【正文】 ，20005 ，2004 6 :江蘇科學(xué)技術(shù)出版社，20017 ，19968 韋敏，20049 盧靜，陳非凡，200210 梁正峰，200411 陳鋼，12 ，200013 謝運(yùn)祥,. 機(jī)械工業(yè)出版社，200714 ，200715 許大中,，200216 王成元,夏加寬,楊俊友,，200617 姚國(guó)強(qiáng),錢(qián)銳,. 辭學(xué)出版社，200618 . 機(jī)械工業(yè)出版社，200419 [日]，200620 黃俊,. 機(jī)械工業(yè)出版社，200421 余永權(quán),汪明慧, ，200322 ，199623 ，199724 張立,．北京機(jī)械工業(yè)出版社，199525 余永權(quán),李小青,. 北京航空航天大學(xué)出版社,199126 李志民,199527 ．北京機(jī)械工業(yè)出版社,2004附錄1Brushless DC (BLDC) Motor FundamentalsBrushless Direct Current (BLDC) motors are one of the motor types rapidly gaining popularity. BLDC motors are used in industries such as Appliances, Automotive,Aerospace, Consumer, Medical, Industrial Automation quipment and the name implies, BLDC motors do not use brushesfor mutation。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。 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。 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)。剎車(chē)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。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。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)。4 剎車(chē)控制剎車(chē)控制在主程序里面, 主程序時(shí)刻檢測(cè)剎車(chē)信號(hào), 當(dāng)有剎車(chē)信號(hào), 關(guān)斷波的輸出若沒(méi)有剎車(chē)信號(hào), 根據(jù)轉(zhuǎn)把輸入的電壓, 控制波的輸出。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。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。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。定時(shí)器在每個(gè)時(shí)間周期增加1。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。設(shè)電動(dòng)自行車(chē)運(yùn)行在最高速20km/s(這是國(guó)家法律規(guī)定的速度限制), , 。但是在電動(dòng)自行車(chē)控制場(chǎng)合,這樣的想法是沒(méi)有必要的。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。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。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)。在運(yùn)行的過(guò)程中應(yīng)時(shí)刻檢測(cè)是否有剎車(chē)信號(hào)輸人, 若有剎車(chē)信號(hào)輸人, 則關(guān)閉輸出。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)。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。 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。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。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。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?？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。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。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。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)。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。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)。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。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)。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。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。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。（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。電磁式位置傳感器輸出信號(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。電機(jī)運(yùn)行時(shí)，輸入繞組中通以高頻激磁電流，當(dāng)轉(zhuǎn)子扇形磁芯處在輸出繞組下面時(shí)，輸入和輸出繞組通過(guò)定、轉(zhuǎn)子磁芯耦合，輸出繞組中則感應(yīng)出高頻信號(hào)，經(jīng)濾波整形和邏輯處理后，即可控制逆變器工作。圖312 霍爾元件式位置傳感器結(jié)構(gòu)（2）電磁式位置傳感器電磁式位置傳感器的定子由磁芯、高頻激磁繞組和輸出繞組組成。如圖312所示，霍爾元件式位置傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格低、可靠，但對(duì)工作溫度有一定要求，同時(shí)霍爾元件應(yīng)靠近傳感器的永磁體，否則輸出信號(hào)電平太低，不能正常工作。電角的矩形波信號(hào)。這樣，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，三個(gè)霍爾元件便交替輸出三個(gè)寬度為180176。電角度，永磁體的極弧寬度為180176。第一種方式是將霍爾元件粘貼于電機(jī)端蓋內(nèi)表面，靠近霍爾元件并與之有一小間隙處，安裝在與電機(jī)軸同軸的永磁體。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(wú)信號(hào)。其中最常用的有以下幾種：（1）霍爾元件式位置傳感器霍爾元件式位置傳感器是磁敏式位置傳感器的一種。轉(zhuǎn)子位置傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)為：輸出信號(hào)的幅值、精度，響應(yīng)速度，工作溫度，抗干擾能力，損耗，體積重量，安裝方便性以及可靠性等。它對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行檢測(cè)，其輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)邏輯變換后去控制開(kāi)關(guān)管的通斷，使電機(jī)定子各相繞組按順序?qū)?，保證電機(jī)連續(xù)工作。此外，其工作溫度范圍寬，可達(dá)55 0C~150oC?；魻柶骷哂性S多優(yōu)點(diǎn)，它們的體積小，重量輕，壽命長(zhǎng)，安裝方便，功耗小，頻率高(可達(dá)1 MHz) ,耐震動(dòng)，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。按照霍爾器件的功能可將它們分為:霍爾線性器件和霍爾開(kāi)關(guān)器件。GAL16V8主要是把驅(qū)動(dòng)順序信號(hào)和帶有各種控制信息的脈寬調(diào)制PWM信號(hào)綜合成六個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)。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。 QA－QH :輸出端。 引出端符號(hào) CLOCK ：時(shí)鐘輸入端。當(dāng) A、B 任意一個(gè)為低電平，則禁止新數(shù)據(jù)輸入，在時(shí)鐘端（CLOCK）脈沖上升沿作用下輸出為低電平。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。 顯示電路本系統(tǒng)采用3個(gè)發(fā)光二極管作為面板指示燈，如圖所示。同時(shí)也有少數(shù)高檔車(chē)采用霍爾元件做開(kāi)關(guān)，剎車(chē)時(shí)輸出高電平給控制器，實(shí)現(xiàn)剎車(chē)斷電功能，即高電位剎車(chē)，也稱(chēng)之為電子剎把。因而，既保護(hù)了功率管本身，又保護(hù)了電動(dòng)機(jī)，也防止了電源的浪費(fèi)。2 剎車(chē)圖38 剎車(chē)圖電動(dòng)自行車(chē)標(biāo)準(zhǔn)要求電動(dòng)車(chē)在剎車(chē)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。如圖37所示，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)把，改變了霍耳元件周?chē)拇艌?chǎng)強(qiáng)度，也就改變了霍耳轉(zhuǎn)把的輸出電壓。 時(shí)鐘電路 如圖35所示，單片機(jī)的10腳外接16Mhz晶體。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)。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。掉電保護(hù)電路 內(nèi)置自振式(RC振蕩)看門(mén)狗 振蕩定時(shí)器，保障振蕩的穩(wěn)定建立 內(nèi)置上電復(fù)位電路(POR) 16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器TMR 1，睡眠中仍可計(jì)數(shù) 8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器TMRO，帶8位預(yù)分頻 每個(gè)I/O引腳最大拉電流25mA 帶8位AID轉(zhuǎn)換輸入 （3）OSCOSC2：為振蕩器晶振。電池欠壓信號(hào)：電池電壓經(jīng)分壓后接單片機(jī)管腳3。其中MCLR為低電平時(shí)，對(duì)芯片復(fù)位；該管腳的電壓不能超過(guò)VDD，否則會(huì)進(jìn)入測(cè)試方式。(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(lèi)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。(7)同步串行數(shù)據(jù)傳送方式可以滿足主控/從動(dòng)和主控總線要求。(5)功耗低 由于PIC系列單片機(jī)采用CMOS結(jié)構(gòu)，使其功率消耗極低。PICF877單片機(jī)指令集系統(tǒng)只有35條指令，全部采用單字節(jié)指令，而且除4條判斷轉(zhuǎn)移指令發(fā)生間跳外，均為單周期指令，執(zhí)行速度較高。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)。就實(shí)際而言，不同的應(yīng)用對(duì)單片機(jī)功能和資源的需求也是不同的。PIC系列單片機(jī)具有高，中，低3個(gè)檔次，可以滿足不同用戶開(kāi)發(fā)的需求，適合在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用。產(chǎn)品采用全新的流水線結(jié)構(gòu)，單字節(jié)指令體系，嵌入Flash以及10位A/D轉(zhuǎn)換器。 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。(3)價(jià)格因素。(2)安全因素。由于整個(gè)系統(tǒng)有多種模擬參數(shù)需要轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，因此選用的單片機(jī)應(yīng)該有多通道A/D轉(zhuǎn)換模塊。單片機(jī)選擇依據(jù)：(1)性能因素。 單片機(jī)的選擇目前，市場(chǎng)上有很多無(wú)刷電機(jī)專(zhuān)用控制芯片，大部分電動(dòng)車(chē)生產(chǎn)廠商采用Motorola公司的MC3303無(wú)刷電機(jī)專(zhuān)用控制芯片，它具有無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)所需要的基本功能。由于每個(gè)高電壓DMOS電平轉(zhuǎn)換器僅在 很狹窄的脈沖持續(xù)期內(nèi)才導(dǎo)通，所以功率很低。當(dāng)Vs為500V或接近500V時(shí)，高端功率MOSFET關(guān)斷。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)。同樣，當(dāng)VBS低于規(guī)定的欠電壓點(diǎn)時(shí)，欠電壓檢測(cè)電路也會(huì)使高端輸出中斷。當(dāng)SD輸入高電平時(shí)兩路均關(guān)閉。邏輯電路為兩路輸出提供相應(yīng)的控制脈沖。 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。兩路通道均帶有滯后欠壓鎖定功能。采用CMOS 施密特觸發(fā)輸入,以提高電路抗干擾能力。 (2) IR2110 主要功能及技術(shù)參數(shù)IR2110 采用CMOS 工藝制作,邏輯電源電壓范圍為5 V～20 V ,適應(yīng)TTL 或CMOS 邏輯信號(hào)輸入,具有獨(dú)立的高端和低端2 個(gè)輸出通道。，通過(guò)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(guò)以上計(jì)算，可得出選擇的MOSFET峰值電流為25A,峰值電壓為50V。電 力 MOSFET開(kāi)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