【正文】 摘 要 本 課題主要介紹了用無刷直流電動(dòng)機(jī)作為電動(dòng)自行車的控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)， 以 PIC16F72單片機(jī)為核心 ， 實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)自行車用的無刷直流電動(dòng)機(jī)控制 器 的電路控制。整個(gè)系統(tǒng) 主要包括 硬件電路設(shè)計(jì)部分 和 軟件程序設(shè)計(jì)部分。硬件電路設(shè)計(jì)主要包括控制電路、驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)和保護(hù)電路的設(shè)計(jì)、逆變電路設(shè)計(jì)、電源電路設(shè)計(jì)。軟件程序設(shè)計(jì)部分 主要 結(jié)合硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 了 系統(tǒng)的欠壓 保護(hù) 、過流 保護(hù) 和堵轉(zhuǎn)保護(hù)。 這樣設(shè)計(jì)不僅實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)自行車的正常使用的基本功能，還提升了無刷直流電機(jī)運(yùn)行的可靠性與穩(wěn)定性， 使電 動(dòng)自行車用 的 無刷直流電機(jī)具 有 更 加 持久的生命力。 經(jīng) 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 ，本 設(shè)計(jì)方案 具有很好的可行性和優(yōu)越性，即 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 、 效率高、調(diào)速性能好、無勵(lì)磁損耗、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等 優(yōu)點(diǎn)。對(duì)無刷直流電機(jī)在 后續(xù)的研究工作中 有一定的借鑒意義。 關(guān)鍵字：無刷直流電機(jī)；電動(dòng)自行車； PIC16F72單片機(jī)；控制系統(tǒng) Abstract This paper mainly introduces the brushless DC motor as driving motor control system of the electric bicycle, with PIC16F72 single chip as the core, the circuit of Brushless DC motor controller for electric bicycle. The whole system includes hardware circuit design and software program design. The hardware circuit design mainly includes the control circuit, drive circuit design and design of protection circuit, inverter circuit design, power circuit design. The software design part mainly with the design of the hardware structure of the system under voltage protection, over current protection and blocking protection. This design not only realize the basic functions of the normal use of the electric bicycle, but also improves the reliability and stability of the brushless DC motor, the electric bicycle brushless DC motor has a more lasting vitality. By experimental verification, the design scheme has the feasibility and superiority of the good, the advantages such as the simple structure, high efficiency, good performance of speed adjustment, no excitation loss, reliable operation, convenient maintenance etc.. The brushless DC motor in the following research work has certain reference significance. Key words: brushless DC motor。 electric bicycle。 PIC16F72 MCU。 control system 引 言 直流電動(dòng)機(jī)以其優(yōu)良的 調(diào)速和 轉(zhuǎn)矩特性 而 得到了廣泛的應(yīng)用，但 是， 由于直流電動(dòng)機(jī) 都有換向器 和電刷， 其間進(jìn)行的機(jī)械換向嚴(yán)重的影響了電機(jī)的精度、性能和 可 靠 性，需要經(jīng)常維護(hù)；換相時(shí) 還會(huì) 產(chǎn)生電磁干擾，噪聲大，影響了直流電動(dòng)機(jī)在控制系統(tǒng)中的進(jìn)一步應(yīng)用。為了克服機(jī)械換相帶來的缺點(diǎn)，以 電子開關(guān)線路和位置傳感器集成的 電子換相取代機(jī)械換相的無刷電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。無刷直流電動(dòng) 機(jī) (簡(jiǎn)稱 BLDC)以其運(yùn)行可靠、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、 維護(hù)方便、 功率密度高、輸出轉(zhuǎn)矩大、動(dòng)態(tài)性能好等特點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用。 無刷直流電動(dòng)機(jī)可作為一般直流電動(dòng)機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)和力 矩電動(dòng)機(jī)等使用，尤其適用于高級(jí)電子設(shè)備、機(jī)器人、航空航天技術(shù)、數(shù)控裝置、醫(yī)療化工等高新技術(shù)領(lǐng)域。無刷直流電動(dòng)機(jī)將電子線路與電機(jī)融為一體，把先進(jìn)的電子技術(shù)應(yīng)用于電機(jī)領(lǐng)域，這將促使電機(jī)技術(shù)更新、更快的發(fā)展 ［ 1］。 本文研究的電動(dòng)自行車控制 器 是一個(gè)以 PIC16F72 單片機(jī)為核心，無刷直流電機(jī)為控制對(duì)象的的系統(tǒng)。 第一章 緒論 無刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展概況 電機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用已遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域以及人們的日常生活中。電機(jī)的主要類型有：直流電機(jī)、感應(yīng) 電機(jī)和同步電機(jī)。直流電機(jī)具有非常好的線性機(jī)械特性、運(yùn)行效率高和調(diào)速性能好，以及良好的啟動(dòng)性等諸多優(yōu)點(diǎn)， 而 最早被應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域， 在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域 中 占據(jù)主導(dǎo)地位。但是傳統(tǒng)的直流電機(jī)均采用電刷，以機(jī)械方法換向，因而存在機(jī)械摩擦，由此帶來噪音大、壽命短等弱點(diǎn)，再加上制造成本高及維修困難等缺點(diǎn)， 機(jī)械換向 問題 一直成了有刷直流 電機(jī)的一個(gè)弱點(diǎn)，它降低了系統(tǒng)的可靠性， 從而大大地限制了它的應(yīng)用范圍 。為了取代有刷直流電機(jī)的機(jī)械換向裝置，人們進(jìn)行了長(zhǎng)期的探索。 早在 1917年， Boiiger 就提出了用整流管代替有刷直流 電機(jī)的機(jī)械電刷，從而誕生了無刷直流電機(jī)的基本思想。 到 1955年 ， 美國(guó)的 等人 首次申請(qǐng) 了 用晶體管 的 換相線路代替有刷直流電機(jī)的機(jī)械電刷的專利，標(biāo)志現(xiàn)代無刷直流電機(jī)的誕生 [1]。 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 受 電力電子技術(shù) 和半導(dǎo)體技術(shù)水平的限制 ，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 來，在一段 相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間 里 ，性能都不理想，只能停留在實(shí)驗(yàn)室階段，無法推廣使用， 到 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，加之永磁材料 NsFeB 的 出現(xiàn)，這些 都 為無刷直流電動(dòng)機(jī) 的 廣泛應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ) 。但 無 刷直流電機(jī)真正進(jìn)入實(shí)用階段 是在 1978年開始 ， 在 1978年漢諾威貿(mào)易博覽會(huì)上， 德國(guó) MANNESMANN 的 Rexroth 公司的 Indramat 分部在 1978年漢諾威貿(mào)易博覽會(huì)上，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(guó)的關(guān)注，隨即在國(guó)際上掀起了研制和生產(chǎn)無刷直流 電機(jī) 的熱潮， 先后研制 出 成方波無刷電機(jī)和正弦波無刷直流電機(jī)，在國(guó)際上得 到較為充分的發(fā)展，在一些發(fā)達(dá)的國(guó)家里 （如美國(guó)、日本） ，無刷直流電機(jī) 已漸漸 成為主導(dǎo)電機(jī)，并逐步取代其它類型的電機(jī)。 [2] 隨著人們對(duì)無刷直流電機(jī) 的 深入 了解 ，無刷直流電機(jī)的理論也逐漸得到了完善。 在 1986年， 由 對(duì)無刷直流電機(jī)作了全面系統(tǒng)的總結(jié)，指出了無刷直流電機(jī)的研究領(lǐng)域，標(biāo)志著無刷直流電動(dòng)機(jī)在理論上走向成熟。 [3] 對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)的研究 ，雖然 我國(guó)起步較晚 ， 但隨著研究技術(shù)的日益成熟與完善，我國(guó)在無刷直流電機(jī)領(lǐng)域也得到了迅速的發(fā)展 。 2020 年我國(guó)電機(jī)制造業(yè) 行業(yè)規(guī)模以上企業(yè) 共 2439 家 ，全部從業(yè)人員 732404 人， 總 資產(chǎn) 602118779千元 。 其中， 在中國(guó)生產(chǎn)的微特電機(jī)約占全球總產(chǎn)量 70%， 預(yù)計(jì)到 2017 年，中國(guó)微特電機(jī)產(chǎn)量將達(dá)到 221 億只，將占全球市場(chǎng)份額 80%。 我 國(guó)已成為世界上最大的微特電機(jī)的生產(chǎn)國(guó) 。 我國(guó)生產(chǎn)的無刷直流電機(jī)也已在軍事工業(yè)、航空航天、電動(dòng)車、家用電器等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并在深圳、長(zhǎng)沙、上海等地形成初具規(guī)模的產(chǎn)業(yè)鏈；并且， 我國(guó) 已成為 世界最大的永磁體（生產(chǎn)無刷電機(jī)的主要原材料）生產(chǎn)供應(yīng)基地，中國(guó)還將會(huì)成為全球最大的無刷電機(jī)生產(chǎn)國(guó) ，并 在技術(shù)上不斷推進(jìn)行業(yè)發(fā)展。使我國(guó)在無刷 直流電機(jī)領(lǐng)域成為真正的 技術(shù)強(qiáng)國(guó)。 研究 無刷直流電機(jī)的 意義 電機(jī)作為機(jī)電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用已遍及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域中。有刷直流電動(dòng)機(jī)以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩控制特性 而最早被應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域， 在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域 中 占據(jù)主導(dǎo)地位。但是傳統(tǒng)的直流電機(jī)均采用電刷，機(jī)械換向 問題 一直是 直流電機(jī)的一個(gè)弱點(diǎn)，它降低了系統(tǒng)的可靠性，從而大大地限制了它的應(yīng)用范圍。 但近些年來， 隨著現(xiàn)代 電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、稀土永磁材料和 微機(jī) 控制技術(shù)的發(fā)展 ，使 無刷直流電機(jī)的 出現(xiàn)解決了 傳統(tǒng)直流電機(jī)的這些缺點(diǎn) 。 無刷直流電機(jī)集特種電機(jī)、變速機(jī)構(gòu) 、檢測(cè)元件、控制軟件與硬件于一體，形成新一代的電動(dòng)伺服系統(tǒng)，是一種典型的機(jī)電一體化的高新技術(shù)產(chǎn)品。無刷直流電機(jī)集交流電機(jī)和直流電機(jī)優(yōu)點(diǎn)于一體，它既具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電機(jī)運(yùn)行效率高、調(diào)速性能好的特點(diǎn)，同時(shí)無勵(lì)磁損耗。特別是與傳統(tǒng)直流電機(jī)相比，無刷直流電機(jī)利用電子換向代替機(jī)械換向，解決了傳統(tǒng)直流電機(jī)因?yàn)殡娝⒛Σ炼a(chǎn)生的眾多問題，還保持了傳統(tǒng)直流電機(jī)良好的動(dòng)、靜態(tài)調(diào)速特性。無刷直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率 ,低速轉(zhuǎn)矩 ,轉(zhuǎn)速精度等都比任何控制技術(shù)的變頻器還要好并且還是以自控式運(yùn)行的 ，所以不會(huì)象變頻調(diào)速下重載啟動(dòng)的同步電機(jī)那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動(dòng)繞組，也不會(huì)在負(fù)載突變時(shí)產(chǎn)生振蕩和失步。 無刷直流電機(jī)的 這種優(yōu)越性將更加明顯。目前在一些工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家里 （如美國(guó)、德國(guó)、日本） ，無刷直流電機(jī) 已 經(jīng) 漸漸 成為主導(dǎo)電機(jī)，并逐步取代其它類型的電機(jī)。越來越多的應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)生活的各個(gè)領(lǐng)域中，顯示出了 它 廣泛的應(yīng)用前景。因此對(duì)無刷直流電機(jī)本體及其控制問題進(jìn)行系統(tǒng)、深入的研究有著非常重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。 電動(dòng)自行車介紹及發(fā)展前景 電動(dòng)自行車的發(fā)展現(xiàn)狀 環(huán)境污染 和 能源緊缺 問題 正日益成為我 國(guó)可持續(xù)發(fā)展和建設(shè)和諧社會(huì)所必須面對(duì)的嚴(yán)峻課題，為了應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，綠色、環(huán)保、節(jié)能成為當(dāng)今社會(huì)流行的話題。政府為了提高發(fā)展的質(zhì)量，也積極鼓勵(lì)各行業(yè)發(fā)展節(jié)能環(huán)保產(chǎn)品。電動(dòng)車作為一種有效替代燃油汽車的綠色交通工具，無論從環(huán)保角度還是能源角度看，綠色環(huán)保電動(dòng)車已成為一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。作為一種小型、中速和短途的日常交通工具，電動(dòng)車是十分理想的，有著得天獨(dú)厚的發(fā)展條件和廣闊的應(yīng)用前景。 據(jù)中國(guó) 自行 車協(xié)會(huì)助力車 專 業(yè)委員會(huì)不完全統(tǒng)計(jì)， 我 國(guó)電動(dòng)自行車的銷售量2020 年為 29 萬輛， 2020 年電動(dòng)自行車的實(shí)際銷量已超過 58 萬 輛， 2020 年達(dá) 到550 萬輛， 2020 年 1200 萬輛， 2020 年達(dá)到 1427 萬輛； 2020 年達(dá)到 1736 萬輛；2020 年達(dá)到 2091 萬輛； 2020 年達(dá)到 2389 萬輛； 2020 年銷售達(dá)到 2694 萬輛，電動(dòng)自行車制造業(yè)已進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期。 [1] 不僅我國(guó)電動(dòng)自行車發(fā)展較快， 國(guó)際市場(chǎng)電動(dòng)自行車的 發(fā)展 也得到了快速的發(fā)展，許多國(guó)家已把電動(dòng)自行車看作未來交通發(fā)展趨勢(shì)。在以歐盟各國(guó)為主 的國(guó)際市場(chǎng)上，全球 電動(dòng)自行車 在 2020 年銷量 達(dá)到 1334 萬輛， 2020 年同比增長(zhǎng)19%，達(dá)到 1586 萬輛； 2020 年同比增長(zhǎng) 21%，達(dá)到 1929 萬輛； 2020 年同比增長(zhǎng)20%，達(dá)到 2324 萬輛； 2020 年同比增長(zhǎng) 22%，達(dá)到 2655 萬輛。 [2]總體來說，電動(dòng)自行車在我國(guó) 有 很大 的 市場(chǎng)，國(guó)際市場(chǎng)需求也較為平穩(wěn)。應(yīng)該說電動(dòng)自行車行業(yè)屬 “ 朝陽行業(yè) ”， 隨著電動(dòng)自行車需求量的增加， 這必將帶動(dòng) 電動(dòng)自行車控制器及相關(guān)配件 的發(fā)展 和推廣。 電動(dòng)自行車的發(fā)展前景 電動(dòng)自行車的 核心 部件是電機(jī)。為 了 使電動(dòng)自行車 具 有良好的使用性能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)具有寬調(diào)速范圍、高轉(zhuǎn)速和足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。此外，由于電動(dòng)自行車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是車載形式運(yùn)行的，這要求電機(jī) 體積小、重量輕、效率高、且具有良好的能量回饋性能。 近些年來，現(xiàn)代 電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)、控制技術(shù) 、 計(jì)算機(jī)和稀土永磁材料的發(fā)展為無刷直流電機(jī)的研究奠定了基礎(chǔ)。目前無刷直流電機(jī)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(jī)、新型控制理論及電機(jī)理論的發(fā)展緊密結(jié)合，顯示出廣泛的應(yīng)用前景和強(qiáng)大的生命力。與其它電機(jī)相比 ，無刷直流電機(jī)具有主要優(yōu)點(diǎn) 為 ： 無刷直流電機(jī)沒有電刷、而是利用電子換相，不存在因 電刷 而引起的問題。