电动自行车控制器设计毕业论.doc

本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 题题 目目 电动自行车控制器设计电动自行车控制器设计 作作 者者： 沈为亮 专专 业业： 自动化 班班 级级： 自 102 指导教师指导教师： 高宁宇 南通大学杏林学院 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 原原 创创 性性 声声 明明 本人声明：所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究成果。除了文 中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已发表或撰写过的研 究成果。参与同一工作的其他同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 签 名： 日 期： 本论文使用授权说明本论文使用授权说明 本人完全了解南通大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留论文及送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的 全部或部分内容。 （保密的论文在解密后应遵守此规定保密的论文在解密后应遵守此规定） 学生签名： 指导教师签名： 日期： 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 南通大学杏林学院南通大学杏林学院 毕毕 业业 设设 计（论文）计（论文） 杏林学院信息科学学部电器工程系 2014 年 6 月 题目： 电动自行车控制器设计电动自行车控制器设计 作 者： 沈为亮 专 业： 自动化 班 级： 自 102 指导教师： 高宁宇 南通大学杏林学院毕业设计（论文） 摘摘 要要 新能源和环保是时代的要求，因为它的节能无污染等特点，电动自行车无疑将 成为新能源车的骨干。以其优良的性能和负载特性的，无刷直流电动机已经被广泛运 用。 本文介绍了电动自行车及其控制器的发展趋势的历史；分析无刷直流电机的结 构和工作原理的特点；详细介绍 PIC16F72 单片机作为主控芯片为基础的控制器。硬 件实现的功能：电源设计，转把输入设计，驱动电路设计。在可靠性方面的系统设计： 该系统设计欠压，过流和堵转保护。本文还对控制器的可靠性和单片机系统进行了分 析。 电动自行车控制器的保护功能很全面，硬件结构简单，成本低，具有一定的扩 展空间，方便用户二次开发和工厂生产。 关键词：关键词：电动自行车，无刷直流电机，控制器，PIC16F72 单片机 南通大学杏林学院毕业设计（论文） I ABSTRACT New energy and environmental protection is the development of the times. Owning to the new advangs of energy-saving，Polluting-free and so on，there is no doubt that electric motorcycles will turn to be the backbone of new energy vehicles.based on the excellent speed performance and load characteristic ，Brushless DC motor has been broadly adapted to the driving system. The history of the development of electric motorcycle and the controller development have been described in detial. Analyzed the structural characteristics of brushless DC motor and principle. Described in detail based on PIC16F72 microcontroller chip for the master controller. Hardware implementation functions includes Power supply，Handel Input， driving circuit and so on.Less voltage protection，current excessive protection ande the wrong anle protection are designed to reinforce the system.Also，factor that affect the reliability of the system are discussed in this paper，and some methods are introduce soon after. This Electric bicycle controller has a perfect protection function， the hardware structure is simple， low cost， has some headroom， user secondary development and mass production factori. Key words： Electric Bicycle， Brushless DC Motor， Controller， PIC16F72 Microcontroller 南通大学杏林学院毕业设计（论文） II 目目 录录 摘 要I ABSTRACTII 第一章 引 言.1 1.1 电动自行车发展概况.1 1.2 无刷直流电动机的发展及现状.2 1.3 电动自行车控制器发展趋势2 1.4 本文主要研究的内容与意义3 第二章 无刷直流电机的结构和原理.4 2.1 无刷直流电动机的基本结构.4 2.1.1 无刷电动机本体.4 2.1.2 位置检测电路.5 2.1.3 逆变电路.5 2.1.4 三相无刷直流电机星型连接全桥驱动原理.6 2.2 无刷直流电动机的数学模型.7 2.3 无刷直流电机的运行特性8 2.4 无刷直流电机的脉宽调制方式10 第三章 无位置传感器控制的位置检测方法.12 3.1 无位置传感无刷直流电动机位置检测方法.12 3.1.1 状态观测法.12 3.1.2 磁链估计法.13 3.1.3 锁相环技术法.13 3.1.4 速度无关位置函数法.14 3.1.5 反电动势 法.14 3.2 无位置传感器无刷直流电机的起动.15 第四章 基于 PIC16F72 单片机的控制器设计.16 4.1 系统硬件的整体结构.16 4.2 单片机选择依据.16 4.3 PIC16F72 单片机主要性能17 4.4 电源电路设计18 4.5 限流驱动19 4.6 刹车电路19 4.7 手柄调速部分电路20 4.8 三相驱动信号预处理部分20 4.9 MOSFET 驱动部分 21 第五章 软件设计.22 5.1 软件设计.22 5.2 键盘和显示程序流程图.25 南通大学杏林学院毕业设计（论文) III 结束语.25 参考文献.25 致谢.26 南通大学杏林学院毕业设计（论文) 0 第一章第一章 绪绪 论论 1.1 电动自行车发展概况电动自行车发展概况 中国的石油资源相对稀缺，作为一种不可再生能源石油，世界储量是必要的。此外， 燃料的排放和电动机尾气的排放是造成空气污染的重要来源，绿色能源的发展是未来发 展的必然趋势。作为新能源电动机，低噪音，低功耗，没污染已成为各大电动机公司成 为战略规划的重要组成部分。世界各国政府已发出指引，补贴等政策，促进和鼓励电动 自行车的发展。因此，电动自行车具有广阔的发展空间和强大的生命力。 从 1992 年到现在，中国已改原状开始了自己的研究了，九十年代年底前基本依靠 进口的历史已经结束。经过近 10 几年的发展，目前已形成了一批电动自行车制造商， 其中许多已经具备了一定的实力。电动自行车来穿过城市街道，为方便人民群众的生产 和生活。 电动自行车，是指以辅助电池电源普通自行车的基础上，安装了电机，控制器，电 池，转动转向手柄和制动元件和仪器仪表系统集成屏幕的个人交通工具。 2013“中国电 动自行车产业创新论坛”统计显示，中国电动自行车保有截止时间进度，2013 年 2 亿辆。 这场争论一直在电动自行车“新国标”也将出台。新国标有望率先在电动自行车行业的重 大变革1。 电动自行车主要用于城市交通，大多数情况下的工作状态开始是加速和制 动，因此电动机的起动性能，加速度，速度和制动能量再生的效率低，电机过载能力， 能量密度，机器的可靠性对电动自行车来说尤为重要，它们是重要的指标来衡量电动自 行车电动机。目前还没有可选的专用电机、电动自行车只能选择一些常见的，如直流串 激电动机，直流并励电动机、永磁直流电机、异步电动机等。通用电瓶车恒定负载的特 点以及电动自行车特性的可变负荷特点，这两个特性不匹配从而影响电动机的输出，然 后影响电动自行车的性能。此外，通用电动机的最高效率点设计额定点附近，当负载偏 差一点，电机效率急剧下降，影响了车辆的旅行距离。开关磁阻电动机在低速转矩大， 但效率低，永磁同步电动机具有效率高、但不能提升低速转矩。2005 年以来，电动自 行车迅速发展使得一些相应产业也迅速发展，如其使用的电机及其电池等等，从而为电 动车发展提供了坚强的后动力。此外，电机控制理论飞速发展，如矢量控制等概念的提 出、交流电机里的变频调速、矢量控制等概念的提出，无刷直流电机、开关磁阻电机模 型的建立和控制理论应用，给电动车的发展提供了一定的理论和技术依托。 南通大学杏林学院毕业设计（论文) 1 1.2 无刷直流电动机的发展及现状无刷直流电动机的发展及现状 电机分为直流电机、同步电机和异步电机，在我国三种电机的生产分工较为明确， 无刷直流电机是三种电机的集合，是电机发展的高层次产品，代表电机的发展方向。 目前无刷直流电机研究刚刚起步，主要集中在高等学校，如浙江大学、北京航空航天 大学、上海交通大学等，均在进行 1.5kw 以下样机的研究试验，清华大学正在做 15KW 电机的样机实验，中科院正在做 28 KW 电机的样机实验。在企业中生产高性 能、大容量这种电机的厂家还没有，只有生产结构简单、性能较低、容量在 0.2KW 以下、用于电动自行车电机的厂家。国际发达国家对无刷直流电机的研制与中国大体 相当，但像美国、日本在无刷直流电机控制方面比中国先进2。 与其他电机相比，无刷直流电动机其主要优点是： 良好的性能，尤其是电机 低转速高转矩的特性，提供大转矩和稳定的加速度，与车辆要求的负载特性相一致。 速度范围内时，电动机可以在满功率以及任何速度下运作，这是无刷直流电动机的 一个独特的特征，它可以减少机械传动来改变内燃机车辆的传动方式，并进一步提高 车辆的使用效率。 高效率电机，特别是在轻负载条件下，电机可以保持较高的效 率，这时电池电量是非常重要的，比那种永磁直流电机的 Y 系列超过 10 ，以提高 效率它可以提高电机的 20的效率或更多。 过载，这种电机比 Y 系列电机的过载 能力也可提高 20 制动作用，因为永磁转子下坡或制动时，车辆能否进入高性 能制动的状态是非常重要的。 电机体积小，重量轻，但是功率高，能有效减轻重 量和节省空间。 无机械换相器电机，全封闭结构，防止灰尘进入电机内部，可靠 性高。 比异步电机简单3。 1.31.3 电动自行车控制器发展趋势电动自行车控制器发展趋势 电动自行车控制器作为电动自行车的“神经中枢”，主要是协调和以正常的电机 功率工作，同时确保推动经济，安全，环境保护。从以上两个方面决定电动自行车控 制器的发展方向，电动机的研究和发展方向引导控制器的发展方向。主要以下几个方 面的发展方向： 1)智能化：控制器不仅驱动控制，同时将成为电力和能源管理的中心，通过根据 道路和力量，部署智能电力能源，能源效率的改善。 2)定制化：高端电动自行车是主要品牌产品在市场上，不同品牌的产品，它的功 能是不一样的，所以控制器的要求也不同，所以在高端产品逐渐自定义控制器。 3)压力管理功能：功能越来越强大，逐渐成为自行车的管理中心，如能源管理， 南通大学杏林学院毕业设计（论文) 2 通过合理的智能能源结构，提高电池的利用率和工作效率，安全管理，通过各种保护 功能，如电压，电流，实现电动自行车智能安全管理的功能。 4)人性化：广泛的消费群体，电动自行车，电动自行车必须去人性的控制，如引 用数字显示技术、声音和声音控制技术等简单操作，更安全、舒适。 5)集成化：与生产工艺的改进，单片机的功能，控制器逐步走向一体化，不同与 原来的外部分立元件，更重要的是，任何设备损坏会导致瘫痪整个控制器，集成技术 将原始的离散块集成到单片机。保证控制器的质量，降低了维修率，降低音量控制器。 它还可以具备其他防盗系统等功能。 1.41.4 本文主要研究的内容与意义本文主要研究的内容与意义 1.4.11.4.1 本文的研究内容本文的研究内容： 1.研究无刷直流电机的结构与工作原理 2.以 PIC16F72 为主控芯片的控制器的设计和分析；包括电源电路设计，主电路 设计，驱动逆变电路，保护电路等。 3.单片机可靠性分析 1.4.21.4.2 本文的研究意义：本文的研究意义： 发展绿色交通工具已成为当代社会一个重要课题。相对于燃油交通工具, 电动车 拥有灵活、轻巧、零排放、价格低廉等优点，具有广阔发展前景。考虑到我国目前的国 情, 发展电动车具有极高的市场价值和重要的环保意义3。 本文主要研究电动自行车用无刷直流电动机的控制器设计问题, 目标是在满足系 统对动态性能和保护性能要求的前提下, 开发出主控芯片功能完备、硬件电路结构简单、 总体成本具有价格优势的电动自行车驱动控制器。 南通大学杏林学院毕业设计（论文) 3 第二章第二章 无刷直流电机的结构和原理无刷直流电机的结构和原理 2.1 无刷直流电动机的基本结构无刷直流电动机的基本结构 无刷直流电动机的基本构成包括无刷电动机(转子和定子)、电子换相电路、位置 传感器三部分，如图为无刷直流电动机结构框图4： 电子换 相电路 电机 本体 位置检测 Us 2.1.1 无刷电动机本体无刷电动机本体 电机用安装电枢绕组的定子和转子（永久磁铁）组成电动机本体。定子是电机的 静止部分，由机壳、定子铁心、电枢绕组以及固定铁心和绕组的绝缘片、环氧树脂 等组成。转子是电机的旋转部分，产生励磁磁场，主要是由永磁体、导磁体和支撑 体构成。他们必须首先满足电磁要求，保证生产足够的磁通量；其次，为了满足机 械的要求：牢固的机械结构和稳定性，可以测试其在特定环境条件的工作状态。另外， 还要考虑节省材料，结构简单，紧凑，运行可靠，温度不超过规定范围。图 2.2 示出 了无刷直流电动机的结构示意图5。 图 2.1 直流无刷电动机的结构框图 南通大学杏林学院毕业设计（论文) 4 图 2.2 无刷直流电动机的结构示意图 2.1.2 位置检测电路位置检测电路 检测电动机转子的位置由位置检测电路实现，它的各相绕组导通的时间和顺序取 决于检测得到的位置信号，也是电子换相的凭据。当有位置传感器时，转子位置信息 由传感器提供，如果没有的话，通过检测电动机的可测量量得到转子位置信息从而决 定电子换相的依据6。 2.1.3 逆变器电路逆变器电路 无刷直流电动机逆变器电路是用来控制电动机定子各相绕组的通断顺序和时间。 电源开关单元是逻辑电路控制的核心，其功能是将电力提供分配给每一相绕组，无刷 直流电动机的定子使得电动机输出连续的转矩。逆变器主电路具有桥式和非桥式两种 方式，同时电枢绕组可以通过连接形成星形或者三角形，所以电枢绕组连接到逆变器 主电路可以有多种不同的组合。星形连接的三相桥式主电路是目前的主要应用。如图 2-3 采用了三相桥式电路与星形绕组电动机连接。 图 2.3 为三相桥式换相电路 三相星形连结全桥驱动两两导通方式时，开关管导通顺序（电机正转）如表 2.1 所示： 南通大学杏林学院毕业设计（论文) 5 表 2.1 三相星形连接全桥驱动的通电规律 2.1.4 三相无刷直流电机星形连接全桥驱动原理三相无刷直流电机星形连接全桥驱动原理 无刷直流电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数的影响，在转 子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改变转子的转速。无刷直流电机 控制器包括电源部分和控制部分。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，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7。 2.2 无刷直流电动机的数学模型无刷直流电动机的数学模型 在本文中，用三相无刷直流电动机的例子来说明数学建模过程。在空间中的三个 开关管状态定子各相电流转子位 置（电 角度） T1T2T3T4T5T6IaIbIc 060PWMOFFOFFPWMOFFOFF+Ie-Ie0 60120PWMOFFOFFOFFOFFPWM+Ie0-Ie 120180OFFOFFPWMOFFOFFPWM0+Ie-Ie 180240OFFPWMPWMOFFOFFOFF-Ie+Ie0 240300OFFPWMOFFOFFPWMOFF-Ie0+Ie 300360OFFOFFOFFPWMPWMOFF0-Ie+Ie 南通大学杏林学院毕业设计（论文) 6 霍尔元件对称间隔 120，在此结构的基础上，该电机的磁路不饱和，不包括涡流损耗， 磁滞损耗和电枢反应的假设；忽略定子齿槽的影响；驱动系统中的效应，功率管整流 器和逆变器电路中的续流二极管是理想的开关装置8。 （1）定子电压方程 假设绕组感应电势和电阻压降组成无刷直流电机每相绕组的相电压，那么定子电压 平衡方程就是： （2.1） c b a c b a ccbca bcbba acaba c b a c b a c b a e e e i i i LLL LLL LLL dt d i i i R00 0R0 00R U U U 其中、就是各相定子电流，定子反电动势是、，Ua，Ub，Uc 定子各 a i b i c i a e b e c e 相电压，肯定是各相绕组自感，那么，为定子间各相 a L b L c L ab L ac L ba L ca L cb L 绕组的互感，必须成为定子各相绕组电阻。如果无刷直流电机三相绕组绝 a R b R c R 对对称的话，我们可以忽略磁阻间的微弱的影响，并且认为定子各相绕组间互感为常数 的话，得出结论， scba LLLL ， 9。 RRRR cba MLLLLLL cbcabcbaacab 可以由（2.1）得出： （2.2） c b a c b a s s s c b a c b a e e e i i i LMM MLM MML dt d i i i R00 0R0 00R U U U 并且我们知道，所以得出：0iii cba 0MiMiMi cba c b a c b a c b a c b a e e e i i i L00 0L0 00L dt d i i i R00 0R0 00R U U U （2.3） 其中以上式中：MLL s （2）电动势、转矩、转速等基本公式 电机的反电动势为： （2.4)( 15 2 2VnCen p EmE W 并且= （电机的反电动势）其中 Ce 为电机反电动势常数。Ce 15 2 W p 南通大学杏林学院毕业设计（论文) 7 电枢绕组的电流为： （2.5） r E UU I TS a 2 2 转子磁场和两相绕组的合成磁场相互作用在任一时刻产生电机的电磁转矩所以我 们得出公式如下： （=，=） （2.6） ICI WIE TaTa am e p EIa 4 2 CT 4 W p 60 2 n 其中 CT 为电机的转矩常数转子的机械角速度是 。 电机转速为： （2.7）) min ( 22 r Ce r n IUUaTS 空载转速为： （2.8） W UU W UUUU n PpCe TSTSTS 2 5 . 7 15 2 22 0 转矩系数为： (2.9) W I T CeKt a e 4 电动势系数为： （3.0） 15 2 W K p Ce n E e 2.3 无刷直流电机的运行特性无刷直流电机的运行特性 无刷直流电机的操作特点主要介绍它的启动特性和速度特性。讨论各种电动机工 作特性，一般从速度公式，电动势平衡方程式，转矩和转矩平衡方程式中研究。 无刷直流电机的电动势平衡方程式为电枢绕组反电动势是UrIEacpacpU E，功率晶体管饱和管压降是 U，电源电压为 U，平均电阻是 r，桥式换相线路为 2U。电枢绕组反电动势对于不同电枢绕组形式以及换相线路形式均可表示为 ，电机转速是 N10，反电动势系数是 K，所以转矩平 nKEe e acpacp eK rIUU K E n 衡方程是 M=M2+M0，摩擦转矩是 Mo，电磁转矩为 M，输出转矩就是 M2。并且 南通大学杏林学院毕业设计（论文) 8 其中 Km 为转矩系数，如果转速变化的话那么 M=M2+M0+J。现讨论acpmIKT dt dw 电机的调速特性，随着转子的加速，反电动势 E 增加，电磁转矩降低，并且它的加速 转矩减小，最后进入正常的工作状态。当我们以大的起动电流起动电动机时为了防止 烧坏电动机，我们需要控制器控制电动机起动，使它必须保持在一个合理的负载 PWM 驱动，并设置当前的反馈控制，确保电机正常工作的基础上可以快速启动和保 持电动机可以接受的驱动范围。此外，当电动机有很多的电枢电流时，我们设置一个 过流保护电路控制器也是非常必要的。总之，当前的检测，都是关于电机的安全11。 当电机以一定的转速正常运行时电枢电流为： acp e acp acp r nk r UU I 电磁转矩为： )( acp e acp macpm r nk r UU KIkM 由此看出一下的结果：电磁转矩随着转速的减小而线性增加。 图 2.4 电磁转矩曲线图 图 2.6 所示是电机在不同的供电电压驱动下的机械特性曲线。其中， n01,n02,n03,n04:是空载时的转速。在实际情况下，在转矩较大、转速较低时，流过开 关管和电枢绕组的电流很大，这时，管压降随着电流增大而增加，使加在电枢绕组上 的电压有所减小，在图中靠近横轴的直线部分会向下弯曲。无刷直流电动机与一般直 流电动机一样，是拥有良好的调速控制性，能通过调节电源电压实现无级调速12。下 图 2.5 为无刷直流电动机的调节特性曲线。 南通大学杏林学院毕业设计（论文) 9 图 2.5 无刷直流电动机的调节特性曲线 2.4 无刷直流电机的脉宽调制方式无刷直流电机的脉宽调制方式 PWM 脉宽调制，通过改变脉冲宽度来控制输出电压，控制输出频率通过改变循环。 和输出频率的变化通过改变脉冲调制周期来实现。通过这种方式，调压和调频两种效应 和中间直流环节无关，从而加快调节速度，改善动态性能。因为这幅画如输出脉冲恒直 流电源，可用不能取代阶段可控整流器整流，大大提高电网侧的功率因数。使用 PWM 逆变器可以抑制或消除低谐波。并使用关闭设备，开关频率显著增加，输出波形可以非 常接近正弦波。PWM 逆变器电路具有以下特点：可以得到非常接近正弦波输出电压整 流电路采用二极管，可以获得的功率因数接近。电路结构简单。通过控制输出脉冲宽度 可以改变输出电压，加快动态响应频率转换过程现在通用变频器基本与 PWM 控制模式， 因此引入 PWM 控制原理的基本原理的 PWM 脉冲宽度调制(PWM)。控制方式是控制逆 变电路开启和关闭，使输出端得到一系列的脉冲幅度相等，用这些代替正弦波和脉冲波 形是必要的。也在产生多个脉冲输出波形的半个周期，使各种各样的等效脉冲电压正弦 波形，得到平滑和斜波的输出谐波低时间更少。根据一定的规则的脉冲宽度调制，可以 改变逆变电路输出电压的大小，也可以改变输出频率。采样控制理论的一个重要结论： 冲动是相同和不同形状的窄脉冲与惯性环节，加上它的效果基本上是一样的。冲动是指 窄脉冲的面积。这种效果基本上是相同的，指的是部分的输出响应波形基本相同12。如 果各种输出波形与傅里叶变换分析，低频特性非常接近，仅在高频段略有不同根据上述 理论，我们可以用不同宽度的矩形波代替正弦波，通过矩形波控制模拟输出与不同频率 正弦波。例如，半正弦波形状分为 N 个相等的部分，可以看到正弦半波是由 N 连接到 南通大学杏林学院毕业设计（论文) 10 脉冲波形。但振幅和脉冲顶部不是水平直线，而是一个曲线，根据脉冲幅度的正弦规律 变化。如果上面的相同数量的连续和脉冲序列，而不是广泛的矩形脉冲序列，使中点的 矩形脉冲和相应的正弦分歧，并使一个矩形脉冲和相应的正弦得到一组脉冲序列，这是 PWM 波形。可以看出，脉冲宽度按正弦规律变化。根据平等原则的冲动效果是一样的， PWM 波和正弦半波是等价的。对于正弦负半周，也可以使用相同的 PWM 波形的方法。 PWM 波形的脉冲的振幅等于，相当于输出正弦波振幅改变，只要同样比例系数改变每 个脉冲的宽度，即可改变在-直-交变频器，与不可控二极管整流电路电路、PWM 脉冲 电压直流逆变电路输出电压的幅度。基于上述原理，本文在正弦波频率、振幅和脉冲数 后半个周期，PWM 波形的脉冲宽度和间隔可以准确计算13。根据计算控制电路开关设 备的结果，你可以得到所需的 PWM 波形13。 南通大学杏林学院毕业设计（论文) 11 第三章第三章 无位置传感器控制的位置检测方法无位置传感器控制的位置检测方法 3.1 检测方法检测方法 没有位置传感器，是指不依赖于所述传感器，获得转子位置信号，角速度和其他状 态量通过另一种方法来确定逆变器的开关功率管的切换，以及所述定子的换相绕组，保 持定子电流和反电动势在一个严格控制的相位同步。在没有传感器控制的方式下，核心 问题是如何学习主要是通过软件和硬件的方法来构造一个转子状态量检测电路。因为你 一般只能直接测量相电压和相电流这两个量，因此，无位置传感器的检测方法，绝大多 数都是基于这两个观测。下面给出的几个位置检测方法成是不错的。 3.1.1 状态观测器法状态观测器法 状态观测器法，就是以转速、转子位置角、电动机电流等参数为状态变量，定义电 动机的状态变量时，电动机数学模型上确定其状态变量和当前其它参数；比如离散状态 变量，通过数字滤波方法，实现电机控制。状态观测器方法在高速重载的问题下得到更 好的解决方案，他具有一个很好的抗干扰能力，并且更适合于恶劣环境。其计算方法有 一段时间限制了它的应用。随着计算机技术的飞速发展，继续加快数字信号处理器 （DSP）的状态观测器方法的出现得到了越来越广泛的应用的频率和高速的运算能力。 控制方法可以分为以下几种：1 扩展卡尔曼滤波方法 2 人工神经网络 3 维纳滤波方法14。 3.1.2 磁链估计法磁链估计法 磁通估计法是利用定子电压和电流测量值来估计磁通，然后估算基于与所述转子的 位置关系得到转子磁通的位置。算法引入环状结构包含两个电流环结构，外环调整位置 估计。此方法具有很高的精度，测量误差和参数变化的影响小；包括很宽的转速范围也 包括电机开始转动，能够准确地检测转子位置。 3.1.3 锁相环技术法锁相环技术法 使用由 60 度脉冲串电角度，使用 PLL 技术逻辑处理周期，然后得到的非导通方向 相反的方向后，将脉冲串频率用同步计数器计算，通过比较计数和锁存器的预置值可获 得理想的换相点。然而，这种方法需要三个频率的硬件电路，锁相环电路，该电路结构 更加复杂，所以没有得到广泛应用。 南通大学杏林学院毕业设计（论文) 12 3.1.4 速度无关位置函数法速度无关位置函数法 速度函数法（无关位置）是独立于以往不同提出一个新的物理概念，转子位置检测 方法。检测转子位置可以是近似为零的转子旋转速度一直到高速时都能检测，换相时刻 同时给出。但是需要满足下列条件( 1)电机在其额定条件下运行，我们可以基本忽略绕 组电流的磁饱和；( 2) 忽略电机的漏感；( 3) 忽略电机的铁耗。 3.1.5 反电动势法反电动势法 反电动势（反电动势）是通过检测反电动势电枢，得到转子位置的信号的控制方 法。反电动势可分被反电动势过零检测的方法，三次谐波组成的反电动势的检测方法还 有一些反电动势积分法15。 无刷直流电机中，受定子绕组产生的合成磁场的作用，转子沿着一定的方向转动。 电机定子上放有电枢绕组，因此，转子一旦旋转，就会在空间形成导体切割磁力线的情 况，根据电磁感应定律可知，导体切割磁力线会在导体中产生感应电热。所以，在转子 旋转的时候就会在定子绕组中产生感应电势，即运动电势，一般称为反电动势或反电势 16。 三相绕组反电势及相电流波形如图 3-1 所示。对于采用三相六拍、绕组星型接法、 120 两两导通方式的无刷直流电机而言，三相绕组在任意时刻总有一相处于断开状态， 检测断开相的反电势信号，当其过零点时，转子直轴与该相绕组重合，再延迟 30 即为 无刷直流电动机的换相点17。 图 3.1 无刷直流电机的反电动势和电流波形 南通大学杏林学院毕业设计（论文) 13 3.2 无位置传感器无刷直流电机的起动无位置传感器无刷直流电机的起动 无刷直流电动机运行时，感应电动势（定子绕组）和转子位置有一定的关系，决 定了无位置传感器控制系统的关系所使用的反电动势换相的方法是基于这个原则。在前 面的分析中，反电动势正比于电机定子绕组的速度，电动机的反电动势小当电机是低速 或几乎为零的时间内，当转子磁极位置不能根据确定的反电动势信号，反电动势法需要 使用特殊的起动技术开始从静止加速到速度足够大，然后切换到直流无刷电机的运行。 这个过程被称为“三阶段”开始时，预定位置包括一个转子加速预定位和操作状态切换 3 个阶段。通过这种方式，你可以把电机的控制，并能保证电机达到一定的速度，然后切 换，以确保可靠性的开始。下面对“三段试”的启动技术进行详细分析。 (1)电机转子预定位 若要保证无刷直流电机能够正常起动，首先要确定转子在静止时的位置。在小型 轻载条件下，对于具有梯形反电势波形的无刷直流电机来说，一般是采用磁制动转子定 位方式。在系统起动时，任意给定一组触发脉冲，气隙中就形成一个幅值恒定、方向不 变的磁通，只要保证其幅值足够大，那么这一磁通就能在一定时间内将电机转子强行定 位在这个方向上。下面分析其原理。电机在静止时，转一子位置是不确定的。在系统起 动时，任意给定一组触发脉冲，假设转子的位置如图 3.2(a)中所示实线以外的其它方向， 强行定位后电机转子的 d 轴与定子绕组磁通方向重合，这样就确定了转子的初始位置。 但是，由于静止时电机转子位置的不确定性，如果在定位之前定子恰好位于图(b)中所 小的位置，即定子绕组形成的磁通与 d 轴之间的夹角为 180 度，这时如果导通 VT1 和 VT6，转子是不会是静止不动的，造成定位失败。这时要采取“连续二次定位法” ，即 隔一短暂的时间再导通下一个相邻的状态，即导通功率开关管 VT1 和 VT2，A、C 两相 通电，这时定子绕组形成的磁通与转子的 d 轴之间的夹角为 120“度，转子将被强行的 定位于图(c)的位置，这样也完成了转子的定位。这样，即使第一个状态是失败的，第 二个状态就一定是成功的。 图 3.2 转子工作状态 南通大学杏林学院毕业设计（论文) 14 (2)电机的外同步加速 如果我们首先确定电动机转子的初始位置，因为此时定子绕组的反电动势为零， 因此必须人为地改变和应用电机的外电压以及换相信号，使电动机由静态逐渐加速运动， 这一过程被称为外同步加速。对不同外加电压调整方法和调整方法，外同步速度可分为 三类12： 1 换相频率不变，增加外界电压以及电动机逐渐加快，称为频恒压法。 2 在同时增加外界的电压时，提高变换频率，称为频升压法。 3 外加电压不变，逐步提高的频率变化，使电动机逐渐加快，称为恒压频方法。 （3）电机运行转换器 当电机由外部同步以一定的速度加快了，反电动势信号就可以被正确地检测，可 以从外部进行同步的同时切换到自同步。测试可以由反电动势信号被观察到可以精确地 检测旋转速度，切换执行有两种方法：通过测试开关速度达到预定的一段时间，这 段时间的切换时间，可以通过软件开关设置进行检测。软件模块可以测量电机速度， 当它到达这个速度可以切换。这个步骤是关键步骤是比较难以实现的，有时软件或硬件 设计可能导致不合理的从而失败。通常通过估计的方式来选择的开关速度，本文选择电 机的速度是在最大速度的 15 至 20之间进行切换 。通过上面的分析可以毫不费力 实现无传感器无刷直流电机控制系统的精确度，当电机正常启动是，你可以控制电机的 速度。其中，无位置传感器的无刷直流电机和有位置传感器的电机速度控制原理一样。 南通大学杏林学院毕业设计（论文) 15 第四章第四章 基于基于 PIC16F72PIC16F72 单片机的控制器设计单片机的控制器设计 4.1 系统硬件的整体结构系统硬件的整体结构 电动控制器硬件分为以下几个部分：使用控制器 VSS 电压 5v 和 15v 转换组成电源 部分，分别供应单片机及其外围部件和 IR2103 电力驱动，VSS 提供场效应晶体管的电 源输入；欠压检测部分 VSS 通过了电阻分压到单片机来确定电源电压；整流换相电路 在 74hc008 与非门中保证符合电机相序的序列，经过霍尔传感器将转子的位置信号，信 号的状态和电机固定序列比较，以判断的正确性；由 MOSFET 驱动电路 IR2103 管控制 信号放大，和驱动高功率管。主要包括电源电路、电流采样及短路保护电路、驱动电路、 逆变电路、等电路。 图 4.1 硬件系统框图 4.2 单片机选择依据单片机选择依据 价格因素：设计和市场接轨，因此价格尤为重要。开发和生产高性价比的芯片。性 能因素基于形态学分析，8 位微控制器可以满足控制精度的要求。因为系统有很多的 A / D 转换，所以选择单片机的 A / D 转换模块。脉冲宽度调制(PWM)，需要使用单片机 转把信号转把信号 号 刹车信号刹车信号 欠压保护欠压保护 保护保护 PIC 16F 72 单单 片片 机机 蓄电池蓄电池电源电路电源电路 逆变逆变 电电 路路 功率驱功率驱动动 电路电路 电流检测电流检测 电路电路 过流保护过流保护 电路电路 直流无刷电机直流无刷电机 反电动反电动势势 检测检测 南通大学杏林学院毕业设计（论文) 16 PWM 输出端口。安全因素：电子产品的安全是非常重要的，单片机安全性能好不好是 单片机选择重要依据。 PIC 系列单片机是采用精简指令集 RISC 技术、哈佛总线和两级指令流水线结构 的高性能价格比的 8 位嵌入式控制器( Embedded Controller) 。在此研究的电动自行车 控制系统是一个以 PIC16F72 单片机为核心无刷直流电机为控制对象的系统。 PIC16F 72 单片机内部有 2 KB 的 F LASH 程序存储器和 128 B 的 RAM 数据 存储器; 不仅采用精简指令集 RISC 技术, 而且还采用哈佛总线结构, 两级流水线操作, 提高了指令执行速度。此外它还具有 22 个 I/ O 引脚, 与电源掉电复位的 功能, 内置的外围含 3 个定时器( Timer0 Timer2 ) 、一个捕捉/ 比较/ PWM( CCP) 模块和一个同步串行通信端口 SSP。该系统利用 PIC 单片机此脉宽调制模块输出脉宽 可调的信号, 实现无刷直流电机调速。 所以综上所述本课题选取 PIC16F 72 单片机作为研究对象。 4.3 PIC16F72 单片机的主要性能和引脚图单片机的主要性能和引脚图 有 2K 字 14 位宽的程序存储空间，它的频率是 20MHz 其中有 128 字节 8 位宽的 数据存储空间并且还有 3 个 8 位 I/O 口 8 个中断等还有 TIMER0、TIMER1、TIMER2 三个定时器模块并且随带着一个 CCP 模块以及 5 路 8 位模数转换。 图 4.2 PIC16F72 引脚图 PIC16F72 的各引脚：有 28 个引脚，其中有 22 个可复用的 IO 口，它的 13 脚是 CCP1 输出口，各引脚应用如下： 南通大学杏林学院毕业设计（论文) 17 1：MCLR 复位/烧写高压输入两用口 2：模拟量输入口：放大后的电流信号输入口，单片机将此信号进行 A-D 转换后经过 运算来控制 PWM 的输出，使电流不致过大而烧毁功率管。正常运转时电压应在 0-1.5V 左右 3：模拟量输入口：电源电压经分压后的输入口，单片机将此信号进行 A-D 转换后判 断电池电压是否过低，如果低则切断输出以保护电池，避免电池因过放电而损坏。正常 时电压应在 3V 以上 4：模拟量输入口：线性霍尔组成的手柄调速电压输入口，单片机根据此电压高低来 控制输出给电机的总功率，从而达到调整速度的目的。 5：模拟/数字量输入口：刹车信号电压输入口。可以使用 AD 转换器判断，或根据电 平高低判断，平时该脚为高电平，当有刹车信号输入时，该脚变成低电平，单片机收到 该信号后切断给电机的供电，以减少不必要的损耗。 6：数字量输入口：1+1 助力脉冲信号输入口，当骑行者踏动踏板使车前行时，该口 会收到齿轮传感器发出的脉冲信号，该信号被单片机接收到后会给电机输出一定功率以 帮助骑行者更轻松地往前走。 7：模拟/数字量输入口：由于电机的位置传感器排列方法不同，该口的电平高低决定 适合于哪种电机，目前市场上常见的有所谓 120和 60排列的电机。有的控制器还可 以根据该口的电压高低来控制起动时电流的大小，以适合不同的力度需求。 8：单片机电源地。 9：单片机外接振荡器输入脚。 10：单片机外接振荡器反馈输出脚。 11：数字输入口：功能开关 1 12：数字输入口：功能开关 2 13：数字输出口：PWM 调制信号输出脚，速度或电流由其输出的脉冲占空比宽度控 制。 14：数字输入口：功能开关 3 15、16、17：数字输入口：电机转子位置信号输入口，单片机根据其信号变化决定让 电机的相应绕组通电，从而使电机始终向需要的方向转动。这个信号上面讲过有 120 和 60之分，这个角度实际上是这三个信号的电相位之差，120就是和三相电一样， 每个相位和前面的相位角相差 120。60就是相差 60。 18：数字输出口：该口控制一个 LED 指示灯，大部分厂商都将该指示灯用作故障情 南通大学杏林学院毕业设计（论文) 18 况显示，当控制器有重大故障时该指示灯闪烁不同的次数表示不同的故障类型以方便生 产、维修。 19：单片机电源地。 20：单片机电源正。上限是 5.5V。 21：数字输入口：外部中断输入，当电流由于意外原因突然增大而不在控制范围时， 该口有低电平脉冲输入。单片机收到此信号时产生中断，关闭电机的输出，从而保护重 要器件不致损坏或故障不再扩大。 22：数字输出口：同步续流控制端，当电流比较大时，该口输出低电平，控制其后逻 辑电路，使同步续流功能开启。 23-28：数字输出口：是功率管的逻辑开关，单片机根据电机转子位置传感器的信号， 由这里输出三相交流信号控制功率 MOSFET 开关的导通和关闭，使电机正常运转18。 4.4 电源电路设计电源电路设计 如图 4.3 此部分有两块重要的芯片 7805 和 LM317。但是其中 LM317 一直为输出 电压比如可变的三端稳压器（良好导通） ；7805 为输出电压恒定为 5V 的稳压器（AD 转换都以 5V 基压为准） 。5v 电压：由于 7805 提供的最大电流只有 100mA，所以用 R4 和 R6 并联扩流，同时分担一部分功率。在整个控制系统中，对 5V 电源的要求比较高， 不单是因为逻辑电 MCU 等的电源电压都不能过高，而且由于 MCU 的所 有的 A D 转 换都是以 5V 电压为基准的，所以当 5V 不准时会出现电流欠压值，手柄控制等均不能 达到设计要求的情况，甚至无法动作，因此该电压的范围应被严格限制在 4.9-5.1V 范围 之内。 南通大学杏林学院毕业设计（论文) 19 图 4.3 电源电路 4.5 限流驱动限流驱动 U61 是一个放大电路，这将是 6.5 倍采样电流信号放大后进入单片机，转换所得 数字是用来控制电流不超过我们所允许的值。引脚 1 所接的 RB0 用于电流检测。 U62 是一个比较器连接，实际上是一个比较器是正常的电流时，不会使比较器翻转， 当电流突然增加在某种程度上，由于某种原因比较器翻转触发单片机外部中断，单片 机将完全关闭电机的输出，进入关闭状态并保护电动机，防止故障进一步扩大。过电 流保护的阻抗是康铜丝，铜丝，当电流超过最大保护电流时它们烧毁。这部分电路是 整个控制器的灵魂，如果限流驱动程序没有做得好那结果：燃烧，所以一定要及时准 确19。如图 4.4 图 4.4 限流驱动电路 4.6 刹车电路刹车电路 一般情况下刹车信号开关和刹车灯共用一个开关。高电平输入部分，要做到