【正文】 致 謝在做畢業(yè)設(shè)計(jì)這段時(shí)間里，胡老師給了我很多指導(dǎo)和建議，讓我對(duì)無刷電機(jī)控制系統(tǒng)有了很多了解，并學(xué)到了很多對(duì)我有用的東西。軟件定時(shí)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(yùn)行，改變斬波電壓只需在對(duì)應(yīng)單元寫入控制值。須注意對(duì)有的定時(shí)器計(jì)數(shù)值寄存器寫的時(shí)候, 會(huì)把預(yù)分頻值清除, 因此必須在寫計(jì)數(shù)值的同時(shí)重新寫預(yù)分頻值控制字。設(shè)電動(dòng)自行車運(yùn)行在最高速20km/s(這是國(guó)家法律規(guī)定的速度限制), , 。直流無刷電機(jī)的3個(gè)霍爾元件組合起來有8種狀態(tài), 其中6種是有效的, 對(duì)應(yīng)1個(gè)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U(xiǎn)1U1U15穩(wěn)壓器輸出+15V和+5V給PIC單片機(jī)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(hào)經(jīng)過LM358放大，由單片機(jī)PIC16F72A/D通道RA1（管腳2）輸入，并進(jìn)行控制處理。它省去了轉(zhuǎn)子位置傳感器，因而電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、可靠性高。電磁式位置傳感器輸出信號(hào)較大，一般不需要經(jīng)過放大便可直接驅(qū)動(dòng)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(hào)。當(dāng)霍爾元件按要求通以電流并置于外磁場(chǎng)中，即輸出霍爾電勢(shì)信號(hào)，當(dāng)其不受外磁場(chǎng)作用時(shí)，其輸出端無信號(hào)。此外，其工作溫度范圍寬，可達(dá)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(dāng)清除端（CLEAR）為低電平時(shí)，輸出端（QA－QH）均為低電平。2 剎車圖38 剎車圖電動(dòng)自行車標(biāo)準(zhǔn)要求電動(dòng)車在剎車制動(dòng)時(shí)，控制器應(yīng)能自動(dòng)切斷對(duì)電動(dòng)機(jī)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?yàn)樾栌玫拇蠊β士煽仄骷?、線路簡(jiǎn)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(diǎn)，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(chǔ)器版本齊全Microchip公司提供的產(chǎn)品是一個(gè)單片機(jī)系列，可供選擇的存儲(chǔ)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(yàn)階段和不同應(yīng)用場(chǎng)合可提供一個(gè)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(jī)哈佛總線結(jié)構(gòu)(3) RISC技術(shù) RISC (Reduced Instruction Set Computer)是指精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)。 PIC單片機(jī)特點(diǎn)：PIC (Periphery Interface Chip)系列單片機(jī)是美國(guó)Microchip公司生產(chǎn)的產(chǎn)品。單片機(jī)選擇依據(jù)：(1)性能因素。高抗噪聲平移位電路將邏輯信號(hào)送到輸出驅(qū)動(dòng)級(jí)。 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(dòng)器將邏輯輸入信號(hào)送到相應(yīng)的低阻抗輸出。，通過計(jì)算可得I=，額定電壓UH=36V，峰值電壓應(yīng)有一個(gè)百分之40的余量所以 UM=UH*=36*=通過以上計(jì)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(jì)算MOSFET在1960年由貝爾實(shí)驗(yàn)室（Bell Lab.）的D. Kahng和 Martin Atalla首次實(shí)驗(yàn)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?yàn)橹圃斐杀镜土c使用面積較小、高整合度的優(yōu)勢(shì)，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(yuǎn)超過BJT。微控制器的另一個(gè)重要作用是根據(jù)電壓、電流和轉(zhuǎn)速等反饋模擬信號(hào)，以及隨機(jī)發(fā)出的制動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過AD變換和必要的運(yùn)算后，借助內(nèi)置的時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)帶有上述各種信息的脈寬調(diào)制信號(hào)。 本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)作為主控芯片，用編程的方法來模擬無刷電機(jī)的控制邏輯，其特點(diǎn)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(jī)，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(hào)，使電機(jī)的電壓隨給定速度信號(hào)而自動(dòng)變化，實(shí)現(xiàn)電機(jī)開環(huán)調(diào)速。位置檢測(cè)包括有位置傳感器和無位置傳感器檢測(cè)兩種方式。（2）轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。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(dòng)機(jī)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(yàn)和規(guī)則有機(jī)地融入到傳動(dòng)控制策略當(dāng)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(cè)法。無刷直流電機(jī)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(yùn)行；對(duì)于恒功率運(yùn)行，無刷直流電機(jī)雖然不能直接改變磁通實(shí)現(xiàn)弱磁控制，但通過控制方法的改進(jìn)也可以獲得弱磁控制的效果。 調(diào)節(jié)特性無刷直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)節(jié)特性如圖14所示。其他時(shí)間段的開關(guān)管導(dǎo)通情況與此類似。當(dāng)轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過60電角度，到達(dá)圖b所示位置時(shí)，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動(dòng)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?gòu)腃相繞組流出，經(jīng)T2回到電源負(fù)極。經(jīng)過多年的努力，目前，國(guó)內(nèi)已有無刷直流電動(dòng)機(jī)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(dòng)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?，F(xiàn)階段，雖然各種交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)在傳動(dòng)應(yīng)用中占主導(dǎo)地位，但無刷直流電動(dòng)機(jī)正受到普遍的關(guān)注。有刷直流電動(dòng)機(jī)從19世紀(jì)40年代出現(xiàn)以來，以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩控制特性，在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)一直在運(yùn)動(dòng)控制領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位。1986年，指出了無刷直流電動(dòng)機(jī)的研究領(lǐng)域，成為無刷直流電動(dòng)機(jī)的經(jīng)典文獻(xiàn)，標(biāo)志著無刷直流電動(dòng)機(jī)在理論上走向成熟。因?yàn)橛来朋w設(shè)置在轉(zhuǎn)子上，改善了動(dòng)態(tài)響應(yīng)轉(zhuǎn)自慣量高，限制了動(dòng)態(tài)特性速度范圍比較高?？梢姡姍C(jī)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(shí)間對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)120電角度。 圖12 無刷電動(dòng)機(jī)位置檢測(cè)及開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)表12 無刷電動(dòng)機(jī)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(dòng)信號(hào)ABCT1T2T3T4T5T6正轉(zhuǎn)001000011010001100011000110100110000101100001110011000反轉(zhuǎn)001011000010100001011110000100000110101001100110000011 無刷直流電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行特性 機(jī)械特性無刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性為： （11）UT開關(guān)器件的管壓降Ia電樞電流Ce電機(jī)的電動(dòng)勢(shì)常數(shù)每級(jí)磁通量可見無刷直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性與一般直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械特性表達(dá)式相同，機(jī)械特性較硬。 無刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用與研究動(dòng)向現(xiàn)階段，雖然各種交流電動(dòng)機(jī)和直流電動(dòng)機(jī)在傳動(dòng)應(yīng)用中占主導(dǎo)地位，但無刷直流電動(dòng)機(jī)正受到普遍的關(guān)注。在很多應(yīng)用場(chǎng)合，例如空調(diào)器和計(jì)算機(jī)外設(shè)都要求無刷直流電動(dòng)機(jī)以無轉(zhuǎn)子位置傳感器方式運(yùn)行。（2）智能控制。所以無刷直流電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本體實(shí)際上是一種永磁同步電機(jī)。與普通直流電動(dòng)機(jī)不同，無刷直流電動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)的逆變器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也高。因此，國(guó)內(nèi)外對(duì)無刷直流電動(dòng)機(jī)的無位置運(yùn)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(dòng)自行車正常工作的前提下，提高電機(jī)和蓄電池的效率、節(jié)省能源、保護(hù)電機(jī)及蓄電池，以及降低電動(dòng)自行車在受到破壞時(shí)的損傷程度。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)無刷直流電機(jī)無位置傳感器的控制方法主要有反電勢(shì)法、定子三次諧波法、續(xù)流二極管檢測(cè)法、脈沖檢測(cè)法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法等。第3章 無刷直流電動(dòng)機(jī)硬件設(shè)計(jì) 逆變主電路設(shè)計(jì) 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(jī)供電。GTO電壓、電流容量大，適用于大功率場(chǎng)合，具有電導(dǎo)調(diào)制效應(yīng)，其通流能力很強(qiáng)電流關(guān)斷增益很小，關(guān)斷時(shí)門極負(fù)脈沖電流大，開關(guān)速度低，驅(qū)動(dòng)功率大，驅(qū)動(dòng)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(dá)500 V ,工作頻率可達(dá)到500 kHz。當(dāng)VDD低于欠電壓閥值時(shí)，欠電壓UV檢測(cè)電路關(guān)閉兩路輸出。 自舉電路原理圖33 驅(qū)動(dòng)電路以一相為例，如圖33所示，當(dāng)下管導(dǎo)通上管截止時(shí)，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(dāng)下管截止上管導(dǎo)通時(shí)，隔離二極管D2截止，自居電容C8儲(chǔ)存的電荷給三極管C極供電，IR211HO為高，三極管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)MOSFET管柵極，使上管保持導(dǎo)通。電子產(chǎn)品的安全性是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，作為控制系統(tǒng)的核心，單片機(jī)的安全性必須達(dá)到系統(tǒng)要求。PIC系列單片機(jī)具有如下特點(diǎn):(1)單片機(jī)種類豐富PIC最大的特點(diǎn)是不搞單純的功能堆積，而是從實(shí)際出發(fā)，重視產(chǎn)品的性能與價(jià)格比，靠發(fā)展多種型號(hào)來滿足不同層次的應(yīng)用要求。(6)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng) PIC系列單片機(jī)I/O端口驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力較強(qiáng)，每個(gè)輸出引腳可以驅(qū)動(dòng)多達(dá)2025mA的負(fù)載，既能夠高電平直接驅(qū)動(dòng)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(dòng)，這樣可以大大簡(jiǎn)化控制電路。轉(zhuǎn)把復(fù)位信號(hào)：由單片機(jī)的第4腳讀入剎車信號(hào)：剎車信號(hào)由單片機(jī)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(shí)鐘電路圖 復(fù)位電路如圖36所示，與單片機(jī)1腳外接圖36 復(fù)位電路圖 人機(jī)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(shí)現(xiàn)的，其輸出電壓隨著磁場(chǎng)的線性變化而改變，將此電壓輸入給控制器，實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能。它的特點(diǎn)是可靠性高，但價(jià)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(chǎng)的測(cè)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(dāng)遮光盤隨電機(jī)轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)時(shí)，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(hào)反應(yīng)了轉(zhuǎn)子的位置，經(jīng)過放大后去驅(qū)動(dòng)逆變器開關(guān)管。當(dāng)無刷直流電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子經(jīng)過霍爾器件附近時(shí)，永磁轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)令霍爾器件輸出一個(gè)電壓信號(hào)，該信號(hào)被送到控制部分，由控制部分發(fā)出信號(hào)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(chǎng)極性相同的磁場(chǎng)，推斥轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)。對(duì)于永磁無刷直流電機(jī)多采用后一種方法。圖315 LM358引腳功能圖 欠電壓保護(hù)圖316 欠電壓保護(hù)電路圖如圖317所示，電池電壓經(jīng)分壓后接單片機(jī)RA1（管腳3），由單片機(jī)采入進(jìn)行監(jiān)控。限流保護(hù)檢測(cè)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(jìn)行比較, 若高于最高限定值, 則關(guān)閉輸出, 反之, 則正常運(yùn)行。根據(jù)這一想法, 可以將霍爾信號(hào)的改變?cè)O(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(jì)數(shù)滿后復(fù)位到00h重新開始, 同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)。5 電源電壓檢測(cè)電壓檢測(cè)也是在主程序里,電源電壓由于受到負(fù)載的影響, 因此檢測(cè)值需要結(jié)合電源負(fù)載電流情況來綜合判斷。主要實(shí)現(xiàn)了如下功能: (1)采用PIC16F72單片機(jī)作為主控芯片，加強(qiáng)了電動(dòng)車的智能控制； (2)安全控制電機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的欠壓保護(hù)、過流保護(hù)； (3)設(shè)計(jì)了逆變器驅(qū)動(dòng)電路、硬件過流保護(hù)電路，提高系統(tǒng)的可靠性。 inste