護、過流保護、堵轉保護等保護功能，可靠的對電動車電機和電池進行保護， 確保電動車使用及安全。 1.3.21.3.2 軟件部

22、分軟件部分 在軟件方面利用匯編語言，采用模塊化編程和結構化編程。實現了信號的采集及 處理，實現了電動自行車的電動、定速和助力三種工作模式并且在系統出錯情況下 具有自檢功能。利用數字PI控制理論實現電機速度的閉環調制。 具體設計下: 選用PIC16P72單片機作為主控芯片; 采用開關型霍爾傳感器作為電機轉子位置傳感器; 通過對PIC單片機編程，實現電動車電動、定速和助力三種工作模式; 通過硬件電路和軟件編程，實現系統自檢、欠壓、過流、堵轉保護功能; 通過軟硬件設計，實現電動自行車儀表盤顯示控制; 利用PI控制理論實現電機速度的閉環調制; 本設計實現了無刷直流電機的自動控制，硬件結構簡單、成本較低

23、，具有升級 空間，便于用戶二次開發。設計中，利用PIC開發環境完成軟件編寫和調試;利用邏 輯分析儀和示波器等完成硬件調試;借助于電動自行車實體，對軟硬件參數進行測試， 實現結構優化。 2.2. 無刷電機控制系統分析無刷電機控制系統分析 2.12.1 三相無刷直流電機星形連接全橋驅動原理三相無刷直流電機星形連接全橋驅動原理 無刷直流電機轉子的轉速受電機定子旋轉磁場的速度及轉子極數的影響，在轉 子極數固定情況下，改變定子旋轉磁場的頻率就可以改變轉子的轉速。無刷直流電 機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， 控制部分則按照需求轉換電源頻率。電源部分可以直接以直流

24、電輸入或者以交流電 輸入，如果是以交流電輸入就需先經轉換器(converter)轉成直流電。不論是直流電 輸入或是交流電輸入，送入電機線圈前須先將直流電壓由逆變器(inverter)轉成三 相電壓來驅動電機。逆變器一般由六個功率晶體管，分為上橋臂和下橋臂，連接電 機作為控制流經電機線圈的開關?？刂撇糠謩t提供PWM脈沖寬度調制信號決定功率晶 體管開關頻率及逆變器換相的時機。對于無刷直流電機，當負載變動時，一般希望 速度可以穩定于設定值而不會有太大的變動，所以電機內部裝有霍爾傳感器(hall- sensor)，作為速度的閉回路控制，同時也作為相序控制的依據。 電機轉動由霍爾傳感器感應到的電機轉子所

25、在位置，決定開啟或關閉逆變器中 功率晶體管的順序來控制，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)，使電流依序流經電機線圈，產生順向或逆向旋 轉 磁場，并與轉子磁鐵產生的磁場相互作用，使電機順向或逆向轉動。當電機轉子轉 動到霍爾傳感器感應出另一組信號的位置時，控制部又再開啟下一組功率晶體管， 如此循環，電機就可以實現轉動.功率晶體管的開啟方法舉例如下:AH, BL一組AH, CL一組BH, CL一組BH, AL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導通.此外，

26、因為電子零件總有開關的響 應時間，所以功率晶體管在關與開的交錯時間要將零件的響應時間考慮進去，否則 當上臂(或下臂)尚未完全關閉，下臂(或上臂)就已開啟，結果就造成上、下臂短路 而使功率晶體管燒毀。設電機轉子位置傳感器采集的位置信號為Ha, Hb, Hc，分別 對應于逆變器的A相、B相、C相，則當前位置與下一位置電子開關導通相的對應關系 如表2.1所示。 在電機轉動時，控制部分會根據系統設定的速度決定功率管的導通時間。若系 統要求加速，則增長功率管導通的時間，若要求減速，則縮短功率管導通的時間， 此部分工作由PWM脈寬調制信號控制。 圖2.1三相無刷直流電機工作原理 Inverter MOTO

27、R AH AL BH BL CH CL inverter 圖2.2 逆變器原理圖 表2.1霍爾位置信號與換相的關系 正向 當前位置(Ha,Hb,Hc) 下一位置導通相 100 AH,CL 110 BH,CL 010 BH,AL 011 CH,AL 001 CH,BL 101 AH,BL 反向 當前位置(Ha,Hb,Hc) 下一位置導通相 001 CH,AL 011 CH,BL 010 AH,BL 110 AH,CL 100 BH,CL 101 BH,AL 2.22.2 直流電動機的直流電動機的PWMPWM調速原理調速原理 直流調速系統中應用最廣泛的一種調速方法就是調節電樞電壓。改變電樞電壓 調

28、速的方法有穩定性較好、調速范圍大的優點。為了獲得可調的直流電壓，利用電 力電子器件的完全可控性，采用脈寬調制PWM)技術，直接將恒定的直流電壓調制成 可變大小和極性的直流電壓作為電動機的電樞端電壓，實現系統的平滑調速，這種 調速系統就稱為直流脈寬調速系統。它被越來越廣泛的應用在各種功率的調速系統 中。 本系統利用開關驅動方式使半導體功率器件工作在開關狀態，通過脈寬調制 (PWM)來控制電動機電樞電壓，實現調速。圖2.3是對電機進行PWM調速控制時的電樞 繞組 兩端的電壓波形。當開關管的柵極輸入高電平時，開關管導通，直流電動機電樞繞 組兩端有電壓秒后，柵極輸入變為低電平，開關管截止，電動機電樞兩

29、端電壓 為0, tz秒后，柵極輸入重新變為高電平，開關管的動作重復前面的過程。 U1 0T U0 Us t1 t2 0 圖2.3 輸入輸出電壓波形 電動機電樞繞組兩端的電壓平均值。為: UU t tt Ut U a T S 11 1 21 1 0 式中占空比a表示在一個周期T里，開關管導通的時間與周期的比值，a變化范圍 為0-1之間。所以當電源電壓Us不變時，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，從而達到調速的目的.理想空載轉速與占 空比a成正比。 電量檢測 助力信號 轉把信號 BRK 信號 MOD 轉換 面板信號 MCU 升壓電路 邏輯保護電路 電流檢

30、測 驅 動 電 路 電 機 轉子位置信息 5V36V 電源 語法語法 錯誤，錯誤， V 3.3. 無刷直流電機控制器硬件設計無刷直流電機控制器硬件設計 無刷直流電機控制器在控制方式上主要有以專用集成芯片、單片機和DSP芯片控 制三種方式。以專用集成芯片為核心的控制器，系統結構簡單，價格較便宜，但是 系統靈活性不足，保護功能有限:以DSP芯片為核心的控制器，控制精度較高，但是 算法較復雜，開發周期長，成本較高，不易在市場上推廣。本設計使用單片機作為 主控芯片可以彌補上述兩方案的不足。 3.13.1 硬件組成硬件組成 本控制器根據項目參數要求應具有如下功能: (1)具有電動、定速、助力三種工作模式

31、:在電動模式下，控制系統能夠根據電動車 轉把所給電壓，正常加電運轉;定速模式下，無需按住轉把，電動車能夠按照設定速 度運行:助力模式下，能夠根據助力傳感器測得的騎車者的用力實現助力騎行.三種 工作模式可通過模式轉換按鈕切換。 (2)當系統出錯或者位置傳感器、助力傳感器出錯時能夠進入自檢模式并顯示錯誤。 (3)能夠實現系統的欠壓保護、過流保護、堵轉保護。 (4)能夠實時顯示電動車的狀態。 根據上述功能，所設計的系統硬件框圖 。如圖3.1所示。 50V PWM 圖3.1 硬件系統框圖 3.23.2 三相全橋逆變電路和驅動電路三相全橋逆變電路和驅動電路 逆變電路和驅動電路是主控芯片與被控電機之間聯系

32、的紐帶，其傳輸性能的好 電源 壞直接影響著整個系統的運行質量。其功能是將電源的功率以一定邏輯關系分配給 無刷直流電動機定子上各相繞組。功率場效應晶體管具有開關速度快、高頻特性好、 輸入阻抗高、驅動功率小、熱穩定性優良、無二次擊穿問題、安全工作區寬和跨導 線性度高等顯著特點，因而在各類中小功率開關電路中得到了廣泛的應用。 在本控制系統中就采用了MOSFET組成的逆變器變換電路。根據第二節所述，半 橋逆變器的控制比較復雜，需要六組控制信號，電機三相繞組的工作也相對獨立， 必須對三相電流分別控制。而全橋逆變器的控制比較簡單，只需三組獨立控制信號， 且任一時刻導通的兩相電流相等，只要對其中一相電流進行

33、控制，另外一相電流也 得到了控制.因此本設計采用全橋逆變電路來控制各相位的導通，如圖2.2所示。 本設計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，參數一致性較差，價格較貴，而且其內阻比N溝道的MOSFET管大，損 耗也大。因此，當前的無刷控制器一般都采用兩個N溝道MOSFET管組成逆變器的一相。 當功率MOSFET管用作開關，被驅動飽和導通，即在它的兩極 之間壓降最低時，其柵極驅動要求可概括如下: (1) 柵極電壓一定要比漏極電壓高1015V，用作高壓側開關時其柵極電壓必定高于 干線電壓，常常可能是系統中的最高電壓. (2) 柵極電壓從邏輯

34、上看必須是可控的，它通常以地為參考點。 (3) 柵極驅動電路吸收的功率不會顯著地影響總效率。 本系統中功率MOSFET的漏極電壓為36V，本系統的最高電源電壓也為36V。為滿 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、底端驅動電路頂端、底端驅動電路 (1) 驅動電路 如圖3.2所示，由于受到匹配電壓的限制，頂端驅動電路無法直接與TTL器件匹 配， 因此在電路中通過LM339用來間接匹配電壓，匹配后的LM339輸出端(Ql開通，電流流過R19，電流方向為左正右負(從而保證Ql開通時Q2關斷)， VF1柵極電壓為50V左右，源極電壓為36V左右，VF1開通;

35、當LM339的2口輸出為高時， Ql關斷，這時VF1截止。Q2與R18, R19, C26組成有源濾波器。底端驅動，當經過邏 輯 保護的A相底端控制信號aBTM輸入為1時，經過底端驅動電路產生12V有效信號，使得 VF2導通。同時，單片機輸出的PWM信號送到NE555的RST端，對底端控制信號進行調 制。 4 5 2 312 aT OP C26 C29 C43 R15 DZ1 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

36、 +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 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 DI

37、S 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 圖3.2 MOSFET驅動逆變電路 3.2.23.2.2 電源電路電源電路 驅動電路的電源部分包含兩部分電路:一部分是將電池電源36V，通過三端穩壓 器LM7915產生相對電源電壓的-15V電壓，即36V-15V=21V ，用于倍壓電路產生高驅 動電壓;另一部分是通過三端穩壓器LM7812產生的+12V電壓，用于頂端驅動匹配和底 端驅動電路。如圖3.3所示，電源電

38、路中，根據各個部分的電流，合理的選擇分流電 阻*R14和*R45的阻值和功率，減小直接流過三端穩壓器件的電流，降低其發熱量， 提高電路穩定性。 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 104 C34 104 C35 104 R14 1.5K R45 2.4K .IC PCB .IC .IC PCB .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

39、電路振蕩倍壓和硬件保護電路 （1）硬件保護電路 為了增加控制系統的可靠性和安全性，設計了純硬件制動保護電路，如圖3.4所 示。制動電路通過控制振蕩電路的RST端的電平狀態，間接控制頂端驅動電路導通所 需電壓源.通過LM339的保護功能，當系統正常工作時，測試點1處的電壓通過上拉電 阻，電平為12V，經過22V穩壓二極管，測試點2處的電平在34V左右，振蕩電路正常 工作;當系統過流時，純硬件的保護電路U5反向輸入端的電壓將高于正向輸入端參考 電壓，U5內部的三極管導通，測試點1處電平約0.7V,測試點2處電壓為21V左右，RST 有效，振蕩電路停止振蕩，頂端驅動電路將不再輸出驅動電壓，從而實現硬

40、件制動 穩定性。R47和C36組成電流波形尖峰抑制器，可抑制電流波形的前導峰緣，增強系 統。 （2）振蕩倍壓電路 如圖3.4所示，NE555的電源接+36V電壓，地端接+21V電壓。NE555和外圍電路組 成振蕩電路，振蕩電路產生的振蕩頻率約為4-5KHz,振蕩信號從NE555的3腳輸后，通 過陶瓷電容C23和C24、二極管D3和D4構成的倍壓電路，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NE555的3腳為GND電壓(+21V)時，電源36V通過二極管 D4給電容C24充電，如果時間常數合適，C24上的電壓近似等于

41、36V-21V=15V，方向為 左負右正:當NE555的3腳為高時，電容C24左側為36V，右側為36V+15V=51V，因為二 極管D4反偏截止，產生的51V電壓就通過二極管D3給C23, C25充電，這樣經過若干周 期的反復充電，電容C25上的電壓就升到后部驅動所需要的51V恒定電壓。 .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

42、?A LM339 C25 104 DZ 20V TRIG 2 OUT 3 RST 4 CVolt 5 THR 6 DIS 7 VCC 8 GND 1 U5 NE555 OUT R13 1.5K +12 +36 +36 +12 +36 D4 1N4148 D3 1N4148 +51 kBUk TP1 圖 3.4 振蕩倍壓電路和純硬件保護電路 3.33.3 速度控制電路速度控制電路 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 3.43.4 其他其他 3.4.13.4.1 蓄電

43、池檢測方案蓄電池檢測方案 電動自行車在使用過程中實時監測蓄電池的容量情況將給用戶帶來很大的方便， 它能提供蓄電池的電能大約能夠使車輛行駛多少里程，蓄電池是否需要充電等信息。 蓄電池的總容量通常以充足電后，放電至其端電壓達到規定值時所釋放出的總電量 來表示。當蓄電池以恒定電流放電時，它的容量等于放電電流和放電時間的乘積: tI dd Q 式中Q的單位為(A-h)。如果放電電流不是一個恒定的常數，蓄電池的容量為不 同的放電電流與相應時間的乘積之和: tItItI dNdNdddd Q. 2211 由于蓄電池的容量受到很多因素的影響，長時間的使用，反復的充放電，一些 蓄電池的容量將逐漸減小，因此要準

44、確測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系，通過測量蓄電池的端電壓來監測 蓄電池的容量.利用單片機的A/D轉換口，將電池兩端的電壓這一模擬量轉化為數字 量， 從而顯示電池相應的電量，以及判斷電池是否欠壓。 3.4.23.4.2 助力信號檢測方案助力信號檢測方案 本設計中用到的助力傳感器為V7系列電動車用助力傳感器。V7助力傳感器由開 關 型霍爾元件和后部處理電路組成，供電電源5V。當霍爾原件感應面有磁場時，傳感 器 輸出為低，無磁場時輸出為高，后部處理電路根據接收到的信號進行處理，向單片 機發出符合以下規律的信號: (1) 頻率與轉速成正比； (2) 電機正轉時，一周

45、期內的高電平時間:低電平時間=2:1 ； 電機反轉時，一周期內的高電平時間:低電平時間=1:2 。 為了使得采集的數據更精確，電動車助力輪上裝有5個感應鐵塊，所以助力輪轉 一圈，助力傳感器會按照上述規律送出5組信號.利用PIC單片機的普通I/O口和定時 器 TO加以配合，檢測高低電平的時間，從而確定相應的轉速，給出對應的助力。 4.4. 系統軟件設計系統軟件設計 4.14.1 概述概述 在軟件方面，本設計利用匯編語言，采用模塊化編程和結構化編程。 模塊化編程:完全實現本設計所有的技術指標需要大量而有效的程序來實現，煩 瑣的程序需要采用模塊化編程的方法，即將一個大的程序分成若干小的模塊，各個 模

46、塊保持相對的獨立性，模塊之間只靠少量的出入口參數相聯系。這樣各個程序模 塊分別設計，從而使程序的調試、修改和維護都變得比較容易。 結構化編程:各個子程序之間使用結構良好的轉移和調用，這樣各個模塊可有效 地組合成一個整體，使流程明確地從一個程序模塊轉移到下一個程序模塊.在這個過 程中，要注意嚴格控制使用任意轉移語句。 根據課題要求，無刷智能控制器智能部分功能如下: (1) 電動模式: 打開電鎖，如果各電器部件正常工作，電動車進入電動狀態，此時前儀表板電 動指示燈點亮，轉動電動車轉把，電動車正常加電運轉;如轉把、剎把、助力傳感器 信號出錯，則電動車進入自檢狀態，待前面所說電器部件信號恢復正常，過2

47、-3秒電 動車退出自檢模式，進入正常電動狀態。 (2) 助力模式: 打開電鎖，在電動車進入電動模式下，按動模式轉換按鈕，電動模式轉換到助 力模式，此時前儀表板電動指示燈滅，助力指示燈亮，騎行實現一加一助力:再次按 動模式轉換按鈕或剎車，則電動車退出助力模式回到電動模式，助力模式下剎車， 電機斷電，但不退出助力模式。 (3) 定速模式: 打開電鎖，在電動車進入電動模式下，按住模式轉換按鈕保持2-3秒鐘不動，電 動車由電動模式轉換到定速模式，此時前儀表板電動指示燈滅，定速模式指示燈點 亮，電動車將保持現有的固定速度運行，再次按動模式按鈕或剎車，則電動車退出 定速模式回到電動模式。當車速低于2km/

48、h時，定速功能無效，其目的是避免用戶在 推車時誤觸發模式轉換按鍵。 (4) 自檢功能: 當轉把不在零位、剎把處于剎車狀態下，或轉把、剎把工作正常，但助力傳感 器信號出錯時，打開電鎖，此時電動車進入自檢模式，轉把擰得角度越大，欠壓燈 閃的頻率無刷育流電機控制系統設計越快;定速燈指示助力傳感器;捏剎把時電動燈 亮;三個電量指示燈分別指示無刷電機的三個霍爾信號。如各電器部件信號恢復正常， 過2-3秒電動車退出自檢模式回到電動模式，或重新打開電鎖，電動車進入正常電動 狀態。 4.24.2 主程序主程序 程序主流程圖如圖4.1所示，主程序上電復位后完成系統初始化:PWM,ADC端口、 定時器等單元的初值

49、設置;中斷設置;變量、標志寄存器的初始化。為了防止在初始 化 的過程中，中斷的意外到來，應在主程序的開始處先關閉全局中斷。初始化完成后， 進入自檢程序，若各電器信號正常，則2秒后退出自檢模式。重新對相關寄存器，定 時器賦初值，打開INT外部中斷，即允許模式轉換按鈕中斷。判斷電機啟動是否成功,如 果成功進入正常工作模式函數，若有非法狀態，停電機，程序跳入自檢模式進行自 檢。 電機正常工作模式流程如圖4.2所示。系統進入到正常工作模式的主循環時，首 先判斷系統處于何種工作模式，然后檢查系統是否處于非法態，如果出現欠壓、過 流、堵轉等錯誤，則停機，程序跳入到自檢狀態;否則，判斷是否有剎車信號，如沒

50、有，進入判斷模式及模式功能處理函數:如果有，則停機，等待剎車結束信號。剎車 結束后，如果工作模式為定速模式，則退出定速模式，進入電動模式。 在電動模式下，單片機采集轉把電壓信息，控制輸出的PWM信號的占空比;定速 模式下，轉把信號無效，程序根據模式轉換前輸出的PWM占空比恒定輸出;助力模式 下，根據定時器TO采集助力傳感器的高低電平時間，控制PWM信號的占空比。在這個 過程中，始終允許KMOD按鍵中斷，因此可以通過按下KMOD鍵切換電動、定速和助力 三種模式。 助力 N N NN 自檢 自檢 上電復位 初始化相關寄存器，MODE-REG 置為電動模式 自檢模式，顯示相應信號的狀態，若各電器信

51、號正常，則 2 秒后退出自檢模式 測量電壓及電流，并指示 是否欠壓，過流 判斷當前工作模式 SP 有效？ 剎車有效 啟動電機 打開 KMOD 中斷 啟動成功？ 正常工作模式 WORK-MODE-FLAG 有錯 關閉電機 關閉 KMOD 剎車有效 助力傳感器有效 剎車有效 自檢 Y N N Y Y Y Y Y Y N N Y 圖4.1 系統工作流程圖 FUN-WORK-MODE 開始 判斷 MODE- REG 對轉把電壓進行采樣 相位有變化? 是否換相超時? SP 是否有效? FUN-CAL-TOVER CMP-SENSOR 相位有錯? 對欠壓端進行采樣 是否欠壓 改變指示燈狀態 對過流端進行采

52、樣 是否過流? 將 WORK-MODE-FLAG 置為錯誤 將 WORK-MODE-FLAG 置為正確 返回 電機停轉 助力信號有效? ERROR: 助力 ERROR Y Y Y Y Y Y N N N N N N 定速 電動 圖 4.2 正常工作模式流程圖 4.34.3 中斷中斷 4.3.14.3.1 單片機中斷資源單片機中斷資源 本設計中應用到的PIC單片機的中斷源有:外部觸發中斷INT，定時器TMRO溢出中 斷，定時器TMR1溢出中斷，定時器TAM溢出中斷，A/D轉換中斷，CCP中斷。其中外部 觸發中斷INT, TMRO溢出中斷為第一級中斷，TMR1溢出中斷，TMR2溢出中斷，A/D轉

53、換中斷，CCP中斷為第二級中斷。所有中斷源都受全局中斷屏蔽位(也可以稱為總屏 蔽位)C正的控制;第一級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 受到一個外設中斷屏蔽位PEIE的控制PIC單片機只有一個中斷向量，沒有中斷優先級 別之分，也沒有類似51系列、AVR系列單片機的PUSH和POP指令.當總中斷允許位GIE 有效時，任何一個中斷標志位有效都會將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) 保存臨時寄存器W、狀態寄存器STATUS、指針寄存器PCLATH的值; (2) 逐個

54、判斷可能產生中斷的中斷標志位和中斷允許位，只有二者同時有效時才執 行相應的中斷服務程序; (3) 中斷返回時恢復這三個寄存器的值。 4.3.24.3.2 定時器資源分配定時器資源分配 定時器/計數器的作用:檢測外部電路送來的一系列方波信號的脈寬、周期或者 頻 率:對外部事件產生的觸發信號進行準確地計數計時。PIC16F72配置了3個定時器/計 數器模塊:TMRO、TMR1、TMR2。 (1) TMRO:8位寬，有一個可選的預分頻器，用于通用目的。 (2) TMR1:16位寬，有一個可編程的預分頻器和一個可選的低頻時基振蕩器.適合與 CCP 捕捉/比較/脈寬調制)模塊配合使用來實現輸入捕捉或輸出

55、比較功能。 (3) TMR2:8位寬，有一個可編程的預分頻器和一個可編程的后分頻器，還附帶一個 周期寄存器和比較器，適合與CCP模塊配合使用來實現PWM脈沖寬度調制信號的產生。 這時，應通過將中斷使能位TMR2清0，把TMR2的中斷功能屏蔽掉，同時也把后分頻器 的作用屏蔽掉;通過向周期寄存器PR2中寫入不同的值，以及給預分頻器設定不同的 分頻比，來靈活調整TMR2輸出端的信號周期. 根據三個定時器的特點，在程序中將資源分配如下: (1) TMR0:計算助力傳感器送出的高低電平持續時間;用做欠壓保護5秒鐘的定 時器;計算電機換相時間。 (2) TMR1:做為跳出自檢模式2秒鐘時間的定時器;通過改

56、變定時時間，控制PWM 占空比輸出;用于模式轉換按鍵的時間判斷;用于堵轉保護的時間判斷。 (3) TMR2:控制自檢模式下LED SPEED閃爍的頻率;用做周期可調的時基發生 器，為PWM提供周期可調的時基信號。 4.3.34.3.3 MODMOD鍵鍵(INT(INT中斷中斷) )處理模塊處理模塊 模式轉換由外部中斷1NT完成，電機正常運轉時始終允許MOD鍵中斷。自檢完成 后，若工作條件正常，啟動電機，進入電動模式，此時按下MOD鍵，按鍵標志位KMOD FLAG置1，在T1中斷服務子程序中判斷，若按下MOD鍵小于2秒，則進入助力模式:若 按下MOD鍵2-3秒進入定速模式。在助力或定速模式下按下

57、MOD鍵，返回電動模式。 4.44.4 ADAD轉換轉換 本系統涉及到A/D轉換的參量有電池電壓值、轉把給定值、過流電阻的采樣電壓 值。每次A/D轉換結束后，單片機都將把采樣后經過轉換的數據放入相應的存儲單元， 供其他子程序調用，AD轉換子程序，如圖4.3所示。 PIC16F72單片機內部的AD模塊是8位的，具有5個模擬通道。通過定義AD控制寄 存器1的A/D轉換引腳功能選擇位可以分配模擬和數字通道。 AD模塊的操作過程要求占用較多的時間，其占用的時間主要包含兩個部分;采樣 /保持電容的充電時間和A/D轉換電路的轉換時間。每一位數據的轉換時間被定義為 TAD。為了保證A/D轉換電路正確地進行轉

58、換，所選A/D轉換時鐘源必須滿足最小TAD 時間要求，即 TAD 不得小于 1.6us 。 對于模擬輸入電壓:當模擬輸入電壓高于單片機電源正電壓VDD或者低于單片機 電源負電壓Vss有0.2V以上時，將會使得A/D轉換精度有所下降。為了消除輸入模擬 量上的噪聲所帶來的偏差，需要在A/D轉換器的模擬輸入通道中加入阻容RC濾波電路。 圖4.3 模數轉換子程序流程圖 在A/D轉換的過程中，可能出現隨機千擾、誤檢或者傳感器不穩定而引起的失真， 所以需要采取一定的算法以得到較為精確和穩定的轉換結果。 采用的算法如下:每輪進行8次采樣，第一次采樣值存入一備份寄存器XX_TMP, 接下來每次采樣得到的值存入

59、ADC_RES，采樣結果應該滿足下述算法: ADC_RES內的值應大于0X03，否則認為無效； ADC_RES應小于251(即255-4)，否則認為無效； XX_TMP應大于(ADC_RES-3) ，否則認為無效； XX_TMP應小于(ADC_RES+4)，否則認為無效。 程序認為無效后就退出此輪采樣，不保留采樣值。 表4.1和4.2分別是電源電壓轉換數值表和轉把電壓轉換數值表。在設計轉把電 壓與PWM占空比的對應函數時，參照了Motorola公司生產的MC33035電機專用控制芯 片的輸出曲線:設定轉把電壓SP的有效范圍為1.1V-3.3V;當SP對應的數字量在 56,132范圍時，若SP+

60、1，則DUTY(占空比)+1;當SP對應的數字量在132, 169范圍 時，若SP+1，則DUTY(占空比)+2。 表4.1電源電壓轉換數值表 電源電壓 數字量 電池電量1級變 36.0V 196 電池電量2級 34.5V 188 電池電量3級 32.4V 177 電池電量4級 31.0V 169 入口,通道號 初始化 ADC 延時等待 讀取轉換結果 返回,讀通道結果 表4.2轉把電壓(SP)轉換數值表 轉把電壓 0V 1.1V 2.6V 3.3V 5V 數字量 0 56 132 169 255 4.54.5 PWM(PWM(脈沖寬度調制脈沖寬度調制) ) PIC16F72系列單片機配有輸入捕