无刷直流电机控制器的设计

I 无刷直流电机控制器的设计无刷直流电机控制器的设计 3 1 无刷直流电机控制器的概述 无刷直流电动机兼有直流电动机调整和起动性能好以及异步电动机结构简 单无需维护的优点 因而在高可靠性的电机调速领域中获得了广泛应用 在电 机转速控制方面 绝大多数场合数字调速系统已取代模拟调速系统 目前 数 字调速系统主要采用两种控制方案 一种采用专用集成电路 这种方案可以降低 设备投资 提高装置的可靠性 但不够灵活 另一种是以微处理器为控制核心 构成硬件系统 这种方案可以编程控制 应用范围广 且灵活方便 电机控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中 心 它主要完成以下功能 对各种信号进行逻辑综合 以给驱动电路提供各种 控制信号 产生 PWM 调制信号 实现电机的调速 对电机进行速度环和电流环 调节 使系统具有较好的动态和静态性能 实现短路 过流 欠压 堵转等故 障保护功能 现代控制技术的发展与微处理器的发展息息相关 可以说 每一次微处理 器 的进步都推动了控制技术的一次飞跃 在微处理器出现之前 控制器只能由模 拟 系统构成 由模拟器件构成的控制器只能实现简单的控制 功能单一 升级换 代 困难 而且由分立器件构成的系统控制精度不高 温度漂移 器件老化严重 使 得维护成本增高 限制了它的发展和应用范围 随着微处理器的迅速发展和推 广 控制器由模拟式转换成了数模混合式 并进一步发展到全数字式 技术的进步 使 得许多模拟器件难以实现的功能都可以方便地用软件实现 使系统的可靠性和 智 单片机控制的无刷直流电机驱动系统设计 第 1 页 共 54 页1 能化水平大大提高 在电机转速控制方面 绝大多数场合数字调速系统已取代 模 拟调速系统 目前 数字调速系统主要采用两种控制方案 一种采用专用集成 电路 这种方案可以降低设备投资 提高装置的可靠性 但不够灵活 另一种 是以微处理器为控制核心构成硬件系统 这种方案可以编程控制 应用范围广 且灵活方便 9 10 控制器是电动自行车的驱动系统 它是电动自行车的大脑 其主要作用是 在保证电动自行车正常工作的前提下 提高电机和蓄电池的效率 节省能源 保护 电机及蓄电池 以及降低电动自行车在受到破坏时的损伤程度 目前 市场上常用的电动自行车无刷直流电机控制器主要采用专用集成电 路为主控芯片 像 MOTOLORA 公司研制的专用集成电路 MC33035 其工作原理 是用电子装置代替电刷控制电机线圈电流换向 根据电机内的位置传感器 霍尔 传感器 信号 决定换相的顺序和时间 从而决定电机的转向和转速 该控制系 统的缺点是智能性差 保护措施有限 系统升级空间小 近几年 国外一些大公司纷纷推出较 MCU 性能更加优越的 DSP 数字信号处 理器 芯片电机控制器 如 ADI 公司的 ADMC3xx 系列 TI 公司的 TMS320C2xx 系 列及 Motorola 公司的 DSP56F8xx 系列 都是由一个以 DSP 为基础的内核 配以 电机控制所需的外围功能电路 集成在单一芯片内 使体积缩小 结构紧凑 使用便捷 可靠性提高 但是这些专用芯片价格昂贵 外围电路设计复杂 在 广大的民用市场无法大规模推广应用 采用单片机为主控芯片 如 MSSl 系列 AVRxx 系列 PICxx 系列等等 这类芯片响应速度快 功耗低 体积小 价格低 廉且组成系统时所需的外围器件少等特点 3 它们将是未来电动自行车无刷电 机控制器主控芯片的发展方向 拥有广阔的市场前景 PICPIC 系列单片机是采用精简指令集系列单片机是采用精简指令集 RISCRISC 技术 哈佛双总线和两级指令流水技术 哈佛双总线和两级指令流水 线结构的高性能价格比的线结构的高性能价格比的 8 8 位嵌入式控制器位嵌入式控制器 Embedded Embedded Controller Controller 本文研究 本文研究 的电动自行车车用的无刷直流电机控制器系统是以的电动自行车车用的无刷直流电机控制器系统是以选取 Microchip 公司的一款 具有极高性能价格比的 PIC 系列单片机 PICl6F72 做为主控芯片 用编程的方法 来模拟无刷电机的控制逻辑 其特点是使用灵活 通过修改程序可适应不同规 格的无刷电机 增加系统功能方便 通常将此类控制器称为数字式控制器 并 且采用速度 电流双闭环控制策略 增强系统抗干扰能力 提高电机的运行效 率 同时加入一些保护功能 如欠压保护 过电流保护 堵转保护等等 使系 统设计更合理化 人性化 系统采用软件编程的方法来模拟无刷电机的控制逻 单片机控制的无刷直流电机驱动系统设计 第 2 页 共 54 页2 辑 其特点是使用灵活 通过修改程序可适应不同规格的无刷电机 增加系统 功能方便 第三章第三章 无刷直流电机控制器硬件设计无刷直流电机控制器硬件设计 3 1 单片机的选择 目前 市场上有很多的的无刷电机专用控制芯片 但但大部分电动自行车生产 厂商都采用Motorola公司的MC33035无刷电机专用控制芯片 它具有无刷直流电 机控制系统所需要的基本功能 本论文论文设计的无刷直流电机控制器的无刷直流电机控制器采用 PIC16F72单片机作为控制器的控制器的主控芯片 不仅可以实现专用控制芯片MC33035 的全部功能 而且也也容易实现系统的的扩展 通过硬件设计与软件设计 实现多 功能的电机控制 单片机选择的的原则原则有有 性能性能因素 根据设计任务的复杂程度 分析采用采用8位的的单片机可以满足系统的控制精度 的的要求 但但由于整个控制系统有多种模拟量量需要转换成数字量 因此所所选的单 片机应该具具有多通道A D转换模块 在无刷直流电机的控制中 脉宽调制PWM PulseWidth Modulation 技术被被广泛应用 因此所选的的单片机应该该具有脉宽调 制PWM模块 PWM模块可用来产生不同频率和占空比的脉冲信号 可方便实 现D A输出功能和实现直流电机的调速等功能 安全因素 电子产品的安全性是一个非常重要的环节 作为控制系统的核心部分部分 单 片机的安全性必须达到控制控制系统的的要求 产品价格因素 这也是一个很重要的因素 在其它条件相当的情况下 当然选择价格低的产品 这样可 以提高性价比 所以 根据上述原则对单片机进行选择 选择出最能适用于你的应用系统的单片机 从而 保证应用系统有最高的可靠性 最优的性价比 最长的使用寿命和最好的升级换代性 还 有市场的推广性 单片机控制的无刷直流电机驱动系统设计 第 3 页 共 54 页3 运行速度 单片机的运行速度首先看时钟频率 指令集 几个时钟为一个机器周期 在选用单片机时要根据需要选择速度 不要片面追求高速度 单片机的稳定性 抗干扰性等参数基本上是跟速度成反比的 另外速度快功耗也大 I O 口 I O 口的数量和功能是选用单片机时首先要考虑的问题之一 根据实际需 要确定数量 I O 多余不仅芯片的体积增大 也增加了成本 定时 计数器 多数单片机提供 2 3 个定时 计数器 有些定时 计数器还具有输入 捕获 输出比较和 PWM 脉冲宽度调制 功能 利用这些模块不仅可以简化 软件设计 而且能少占用 CPU 的资源 串行接口 单片机常见的串行接口有 标准 UART 接口 增强型 UART 接口 I2C 总线接口 CAN 总线接口 SPI 接口 USB 接口等 大部分单片机都 提供了 UART 接口 也有部分单片机没有串行接口 工作电压 功耗 单片机的工作电压最低可以达到 1 8V 最高为 6V 常见的是 3V 和 5V 单片机的功耗参数主要是指正常模式 空闲模式 掉电模式下的工作电流 用电池供电的系统要选用电流小的产品 同时要考虑是否要用到单片机的掉电模式 如果要用的话必须选择有相应功能的单片机 其他方面 在单片机的性能上还有很多要考虑的因素 比如中断源的数量和优先 级 工作温度范围 有没有低电压检测功能 单片机内部有无时钟振荡器 有无上电复位功能等等 3 3 1 PIC 单片机特点 1 PIC 单片机 Peripheral Interface Controller 是一种用来开发和控制外 围设备的集成电路 一种具有分散作用 多任务 功能的 CPU 是美国 Microchip 公司生产的产品 PIC 单片机以其独特的硬件系统和指令系统的设计 逐渐被广大工程设计人员接受 PIC 系列单片机具有高 中 低 3 个档次 可 以满足不同用户开发的需求 适合在各个领域中的应用 PIC 系列单片机具有 如下特点 PIC单片机是单片机是 MICROCHIP 公司的产品 其突出的特点是体积小 功公司的产品 其突出的特点是体积小 功 耗低 精简指令集耗低 精简指令集 抗干扰性好 可靠性高 有较强的模拟接口 代码保密性 抗干扰性好 可靠性高 有较强的模拟接口 代码保密性 好 在一些小型的应用中 比传统的好 在一些小型的应用中 比传统的 51 单片机更加灵活 外围电路更少 因而单片机更加灵活 外围电路更少 因而 得到了广泛的应用 指令少 得到了广泛的应用 指令少 PIC 中低档系列单片机共有中低档系列单片机共有 35 条指令 非常有利条指令 非常有利 于易记忆和掌握于易记忆和掌握 指令为单字节 占用程序存储器的空间小 而且中档系列单片指令为单字节 占用程序存储器的空间小 而且中档系列单片 机每一条指令为机每一条指令为 14 位 前位 前 6 位存操作指令 后位存操作指令 后 8 位存操作数位存操作数 大部分芯片有其大部分芯片有其 兼容的兼容的 FLASH 程序存储器的芯片 支持低电压擦写程序存储器的芯片 支持低电压擦写 擦写速度快 允许多次擦擦写速度快 允许多次擦 写 程序修改方便 写 程序修改方便 1 单片机种类丰富 单片机控制的无刷直流电机驱动系统设计 第 4 页 共 54 页4 PIC单片机目前有8位系列 16位系列和32位系列 它的最大特点是重视产 品的性能和价格比 靠发展多种系列产品来满足不同层次的应用要求 而不是 搞单纯的功能堆积 2 哈佛总线结构 如图3 4所示 PIC系列单片机在普林斯顿体系结构和哈佛体系结构的基础 上采用的哈佛总线结构 将程序存储器和数据存储器分开 使得读程序和对数据的存取 可以同时进行 为采用不同的字节宽度 有效扩展指令的字长奠定了技术基础 每个存储器 每个存储器独立编址独立编址 独立访问 与两个存储器相对应的是系统的 独立访问 与两个存储器相对应的是系统的 4 条总线 条总线 程序的程序的数据总线数据总线与与地址总线地址总线 数据的数据总线与地址总线 这种分离的程序总 数据的数据总线与地址总线 这种分离的程序总 线和线和数据总线数据总线可允许在一个可允许在一个机器周期机器周期内同时获得内同时获得指令字指令字和和操作数操作数 从而提高了 从而提高了 执行速度 提高了数据的吞吐率 又由于程序和数据存储在两个分开的物理空执行速度 提高了数据的吞吐率 又由于程序和数据存储在两个分开的物理空 间中 因此取址和执行能完全重叠 间中 因此取址和执行能完全重叠 中央处理器中央处理器首先到程序指令存储器中读取首先到程序指令存储器中读取 程序指令内容 解码后得到数据地址 再到相应的数据存储器中读取数据 并程序指令内容 解码后得到数据地址 再到相应的数据存储器中读取数据 并 进行下一步的操作 程序指令存储和进行下一步的操作 程序指令存储和数据存储数据存储分开 可以使指令和数据有不同分开 可以使指令和数据有不同 的数据宽度 并且程序存储器和数据存储器采用的是不同的的数据宽度 并且程序存储器和数据存储器采用的是不同的总线总线 从而提供了 从而提供了 较大的较大的存储器带宽存储器带宽 使数据的移动和交换更加方便 尤其提供了较高的 使数据的移动和交换更加方便 尤其提供了较高的数字信数字信 号处理号处理性能 性能 C P U 程序存储器 数据存储器 程序计 数器 P C 程序地址 数据总线 数据地址 数据总线 图3 4 PIC系列单片机哈佛总线结构 3 3 RISCRISC技术技术 RISC Reduced Instruction Set Computer 是指精简指令集计算机 主要 特点有 性能特点 性能特点 由于由于指令集指令集简化后 简化后 流水线流水线以及常用指令均可用硬件执行 以及常用指令均可用硬件执行 采用大量的采用大量的寄存器寄存器 使大部分指令操作都在 使大部分指令操作都在寄存器寄存器之间进行 提高了处理速度 之间进行 提高了处理速度 单片机控制的无刷直流电机驱动系统设计 第 5 页 共 54 页5 采用缓存采用缓存 主机主机 外存三级存储结构 使取数与存数指令分开执行 使处外存三级存储结构 使取数与存数指令分开执行 使处 理器可以完成尽可能多的工作 且不因从存储器存取信息而放慢处理速度 理器可以完成尽可能多的工作 且不因从存储器存取信息而放慢处理速度 应用特点 由于应用特点 由于RISC处理器指令简单 采用硬布线控制逻辑 处理能力强 速处理器指令简单 采用硬布线控制逻辑 处理能力强 速 度快 度快 运行特点 运行特点 RISC芯片的工作频率一般在芯片的工作频率一般在400MHZ数量级数量级 时钟频率时钟频率低 低 功率消耗少 温升也少 机器不易发生故障和老化 提高了系统的可靠性 功率消耗少 温升也少 机器不易发生故障和老化 提高了系统的可靠性 RISC技术的作用是减少指令 改善计算机的结构 提高计算机的运算速度 PIC16F72单片机指令集系统有35条指令 均采用单字节指令 而且除4条判断转 移指令发生间跳外 其余的都是单周期指令 执行的速度较高 4 指令特色 PIC系列单片机的指令系统具有代码压缩率高和寻址方式简单等优点 5 功耗低 由于PIC系列单片机采用的是CMOS结构 所以它的功率消耗很低 6 驱动能力强 PIC单片机的I O端口驱动负载的能力较强 每个输出引脚可以驱动20 25mA 的负载 它既能够在高电平下直接驱动发光二极管LED 光电耦合器 小型继电 器等 也能在低电平下直接驱动 这样可以大大简化控制电路 7 应用平台界面友好 开发方便 它的应用平台界面友好 开发方便 这不管是对初学者还是后续的应用开发 都提供了完善的硬件和软件支持 包括各档次的硬件仿真器和编程器 8 程序存储器版本齐全 Microchip公司生产的产品是一个单片机系列 可供用户选择的存储器类别 较多 为产品的不同应用场合提供了一个全方位的选择内容和不同的性能档次 3 1 2 PIC16F72 单片机的主要性能 PICl6F72 单片机是目前电瓶车控制器的主流控制芯片 对PIC16F72 单片机的外单片机的外 部资源 部资源 它的频率有 20MHz 其中有 2K 字 14 位宽的程序存储空间 伴随着 128 字节 8 位宽的数据存储空间 另外有有 28 个引脚 去掉电源 复位 个引脚 去掉电源 复位 单片机控制的无刷直流电机驱动系统设计 第 6 页 共 54 页6 振荡器等 共有振荡器等 共有 22 个可复用的个可复用的 IO 端口 其中第端口 其中第 13 脚是脚是 CCP1 输出口 可输出最大分辨率达输出口 可输出最大分辨率达 10BIT 的可调的可调 PWM 信号 当中信号 当中 有有8 个中断 3 个 8 位 I O 口以及 PORTA PORTB PORTC 还有三个定时器模 块 TIMER0 TIMER1 TIMER2 并随带着一个 PWM 输出 CCP 模块 8 位 5 通道 的AD 模数转换输入口 可提供检测外部电路的电压 一个外部模数转换输入口 可提供检测外部电路的电压 一个外部 中断输入脚 可处理突发事件 中断输入脚 可处理突发事件 3 1 33 1 3 PIC16F72PIC16F72 单片机的引脚排列单片机的引脚排列 图 3 1 PIC16F72 引脚图 各引脚应用如下 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 单片机控制的无刷直流电机驱动系统设计 第 7 页 共 54 页7 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 电机转子位置传感器信号输入口 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 单片机控制的无刷直流电机驱动系统设计 第 8 页 共 54 页8 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 5V 电压输入 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 该功能在后面详 细讲解 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 3 1 4 PIC16F72 单片机的功能特性 1 功能部件的特性功能部件的特性 带有8位5通道模数转换器 高驱动电流 每个I O引脚灌电流和拉电流 最大均可达25mA 可直接驱动数码管 LED 光耦合器等器件工作 可双向独立 编程设置I O引脚 8位定时器 计数器TMRO 带8位预分频器 有1路捕捉输入 单片机控制的无刷直流电机驱动系统设计 第 9 页 共 54 页9 比较输出 PWM输出 CCP 16位定时器 计数器TMR1 休眠中仍可计数 8位定时 器 计数器 TMR2 带有8位的周期寄存器及预分频器和后分频器 带有 SPITM 主 从模式 和I2CTM 从模式 同步串口 带软件控制选择的欠 压检测 BOD 欠压检测电路用于欠压复位 BOR 2 2 微控制器的特殊功能 使用高性能的RISC CPU 可进行1000次擦写操作的闪存程序存储器 标准值 上电复位 POR 上电延时定时器 PWRT 和振荡器起振定 时器 OST 采用自身片上RC振荡器可靠工作的看门狗定时器 WDT 断电复位锁定 即当芯片电源电压下降到某一值以后时 使芯片保持复位 当电源电压恢复正常后恢复运行 可编程代码保护 省电的休眠模式 可选振荡器选项 通过2个引脚进行在线串行编程 ICSPTM 处理器 读取程序存储器 1 3 1 53 1 5 PIC16F72PIC16F72 单片机对单片机对 PWMPWM 信号的处理信号的处理 直流电动机调速的方法可分为励磁控制法和电枢电压控制法 在众多的电枢直流电动机调速的方法可分为励磁控制法和电枢电压控制法 在众多的电枢 电压控制方法中 脉宽调制电压控制方法中 脉宽调制 PWM 技术因为需用的大功率可控器件少 线路简技术因为需用的大功率可控器件少 线路简 单 调速范围宽 电流波形系数好 附加损耗小 功率因数高的优点 从而得单 调速范围宽 电流波形系数好 附加损耗小 功率因数高的优点 从而得 到广泛应用 到广泛应用 CCP 捕捉输入 比较输出 捕捉输入 比较输出 PWM 输出输出 模块是模块是 PICl6F72 芯片的重要组成芯片的重要组成 部分 它有部分 它有 3 种工作方式 捕捉方式 输出比较方式和脉宽调制方式 当处于种工作方式 捕捉方式 输出比较方式和脉宽调制方式 当处于 脉宽调制工作方式时 可以在引脚输出分辨率高达脉宽调制工作方式时 可以在引脚输出分辨率高达 10 位的位的 PWM 信号 用程序信号 用程序 语言控制语言控制 PWM 信号的周期和高电平持续时间 从而控制电机的电枢电压 以信号的周期和高电平持续时间 从而控制电机的电枢电压 以 达到调速的目的达到调速的目的 31 单片机控制的无刷直流电机驱动系统设计 第 10 页 共 54 页10 3 2 逆变开关管驱动电路设计逆变开关管驱动电路设计 3 2 1逆变开关元件逆变开关元件MOSFET MOSFET 在 1960 年由贝尔实验室的 D Kahng 和 Martin Atalla 实验成功 这种元件的操作原理和双载子晶体管 Bipolar Junction Transistor BJT 截然不同 且因为制造成本低廉与使用面积较小 高整合度的优势 在大型积 体电路 Large Scale Integrated Circuits LSI 或是超大型积体电路 Very Large Scale Integrated Circuits VLSI 的领域里 重要性远超过 BJT 近年来由于 MOSFET 元件的性能逐渐提升 除了传统上应用于诸如微处理 器 微控制器等数位讯号处理的场合上 也有越来越多类比讯号处理的积体电 路可以用 MOSFET 来实现 开关速度快 输入阻抗高 热稳定性好 所需驱动功率小且驱动电路简单 工作频率高 不存在二次击穿问题 3 2 2 驱动芯片驱动芯片 IR2103 简介简介 1 IR2103 的特点 采用双列 8 脚封装 高端工作电压为 600V 低端工 作电压为 10 20V 功率为 1W IR2103 是一款半桥驱动集成芯片 该芯片内部集成了互相独立的控制驱动输出 电路 可直接驱动两个中功率半导体器件 如 MOSFE 或 IGBT 动态响应快 驱动能力强 工作频率高 且具有多种保护功能 IR2103 配备有大脉冲电流缓 冲级 可将交叉传导减至最低 同时采用具有下拉功能的施密特触发式输入设 计 可有效隔绝噪音 以防止器件意外开通 IR2103 的引脚图如图 3 2 所示 单片机控制的无刷直流电机驱动系统设计 第 11 页 共 54 页11 图 3 2 IR2103 引脚图 引脚功能如下 1 脚 VCC 逻辑电源与低端电源电压 2 脚 HIN 高端逻辑输入 3 脚 LIN 低端逻辑输入 4 脚 COM 低端电源接地 5 脚 LO 低端驱动输出电压 6 脚 VS 高端浮偏电源偏置电压 7 脚 HO 高端驱动输出电压 8 脚 VB 高端浮置电源电压 2 IR2103 主要功能 引脚 8 是高端浮置电源连接端 通过自举电容上 桥臂功率管的驱动器提供内部浮置电源 引脚6 6是与引脚 8 对应的浮偏电源的 地端 引脚 2 和引脚 3 分别是上桥臂功率管和下桥臂功率管的驱动信号逻辑输 入端 引脚 2 是高电平有效 引脚 3 是低电平有效 他们的输入信号范围为 3V 5V 与 TTL 电平和 CMOS 电平兼容 引脚 7 和引脚 5 分别是输出逆变桥 上桥臂和下桥臂的功率开关器件的驱动信号端 其输出的电平信号范围为 10 20V 其输出的信号受引脚 2 和引脚 3 的共同控制 具体的输入输出时序逻 辑关系如图 3 3 所示 单片机控制的无刷直流电机驱动系统设计 第 12 页 共 54 页12 图 3 3 IR2103 输入输出时序逻辑关系图 IR2103 芯片内部电路框图 芯片内部电路框图 IR2103 工作原理非常简单 在满足自举得情况下 当工作原理非常简单 在满足自举得情况下 当 IR2103 的的 2 脚脚 HIN 高端逻辑输入为高电平时 高端逻辑输入为高电平时 7 脚脚 HO 高端驱动输出电压端输出高电平 使上桥高端驱动输出电压端输出高电平 使上桥 管管 VT1 导通 当导通 当 IR2103 的的 3 脚脚 LIN 低端逻辑输入为高电平时 低端逻辑输入为高电平时 5 脚脚 LO 低端低端 驱动输出电压端输出高电平 使下桥管驱动输出电压端输出高电平 使下桥管 VT2 导通 由于有死区时间控制 导通 由于有死区时间控制 5 脚脚 LO 低端驱动输出电压和低端驱动输出电压和 7 脚脚 HO 高端驱动输出电压不会同时出现高电平的 高端驱动输出电压不会同时出现高电平的 也就是说 上下桥管也就是说 上下桥管 VT1 VT2 不会同时导通的 既不会发生直通现象 不会同时导通的 既不会发生直通现象 IR2103 的的 2 3 脚受单片机控制的 在电动自行车的无刷电机控制电路中 脚受单片机控制的 在电动自行车的无刷电机控制电路中 就是利用单片机去控制三个就是利用单片机去控制三个 IR2103 对于由六个功率元件构成的三相桥式逆变 对于由六个功率元件构成的三相桥式逆变 器来说 采用三片器来说 采用三片 IR2103 三个桥臂是中小型功率变换的理想选择 此类逆变电三个桥臂是中小型功率变换的理想选择 此类逆变电 路中的主电路可将直流电压 路中的主电路可将直流电压 VCC 逆变为三相交流输出电压 逆变为三相交流输出电压 U V W 送 送 给无刷电机 由于三相逆变器每个周期总有一个上下管导通 故上管自举电容给无刷电机 由于三相逆变器每个周期总有一个上下管导通 故上管自举电容 容易充电 三个上管自举电路可有序工作 但若容易充电 三个上管自举电路可有序工作 但若 IR2103 使用不当 尤其是自举使用不当 尤其是自举 电容选择不好 易导致芯片损坏或不能正常工作 电容选择不好 易导致芯片损坏或不能正常工作 IR2103 典型的应用电路 驱动电路图 典型的应用电路 驱动电路图 此外 IR2103 所具备的产生死区时间功能如图 3 4 所示 单片机控制的无刷直流电机驱动系统设计 第 13 页 共 54 页13 图 3 4 死区时间波形图 当 HIN 和 LIN 同时从低电平跳变到高电平时 HO 和 LO 并不是在同一个 时间往各自相反的方向跳变 而是 HO 的输出波形要比 LO 的输出波形窄 从 而在两个波形跳变处产生了时间差 DT 这个时间差 DT 就是死区时间 根据 IR3103 的 Date sheet 产生的死区时间 DT 的大致范围是 400 650ns 满足 MOSFET 的开通或关断时间 由于后续部分的硬件电路设计部分要用到死区时 间 所以在先这里简单的介绍一下 3 3 无刷直流电机控制器的硬件设计无刷直流电机控制器的硬件设计 3 3 1 无刷直流电机控制器硬件设计思路无刷直流电机控制器硬件设计思路 本文设计的本文设计的无刷直流电机控制器硬件电路主要主要包括直流电源模块 调速与 刹车输入模块 功率驱动模块 即逆变桥驱动电路 其主要功能是驱动功率 其主要功能是驱动功率 MOSFETMOSFET 管控制电机电流管控制电机电流 功率输出模块 即逆变桥电路 智能控制模块 以 PIC16F72 单片机为主控电路 其主要功能是完成电机的起动 换相 调速 制主控电路 其主要功能是完成电机的起动 换相 调速 制 动等控制并实现对电机 电池的保护动等控制并实现对电机 电池的保护 以及包活霍尔位置信号处理电路 电流位置信号处理电路 电流 信号处理电路以及一些外围保护 辅助电路 其主要功能有完成对信号的采样 信号处理电路以及一些外围保护 辅助电路 其主要功能有完成对信号的采样 对电路的供电 提供显示信号 发出报警信号等功能 对电路的供电 提供显示信号 发出报警信号等功能 无刷直流电机控制器原理框图如图 3 5 所示 单片机控制的无刷直流电机驱动系统设计 第 14 页 共 54 页14 PIC 16F 72 单 片 机 霍尔 位置 检测 电流 检测 无刷 直流 电机 主体 逆变桥驱动电 路 逆变桥电路 电 源 电压供应 5V 电压检测 调速与刹 车信号 图 3 5 无刷直流电机控制器原理框图 直流电源模块经过一系列的变压转换 能输出一系列不同的电压值 为整 机的不同模块提供合适的电压值和电流值 是整机的动力来源 对电动自行车 用无刷直流电机来说 由于其只能采用电池形式的供电方式 而电池的能量总 是越用越少 所以必须定时检测电源的电压以确定电池的剩余电量 以免使用 电池过量而造成电池的使用寿命缩短 调速和刹车输入模块主要是实现电机的调速输入 它的实现方式为通过输 出电位器的电压变化来表示此时电机的输出速度应该做的增减调整 为后面所 提及的 PWM 调速原理提供依据 逆变桥驱动模块在在接收到智能控制系统所所提供的换相信号信号以及调速信号后 通过一系列的模数模数转换 使电机电机控制器输出的信号转换成相对对应的控制逆变桥 电路动作的驱动信号 从而以以达到正确控制逆变桥电路电路动作的目的 逆变桥电路根据逆变桥电路的驱动信号使各个 MOSFET 晶体管晶体管做相应的开 关动作 为无刷直流直流电机提供动作动作能量 以以驱动无刷直流无刷直流电机做加速 减速 匀速 制动等一系列的的动作 智能控制模块是控制器的控制器的核心部分部分 一方面 控制模块接收来自无刷电机的霍尔 传感器发送过来过来的位置信号 并经过一系列算法的处理后后向逆变桥电路输出换相的波 单片机控制的无刷直流电机驱动系统设计 第 15 页 共 54 页15 形 使电机能正常运转 另一方面 控制模块通过对调速和刹车信号的采采集来确定电 机的预定转速 同时根据实时采集的霍尔位置信号来来确定预定速度和实际速度之间之间的 差值 然后采集逆变桥电流 在电机的电流没有超出最大电流的前提下 控制模块通 过调节 PWM 波的占空比以达到速度调节的目的 同时 控制模块还要采集电源电压 的信号的信号 确保电源没有工作在欠压状态 3 3 2 电源电路设计部分电源电路设计部分 3 3 2 1 稳压芯片稳压芯片LM317芯片芯片概述概述 LM317 是应用最为广泛的电源集成电路之一 它不仅具有固定式三端稳压电路的最 简单形式 又具备输出电压可调的特点 此外 还具有调压范围宽 稳压性能好 噪声低 纹波抑制比高等优点 稳压电源的输出电压可用下式计算 Vo 1 25 1 R2 R1 仅仅从公式本身看 R1 R2 的电阻值可以随意设定 然而作为稳压电源的输出 电压计算公式 R1 和 R2 的阻值是不能随意设定的 首先 317 稳压块的输出电压变化范围是 Vo 1 25V 37V 高输出电压的 317 稳压块 其输出电压变化范围是 Vo 1 25V 45V 所以 R2 R1 的比值范围 只能是 0 28 6 其次是 317 稳压块都有一个最小稳定工作电流 一般为 1 5mA 但当 317 稳压块的输出电流小于其最小稳定工作电流时 317 稳压块就不能正常工作 当 317 稳压块的输出电流大于其最小稳定工作电流时 317 稳压块就可以输出 稳定的直流电压 如果用 317 稳压块制作稳压电源时 没有注意 317 稳压块的 最小稳定工作电流 那么你制作的稳压电源可能会出现下述不正常现象 稳压 电源输出的有载电压和空载电压差别较大 LM317 有三个管脚 第一引脚 为电压调节脚 第二引脚 为电压输出脚 第三引脚 为电压输入脚 LM317 特性 特性 可调整输出电压低到 1 2V 保证 1 5A 输出电流 典型线性调整率 0 01 典型负载调整率 0 1 80dB 纹波抑制比 输出短路保护 过流 过热保护 单片机控制的无刷直流电机驱动系统设计 第 16 页 共 54 页16 调整管安全工作区保护 标准三端晶体管封装 电压范围 1 25V 至 37V 连续可调 3 3 2 2 稳压芯片稳压芯片7805芯片芯片的的概述概述 7805 系列为 3 端正稳压电路 能提供多种固定的输出电压 应用范围广 内含过流 过热和过载保护电路 带散热片时 输出电流可达 1A 虽然是固定 稳压电路 但使用外接元件 可获得不同的电压和电流 常见的三端稳压集成 电路还有正电压输出的 78 系列和负电压输出的 79 系列 有三条引脚 输出 分别是输入端 接地端和输出端 用 78 79 系列三端稳压 IC 来组成稳压 电源所需的外围元件极少 电路内部还有过流 过热及调整管的保护电路 使 用起来可靠 方便 而且价格便宜 该系列集成稳压 IC 型号中的 78 或 79 后面 的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压 7805 引脚图 7805 有三个管脚 引脚 1 电压输入 引脚 2 接地线端 引脚 3 电压输出 主要特点 按 输出电流可达 1A 按 输出电压有 5V 按 过热保护 按 短路保护 按 输出晶体管 SOA 保护 3 3 2 3 电源电路原理设计部分电源电路原理设计部分 单片机控制的无刷直流电机驱动系统设计 第 17 页 共 54 页17 图 3 6 电源电路原理图 电源电路输出三路电压 分别是 48V 电压 13 5V 电压和 5V 电压 第一路为电池的电压 输出电压为 48V 主要为逆变器供电 具体连接见 功率驱动 MOSFET 部分 第二路输出 13 5V 电压 主要供给 MOSFET 作开通电压用 其实现电压 转换的原理是通过 LM317电压稳压器与 R3 R4 组合输出电压 输出电压可用下输出电压可用下 式计算 式计算 Vo 1 25 1 R2 R1 3 1 单片机控制的无刷直流电机驱动系统设计 第 18 页 共 54 页18 通过计算可得 第二路电源电压约为 13 5V 由于驱动电路对第二路电源的要 求不是很高 基本上在 10V 到 20V 时即可控制 MOSFET 正常开关 所以选择 还是比较合适的 LM317 的输入和输出电压不能超过 60V 所以要在输入端串 接 R1 以达到压降的作用在此 R2 的作用一方面是争取更多的电流以驱动负载 另一方面则分担了 LM317 的一部分功耗 第三路输出 5V 电压 由 7805 提供 它一方面要为智能控制系统提供电源 电压 另一方面是作为 AD 转换的基准电压值 所以对这路电压精度的要求比 较搞 一般要让其波动电压范围稳定在 4 8 5 2V 之间 7805 芯片能满足这个要 求 3 3 3 电源电压检测信号处理部分电源电压检测信号处理部分 图 3 7 电压检测电路 电源电压检测信号处理部分如上图 3 7 所示 电压检测的基本实现方式是 利用电阻的分压原理使进入 A D 转换的电压值能处在 5V 以内 并且电压值的 变化与外部电源电压的变化成正比 从而能很好地监视电源电压的变化 当电当电 源电压过低时给出欠压信号 输出截止 防止电池由于过放而损坏 对于无刷源电压过低时给出欠压信号 输出截止 防止电池由于过放而损坏 对于无刷 直流电机控制器 由于输入控制变量比较多 控制器可以利用各种输入信号对直流电机控制器 由于输入控制变量比较多 控制器可以利用各种输入信号对 48 7K5 R21 7K5 R23 1K2 R24 104 C38 2K2 R55 V TEST 单片机控制的无刷直流电机驱动系统设计 第 19 页 共 54 页19 控制系统进行灵活的保护 这些保护功能可以大大提高无刷直流电机控制器的控制系统进行灵活的保护 这些保护功能可以大大提高无刷直流电机控制器的 可靠性 也可靠性 也保证电压供应不发生异常 在右图中 输入单片机 A D 转换的电压值为 3 2 由上式计算得 0 08 这样 A D 模块能识别的最高电压就达到了 60V 左右 即使有时因电压不稳而产生较大跃变时 A D 转换模块也能很快的觉察出 来 3 3 3 电流检测信号和处理部分电流检测信号和处理部分 3 3 3 1 双运算放大器双运算放大器 LM358 芯片简介芯片简介 LM358 内部包括有两个独立的 高增益 内部频率补偿的双运算放大器 适合于电源电压范围很宽的单电源使用 而且也适合用于双电源工作模式 在 推荐的工作条件下 电源电流与电源电压无关 它的使用范围包括传感放大器 直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合 引脚图如 下所示 LM358 引脚图 LM358LM358 引脚功能 引脚功能 单片机控制的无刷直流电机驱动系统设计 第 20 页 共 54 页20 引脚 1 运放输出端 1 引脚 2 运放反向输入端 1 引脚 3 运放正向输入端 1 引脚 4 接地 引脚 5 运放正向输入端 2 引脚 6 运放反向输入端 2 引脚 7 运放输出端 2 引脚 8 供电 LM358 特性特性 内部频率补偿 直流电压增益高 约 100dB 单位增益频带宽 约 1MHz 电源电压范围宽 单电源 3 30V 双电源 1 5 一 15V 低功耗电流 适合于电池供电 低输入偏流 低输入失调电压和失调电流 共模输入电压范围宽 包括接地 差模输入电压范围宽 等于电源电压范围 输出电压摆幅大 0 至 Vcc 1 5V 3 3 3 电流检测和过流保护电路部分电流检测和过流保护电路部分 电流检测电路的实现在电流环的控制电路中 电流放大器通常选择较大的 增益 其好处是可以选择一个较小的电阻来获得足够的检测电压 而检测电阻 小损耗也小 电路中发生短路故障时 电流会突然增大 造成电压也突然下降 这时就需要 过流保护来对对 MOSFETMOSFET 进行保护 将最大电流控制在设定范围内 当达到阀值时进行保护 将最大电流控制在设定范围内 当达到阀值时 关闭电机 避免了关闭电机 避免了 MOSFETMOSFET 上通过大电流烧毁的危险 过流保护是控制器的最后上通过大电流烧毁的危险 过流保护是控制器的最后 单片机控制的无刷直流电机驱动系统设计 第 21 页 共 54 页21 防线 过流保护电阻用的是康铜丝 当系统电流超过最大保护电流值时 康铜防线 过流保护电阻用的是康铜丝 当系统电流超过最大保护电流值时 康铜 阻丝会烧断 从而起到保护作用 阻丝会烧断 从而起到保护作用 它们组成的电路原理图如图 3 8 所示 图 3 8 电流检测和过流保护电路 在图 3 8 中 R45 是康铜电阻 充当过流保护电阻 过流保护电阻 所以检测电流就是通 过采用康铜电阻 R45 来实现的 电阻 R45 安装在功率驱动桥的下端与功放板地 线之间 这样通过无刷直流电机的电流最终是要经过电阻 R45 接地的 因此 根据欧姆定律 我们只要知道电阻 R45 两端的电压 就可以知道它的相电流了 LM358LM358 内部包括有两个独立的 高增益 内部频率补偿的双运算放大器 内部包括有两个独立的 高增益 内部频率补偿的双运算放大器 其中 U1A 作比较器 用于判断电路中是不是存在电流过流的情况 由图 3 8 可 知 以双运算放大器双运算放大器 LM358LM358 的的引脚 3 作为基准电压的输入 可以计算出 它的 基准电压为 0 3V 在正常的情况下 输出引脚 1 处于高 电平状态 当出现过流的现象时 康铜电阻 R45 输出的电压增大 输入引脚 2 的电压的电压将大于基准电压 这时输出引脚 1 将翻转到低电平状态 由此给单片机 一个过流保护中断 促使单片机做过流保护的相关工作 从而起到对从而起到对 MOSFETMOSFET 进进 行保护的作用 避免了行保护的作用 避免了 MOSFETMOSFET 上通过大电流烧毁的危险 上通过大电流烧毁的危险 另外以双运算放大器另外以双运算放大器 LM358 的 U1B 作为放大器用 其放大的倍数是 6 5 倍 选择的放大倍数较小的原因有两个 1 LM358 的频率响应不够高 而 PWM 波形的频率是 15KHz 如果放大 倍数比较大的话 那么其电流响应将变成梯形波 不利于电流信号的采集 单片机控制的无刷直流电机驱动系统设计 第 22 页 共 54 页22 2 输出的电流信号杂波太多 尤其在起动的时候 电流值的波动非常大 如果放大倍数选得太大的话 有可能引起误判 综上所述 选择 6 5 倍虽然在 电流大小的放大精度上有一定的影响 但不过都在允许的范围之内 3 3 4 霍尔位置传感器处理部分霍尔位置传感器处理部分 3 3 4 1 霍霍尔尔位位置置传传感感器器 霍霍尔尔位位置置传传感感器器 具有稳定 可靠 频率响应宽 体积小 结 构牢固 易于安装等优点 目前被广泛应用于无刷直流电动机当 中 霍霍尔尔位位置置传传感感器器在无刷直流电动机中起着检测转子磁极位置的作用 为功率开关电路提供正确的换相信息 即将转子磁极的位置信号转换成电信号 经位置信号处理电路处理后控制定子绕组换相 由于功率开关的导通顺序与转 子转角同步 因而霍尔位置传感器与功率开关一起 起着与传统有刷直流电机 的机械换向器和电刷相类似的作用 霍尔位置传感器的基本结构和电动机本体一样 也是由静止 部分和运动部分组成 即位置传感器定子和位置传感器转子 其 转子与电机主转子一同旋转 以指示电机主转子的位置 既可以 直接利用电动机的永磁转子 也可以在转轴其他位置上另外安装 永磁转子 定子是由若干个霍尔元件 按一定的间隔 等距离地 安装在传感器定子上 以检测电机转子的位置 霍尔位置传感器 的结构如图 10 所示 单片机控制的无刷直流电机驱动系统设计 第 23 页 共 54 页23 图图 10 霍尔位置传感器结构示意图 霍霍尔尔位置传感器的基本功能是在电动机的每一个电周期内 产生出所要求的开关状态数 也就是说电动机传感器的永磁转子 每转过一对磁极 N S 极 的转角 就要产生出与电机逻辑分 配状态相对应的开关状态数 以完成电动机的一个换流全过程 如果转子充磁的极对数越多 则在360 机械角度内完成该换 流全过程的次数也就越多 3 3 4 2 霍尔位置传感器信号处理部分霍尔位置传感器信号处理部分 霍尔位置传感器信号处理部分的电路图如图 3 9 所示 R18 4K 7 R19 4K 7 R22 4K 7 R20 4K 7 R21 4K 7 R26 4K 7 R23 4K 7 R24 4K 7 R25 4K 7 C3 0 1uF C4 0 1uF C5 0 1uF M id Voltage PH ASE A PH ASE B PH ASE C N ull A N ull B N ull C 图 3 9 霍尔位置传感器输入信号电路