【正文】 生的眾多問(wèn)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。但是傳統(tǒng)的直流電機(jī)均采用電刷，機(jī)械換向 問(wèn)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。 我國(guó)生產(chǎn)的無(wú)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(wú)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(wú)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。 [3] 對(duì)無(wú)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(wú)刷直流電機(jī)領(lǐng)域也得到了迅速的發(fā)展 。 無(wú)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(wú)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(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)自發(fā)明以 來(lái)，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(wú)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(wèn)世，加之永磁材料 NsFeB 的 出現(xiàn)，這些 都 為無(wú)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(lái)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(wèn)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 。 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(wú)刷直流電機(jī)為控制對(duì)象的的系統(tǒng)。為了克服機(jī)械換相帶來(lái)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(wú)刷電機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。 關(guān)鍵字：無(wú)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。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(guò)流 保護(hù) 和堵轉(zhuǎn)保護(hù)。 摘 要 本 課題主要介紹了用無(wú)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(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制 器 的電路控制。 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(wú)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(wú)刷直流電機(jī)具 有 更 加 持久的生命力。 electric bicycle。無(wú)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。 第一章 緒論 無(wú)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。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。但 無(wú) 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(wú)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(wú)刷直流 電機(jī) 的熱潮， 先后研制 出 成方波無(wú)刷電機(jī)和正弦波無(wú)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(wú)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)。 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 。使我國(guó)在無(wú)刷 直流電機(jī)領(lǐng)域成為真正的 技術(shù)強(qiáng)國(guó)。 但近些年來(lái)， 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(wú)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(wú)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。因此對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)本體及其控制問(wèn)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。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。 [2]總體來(lái)說(shuō)，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)。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。 無(wú)刷 直流 電機(jī)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(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)剛好相反，直流無(wú)刷電機(jī)除了由定子和轉(zhuǎn)子組成的電動(dòng)機(jī)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(wú)刷電機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中定子繞組所產(chǎn)生的磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)動(dòng)中的轉(zhuǎn)子磁鋼產(chǎn)生的永磁磁場(chǎng)，在空間始終保持在 090 左右的電角度。電 動(dòng)自行車作為一種新型綠色環(huán)保交通工具，具有無(wú)污染、低噪音、振動(dòng)小、效率高、能耗低、安全、輕便、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。 本設(shè)計(jì)的主要工作 第二章 無(wú)刷直流電機(jī) 概述 無(wú)刷直流電機(jī)是隨著電子技術(shù)的迅速發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一種新型的直流電機(jī)，它的最大特點(diǎn)是沒(méi)有換向器和電刷組成的機(jī)械接觸機(jī)構(gòu)。同時(shí)，由于無(wú)刷直流電機(jī)是以自控式運(yùn)行的，所以不會(huì)像變頻調(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。 電動(dòng)機(jī)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(jī)接上電源后，電流流入繞組，產(chǎn)生磁動(dòng)勢(shì)，后者與轉(zhuǎn)子產(chǎn)生的勵(lì)磁磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生電功率，并通過(guò)轉(zhuǎn)子輸出一定的機(jī)械功率從而實(shí)現(xiàn)了將電能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能這個(gè)過(guò) 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(duì)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(dòng)機(jī)的機(jī)械換向裝置 并通過(guò) 位置傳感器來(lái)檢測(cè)主轉(zhuǎn)子在運(yùn)行過(guò)程中的位置。位置傳感器的跟蹤轉(zhuǎn)子與電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)定子的各項(xiàng)繞組，以使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)電 子 開 關(guān) 線 路功 率 邏 輯 開 關(guān)電 動(dòng) 機(jī) 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(hào) 處 理 圖 15 直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)的組成框圖 無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理 無(wú)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(lái)的，無(wú)刷直流電機(jī)的工作過(guò)程是電 動(dòng) 機(jī)本體、位置傳感器和電子 開關(guān) 電路三者協(xié)同工作的過(guò)程，只要有任何一方出了差錯(cuò)，都會(huì)對(duì)電機(jī)的運(yùn)行造成很大的影響 。 這恰好與傳統(tǒng)的直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)相反。 一般的直流電機(jī)的定子由永久磁鋼組成，其主要的作用是在電動(dòng)機(jī)氣隙中產(chǎn)生磁場(chǎng)。和無(wú)刷直流電機(jī)相比，就不難看出，其實(shí)無(wú) 刷直流電機(jī)和有刷直流電機(jī)一樣，本身都是一臺(tái)同步電機(jī)，只是有刷直流電機(jī)中加的是一個(gè)機(jī)械的逆變器一換向器和電刷，而無(wú)刷直流電機(jī)中采用電子換向裝置一電子逆變器代替機(jī)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(dòng)勢(shì)（ V）； Iacp 是平均電樞電流（ A）； 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 是反電動(dòng)勢(shì)系數(shù)（ V／ r／ min）。m） Mo 是摩擦轉(zhuǎn)矩（ Nm／ A）。 起動(dòng)特性 由 11~16可知， 電機(jī)在起動(dòng)時(shí)，由于反電動(dòng)勢(shì)為零，因此電樞電流（即 起動(dòng)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(shí)電樞的電磁轉(zhuǎn)矩非常大，電機(jī)能很快起 ，并能帶負(fù)載直接起動(dòng)。另外當(dāng) 電機(jī)發(fā)生堵轉(zhuǎn)時(shí)，電機(jī)也會(huì) 產(chǎn)生 很大的電樞電流，這時(shí) 要 在控制器上設(shè)置一個(gè)過(guò)流保護(hù)電路 以此 電機(jī)的安全。這個(gè)變化量要比有刷直流電機(jī)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(dòng)轉(zhuǎn)矩的變化大的多。電機(jī)效率：112 1 p ppp ????? 18 式中， ?p 為電機(jī)的損耗； 1p 為電機(jī)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(cuò)誤 !未找到引用源。當(dāng)式 110 等號(hào)右邊兩項(xiàng)相等時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩為零，此時(shí)的轉(zhuǎn)速即為理想空載轉(zhuǎn)速。 圖 122 無(wú)刷直流電機(jī)機(jī)械特性曲線 圖 14 調(diào)節(jié)特性 調(diào)節(jié)特性的始動(dòng)電壓和斜率分別為： macpa KTrU ?0 （ 111） eKK1? （ 112） 從機(jī)械特性和調(diào)節(jié)特性可以看出，無(wú)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(guò)調(diào)節(jié)電源電壓實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)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(dòng)機(jī)的電樞端電壓，實(shí)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(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)電樞兩端電壓為 0； 2t 秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖剑_關(guān)管的動(dòng)作重復(fù)前面的過(guò)程。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)。這種方案可以編程控制，應(yīng)用范圍廣，且靈