【正文】 致 謝在做畢業(yè)設(shè)計這段時間里，胡老師給了我很多指導(dǎo)和建議，讓我對無刷電機控制系統(tǒng)有了很多了解，并學(xué)到了很多對我有用的東西。軟件定時器根據(jù)調(diào)速要求產(chǎn)生直流斬波電壓，采用中斷方式運行，改變斬波電壓只需在對應(yīng)單元寫入控制值。須注意對有的定時器計數(shù)值寄存器寫的時候, 會把預(yù)分頻值清除, 因此必須在寫計數(shù)值的同時重新寫預(yù)分頻值控制字。設(shè)電動自行車運行在最高速20km/s(這是國家法律規(guī)定的速度限制), , 。直流無刷電機的3個霍爾元件組合起來有8種狀態(tài), 其中6種是有效的, 對應(yīng)1個輸出的狀態(tài)。 電源電路圖317 電源電路圖如圖317所示，36V電池送入U1U1U15穩(wěn)壓器輸出+15V和+5V給PIC單片機和IR2110供電?？紤]到本控制系統(tǒng)的成本問題，本系統(tǒng)采用第一種電流采樣方式。電流信號經(jīng)過LM358放大，由單片機PIC16F72A/D通道RA1（管腳2）輸入，并進行控制處理。它省去了轉(zhuǎn)子位置傳感器，因而電機結(jié)構(gòu)簡單、體積小、可靠性高。電磁式位置傳感器輸出信號較大，一般不需要經(jīng)過放大便可直接驅(qū)動開關(guān)管，但此輸出電壓是交流，必須先整流。電角的矩形波信號。當霍爾元件按要求通以電流并置于外磁場中，即輸出霍爾電勢信號，當其不受外磁場作用時，其輸出端無信號。此外，其工作溫度范圍寬，可達55 0C~150oC。但是，由于它采用的是雙極型熔絲工藝，一旦編程以后不能修改，因而不適應(yīng)研制工作中經(jīng)常修改電路的需要。面板顯示電路如圖39所示：圖39 面板顯示電路圖1 74LS164引腳圖74LS164為8位移位寄存器（串行輸入，并行輸出）圖310 74LS164引腳圖如圖310所示，當清除端（CLEAR）為低電平時，輸出端（QA－QH）均為低電平。2 剎車圖38 剎車圖電動自行車標準要求電動車在剎車制動時，控制器應(yīng)能自動切斷對電動機的供電。在眾多的電樞電壓控制方法中，脈寬調(diào)制 PWM( PulseWidth Modulation)技術(shù)因為需用的大功率可控器件少、線路簡單、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，從而得到廣泛應(yīng)用。內(nèi)置上電復(fù)位電路(POR) 帶8位AID轉(zhuǎn)換輸入 (9)程序存儲器版本齊全Microchip公司提供的產(chǎn)品是一個單片機系列，可供選擇的存儲器類別和產(chǎn)品封裝工藝的形式較多，為產(chǎn)品的不同試驗階段和不同應(yīng)用場合可提供一個全方位的選擇內(nèi)容和不同的性能檔次。圖34 PIC系列單片機哈佛總線結(jié)構(gòu)(3) RISC技術(shù) RISC (Reduced Instruction Set Computer)是指精簡指令集計算機。 PIC單片機特點：PIC (Periphery Interface Chip)系列單片機是美國Microchip公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。單片機選擇依據(jù)：(1)性能因素。高抗噪聲平移位電路將邏輯信號送到輸出驅(qū)動級。 表32 　IR2110 工作參數(shù)參數(shù)最小值/ V最大值/ VVBVS + 10VS + 20VS 4500HOVSVBVCC1020LO0VCCVDDVCC + 4. 5VCC + 20VSS 5+ 5HIN ,SD ,LINVSSVDD(3)IR2110內(nèi)部功能如圖32所示：圖32 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)動器將邏輯輸入信號送到相應(yīng)的低阻抗輸出。，通過計算可得I=，額定電壓UH=36V，峰值電壓應(yīng)有一個百分之40的余量所以 UM=UH*=36*=通過以上計算，可得出選擇的MOSFET峰值電流為25A,峰值電壓為50V。 逆變開關(guān)元件選擇和計算MOSFET在1960年由貝爾實驗室（Bell Lab.）的D. Kahng和 Martin Atalla首次實驗成功，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，且因為制造成本低廉與使用面積較小、高整合度的優(yōu)勢，在大型積體電路（LargeScale Integrated Circuits, LSI）或是超大型積體電路（Very LargeScale Integrated Circuits, VLSI）的領(lǐng)域里，重要性遠超過BJT。微控制器的另一個重要作用是根據(jù)電壓、電流和轉(zhuǎn)速等反饋模擬信號，以及隨機發(fā)出的制動信號，經(jīng)過AD變換和必要的運算后，借助內(nèi)置的時鐘信號產(chǎn)生一個帶有上述各種信息的脈寬調(diào)制信號。 本設(shè)計采用單片機作為主控芯片，用編程的方法來模擬無刷電機的控制邏輯，其特點是使用靈活，通過修改程序可適應(yīng)不同規(guī)格的無刷電機，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。這種方案可以編程控制，應(yīng)用范圍廣，且靈活方便。（2）產(chǎn)生PWM調(diào)制信號，使電機的電壓隨給定速度信號而自動變化，實現(xiàn)電機開環(huán)調(diào)速。位置檢測包括有位置傳感器和無位置傳感器檢測兩種方式。（2）轉(zhuǎn)矩脈動。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，三相無刷直流電動機最為常見。其中，模糊控制是把一些具有模糊性的成熟經(jīng)驗和規(guī)則有機地融入到傳動控制策略當中，現(xiàn)已成功地應(yīng)用到許多方面。3 續(xù)流二極管電流通路檢測法。無刷直流電機轉(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)矩運行；對于恒功率運行，無刷直流電機雖然不能直接改變磁通實現(xiàn)弱磁控制，但通過控制方法的改進也可以獲得弱磁控制的效果。 調(diào)節(jié)特性無刷直流電動機的調(diào)節(jié)特性如圖14所示。其他時間段的開關(guān)管導(dǎo)通情況與此類似。當轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過60電角度，到達圖b所示位置時，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動逆變器，使TT2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回到電源負極。經(jīng)過多年的努力，目前，國內(nèi)已有無刷直流電動機的系列 產(chǎn)品，形成了一定的生產(chǎn)規(guī)模。早在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流電動機的機械電刷，從而誕生了無刷直流電機的基本思想?，F(xiàn)階段，雖然各種交流電動機和直流電動機在傳動應(yīng)用中占主導(dǎo)地位，但無刷直流電動機正受到普遍的關(guān)注。有刷直流電動機從19世紀40年代出現(xiàn)以來，以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩控制特性，在相當長的一段時間內(nèi)一直在運動控制領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。1986年，指出了無刷直流電動機的研究領(lǐng)域，成為無刷直流電動機的經(jīng)典文獻，標志著無刷直流電動機在理論上走向成熟。因為永磁體設(shè)置在轉(zhuǎn)子上，改善了動態(tài)響應(yīng)轉(zhuǎn)自慣量高，限制了動態(tài)特性速度范圍比較高。可見，電機有6種磁狀態(tài)，每一狀態(tài)有兩相導(dǎo)通，每相繞組的導(dǎo)通時間對應(yīng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)120電角度。 圖12 無刷電動機位置檢測及開關(guān)管驅(qū)動信號表12 無刷電動機直流通電控制方式開關(guān)切換表旋轉(zhuǎn)方向位置傳感器逆變橋開關(guān)管驅(qū)動信號ABCT1T2T3T4T5T6正轉(zhuǎn)001000011010001100011000110100110000101100001110011000反轉(zhuǎn)001011000010100001011110000100000110101001100110000011 無刷直流電動機的運行特性 機械特性無刷直流電動機的機械特性為： （11）UT開關(guān)器件的管壓降Ia電樞電流Ce電機的電動勢常數(shù)每級磁通量可見無刷直流電動機的機械特性與一般直流電動機的機械特性表達式相同，機械特性較硬。 無刷直流電動機的應(yīng)用與研究動向現(xiàn)階段，雖然各種交流電動機和直流電動機在傳動應(yīng)用中占主導(dǎo)地位，但無刷直流電動機正受到普遍的關(guān)注。在很多應(yīng)用場合，例如空調(diào)器和計算機外設(shè)都要求無刷直流電動機以無轉(zhuǎn)子位置傳感器方式運行。（2）智能控制。所以無刷直流電動機的電機本體實際上是一種永磁同步電機。與普通直流電動機不同，無刷直流電動機的繞組是斷續(xù)通電的。橋式主電路所用的開關(guān)管比半橋式多一倍，成本要高；多相電動機的逆變器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也高。因此，國內(nèi)外對無刷直流電動機的無位置運行方式給予高度重視。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。其主要作用是在保證電動自行車正常工作的前提下，提高電機和蓄電池的效率、節(jié)省能源、保護電機及蓄電池，以及降低電動自行車在受到破壞時的損傷程度。當前，國內(nèi)外對無刷直流電機無位置傳感器的控制方法主要有反電勢法、定子三次諧波法、續(xù)流二極管檢測法、脈沖檢測法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法等。第3章 無刷直流電動機硬件設(shè)計 逆變主電路設(shè)計 功率開關(guān)主電路圖31 功率開關(guān)主電路原理圖逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電向電機供電。GTO電壓、電流容量大，適用于大功率場合，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強電流關(guān)斷增益很小，關(guān)斷時門極負脈沖電流大，開關(guān)速度低，驅(qū)動功率大，驅(qū)動電路復(fù)雜，開關(guān)頻率低IR2110 浮置電源采用自舉電路,其高端工作電壓可達500 V ,工作頻率可達到500 kHz。當VDD低于欠電壓閥值時，欠電壓UV檢測電路關(guān)閉兩路輸出。 自舉電路原理圖33 驅(qū)動電路以一相為例，如圖33所示，當下管導(dǎo)通上管截止時，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；當下管截止上管導(dǎo)通時，隔離二極管D2截止，自居電容C8儲存的電荷給三極管C極供電，IR211HO為高，三極管導(dǎo)通，驅(qū)動MOSFET管柵極，使上管保持導(dǎo)通。電子產(chǎn)品的安全性是一個非常重要的環(huán)節(jié)，作為控制系統(tǒng)的核心，單片機的安全性必須達到系統(tǒng)要求。PIC系列單片機具有如下特點:(1)單片機種類豐富PIC最大的特點是不搞單純的功能堆積，而是從實際出發(fā)，重視產(chǎn)品的性能與價格比，靠發(fā)展多種型號來滿足不同層次的應(yīng)用要求。(6)驅(qū)動能力強 PIC系列單片機I/O端口驅(qū)動負載的能力較強，每個輸出引腳可以驅(qū)動多達2025mA的負載，既能夠高電平直接驅(qū)動發(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，這樣可以大大簡化控制電路。轉(zhuǎn)把復(fù)位信號：由單片機的第4腳讀入剎車信號：剎車信號由單片機的第5腳讀入。有1路捕捉輸入/比較輸出/PWM輸出(CCP) 程序保密位，可防程序代碼的非法拷貝 圖35 時鐘電路圖 復(fù)位電路如圖36所示，與單片機1腳外接圖36 復(fù)位電路圖 人機接口電路 轉(zhuǎn)把和剎車1 轉(zhuǎn)把圖37 轉(zhuǎn)把圖調(diào)速轉(zhuǎn)把是利用線性霍爾元件實現(xiàn)的，其輸出電壓隨著磁場的線性變化而改變，將此電壓輸入給控制器，實現(xiàn)調(diào)速功能。它的特點是可靠性高，但價格昂貴。 CLEAR ：同步清除輸入端（高電平有效）A，B 串行數(shù)據(jù)輸入端。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量，可用于磁場的測量和控制。其種類包括磁敏式、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。電角度。轉(zhuǎn)子由扇形磁芯和非導(dǎo)磁襯套組成。紅外發(fā)光二極管通電后發(fā)出紅外光，當遮光盤隨電機轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)時，紅外光間斷的照在光敏三極管上，使其不斷導(dǎo)通和截至，其輸出信號反應(yīng)了轉(zhuǎn)子的位置，經(jīng)過放大后去驅(qū)動逆變器開關(guān)管。當無刷直流電機的永磁轉(zhuǎn)子經(jīng)過霍爾器件附近時，永磁轉(zhuǎn)子的磁場令霍爾器件輸出一個電壓信號，該信號被送到控制部分，由控制部分發(fā)出信號使得定子繞組供電電路導(dǎo)通，給相應(yīng)的定子繞組供電，從而產(chǎn)生和轉(zhuǎn)子磁場極性相同的磁場，推斥轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動。對于永磁無刷直流電機多采用后一種方法。圖315 LM358引腳功能圖 欠電壓保護圖316 欠電壓保護電路圖如圖317所示，電池電壓經(jīng)分壓后接單片機RA1（管腳3），由單片機采入進行監(jiān)控。限流保護檢測是把電壓傳感器康銅絲上的電壓經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換后與設(shè)定的電流限定值進行比較, 若高于最高限定值, 則關(guān)閉輸出, 反之, 則正常運行。根據(jù)這一想法, 可以將霍爾信號的改變設(shè)置為中斷, 從而轉(zhuǎn)子的換相可以得到立即響應(yīng)。它在計數(shù)滿后復(fù)位到00h重新開始, 同時產(chǎn)生一個中斷信號。5 電源電壓檢測電壓檢測也是在主程序里,電源電壓由于受到負載的影響, 因此檢測值需要結(jié)合電源負載電流情況來綜合判斷。主要實現(xiàn)了如下功能: (1)采用PIC16F72單片機作為主控芯片，加強了電動車的智能控制； (2)安全控制電機系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)的欠壓保護、過流保護； (3)設(shè)計了逆變器驅(qū)動電路、硬件過流保護電路，提高系統(tǒng)的可靠性。 inste