【導(dǎo)讀】刷直流電動機控制器的電路控制。整個系統(tǒng)主要包括硬件電路設(shè)計部。分和軟件程序設(shè)計部分。設(shè)計和保護電路的設(shè)計、逆變電路設(shè)計、電源電路設(shè)計。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。電機具有更加持久的生命力。經(jīng)實驗驗證，本設(shè)計方案具有很好的。運行可靠、維護方便等優(yōu)點。對無刷直流電機在后續(xù)的研究工作中有。一定的借鑒意義。動機在控制系統(tǒng)中的進一步應(yīng)用。為了克服機械換相帶來的缺點，以電子開關(guān)線。大、動態(tài)性能好等特點而得到了廣泛應(yīng)用。無刷直流電動機可作為一般直流電動。航天技術(shù)、數(shù)控裝置、醫(yī)療化工等高新技術(shù)領(lǐng)域。無刷直流電動機將電子線路與?？斓陌l(fā)展［1］。優(yōu)點，而最早被應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，在運動控制領(lǐng)域中占據(jù)主導(dǎo)地位。為了取代有刷直流電機的機械換向裝置，人們進行了長期的探索。直流電動機的廣泛應(yīng)用奠定了堅實的基礎(chǔ)。但無刷直流電機真正進入實用階段是

　　

【正文】 括直流電源模塊、調(diào)速與剎車輸入模塊、功率驅(qū)動模塊（即逆變橋驅(qū)動電路 ，其主要功能是驅(qū)動功率MOSFET 管控制電機電流 ）、功率輸出模塊（即逆變橋電路）、 智能控制模塊（以PIC16F72 單片機為 主控電路，其主要功能是完成電機的起動、換相、調(diào)速、制動等控制并實現(xiàn)對電機、電池的保護 ）；以及包活霍爾 位置信號處理電路、電流信號處理電路以及一些外圍保護、輔助電路，其主要功能有完成對信號的采樣、對電路的供電、提供顯示信號、發(fā)出報警信號等功能。 無刷直流電機控制器原理框圖如圖 35 所示： P I C1 6 F7 2單片機霍 爾位 置檢 測電 流檢 測無 刷直 流電 機主 體逆 變 橋 驅(qū) 動 電路逆 變 橋 電 路電源電 壓 供 應(yīng)5 V電 壓 檢 測調(diào) 速 與 剎車 信 號 圖 35 無刷直流電機控制器原理框圖 直流電源模塊經(jīng)過一系列的變壓轉(zhuǎn)換，能輸出一系列不同的電壓值，為整機的不同模塊提供 合適的電壓值和電流值，是整機的動力來源。對電動自行車用無刷直流電機來說，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，所以必須定時檢測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。 調(diào)速和剎車輸入模塊主要是實現(xiàn)電機的調(diào)速輸入。它的實現(xiàn)方式為通過輸出電位器的電壓變化來表示此時電機的輸出速度應(yīng)該做的增減調(diào)整，為后面所提及的 PWM 調(diào)速原理提供依據(jù)。 逆變橋驅(qū)動模塊 在 接收到智能控制系統(tǒng) 所 提供的換相 信號 以及調(diào)速信號后，通過一系列的 模數(shù) 轉(zhuǎn)換，使 電機 控制器輸出的信號轉(zhuǎn)換成相 對 應(yīng)的 控制逆變橋電路動作的驅(qū)動信號，從而 以 達到正確控制逆變橋 電路 動作的目的。 逆變橋電路根據(jù)逆變橋電路的驅(qū)動信號使各個 MOSFET 晶體管 做相應(yīng)的開關(guān)動作，為無刷 直流 電機提供 動作 能量， 以 驅(qū)動 無刷直流 電機做加速、減速、勻速、制動等一系列 的 動作。 智能控制模塊是 控制器的 核心 部分 。一方面，控制模塊接收來自無刷電機的霍爾傳感器發(fā)送 過來 的位置信號，并經(jīng)過一系列算法的處理 后 向逆變橋電路輸出換相的波形，使電機能正常運轉(zhuǎn)；另一方面，控制模塊通過對調(diào)速和剎車信號的 采 集來確定電機的預(yù)定轉(zhuǎn)速，同時根據(jù)實時采集的霍爾位置信號 來 確定預(yù)定速度 和實際速度 之間 的差值。然后采集逆變橋電流，在電機的電流沒有超出最大電流的前提下，控制模塊通過調(diào)節(jié) PWM 波的占空比以達到速度調(diào)節(jié)的目的；同時，控制模塊還要采集電源電壓的信號 ，確保電源沒有工作在欠壓狀態(tài)。 電源電路設(shè)計部分 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)壓電路的最簡單形式，又具備輸出電壓可調(diào)的特點。此外，還具有調(diào)壓范圍寬、穩(wěn)壓性能好、噪聲低、紋波抑制比高等優(yōu)點 。穩(wěn)壓電源的輸出電壓可用下式計算， Vo=（ 1+R2/R1）。僅僅從公式本身看， R R2 的電阻值可以隨意設(shè)定。然而作為穩(wěn)壓電源的輸出電壓計算公式， R1 和 R2 的阻值是不能隨意設(shè)定的。 首先 317 穩(wěn)壓塊的輸出電壓變化范圍是 Vo=— 37V（高輸出電壓的 317穩(wěn)壓塊，其輸出電壓變化范圍是 Vo=— 45V），所以 R2/R1 的比值范圍只能是 0— 。 其次是 317 穩(wěn)壓塊都有一個最小穩(wěn)定工作電流，一般為 。 但 當 317穩(wěn)壓塊的輸出電流小于其最小穩(wěn)定工作電流時， 317 穩(wěn)壓塊就不能正常工作。當317 穩(wěn)壓塊的輸出電流大于其最小穩(wěn)定工作電流時， 317 穩(wěn)壓塊就可以輸出穩(wěn)定的直流電壓。如果用 317 穩(wěn)壓塊制作穩(wěn)壓電源時，沒有注意 317 穩(wěn)壓塊的最小穩(wěn)定工作電流，那么你制作的穩(wěn)壓電源可能會出現(xiàn)下述不正常現(xiàn)象：穩(wěn)壓電源輸出的有載電壓和空載電壓差別較大。 LM317 有三個管腳， 第一引腳，為電壓調(diào)節(jié)腳； 第二引腳，為電壓輸出腳； 第三引腳，為電壓輸入腳。 LM317 特性 ： 可調(diào)整輸出電壓低到 。 保證 輸出電流。 典型線性調(diào)整率 %。 典型負載調(diào)整率 %。 80dB 紋波抑制比。 輸出短路保護。 過流、過熱保護。 調(diào)整管安全工作區(qū)保護。 標準三端晶體管封裝。 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。內(nèi)含過流、過熱和過載保護電路。帶散熱片時，輸出電流可達 1A。雖然是固定穩(wěn)壓電路，但使用外接元件，可獲得不同的電壓和電流。 常見的三端穩(wěn)壓集成電路 還 有正電壓輸出的 78 179。179。 系列和負電壓輸出的 79179。179。 系列。有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。用 78/79 系列三端穩(wěn)壓 IC 來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及 調(diào)整管的保護電路，使用起來可靠、方便，而且價格便宜。該系列集成穩(wěn)壓 IC 型號中的 78 或 79 后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓， 7805 引腳圖 7805 有三個管腳 ： 引腳 1：電壓輸入； 引腳 2：接地線端； 引腳 3：電壓輸出。 主要特點： ? 輸出電流可達 1A ? 輸出電壓有： 5V ? 過熱保護 ? 短路保護 ? 輸出晶體管 SOA 保護 電源電路原理設(shè)計部分 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。 第一路為電池的電壓，輸出電壓為 +48V，主要為逆變器供電，具體連接見功率驅(qū)動 MOSFET 部分。 第二路輸出 +，主要供給 MOSFET 作開通電壓用，其實現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換的原理是通過 LM317 電壓穩(wěn)壓器 與 R R4 組合輸出電壓， 輸出電壓可用下式計算： Vo=*（ 1+R2/R1） (31)。 通過計算可得，第二路電源電壓約為 。由于驅(qū)動電路對第二路電源的要求不是很高，基本上在 10V到 20V時即可控制 MOSFET 正常開關(guān)，所以選擇還是比較合適的。 LM317 的輸入和輸出 電壓不能超過 60V，所以要在輸入端串接 R1以達到壓降的作用在此， R2 的作用一方面是爭取更多的電流以驅(qū)動負載，另一方面則分擔(dān)了 LM317 的一部分功耗。 第三路輸出 +5V 電壓，由 7805 提供，它一方面要為智能控制系統(tǒng)提供電源電壓，另一方面是作為 AD 轉(zhuǎn)換的基準電壓值，所以對這路電壓精度的要求比較搞，一般要讓其波動電壓范圍穩(wěn)定在 ~， 7805 芯片能滿足這個要求。 電源電壓檢測信號處理部分 圖 37 電壓檢測電路 電源電壓檢測信號處理部分如上圖 37 所示， 電壓檢測的基本實現(xiàn)方式是利用電阻的分壓原理使進入 A/D 轉(zhuǎn)換的電壓值能處在 5V以內(nèi)，并且電壓值的變化與外部電源電壓的變化成正比，從而能很好地監(jiān)視電源電壓的變化， 當電源電壓過低時給出欠壓信號，輸出截止，防止電池由于過放而損壞。對于無刷直流電機控制器，由于輸入控制變量比較多，控制器可以利用各種輸入信號對控制系統(tǒng)進行靈活的保護，這些保護功能可以大大提高無刷直流電機控制器的可靠性。也 保證電壓供應(yīng)不發(fā)生異常。 + 487K 5R217K 5R231K 2R24104C382K 2R55V _T EST在右圖中，輸入單片機 A/D 轉(zhuǎn)換的電壓值為 錯誤 !未找到引用源。 (32) 由上式計算得： 錯誤 !未找到引用源。 *錯誤 !未找到引用源。 ，這樣 A/D 模塊能識別的最高電壓就達到了 60V 左右，即使有時因電壓不穩(wěn)而產(chǎn)生較大躍變時A/D 轉(zhuǎn)換模塊也能很快的覺察出來。 電流檢測信號和處理部分 雙運算放大器 LM358 芯片簡介 LM358 內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)?雙運算放大器 ，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用， 而且 也適合用于雙電源工作模式。在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。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算放大器的場合。 引腳圖如下所示： LM358 引腳圖 LM358 引腳功能 ： 引腳 1：運放輸出端 1； 引腳 2： 運放反向輸入端 1； 引腳 3： 運放正向輸入端 1； 引腳 4：接地； 引腳 5： 運放正向輸入端 2； 引腳 6： 運放反向輸入端 2； 引腳 7：運放輸出端 2； 引腳 8：供電。 LM358 特性 178。 內(nèi)部頻率補償 178。 直流電壓增益高 (約 100dB) 178。 單位增益頻帶寬 (約 1MHz) 178。 電源電壓范圍寬：單電源 (3— 30V)； 雙電源 (177。 一177。 15V) 178。 低功耗電流，適合于電池供電 178。 低輸入偏流 178。 低輸入失調(diào)電壓和 失調(diào)電流 178。 共模輸入電壓 范圍寬，包括接地 178。 差模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍 178。 輸出電壓擺幅大 (0 至 ) 電流檢測和過流保護電路部分 電 流檢測電路的實現(xiàn)在電流環(huán)的控制電路中，電流放大器通常選擇較大的增益，其好處是可以選擇一個較小的電阻來獲得足夠的檢測電壓，而檢測電阻小損耗也小。 電路中發(fā)生短路故障時，電流會突然增大，造成電壓也突然下降，這時就需要 過流保護 來 對 MOSFET 進行保護，將最大電流控制 在設(shè)定范圍內(nèi)，當達到閥值時關(guān)閉電機，避免了 MOSFET 上通過大電流燒毀的危險。過流保護是控制器的最后防線，過流保護電阻用的是康銅絲，當系統(tǒng)電流超過最大保護電流值時，康銅阻絲會燒斷，從而起到保護作用。 它們組成的電路原理圖如圖 38 所示： 圖 38 電流檢測和過流保護電路 在圖 38 中， R45 是康銅電阻，充當 過流保護電阻， 所以檢測電流就是通過采用康銅電阻 R45 來實現(xiàn)的。電阻 R45 安裝在功率驅(qū)動橋的下端與功放板地線之間，這樣通過無刷直流電機的電流最終是要經(jīng)過電阻 R45 接地的。因此，根據(jù)歐姆定律，我們只要 知道電阻 R45 兩端的電壓，就可以知道它的相電流了。 LM358 內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器， 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。由圖 38 可知，以 雙運算放大器 LM358 的 引腳 3 作為基準電壓的輸入，可以計算出，它的基準電壓為 錯誤 !未找到引用源。 =。在正常的情況下，輸出引腳 1 處于高電平狀態(tài)，當出現(xiàn)過流的現(xiàn)象時，康銅電阻 R45 輸出的電壓增大，輸入引腳 2 的電壓 將大于基準電壓，這時輸出引腳 1 將翻轉(zhuǎn)到低電平狀態(tài)，由此給單片機一個過流保護中斷，促使單片機 做過流保護的相關(guān)工作。 從而起到對 MOSFET 進行保護的作用，避免了 MOSFET 上通過大電流燒毀的危險。 另外以雙運算放大器 LM358 的 U1B 作為放大器用，其放大的倍數(shù)是 倍。選擇的放大倍數(shù)較小的原因有兩個： 1） LM358 的頻率響應(yīng)不夠高，而 PWM 波形的頻率是 15KHz，如果放大倍數(shù)比較大的話，那么其電流響應(yīng)將變成梯形波，不利于電流信號的采集； 2） 輸出的電流信號雜波太多，尤其在起動的時候，電流值的波動非常大，如果放大倍數(shù)選得太大的話，有可能引起誤判。綜上所述，選擇 倍雖然在電流大小的放大精度上有一定的影響 ，但不過都在允許的范圍之內(nèi)。 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，目前被廣泛應(yīng)用于無刷直流電動機當中。 霍爾位置傳感器 在無刷直流電動機中起著檢測轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為功率開關(guān)電路提供正確的換相信息，即將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)位置信號處理電路處理后控制定子繞組換相。由于功率開關(guān)的導(dǎo)通順序與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步，因而霍爾位置傳感器與功率開關(guān)一起，起著與傳統(tǒng)有刷直流電機的機械換向器和電刷相類似的 作用。 霍爾位置傳感器的基本結(jié)構(gòu)和電動機本體一樣，也是由靜止部分和運動部分組成，即位置傳感器定子和位置傳感器轉(zhuǎn)子。其轉(zhuǎn)子與電機主轉(zhuǎn)子一同旋轉(zhuǎn)，以指示電機主轉(zhuǎn)子的位置，既可以直接利用電動機的永磁轉(zhuǎn)子，也可以在轉(zhuǎn)軸其他位置上另外安裝永磁轉(zhuǎn)子。定子是由若干個霍爾元件，按一定的間隔，等距離地安裝在傳感器定子上，以檢測電機轉(zhuǎn)子的位置?；魻栁恢脗鞲衅鞯慕Y(jié)構(gòu)如圖 10 所示： 圖 10 霍爾位置傳感器結(jié)構(gòu)示意圖 霍爾 位置傳感器的基本功能是在電動機的每一個電周期內(nèi)，產(chǎn)生出所要求的開關(guān)狀態(tài)數(shù)。也就是說電動機傳感器的永磁轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過一對磁極（ N、 S 極）的轉(zhuǎn)角，就要產(chǎn)生出與電機邏輯分配狀態(tài)相對應(yīng)的開關(guān)狀態(tài)數(shù)，以完成電動機的一個換流全過程。如果轉(zhuǎn)子充磁的極對數(shù)越多，則在 360176。機械角度內(nèi)完成該換流全過程的次數(shù)也就越多。 霍爾位置傳感器信號處理部分 霍爾位置傳感器信號處理部分