【導(dǎo)讀】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。機(jī)正受到普遍的關(guān)注。快、效率高等特點(diǎn)，無(wú)刷直流電機(jī)的應(yīng)用也因此而迅速增長(zhǎng)。過(guò)軟件編程控制無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。

　　

【正文】 器輸出信號(hào)較大，一般不需要經(jīng)過(guò)放大便可直接驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管，但此輸出電壓是交流，必須先整流。由于這種傳感器過(guò)于笨重復(fù)雜，因而大大限制了其在普通條件下的應(yīng)用。 （ 3） 光電式位置傳感器 光電式位置傳感器由固定在定子上的幾個(gè)光電耦合開(kāi)關(guān)和固定在轉(zhuǎn)子軸上的遮光板所組成。幾個(gè)光電耦合開(kāi)關(guān)沿圓周均布，每只光 電耦合開(kāi)關(guān)由相互對(duì)著的紅外發(fā)光二極管和光敏三極管組成。遮光盤(pán)處于發(fā)光二極管和光 敏三極管中間，盤(pán)上開(kāi)有一定角度的窗口。紅外發(fā)光二極管通電后發(fā)出紅外光，當(dāng)遮光盤(pán)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(guò)放大后去驅(qū)動(dòng)逆變器開(kāi)關(guān)管。光電式位置傳感器輕便可靠，安裝精度高，抗干擾能力強(qiáng)，調(diào)整方便，因此獲得了廣泛的應(yīng)用。 30 近年來(lái)，無(wú)位置傳感器的永磁無(wú)刷直流電機(jī)發(fā)展比較快。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。當(dāng)電機(jī)體積較小、位置傳感 器 難以安裝時(shí)或電機(jī)工作在惡劣環(huán)境中以致于位置傳感器工作的可靠性難以保證時(shí)，這種無(wú)位置傳感器的永磁無(wú)刷直流電機(jī)更顯示出其獨(dú)特的優(yōu)越性。無(wú)位置傳感器的無(wú)刷直流電機(jī)的主要弱點(diǎn)是起動(dòng)轉(zhuǎn)矩比較低，一般只適用于空載或輕載條件下起動(dòng)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子采用永磁體勵(lì)磁時(shí)，永磁體 的強(qiáng)磁場(chǎng)使得電機(jī)在較低速度時(shí)就可以檢測(cè)到電樞繞組反電動(dòng)勢(shì)，在較低轉(zhuǎn) 速下實(shí)現(xiàn)電機(jī)的自同步運(yùn)行狀態(tài)切換，從而加快電機(jī)的起動(dòng)過(guò)程，實(shí)現(xiàn)寬的調(diào)速范圍。 2 霍爾器件在無(wú)刷直流電機(jī)中的應(yīng)用 當(dāng)霍爾傳感器用作無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息檢測(cè)裝置時(shí)，將其安放在電機(jī)定子的適 當(dāng)位置，霍爾器件的輸出與控制部分相連。當(dāng)無(wú)刷直流電機(jī)的永磁轉(zhuǎn)子經(jīng)過(guò)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)。當(dāng)轉(zhuǎn)子到下一位置時(shí)，前一位置的霍爾器件停止工作，下一位置的霍爾器件輸出電壓信號(hào)，控制部分使得對(duì)應(yīng)定子繞組通電，產(chǎn)生推斥場(chǎng)使轉(zhuǎn)子繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，如此循環(huán)，維持電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。 周邊保護(hù)電路 電流采樣及過(guò)電流保護(hù) 圖 313 電流 采樣及過(guò)流保護(hù) 圖 31 1 電流信號(hào) 電機(jī)主回路電流信號(hào)經(jīng)采樣電阻獲得。電流信號(hào)經(jīng)過(guò) 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。同時(shí)。電流采樣信號(hào)通過(guò) LM358與一固定電壓值比較，當(dāng)電壓的電流過(guò)大時(shí)， LM358輸出高 電平，送入 GAL16V8直接關(guān)斷輸出，進(jìn)行邏輯保護(hù)。 2 電流采樣 通常對(duì)電機(jī)三相電流進(jìn)行控制需要三個(gè)獨(dú)立的電流閉環(huán)，而永磁無(wú)刷直流電機(jī)采用兩相導(dǎo)通方式，即電機(jī)三相定子繞組在某一時(shí)刻只有兩相通電，導(dǎo)通的兩相繞組的電流大小相等，方向相反，因此任意時(shí)刻只需 控制一個(gè)電流量。 電流采樣方式可采取直接采樣兩相電流的方法或采樣直流母線電流的方法。對(duì)于永磁無(wú)刷直流電機(jī)多采用后一種方法。采樣直流母線電流有兩種方法，一種是在待測(cè)電路上串入一個(gè)小電阻，用小電阻上的壓降反映電流的大??；另一種是采用電流傳感器。在電流較大，或要求電隔離的情況下，可以采用磁場(chǎng)平衡式霍爾電流傳感器?？紤]到本控制系統(tǒng)的成本問(wèn)題，本系統(tǒng)采用第一種電流采樣方式。 3 過(guò)流保護(hù) 過(guò)流保護(hù)電路可以對(duì) MOSFET進(jìn)行保護(hù)，將最大電流控制在設(shè)定范圍內(nèi)，當(dāng)達(dá)到 閥值 時(shí)關(guān)閉電機(jī)，避免了 MOSFET上通過(guò)大電流燒毀的危險(xiǎn) 。過(guò)流保護(hù)是控制器的最后防線，過(guò)流保護(hù)電阻用的是康銅絲，當(dāng)系統(tǒng)電流超過(guò)最大保護(hù)電流值時(shí)，康銅絲會(huì)燒斷，從而起到保護(hù)作用。 圖 314 過(guò)流保護(hù)原理圖 LM358 雙運(yùn)放大電路 如圖 315所示 ， 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，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適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(wú)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(yùn)算放大器的場(chǎng)合。 32 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。當(dāng)電池電壓過(guò)低時(shí)給出欠壓信號(hào)，輸出截止，防止電池由于過(guò)放而損壞。 對(duì)于無(wú)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)完成相當(dāng)完善與靈活的保護(hù)，這些保護(hù)功能可以大大提高無(wú)刷直流電機(jī)控制器的可靠性。 電源電路 圖 317 電源電路圖 如圖 317所示， 36V電池送入 U1 U1 U15穩(wěn)壓器 輸出 +15V和 +5V給 PIC單片機(jī)和 IR2110供電。 33 第 4 章 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)軟件設(shè)計(jì) 直流無(wú)刷電機(jī)控制器程序的設(shè)計(jì)概況 該程序在設(shè)計(jì)的過(guò)程中 , 首先要上電復(fù)位 , 然后初始化時(shí)鐘和中斷源 , 再打開(kāi)中斷 , 當(dāng)檢測(cè)到轉(zhuǎn)把的輸人電壓時(shí) , 將該電壓經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換后按算法計(jì)算出 PWM的占空比輸出 PWM波。隨后采樣位置傳感器產(chǎn)生霍爾信號(hào) , 將該信號(hào)的狀態(tài)與電機(jī)固定的相位序列進(jìn)行比較 , 判斷電機(jī)的相位是否正確。若正確 , 輸出波 PWM, 否則 , 重新復(fù)位。欠壓檢測(cè)是根據(jù)需要設(shè)定欠壓值 , 然后采樣當(dāng)前電源電壓 , 若電壓低于設(shè)定值 ,則關(guān) 閉輸出 , 相反 , 則進(jìn)行限流保護(hù)檢測(cè)。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。在運(yùn)行的過(guò)程中應(yīng)時(shí)刻檢測(cè)是否有剎車信號(hào)輸人 , 若有剎車信號(hào)輸人 , 則關(guān)閉輸出。 系統(tǒng)各部分功能在軟件中的實(shí)現(xiàn) 1 驅(qū)動(dòng)控制 驅(qū)動(dòng)控制通過(guò)查表實(shí)現(xiàn)霍爾元件狀態(tài)到輸出狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。直流無(wú)刷電機(jī)的 3個(gè)霍爾元件組合起來(lái)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)。這 6個(gè)狀態(tài)對(duì)應(yīng)沒(méi)有明顯的簡(jiǎn)單數(shù)量關(guān)系 , 所以要實(shí)現(xiàn)映射 , 查表是最快捷的方式。若電機(jī)需要反轉(zhuǎn) , 只需增加一個(gè)反轉(zhuǎn)狀態(tài)表即可。正反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)只在于電流換相順序的不同 , 反映到程序中僅在查表處有區(qū)別 , 所以正反轉(zhuǎn)可共用一個(gè)驅(qū)動(dòng)程序。 2 啟動(dòng) 理論上講 , 轉(zhuǎn)子位置過(guò)磁場(chǎng)換相臨界點(diǎn)時(shí) , 電流換相的速度越快越好。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)。但是在電動(dòng)自行車控制場(chǎng)合 ,這樣的想法是沒(méi)有必要的。電動(dòng)自行車直流無(wú) 刷 電機(jī)的轉(zhuǎn)速相對(duì)來(lái)說(shuō)很低。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 ), 而其使用的小徑輪胎 , 則霍爾信號(hào)改變的時(shí)間為 。這個(gè)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于單片機(jī)主程序循環(huán)一周需要的時(shí)間 (約 ), 所以將霍爾元件信號(hào)狀態(tài)的檢測(cè)工作放在主程序中即可。這樣做的好處是可以減小中斷程序的執(zhí)行時(shí)間 , 程序運(yùn)行更加流暢。 34 3 PWM中斷時(shí)間控制 中斷時(shí)間的控制與定時(shí)器時(shí)間控制相似。定時(shí)器在每個(gè)時(shí)間周期增加 1。它在計(jì)數(shù)滿后復(fù)位到 00h重新開(kāi)始 , 同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)。若想控制定時(shí)器定時(shí)時(shí)間 , 可以在其中斷程序里面將定時(shí)器置數(shù) , 定時(shí)器便從這個(gè)數(shù)開(kāi)始計(jì)數(shù)直到溢出。這樣定時(shí)時(shí)間可以由這個(gè)寫(xiě)入定時(shí)器寄存器的 數(shù)值控制。須注意對(duì)有的定時(shí)器計(jì)數(shù)值寄存器寫(xiě)的時(shí)候 , 會(huì)把預(yù)分頻值清除 , 因此必須在寫(xiě)計(jì)數(shù)值的同時(shí)重新寫(xiě)預(yù)分頻值 控制字。 PWM中斷的發(fā)生與定時(shí)器不同的是 :它的發(fā)生不是由于定時(shí)器溢出 , 而是由于定時(shí)器 TIMER2與 PWM周期寄存器 PR2值相等。因此 , 要在中斷程序中控制下次 PWM中斷的時(shí)間有兩個(gè)方法 :一是改變 PR2值 , 一是對(duì) TIMER2置數(shù) , 改變其初始值。值得注意的是 :改變 TIMER2會(huì)連帶將其預(yù)分頻值改變?yōu)槟J(rèn)值 , 因此需要同時(shí)修改預(yù)分頻值才能達(dá)到預(yù)想的效果。 4 剎車控制 剎車控制在主程序里面 , 主程 序時(shí)刻檢測(cè)剎車信號(hào) , 當(dāng)有剎車信號(hào) , 關(guān)斷波的輸出若沒(méi)有剎車信號(hào) , 根據(jù)轉(zhuǎn)把輸入的電壓 , 控制波的輸出。 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(lái)綜合判斷。 6 PWM脈寬時(shí)間算法 PWM周期和占空比計(jì)算公式為 : PWM周期 =[(PR2)+l]*4*TOSC*(TMR2預(yù)分頻值 )， TOSC為晶振周期 : PWM占空比 =(CCPRIL:CCPICON5:4)*TOSC*(TMR2預(yù)分頻值 )。 軟件流程圖 系統(tǒng)軟件按順序掃描控制的 模式編制。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(xiě)入控制值。三相位置輸入信號(hào)經(jīng)簡(jiǎn)單查表運(yùn)算產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的輸出邏輯。剎車信號(hào)、過(guò)流信號(hào)和欠壓信號(hào)順次讀入，并進(jìn)行相應(yīng)處理。 35 Y N Y N Y N 圖 41 軟件流程圖 開(kāi)始 初始化 剎 車？ 工 作 模 式 設(shè) 置 欠 壓 ？ 過(guò) 流 ？ 讀 入 位 置 信 號(hào) 計(jì) 算 脈 沖 寬 度 輸 出 PWM 波 顯 示 輸 出 36 結(jié)束語(yǔ) 本文在廣泛查閱資料，了解無(wú)刷直流電機(jī)特性的基礎(chǔ)上，對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的控制原理進(jìn)行了的研究，設(shè)計(jì)了一款 簡(jiǎn)單 電動(dòng)自行車用無(wú)刷直流電機(jī)控制器。 本文所設(shè)計(jì)的基于 PIC單片機(jī)的無(wú)刷直流電機(jī)控制器具有硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、保護(hù)功能完善、軟件采用模塊化設(shè)計(jì)易于用戶二次開(kāi)發(fā) 等特點(diǎn)。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(guò)流保護(hù) ； (3)設(shè)計(jì)了逆變器驅(qū)動(dòng)電路 、 硬件過(guò)流保護(hù)電路，提高系統(tǒng)的可靠性 。 由于時(shí)間與能力有限，本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)還有待于進(jìn)一步的改進(jìn)，比 如可采用無(wú)位置傳感器的控制方法，利用軟件檢測(cè)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)，從而省去位置傳感器，降低硬件成本，提高可靠性 。還可采用專用控制芯片和單片機(jī)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)的控制，使系統(tǒng)具有更好的靈 活性和穩(wěn)定性。 37 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(wú)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。盡管他帶工程實(shí)踐，工作很忙，但他也抽出自己空余的時(shí)間輔導(dǎo)我們，對(duì)我們所問(wèn)的問(wèn)題均一一細(xì)致的解答。 謝謝胡 家龍 老師！ 38 參考文獻(xiàn) 1 王益全 .電動(dòng)機(jī)原理與實(shí)用技術(shù) .北京 :科學(xué)出版社 ， 2021 2 李鐘明 ,劉衛(wèi)國(guó) .稀土永磁電機(jī) .第一版 .北京 :國(guó)防工業(yè)出版社 ， 1999 3 唐蘇亞 .電動(dòng)車輛及其電機(jī)的發(fā)展概況 .電機(jī)技術(shù) ， 1996 4 陳清泉，詹宜巨 .21世紀(jì)的綠色交通工具一電動(dòng)車 .北京 :清華大學(xué)出版社，廣州 :暨南大學(xué)出版社 ， 2021 5 唐蘇亞 .我國(guó)電動(dòng)自行車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀 .電機(jī)技術(shù) ， 2021 6 周志新 .電動(dòng)自行車結(jié)構(gòu)與維修 .江蘇 :江蘇科學(xué)技術(shù)出版社 ， 2021 7 張深 .直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)原理與其應(yīng)用 .機(jī)械工業(yè)出版社 ， 1996 8 韋敏，季小尹 .MC33035在直流無(wú)刷電機(jī)控制中的應(yīng)用 .電工技術(shù)雜志 ， 2021 9 盧靜，陳非凡，張高飛等 .基于單片機(jī)的無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) .北京機(jī)械工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào) ， 2021 10 梁正峰，王磊 .電 動(dòng)自行車用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)研究 .電氣傳動(dòng)自動(dòng)化 ， 2021 11 陳鋼，劉剛 .電動(dòng)自行車變頻調(diào)速的研究 .湖北工學(xué)院學(xué)報(bào) 12 曹建平 .電動(dòng)自行車調(diào)速控制電路的研究 .電子工程師 ， 2021 13 謝運(yùn)祥 ,歐陽(yáng)森 .電力電子單片機(jī)控制技術(shù) .