无刷直流电动机控制系统设计毕业设计（论文） .doc

键入文字 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 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 北京信息职业技术学院毕业论文 ii 目录 无刷直流电动机控制系统设计 1 摘要 i 目录 .ii 第一章 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 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 无刷直流电机硬件设计 10 3.1 硬件组成 10 3.2 三相全桥逆变电路和驱动电路 11 3.3 速度控制电路 15 3.4 其他 15 第四章 系统软件设计 17 4.1 概述 17 目录 iii 4.2 主程序 18 4.3 中断 21 4.4 ad 转换 .22 4.5 pwm(脉冲宽度调制) .24 4.6 位置信号和驱动信号的对应关系 25 4.7 数字 pi 速度调节 .25 结论 .29 致谢 .30 参考文献 .31 第一章 概述 1 第一章 概述 1.1 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，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， 北京信息职业技术学院毕业论文 2 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，均为无刷直流电机的广泛应用奠定了坚实的基 础。 第一章 概述 3 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 与有刷直流电动机相比，bldc 电机有许多有优点，也有一些缺 点。无刷电机需要的维护较少，因此和有刷直流电机相比寿命更长。 北京信息职业技术学院毕业论文 4 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 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 第一章 概述 5 壳的定子上，因而散热更好。 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。 表 1-2 将 bldc 电机与感应电机比较 特性 bldc 电机 交流感应电机电机 转速 平坦-在负载额定的条件下， 非线性-低转速下转矩也低。 北京信息职业技术学院毕业论文 6 /转 矩特 性 可在所有转速下正常工作。 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。 第一章 概述 7 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 semiconductor 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 北京信息职业技术学院毕业论文 8 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计。 第二章 无刷直流电机控制系统设计方案 9 第二章 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 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, cl(下桥臂功率晶 北京信息职业技术学院毕业论文 10 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。 第二章 无刷直流电机控制系统设计方案 11 图 2-1 三相无刷直流电机工作原理 inverter motor ah al bh bl ch cl inverter 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 北京信息职业技术学院毕业论文 12 101 ah,bl 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 pwm 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 获得可调的直流电压，利用电力电子器件的完全可控性，采用脉宽 第二章 无刷直流电机控制系统设计方案 13 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，开关管的动作重复前面 的过程。 u1 0 t u0 us t1 t2 0 图2-3 输入输出电压波形 电动机电枢绕组两端的电压平均值 。为: 北京信息职业技术学院毕业论文 14 （2-u tats11210 1） 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。 第三章 无刷直流电机硬件设计 15 电源 语法 错误， v 第三章 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。 3.1 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、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。 电源 北京信息职业技术学院毕业论文 16 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 逻辑保护电路 电流检测 驱 动 电 路 电 机 转子位置信息 5v 36v 50v pwm 图3-1 硬件系统框图 3.2 三相全桥逆变电路和驱动电路 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，只需三组独立控制信号，且任一时刻导通 第三章 无刷直流电机硬件设计 17 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。 3.2.1 顶端、底端驱动电路 (1) 驱动电路 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 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， 第三章 无刷直流电机硬件设计 19 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。 4 5 2 3 12 atop c26 c29 c43 r15dz1 dz2q1 q2 r16 r17 r18 r19 r20 +12 r22 r21 +36 +36 pwm abtm trig2 out 3 rst4 cvolt5 thr6 dis 7 vcc 8 gnd1 u1 +12 +50+12 4 5 2 3 12 atop c27 c30 c39 r23dz3 dz4q3 q4 r24 r25 r26 r27 r28 +12 r30 r29 +36 +36 pwm abtm trig2 out 3 rst4 cvolt5 thr6 dis 7 vcc 8 gnd1 u2 +12 +50+12 4 5 2 3 12 atop c28 c31 c37 r31dz5 dz6q5 q6 r32 r33 r34 r35 r36 +12 r38 r37 +36 +36 pwm abtm trig2 out 3 rst4 cvolt5 thr6 dis 7 vcc 8 gnd1 u3 +12 +12 r51 outr26 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 3.2.2 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 北京信息职业技术学院毕业论文 20 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。 in1 out 3gnd 2 u6 lm7812ct(3) in(tab)2 out 3gnd 1u4 lm7915ct(3) c33104 c18104 c19104c20104 c34104c35104 r14 1.5k r452.4k .ic pcb.ic .icpcb.ic +36 +36+36 +36 +21+12 +12+36 图3-3 +21v和+12v电源电路 3.2.3 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 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 第三章 无刷直流电机硬件设计 21 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 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, c25 充电， 这样经过若干周期的反复充电，电容 c25 上的电压就升到后部驱动 所需要的 51v 恒定电压。 .ictest voc tor .ic pcb .ictest voc tor .ic c21103 c24 105 c22103 c36105 c23 105r50 10k r47 51 r13 1.5k r48 10k r49510 r461k d?diode 11 1013 12 3 u?a lm339 c25 104 dz20v trig2 out 3 rst4 cvolt5 thr 6 dis 7 vcc 8 gnd1 u5 ne555 out r13 1.5k +12 +36 +36 +12 +36 d41n4148 d3 1n4148 +51 kbuk tp1 图 3-4 振荡倍压电路和纯硬件保护电路 北京信息职业技术学院毕业论文 22 3.3 速度控制电路 如图 3-5 所示，为速度控制电路。 12 3 j2 con3 12 j3 con2 12 3 j1 con3 c15104 r14 1.5k r9 1.5k r31 r121k vcc vcc 图 3-5 速度控制电路 3.4 其他 3.4.1 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 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）tidq 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）titidndd.21 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 第三章 无刷直流电机硬件设计 23 的容量比较困难。 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。 3.4.2 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。 北京信息职业技术学院毕业论文 24 第四章 系统软件设计 4.1 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， 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。 第四章 系统软件设计 25 (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，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。 4.2 主程序 北京信息职业技术学院毕业论文 26 程序主流程图如图 4-1 所示，主程序上电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、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 27 助力 n n n n 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 北京信息职业技术学院毕业论文 28 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 是否有效? fun-cal-tover cmp-sensor 相位有错? 对欠压端进行采样 改变指示灯状态 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 n n n n 定速 电动 第四章 系统软件设计 29 图 4-2 正常工作模式流程图 4.3 中断 4.3.1 单片机中断资源 是否欠压 对过流端进行采样 返回 y n n 北京信息职业技术学院毕业论文 30 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 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 status、指针寄存器 pclath 的值; (2) 逐个判断可能产生中断的中断标志位和中断允许位，只有 二者同时有效时才执行相应的中断服务程序; (3) 中断返回时恢复这三个寄存器的值。 4.3.2 定时器资源分配 定时器/计数器的作用:检测外部电路送来的一系列方波信号的 脉宽、周期或者频率:对外部事件产生的触发信号进行准确地计数计 时。pic16f72 配置了 3 个定时器/计数器模块:tmro、tmr1、tmr2。 (1) tmro:8 位宽，有一个可选的预分频器，用于通用目的。 第四章 系统软件设计 31 (2) tmr1:16 位宽，有一个可编程的预分频器和一个可选的低 频时基振荡器.适合与 ccp 捕捉/比较/脉宽调制)模块配合使用来实 现输入捕捉或输出比较功能。 (3) tmr2:8 位宽，有一个可编程的预分频器和一个可编程的后 分频器，还附带一个周期寄存器和比较器，适合与 ccp 模块配合使 用来实现 pwm 脉冲宽度调制信号的产生。这时，应通过将中断使能 位 tmr2 清 0，把 tmr2 的中断功能屏蔽掉，同时也把后分频器的作 用屏蔽掉;通过向周期寄存器 pr2 中写入不同的值，以及给预分频器 设定不同的分频比，来灵活调整 tmr2 输出端的信号周期. 根据三个定时器的特点，在程序中将资源分配如下: (1) tmr0:计算助力传感器送出的高低电平持续时间;用做欠压 保护 5 秒钟的定时器;计算电机换相时间。 (2) tmr1:做为跳出自检模式 2 秒钟时间的定时器;通过改变定 时时间，控制 pwm 占空比输出;用于模式转换按键的时间判断;用于 堵转保护的时间判断。 (3) tmr2:控制自检模式下 led speed 闪烁的频率;用做周期可 调的时基发生器，为 pwm 提供周期可调的时基信号。 4.3.3 mod键(int中断)处理模块 模式转换由外部中断 1nt 完成，电机正常运转时始终允许 mod 键中断。自检完成后，若工作条件正常，启动电机，进入电动模式， 此时按下 mod 键，按键标志位 kmod flag 置 1，在 t1 中断服务子程 序中判断，若按下 mod 键小于 2 秒，则进入助力模式:若按下 mod 北京信息职业技术学院毕业论文 32 键 2-3 秒进入定速模式。在助力或定速模式下按下 mod 键，返回电 动模式。 4.4 ad转换 本系统涉及到 a/d 转换的参量有电池电压值、转把给定值、过 流电阻的采样电压值。每次 a/d 转换结束后，单片机都将把采样后 经过转换的数据放入相应的存储单元，供其他子程序调用，ad 转换 子程序，如图 4-3 所示。 pic16f72 单片机内部的 ad 模块是 8 位的，具有 5 个模拟通道。 通过定义 ad 控制寄存器 1 的 a/d 转换引脚功能选择位可以分配模拟 和数字通道。 ad 模块的操作过程要求占用较多的时间，其占用的时间主要包 含两个部分;采样/保持电容的充电时间和 a/d 转换电路的转换时间。 每一位数据的转换时间被定义为 tad。为了保证 a/d 转换电路正确 地进行转换，所选 a/d 转换时钟源必须满足最小 tad 时间要求，即 tad 不得小于 1.6us 。 对于模拟输入电压:当模拟输入电压高于单片机电源正电压 vdd 或者低于单片机电源负电压 vss 有 0.2v 以上时，将会使得 a/d 转换 精度有所下降。为了消除输入模拟量上的噪声所带来的偏差，需要 在 a/d 转换器的模拟输入通道中加入阻容 rc 滤波电路。 第四章 系统软件设计 33 图4-3 模数转换子程序流程图 在 a/d 转换的过程中，可能出现随机千扰、误检或者传感器不 稳定而引起的失真，所以需要采取一定的算法以得到较为精确和稳 定的转换结果。 采用的算法如下:每轮进行 8 次采样，第一次采样值存入一备份 寄存器 xx_tmp, 接下来每次采样得到的值存入 adc_res，采样结果应该满足下 述算法: adc_res 内的值应大于 0x03，否则认为无效； adc_res 应小于 251(即 255-4)，否则认为无效； xx_tmp 应大于(adc_res-3) ，否则认为无效； xx_tmp 应小于(adc_res+4)，否则认为无效。 程序认为无效后就退出此轮采样，不保留采样值。 表 4-1 和 4-2 分别是电源电压转换数值表和转把电压转换数值 表。在设计转把电压与 pwm 占空比的对应函数时，参照了 motorola 公司生产的 mc33035 电机专用控制芯片的输出曲线:设定转把电压 入口,通道号 初始化 adc 延时等待 读取转换结果 返回,读通道结果 北京信息职业技术学院毕业论文 34 sp 的有效范围为 1.1v-3.3v;当 sp 对应的数字量在56,132范围时， 若 sp+1，则 duty(占空比)+1;当 sp 对应的数字量在132, 169范围 时，若 sp+1，则 duty(占空比)+2。 表4-1电源电压转换数值表 电源电压 数字量 电池电量1级变 36.0v 196 电池电量2级 34.5v 188 电池电量3级 32.4v 177 电池电量4级 31.0v 169 表4-2转把电压(sp)转换数值表 转把电压 0v 1.1v 2.6v 3.3v 5v 数字量 0 56 132 169 255 4.5 pwm(脉冲宽度调制) pic16f72 系列单片机配有输入捕捉/输出比较/脉冲宽度调制 ccp 模块。其中脉宽调制输出工作模式，适合用于从引脚上输出脉 第四章 系统软件设计 35 冲宽度随时可调的 pwm 信号，例如实现直流电机调速、步进电机的 变频控制等。 当 ccp 工作于 pwm 模式时，ccp 引脚可以输出分辨率达 10 位的 pwm 信号波形。产生如此波形需要确定两个基本参数:一个是周期 (高电平和低电平持续时间之和);另一个是脉宽(高电平持续时间)。 如图 4-4 所示。 周期 周期 脉宽 tmr2=周期值时 tmr2=脉宽值时 图4-4 脉宽调制器输出波形 当 ccp 工作于 pwm 模式时，确定 pwm 信号周期所用到的定时器 就是 8 位宽的时基定时器 tmr2，而确定 pwm 信号脉宽所用到的定时 器则是 10 位宽的时基定时器(由定时器 tmr2 的 8 位和其低端扩展的 两位共同构成) pwm 信号的周期可以通过向 pr2 中写入数值来人为 设定。该周期计算公式如式（4-1）： pwm 周期=(pr2)+1x4xtoscx(tmr2 预分频) (4-1) 其中，tosc 为系统时钟周期;4tosc 为系统指令周期;tmr2 预分 频比可以是 1, 4 或 16,pw