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無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案摘 要無刷直流電動(dòng)機(jī)是在有刷直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的?，F(xiàn)階段，雖然各種交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)在傳動(dòng)應(yīng)用中占主導(dǎo)地位，但無刷直流電動(dòng)機(jī)正受到普遍的關(guān)注。自20世紀(jì)90年代以來，隨著人們生活水平的提高和現(xiàn)代化生產(chǎn)、辦公自動(dòng)化的發(fā)展，家用電器、工業(yè)機(jī)器人等設(shè)備都越來越趨向于高效率化、小型化及高智能化，作為執(zhí)行元件的重要組成部分，電機(jī)必須具有精度高、速度快、效率高等特點(diǎn)，無刷直流電機(jī)的應(yīng)用也因此而迅速增長。本設(shè)計(jì)是把無刷直流電動(dòng)機(jī)作為電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，以PIC16F72單片機(jī)為控制電路，單片機(jī)采集比較電平及電機(jī)霍爾反饋信號(hào)，通過軟件編程控制無刷直流電動(dòng)機(jī)。關(guān)鍵詞 無刷直流電動(dòng)機(jī) 單片機(jī) 霍爾位置傳感器IAbstractBrushless DC motor in a brush DC motor developed on the basis of. At this stage, although exchanges of all kinds of DC motors and motor drive in the application of the dominant, but brushless DC motor is under common concern.Since the 1990s, as people's living standards improve and modernize production, the development of office automation, household appliances, industrial robots and other equipment are increasingly tend to be high efficiency, small size and high intelligence, as the implementation of components An important component of the motor must have a high accuracy, speed, high efficiency, brushless DC motor and therefore the application is also growing rapidly.This design is the brushless DC motor as the electric bicycle motor-driven control system, PIC16F72 microcontroller for control circuit, SCM collection and comparison-level electrical signal Hall feedback, software programming through brushless DC motor control .Key words bldcm the single chip processor hall position sensorII摘 要 IAbstract .II第 1 章 概 述 .11.1 無刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展概況 .11.2 無刷直流永磁電動(dòng)機(jī)與有刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的比較 .21.3 無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及基本工作原理 .31.4 無刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性 .61.4.1 機(jī)械特性 .61.4.2 調(diào)節(jié)特性 .61.4.3 工作特性 .71.5 無刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用與研究動(dòng)向 .8第 2 章 無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 102.1 無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的組成 102.2 無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案 122.2.1 設(shè)計(jì)方案比較 122.2.2 無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖 13第 3 章 無刷直流電動(dòng)機(jī)硬件設(shè)計(jì) 153.1 逆變主電路設(shè)計(jì) 153.1.1 功率開關(guān)主電路圖 .153.1.2 逆變開關(guān)元件選擇和計(jì)算 .153.2 逆變開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 173.2.1 IR2110 功能介紹 .173.2.2 自舉電路原理 .193.3 單片機(jī)的選擇 203.3.1 PIC 單片機(jī)特點(diǎn) 203.3.2 PIC16F72 單片機(jī)管腳排列及功能定義 .223.3.3 PIC16F72 單片機(jī)的功能特性 .223.3.4 PWM 信號(hào)在 PIC 單片機(jī)中的處理 233.3.5 時(shí)鐘電路 .233.3.6 復(fù)位電路 .243.4 人機(jī)接口電路 243.4.1 轉(zhuǎn)把和剎車 .243.4.2 顯示電路 .253.5 門陣列可編程器件 GAL16V8 273.5.1 GAL16V8 圖及引腳功能 27III3.6 傳感器選擇 283.7 周邊保護(hù)電路 303.7.1 電流采樣及過電流保護(hù) .303.7.2 LM358 雙運(yùn)放大電路 313.7.3 欠電壓保護(hù) .323.8 電源電路 32第 4 章 無刷直流電動(dòng)機(jī)軟件設(shè)計(jì) .334.1 直流無刷電機(jī)控制器程序的設(shè)計(jì)概況 334.2 系統(tǒng)各部分功能在軟件中的實(shí)現(xiàn) 334.3 軟件流程圖 34結(jié)束語 .36致謝 .37參考文獻(xiàn) .38附錄 139附錄 2510第 1 章 概 述1.1 無刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展概況無刷直流電動(dòng)機(jī)是在有刷直流電動(dòng)機(jī)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，這一淵源關(guān)系從其名稱中就可以看出來。有刷直流電動(dòng)機(jī)從19世紀(jì)40年代出現(xiàn)以來，以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩控制特性，在相當(dāng)長的一段時(shí)間內(nèi)一直在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。但是，有機(jī)械接觸電刷-換向器一直是電流電機(jī)的一個(gè)致命弱點(diǎn)，它降低了系統(tǒng)的可靠性，限制了其在很多場(chǎng)合中的使用。為了取代有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械換向裝置，人們進(jìn)行了長期的探索。早在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械電刷，從而誕生了無刷直流電機(jī)的基本思想。1955年美國的D.Harrison等首次申請(qǐng)了用晶體管換相線路代替有刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械電刷的專利，標(biāo)志著現(xiàn)代無刷直流電動(dòng)機(jī)的誕生。無刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展在很大程度上取決于電力電子技術(shù)的進(jìn)步，在無刷直流電動(dòng)機(jī)發(fā)展的早期，由于當(dāng)時(shí)大功率開關(guān)器件僅處于初級(jí)發(fā)展階段，可靠性差，價(jià)格昂貴，加上永磁材料和驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)水平的制約，使得無刷直流電動(dòng)機(jī)自發(fā)明以后的一個(gè)相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，性能都不理想，只能停留在實(shí)驗(yàn)室階段，無法推廣使用，1970年以后，隨著電力半導(dǎo)體工業(yè)的飛速發(fā)展，許多新型的全控型半導(dǎo)體功率器件（如GTR、MOSFET、IGBT等）相繼問世，加之高磁能積永磁材料（如SmCo、NsFeB）陸續(xù)出現(xiàn)，這些均為無刷直流電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)因而得到了迅速的發(fā)展。在1978年漢諾威貿(mào)易博覽會(huì)上，前聯(lián)邦德國的MANNESMANN公司正式推出了 MAC無刷直流電動(dòng)機(jī)及其驅(qū)動(dòng)器，引起了世界各國的關(guān)注，隨即在國際上掀起了研制和生產(chǎn)無刷直流系統(tǒng)的熱潮，這業(yè)標(biāo)志著無刷直流電動(dòng)機(jī)走向?qū)嵱秒A段。隨著人們對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)特性了解的日益深入，無刷直流電動(dòng)機(jī)的理論也逐漸得到了完善。1986年，H.R.Bolton對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)作了全面系統(tǒng)的總結(jié)，指出了無刷直流電動(dòng)機(jī)的研究領(lǐng)域，成為無刷直流電動(dòng)機(jī)的經(jīng)典文獻(xiàn)，標(biāo)志著無刷直流電動(dòng)機(jī)在理論上走向成熟。我國對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)的研究起步較晚。1987年，在北京舉辦的聯(lián)邦德國金屬加工設(shè)備展覽會(huì)上，SIEMENS和BOSCH兩公司展出了永磁自同步伺服系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)器，引起了國內(nèi)有關(guān)學(xué)者的廣泛注意，自此國內(nèi)掀起了研制開發(fā)和技術(shù)引進(jìn)的熱潮。經(jīng)過多年的努力，目前，國內(nèi)已有無刷直流電動(dòng)機(jī)的系列 產(chǎn)品，形成了一定的生產(chǎn)規(guī)模。11.2 無刷直流永磁電動(dòng)機(jī)與有刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的比較表 1-1 無刷直流永磁電動(dòng)機(jī)與有刷直流永磁電動(dòng)機(jī)的比較項(xiàng)目 無刷直流電動(dòng)機(jī) 有刷直流電動(dòng)機(jī)換向 借助轉(zhuǎn)自子位置傳感器實(shí)現(xiàn)電子換向由電刷和換向器進(jìn)行機(jī)械換向維護(hù) 由于沒有電刷和換向器，很少需要維護(hù)需要周期性維護(hù)壽命 比較長 比較短機(jī)械（速度/力矩）特性平（硬）在負(fù)載條件下能在所有速度上運(yùn)行中等平（中等硬）。在較高速度上運(yùn)行時(shí)，電刷摩擦增加，有用力矩減小效率 由于沒有電刷壓降，所以效率高中等輸出功率/外形尺寸之比高由于電樞繞組設(shè)置在與機(jī)殼相連的定子上，容易散熱。這種優(yōu)異的熱傳導(dǎo)特性允許減小電動(dòng)機(jī)的尺寸，所以輸出功率/外形尺寸之比高中等/低。電樞產(chǎn)生的熱量消散在氣隙內(nèi)，這樣增加了氣隙溫度，從而限制了輸出功率/外形尺寸之比轉(zhuǎn)自慣量 低。因?yàn)橛来朋w設(shè)置在轉(zhuǎn)子上，改善了動(dòng)態(tài)響應(yīng)轉(zhuǎn)自慣量高，限制了動(dòng)態(tài)特性速度范圍 比較高。沒有電刷/換向器給予的機(jī)械限制比較低，存在電刷給予的機(jī)械限制電氣噪聲 低 電刷的電弧將對(duì)附近的設(shè)備產(chǎn)生電磁干擾制造價(jià)格 比較高 低控制 復(fù)雜和價(jià)格貴 簡(jiǎn)單和價(jià)格不貴控制要求 為了使電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)必須要有控制器，但同樣的控制器可用于變速控制對(duì)于一個(gè)固定的速度而言，不需要控制器；有變速要求的時(shí)候才需要控制器21.3 無刷直流電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)及基本工作原理1．無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)矩分析電機(jī)本體的電樞繞組為三相星型連接，位置傳感器與電機(jī)轉(zhuǎn)子同軸，控制電路對(duì)位置信號(hào)進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生控制信號(hào)，控制動(dòng)信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路隔 離放大后控制逆變器的功率開關(guān)管，使電機(jī)的各相繞組按一定的順序工作。圖1-1 無刷直流電動(dòng)機(jī)工作原理示意圖如圖1-1所示，當(dāng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)（順時(shí)針）到圖a所示的位置時(shí)，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動(dòng)逆變器，使T1、T6 導(dǎo)通，即A、B兩相繞組通電，電流從電源的正極流出，經(jīng)T1流入A相繞組，再從B相繞組流出，經(jīng)T6回到電源的負(fù)極，此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過60電角度，到達(dá)圖b所示位置時(shí)，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出3的信號(hào)經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動(dòng)逆變器，使T1、T2導(dǎo)通，A、C兩相繞組通電，電流從電源的正極流出，經(jīng)T1流入A相繞組，再從C相繞組流出，經(jīng)T2回到電源負(fù)極。此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過60電角度，逆變器開關(guān)就發(fā)生一次切換，功率開關(guān)管的導(dǎo)通邏輯為T1、T6—T1、T2—T3、T2—T3、T4—T5、T4—T5、T6—T1、T6。在次期間，轉(zhuǎn)子始終受到順時(shí)針方向的電磁轉(zhuǎn)矩作用，沿順時(shí)針方向連續(xù)旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過60電角度，定子繞組就進(jìn)行一次換流，定子合成磁場(chǎng)的磁狀態(tài)就發(fā)生一次躍變?？梢?，電機(jī)有6種磁狀態(tài)，每一狀態(tài)有兩相導(dǎo)通，每相繞組的導(dǎo)通時(shí)間對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)120電角度。無刷直流電動(dòng)機(jī)的這種工作方式叫兩相導(dǎo)通星型三相六狀態(tài)，這是無刷直流電動(dòng)機(jī)最常用的一種工作方式。2．無刷直流電動(dòng)機(jī)與輸出開關(guān)管換流信號(hào)無刷直流電動(dòng)機(jī)的位置一般采用三個(gè)在空間上相隔120電角度的霍爾位置傳感器進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)位于霍爾傳感器位置處的磁場(chǎng)極性發(fā)生變化時(shí)，傳感器的輸出電平將發(fā)生改變，由于三個(gè)霍爾傳感器位檢測(cè)元件的位置在空間上各差120電角度，因此從這三個(gè)檢測(cè)元件輸出端可以獲得三個(gè)在時(shí)間上互差120度、寬度為180度的電平信號(hào)，分別用A、B、C來表示，如圖1-2所示，以信號(hào)A為例，A相位置寬度為180電導(dǎo)角：在0-60度，T1必須導(dǎo)通，故T1狀態(tài)為1，而C相還剩下60度通電寬度，所以此段時(shí)間為T1和T6等于1，（此時(shí)下部可供導(dǎo)通的管子為T4、 T6和T2，而為避免橋臂直通，T4不能導(dǎo)通；T2的導(dǎo)通時(shí)間未到，故只能是T6導(dǎo)通）；而在60度—120度，此時(shí)只有A相通電，B和C相處于非導(dǎo)電期，故導(dǎo)通的開關(guān)管為T1和T2（T1和T2等于1），其中T2是為B相導(dǎo)電作準(zhǔn)備；而在120度—180度時(shí)，由于 每一相只有120電導(dǎo)角導(dǎo)電時(shí)間，故此時(shí)T1關(guān)斷（T1=0），T2仍然導(dǎo)通（B相開始進(jìn)入導(dǎo)電期），此時(shí)可知，T1關(guān)斷，T5不能開通（防止橋臂直通），則此時(shí)只能開通T3，所以T3信號(hào)此時(shí)間段為1。其他時(shí)間段的開關(guān)管導(dǎo)通情況與此類似。理論上，只要保證三個(gè)位置傳感器在空間上互差120度，開關(guān)管的換流時(shí)刻總是可以推算出來的。然而，為了簡(jiǎn)化控制電路，每個(gè)霍爾傳感器的起始安裝位置在各自相繞組的基準(zhǔn)點(diǎn)（r 0=00）上.那么在r 0=00的控制條件下，A相繞組開始通電的時(shí)刻（即該相反電勢(shì)相位30度位置）恰好與A相位置傳感器輸出信號(hào)A的電平跳變時(shí)刻重合，此時(shí)應(yīng)將T1開關(guān)管驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通。同理，其他開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)刻也可以按同樣方法確定。本設(shè)計(jì)選用的是三相無刷永磁直流電動(dòng)機(jī)，其額定電壓U H=36V,電樞額定電流I aH=8.5A,電樞峰值電流I aP 15A,額定轉(zhuǎn)速n H=350r/min,額定功率?PH=250W。4圖1-2 無刷電動(dòng)機(jī)位置檢測(cè)及開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)表 1-2 無刷電動(dòng)機(jī)直流通電控制方式開關(guān)切換表位置傳感器 逆變橋開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)旋轉(zhuǎn)方向 A B C T1 T2 T3 T4 T5 T60 0 1 0 0 0 0 1 10 1 0 0 0 1 1 0 00 1 1 0 0 0 1 1 01 0 0 1 1 0 0 0 01 0 1 1 0 0 0 0 1正轉(zhuǎn)1 1 0 0 1 1 0 0 00 0 1 0 1 1 0 0 00 1 0 1 0 0 0 0 10 1 1 1 1 0 0 0 01 0 0 0 0 0 1 1 01 0 1 0 0 1 1 0 0反轉(zhuǎn)1 1 0 0 0 0 0 1 151.4 無刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性1.4.1 機(jī)械特性無刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為：（1-1）222STasTeeeetUrIUrnCC?????????UT-開關(guān)器件的管壓降Ia-電樞電流Ce-電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)-每級(jí)磁通量可見無刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與一般直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式相同，機(jī)械特性較硬。在不同的供電電壓驅(qū)動(dòng)下，可以得到如1-3圖所示機(jī)械特性曲線簇。圖1-3 機(jī)械特性曲線簇當(dāng)轉(zhuǎn)矩較大、轉(zhuǎn)速較低時(shí)，流過開關(guān)管和電樞繞組的電流很大，這時(shí)，管壓降隨著電流增大而增加較快，使在電樞繞組上的電壓有所減小，因而圖所示的機(jī)械特性曲線會(huì)偏離直線，向下彎曲。1.4.2 調(diào)節(jié)特性無刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性如圖1-4所示。6圖1-4 調(diào)節(jié)特性調(diào)節(jié)特性的始動(dòng)電壓和斜率分別為：（1-2）02eTTrUC????（1-3）1eK從機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性可以看出，無刷直流電動(dòng)機(jī)與一般直流電動(dòng)機(jī)一樣，具有良好的調(diào)速控制性能，可以通過調(diào)節(jié)電源電壓實(shí)現(xiàn)無級(jí)調(diào)速。但不能通過調(diào)節(jié)勵(lì)磁調(diào)速，因?yàn)橛来朋w的勵(lì)磁磁場(chǎng)不可調(diào)。1.4.3 工作特性電樞電流與輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系、效率輸出轉(zhuǎn)矩的關(guān)系如圖1-5所示。圖1-5 工作特性在輸出額定轉(zhuǎn)矩時(shí),電機(jī)效率高、損耗低是無刷直流電動(dòng)機(jī)的重要特點(diǎn)之一。71.5 無刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用與研究動(dòng)向現(xiàn)階段，雖然各種交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)在傳動(dòng)應(yīng)用中占主導(dǎo)地位，但無刷直流電動(dòng)機(jī)正受到普遍的關(guān)注。自20世紀(jì)90年代以來，隨著人們生活水平的提高和現(xiàn)代化生產(chǎn)、辦公自動(dòng)化的發(fā)展，家用電器、工業(yè)機(jī)器人等設(shè)備都越來越趨向于高效率化、小型化及高智能化，作為執(zhí)行元件的重要組成部分，電機(jī)必須具有精度高、速度快、效率高等特點(diǎn)，無刷直流電機(jī)的應(yīng)用也因此而迅速增長。尤其在節(jié)能已成為時(shí)代主題的今天，無刷直流電機(jī)高效率的特點(diǎn)更顯示了其巨大的應(yīng)用價(jià)值。無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子采用永久磁鐵，其產(chǎn)生的氣隙磁通保持為常值，因而特別適用于恒轉(zhuǎn)矩運(yùn)行；對(duì)于恒功率運(yùn)行，無刷直流電機(jī)雖然不能直接改變磁通實(shí)現(xiàn)弱磁控制，但通過控制方法的改進(jìn)也可以獲得弱磁控制的效果。由于稀土永磁材料的矯頑力高、剩磁大，可產(chǎn)生很大的氣隙磁通，這樣可以大大縮小轉(zhuǎn)子半徑，減小轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因而在要求有良好的靜態(tài)特性和高動(dòng)態(tài)響應(yīng)的伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中，如數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等應(yīng)用中，無刷直流電機(jī)比交流伺服電機(jī)和直流伺服電機(jī)顯示了更多的優(yōu)越性。目前無刷直流電機(jī)的應(yīng)用范圍已遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域，并日趨廣泛，特別是在家用電器、電動(dòng)汽車、航空航天等領(lǐng)域已得到大量應(yīng)用。目前，無刷直流電機(jī)的研究主要集中在以下方面：（1）無機(jī)械式轉(zhuǎn)子位置傳感器控制。轉(zhuǎn)子位置傳感器是整個(gè)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中最為脆弱的部件，不僅增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜性，而且降低系統(tǒng)的可靠性和抗干擾能力，同時(shí)還需要占據(jù)一定的空間位置。在很多應(yīng)用場(chǎng)合，例如空調(diào)器和計(jì)算機(jī)外設(shè)都要求無刷直流電動(dòng)機(jī)以無轉(zhuǎn)子位置傳感器方式運(yùn)行。無轉(zhuǎn)子位置傳感器運(yùn)行實(shí)際上就是要求在不采用機(jī)械傳感器的條件下，利用電機(jī)的電壓和電流信息獲得轉(zhuǎn)子磁極的位置.目前比較成熟的無轉(zhuǎn)子位置傳感器運(yùn)行方式有：1 反電動(dòng)勢(shì)法——包括直接反電動(dòng)勢(shì)法、間接反電動(dòng)勢(shì)法以及派生出來的反電動(dòng)勢(shì)積分法等。2 定子三次諧波檢測(cè)法。3 續(xù)流二極管電流通路檢測(cè)法。但現(xiàn)有方法都存在各自的局限性，仍在不斷完善之中。（1）轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制。存在轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是無刷直流電動(dòng)機(jī)的固有缺點(diǎn)，特別是隨著轉(zhuǎn)速升高，換相導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)加劇，并使平均轉(zhuǎn)矩顯著下降。減小轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)是提高無刷直流電動(dòng)機(jī)性能的重要方面。8（2）智能控制。隨著信息技術(shù)和控制理論的發(fā)展，在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域中，一個(gè)新的發(fā)展方向就是先進(jìn)控制理論，尤其是智能控制理論的應(yīng)用。目前，專家系統(tǒng)、模糊邏輯控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是三個(gè)最主要的理論和方法。其中，模糊控制是把一些具有模糊性的成熟經(jīng)驗(yàn)和規(guī)則有機(jī)地融入到傳動(dòng)控制策略當(dāng)中，現(xiàn)已成功地應(yīng)用到許多方面。隨著無刷直流電動(dòng)機(jī)應(yīng)用范圍的擴(kuò)大，智能控制技術(shù)將受到更廣泛的重視。9第 2 章 無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案2.1 無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的組成無刷直流電動(dòng)機(jī)(Brushless DC Motor,簡(jiǎn)稱BLDCM)是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品,它是由電動(dòng)機(jī)本體、位置檢測(cè)器、逆變器和控制器組成的自同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)或自控式變頻同步電動(dòng)機(jī).位置檢測(cè)器檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極的位置信號(hào),控制器對(duì)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行邏輯處理并產(chǎn)生相應(yīng)的開關(guān)信號(hào),開關(guān)信號(hào)以一定的順序觸發(fā)逆變器中的功率開關(guān)器件,將電源功率以一定的邏輯關(guān)系分配給電動(dòng)機(jī)定子各相繞組,使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩.現(xiàn)對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)各部分的基本結(jié)構(gòu)說明如下。1．電機(jī)本體無刷直流電動(dòng)機(jī)最初的設(shè)計(jì)思想來自普通的有刷直流電動(dòng)機(jī)，不同的是將直流電動(dòng)機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行了互換，其轉(zhuǎn)子為永磁結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生氣隙磁通；定子為電樞，有多相對(duì)稱繞組。原直流電動(dòng)機(jī)的電刷和機(jī)械換向器被逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器所代替。所以無刷直流電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本體實(shí)際上是一種永磁同步電機(jī)。由于無刷直流電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本體為永磁電機(jī)，所以無刷直流電動(dòng)機(jī)也稱為永磁無刷直流電動(dòng)機(jī)。定子的結(jié)構(gòu)與普通同步電動(dòng)機(jī)或感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相同，鐵心中嵌有多相對(duì)稱繞組。繞組可以接成星形或三角形，并分別與逆變器中的各開關(guān)管相連，三相無刷直流電動(dòng)機(jī)最為常見。2．逆變器目前，無刷直流電動(dòng)機(jī)的逆變器主開關(guān)一般采用IGBT或功率MOSFET等全控型器件，有些主電路已有集成的功率模塊（PIC）和智能功率模塊（IPM），選用這些模塊可以提高系統(tǒng)的可靠性。無刷直流電動(dòng)機(jī)定子繞組的相數(shù)可以有不同的選擇，繞組的連接方式也有星形和角型之分，而逆變器又有半橋型和全橋型兩種。不同的組合使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生不同的性能和成本。綜合以下三個(gè)指標(biāo)有助于我們做出正確的選擇：（1）繞組利用率。與普通直流電動(dòng)機(jī)不同，無刷直流電動(dòng)機(jī)的繞組是斷續(xù)通電的。適當(dāng)?shù)靥岣呃@組利用率將可以使同時(shí)通電的導(dǎo)體數(shù)增加，使電阻下降，效率提高。從這個(gè)角度來看，三相繞組優(yōu)于四相和五相繞組。（2）轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。無刷直流電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比普通直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大。一般相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)越小；采用橋式主電路比采用非橋式主電路的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。10（3）電路成本。相數(shù)越多，逆變器電路使用的開關(guān)管越多，成本越高。橋式主電路所用的開關(guān)管比半橋式多一倍，成本要高；多相電動(dòng)機(jī)的逆變器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也高。因此，目前以星形連接三相橋式主電路應(yīng)用最多。3．位置檢測(cè)器位置檢測(cè)器的作用是檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)與定子繞組的位置信號(hào)，為逆變器提供正確的換相信息。位置檢測(cè)包括有位置傳感器和無位置傳感器檢測(cè)兩種方式。轉(zhuǎn)子位置傳感器也由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，其轉(zhuǎn)子與電機(jī)本體同軸，以跟蹤電機(jī)本體轉(zhuǎn)子磁極的位置；其定子固定在電機(jī)本體定子或端蓋上，以檢測(cè)和輸出轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。轉(zhuǎn)子位置傳感器的種類包括磁敏式、電磁式、光電式、接近開關(guān)式、正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器式以及編碼器等。在無刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中安裝機(jī)械式位置傳感器解決了電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)問題。但是位置傳感器的存在增加了系統(tǒng)的成本和體積，降低了系統(tǒng)可靠性，限制了無刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍，對(duì)電機(jī)的制造工藝也帶來了不利的影響。因此，國內(nèi)外對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)的無位置運(yùn)行方式給予高度重視。無機(jī)械式位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)是通過檢測(cè)和計(jì)算與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的物理量間接地獲得轉(zhuǎn)子位置信息，主要有反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法、續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測(cè)法、定子三次諧波檢測(cè)法和瞬時(shí)電壓方程法等。4．控制器控制器是無刷直流電動(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，它主要完成以下功能：（1）對(duì)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器輸出的信號(hào)、PWM調(diào)制信號(hào)、正反轉(zhuǎn)和停車信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合，為驅(qū)動(dòng)電路提供各開關(guān)管的斬波信號(hào)和選通信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及停車控制。（2）產(chǎn)生PWM調(diào)制信號(hào)，使電機(jī)的電壓隨給定速度信號(hào)而自動(dòng)變化，實(shí)現(xiàn)電機(jī)開環(huán)調(diào)速。（3）對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行速度閉環(huán)調(diào)節(jié)和電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。（4）實(shí)現(xiàn)短路、過流、過電壓和欠電壓等故障保護(hù)電路。112.2 無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案2.2.1 設(shè)計(jì)方案比較無刷直流電動(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)單無需維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，因而在高可靠性的電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用。在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方面，絕大多數(shù)場(chǎng)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)用范圍廣，且靈活方便。電機(jī)控制器是無刷直流電動(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，它主要完成以下功能: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;實(shí)現(xiàn)短路、過流、欠壓等故障保護(hù)功能?？刂破魇请妱?dòng)自行車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它是電動(dòng)自行車的大腦。其主要作用是在保證電動(dòng)自行車正常工作的前提下，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)自行車無刷直流電機(jī)控制器主要采用專用集成電路為主控芯片，像MOTOLORA公司研制的專用集成電路MC33035，其針對(duì)無刷電機(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。本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)作為主控芯片，用編程的方法來模擬無刷電機(jī)的控制邏輯，其特點(diǎn)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(jī)，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。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(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)無法大規(guī)模推廣應(yīng)用。無刷電機(jī)控制方法主要分為有位置傳感器控制和無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)用作為無刷直流電機(jī)的位置傳感器。當(dāng)前，國內(nèi)外對(duì)無刷直流電機(jī)無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12檢測(cè)法、脈沖檢測(cè)法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法等。但是由于無位置傳感器控制方法在低速時(shí)無法實(shí)現(xiàn)精確的速度調(diào)制，所以現(xiàn)階段在電動(dòng)車領(lǐng)域只是處于研究階段，無法推廣到工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。2.2.2 無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖基于2.2.1節(jié)的考慮,可繪出無刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)框圖,如圖2-1所示:圖2-1 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制框圖（1）微控制器主要功能是根據(jù)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的要求和來自霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器的三個(gè)輸出信號(hào)，將它們處理成功率驅(qū)動(dòng)單元的六個(gè)功率開關(guān)器件所要求的驅(qū)動(dòng)順序。微控制器的另一個(gè)重要作用是根據(jù)電壓、電流和轉(zhuǎn)速等反饋模擬信號(hào)，以及隨機(jī)發(fā)出的制動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過AD變換和必要的運(yùn)算后，借助內(nèi)置的時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)帶有上述各種信息的脈寬調(diào)制信號(hào)。（2）功率驅(qū)動(dòng)單元主要包括功率開關(guān)器件組成的三相全橋逆變電路和自舉電路。自舉電路由分立器件構(gòu)成的，也可以采用專門的集成模塊等高性能驅(qū)動(dòng)集成電路。13（3）位置傳感器位置傳感器在無刷直流電動(dòng)機(jī)中起著測(cè)定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為邏輯開關(guān)電路提供正確的換相信息。（4）周邊輔助、保護(hù)電路主要有電流采樣電路、電壓比較電路、過電流保護(hù)電路、調(diào)速信號(hào)和制動(dòng)信號(hào)等輸入電路。14第 3 章 無刷直流電動(dòng)機(jī)硬件設(shè)計(jì)3.1 逆變主電路設(shè)計(jì)3.1.1 功率開關(guān)主電路圖3-1 功率開關(guān)主電路原理圖逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電向電機(jī)供電。與一般逆變器不同，它的輸出頻率不是獨(dú)立調(diào)節(jié)的，而是受控于轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，是一個(gè)“自控式逆變器”。由于采用自控式逆變器，無刷直流電動(dòng)機(jī)輸入電流的頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持同步，電機(jī)和逆變器不會(huì)產(chǎn)生振蕩和失步，這也是無刷直流電動(dòng)機(jī)的重要優(yōu)點(diǎn)之一。3.1.2 逆變開關(guān)元件選擇和計(jì)算MOSFET在1960年由貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Lab.）的D. Kahng和 Martin Atalla首次實(shí)驗(yàn)成功，這種元件的操作原理和1947年蕭克萊（William Shockley）等人發(fā)明的雙載子晶體管（Bipolar Junction Transistor, BJT）截然不同，且因?yàn)橹圃斐杀镜土c使用面積較小、高整合度的優(yōu)勢(shì)，在大型積體電路（Large-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(yuǎn)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(hào)處理的場(chǎng)合上，也有越來越多類比訊號(hào)處理的積體電路可以用MOSFET來實(shí)現(xiàn)。15表 3-1 對(duì) IGBT、GTR、GTO 和電力 MOSFET 的優(yōu)缺點(diǎn)的比較器 件 優(yōu) 點(diǎn) 缺 點(diǎn)IGBT開關(guān)速度高，開關(guān)損耗小，具有耐脈沖電流沖擊的能力，通態(tài)壓降較低，輸入阻抗高，為電壓驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)功率小開關(guān)速度低于電力MOSFET,電壓，電流容量不及 GTOGTR耐壓高，電流大，開關(guān)特性好，通流能力強(qiáng)，飽和壓降低開關(guān)速度低，為電流驅(qū)動(dòng)，所需驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，存在二次擊穿問題GTO電壓、電流容量大，適用于大功率場(chǎng)合，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強(qiáng)電流關(guān)斷增益很小，關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流大，開關(guān)速度低，驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，開關(guān)頻率低電 力 MOSFET開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，工作頻率高，不存在二次擊穿問題電流容量小，耐壓低，一般只適用于功率不超過 10kW 的電力電子裝置通過上述的比較，我選擇MOSFET。電樞額定電流I aH=8.5A，因?yàn)槊總€(gè)控制元件導(dǎo)通120 o,所以控制元件的峰值電流可以由以下方程算出。，通過計(jì)算可得I=25.5A，2/3018.5dt???額定電壓U H=36V，峰值電壓應(yīng)有一個(gè)百分之40的余量所以 UM=UH*1.4=36*1.4=50.4V通過以上計(jì)算，可得出選擇的MOSFET峰值電流為25A,峰值電壓為50V。163.2 逆變開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)3.2.1 IR2110 功能介紹(1) IR2110 的特點(diǎn)有：輸出驅(qū)動(dòng)隔離電壓可達(dá) 500V；芯片自身的門輸入驅(qū)動(dòng)范圍為 10~20V；輸入端帶施密特觸發(fā)電器；可實(shí)現(xiàn)兩路分立的驅(qū)動(dòng)輸出，可驅(qū)動(dòng)高壓高頻器件，如 IGBT、功率 MOSFET 等，且工作頻率高可達(dá) 500KHz ，開通、關(guān)斷延遲小，分別為 120ns 和 94ns；邏輯電源的輸入范圍（腳 9）5~15V，可方便的與 TTL，CMOS 電平相匹配。 (2) IR2110 主要功能及技術(shù)參數(shù)IR2110 采用CMOS 工藝制作,邏輯電源電壓范圍為5 V～20 V ,適應(yīng)TTL 或CMOS 邏輯信號(hào)輸入,具有獨(dú)立的高端和低端2 個(gè)輸出通道。由于邏輯信號(hào)均通過電平耦合電路連接到各自的通道上,容許邏輯電路參考地(USS) 與功率電路參考地(COM) 之間有- 5 V和+ 5 V 的偏移量,并且能屏蔽小于50 ns 的脈沖,這樣有較理想的抗噪聲效果。采用CMOS 施密特觸發(fā)輸入,以提高電路抗干擾能力。IR2110 浮置電源采用自舉電路,其高端工作電壓可達(dá)500 V ,工作頻率可達(dá)到500 kHz。兩路通道均帶有滯后欠壓鎖定功能。其推薦典型工作參數(shù)如表3-2所示。 表3-2 IR2110 工作參數(shù)參數(shù) 最小值/ V 最大值/ VVB VS + 10 VS + 20VS - 4 500HO VS VBVCC 10 20LO 0 VCCVDD VCC + 4. 5 VCC + 20VSS - 5 + 5HIN ,SD ,LIN VSS VDD17(3)IR2110內(nèi)部功能如圖3-2所示：圖3-2 IR2110內(nèi)部框圖LO （引腳1） :低端輸出COM（引腳2） :公共端Vcc（引腳3） :低端固定電源電壓Nc （引腳4） :空端Vs （引腳5） :高端浮置電源偏移電壓VB (引腳6) :高端浮置電源電壓HO （引腳7） :高端輸出Nc （引腳8） :空端VDD（引腳9） :邏輯電源電壓HIN（引腳10）:邏輯高端輸入SD （引腳11）:關(guān)斷LIN（引腳12）:邏輯低端輸入Vss（引腳13）:邏輯電路地電位端，其值可以為0VNc （引腳14）:空端功能概述IR2110驅(qū)動(dòng)器將邏輯輸入信號(hào)送到相應(yīng)的低阻抗輸出。高端輸出HO和低端基準(zhǔn)輸出LO分別以浮置電位V BS和固定電位Vcc為基準(zhǔn)。邏輯電路為兩路輸出提供相應(yīng)的控制脈沖。HO和LO輸出分別與HIN和LIN輸入同相位。當(dāng)SD輸入高電平時(shí)兩路均關(guān)閉。18當(dāng)V DD低于欠電壓閥值時(shí)，欠電壓UV檢測(cè)電路關(guān)閉兩路輸出。同樣，當(dāng)V BS低于規(guī)定的欠電壓點(diǎn)時(shí)，欠電壓檢測(cè)電路也會(huì)使高端輸出中斷。邏輯輸入采用帶有0.1V DD滯后的施密特觸發(fā)電路，以提高抗擾能力。高抗噪聲平移位電路將邏輯信號(hào)送到輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)。低端延時(shí)電路可簡(jiǎn)化控制脈沖定時(shí)要求，兩路輸出的傳播延時(shí)匹配的。當(dāng)Vs為500V或接近500V時(shí)，高端功率MOSFET關(guān)斷。輸出驅(qū)動(dòng)MOSFET接成源極跟隨器，另一只輸出驅(qū)動(dòng)MOSFET接成共源極電路，高端的脈沖發(fā)生器驅(qū)動(dòng)HV電平轉(zhuǎn)化器并觸發(fā)RS閂鎖置位或復(fù)位。由于每個(gè)高電壓DMOS電平轉(zhuǎn)換器僅在 很狹窄的脈沖持續(xù)期內(nèi)才導(dǎo)通，所以功率很低。3.2.2 自舉電路原理圖 3-3 驅(qū)動(dòng)電路以一相為例，如圖3-3所示，當(dāng)下管導(dǎo)通上管截止時(shí)，IR2110LO輸出為高，HO為低，隔離二極管導(dǎo)通，自舉電容C8充電，三極管C極電壓近似等于電源正極電壓；當(dāng)下管截止上管導(dǎo)通時(shí)，隔離二極管D2截止，自居電容C8儲(chǔ)存的電荷給三極管C極供電，IR211HO為高，三極管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng) MOSFET管柵極，使上管保持導(dǎo)通。193.3 單片機(jī)的選擇目前，市場(chǎng)上有很多無刷電機(jī)專用控制芯片，大部分電動(dòng)車生產(chǎn)廠商采用Motorola公司的MC3303無刷電機(jī)專用控制芯片，它具有無刷直流電機(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，通過軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多功能的電機(jī)控制。單片機(jī)選擇依據(jù)：(1)性能因素。通過對(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。在無刷電機(jī)控制中，脈寬調(diào)制PWM ( PulseWidth Modulation)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。(2)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。(3)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)格和開發(fā)系統(tǒng)的造價(jià)。3.3.1 PIC 單片機(jī)特點(diǎn)：PIC (Periphery Interface Chip)系列單片機(jī)是美國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)人員接受Microchip公司是一家集開發(fā)、研制和生產(chǎn)為一體的專業(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)如圖3-4所示，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)展指令的字長奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。20圖3-4 PIC系列單片機(jī)哈佛總線結(jié)構(gòu)(3) RISC技術(shù)RISC (Reduced Instruction Set Computer)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、光電耦合器、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。213.3.2 PIC16F72單片機(jī)管腳排列及功能定義圖3-5 PIC16F72單片機(jī)管腳圖（1）MCLR:清除（復(fù)位）輸入。其中MCLR為低電平時(shí)，對(duì)芯片復(fù)位；該管腳的電壓不能超過VDD，否則會(huì)進(jìn)入測(cè)試方式。（2）RA0-RA5：雙向可編程，亦可作為并行口。電池欠壓信號(hào)：電池電壓經(jīng)分壓后接單片機(jī)管腳3。轉(zhuǎn)把復(fù)位信號(hào)：由單片機(jī)的第4腳讀入剎車信號(hào)：剎車信號(hào)由單片機(jī)的第5腳讀入。（3）OSC1、OSC2：為振蕩器晶振。（4）RC0-RC7：數(shù)字I/O（5）RB0-RB7：數(shù)字I/O（6）VDD：+5V電壓輸入3.3.3 PIC16F72 單片機(jī)的功能特性(1)功能部件特性·帶8位AID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TMRO，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TMR 1，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22(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3.3.4 PWM 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( PulseWidth Modulation)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，即可達(dá)到調(diào)速目的。3.3.5 時(shí)鐘電路 如圖3-5所示，單片機(jī)的9、10腳外接16Mhz晶體。圖3-5 時(shí)鐘電路圖233.3.6 復(fù)位電路如圖3-6所示，與單片機(jī)1腳外接C 1 9R 2 3+ 5 V圖3-6 復(fù)位電路圖3.4 人機(jī)接口電路3.4.1 轉(zhuǎn)把和剎車1 轉(zhuǎn)把圖3-7 轉(zhuǎn)把圖調(diào)速轉(zhuǎn)把是利用線性霍爾元件實(shí)現(xiàn)的，其輸出電壓隨著磁場(chǎng)的線性變化而改變，將此電壓輸入給控制器，實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能。如圖3-7所示，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)把，改變了霍耳元件周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度，也就改變了霍耳轉(zhuǎn)把的輸出電壓。然后把這個(gè)電壓輸入控制器，控制器再根據(jù)這個(gè)信號(hào)的大小進(jìn)行PWM脈寬調(diào)制，從而控制功率管的導(dǎo)通關(guān)閉的比例以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小。242 剎車圖3-8 剎車圖電動(dòng)自行車標(biāo)準(zhǔn)要求電動(dòng)車在剎車制動(dòng)時(shí)，控制器應(yīng)能自動(dòng)切斷對(duì)電動(dòng)機(jī)的供電。因此電動(dòng)自行車閘把上應(yīng)該有閘把位置傳感元件，在捏制動(dòng)把時(shí)，將制動(dòng)信號(hào)傳給控制器，電路根據(jù)預(yù)設(shè)程序發(fā)出指令，立即切斷基極驅(qū)動(dòng)電流，使功率截止，停止供電。因而，既保護(hù)了功率管本身，又保護(hù)了電動(dòng)機(jī)，也防止了電源的浪費(fèi)。在電動(dòng)車實(shí)際使用當(dāng)中，普遍采用機(jī)械觸點(diǎn)開關(guān)，平時(shí)常開，剎車時(shí)信號(hào)線對(duì)地短路作為剎車信號(hào)，即低電位剎車。同時(shí)也有少數(shù)高檔車采用霍爾元件做開關(guān)，剎車時(shí)輸出高電平給控制器，實(shí)現(xiàn)剎車斷電功能，即高電位剎車，也稱之為電子剎把。它的特點(diǎn)是可靠性高，但價(jià)格昂貴。3.4.2 顯示電路本系統(tǒng)采用 3 個(gè)發(fā)光二極管作為面板指示燈，如圖所示。面板顯示電路主要由單片機(jī)的普通 1/O 口串行輸出，由串入并出芯片 74LS164 進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，采用發(fā)光二極管進(jìn)行顯示。面板顯示電路如圖 3-9 所示：圖 3-9 面板顯示電路圖251 74LS164 引腳圖74LS164 為 8 位移位寄存器（串行輸入，并行輸出）圖 3-10 74LS164 引腳圖如圖 3-10 所示，當(dāng)清除端（CLEAR）為低電平時(shí)，輸出端（QA－QH）均為低電平。串行數(shù)據(jù)輸入端（A，B）可控制數(shù)據(jù)。當(dāng) A、B 任意一個(gè)為低電平，則禁止新數(shù)據(jù)輸入，在時(shí)鐘端（CLOCK）脈沖上升沿作用下輸出為低電平。當(dāng) A、B 有一個(gè)為高電平，則另一個(gè)就允許輸入數(shù)據(jù)，并在 CLOCK 上升沿作用下決定輸出的狀態(tài)。引出端符號(hào)CLOCK ：時(shí)鐘輸入端。CLEAR ：同步清除輸入端（高電平有效）A，B 串行數(shù)據(jù)輸入端。QA－QH :輸出端。2 面板指示燈狀態(tài)定義面板指示燈狀態(tài)定義如表 3-3表 3-3 序 號(hào) 功 能 指示燈狀態(tài)1 過 流 過流時(shí)亮，否則滅2 欠 壓 欠壓時(shí)亮，否則滅3 剎 車 剎車時(shí)亮，否則滅