【正文】 生的眾多問題，還保持了傳統(tǒng)直流電機良好的動、靜態(tài)調(diào)速特性。但是傳統(tǒng)的直流電機均采用電刷，機械換向 問題 一直是 直流電機的一個弱點，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。 我國生產(chǎn)的無刷直流電機也已在軍事工業(yè)、航空航天、電動車、家用電器等多個領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并在深圳、長沙、上海等地形成初具規(guī)模的產(chǎn)業(yè)鏈；并且， 我國 已成為 世界最大的永磁體（生產(chǎn)無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 ，并 在技術(shù)上不斷推進(jìn)行業(yè)發(fā)展。 [3] 對無刷直流電動機的研究 ，雖然 我國起步較晚 ， 但隨著研究技術(shù)的日益成熟與完善，我國在無刷直流電機領(lǐng)域也得到了迅速的發(fā)展 。 無刷直流電動機的發(fā)展在很大程度上取決于電力電子技術(shù)的進(jìn)步，在無刷直流電動機發(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)動控制技術(shù)水平的制約，使得無刷直流電動機自發(fā)明以 來，在一段 相當(dāng)長的時間 里 ，性能都不理想，只能停留在實驗室階段，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 為無刷直流電動機 的 廣泛應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ) 。但是傳統(tǒng)的直流電機均采用電刷，以機械方法換向，因而存在機械摩擦，由此帶來噪音大、壽命短等弱點，再加上制造成本高及維修困難等缺點， 機械換向 問題 一直成了有刷直流 電機的一個弱點，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 。 本文研究的電動自行車控制 器 是一個以 PIC16F72 單片機為核心，無刷直流電機為控制對象的的系統(tǒng)。為了克服機械換相帶來的缺點，以 電子開關(guān)線路和位置傳感器集成的 電子換相取代機械換相的無刷電機應(yīng)運而生。 關(guān)鍵字：無刷直流電機；電動自行車； PIC16F72單片機；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。軟件程序設(shè)計部分 主要 結(jié)合硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計 了 系統(tǒng)的欠壓 保護 、過流 保護 和堵轉(zhuǎn)保護。 摘 要 本 課題主要介紹了用無刷直流電動機作為電動自行車的控制系統(tǒng)的驅(qū)動電機， 以 PIC16F72單片機為核心 ， 實現(xiàn)對電動自行車用的無刷直流電動機控制 器 的電路控制。 這樣設(shè)計不僅實現(xiàn)了電動自行車的正常使用的基本功能，還提升了無刷直流電機運行的可靠性與穩(wěn)定性， 使電 動自行車用 的 無刷直流電機具 有 更 加 持久的生命力。 electric bicycle。無刷直流電動 機 (簡稱 BLDC)以其運行可靠、結(jié)構(gòu)簡單、 維護方便、 功率密度高、輸出轉(zhuǎn)矩大、動態(tài)性能好等特點而得到了廣泛應(yīng)用。 第一章 緒論 無刷直流電動機的發(fā)展概況 電機作為機電能量轉(zhuǎn)換裝置，其應(yīng)用已遍及國民經(jīng)濟的各個領(lǐng)域以及人們的日常生活中。為了取代有刷直流電機的機械換向裝置，人們進(jìn)行了長期的探索。但 無 刷直流電機真正進(jìn)入實用階段 是在 1978年開始 ， 在 1978年漢諾威貿(mào)易博覽會上， 德國 MANNESMANN 的 Rexroth 公司的 Indramat 分部在 1978年漢諾威貿(mào)易博覽會上，正式推出 了 MAC無刷直流電動機及其驅(qū)動器，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 電機 的熱潮， 先后研制 出 成方波無刷電機和正弦波無刷直流電機，在國際上得 到較為充分的發(fā)展，在一些發(fā)達(dá)的國家里 （如美國、日本） ，無刷直流電機 已漸漸 成為主導(dǎo)電機，并逐步取代其它類型的電機。 2020 年我國電機制造業(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 。使我國在無刷 直流電機領(lǐng)域成為真正的 技術(shù)強國。 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 控制技術(shù)的發(fā)展 ，使 無刷直流電機的 出現(xiàn)解決了 傳統(tǒng)直流電機的這些缺點 。無刷直流電機的運轉(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行的 ，所以不會象變頻調(diào)速下重載啟動的同步電機那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動繞組，也不會在負(fù)載突變時產(chǎn)生振蕩和失步。因此對無刷直流電機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)實意義。作為一種小型、中速和短途的日常交通工具，電動車是十分理想的，有著得天獨厚的發(fā)展條件和廣闊的應(yīng)用前景。 [2]總體來說，電動自行車在我國 有 很大 的 市場，國際市場需求也較為平穩(wěn)。此外，由于電動自行車的驅(qū)動電機是車載形式運行的，這要求電機 體積小、重量輕、效率高、且具有良好的能量回饋性能。 無刷 直流 電機的電樞繞組 裝 在定子上，永磁磁鋼放在轉(zhuǎn)子上，故導(dǎo)熱性能好，產(chǎn)生的熱量更容易散發(fā)出去；這與傳統(tǒng)的永磁直流電動機的結(jié)構(gòu)剛好相反，直流無刷電機除了由定子和轉(zhuǎn)子組成的電動機本體外，還要有位置傳感器、控制電路以及功率開關(guān)器件共同構(gòu)成換向裝置，使得直流無刷電機在運動過程中定子繞組所產(chǎn)生的磁場和轉(zhuǎn)動中的轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永磁磁場，在空間始終保持在 090 左右的電角度。電 動自行車作為一種新型綠色環(huán)保交通工具，具有無污染、低噪音、振動小、效率高、能耗低、安全、輕便、易維護等優(yōu)點。 本設(shè)計的主要工作 第二章 無刷直流電機 概述 無刷直流電機是隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來的一種新型的直流電機，它的最大特點是沒有換向器和電刷組成的機械接觸機構(gòu)。同時，由于無刷直流電機是以自控式運行的，所以不會像變頻調(diào)速下重載啟動的同步電機那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動繞組，也不會在負(fù)載突變時產(chǎn)生振蕩和失步。 電動機本體主要包括帶有電樞繞組的定子和轉(zhuǎn)子，定子部分最重要的部件是電子的繞組 ， 當(dāng)電機接上電源后，電流流入繞組，產(chǎn)生磁動勢，后者與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的勵磁磁場相互作用而產(chǎn)生電功率，并通過轉(zhuǎn)子輸出一定的機械功率從而實現(xiàn)了將電能轉(zhuǎn)換為機械能這個過 程。定子繞組一般制成多相（三、四、五 相不等），轉(zhuǎn)子由永久磁鐵按一定的極對數(shù)（ 2p=2,4,...）組成，電子開關(guān)一般是由功率電子器件和它的控制電路以及轉(zhuǎn)子位置傳感器等所組成，以此 代替了有刷直流電動機的機械換向裝置 并通過 位置傳感器來檢測主轉(zhuǎn)子在運行過程中的位置。位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子與電動機轉(zhuǎn)軸相連接。功率邏輯開關(guān)單元是控制電路的核心，其功能是將電源的功率以一定的邏輯關(guān)系分配給電動機定子的各項繞組，以使電動機產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。 無刷直流電動機電 子 開 關(guān) 線 路功 率 邏 輯 開 關(guān)電 動 機 主 體位 置 傳 感 器傳 感 器 定 子傳 感 器 轉(zhuǎn) 子主 轉(zhuǎn) 子主 定 子位 置 信 號 處 理 圖 15 直流無刷電動機的組成框圖 無刷直流電機的工作原理 無刷直流電動機是在有刷直流電動機的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，無刷直流電機的工作過程是電 動 機本體、位置傳感器和電子 開關(guān) 電路三者協(xié)同工作的過程，只要有任何一方出了差錯，都會對電機的運行造成很大的影響 。 這恰好與傳統(tǒng)的直流電動機結(jié)構(gòu)相反。 一般的直流電機的定子由永久磁鋼組成，其主要的作用是在電動機氣隙中產(chǎn)生磁場。和無刷直流電機相比，就不難看出，其實無 刷直流電機和有刷直流電機一樣，本身都是一臺同步電機，只是有刷直流電機中加的是一個機械的逆變器一換向器和電刷，而無刷直流電機中采用電子換向裝置一電子逆變器代替機械換向器和電刷的作用。因此，我們最關(guān)心的是它的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速，以及轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速隨輸入電壓、電流、負(fù) 載變化而變化的規(guī)律。 (11) 式中， U 是電源電壓（ V）； E 是電樞繞組反電動勢（ V）； Iacp 是平均電樞電流（ A）； 錯誤 !未找到引用源。 是反電動勢系數(shù)（ V／ r／ min）。m） Mo 是摩擦轉(zhuǎn)矩（ Nm／ A）。 起動特性 由 11~16可知， 電機在起動時，由于反電動勢為零，因此電樞電流（即 起動電流）為 acpn rUUI ??? (17) 其值 可為 正常工作電樞電流的幾倍到十幾倍， 所以， 由式 (15)可知，此時電樞的電磁轉(zhuǎn)矩非常大，電機能很快起 ，并能帶負(fù)載直接起動。另外當(dāng) 電機發(fā)生堵轉(zhuǎn)時，電機也會 產(chǎn)生 很大的電樞電流，這時 要 在控制器上設(shè)置一個過流保護電路 以此 電機的安全。這個變化量要比有刷直流電機因電刷接觸壓降和電刷所短路元件數(shù)的變化而造成的起動轉(zhuǎn)矩的變化大的多。電機效率：112 1 p ppp ????? 18 式中， ?p 為電機的損耗； 1p 為電機的輸入功率， UIP acp?1 ； 2P 為輸出功率，nMP 22 ? 。隨后，效率又開始下降，如圖 120 所示。 (19) 電磁轉(zhuǎn)矩為： 錯誤 !未找到引用源。當(dāng)式 110 等號右邊兩項相等時，電磁轉(zhuǎn)矩為零，此時的轉(zhuǎn)速即為理想空載轉(zhuǎn)速。 圖 122 無刷直流電機機械特性曲線 圖 14 調(diào)節(jié)特性 調(diào)節(jié)特性的始動電壓和斜率分別為： macpa KTrU ?0 （ 111） eKK1? （ 112） 從機械特性和調(diào)節(jié)特性可以看出，無刷直流電動機與一般直流電動機一樣，具有良好的調(diào)速控制性能，可以通過調(diào)節(jié)電源電壓實現(xiàn)無級調(diào)速。為了獲得可調(diào)的直流電壓，利用電力電子器件的完全可控性，采用脈寬調(diào)制技術(shù) (Pulse Width Modulation，即 PWM)，直接將恒定的直流電壓調(diào)制成可變大小和極性的直流電壓作為電動機的電樞端電壓，實現(xiàn)系統(tǒng)的平滑調(diào)速，這種調(diào)速系統(tǒng)就稱為直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。當(dāng)開關(guān)管的柵極輸入高電平 1U 時，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動機電樞繞組兩端有電壓 sU ； 1t 秒后，柵極輸 入變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管截止，電動機電樞兩端電壓為 0； 2t 秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)管的動作重復(fù)前面的過程。在電機轉(zhuǎn)速控制方面，絕大多數(shù)場合數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)已取代模擬調(diào)速系統(tǒng)。這種方案可以編程控制，應(yīng)用范圍廣，且靈