無刷直流電機控制器設(shè)計

1、-. z.無刷直流電機控制器的設(shè)計3.1 無刷直流電機控制器的概述無刷直流電動機兼有直流電動機調(diào)整和起動性能好以及異步電動機構(gòu)造簡單無需維護的優(yōu)點，因而在高可靠性的電機調(diào)速領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用。在電機轉(zhuǎn)速控制方面，絕大多數(shù)場合數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)已取代模擬調(diào)速系統(tǒng)。目前，數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)主要采用兩種控制方案:一種采用專用集成電路。這種方案可以降低設(shè)備投資，提高裝置的可靠性，但不夠靈活。另一種是以微處理器為控制核心構(gòu)成硬件系統(tǒng)。這種方案可以編程控制，應(yīng)用圍廣，且靈活方便。 電機控制器是無刷直流電動機正常運行并實現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能：對各種信號進展邏輯綜合，以給驅(qū)動電路提供各種控制

2、信號；產(chǎn)生PWM調(diào)制信號，實現(xiàn)電機的調(diào)速；對電機進展速度環(huán)和電流環(huán)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較好的動態(tài)和靜態(tài)性能；實現(xiàn)短路、過流、欠壓、堵轉(zhuǎn)等故障保護功能。 現(xiàn)代控制技術(shù)的開展與微處理器的開展息息相關(guān)，可以說，每一次微處理器的進步都推動了控制技術(shù)的一次飛躍。在微處理器出現(xiàn)之前，控制器只能由模擬系統(tǒng)構(gòu)成。由模擬器件構(gòu)成的控制器只能實現(xiàn)簡單的控制，功能單一、升級換代困難，而且由分立器件構(gòu)成的系統(tǒng)控制精度不高，溫度漂移，器件老化嚴(yán)重，使得維護本錢增高，限制了它的開展和應(yīng)用圍。隨著微處理器的迅速開展和推廣，控制器由模擬式轉(zhuǎn)換成了數(shù)?；旌鲜剑⑦M一步開展到全數(shù)字式，技術(shù)的進步使得許多模擬器件難以實現(xiàn)的功能都可以方

3、便地用軟件實現(xiàn)，使系統(tǒng)的可靠性和智能化水平大大提高。在電機轉(zhuǎn)速控制方面，絕大多數(shù)場合數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)已取代模擬調(diào)速系統(tǒng)。目前，數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)主要采用兩種控制方案：一種采用專用集成電路。這種方案可以降低設(shè)備投資，提高裝置的可靠性，但不夠靈活。另一種是以微處理器為控制核心構(gòu)成硬件系統(tǒng)。這種方案可以編程控制，應(yīng)用圍廣，且靈活方便910。 控制器是電動自行車的驅(qū)動系統(tǒng)，它是電動自行車的大腦。其主要作用是在保證電動自行車正常工作的前提下，提高電機和蓄電池的效率、節(jié)省能源、保護電機及蓄電池，以及降低電動自行車在受到破壞時的損傷程度。目前，市場上常用的電動自行車無刷直流電機控制器主要采用專用集成電路為主控芯片，像

4、MOTOLORA公司研制的專用集成電路MC33035， 其工作原理是用電子裝置代替電刷控制電機線圈電流換向，根據(jù)電機的位置傳感器(霍爾傳感器)信號，決定換相的順序和時間，從而決定電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。該控制系統(tǒng)的缺點是智能性差，保護措施有限，系統(tǒng)升級空間小。 近幾年，國外一些大公司紛紛推出較MCU性能更加優(yōu)越的DSP(數(shù)字信號處理器)芯片電機控制器，如ADI公司的ADMC3*系列，TI公司的TMS320C2*系列及Motorola公司的DSP56F8*系列，都是由一個以DSP為根底的核，配以電機控制所需的外圍功能電路，集成在單一芯片，使體積縮小，構(gòu)造緊湊，使用便捷，可靠性提高。但是這些專用芯片價格

5、昂貴，外圍電路設(shè)計復(fù)雜，在廣闊的民用市場無法大規(guī)模推廣應(yīng)用。采用單片機為主控芯片，如MSSl系列、AVR*系列、PIC*系列等等，這類芯片響應(yīng)速度快、功耗低、體積小、價格低廉且組成系統(tǒng)時所需的外圍器件少等特點3。它們將是未來電動自行車無刷電機控制器主控芯片的開展方向，擁有廣闊的市場前景。PIC系列單片機是采用精簡指令集RISC技術(shù)、哈佛雙總線和兩級指令流水線構(gòu)造的高性能價格比的8位嵌入式控制器(Embedded Controller)。本文研究的電動自行車車用的無刷直流電機控制器系統(tǒng)是以選取Microchip公司的一款具有極高性能價格比的PIC系列單片機PICl6F72做為主控芯片，用編程的方

6、法來模擬無刷電機的控制邏輯，其特點是使用靈活，通過修改程序可適應(yīng)不同規(guī)格的無刷電機，增加系統(tǒng)功能方便，通常將此類控制器稱為數(shù)字式控制器；并且采用速度、電流雙閉環(huán)控制策略，增強系統(tǒng)抗干擾能力，提高電機的運行效率，同時參加一些保護功能，如欠壓保護、過電流保護、堵轉(zhuǎn)保護等等，使系統(tǒng)設(shè)計更合理化、人性化。系統(tǒng)采用軟件編程的方法來模擬無刷電機的控制邏輯，其特點是使用靈活，通過修改程序可適應(yīng)不同規(guī)格的無刷電機，增加系統(tǒng)功能方便。 第三章 無刷直流電機控制器硬件設(shè)計3.1 單片機的選擇目前，市場上有很多的無刷電機專用控制芯片，但大局部電動自行車生產(chǎn)廠商都采用Motorola公司的MC33035無刷電機專用控

7、制芯片，它具有無刷直流電機控制系統(tǒng)所需要的根本功能。本論文設(shè)計的無刷直流電機控制器采用PIC16F72單片機作為控制器的主控芯片，不僅可以實現(xiàn)專用控制芯片MC33035的全部功能，而且也容易實現(xiàn)系統(tǒng)的擴展，通過硬件設(shè)計與軟件設(shè)計，實現(xiàn)多功能的電機控制。單片機選擇的原則有：*性能性能因素：根據(jù)設(shè)計任務(wù)的復(fù)雜程度，分析采用8位的單片機可以滿足系統(tǒng)的控制精度的要求。但由于整個控制系統(tǒng)有多種模擬量需要轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，因此所選的單片機應(yīng)該具有多通道A/D轉(zhuǎn)換模塊。在無刷直流電機的控制中，脈寬調(diào)制PWM ( PulseWidth Modulation)技術(shù)被廣泛應(yīng)用，因此所選的單片機應(yīng)該具有脈寬調(diào)制PWM模

8、塊。PWM模塊可用來產(chǎn)生不同頻率和占空比的脈沖信號?？煞奖銓崿F(xiàn)DA輸出功能和實現(xiàn)直流電機的調(diào)速等功能。*平安因素：電子產(chǎn)品的平安性是一個非常重要的環(huán)節(jié)，作為控制系統(tǒng)的核心局部，單片機的平安性必須到達控制系統(tǒng)的要求。*產(chǎn)品價格因素：這也是一個很重要的因素，在其它條件相當(dāng)?shù)那闆r下，當(dāng)然選擇價格低的產(chǎn)品，這樣可以提高性價比。所以，根據(jù)上述原則對單片機進展選擇，選擇出最能適用于你的應(yīng)用系統(tǒng)的單片機，從而保證應(yīng)用系統(tǒng)有最高的可靠性、最優(yōu)的性價比、最長的使用壽命和最好的升級換代性，還有市場的推廣性。*運行速度：單片機的運行速度首先看時鐘頻率，指令集，幾個時鐘為一個機器周期在選用單片機時要根據(jù)需要選擇速度，

9、不要片面追求高速度，單片機的穩(wěn)定性、抗干擾性等參數(shù)根本上是跟速度成反比的，另外速度快功耗也大。*IO口：IO 口的數(shù)量和功能是選用單片機時首先要考慮的問題之一，根據(jù)實際需要確定數(shù)量，IO多余不僅芯片的體積增大，也增加了本錢。*定時計數(shù)器：多數(shù)單片機提供23個定時計數(shù)器，有些定時計數(shù)器還具有輸入捕獲、輸出比擬和PWM(脈沖寬度調(diào)制)功能，利用這些模塊不僅可以簡化軟件設(shè)計，而且能少占用 CPU 的資源。*串行接口：單片機常見的串行接口有：標(biāo)準(zhǔn)UART接口、增強型UART接口、I2C總線接口、CAN總線接口、SPI接口、USB接口等。大局部單片機都提供了UART接口，也有局部單片機沒有串行接口。*工

10、作電壓、功耗：單片機的工作電壓最低可以到達1.8V，最高為6V，常見的是3V和5V單片機的功耗參數(shù)主要是指正常模式、空閑模式、掉電模式下的工作電流，用電池供電的系統(tǒng)要選用電流小的產(chǎn)品，同時要考慮是否要用到單片機的掉電模式，如果要用的話必須選擇有相應(yīng)功能的單片機。*其他方面：在單片機的性能上還有很多要考慮的因素，比方中斷源的數(shù)量和優(yōu)先級、工作溫度圍、有沒有低電壓檢測功能、單片機部有無時鐘振蕩器、有無上電復(fù)位功能等等。3.3.1 PIC單片機特點：1.PIC單片機Peripheral Interface Controller是一種用來開發(fā)和控制外圍設(shè)備的集成電路。一種具有分散作用多任務(wù)功能的CPU

11、。是美國Microchip公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。PIC單片機以其獨特的硬件系統(tǒng)和指令系統(tǒng)的設(shè)計，逐漸被廣闊工程設(shè)計人員承受。PIC系列單片機具有高，中，低3個檔次，可以滿足不同用戶開發(fā)的需求，適合在各個領(lǐng)域中的應(yīng)用。PIC系列單片機具有如下特點:單片機是MICROCHIP公司的產(chǎn)品，其突出的特點是體積小，功耗低，精簡指令集 ，抗干擾性好，可靠性高，有較強的模擬接口，代碼性好。在一些小型的應(yīng)用中，比傳統(tǒng)的51單片機更加靈活，外圍電路更少，因而得到了廣泛的應(yīng)用。指令少，PIC中低檔系列單片機共有35條指令，非常有利于易記憶和掌握,指令為單字節(jié)，占用程序存儲器的空間小，而且中檔系列單片機每一條指令為14位

12、，前6位存操作指令，后8位存操作數(shù). 大局部芯片有其兼容的FLASH程序存儲器的芯片，支持低電壓擦寫,擦寫速度快，允許屢次擦寫，程序修改方便。(1)單片機種類豐富PIC單片機目前有8位系列、16位系列和32位系列。它的最大特點是重視產(chǎn)品的性能和價格比，靠開展多種系列產(chǎn)品來滿足不同層次的應(yīng)用要求，而不是搞單純的功能堆積。(2)哈佛總線構(gòu)造如圖3-4所示，PIC系列單片機在普林斯頓體系構(gòu)造和哈佛體系構(gòu)造的根底上采用的哈佛總線構(gòu)造，將程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開，使得讀程序和對數(shù)據(jù)的存取可以同時進展，為采用不同的字節(jié)寬度，有效擴展指令的字長奠定了技術(shù)根底。，每個存儲器獨立編址、獨立訪問。與兩個存儲器相

13、對應(yīng)的是系統(tǒng)的4條總線：程序的數(shù)據(jù)總線與地址總線，數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)總線與地址總線。這種別離的程序總線和數(shù)據(jù)總線可允許在一個機器周期同時獲得指令字和操作數(shù)，從而提高了執(zhí)行速度，提高了數(shù)據(jù)的吞吐率。又由于程序和數(shù)據(jù)存儲在兩個分開的物理空間中，因此取址和執(zhí)行能完全重疊。中央處理器首先到程序指令存儲器中讀取程序指令容，解碼后得到數(shù)據(jù)地址，再到相應(yīng)的數(shù)據(jù)存儲器中讀取數(shù)據(jù)，并進展下一步的操作。程序指令存儲和數(shù)據(jù)存儲分開，可以使指令和數(shù)據(jù)有不同的數(shù)據(jù)寬度。并且程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器采用的是不同的總線，從而提供了較大的存儲器帶寬，使數(shù)據(jù)的移動和交換更加方便，尤其提供了較高的數(shù)字信號處理性能。圖3-4 PIC系列單片

14、機哈佛總線構(gòu)造(3) RISC技術(shù)RISC (Reduced Instruction Set puter)是指精簡指令集計算機。主要特點有：性能特點：= 1 * GB3由于指令集簡化后，流水線以及常用指令均可用硬件執(zhí)行； = 2 * GB3采用大量的存放器，使大局部指令操作都在存放器之間進展，提高了處理速度； = 3 * GB3采用緩存主機外存三級存儲構(gòu)造，使取數(shù)與存數(shù)指令分開執(zhí)行，使處理器可以完成盡可能多的工作，且不因從存儲器存取信息而放慢處理速度。 應(yīng)用特點：由于RISC處理器指令簡單、采用硬布線控制邏輯、處理能力強、速度快；運行特點： RISC芯片的工作頻率一般在400MHZ數(shù)量級。時鐘

15、頻率低，功率消耗少，溫升也少，機器不易發(fā)生故障和老化，提高了系統(tǒng)的可靠性。RISC技術(shù)的作用是減少指令，改善計算機的構(gòu)造，提高計算機的運算速度。PIC16F72單片機指令集系統(tǒng)有35條指令，均采用單字節(jié)指令，而且除4條判斷轉(zhuǎn)移指令發(fā)生間跳外，其余的都是單周期指令，執(zhí)行的速度較高。 (4)指令特色 PIC系列單片機的指令系統(tǒng)具有代碼壓縮率高和尋址方式簡單等優(yōu)點。(5)功耗低 由于PIC系列單片機采用的是CMOS構(gòu)造，所以它的功率消耗很低。(6)驅(qū)動能力強 PIC單片機的I/O端口驅(qū)動負載的能力較強，每個輸出引腳可以驅(qū)動20-25mA的負載；它既能夠在高電平下直接驅(qū)動發(fā)光二極管LED、光電耦合器、

16、小型繼電器等，也能在低電平下直接驅(qū)動，這樣可以大大簡化控制電路。 (7)應(yīng)用平臺界面友好，開發(fā)方便它的應(yīng)用平臺界面友好，開發(fā)方便，這不管是對初學(xué)者還是后續(xù)的應(yīng)用開發(fā)，都提供了完善的硬件和軟件支持，包括各檔次的硬件仿真器和編程器。(8)程序存儲器版本齊全Microchip公司生產(chǎn)的產(chǎn)品是一個單片機系列，可供用戶選擇的存儲器類別較多，為產(chǎn)品的不同應(yīng)用場合提供了一個全方位的選擇容和不同的性能檔次。3.1.2 PIC16F72單片機的主要性能PICl6F72單片機是目前電瓶車控制器的主流控制芯片。對PIC16F72單片機的外部資源：它的頻率有20MHz，其中有2K字14位寬的程序存儲空間，伴隨著128

17、字節(jié)8位寬的數(shù)據(jù)存儲空間；另外有28個引腳，去掉電源、復(fù)位、振蕩器等，共有22個可復(fù)用的IO端口，其中第13腳是CCP1輸出口，可輸出最大分辨率達10BIT的可調(diào)PWM信號，當(dāng)中有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，并隨帶著一個PWM輸出(CCP)模塊；8位5通道的AD模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入口，可提供檢測外部電路的電壓，一個外部中斷輸入腳，可處理突發(fā)事件。3.1.3 PIC16F72單片機的引腳排列 圖 3-1 PIC16F72引腳圖各引腳應(yīng)用如下： 1：MCLR復(fù)位/燒寫高壓輸入兩用口 2：模擬量輸入口：放大后

18、的電流信號輸入口，單片機將此信號進展A-D轉(zhuǎn)換后經(jīng)過運算來控制PWM的輸出，使電流不致過大而燒毀功率管。正常運轉(zhuǎn)時電壓應(yīng)在0-1.5V左右 3：模擬量輸入口：電源電壓經(jīng)分壓后的輸入口，單片機將此信號進展A-D轉(zhuǎn)換后判斷電池電壓是否過低，如果低則切斷輸出以保護電池，防止電池因過放電而損壞。正常時電壓應(yīng)在3V以上 4：模擬量輸入口：線性霍爾組成的手柄調(diào)速電壓輸入口，單片機根據(jù)此電壓上下來控制輸出給電機的總功率，從而到達調(diào)整速度的目的。 5：模擬/數(shù)字量輸入口：剎車信號電壓輸入口?？梢允褂肁D轉(zhuǎn)換器判斷，或根據(jù)電平上下判斷，平時該腳為高電平，當(dāng)有剎車信號輸入時，該腳變成低電平，單片機收到該信號后切斷

19、給電機的供電，以減少不必要的損耗。6：數(shù)字量輸入口：1+1助力脈沖信號輸入口，當(dāng)騎行者踏動踏板使車前行時，該口會收到齒輪傳感器發(fā)出的脈沖信號，該信號被單片機接收到后會給電機輸出一定功率以幫助騎行者更輕松地往前走。 7：模擬/數(shù)字量輸入口：由于電機的位置傳感器排列方法不同，該口的電平上下決定適合于哪種電機，目前市場上常見的有所謂120和60排列的電機。有的控制器還可以根據(jù)該口的電壓上下來控制起動時電流的大小，以適合不同的力度需求。8：單片機電源地。 9：單片機外接振蕩器輸入腳。 10：單片機外接振蕩器反應(yīng)輸出腳。11：數(shù)字輸入口：功能開關(guān)1 12：數(shù)字輸入口：功能開關(guān)2 13：數(shù)字輸出口：PWM

20、調(diào)制信號輸出腳，速度或電流由其輸出的脈沖占空比寬度控制。 14：數(shù)字輸入口：功能開關(guān)3 15、16、17：數(shù)字輸入口：電機轉(zhuǎn)子位置傳感器信號輸入口，單片機根據(jù)其信號變化決定讓電機的相應(yīng)繞組通電，從而使電機始終向需要的方向轉(zhuǎn)動。這個信號上面講過有120和60之分，這個角度實際上是這三個信號的電相位之差，120就是和三相電一樣，每個相位和前面的相位角相差120。60就是相差60。 18：數(shù)字輸出口：該口控制一個LED指示燈，大局部廠商都將該指示燈用作故障情況顯示，當(dāng)控制器有重大故障時該指示燈閃爍不同的次數(shù)表示不同的故障類型以方便生產(chǎn)、維修。 19：單片機電源地。 20：單片機電源正。+5V電壓輸入

21、，上限是5.5V。21：數(shù)字輸入口：外部中斷輸入，當(dāng)電流由于意外原因突然增大而不在控制圍時，該口有低電平脈沖輸入。單片機收到此信號時產(chǎn)生中斷，關(guān)閉電機的輸出，從而保護重要器件不致?lián)p壞或故障不再擴大。 22：數(shù)字輸出口：同步續(xù)流控制端，當(dāng)電流比擬大時，該口輸出低電平，控制其后邏輯電路，使同步續(xù)流功能開啟。該功能在后面詳細講解。 23-28：數(shù)字輸出口：是功率管的邏輯開關(guān)，單片機根據(jù)電機轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號，由這里輸出三相交流信號控制功率MOSFET開關(guān)的導(dǎo)通和關(guān)閉，使電機正常運轉(zhuǎn)。3.1.4 PIC16F72單片機的功能特性功能部件的特性 帶有8位5通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器；高驅(qū)動電流，每個IO引腳灌電流

22、和拉電流最大均可達25mA；可直接驅(qū)動數(shù)碼管(LED)、光耦合器等器件工作；可雙向獨立編程設(shè)置I/O引腳；8位定時器/計數(shù)器TMRO，帶8位預(yù)分頻器；有1路捕捉輸入/比擬輸出/PWM輸出(CCP)；16位定時器/計數(shù)器TMR1，休眠中仍可計數(shù)；8位定時器/計數(shù)器 TMR2,帶有8位的周期存放器及預(yù)分頻器和后分頻器；帶有SPITM(主/從模式)和I2CTM(從模式)同步串口；帶軟件控制選擇的欠壓檢測(BOD)；欠壓檢測電路用于欠壓復(fù)位(BOR)。 微控制器的特殊功能：使用高性能的RISC CPU；可進展1000次擦寫操作的閃存程序存儲器(標(biāo)準(zhǔn)值)；上電復(fù)位(POR)，上電延時定時器(PWRT)和

23、振蕩器起振定時器(OST)，采用自身片上RC振蕩器可靠工作的看門狗定時器(WDT)；斷電復(fù)位鎖定，即當(dāng)芯片電源電壓下降到*一值以后時，使芯片保持復(fù)位， 當(dāng)電源電壓恢復(fù)正常后恢復(fù)運行；可編程代碼保護；省電的休眠模式，可選振蕩器選項；通過2個引腳進展在線串行編程(ICSPTM)；處理器讀取程序存儲器【1】3.1.5 PIC16F72單片機對PWM信號的處理 直流電動機調(diào)速的方法可分為勵磁控制法和電樞電壓控制法。在眾多的電樞電壓控制方法中，脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)因為需用的大功率可控器件少、線路簡單、調(diào)速圍寬、電流波形系數(shù)好、附加損耗小、功率因數(shù)高的優(yōu)點，從而得到廣泛應(yīng)用。 CCP(捕捉輸入比擬輸出P

24、WM輸出)模塊是PICl6F72芯片的重要組成局部，它有3種工作方式：捕捉方式、輸出比擬方式和脈寬調(diào)制方式。當(dāng)處于脈寬調(diào)制工作方式時，可以在引腳輸出分辨率高達10位的PWM信號。用程序語言控制PWM信號的周期和高電平持續(xù)時間，從而控制電機的電樞電壓，以到達調(diào)速的目的【31】。3.2逆變開關(guān)管驅(qū)動電路設(shè)計逆變開關(guān)元件MOSFETMOSFET在1960年由貝爾實驗室的D. Kahng和 Martin Atalla實驗成功，這種元件的操作原理和雙載子晶體管Bipolar Junction Transistor, BJT截然不同，且因為制造本錢低廉與使用面積較小、高整合度的優(yōu)勢，在大型積體電路Larg

25、e-Scale Integrated Circuits, LSI或是超大型積體電路Very Large-Scale Integrated Circuits, VLSI的領(lǐng)域里，重要性遠超過BJT。 近年來由于MOSFET元件的性能逐漸提升，除了傳統(tǒng)上應(yīng)用于諸如微處理器、微控制器等數(shù)位訊號處理的場合上，也有越來越多類比訊號處理的積體電路可以用MOSFET來實現(xiàn)。開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動功率小且驅(qū)動電路簡單，工作頻率高，不存在二次擊穿問題3.2.2驅(qū)動芯片IR2103簡介1IR2103的特點：采用雙列8腳封裝，高端工作電壓為600V，低端工作電壓為1020V，功率為1W。IR2

26、103是一款半橋驅(qū)動集成芯片，該芯片部集成了互相獨立的控制驅(qū)動輸出電路，可直接驅(qū)動兩個中功率半導(dǎo)體器件，如MOSFE或IGBT，動態(tài)響應(yīng)快，驅(qū)動能力強，工作頻率高，且具有多種保護功能。IR2103配備有大脈沖電流緩沖級，可將穿插傳導(dǎo)減至最低；同時采用具有下拉功能的施密特觸發(fā)式輸入設(shè)計，可有效隔絕噪音，以防止器件意外開通。IR2103的引腳圖如圖3-2所示。圖3-2 IR2103引腳圖引腳功能如下：1腳VCC：邏輯電源與低端電源電壓；2腳HIN：高端邏輯輸入；3腳LIN：低端邏輯輸入；4腳：低端電源接地；5腳LO：低端驅(qū)動輸出電壓；6腳VS：高端浮偏電源偏置電壓：7腳HO：高端驅(qū)動輸出電壓；8腳

27、VB：高端浮置電源電壓。 2IR2103主要功能：引腳8是高端浮置電源連接端，通過自舉電容上橋臂功率管的驅(qū)動器提供部浮置電源，引腳6是與引腳8對應(yīng)的浮偏電源的地端。引腳2和引腳3分別是上橋臂功率管和下橋臂功率管的驅(qū)動信號邏輯輸入端，引腳2是高電平有效，引腳3是低電平有效，他們的輸入信號圍為3V5V，與TTL電平和CMOS電平兼容。引腳7和引腳5分別是輸出逆變橋上橋臂和下橋臂的功率開關(guān)器件的驅(qū)動信號端，其輸出的電平信號圍為1020V，其輸出的信號受引腳2和引腳3的共同控制，具體的輸入輸出時序邏輯關(guān)系如圖3-3所示：圖3-3 IR2103輸入輸出時序邏輯關(guān)系圖IR2103芯片部電路框圖：IR210

28、3工作原理非常簡單，在滿足自舉得情況下，當(dāng)IR2103的2腳HIN高端邏輯輸入為高電平時，7腳HO高端驅(qū)動輸出電壓端輸出高電平，使上橋管VT1導(dǎo)通。當(dāng)IR2103的3腳LIN低端邏輯輸入為高電平時，5腳LO低端驅(qū)動輸出電壓端輸出高電平，使下橋管VT2導(dǎo)通。由于有死區(qū)時間控制，5腳LO低端驅(qū)動輸出電壓和7腳HO高端驅(qū)動輸出電壓不會同時出現(xiàn)高電平的，也就是說，上下橋管VT1、VT2不會同時導(dǎo)通的，既不會發(fā)生直通現(xiàn)象。IR2103的2、3腳受單片機控制的。在電動自行車的無刷電機控制電路中，就是利用單片機去控制三個IR2103，對于由六個功率元件構(gòu)成的三相橋式逆變器來說，采用三片IR2103三個橋臂是

29、中小型功率變換的理想選擇。此類逆變電路中的主電路可將直流電壓+VCC逆變?yōu)槿嘟涣鬏敵鲭妷篣、V、W，送給無刷電機。由于三相逆變器每個周期總有一個上下管導(dǎo)通，故上管自舉電容容易充電，三個上管自舉電路可有序工作。但假設(shè)IR2103使用不當(dāng)，尤其是自舉電容選擇不好，易導(dǎo)致芯片損壞或不能正常工作。IR2103典型的應(yīng)用電路驅(qū)動電路圖：此外，IR2103所具備的產(chǎn)生死區(qū)時間功能如圖3-4所示：圖3-4 死區(qū)時間波形圖當(dāng)HIN和LIN同時從低電平跳變到高電平時，HO和LO并不是在同一個時間往各自相反的方向跳變，而是HO的輸出波形要比LO的輸出波形窄，從而在兩個波形跳變處產(chǎn)生了時間差DT，這個時間差DT就

30、是死區(qū)時間。根據(jù)IR3103的Date sheet，產(chǎn)生的死區(qū)時間DT的大致圍是400650ns，滿足MOSFET的開通或關(guān)斷時間。由于后續(xù)局部的硬件電路設(shè)計局部要用到死區(qū)時間，所以在先這里簡單的介紹一下。3.3無刷直流電機控制器的硬件設(shè)計3.3.1無刷直流電機控制器硬件設(shè)計思路本文設(shè)計的無刷直流電機控制器硬件電路主要包括直流電源模塊、調(diào)速與剎車輸入模塊、功率驅(qū)動模塊即逆變橋驅(qū)動電路，其主要功能是驅(qū)動功率MOSFET管控制電機電流、功率輸出模塊即逆變橋電路、智能控制模塊以PIC16F72單片機為主控電路，其主要功能是完成電機的起動、換相、調(diào)速、制動等控制并實現(xiàn)對電機、電池的保護；以及包活霍爾位

31、置信號處理電路、電流信號處理電路以及一些外圍保護、輔助電路，其主要功能有完成對信號的采樣、對電路的供電、提供顯示信號、發(fā)出報警信號等功能。無刷直流電機控制器原理框圖如圖3-5所示：圖3-5 無刷直流電機控制器原理框圖直流電源模塊經(jīng)過一系列的變壓轉(zhuǎn)換，能輸出一系列不同的電壓值，為整機的不同模塊提供適宜的電壓值和電流值，是整機的動力來源。對電動自行車用無刷直流電機來說，由于其只能采用電池形式的供電方式，而電池的能量總是越用越少，所以必須定時檢測電源的電壓以確定電池的剩余電量，以免使用電池過量而造成電池的使用壽命縮短。調(diào)速和剎車輸入模塊主要是實現(xiàn)電機的調(diào)速輸入。它的實現(xiàn)方式為通過輸出電位器的電壓變化

32、來表示此時電機的輸出速度應(yīng)該做的增減調(diào)整，為后面所提及的PWM調(diào)速原理提供依據(jù)。逆變橋驅(qū)動模塊在接收到智能控制系統(tǒng)所提供的換相信號以及調(diào)速信號后，通過一系列的模數(shù)轉(zhuǎn)換，使電機控制器輸出的信號轉(zhuǎn)換成相對應(yīng)的控制逆變橋電路動作的驅(qū)動信號，從而以到達正確控制逆變橋電路動作的目的。逆變橋電路根據(jù)逆變橋電路的驅(qū)動信號使各個MOSFET晶體管做相應(yīng)的開關(guān)動作，為無刷直流電機提供動作能量，以驅(qū)動無刷直流電機做加速、減速、勻速、制動等一系列的動作。智能控制模塊是控制器的核心局部。一方面，控制模塊接收來自無刷電機的霍爾傳感器發(fā)送過來的位置信號，并經(jīng)過一系列算法的處理后向逆變橋電路輸出換相的波形，使電機能正常運轉(zhuǎn)

33、；另一方面，控制模塊通過對調(diào)速和剎車信號的采集來確定電機的預(yù)定轉(zhuǎn)速，同時根據(jù)實時采集的霍爾位置信號來確定預(yù)定速度和實際速度之間的差值。然后采集逆變橋電流，在電機的電流沒有超出最大電流的前提下，控制模塊通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比以到達速度調(diào)節(jié)的目的；同時，控制模塊還要采集電源電壓的信號，確保電源沒有工作在欠壓狀態(tài)。3.3.2 電源電路設(shè)計局部3.3.2.1 穩(wěn)壓芯片LM317芯片概述LM317是應(yīng)用最為廣泛的電源集成電路之一，它不僅具有固定式三端穩(wěn)壓電路的最簡單形式，又具備輸出電壓可調(diào)的特點。此外，還具有調(diào)壓圍寬、穩(wěn)壓性能好、噪聲低、紋波抑制比高等優(yōu)點。穩(wěn)壓電源的輸出電壓可用下式計算，Vo=1.2

34、51+R2/R1。僅僅從公式本身看，R1、R2的電阻值可以隨意設(shè)定。然而作為穩(wěn)壓電源的輸出電壓計算公式，R1和R2的阻值是不能隨意設(shè)定的。首先317穩(wěn)壓塊的輸出電壓變化圍是Vo=1.25V37V高輸出電壓的317穩(wěn)壓塊，其輸出電壓變化圍是Vo=1.25V45V，所以R2/R1的比值圍只能是028.6。其次是317穩(wěn)壓塊都有一個最小穩(wěn)定工作電流，一般為1.5mA。但當(dāng)317穩(wěn)壓塊的輸出電流小于其最小穩(wěn)定工作電流時，317穩(wěn)壓塊就不能正常工作。當(dāng)317穩(wěn)壓塊的輸出電流大于其最小穩(wěn)定工作電流時，317穩(wěn)壓塊就可以輸出穩(wěn)定的直流電壓。如果用317穩(wěn)壓塊制作穩(wěn)壓電源時，沒有注意317穩(wěn)壓塊的最小穩(wěn)定工作

35、電流，則你制作的穩(wěn)壓電源可能會出現(xiàn)下述不正?，F(xiàn)象：穩(wěn)壓電源輸出的有載電壓和空載電壓差異較大。LM317有三個管腳，第一引腳，為電壓調(diào)節(jié)腳；第二引腳，為電壓輸出腳；第三引腳，為電壓輸入腳。LM317 特性：可調(diào)整輸出電壓低到1.2V。保證1.5A 輸出電流。典型線性調(diào)整率0.01%。典型負載調(diào)整率0.1%。80dB紋波抑制比。輸出短路保護。過流、過熱保護。調(diào)整管平安工作區(qū)保護。標(biāo)準(zhǔn)三端晶體管封裝。電壓圍1.25V 至 37V 連續(xù)可調(diào)3.3.2.2 穩(wěn)壓芯片7805芯片的概述7805系列為3端正穩(wěn)壓電路，能提供多種固定的輸出電壓，應(yīng)用圍廣。含過流、過熱和過載保護電路。帶散熱片時，輸出電流可達1A

36、。雖然是固定穩(wěn)壓電路，但使用外接元件，可獲得不同的電壓和電流。常見的三端穩(wěn)壓集成電路還有正電壓輸出的78 系列和負電壓輸出的79系列。有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。用78/79系列三端穩(wěn)壓IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格廉價。該系列集成穩(wěn)壓IC型號中的78或79后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓， 7805引腳圖7805有三個管腳：引腳1：電壓輸入；引腳2：接地線端；引腳3：電壓輸出。主要特點： 輸出電流可達1A 輸出電壓有：5V 過熱保護 短路保護 輸出晶體管SOA保護 3.3.2.3 電源電路

37、原理設(shè)計局部圖3-6 電源電路原理圖電源電路輸出三路電壓，分別是+48V電壓、+13.5V電壓和+5V電壓。第一路為電池的電壓，輸出電壓為+48V，主要為逆變器供電，具體連接見功率驅(qū)動MOSFET局部。第二路輸出+13.5V電壓，主要供給MOSFET作開通電壓用，其實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換的原理是通過LM317電壓穩(wěn)壓器與R3、R4組合輸出電壓，輸出電壓可用下式計算：Vo=1.25*1+R2/R1 (3-1)。 通過計算可得，第二路電源電壓約為13.5V。由于驅(qū)動電路對第二路電源的要求不是很高，根本上在10V到20V時即可控制MOSFET正常開關(guān)，所以選擇還是比擬適宜的。LM317的輸入和輸出電壓不能超過

38、60V，所以要在輸入端串接R1以到達壓降的作用在此，R2的作用一方面是爭取更多的電流以驅(qū)動負載，另一方面則分擔(dān)了LM317的一局部功耗。第三路輸出+5V電壓，由7805提供，它一方面要為智能控制系統(tǒng)提供電源電壓，另一方面是作為AD轉(zhuǎn)換的基準(zhǔn)電壓值，所以對這路電壓精度的要求比擬搞，一般要讓其波動電壓圍穩(wěn)定在4.85.2V之間，7805芯片能滿足這個要求。3.3.3 電源電壓檢測信號處理局部圖3-7 電壓檢測電路電源電壓檢測信號處理局部如上圖 3-7 所示，電壓檢測的根本實現(xiàn)方式是利用電阻的分壓原理使進入A/D轉(zhuǎn)換的電壓值能處在5V以，并且電壓值的變化與外部電源電壓的變化成正比，從而能很好地監(jiān)視電

39、源電壓的變化，當(dāng)電源電壓過低時給出欠壓信號，輸出截止，防止電池由于過放而損壞。對于無刷直流電機控制器，由于輸入控制變量比擬多，控制器可以利用各種輸入信號對控制系統(tǒng)進展靈活的保護，這些保護功能可以大大提高無刷直流電機控制器的可靠性。也保證電壓供給不發(fā)生異常。在右圖中，輸入單片機A/D轉(zhuǎn)換的電壓值為 QUOTE (3-2)由上式計算得： QUOTE 0.08* QUOTE ，這樣A/D模塊能識別的最高電壓就到達了60V左右，即使有時因電壓不穩(wěn)而產(chǎn)生較大躍變時A/D轉(zhuǎn)換模塊也能很快的覺察出來。3.3.3 電流檢測信號和處理局部 3.3.3.1 雙運算放大器LM358芯片簡介LM358 部包括有兩個獨

40、立的、高增益、部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓圍很寬的單電源使用，而且也適合用于雙電源工作模式。在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。 引腳圖如下所示： LM358引腳圖LM358引腳功能：引腳1：運放輸出端1；引腳2：運放反向輸入端1；引腳3：運放正向輸入端1；引腳4：接地；引腳5：運放正向輸入端2；引腳6：運放反向輸入端2；引腳7：運放輸出端2；引腳8：供電。LM358特性 部頻率補償 直流電壓增益高(約100dB) 單位增益頻帶寬(約1MHz) 電源電壓圍寬：單電源(330V)； 雙電源(

41、1.5 一15V) 低功耗電流，適合于電池供電 低輸入偏流 低輸入失調(diào)電壓和失調(diào)電流共模輸入電壓圍寬，包括接地 差模輸入電壓圍寬，等于電源電壓圍 輸出電壓擺幅大(0 至Vcc-1.5V) 3.3.3 電流檢測和過流保護電路局部電流檢測電路的實現(xiàn)在電流環(huán)的控制電路中，電流放大器通常選擇較大的增益，其好處是可以選擇一個較小的電阻來獲得足夠的檢測電壓，而檢測電阻小損耗也小。電路中發(fā)生短路故障時，電流會突然增大，造成電壓也突然下降，這時就需要過流保護來對MOSFET進展保護，將最大電流控制在設(shè)定圍，當(dāng)?shù)竭_閥值時關(guān)閉電機，防止了MOSFET上通過大電流燒毀的危險。過流保護是控制器的最后防線，過流保護電阻

42、用的是康銅絲，當(dāng)系統(tǒng)電流超過最大保護電流值時，康銅阻絲會燒斷，從而起到保護作用。 它們組成的電路原理圖如圖3-8所示：圖3-8電流檢測和過流保護電路在圖3-8中，R45是康銅電阻，充當(dāng)過流保護電阻，所以檢測電流就是通過采用康銅電阻R45來實現(xiàn)的。電阻R45安裝在功率驅(qū)動橋的下端與功放板地線之間，這樣通過無刷直流電機的電流最終是要經(jīng)過電阻R45接地的。因此，根據(jù)歐姆定律，我們只要知道電阻R45兩端的電壓，就可以知道它的相電流了。LM358部包括有兩個獨立的、高增益、部頻率補償?shù)碾p運算放大器，其中U1A作比擬器，用于判斷電路中是不是存在電流過流的情況。由圖3-8可知，以雙運算放大器LM358的引腳

43、3作為基準(zhǔn)電壓的輸入，可以計算出，它的基準(zhǔn)電壓為 QUOTE =0.3V。在正常的情況下，輸出引腳1處于高電平狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)過流的現(xiàn)象時，康銅電阻R45輸出的電壓增大，輸入引腳2的電壓將大于基準(zhǔn)電壓，這時輸出引腳1將翻轉(zhuǎn)到低電平狀態(tài)，由此給單片機一個過流保護中斷，促使單片機做過流保護的相關(guān)工作。從而起到對MOSFET進展保護的作用，防止了MOSFET上通過大電流燒毀的危險。另外以雙運算放大器LM358的U1B作為放大器用，其放大的倍數(shù)是6.5倍。選擇的放大倍數(shù)較小的原因有兩個：LM358的頻率響應(yīng)不夠高，而PWM波形的頻率是15KHz，如果放大倍數(shù)比擬大的話，則其電流響應(yīng)將變成梯形波，不利于電流

44、信號的采集；輸出的電流信號雜波太多，尤其在起動的時候，電流值的波動非常大，如果放大倍數(shù)選得太大的話，有可能引起誤判。綜上所述，選擇6.5倍雖然在電流大小的放大精度上有一定的影響，但不過都在允許的圍之。3.3.4 霍爾位置傳感器處理局部3.3.4.1 霍爾位置傳感器霍爾位置傳感器具有穩(wěn)定、可靠，頻率響應(yīng)寬、體積小，構(gòu)造結(jié)實，易于安裝等優(yōu)點，目前被廣泛應(yīng)用于無刷直流電動機當(dāng)中?；魻栁恢脗鞲衅髟跓o刷直流電動機中起著檢測轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為功率開關(guān)電路提供正確的換相信息，即將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)位置信號處理電路處理后控制定子繞組換相。由于功率開關(guān)的導(dǎo)通順序與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步，因而霍爾位置傳

45、感器與功率開關(guān)一起，起著與傳統(tǒng)有刷直流電機的機械換向器和電刷相類似的作用。 霍爾位置傳感器的根本構(gòu)造和電動機本體一樣，也是由靜止局部和運動局部組成，即位置傳感器定子和位置傳感器轉(zhuǎn)子。其轉(zhuǎn)子與電機主轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，以指示電機主轉(zhuǎn)子的位置，既可以直接利用電動機的永磁轉(zhuǎn)子，也可以在轉(zhuǎn)軸其他位置上另外安裝永磁轉(zhuǎn)子。定子是由假設(shè)干個霍爾元件，按一定的間隔，等距離地安裝在傳感器定子上，以檢測電機轉(zhuǎn)子的位置。霍爾位置傳感器的構(gòu)造如圖10所示：圖10 霍爾位置傳感器構(gòu)造示意圖霍爾位置傳感器的根本功能是在電動機的每一個電周期，產(chǎn)生出所要求的開關(guān)狀態(tài)數(shù)。也就是說電動機傳感器的永磁轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對磁極N、S極的轉(zhuǎn)角，就

46、要產(chǎn)生出與電機邏輯分配狀態(tài)相對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)數(shù)，以完成電動機的一個換流全過程。如果轉(zhuǎn)子充磁的極對數(shù)越多，則在360機械角度完成該換流全過程的次數(shù)也就越多。 3.3.4.2 霍爾位置傳感器信號處理局部霍爾位置傳感器信號處理局部的電路圖如圖3-9所示：圖3-9霍爾位置傳感器輸入信號電路霍爾傳感器是根據(jù)霍爾效應(yīng)制作的一種磁場傳感器。其安裝在電機的部，是一種開關(guān)型器件，并且采用的是OC門輸出的形式。要使其產(chǎn)生上下電平，就必須接上電阻才行。從霍爾傳感器輸入的信號經(jīng)過阻容低通濾波后再輸入到單片機中，以免雜波的干擾影響單片機的判斷。RC低通濾波的選取則既要考慮到通過低通濾波濾除信號高頻成分的效果，又要考慮到其

47、對從霍爾傳感器輸入的方波的響應(yīng)情況，以盡快到達單片機輸入口的門限電壓(PIC單片機I/O口的高電平的門限電壓是23V)，這樣才符合實時采集的要求。在這里，當(dāng)輸入由低轉(zhuǎn)高時，總電阻為5.5Kohm，電容為0.1uF，經(jīng)過計算，【在此鍵入公式】輸入電壓上升到3V的時間是0.3ms，而在轉(zhuǎn)速最大時單相霍爾傳感器的輸出頻率是140Hz，即其輸出的周期是7ms，符合條件要求。3.3.5調(diào)速信號處理局部調(diào)速信號處理局部如圖3-10所示。圖3-10 調(diào)速信號輸入電路無刷直流電動機可以通過改變電樞電路中的外串電阻或改變加在電動機電樞上的電壓來調(diào)速。其中改變電樞電壓調(diào)速的方法有穩(wěn)定性較好、調(diào)速圍大的優(yōu)點。本設(shè)計

48、調(diào)速信號局部的輸入信號采用電阻式電位器控制，控制的電壓圍是05V，信號從引腳2經(jīng)過阻容低通濾波后進入單片機的A/D模塊中采樣處理。通過脈寬調(diào)制(PWM)來控制電動機電樞電壓，實現(xiàn)調(diào)速。3.3.6 剎車制動信號處理局部具體電路見附錄，只要按下按鍵，具體的剎車動作由軟件以及剎車的具體機械動作共同提供。3.4 PIC16F72單片機輸入信號處理與控制信號輸出局部PIC16F72單片機輸入信號處理與控制信號輸出局部如圖3-11所示。在本電路中單片機更具各個局部的工作任務(wù)不同，可以分為以下幾個模塊：最小系統(tǒng)模塊：包括電源電路，圍電路，外部時鐘震蕩帶電路，這是單片機能正常工作的前提；功能模塊：包括A/D轉(zhuǎn)

49、換模塊、數(shù)字輸入信號處理模塊、驅(qū)動信號輸出模塊。圖3-11控制器核心局部電路原理圖圖3-12 核心局部PCB圖圖3-13 實物圖3.5 PIC16F72單片機各個模塊的具體工作任務(wù)最小系統(tǒng)模塊：引腳1相連的是復(fù)位電路，引腳1也是程序的高壓燒寫口；引腳9和引腳10分別是震蕩電路的輸入口和輸出口，連接的是16MHz的晶振；引腳20和引腳8、引腳19是電源電路局部，分別接5V電源和地。功能模塊：模擬信號輸入處理模塊：模擬信號的處理主要是通過單片機的A/D轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)的。引腳2檢測流過電機的電流信號并進展A/D轉(zhuǎn)換，進過運算后用于控制PWM占空比，盡可能到達電機最適宜的工作電流；引腳3檢測電源電壓，經(jīng)

50、A/D轉(zhuǎn)換后經(jīng)過運算判斷電壓是否過低，以此為依據(jù)保護電池；引腳4檢測手柄的輸入電壓，單片機根據(jù)這個量調(diào)節(jié)電機輸出的總功率，從而調(diào)節(jié)電機的速度13。數(shù)字輸入信號處理模塊：引腳5處理剎車信號，平時處于高電平狀況，當(dāng)按下剎車開關(guān)時，變?yōu)榈碗娖?，這時單片機輸出剎車命令，只要當(dāng)引腳5恢復(fù)成高電平狀態(tài)時，在停頓剎車動作；引腳15、引腳16、引腳17分別輸入電機的霍爾位置信號，通過這三個信號的組合確定電機此時的轉(zhuǎn)子位置，并調(diào)整輸出的換相信號。引腳21為外部中斷引腳，平時處于高電平狀態(tài)，當(dāng)出現(xiàn)過流時，輸入信號從高電平變?yōu)榈碗娖剑袛鄻?biāo)志位置1，由于PIC16F72只有一級中斷優(yōu)先級，所以當(dāng)中斷被其他中斷程序占

51、用時，也應(yīng)定時檢查外部中斷標(biāo)志位，以免因中斷時間過長而燒毀電機。驅(qū)動信號輸出模塊：引腳13輸出PWM信號，調(diào)節(jié)電機的速度和電樞電流；引腳23、引腳24、引腳25輸出逆變橋的下橋驅(qū)動信號，引腳26、引腳27、引腳28輸出逆變橋的上橋驅(qū)動信號。引腳22只在電樞電流比擬大的情況下才使用，具體的應(yīng)用見3.6。3.6 三相驅(qū)動信號預(yù)處理局部圖3-14是三相驅(qū)動信號其中A、B、C三相中的A相驅(qū)動信號預(yù)處理電路。由于這三相的驅(qū)動信號預(yù)處理電路都一樣，所以只要介紹之中一相就可以了。圖中上面一局部是A相上橋的驅(qū)動信號預(yù)處理電路，下面一局部是A相下橋的驅(qū)動信號預(yù)處理電路。圖3-14 A相驅(qū)動信號預(yù)處理電路上橋相對

52、簡單，要實現(xiàn)換相功能和PWM調(diào)制功能，由上橋驅(qū)動控制信號輸出端A1控制。U4A的引腳1接單片機的A相上橋驅(qū)動控制信號輸出端A1，引腳2接單片機PWM波輸出引腳。U4A輸出的是上橋換相信號和PWM波相與后的波形，也就是說輸入到IR2103的引腳HIN的信號是已經(jīng)經(jīng)過PWM波調(diào)制過的換相信號。A1處于低電平時U4A的3腳處于低電平狀態(tài)，即A相上橋處于截止?fàn)顟B(tài)。A1處于高電平狀態(tài)表示此時往A相輸出PWM驅(qū)動信號。下橋相對復(fù)雜，要實現(xiàn)兩個功能：一個是換相，由下橋驅(qū)動控制信號輸出端A2控制；還有一個是實現(xiàn)整流保護，由上橋驅(qū)動控制信號輸出端A1、單片機整流保護控制引腳NEW_PT共同控制(正常情況下NEW

53、_PT處于高電平狀態(tài)，從而U6C在正常情況下輸出都處于低電平狀態(tài))。當(dāng)只是實現(xiàn)下橋?qū)〞r，只要下橋驅(qū)動控制信號輸出端A2從低電平跳轉(zhuǎn)到高電平就可以了，這時U5B的6腳輸出的低電平信號輸入到IR2103的引腳LIN中，從而導(dǎo)通A相MOSFET的下橋。下面介紹整流保護的原理以及實現(xiàn)假設(shè)A相上橋處于PWM調(diào)制狀態(tài)，且B相下橋?qū)?，?dāng)PWM波形為高電平時，驅(qū)動上橋MOSFET開通，這時電流的流向為如圖3-15所示的實線方向；當(dāng)PWM波形由高電平往低電平跳變，導(dǎo)致A相上橋V1已經(jīng)關(guān)斷，又由于電樞繞組自感電動勢的作用，此時電流的方向就變成了如圖3-15所示的虛線方向。當(dāng)電流的流向變成虛線流向時，這時電流都

54、從V2的整流二極管流過，當(dāng)之前電感的自感電動勢很大時，這時V2處流過的自感電流也很大，設(shè)V2的整流二極管處產(chǎn)生的壓降是0.7V，這時在V2處產(chǎn)生的功耗P=0.7*I。當(dāng)I很大時，則V2處的功耗也就相當(dāng)大了7。圖3-15 V1開通和關(guān)斷情況電流流向示意圖整流保護的目的就是減小V2的功耗。實現(xiàn)的方法就是在PWM調(diào)制過程中V1關(guān)斷的時候，翻開V2，使整流電流從V2的MOSFET的溝道流過，而不是從整流二極管流過。MOSFET可雙向?qū)?，且?dǎo)通時電阻非常小，大約為10m，這時MOSFET產(chǎn)生的功耗就能大大減小了，從而使MOSFET不會因為過熱而燒壞。其實現(xiàn)的方法是當(dāng)單片機的電流檢測電路檢測到電樞電流過

55、大時，就將NEW_PT腳置于低電平狀態(tài)，而此時A1經(jīng)過反相器反向后也是低電平，此時或非門U6C的輸出信號就是PWM波的反相波形了。當(dāng)A2也輸出低電平時，或非門U5B的輸出信號就成了與上橋PWM波同相的波形了。也就是說，HIN和LIN的輸入PWM波是同相的。以后的表達涉及MOSFET驅(qū)動芯片IR2103，將在3.7節(jié)繼續(xù)分析整流保護。3.7 MOSFET驅(qū)動局部MOSFET驅(qū)動局部的電路原理圖如圖3-16所示。圖3-16 MOSFET驅(qū)動局部的電路原理圖圖3-17 核心控制板PCB圖由3.6節(jié)可知，在整流保護的情況下，輸入到IR2103的HIN和LIN的PWM信號是一樣的。要實現(xiàn)整流保護，則當(dāng)上

56、橋關(guān)斷后下橋就要導(dǎo)通，同時導(dǎo)通的情況是絕對不能出現(xiàn)的。這時就用到了IR2103自帶死區(qū)時間發(fā)生功能。如圖3-18所示：圖3-18 IR2103死區(qū)時間波形圖這樣，由于死區(qū)時間的存在，就可以在死區(qū)時間使上橋的MOSFET完全關(guān)斷后，再在死區(qū)時間過后使下橋的MOSFET導(dǎo)通，確保兩個MOSFET不會同時導(dǎo)通。雖然這樣做會使整流保護效果打折扣，不過總體來說對MOSFET還是很有好處的，尤其在電流很大的情況下。現(xiàn)在介紹MOSFET驅(qū)動局部的電路原理。如圖3-18所示，該局部電路可以分成兩局部：MOSFET驅(qū)動電路和逆變橋電路。MOSFET驅(qū)動電路是以IR2103為核心局部的驅(qū)動電路，電容C20是自舉電

57、容，V3靠C20兩端的電壓維持導(dǎo)通。電容C20是去耦電容，用于抑制MOSFET開關(guān)過程中對驅(qū)動電路浮動電源的影響。對于逆變橋電路，R38、R39和C27、C28的作用是減慢MOSFET的開啟速度，使MOSFET的柵源級電壓上升波形不至于太陡峭，防止上下橋同時導(dǎo)通的情況出現(xiàn)，但也要注意的是MOSFET的開通和關(guān)閉時間都應(yīng)該在死區(qū)的圍。第四章軟件設(shè)計4.1 軟件設(shè)計的總體思路簡介本文對電動自行車車用無刷直流電機控制器的控制原理進展了詳細分析，依據(jù)無刷直流電機的特性，無刷直流電機控制器的軟件設(shè)計包含以下幾局部功能的設(shè)計：調(diào)速功能、限流保護功能、過流保護功能、剎車功能、欠壓保護功能和電機換相功能。實現(xiàn)

58、這幾局部功能的具體方式是根據(jù)輸入模塊的重要性和實時性的具體要求，以不同的頻率度定時檢測硬件設(shè)計中所述的各輸入模塊的輸入信號，并經(jīng)過處理器運算后執(zhí)行輸出。 具體的執(zhí)行方式是以定時的方式來實現(xiàn)的：對輸入信號來說，不同的功能模塊根據(jù)其實時性的具體要求，確定其不同的定時檢測時間；而對輸出信號來說，由于其實時性的要求，設(shè)計中斷的程序不能過于的冗長，所以當(dāng)檢測到其中的一項觸發(fā)的任務(wù)時，則需要設(shè)定相應(yīng)的標(biāo)志位，待其退出中斷程序后再執(zhí)行此任務(wù)。 從無刷直流電機本身的特性和電動自行車的特性的兩個方面考慮，對輸入信號，逆變橋電流檢測、過流中斷保護檢測以及電機的相序檢測這三個模塊對實時性的要求很高，要定時且頻繁地檢

59、測，根本上是每128us就要進展定時中斷檢測一次。調(diào)速功能、剎車功能以及欠壓保護功能則對實時性的要求不是很高，只要每隔10ms到50ms定時檢測一次就可以了；對與信號相應(yīng)的及時性來說，過流中斷標(biāo)志功能、剎車功能以及限流保護功能因其對響應(yīng)的要求高、執(zhí)行的時間少，所以可以在定時中斷程序中直接執(zhí)行，而調(diào)速功能、欠壓保護功能以及電機換相功能則因其對響應(yīng)的要求高而且完成程序執(zhí)行所需要的時間比擬長，所以只在中斷程序中設(shè)定標(biāo)志位，具體的程序執(zhí)行則根據(jù)在中斷程序中設(shè)定的標(biāo)志位在主程序中執(zhí)行7。4.2 中斷程序處理中斷程序處理的事情包括判斷是過流保護中斷還是定時中斷并各自做相應(yīng)的處理、電路換相信息的判斷并輸出換

60、相信號、電流信號的采集并數(shù)模轉(zhuǎn)換、根據(jù)計數(shù)器判斷是否設(shè)定剎車信號采集標(biāo)志、調(diào)速信號采集標(biāo)志或電壓信號采集標(biāo)志。4.2.1 單片機中斷資源本設(shè)計中應(yīng)用到的PIC單片機的中斷源有:外部觸發(fā)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(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