用于電動(dòng)自行車(chē)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器設(shè)計(jì)

摘要：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Mcrochip公司的PIC16F72單片機(jī)作為控制芯片，在硬件方面，進(jìn)行了微控制單元電路設(shè)計(jì)、邏輯互鎖電路設(shè)計(jì)、轉(zhuǎn)子位置信號(hào)采集電路設(shè)計(jì)、電源電路設(shè)計(jì)、升壓電路設(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)和顯示電路設(shè)計(jì)。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，微控制單元根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)向驅(qū)動(dòng)電路傳遞PWM(脈寬調(diào)制)信號(hào)、逆變器上下臂驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制電機(jī)。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。設(shè)計(jì)了系統(tǒng)狀態(tài)顯示面板程序模塊。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，提出了一種電機(jī)控制系統(tǒng)的接線模式自識(shí)別功能設(shè)計(jì)方案，能夠自動(dòng)識(shí)別電機(jī)的換相角度、霍爾相位和電機(jī)輸出相位。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，便于用戶二次開(kāi)發(fā)。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)Abstract：ThecontrolsystemconsistsofBrushlessDCMotor,controllingpart,sensorpart，hardwareandsoftwarecontrollingpart.Withitsuniqueadvantagesofhighefficiency,highreliability,goodcontrollabilityandmaintenance-free,itiswidelyusedinmanyfields.Todeveloptheelectric-bikewillbehelpfultosolvethepollutionproblemcausedbythewastegasfromthegasoline-automobilesandenergysourcesproblems.ThetaskistodesignaBrushlessDCMotor(BLDCM)controlsystemForelectric-bike.Accordingtotheproject,PIC16F72MCUproducedbyMicrochipCompanyhasbeenselected.ThedesignofhardwareincludingMCUcircuit,logiclockcircuit,positionoftherotorcircuit,powercircuit,voltageupcircuit,hardwareprotectioncircuit,electroniccommutatorcircuitanddisplaycircuithavebeencarriedout.Therearethreehallsensorsforhepositionoftherotor,accordingtothepositionoftherotorandpwm(pulsewidthmodulation)controlsignals,theelectroniccommutatorworks.Thesoftwarewasdesignedfollowingtheprincipleofmodularizationandstructuredprogrammingandusingassemblyastheprogrammelanguages.Thedisplaymoduleisdesigned.TypicalPIcontrolstrategyisusedtocontrolthespeed.ModeidentifiedmodulecanidentifytheangleoftheBLDCM,thepositionoftherotorandtheoutputofthesystemautomatically.Lessvoltageprotection,currentexcessiveprotectionandwrongangleprotectionaredesignedtoreinforcethesystem.Also,factorsthataffectthereliabilityofthesystemarediscussedinthispaper,andsomemethodsareintroducedsoonafter.Thiscontrollerrealizesthreeworkmodes-electromotion,stationaryspeedandassistingworkmode.Anotherself-testmode,whichworksundererror,isalsodesigned.ThiskindofbrushlessDCmotorcontrolsystemissuperiorinmanyfieldssuchashighreliability,simplehardwarestructure,lowcost,andconvenientforthefurtherdevelopment.KeyWords:Electricbike;BrushlessDCMotor;PIC;ControlSystem目錄1 第一章緒論 51.1無(wú)刷直流電機(jī)的現(xiàn)狀 51.2電動(dòng)自行車(chē)介紹和發(fā)展?fàn)顩r 51.3無(wú)刷直流電機(jī)控制器概述 81.4本設(shè)計(jì)的主要工作 92 第二章無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)分析 102.1電機(jī)的基本原理 10稀土永磁無(wú)刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu) 10電機(jī)的基本工作原理 11三相無(wú)刷直流電機(jī)星形連接全橋驅(qū)動(dòng)原理 122.2電機(jī)的特性分析 14電機(jī)的運(yùn)行特性分析 14機(jī)械特性和調(diào)速特性分析 16其他特性分析 172.3直流電動(dòng)機(jī)的PWM調(diào)速原理 182.4霍爾傳感器 19開(kāi)關(guān)型霍爾集成傳感器 19霍爾器件在無(wú)刷直流電機(jī)中的應(yīng)用 193 第三章無(wú)刷直流電機(jī)控制器硬件設(shè)計(jì) 203.1單片機(jī)選擇 20單片機(jī)選擇依據(jù) 20C單片機(jī)特點(diǎn) 20單片機(jī)的功能特性 21信號(hào)在PIC單片機(jī)中的處理 223.2硬件組成 223.3微控制器電路 243.4三相全橋逆變電路和驅(qū)動(dòng)電路 27頂端、底端驅(qū)動(dòng)電路 27電源電路 29振蕩倍壓電路 30硬件保護(hù)電路 303.5其他 31蓄電池檢測(cè)方案 31助力信號(hào)檢測(cè)方案 31電動(dòng)自行車(chē)面板顯示電路 324 第四章系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 334.1概述 334.2主程序 344.3中斷 35單片機(jī)中斷資源 35定時(shí)器資源分配 36鍵(INT中斷)處理模塊 364.4AD轉(zhuǎn)換 374.5PWM(脈沖寬度調(diào)制) 384.6位置信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系 394.7欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)和堵轉(zhuǎn)保護(hù) 40欠壓和過(guò)流保護(hù)功能 40堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能 404.8面板顯示模塊 414.9數(shù)字PI速度調(diào)節(jié) 41概述 41基本原理 42位置型PID算法程序的設(shè)計(jì) 42數(shù)字PI速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì) 434.10接線模式自識(shí)別方案 444.10.1接線模式自識(shí)別功能的作用 444.10.2接線模式自識(shí)別解決方案 444.11編程注意的問(wèn)題 47數(shù)據(jù)存儲(chǔ)體的選擇 484.11.2二程序存儲(chǔ)體的選擇 48第五章系統(tǒng)調(diào)試與運(yùn)行分析 515.1系統(tǒng)軟、硬件部分調(diào)試 51系統(tǒng)硬件調(diào)試 515.2控制器的可靠性 53影響控制器可靠性的因素 53提高控制器可靠性的方案 535.3單片機(jī)系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì) 54接地技術(shù) 54抗電磁干擾技術(shù) 555.4實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析與建議 55實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 555.4.2實(shí)驗(yàn)結(jié)論與建議 56結(jié)論 58參考文獻(xiàn) 59附錄A控制器電路圖 60附錄B控制器電路板PCB圖紙 61附錄C控制器實(shí)物圖 61附錄D電動(dòng)自行車(chē)和指示面板實(shí)物圖 62第一章緒論1.1無(wú)刷直流電機(jī)的現(xiàn)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)了磁電耦合式、光電式及霍爾元件作為位置傳感器的無(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,MicroLinear,Toshiba等，先后推出了許多無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)傳感器控制集成電路.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)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。1.2電動(dòng)自行車(chē)介紹和發(fā)展?fàn)顩r(1)電動(dòng)自行車(chē)發(fā)展現(xiàn)狀目前在中國(guó)的石油消費(fèi)中，交通運(yùn)輸業(yè)用油增長(zhǎng)最為迅速。大力發(fā)展電動(dòng)自行車(chē)是緩解石油危機(jī)的重要途徑之一。另外電動(dòng)自行車(chē)具有環(huán)保的特點(diǎn).為了解決燃油車(chē)對(duì)環(huán)境造成的嚴(yán)重污染問(wèn)題和緩解日益突出的能源危機(jī)，許多國(guó)家都在尋找替代燃油機(jī)車(chē)的交通工具。相繼開(kāi)發(fā)了以天然氣、甲醇為燃料的交通工具，相比之下，電動(dòng)車(chē)以零污染、高數(shù)率、低噪音的特點(diǎn)被認(rèn)為是真正的“綠色”交通工具，而電動(dòng)汽車(chē)受到機(jī)電、電池的限制，批量進(jìn)入市場(chǎng)還有一定的難度，電動(dòng)自行車(chē)卻可以得到迅速的發(fā)展。由于電動(dòng)自行車(chē)具有輕便省力、環(huán)保節(jié)能、價(jià)格適中的特點(diǎn)，因此己經(jīng)成為很多出行者的交通工具之一。許多國(guó)家也把電動(dòng)自行車(chē)看作未來(lái)交通發(fā)展的趨勢(shì)。自從1993年雅馬哈公司的PAS(能量輔助系統(tǒng))進(jìn)入市場(chǎng)以來(lái)，電動(dòng)自行車(chē)在日本已經(jīng)成為短距離用交通工具的主流。1998年6,7兩個(gè)月日本共生產(chǎn)電動(dòng)自行車(chē)29432輛，據(jù)報(bào)道日本電動(dòng)自行車(chē)的需求量在750萬(wàn)輛，而且每年以5%～10%速度遞增，其中還有一半需進(jìn)口.美國(guó)的電動(dòng)自行車(chē)年需求量在1500萬(wàn)輛左右，每年以5%～10%速度遞增，大部分依賴進(jìn)口。歐盟許多國(guó)家對(duì)電動(dòng)自行車(chē)的年需求量在1000萬(wàn)輛左右。德國(guó)的MSG公司、DIAMANT公司、SAGHS公司、英國(guó)的ASGHBAGH等公司的電動(dòng)自行車(chē)己投入市場(chǎng)，銷(xiāo)路很好，使得德國(guó)奔馳、法國(guó)標(biāo)致等大公司也把目標(biāo)投入到電動(dòng)自行車(chē)這一產(chǎn)品上來(lái).從70年代起，我國(guó)電動(dòng)車(chē)輛的研究開(kāi)發(fā)便一直在進(jìn)行之中，到1993年，已被確定為國(guó)家十大重點(diǎn)科技工程之一，并制定了電動(dòng)汽車(chē)的發(fā)展目標(biāo)。1999年5月國(guó)家質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督局發(fā)布了《電動(dòng)自行車(chē)通用技術(shù)條件》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，為電動(dòng)車(chē)規(guī)模化生產(chǎn)提供了條件。經(jīng)過(guò)2003,2004連續(xù)兩年的快速發(fā)展，中國(guó)電動(dòng)自行車(chē)行業(yè)迅速呈現(xiàn)出一片欣欣向榮的景象。2005年全行業(yè)的電動(dòng)自行車(chē)產(chǎn)銷(xiāo)量在1200萬(wàn)輛左右，對(duì)比2004年增長(zhǎng)率在15-20%左右，行業(yè)中有不少品牌新誕生，銷(xiāo)售規(guī)模在150億元左右。至2005年，全行業(yè)申領(lǐng)電動(dòng)自行車(chē)許可證的企業(yè)已經(jīng)達(dá)到了上千家，品種出現(xiàn)近50個(gè).目前，我國(guó)市場(chǎng)上國(guó)產(chǎn)電動(dòng)自行車(chē)的品種規(guī)格較多，驅(qū)動(dòng)多數(shù)用有刷或無(wú)刷的輪式直流電機(jī)，工作電壓為24V,36V或48V，功率在150W-400W之間;蓄電池一般用的是免維護(hù)鉛酸蓄電池，容量為12Ah，充電時(shí)間在3-8小時(shí)左右，充電一次行駛里程約50km左右；車(chē)速低于20km/h，爬坡能力在4度上下；車(chē)型有普通型和豪華型，車(chē)重約35kg，載重量越75kg，百公里耗電量1kwh左右，圖1.1為兩款國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的電動(dòng)自行車(chē)。圖1.1為兩款國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的電動(dòng)自行車(chē)。（2）電動(dòng)自行車(chē)的組成部分電動(dòng)自行車(chē)一般由動(dòng)力部分、傳動(dòng)部分、行車(chē)部分、控縱制動(dòng)部分、電氣儀表部分組成。=1\*GB3①動(dòng)力部分電動(dòng)自行車(chē)的動(dòng)力部分通常有蓄電池和電機(jī)構(gòu)成，是電動(dòng)自行車(chē)的動(dòng)力來(lái)源。其性能的好壞，直接影響電動(dòng)自行車(chē)的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性。=2\*GB3②傳動(dòng)部分電動(dòng)自行車(chē)傳動(dòng)部分的作用是將動(dòng)力部分輸出的功率傳遞給驅(qū)動(dòng)輪，驅(qū)使電動(dòng)自行車(chē)行使。通過(guò)變速器或調(diào)速器，使電動(dòng)自行車(chē)獲得行使所需要的驅(qū)動(dòng)力和速度，并保證電動(dòng)自行車(chē)的平穩(wěn)起步和停車(chē)，他有變速器、后傳動(dòng)裝置組成。=3\*GB3③行車(chē)部分行車(chē)部分的作用是使電動(dòng)自行車(chē)構(gòu)成一個(gè)整體，支撐全車(chē)的總重量，將傳動(dòng)部分傳遞到的扭矩轉(zhuǎn)換成驅(qū)使電自行車(chē)行使的牽引力，同時(shí)承受吸收和傳遞路面作用于車(chē)輪上的各種反作用力，確保電動(dòng)自行車(chē)正常、安全行使、他主要有車(chē)架、前減震器、前后輪、座墊等組成。=4\*GB3④操縱制動(dòng)部分操縱制動(dòng)部分的作用是直接控制行車(chē)方向、行使速度、制動(dòng)等，以確保電動(dòng)自行車(chē)行使安全，他有車(chē)把、制動(dòng)裝置、調(diào)速手把等組成。=5\*GB3⑤電氣儀表部分電氣儀表裝置是保證車(chē)輛安全行使并反映車(chē)輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的主要裝置，他使騎行者能正確、有效地對(duì)車(chē)輛行使適時(shí)地進(jìn)行控制。他由數(shù)據(jù)顯示裝置、充電器等組成。（3）電動(dòng)自行車(chē)的特點(diǎn)作為一種新能源綠色交通工具，電動(dòng)自行車(chē)具有以下特點(diǎn)=1\*GB3①無(wú)污染；電動(dòng)自行車(chē)是以蓄電池發(fā)出的電源作為驅(qū)動(dòng)能源，運(yùn)行過(guò)程中無(wú)廢氣排放，不會(huì)對(duì)大氣造成污染；=2\*GB3②低噪音、震動(dòng)??；電動(dòng)自行車(chē)采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，與用內(nèi)燃機(jī)的摩托相比，運(yùn)行產(chǎn)生的噪音顯著減小，通常要低10-15db，且運(yùn)行比較平穩(wěn)；=3\*GB3③效率高：摩托車(chē)、燃油助力車(chē)的效率一般只有30%左右，而電動(dòng)自行車(chē)采用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，無(wú)空轉(zhuǎn)損頭，電池能量的80%以上轉(zhuǎn)化成為動(dòng)力，而且可以在制動(dòng)時(shí)候進(jìn)行能量回饋，更加提高了他的能量利用率，其效率可高達(dá)到70%到80%以上；=4\*GB3④安全、輕便、易維護(hù)：電動(dòng)自行車(chē)的最高時(shí)速限制在20km/h以內(nèi)，只能在非機(jī)動(dòng)車(chē)道行使，可以快速起停，安全可靠。相對(duì)于摩托車(chē)，他的速度是大受限制，但在人口密集的城市城鎮(zhèn)是足夠了，能讓大眾普遍接受，而且他體積小、重量輕、整車(chē)質(zhì)量大概在30-35kg，即使沒(méi)電時(shí)腳踏騎行也不會(huì)費(fèi)勁，蓄電池是免維護(hù)的，電機(jī)的故障率也較低，以上的這些特點(diǎn)使電動(dòng)自行車(chē)成為了當(dāng)前交通工具市場(chǎng)的一大亮點(diǎn)，市場(chǎng)需求不斷擴(kuò)大，因此其未來(lái)的發(fā)展?jié)摿艽?。?）電動(dòng)自行車(chē)的發(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)該具有寬調(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、且具有較好的能量回饋性能。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。與其他電機(jī)想比他具有幾個(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)：=1\*GB3①永磁無(wú)刷直流電機(jī)沒(méi)有電刷、而是利用電子換相,故克服了任何有電刷引起的問(wèn)題。=2\*GB3②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。=3\*GB3③他的效率與轉(zhuǎn)速永遠(yuǎn)保持同步關(guān)系，不會(huì)發(fā)生交步、震蕩等現(xiàn)象，在節(jié)約能量方面也有明顯的優(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)一步的發(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。麥科特集團(tuán)電助動(dòng)力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)，充分利用小電流大扭矩原理，在騎行過(guò)程中根據(jù)路況和載重情況及時(shí)調(diào)整輸出功率；北京新日公司研制開(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)額度電流下的效能轉(zhuǎn)換，既實(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)使里程。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。價(jià)廉物美的電動(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、燃料電池等高性能的電池的研制方面不斷取得突破。驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的可靠性與高效率對(duì)整個(gè)電動(dòng)自行車(chē)系統(tǒng)有著非常重要的作用，不但可以提高整個(gè)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。1.3無(wú)刷直流電機(jī)控制器概述無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)兼有直流電動(dòng)機(jī)調(diào)整和起動(dòng)性能好以及異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單無(wú)需維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，因而在高可靠性的電機(jī)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(zhuān)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，但不購(gòu)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)用范圍廣。且靈活方便。電機(jī)控制器是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，他主要完成以下功能：對(duì)各種輸入信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合，為驅(qū)動(dòng)電路提供各種控制信號(hào)：產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速：對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度環(huán)和電流環(huán)調(diào)節(jié)；使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能；實(shí)現(xiàn)短路、過(guò)流、欠壓等故障保護(hù)功能?？刂破魇请妱?dòng)自行車(chē)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，他是電動(dòng)自行車(chē)的大腦，其主要作用是在保證電動(dòng)自行車(chē)正常工作的前提下，提高電機(jī)和蓄電池的效率、節(jié)省能源、保護(hù)電機(jī)及蓄電池，以及降低電動(dòng)自行車(chē)在受到破壞時(shí)的損傷程度。目前，市場(chǎng)上常用的電動(dòng)自行車(chē)無(wú)刷直流控制器主要采用專(zhuān)用集成電路為主控芯片，像MOTOLORA公司研制的專(zhuān)用集成電路MC33035，其針對(duì)無(wú)刷電機(jī)的控制要求。將控制邏輯集成在芯片內(nèi)，一般該類(lèi)控制器稱為模擬式控制器，其工作原理是用電子裝置代替電刷控制電機(jī)線圈電流換向，根據(jù)電機(jī)內(nèi)的位置傳感器(霍爾傳感器)信號(hào)，決定換相的順序和時(shí)間，從而決定電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。該控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)是智能性差，保護(hù)措施有限，系統(tǒng)升級(jí)空間小。本文采用單片機(jī)做為主控芯片，用編程的方法來(lái)模擬無(wú)刷電機(jī)的控制邏輯，其特點(diǎn)是使用靈活，通過(guò)修改程序可適應(yīng)不同規(guī)格的無(wú)刷電機(jī)，增加系統(tǒng)功能方便，如電機(jī)缺相保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、添加力矩傳感器等等，可根據(jù)不同結(jié)構(gòu)的電機(jī)進(jìn)行控制的優(yōu)化以達(dá)到良好的匹配，通常將此類(lèi)控制器稱為數(shù)字式控制器。近幾年，國(guó)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(hào)處理器)芯片電機(jī)控制器，如ADI公司的ADMC3xx系列，TI公司的TMS320C24系列及Motorola公司的DSP56F8xx系列，都是由一個(gè)以DSP為基礎(chǔ)的內(nèi)核，配以電機(jī)控制所需的外圍功能電路，集成在單一芯片內(nèi)，使體積縮小，結(jié)構(gòu)緊湊，使用便捷，可靠性提高。但是這些專(zhuān)用芯片價(jià)格昂貴，外圍電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，在廣大的民用市場(chǎng)無(wú)法大規(guī)模推廣應(yīng)用。無(wú)刷電機(jī)控制方法主要分為有位置傳感器控制和無(wú)位置傳感器控制兩種。在有位置傳感器的控制方法中，現(xiàn)今，由于霍爾傳感器性價(jià)比高，安裝方便，被廣泛應(yīng)用作為無(wú)刷直流電機(jī)的位置傳感器。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器的控制方法主要有反電勢(shì)法、定子三次諧波法、續(xù)流二極管檢測(cè)法、脈沖檢測(cè)法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法等。但是由于無(wú)位置傳感器控制方法在低速時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確的速度調(diào)制，所以現(xiàn)階段在電動(dòng)車(chē)領(lǐng)域只是處于研究階段，無(wú)法推廣到工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。1.4本設(shè)計(jì)的主要工作本論文對(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)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)、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。(2)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)如下:①選用PICI6P72單片機(jī)作為主控芯片;②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;③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;④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;=5\*GB3⑤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)顯示控制;⑥利用PI控制理論實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的閉環(huán)調(diào)制;⑦提出一種軟件電機(jī)接線模式自識(shí)別設(shè)計(jì)方案.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.第二章無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)分析直流電機(jī)具有響應(yīng)快速、起動(dòng)轉(zhuǎn)矩較大，以及從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能，但直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)也正是它的缺點(diǎn)，因?yàn)橹绷麟姍C(jī)要產(chǎn)生額定負(fù)載下恒定轉(zhuǎn)矩，則電樞磁場(chǎng)與轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)須恒維持90°，這就需要碳刷及整流子.碳刷及整流子在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生火花、碳粉，因此除了會(huì)造成組件損壞之外，使用場(chǎng)合也受到限制。交流電機(jī)沒(méi)有碳刷及整流子，免維護(hù)、堅(jiān)固、應(yīng)用廣，但特性上若要達(dá)到相當(dāng)于直流電機(jī)的性能須用復(fù)雜控制技術(shù)才能實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)今半導(dǎo)體發(fā)展迅速，功率組件切換頻率加快許多，提升了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的性能。微處理機(jī)速度亦越來(lái)越快，可實(shí)現(xiàn)將交流電機(jī)控制置于一旋轉(zhuǎn)的兩軸直交坐標(biāo)系統(tǒng)中，適當(dāng)控制交流電機(jī)在兩軸電流分量，可達(dá)到類(lèi)似交流電機(jī)的控制并有與直流電機(jī)相當(dāng)?shù)男阅?。無(wú)刷直流電機(jī)即是以電子方式控制交流電機(jī)換相，得到類(lèi)似直流電機(jī)特性且結(jié)構(gòu)上優(yōu)于直流電機(jī)的一種電機(jī)。2.1電機(jī)的基本原理稀土永磁無(wú)刷直流電機(jī)的基本結(jié)構(gòu)稀土永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本構(gòu)成包括電動(dòng)機(jī)基體、開(kāi)關(guān)電路、位置傳感器三部分，如圖2.1所示。圖2.1無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的組成(1)電機(jī)基體稀土永磁電動(dòng)機(jī)基體是由帶有電樞繞組的定子和永磁轉(zhuǎn)子組成。常用的有三種結(jié)構(gòu)形式:轉(zhuǎn)子鐵心外圓粘貼瓦片形稀土永磁體;轉(zhuǎn)子鐵心中嵌入矩形板狀稀土永磁體:轉(zhuǎn)子外套上一個(gè)整體粘結(jié)稀土磁環(huán)的環(huán)形永磁體。還有一種外轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)，即帶有稀土永磁極的轉(zhuǎn)子在外，嵌有繞組的定子在里。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，外轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。(2)開(kāi)關(guān)電路開(kāi)關(guān)電路由逆變器和驅(qū)動(dòng)電路組成。逆變器主電路有橋式(圖2.2a)和非橋式(圖2.2b)兩種。電樞繞組與逆變器聯(lián)接形式多種多樣，但應(yīng)用最廣泛的是三相星形六狀態(tài)(圖2.2a)。驅(qū)動(dòng)電路將控制電路的輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大，并向各開(kāi)關(guān)管送去能使其飽和導(dǎo)通與關(guān)斷的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。圖2．2橋式(a)與非橋式(b)逆變電路(3)轉(zhuǎn)子位置傳感器轉(zhuǎn)子位置傳感器是檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)于電樞繞組軸線的位置，向控制器提供位置信號(hào)的一種裝置。它由定、轉(zhuǎn)子組成，其轉(zhuǎn)子與電動(dòng)機(jī)同軸，以跟蹤電機(jī)本體轉(zhuǎn)子位置；其定子固定于電機(jī)本體定子或端蓋，以感應(yīng)和輸出轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。一般永磁直流電動(dòng)機(jī)的定子由永久磁鋼組成，其主要作用是在電動(dòng)機(jī)氣隙中產(chǎn)生磁場(chǎng)，其轉(zhuǎn)子一電樞繞組通電后產(chǎn)生反應(yīng)磁場(chǎng)，由于電刷的換相作用，使得這兩個(gè)磁場(chǎng)的方向在直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行過(guò)程中始終保持相互垂直，從而產(chǎn)生最大轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)不停地運(yùn)轉(zhuǎn)。直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)為了實(shí)現(xiàn)無(wú)刷換相，首先要求把一般直流電動(dòng)機(jī)的電樞繞組放在定子上，把永久磁鋼放在轉(zhuǎn)子上，這與傳統(tǒng)直流永磁電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)正好相反，而且還要由位置傳感器、控制電路以及功率邏輯開(kāi)關(guān)共同組成換相裝置，使得直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中由定子繞組所產(chǎn)生的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永久磁場(chǎng)，在空間中始終保持在90。左右的電角度，從而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩推動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn).無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)按驅(qū)動(dòng)方式可以分為半橋驅(qū)動(dòng)和全橋驅(qū)動(dòng)，按繞組接法又可分為星形連接和角形連接。不同的繞組接法和驅(qū)動(dòng)方式的選擇將會(huì)使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生不同的性能并且成本也不同，主要從以下三個(gè)方面來(lái)進(jìn)行分析:(1)繞組利用率開(kāi)關(guān)電路由逆變器和驅(qū)動(dòng)電路組成.逆變器主電路有橋式(圖2.2a)和非橋式(圖2.2b)兩種。電樞繞組與逆變器聯(lián)接形式多種多樣，但應(yīng)用最廣泛的是三相星形六狀態(tài)(圖2.2a)o驅(qū)動(dòng)電路將控制電路的輸出信號(hào)進(jìn)行功率放大，并向各開(kāi)關(guān)管送去能使其飽和導(dǎo)通與關(guān)斷的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。(2)轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩波動(dòng)比普通直流電動(dòng)機(jī)大，因此希望盡量減小轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。一般相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)越小，全橋驅(qū)動(dòng)比半橋驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)矩的波動(dòng)小。(3)電路成本相數(shù)越多，驅(qū)動(dòng)電路所使用的開(kāi)關(guān)管越多，成本越高，全橋驅(qū)動(dòng)比半橋驅(qū)動(dòng)所使用的開(kāi)關(guān)管多一倍，因此成本要高。多相電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也高。綜合上述分析，三相電機(jī)星形連接全橋驅(qū)動(dòng)方式綜合性能最好，應(yīng)用最多，本系統(tǒng)即是選擇的這種控制方式，下面介紹三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)星形連接全橋驅(qū)動(dòng)的基本原理。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2.3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)?？刂撇糠謩t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)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2.4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,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(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)間，此部分工作由PWM脈寬調(diào)制信號(hào)控制。圖2．3三相無(wú)刷直流電機(jī)工作原理圖2．4逆變器原理圖2.2電機(jī)的特性分析電機(jī)的運(yùn)行特性分析電動(dòng)機(jī)是一種輸入電功率、輸出機(jī)械功率的原動(dòng)機(jī)械，因此我們最關(guān)心的是它的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，以及轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速隨電壓、負(fù)載變化的規(guī)律。據(jù)此，電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性可分為:起動(dòng)特性、電動(dòng)運(yùn)行特性、機(jī)械特性及調(diào)速特性。對(duì)于無(wú)刷直流電機(jī)，其電勢(shì)平衡方程式為:式中U一一電源電壓(V);E一一電樞繞組反電勢(shì)(V);一一平均電樞電流(A);一一電樞繞組的平均電阻(Ω);一一功率器件的飽和管壓降(V).對(duì)于不同的電樞繞組形式和換向線路形式，電樞反電勢(shì)均可表示為:式中n一一電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速(r／min)；Ke一一反電勢(shì)系數(shù)(V／r/min)。由式2.1、2.2可知在轉(zhuǎn)速不變時(shí)，轉(zhuǎn)矩平衡方程式為：式中T--電磁轉(zhuǎn)矩（N·m）；Tl--輸出轉(zhuǎn)矩（N·m）T。--（N·m）這里T=Kt--轉(zhuǎn)矩系數(shù)(N·m／A)。在轉(zhuǎn)速變動(dòng)情況下，則有式中系數(shù)：J一一轉(zhuǎn)動(dòng)部分的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；--轉(zhuǎn)子的機(jī)械角加速度。下面從這些基本公式出發(fā)，來(lái)討論無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的各種運(yùn)行特性。起動(dòng)特性由式2.1、2.5、2.6可知，電動(dòng)機(jī)在起動(dòng)時(shí)，由于反電勢(shì)為零，因此電樞電流(即起動(dòng)電流)為其值可為正常工作電樞電流的幾倍到十幾倍。所以起動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩很大，電動(dòng)機(jī)可以很快起動(dòng)，并能帶負(fù)載直接起動(dòng)。隨著轉(zhuǎn)子的加速，反電勢(shì)E增加，電磁轉(zhuǎn)矩降低，加速力矩也減小，最后進(jìn)入正常工作狀態(tài)。(2)電動(dòng)機(jī)運(yùn)行特性在電動(dòng)運(yùn)行狀態(tài)下，6只開(kāi)關(guān)管任意時(shí)刻只有2只開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，分別屬于上橋臂和下橋臂。圖2．5電動(dòng)運(yùn)行等效電路圖由圖2．5的運(yùn)行等效電路圖可得，在電動(dòng)運(yùn)行時(shí)AH管和CL管導(dǎo)通時(shí)通電回路的回路電壓方程如下：式中一一相電勢(shì)，電動(dòng)運(yùn)行時(shí)最大幅值在電動(dòng)運(yùn)行時(shí)，換相前電路電流為零，換相后>0。由于R很小，可以忽略，故在電路接通后過(guò)渡過(guò)程結(jié)束前，i正向增加，電路工作在吸收電功率狀態(tài)，吸收的電功率為：對(duì)AH管和CL管進(jìn)行脈寬調(diào)制，改變占空比，就可控制電流i的平均值，從而控制平均轉(zhuǎn)矩。機(jī)械特性和調(diào)速特性分析機(jī)械特性是指外加電源電壓恒定時(shí)，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速和電磁轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。由式2．1、2．2、2．3可知，式2．12等號(hào)右邊的第一項(xiàng)是常數(shù)(當(dāng)不計(jì)AU的變化和電樞反應(yīng)的影響時(shí))。所以電磁轉(zhuǎn)矩隨著轉(zhuǎn)速的減小而線性增加。當(dāng)速度為零時(shí)，即為起動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩。當(dāng)式2.11右邊兩項(xiàng)相等時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為零，此時(shí)的轉(zhuǎn)速即為理想空載轉(zhuǎn)速。實(shí)際上，由于電動(dòng)機(jī)損耗中可變部分及電樞反應(yīng)的影響，輸出轉(zhuǎn)矩稍稍偏離直線變化。又因?yàn)楣β示w管的飽和管壓降隨著集電極電流的變化而變化，在基極電流不變時(shí)，功率晶體管的飽和壓降和集電極電流之間成正比的關(guān)系。所以，隨著轉(zhuǎn)速的減小，電動(dòng)機(jī)的反電勢(shì)也減小，電樞電流增加，△U增大，到一定值以后，增加較快。所以其機(jī)械特性是在接近堵轉(zhuǎn)(即轉(zhuǎn)速很低)時(shí)，加快下跌。若假定外加直流電壓一定，減小電機(jī)負(fù)載，轉(zhuǎn)速升高，逆變器的觸發(fā)頻率也會(huì)提高，同時(shí)反電勢(shì)增加，電流減小，電磁轉(zhuǎn)矩也減小。當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡時(shí)，電機(jī)就維持在一個(gè)較高的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。如果負(fù)載不變，提高外加直流電壓，則轉(zhuǎn)速升高，逆變器的頻率提高，反電勢(shì)增大，使電流減小，電磁轉(zhuǎn)矩又呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，這樣就使電機(jī)維持在一個(gè)較高的轉(zhuǎn)速下運(yùn)行。由此可見(jiàn)，由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的自同步性，其調(diào)速方法與有刷直流電動(dòng)機(jī)非常相似，可通過(guò)調(diào)節(jié)直流電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。又從式2.12可見(jiàn)，改變電源電壓，可以很容易地改變輸出轉(zhuǎn)矩(在同一轉(zhuǎn)速下)或(在同一負(fù)載下)。所以在電子換相線路及其它控制線路保持不變的情況下，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速性能很好，可以利用改變電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)平滑的調(diào)速。其他特性分析無(wú)刷直流電機(jī)的基本物理量有電磁轉(zhuǎn)矩、電樞電流、反電動(dòng)勢(shì)和轉(zhuǎn)速等。這些物理量的表達(dá)式與電機(jī)氣隙磁場(chǎng)分布、繞組形式有十分密切的關(guān)系.對(duì)于稀土永磁無(wú)刷直流電機(jī)，其氣隙磁場(chǎng)波形可以為方波，也可以是正弦波或者梯形波，本文主要研究方波無(wú)刷直流電機(jī)的特性及其控制策略，其氣隙磁場(chǎng)的理想波形如圖2.6所示。為氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度.對(duì)于二相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無(wú)刷直流電機(jī)，方波氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度在空間的寬度應(yīng)大于120°電角度，在定子電樞繞組中感應(yīng)的梯形波反電勢(shì)的平頂波寬度應(yīng)大于120°電角度。這種具有方波氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度分布、梯形波反電勢(shì)的無(wú)刷直流電機(jī)稱為方波電機(jī)。方波電機(jī)通常采用方波電流驅(qū)動(dòng)，即與120°導(dǎo)通型三相逆變器相匹配，由逆變器圖2．6方波氣隙磁場(chǎng)分布向方波電機(jī)提供三相對(duì)稱的、寬度為120°ia分別為一相的反電勢(shì)和相電流。2.3直流電動(dòng)機(jī)的PWM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2.8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Us,t1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。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.理想空載轉(zhuǎn)速與占空比a成正比。2.4霍爾傳感器霍爾器件是一種磁傳感器。按照霍爾器件的功能可將它們分為:霍爾線性器件和霍爾開(kāi)關(guān)器件。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量，可用于磁場(chǎng)的測(cè)量和控制。霍爾器件具有許多優(yōu)點(diǎn)，它們的體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)，安裝方便，功耗小，頻率高(可達(dá)1MHz),耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕?；魻栭_(kāi)關(guān)器件無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)磨損、輸出波形清晰、無(wú)抖動(dòng)，無(wú)回跳、位置重復(fù)精度高。此外，其工作溫度范圍寬，可達(dá)一55°C-150°C。由無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)工作原理可知，電機(jī)位置傳感器在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中起著測(cè)定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為邏輯開(kāi)關(guān)電路提供正確的換相信息。由于電動(dòng)自行車(chē)的電機(jī)安裝在輪毅內(nèi)，對(duì)電機(jī)的尺寸和位置傳感器體積的要求都比較高，考慮傳感器的體積和性能通常采用的傳感器是磁敏式開(kāi)關(guān)式傳感器，目前使用最廣泛的是開(kāi)關(guān)型霍爾集成傳感器。開(kāi)關(guān)型霍爾集成傳感器開(kāi)關(guān)型集成霍爾元件，簡(jiǎn)稱霍爾開(kāi)關(guān)，是由電壓調(diào)整器、霍爾元件、差分放大器、施密特觸發(fā)器和輸出級(jí)組成的集成電路。輸入是磁感應(yīng)強(qiáng)度，輸出是數(shù)字信號(hào)。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)與引腳以及輸出特性如圖2.9所示。由此可見(jiàn)開(kāi)關(guān)集成霍爾傳感器可與數(shù)字電路直接配合使用，直接滿足控制系統(tǒng)的需要?；魻柶骷跓o(wú)刷直流電機(jī)中的應(yīng)用當(dāng)霍爾傳感器用作無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息檢測(cè)裝置時(shí)，將其安放在電機(jī)定子的適當(dāng)位置，霍爾器件的輸出與控制部分相連。當(dāng)無(wú)刷直流電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)霍爾器件附近時(shí)，永磁轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)令霍爾器件輸出一個(gè)電壓信號(hào)，該信號(hào)被送到控制部分，由控制部分發(fā)出信號(hào)使得定子繞組供電電路導(dǎo)通，給相應(yīng)的定子繞組供電，從而產(chǎn)生和轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)極性相同的磁場(chǎng)，推斥轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng).當(dāng)轉(zhuǎn)子到下一位置時(shí)，前一位置的霍爾器件停止工作，下一位置的霍爾器件輸出電壓信號(hào)，控制部分使得對(duì)應(yīng)定子繞組通電，產(chǎn)生推斥場(chǎng)使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，如此循環(huán)，維持電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。第三章無(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)作為主控芯片可以彌補(bǔ)上述兩方案的不足。3.1單片機(jī)選擇目前，市場(chǎng)上有很多無(wú)刷電機(jī)專(zhuān)用控制芯片，大部分電動(dòng)車(chē)生產(chǎn)廠商采用Motorola公司的MC3303無(wú)刷電機(jī)專(zhuān)用控制芯片，它具有無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)所需要的基本功能。本設(shè)計(jì)采用PIC16F72單片機(jī)作為主控芯片，不僅可以實(shí)現(xiàn)專(zhuān)用控制芯片MC33035的全部功能，而且容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展，通過(guò)軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多功能的電機(jī)控制。(1)價(jià)格因素?？紤]到該設(shè)計(jì)要與市場(chǎng)接軌，因此價(jià)格問(wèn)題尤為重要，要選擇一個(gè)性價(jià)比較高的單片機(jī)，包括單片機(jī)的單片價(jià)格和開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的造價(jià)。(2)性能因素。通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)分析，8位單片機(jī)可以滿足系統(tǒng)控制精度的要求.由于整個(gè)系統(tǒng)有多種模擬參數(shù)需要轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，因此選用的單片機(jī)應(yīng)該有多通道A/D轉(zhuǎn)換模塊。在無(wú)刷電機(jī)控制中，脈寬調(diào)制PWM技術(shù)廣泛應(yīng)用，因此所選單片機(jī)應(yīng)具有脈寬調(diào)制輸出端口。(3)安全因素.電子產(chǎn)品的安全性是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，作為控制系統(tǒng)的核心，單片機(jī)的安全性必須達(dá)到系統(tǒng)要求。C單片機(jī)特點(diǎn)PIC(PeripheryInterfaceChip)系列單片機(jī)是美國(guó)Microchip公司生產(chǎn)的產(chǎn)品.PIC單片機(jī)以其獨(dú)特的硬件系統(tǒng)和指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，逐漸被廣大工程設(shè)計(jì)人員采用。Microchip公司是一家集開(kāi)發(fā)、研制和生產(chǎn)為一體的專(zhuān)業(yè)單片機(jī)芯片制造商，其產(chǎn)品綜合應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路，具有很強(qiáng)的技術(shù)特色。產(chǎn)品采用全新的流水線結(jié)構(gòu)，單字節(jié)指令體系，嵌入Flash以及10位A/D轉(zhuǎn)換器。使之具有卓越的性能，代表著單片機(jī)發(fā)展新的潮流。PIC系列單片機(jī)具有高，中，低3個(gè)檔次，可以滿足不同用戶開(kāi)發(fā)的需求，適合在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用.PIC系列單片機(jī)具有如下特點(diǎn):(1)單片機(jī)種類(lèi)豐富PIC最大的特點(diǎn)是不搞單純的功能堆積，而是從實(shí)際出發(fā)，重視產(chǎn)品的性能與價(jià)格比，靠發(fā)展多種型號(hào)來(lái)滿足不同層次的應(yīng)用要求。就實(shí)際而言，不同的應(yīng)用對(duì)單片機(jī)功能和資源的需求也是不同的.(2)哈佛總線結(jié)構(gòu)PIC系列單片機(jī)在普林斯頓體系結(jié)構(gòu)和哈佛體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上采用獨(dú)特的哈佛總線結(jié)構(gòu)，徹底將芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線和指令總線分離，為采用不同的字節(jié)寬度，有效擴(kuò)展指令的字長(zhǎng)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。圖3.1描述了PIC單片機(jī)的結(jié)構(gòu)。(3)RISC技術(shù)RISC(ReducedInstructionSetComputer)是指精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)。RISC技術(shù)并非只是簡(jiǎn)單地去減少指令，而是著眼于如何改善計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)，更加簡(jiǎn)單合理地提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。PICF877單片機(jī)指令集系統(tǒng)只有35條指令，全部采用單字節(jié)指令，而且除4條判斷轉(zhuǎn)移指令發(fā)生間跳外，均為單周期指令，執(zhí)行速度較高.(4)指令特色PIC系列單片機(jī)的指令系統(tǒng)具有尋址方式簡(jiǎn)單和代碼壓縮率高等優(yōu)點(diǎn).(5)功耗低由于PIC系列單片機(jī)采用CMOS結(jié)構(gòu)，使其功率消耗極低。(6)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)PIC系列單片機(jī)I/O端口驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力較強(qiáng)，每個(gè)輸出引腳可以驅(qū)動(dòng)多達(dá)20-25mA的負(fù)載，既能夠高電平直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管LED、光電禍合器、小型繼電器等，也可以低電平直接驅(qū)動(dòng)，這樣可以大大簡(jiǎn)化控制電路。(7)同步串行數(shù)據(jù)傳送方式可以滿足主控/從動(dòng)和主控總線要求。(8)應(yīng)用平臺(tái)界面友好，開(kāi)發(fā)方便Microchip公司為用戶提供了周全的技術(shù)方案，不管是對(duì)初學(xué)者還是后續(xù)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，都提供了完善的硬件和軟件支持，包括各種檔次的硬件仿真器和編程器。(9)程序存儲(chǔ)器版本齊全Microchip公司提供的產(chǎn)品是一個(gè)單片機(jī)系列，可供選擇的存儲(chǔ)器類(lèi)別和產(chǎn)品封裝工藝的形式較多，為產(chǎn)品的不同試驗(yàn)階段和不同應(yīng)用場(chǎng)合可提供一個(gè)全方位的選擇內(nèi)容和不同的性能檔次。PIC16F72單片機(jī)的功能特性(1)功能部件特性·帶8位A/D轉(zhuǎn)換輸入·高驅(qū)動(dòng)電流，I/O腳可直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管(LED)顯示每個(gè)I/O引腳最大灌電流25mA;每個(gè)I/O引腳最大拉電流25mA·雙向可獨(dú)立編程設(shè)置I/O引腳·8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器TMR0，帶8位預(yù)分頻·有1路捕捉輸入/比較輸出/PWM輸出(CCP)·16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器TMR1，睡眠中仍可計(jì)數(shù)·8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器TMR2·帶有8位的周期寄存器及預(yù)分頻器和后分頻器(2)微控制器特性·內(nèi)置上電復(fù)位電路(POR)·上電定時(shí)器，保障工作電壓的穩(wěn)定建立·振蕩定時(shí)器，保障振蕩的穩(wěn)定建立·斷電復(fù)位鎖定，即當(dāng)芯片電源電壓下降到某一值以后時(shí)，使芯片保持復(fù)位，當(dāng)電源電壓恢復(fù)正常后恢復(fù)運(yùn)行·內(nèi)置自振式(RC振蕩)看門(mén)狗·程序保密位，可防程序代碼的非法拷貝·掉電保護(hù)電路·在線串行編程WM信號(hào)在PIC單片機(jī)中的處理改變直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法分為勵(lì)磁控制法(控制磁通)與電樞電壓控制法(改變電樞端電壓)。在眾多的電樞電壓控制方法中，脈寬調(diào)制PWM(PulseWidthModulation)技術(shù)因?yàn)樾栌玫拇蠊β士煽仄骷?、線路簡(jiǎn)單、調(diào)速范圍寬、電流波形系數(shù)好、附加損耗小、功率因數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)，從而得到廣泛應(yīng)用。CCP(捕捉輸入/比較輸出/PWM輸出)模塊是PIC16F72芯片的重要組成部分，它有3種工作方式:捕捉方式、輸出比較方式和脈寬調(diào)制方式。當(dāng)處于脈寬調(diào)制工作方式時(shí)，可以在引腳輸出分辨率高達(dá)10位的PWM信號(hào)。用程序語(yǔ)句控制PWM信號(hào)的周期和高電平持續(xù)時(shí)間，從而控制電機(jī)電樞電壓，達(dá)到調(diào)速目的。3.2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3.2所示。c和面板顯示電路Panel.SchDoc三個(gè)功能模塊。如圖3.3所示，單片機(jī)作為控制核心，向驅(qū)動(dòng)電路傳遞PWM信號(hào)、a相頂端驅(qū)動(dòng)信號(hào)aTOP、b相頂端驅(qū)動(dòng)信號(hào)bTOP、c相端驅(qū)動(dòng)信號(hào)cTOP、a相底端驅(qū)動(dòng)信號(hào)aBTM、b相底端驅(qū)動(dòng)信號(hào)bBTM、c相底端驅(qū)動(dòng)信號(hào)cBTM;通過(guò)I/0口向面板顯示電路傳遞CLK時(shí)鐘信號(hào)、RST復(fù)位信號(hào)和DAT數(shù)據(jù)信號(hào)。單片機(jī)從驅(qū)動(dòng)電路部分獲得a相傳感器位置信號(hào)aSensor、b相傳感器位置信號(hào)bSensor、c相傳感器位置信號(hào)cSensor、剎車(chē)指令信號(hào)kBRK、電流采樣信號(hào)adCur。各種功能模塊之間共地，電源使用+36v電池作為電源。功能邏輯連接部分不包括電源和接地部分。3.3微控制器電路微控制器電路由微控制核心PIC16F72單片機(jī)、邏輯保護(hù)門(mén)74LS00和+5V電源電路構(gòu)成，附加電路包括電源濾波電路、位置傳感器信號(hào)采集電路、電池電壓降壓監(jiān)測(cè)電路、微控制器時(shí)鐘振蕩電路和上電復(fù)位電路構(gòu)成;同時(shí)電路向外提供各種輸入和輸出接口:助力傳感器接口fSensor、速度傳感器接口SP、速度限定接口SE、a相位傳感器輸入接口cSensor,b相位傳感器輸入接口bSensor,c相位傳感器輸入接口cSensor、一個(gè)模式開(kāi)關(guān)接口KMOD,剎車(chē)開(kāi)關(guān)接口kBRK、面板接口Panel.(1)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)采集電路R60,D5,R63和C11構(gòu)成a相轉(zhuǎn)子位置信號(hào)采集電路;R61,D6,R64和C12構(gòu)成b相轉(zhuǎn)子位置信號(hào)采集電路;R62,D7,R65和C13構(gòu)成c相轉(zhuǎn)子位置信號(hào)采集電路。本系統(tǒng)采用的是開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器作為電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器，此霍爾傳感器是集電極開(kāi)路輸出，所以要在檢測(cè)環(huán)節(jié)加上拉電阻.此外，電路中對(duì)檢測(cè)波形采取了硬件濾波措施。經(jīng)過(guò)電阻上拉和濾波后的信號(hào)被送到單片機(jī)的1/O口。以a相轉(zhuǎn)子位置信號(hào)采集電路為例，當(dāng)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出為低電平，二極管D5導(dǎo)通，單片機(jī)cSensor端口采集到數(shù)字0;當(dāng)轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出為高電平，二極管D5截止，VCC使得單片機(jī)cSensor端口采集到數(shù)字1，電路如圖3.4所示。(2)速度控制電路和電池電壓檢測(cè)電路速度控制電路由電位器JP1、JP2、電阻R9一R12構(gòu)成了，JP1外接電動(dòng)車(chē)轉(zhuǎn)把電位器，通過(guò)改變電位器2和3端口的阻值，改變單片機(jī)adSPD端口采集到的電壓值，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，控制單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)的占空比，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速控制。JP2是限速用電位器，限制單片機(jī)AD輸入口adSPD的上限，從而限制電動(dòng)自行車(chē)的速度上限。電池電壓檢測(cè)電路二極管D2、電阻R5、R6和電容C14構(gòu)成，由電阻R5和R6對(duì)輸入的電池電壓進(jìn)行分壓，通過(guò)微控制器的ADC單元，采集分壓后的參量，計(jì)算出電池的電壓。(3)+5V電源電路+5V電源電路由三端穩(wěn)壓器U3、電容C7-C(4)邏輯保護(hù)電路U2為四輸入與非門(mén)74LS00，用于控制底端輸出，其作用是硬件邏輯保護(hù)，從硬件上絕同一橋臂的兩個(gè)MOSFET管同時(shí)導(dǎo)通的狀況發(fā)生;ATOP,bTOP和CTOP為三相頂端驅(qū)動(dòng)接口，在電路中，定義該接口為低電平有效。aBOT,bBOT和cBOT為三相底端驅(qū)動(dòng)接口，在電路中，定義該接口為高電平有效。aBTM.bBTM和cBTM為經(jīng)過(guò)邏輯保護(hù)后的三相底端驅(qū)動(dòng)接口，在電路中，定義該接口為低電平有效。圖3.8為與非門(mén)真值表，以A相為例，輸入端A連接aTOP，輸入端B連接aBOT,輸出端Y連接aBTM，由真值表可見(jiàn)，當(dāng)頂端驅(qū)動(dòng)接口aTOP處于有效的低電平狀態(tài)時(shí)，經(jīng)過(guò)邏輯保護(hù)后的底端驅(qū)動(dòng)接口aBTM為無(wú)效的高電平狀態(tài)：只有當(dāng)頂端驅(qū)動(dòng)接口aTOP處于無(wú)效的高電平狀態(tài)，并且底端驅(qū)動(dòng)接口aBOT處于有效的高電平狀態(tài)時(shí)，經(jīng)過(guò)邏輯保護(hù)后的底端驅(qū)動(dòng)接口aBTM才會(huì)為有效的低電平狀態(tài)?？梢?jiàn)，硬件邏輯保護(hù)使得aTOP和aBTM不可能同時(shí)有效，從而避免了同相橋臂同時(shí)導(dǎo)通的危險(xiǎn)。3.4三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)定性優(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)第二章所述，半橋逆變器的控制比較復(fù)雜，需要六組控制信號(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2.4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3.9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)要求可概括如下:(1)柵極電壓一定要比漏極電壓高10-15V，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。為滿足柵極高于漏極10V-15V的要求，需要采用升壓電路[321(1)驅(qū)動(dòng)電路如圖3.9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(a相2腳、b相1腳、c相14腳)電平分別為12V的有效狀態(tài)或大于25V的無(wú)效狀態(tài)。當(dāng)某相頂端驅(qū)動(dòng)電路有效時(shí)，場(chǎng)效應(yīng)器件VF1(或VF3,VF5)的柵極電壓不低于46V，才能保證場(chǎng)效應(yīng)管的充分導(dǎo)通.導(dǎo)通后，X1(或X2,X3電壓與電池電壓相同)。由于MOSFET管的柵極絕緣柵易被擊穿破壞，因此柵源間電壓不得超過(guò)正負(fù)20V.柵源間并聯(lián)電阻或齊納二極管，以防止柵源間電壓過(guò)大。本設(shè)計(jì)中，頂端驅(qū)動(dòng)電路中的15V穩(wěn)壓二極管DZ2,DZ4和DZ6為保護(hù)二極管。漏源間也要加保護(hù)電路以防止開(kāi)關(guān)過(guò)程中因電壓的突變而產(chǎn)生漏極尖峰電壓損壞管子，可用齊納二極管籍位.當(dāng)電機(jī)意外突然停轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)繞組產(chǎn)生瞬間的反向高壓可能會(huì)損壞功率管，所以在直流母線上并聯(lián)一只耐高壓電容，意外停機(jī)時(shí)，母線上產(chǎn)生的瞬間高壓會(huì)由于電容兩端電壓不能突變而得到抑制。底端電壓驅(qū)動(dòng)電路采用NE555內(nèi)部的推挽電路，利用單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號(hào)調(diào)制底端驅(qū)動(dòng)信號(hào)，調(diào)制后的信號(hào)通過(guò)電阻藕合至底端驅(qū)動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)管的柵極，控制場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通狀態(tài)。因?yàn)榈锥蓑?qū)動(dòng)電路中NE555功耗較大，因此，需要為U8、U9和U10配上禍合電容C37、C39和C43.底端電壓驅(qū)動(dòng)電路中的R22,R30,R38為串聯(lián)柵電阻，是場(chǎng)效應(yīng)管底端驅(qū)動(dòng)的保護(hù)電路，可消去由MOSFET電容和柵一源電路在任何串聯(lián)繞組感應(yīng)而生的高頻振蕩.以A相為例，頂端驅(qū)動(dòng)，當(dāng)LM339的2口輸出為低時(shí)，VZl正端接地，使得Ql基極電壓為22V，Ql開(kāi)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。(2)電流采樣由于負(fù)載的變化可能會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，以致超過(guò)器件的額定峰值電流，所以要通過(guò)電流采樣電阻反應(yīng)主回路的電流變化，在微秒級(jí)的時(shí)間內(nèi)將MOS管關(guān)斷。因此，驅(qū)動(dòng)電路地端通過(guò)電流采樣電阻Ri(康銅絲)與系統(tǒng)地相連，Ri值的選取一方面要考慮工作效率和采樣電阻上的功耗考慮，應(yīng)當(dāng)比較小。因此，系統(tǒng)中兼顧了兩方面的問(wèn)題，將Ri上面的電壓降控制在0.2V以內(nèi)，在該點(diǎn)附近設(shè)置了硬件保護(hù)電路的極限電壓。由于Ri上的電流是通過(guò)PWM信號(hào)調(diào)制的，所以當(dāng)對(duì)Ri上的電壓作采樣時(shí)，應(yīng)當(dāng)通過(guò)濾波電容C36(見(jiàn)圖3.11)對(duì)包含大量PWM信號(hào)的電壓作平滑處理。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3.10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，提高電路穩(wěn)定性。如圖3.11所示，NE555的電源接+36V電壓，地端接+21V電壓。NE555D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NE555D的3腳輸出后，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。NE555D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)NE555D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)NE555D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C23,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。為了增加控制系統(tǒng)的可靠性和安全