【正文】 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。 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)。 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) 。 我國生產(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 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，中國還將會(huì)成為全球最大的無刷電機(jī)生產(chǎn)國 ，并 在技術(shù)上不斷推進(jìn)行業(yè)發(fā)展。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。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)。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。 電動(dòng)自行車作為自行車史上具有革命性的交通工具，在給人們生活帶來方便的同時(shí)，也對(duì)整個(gè)社會(huì)的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生了積極的影響。 無刷直流電機(jī)集交流電機(jī)和直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)于一體，既具備交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)，又具備直流電機(jī)運(yùn)行效率高、 調(diào)速性能好和無勵(lì)磁損耗的特點(diǎn)。 無刷直流電動(dòng)機(jī)在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電動(dòng)機(jī)相似，但沒有籠形繞組和其他起動(dòng)裝置。 直流無刷電動(dòng)機(jī)中的電子開關(guān)線路是用來控制電動(dòng)機(jī)定子各相繞組的通電順序和時(shí)間的，主要由功率邏輯開關(guān)單元和位置傳感器信號(hào)處理單元兩部分組成。其原理 框圖 如圖 23 所示 ： 直 流 電 源 電 子 開 關(guān) 線 路 電 動(dòng) 機(jī) 主 體位 置 傳 感 器輸 出 圖 2 3 無 刷 直 流 電 動(dòng) 機(jī) 原 理 框 圖無刷直流電機(jī)中 的 永磁鋼裝在轉(zhuǎn)子上， 電樞繞組 裝 在定子上， 而有刷直流電機(jī) 的磁鋼 是 裝在定子上。有刷直流電機(jī)的電刷起著電樞電流換向位置的檢測(cè)作用。 對(duì)于無刷直流電機(jī)，其電動(dòng)勢(shì)平衡方程式為 錯(cuò)誤 !未找到引用源。 (14) 式中， M 是電磁轉(zhuǎn)矩 ， M2 是輸出轉(zhuǎn)矩（ N 2m）； ω是轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度（ rad／ s）。而實(shí)際上，由于電樞繞組產(chǎn)生的磁場(chǎng)是跳躍的，當(dāng)轉(zhuǎn)子所處位置不同時(shí)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)與電樞磁場(chǎng)之間的夾角在變化，因此所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩也是變化的。當(dāng)電機(jī)的可變損耗等于不變損耗時(shí)，電機(jī)效率達(dá)到最大值。 當(dāng)轉(zhuǎn)速為零時(shí)，此時(shí)的轉(zhuǎn)速即為起動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩。改變電樞電壓調(diào)速 的方法有穩(wěn)定性較好、調(diào)速范圍大的優(yōu)點(diǎn)【 23】【 24】。 第三章 無刷直流電機(jī)硬件設(shè)計(jì) 無刷直流電機(jī)控制器的概述 無刷直流電動(dòng)機(jī)兼有直流電動(dòng)機(jī)調(diào)整和起動(dòng)性能好以及異步電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單無需維護(hù)的優(yōu)點(diǎn)，因而在高可靠性的電機(jī)調(diào)速領(lǐng)域中獲得了廣泛應(yīng)用。在微處理器出現(xiàn)之前，控制器只能由模擬 系統(tǒng)構(gòu)成。 控制器是電動(dòng)自行車的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它是電動(dòng)自行車的大腦。 本論文選取 Microchip 公司的一款具有極高性能價(jià)格比的 PIC 單片機(jī)PICl6F72 做為主控芯片，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 ；并且 采用速度、電流雙閉環(huán)控制策略，增強(qiáng)系統(tǒng)抗干擾能力，提高電機(jī)的運(yùn)行效率，同時(shí)加入一些保護(hù)功能，如欠壓保護(hù)、過電流保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)等等，使系統(tǒng)設(shè)計(jì)更合理化、人性化?？煞奖銓?shí)現(xiàn)D／ A輸出功能 和 實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速等功能。大部分單片機(jī)都提供了 UART 接口，也有部分單片機(jī)沒有串行接口。 PIC系列單片機(jī)具有如下特點(diǎn) : PIC單片機(jī)是 MICROCHIP 公司的產(chǎn)品 ，其突出的特點(diǎn)是體積小，功耗低，精簡(jiǎn)指令集 ，抗干擾性好，可靠性高，有較強(qiáng)的模擬接口，代碼保密性好。這種分離的程序總線和 數(shù)據(jù)總線 可允許在一個(gè) 機(jī)器周期 內(nèi)同時(shí)獲得 指令字 和 操作數(shù) ，從而提高了執(zhí)行速度，提高了數(shù)據(jù)的吞吐率。 時(shí)鐘頻率 低，功率消耗少，溫升也少，機(jī)器不易發(fā)生故障和老化，提高了系統(tǒng)的可靠性。 PIC16F72 單片機(jī)的主要性能 PICl6F72 單片機(jī)是目前電瓶車 控制器 的 主流控制芯片 。 7：模擬 /數(shù)字量輸入口：由于電機(jī)的位置傳感器排列方法不同，該口的電平高低決定適合于哪種電機(jī)，目前市場(chǎng)上常見的有所謂 120176。 14：數(shù) 字輸入口：功能開關(guān) 3 1 1 17：數(shù)字輸入口：電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器信號(hào)輸入口，單片機(jī)根據(jù)其信號(hào)變化決定讓電機(jī) 的相應(yīng)繞組通電，從而使電機(jī)始終向需要的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 19：?jiǎn)纹瑱C(jī) 電源地。 PIC16F72 單片機(jī)的功能特性 （ 1） 功能部件的特性 帶有 8位 5通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器； 高驅(qū)動(dòng)電流，每個(gè) I／ O引腳灌電流和拉電流最大均可達(dá) 25mA；可直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管 (LED)、光耦合器等器件工作 ；可雙向獨(dú)立編程設(shè)置 I/O引腳； 8位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 TMRO，帶 8位預(yù)分頻器；有 1路捕捉輸入 /比較輸出 /PWM輸出 (CCP)； 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 TMR1，休眠中仍可計(jì)數(shù)； 8位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 TMR2,帶有 8位的周期寄存器及預(yù)分頻器和后分頻器； 帶有 SPITM(主 /從模式 )和 I2CTM(從模式 )同步串口；帶軟件控制選擇的欠壓檢測(cè)(BOD)；欠壓檢測(cè)電路用于欠壓復(fù)位 (BOR)。 開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，工作頻率高，不存在二次擊穿問題 驅(qū)動(dòng)芯片 IR2103 簡(jiǎn)介 （ 1） IR2103 的特點(diǎn)：采用雙列 8 腳封裝，高端工作電壓為 600V，低端工作電壓為 10~20V，功率為 1W。當(dāng) IR2103 的 3 腳 LIN 低端邏輯輸 入為高電平時(shí)， 5 腳 LO 低端驅(qū)動(dòng)輸出電壓端輸出高電平，使下橋管 VT2 導(dǎo)通。根據(jù) IR3103的 Date sheet，產(chǎn)生的死區(qū)時(shí)間 DT 的大致范圍是 400~650ns，滿足 MOSFET 的開通或關(guān)斷時(shí)間。 逆變橋電路根據(jù)逆變橋電路的驅(qū)動(dòng)信號(hào)使各個(gè) MOSFET 晶體管 做相應(yīng)的開關(guān)動(dòng)作，為無刷 直流 電機(jī)提供 動(dòng)作 能量， 以 驅(qū)動(dòng) 無刷直流 電機(jī)做加速、減速、勻速、制動(dòng)等一系列 的 動(dòng)作。然而作為穩(wěn)壓電源的輸出電壓計(jì)算公式， R1 和 R2 的阻值是不能隨意設(shè)定的。 保證 輸出電流。 電壓范圍 至 37V 連續(xù)可調(diào) 穩(wěn)壓芯片 7805芯片 的 概述 7805 系列為 3 端正穩(wěn)壓電路，能提供多種固定的輸出電壓，應(yīng)用范圍廣。 系列。由于驅(qū)動(dòng)電路對(duì)第二路電源的要求不是很高，基本上在 10V到 20V時(shí)即可控制 MOSFET 正常開關(guān)，所以選擇還是比較合適的。 *錯(cuò)誤 !未找到引用源。 直流電壓增益高 (約 100dB) 178。 共模輸入電壓 范圍寬，包括接地 178。 LM358 內(nèi)部包括有兩個(gè)獨(dú)立的、高增益、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)算放大器， 其中 U1A 作比較器，用于判斷電路中是不是存在電流過流的情況。 霍爾位置傳感器處理部分 霍爾位置傳感器 霍爾位置傳感器 具有穩(wěn)定、可靠，頻率響應(yīng)寬、體積小，結(jié)構(gòu)牢固，易于安裝等優(yōu)點(diǎn)，目前被廣泛應(yīng)用于無刷直流電動(dòng)機(jī)當(dāng)中。如果轉(zhuǎn)子充磁的極對(duì)數(shù)越多，則在 360176。其轉(zhuǎn)子與電機(jī)主轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，以指示電機(jī)主轉(zhuǎn)子的位置，既可以直接利用電動(dòng)機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子，也可以在轉(zhuǎn)軸其他位置上另外安裝永磁轉(zhuǎn)子。 從而起到對(duì) MOSFET 進(jìn)行保護(hù)的作用，避免了 MOSFET 上通過大電流燒毀的危險(xiǎn)。過流保護(hù)是控制器的最后防線，過流保護(hù)電阻用的是康銅絲，當(dāng)系統(tǒng)電流超過最大保護(hù)電流值時(shí)，康銅阻絲會(huì)燒斷，從而起到保護(hù)作用。 15V) 178。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)算放大器的場(chǎng)合。對(duì)于無刷直流電機(jī)控制器，由于輸入控制變量比較多，控制器可以利用各種輸入信號(hào)對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行靈活的保護(hù)，這些保護(hù)功能可以大大提高無刷直流電機(jī)控制器的可靠性。 主要特點(diǎn)： ? 輸出電流可達(dá) 1A ? 輸出電壓有： 5V ? 過熱保護(hù) ? 短路保護(hù) ? 輸出晶體管 SOA 保護(hù) 電源電路原理設(shè)計(jì)部分 圖 36 電源電路原理圖 電源電路輸出三路電壓，分別是 +48V電壓、 + +5V電壓。 常見的三端穩(wěn)壓集成電路 還 有正電壓輸出的 78 179。 輸出短路保護(hù)。當(dāng)317 穩(wěn)壓塊的輸出電流大于其最小穩(wěn)定工作電流時(shí)， 317 穩(wěn)壓塊就可以輸出穩(wěn)定的直流電壓。 電源電路設(shè)計(jì)部分 穩(wěn)壓芯片 LM317芯片 概述 LM317是應(yīng)用最為廣泛的電源集成電路之一，它不僅具有固定式三端穩(wěn)壓電路的最簡(jiǎn)單形式，又具備輸出電壓可調(diào)的特點(diǎn)。對(duì)電動(dòng)自行車用無刷直流電機(jī)來說，由于其只能采用電池形式的供電方式，而電池的能量總是越用越少，所以必須定時(shí)檢測(cè)電源的電壓以確定電池的剩余電量，以免使用電池過量而造成電池的使用壽命縮短。此類逆變電路中的主電路可將直流電壓（ +VCC）逆變?yōu)槿嘟涣鬏敵鲭妷?U、 V、 W，送給無刷電機(jī)。 圖 32 IR2103 引腳圖 引腳功能如下： 1 腳 VCC：邏 輯電源與低端電源電壓； 2 腳 HIN：高端邏輯輸入； 3 腳 LIN：低端邏輯輸入； 4 腳 COM：低端電源接地； 5 腳 LO：低端驅(qū)動(dòng)輸出電壓； 6 腳 VS：高端浮偏電源偏置電壓： 7 腳 HO：高端驅(qū)動(dòng)輸出電壓； 8 腳 VB：高端浮置電源電壓。當(dāng)處于脈寬調(diào)制工作方式時(shí)，可以在引腳輸出分 辨率高達(dá) 10 位的 PWM 信號(hào)。單片機(jī)收到此信號(hào)時(shí)產(chǎn)生中斷，關(guān)閉電機(jī)的輸出，從而保護(hù)重要器件不致?lián)p壞或故障不再擴(kuò)大。就是和三相電一樣，每個(gè)相位和前面的相位角相差 120176。 8：?jiǎn)纹瑱C(jī)電源地。正常時(shí)電壓應(yīng)在 3V 以上 4：模擬量輸入口：線性霍爾組成的手柄調(diào)速電壓輸入口，單片機(jī)根據(jù)此電壓高低來控制輸出給電機(jī)的總功率，從而達(dá)到調(diào)整速度的目的。 (5)功耗低 由于 PIC系列單片機(jī)采用的是 CMOS結(jié)構(gòu)，所以它的功率消耗很低。 并且 程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器采用 的是 不同的 總線 ，從而提供了較大的 存儲(chǔ)器帶寬 ，使數(shù)據(jù)的移動(dòng)和交換更加方便，尤其提供了較高的 數(shù)字信號(hào)處理 性能。它的最大特點(diǎn)是重視產(chǎn)品的性能和價(jià)格比，靠發(fā)展多種系列產(chǎn)品來滿足不同層次的應(yīng)用要求，而不是搞單純的功能堆積。一種具有分散作用（多任務(wù)）功能的 CPU。 ★ 運(yùn)行速度 ： 單片機(jī)的運(yùn)行速度首先看時(shí)鐘頻率，指令集，幾個(gè)時(shí)鐘為一個(gè)機(jī)器周期 在選用單片機(jī)時(shí)要根據(jù)需要選擇速度，不要片面追求高速度，單片機(jī)的穩(wěn)定性、抗干擾性等參數(shù)基本上是跟速度成反比的，另外速度快功耗也大。 單片機(jī)選擇 的 原則 有 ： ★ 性能 性能因素： 根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)的復(fù)雜程度 ，分析 采用 8位 的 單片機(jī)可以滿足系統(tǒng)的控制精度的 要求。 近幾年，國外一些大公司紛紛推出較 MCU 性能更加優(yōu)越的 DSP(數(shù)字信號(hào)處理器 )芯片電機(jī)控制器，如 ADI 公司的 ADMC3xx 系列， TI 公司的 TMS320C2xx 系列及 Motorola 公司的 DSP56F8xx 系列，都是由一個(gè)以 DSP為基礎(chǔ)的內(nèi)核，配以電機(jī)控制所需的外圍功能電路，集成在單一芯片內(nèi)，使體積縮小，結(jié)構(gòu)