摘要：本文根據(jù)項目參數(shù)要求，采用Microchip公司的PIC16F72單片機作為控制芯片，在硬件方面，進行了電源電路設(shè)計、系統(tǒng)硬件保護電路設(shè)計、三相全橋逆變電路設(shè)計、逆變器驅(qū)動電路設(shè)計。在軟件方面利用匯編語言，采用模塊化編程和結(jié)構(gòu)化編程。根據(jù)無刷直流電機的控制原理，對系統(tǒng)的控制部分進行了詳細(xì)分析。利用數(shù)字PI控制理論實現(xiàn)電機速度的閉環(huán)調(diào)制。在系統(tǒng)可靠性方面:設(shè)計了系統(tǒng)的欠壓、過流和堵轉(zhuǎn)保護。本文還對影響控制器和單片機系統(tǒng)可靠性的因素進行了分析，并且給出了解決方案.本文所設(shè)計的無刷電機控制器實現(xiàn)了電動、定速、助力三種工作模式并且在系統(tǒng)出錯情況下具有自檢功能。保護功能較完善、硬件結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，具有升級空間，便于用戶二次開發(fā)。

0前言

80年代初，無刷直流電機進入了實用階段，方波和正弦波無刷直流電機先后研究成功?！盁o刷直流電機”的概念已由最初的具有電子換相器的直流電機發(fā)展到泛指一切具有傳統(tǒng)直流電機外部特性的電子換相電機。現(xiàn)今，無刷直流電機集電機、變速機構(gòu)、檢測元件、控制軟件和硬件于一體，形成為新一代的電動調(diào)速系統(tǒng)。無刷直流電機具有最優(yōu)越的調(diào)速性能，主要表現(xiàn)在:調(diào)速方便(可無級調(diào)速)，調(diào)速范圍寬，低速性能好(啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流小)，運行平穩(wěn)，噪音低，效率高，應(yīng)用場合從工業(yè)到民用極其廣泛。如電動自行車、電動汽車、電梯、抽油煙機、豆?jié){機、小型清污機、數(shù)控機床、機器人等等.由于無刷直流電機具有這些優(yōu)點，因此在2004年的國際電機會議上提出了有刷電機將被無刷電機取代這一發(fā)展趨勢。美、日、英、德在工業(yè)自動化領(lǐng)域中已經(jīng)實現(xiàn)了以無刷直流電機代替有刷電動機的轉(zhuǎn)換。

美國福特公司率先把無刷直流電機應(yīng)用于汽車20世紀(jì)80年代以來，隨著微機控制技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了各種稱為無位置傳感器控制技術(shù)的方法，是當(dāng)代無刷直流電機控制研究的熱點之一。各國知名半導(dǎo)體公司如Allegro,Philips,MicroLinear,Toshiba等，先后推出了許多無刷直流電機無傳感器控制集成電路。

2004年12月我國電機制造業(yè)共1167家生產(chǎn)企業(yè)，全部從業(yè)人員388282人，資產(chǎn)972億。我國生產(chǎn)的微特電機己經(jīng)占世界60%以上，目前是全球最大的永磁體(生產(chǎn)無無刷直流電機控制系統(tǒng)設(shè)計刷電機的主要原材料)生產(chǎn)供應(yīng)基地，中國還將會成為全球最大的無刷電機生產(chǎn)國。隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，車用小功率電機的需求增長帶動了以永磁無刷直流電機為主體的車用小功率電機的興起，我國正在成為世界電動汽車制造業(yè)的主要供應(yīng)商。

稀土永磁無刷直流電機是近20年發(fā)展起來的一類電機，電力電子技術(shù)，微電子技術(shù)、微機和稀土永磁材料的發(fā)展為無刷直流電機的研究奠定了基礎(chǔ)。目前無刷直流電機的發(fā)展已經(jīng)和大功率開關(guān)器件、專用集成電路、稀土永磁材料、微機、新型控制理論及電機理論的發(fā)展緊密結(jié)合，顯示出廣泛的應(yīng)用前景和強大的生命力。與其它電機相比它具有幾個明顯優(yōu)點：①永磁無刷直流電機沒有電刷、而是利用電子換相，故克服了任何由電刷硬氣的問題。②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)生的熱量更容易散發(fā)出去；結(jié)構(gòu)也變得簡單，并且節(jié)省了空間，使其磁場損失也得到了減少。③它的效率與轉(zhuǎn)速永遠(yuǎn)保持同步關(guān)系，不會發(fā)生失步、震蕩等現(xiàn)象，在節(jié)約能源方面也有明顯優(yōu)勢。

1無刷電機控制系統(tǒng)分析

1.1三相無刷直流電機星形連接全橋驅(qū)動原理

無刷直流電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度及轉(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)磁場的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。無刷直流電機控制器包括電源部分和控制部分，如圖1所示。電源部分提供三相電源給電機，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，送入電機線圈前須先將直流電壓由逆變器(inverter)轉(zhuǎn)成三相電壓來驅(qū)動電機。逆變器一般由六個功率晶體管，分為上橋臂和下橋臂，連接電機作為控制流經(jīng)電機線圈的開關(guān)?？刂撇糠謩t提供PWM脈沖寬度調(diào)制信號決定功率晶體管開關(guān)頻率及逆變器換相的時機。對于無刷直流電機，當(dāng)負(fù)載變動時，一般希望速度可以穩(wěn)定于設(shè)定值而不會有太大的變動，所以電機內(nèi)部裝有霍爾傳感器(hall-sensor)，作為速度的閉回路控制，同時也作為相序控制的依據(jù)。

電機轉(zhuǎn)動由霍爾傳感器感應(yīng)到的電機轉(zhuǎn)子所在位置，決定開啟或關(guān)閉逆變器中功率晶體管的順序來控制，如圖2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)電機線圈，產(chǎn)生順向或逆向旋轉(zhuǎn)磁場，并與轉(zhuǎn)子磁鐵產(chǎn)生的磁場相互作用，使電機順向或逆向轉(zhuǎn)動。當(dāng)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到霍爾傳感器感應(yīng)出另一組信號的位置時，控制部又再開啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)，電機就可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動.功率晶體管的開啟方法舉例如下: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導(dǎo)通.此外，因為電子零件總有開關(guān)的響應(yīng)時間，所以功率晶體管在關(guān)與開的交錯時間要將零件的響應(yīng)時間考慮進去，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)電機轉(zhuǎn)子位置傳感器采集的位置信號為Ha,Hb,Hc，分別對應(yīng)于逆變器的A相、B相、C相。

在電機轉(zhuǎn)動時，控制部分會根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的速度決定功率管的導(dǎo)通時間。若系統(tǒng)要求加速，則增長功率管導(dǎo)通的時間，若要求減速，則縮短功率管導(dǎo)通的時間，此部分工作由PWM脈寬調(diào)制信號控制。

圖1三相無刷直流電機工作原理

InverterMOTOR

圖2逆變器原理圖

2無刷直流電機控制器硬件設(shè)計

無刷直流電機控制器在控制方式上主要有以專用集成芯片、單片機和DSP芯片控制三種方式。以專用集成芯片為核心的控制器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，價格較便宜，但是系統(tǒng)靈活性不足，保護功能有限: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，開發(fā)周期長，成本較高，不易在市場上推廣。本設(shè)計使用單片機作為主控芯片可以彌補上述兩方案的不足。

2.1硬件組成

本控制器根據(jù)項目參數(shù)要求應(yīng)具有如下功能:

(1)具有電動、定速、助力三種工作模式:在電動模式下，控制系統(tǒng)能夠根據(jù)電動車轉(zhuǎn)把所給電壓，正常加電運轉(zhuǎn);定速模式下，無需按住轉(zhuǎn)把，電動車能夠按照設(shè)定速度運行:助力模式下，能夠根據(jù)助力傳感器測得的騎車者的用力實現(xiàn)助力騎行.三種工作模式可通過模式轉(zhuǎn)換按鈕切換。

(2)當(dāng)系統(tǒng)出錯或者位置傳感器、助力傳感器出錯時能夠進入自檢模式并顯示錯誤。

(3)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的欠壓保護、過流保護、堵轉(zhuǎn)保護。

(4)能夠?qū)崟r顯示電動車的狀態(tài)。

根據(jù)上述功能，所設(shè)計的系統(tǒng)硬件框圖。如圖3所示。

圖3硬件系統(tǒng)框圖

2.2三相全橋逆變電路和驅(qū)動電路

逆變電路和驅(qū)動電路是主控芯片與被控電機之間聯(lián)系的紐帶，其傳輸性能的好壞直接影響著整個系統(tǒng)的運行質(zhì)量。其功能是將電源的功率以一定邏輯關(guān)系分配給無刷直流電動機定子上各相繞組。功率場效應(yīng)晶體管具有開關(guān)速度快、高頻特性好、輸入阻抗高、驅(qū)動功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)寬和跨導(dǎo)線性度高等顯著特點，因而在各類中小功率開關(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)第二節(jié)所述，半橋逆變器的控制比較復(fù)雜，需要六組控制信號，電機三相繞組的工作也相對獨立，必須對三相電流分別控制。而全橋逆變器的控制比較簡單，只需三組獨立控制信號，且任一時刻導(dǎo)通的兩相電流相等，只要對其中一相電流進行控制，另外一相電流也得到了控制.因此本設(shè)計采用全橋逆變電路來控制各相位的導(dǎo)通，如圖2所示。

本設(shè)計中逆變器上下橋臂都采用N溝道MOSFET管。P型MOSFET管由于工藝的原因，參數(shù)一致性較差，價格較貴，而且其內(nèi)阻比N溝道的MOSFET管大，損耗也大。因此，當(dāng)前的無刷控制器一般都采用兩個N溝道MOSFET管組成逆變器的一相。當(dāng)功率MOSFET管用作開關(guān)，被驅(qū)動飽和導(dǎo)通，即在它的兩極之間壓降最低時，其柵極驅(qū)動要求可概括如下:

(1)柵極電壓一定要比漏極電壓高10~15V，用作高壓側(cè)開關(guān)時其柵極電壓必定高于干線電壓，常常可能是系統(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。

(3)柵極驅(qū)動電路吸收的功率不會顯著地影響總效率。

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。

3軟件設(shè)計

3.1主程序設(shè)計

主程序上電復(fù)位后完成系統(tǒng)初始化：PWM,ADC端口、定時器等單元的初值設(shè)置;中斷設(shè)置;變量、標(biāo)志寄存器的初始化。為了防止在初始化的過程中，中斷的意外到來，應(yīng)在主程序的開始處先關(guān)閉全局中斷。初始化完成后，進入自檢程序，若各電器信號正常，則2秒后退出自檢模式。重新對相關(guān)寄存器，定時器賦初值，打開INT外部中斷，即允許模式轉(zhuǎn)換按鈕中斷。判斷電機啟動是否成功，如果成功進入正常工作模式函數(shù)，若有非法狀態(tài)，停電機，程序跳入自檢模式進行自檢。

系統(tǒng)進入到正常工作模式的主循環(huán)時，首先判斷系統(tǒng)處于何種工作模式，然后檢查系統(tǒng)是否處于非法態(tài)，如果出現(xiàn)欠壓、過流、堵轉(zhuǎn)等錯誤，則停機，程序跳入到自檢狀態(tài);否則，判斷是否有剎車信號，如沒有，進入判斷模式及模式功能處理函數(shù):如果有，則停機，等待剎車結(jié)束信號。剎車結(jié)束后，如果工作模式為定速模式，則退出定速模式，進入電動模式。

在電動模式下，單片機采集轉(zhuǎn)把電壓信息，控制輸出的PWM信號的占空比;定速模式下，轉(zhuǎn)把信號無效，程序根據(jù)模式轉(zhuǎn)換前輸出的PWM占空比恒定輸出;助力模式下，根據(jù)定時器TO采集助力傳感器的高低電平時間，控制PWM信號的占空比。在這個過程中，始終允許KMOD按鍵中斷，因此可以通過按下KMOD鍵切換電動、定速和助力三種模式。

3.2系統(tǒng)軟件調(diào)試

由Microchip公司推出的MPLAB集成開發(fā)環(huán)境(ME)是綜合的編譯器、項目管理器和設(shè)計平臺，適用于使用Microchip的PIC系列單片機進行嵌入式設(shè)計的應(yīng)用開發(fā)。首先，在仿真環(huán)境中通過輸入源程序、編譯、修正、單步執(zhí)行、斷點執(zhí)行、全速執(zhí)行等過程觀察程序執(zhí)行到指定位置的結(jié)果，將軟件的邏輯結(jié)構(gòu)調(diào)試正確。接著，調(diào)試面板顯示模塊，只有正確的顯示，才能夠明確后續(xù)調(diào)試過程的正確與否。

其次，調(diào)試模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。調(diào)模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序時，要對每個通道逐一調(diào)試。先調(diào)試0號通道:將通道號置為0，并給0號通道的入口接上穩(wěn)壓源，電壓在0—5V之間。調(diào)用模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序，在寄存器中讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果，并與理論值比較，判斷轉(zhuǎn)換結(jié)果是否準(zhǔn)確。對其余通道的調(diào)試方法與0好通道的調(diào)法相同，調(diào)試中發(fā)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換有時不準(zhǔn)確，因此延長轉(zhuǎn)換的等待時間，問題得以解決。調(diào)試中發(fā)現(xiàn)點亮指示燈不隨采集的電壓信號改變，后發(fā)現(xiàn)是電壓等級定義的不正確。

調(diào)試PWM輸出模塊時，用示波器觀察CCP模塊輸出是佛正確，然后調(diào)試INT中斷，試驗中發(fā)現(xiàn)首次模式轉(zhuǎn)換時會有問題，電動模式轉(zhuǎn)換到定速模式或主力模式不定，延長從電動模式轉(zhuǎn)換到定速模式所要求的時間，問題解決，加上剎車信號，當(dāng)在定速模式下按下剎車時，燈全亮正確，但當(dāng)剎車解除時，仍顯示為定速模式，而此時觀察寄存器已轉(zhuǎn)為電動模式，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)是由于顯示更新不及時照成，在此處調(diào)用顯示子程序。調(diào)式電動或定時模式，確定轉(zhuǎn)把給定值與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。調(diào)試中發(fā)現(xiàn)有時在沒有給定轉(zhuǎn)把電壓的情況下，電機發(fā)生運轉(zhuǎn)，此時應(yīng)在初始化中對脈寬值清零。

4結(jié)論

本文提出的基于PIC單片機控制的電動自行車控制系統(tǒng)的設(shè)計方案是可行的，能實現(xiàn)快速、精確的調(diào)速，且系統(tǒng)可靠性強，調(diào)試方便。實驗樣車起動時比較平穩(wěn)，在起動和運行中過載時，沒有出現(xiàn)因大電流而損壞電子器件或電機的現(xiàn)象。系統(tǒng)的過流保護值為10A、欠壓保護值為31V，并且堵轉(zhuǎn)和自檢保護工作正常，運行時的面板顯示部分工作正常?？刂齐娐返膶ΨQ半橋調(diào)制能實現(xiàn)電壓電流波形對稱，轉(zhuǎn)矩脈動和開關(guān)損耗都小，是理想的調(diào)制方式。