摘要：本文根據(jù)項(xiàng)目參數(shù)要求，采用Microchip公司的PIC16F72單片機(jī)作為控制芯片，在硬件方面，進(jìn)行了電源電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)硬件保護(hù)電路設(shè)計(jì)、三相全橋逆變電路設(shè)計(jì)、逆變器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。在軟件方面利用匯編語(yǔ)言，采用模塊化編程和結(jié)構(gòu)化編程。根據(jù)無(wú)刷直流電機(jī)的控制原理，對(duì)系統(tǒng)的控制部分進(jìn)行了詳細(xì)分析。利用數(shù)字PI控制理論實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的閉環(huán)調(diào)制。在系統(tǒng)可靠性方面:設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的欠壓、過(guò)流和堵轉(zhuǎn)保護(hù)。本文還對(duì)影響控制器和單片機(jī)系統(tǒng)可靠性的因素進(jìn)行了分析，并且給出了解決方案.本文所設(shè)計(jì)的無(wú)刷電機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)、定速、助力三種工作模式并且在系統(tǒng)出錯(cuò)情況下具有自檢功能。保護(hù)功能較完善、硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低，具有升級(jí)空間，便于用戶二次開(kāi)發(fā)。

0前言

    80年代初，無(wú)刷直流電機(jī)進(jìn)入了實(shí)用階段，方波和正弦波無(wú)刷直流電機(jī)先后研究成功。“無(wú)刷直流電機(jī)”的概念已由最初的具有電子換相器的直流電機(jī)發(fā)展到泛指一切具有傳統(tǒng)直流電機(jī)外部特性的電子換相電機(jī)。現(xiàn)今，無(wú)刷直流電機(jī)集電機(jī)、變速機(jī)構(gòu)、檢測(cè)元件、控制軟件和硬件于一體，形成為新一代的電動(dòng)調(diào)速系統(tǒng)。無(wú)刷直流電機(jī)具有最優(yōu)越的調(diào)速性能，主要表現(xiàn)在:調(diào)速方便(可無(wú)級(jí)調(diào)速)，調(diào)速范圍寬，低速性能好(啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)電流小)，運(yùn)行平穩(wěn)，噪音低，效率高，應(yīng)用場(chǎng)合從工業(yè)到民用極其廣泛。如電動(dòng)自行車、電動(dòng)汽車、電梯、抽油煙機(jī)、豆?jié){機(jī)、小型清污機(jī)、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等等.由于無(wú)刷直流電機(jī)具有這些優(yōu)點(diǎn)，因此在2004年的國(guó)際電機(jī)會(huì)議上提出了有刷電機(jī)將被無(wú)刷電機(jī)取代這一發(fā)展趨勢(shì)。美、日、英、德在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了以無(wú)刷直流電機(jī)代替有刷電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)換。

    美國(guó)福特公司率先把無(wú)刷直流電機(jī)應(yīng)用于汽車20世紀(jì)80年代以來(lái)，隨著微機(jī)控制技術(shù)的快速發(fā)展，出現(xiàn)了各種稱為無(wú)位置傳感器控制技術(shù)的方法，是當(dāng)代無(wú)刷直流電機(jī)控制研究的熱點(diǎn)之一。各國(guó)知名半導(dǎo)體公司如Allegro,Philips,MicroLinear,Toshiba等，先后推出了許多無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)傳感器控制集成電路。

    2004年12月我國(guó)電機(jī)制造業(yè)共1167家生產(chǎn)企業(yè)，全部從業(yè)人員388282人，資產(chǎn)972億。我國(guó)生產(chǎn)的微特電機(jī)己經(jīng)占世界60%以上，目前是全球最大的永磁體(生產(chǎn)無(wú)無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)刷電機(jī)的主要原材料)生產(chǎn)供應(yīng)基地，中國(guó)還將會(huì)成為全球最大的無(wú)刷電機(jī)生產(chǎn)國(guó)。隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，車用小功率電機(jī)的需求增長(zhǎng)帶動(dòng)了以永磁無(wú)刷直流電機(jī)為主體的車用小功率電機(jī)的興起，我國(guó)正在成為世界電動(dòng)汽車制造業(yè)的主要供應(yīng)商。

    稀土永磁無(wú)刷直流電機(jī)是近20年發(fā)展起來(lái)的一類電機(jī)，電力電子技術(shù)，微電子技術(shù)、微機(jī)和稀土永磁材料的發(fā)展為無(wú)刷直流電機(jī)的研究奠定了基礎(chǔ)。目前無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展已經(jīng)和大功率開(kāi)關(guān)器件、專用集成電路、稀土永磁材料、微機(jī)、新型控制理論及電機(jī)理論的發(fā)展緊密結(jié)合，顯示出廣泛的應(yīng)用前景和強(qiáng)大的生命力。與其它電機(jī)相比它具有幾個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn)：①永磁無(wú)刷直流電機(jī)沒(méi)有電刷、而是利用電子換相，故克服了任何由電刷硬氣的問(wèn)題。②永磁體安裝在轉(zhuǎn)子上、電樞繞組裝在定子上，故導(dǎo)熱性能好，產(chǎn)生的熱量更容易散發(fā)出去；結(jié)構(gòu)也變得簡(jiǎn)單，并且節(jié)省了空間，使其磁場(chǎng)損失也得到了減少。③它的效率與轉(zhuǎn)速永遠(yuǎn)保持同步關(guān)系，不會(huì)發(fā)生失步、震蕩等現(xiàn)象，在節(jié)約能源方面也有明顯優(yōu)勢(shì)。

1無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)分析

1.1三相無(wú)刷直流電機(jī)星形連接全橋驅(qū)動(dòng)原理

    無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的速度及轉(zhuǎn)子極數(shù)的影響，在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。無(wú)刷直流電機(jī)控制器包括電源部分和控制部分，如圖1所示。電源部分提供三相電源給電機(jī)，控制部分則按照需求轉(zhuǎn)換電源頻率。電源部分可以直接以直流電輸入或者以交流電輸入，如果是以交流電輸入就需先經(jīng)轉(zhuǎn)換器(converter)轉(zhuǎn)成直流電。不論是直流電輸入或是交流電輸入，送入電機(jī)線圈前須先將直流電壓由逆變器(inverter)轉(zhuǎn)成三相電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。逆變器一般由六個(gè)功率晶體管，分為上橋臂和下橋臂，連接電機(jī)作為控制流經(jīng)電機(jī)線圈的開(kāi)關(guān)?？刂撇糠謩t提供PWM脈沖寬度調(diào)制信號(hào)決定功率晶體管開(kāi)關(guān)頻率及逆變器換相的時(shí)機(jī)。對(duì)于無(wú)刷直流電機(jī)，當(dāng)負(fù)載變動(dòng)時(shí)，一般希望速度可以穩(wěn)定于設(shè)定值而不會(huì)有太大的變動(dòng)，所以電機(jī)內(nèi)部裝有霍爾傳感器(hall-sensor)，作為速度的閉回路控制，同時(shí)也作為相序控制的依據(jù)。

    電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)由霍爾傳感器感應(yīng)到的電機(jī)轉(zhuǎn)子所在位置，決定開(kāi)啟或關(guān)閉逆變器中功率晶體管的順序來(lái)控制，如圖2所示，逆變器中的AH,BH,CH(上橋臂功率晶體管)及AL,BL,CL(下橋臂功率晶體管)，使電流依序流經(jīng)電機(jī)線圈，產(chǎn)生順向或逆向旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，并與轉(zhuǎn)子磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，使電機(jī)順向或逆向轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到霍爾傳感器感應(yīng)出另一組信號(hào)的位置時(shí)，控制部又再開(kāi)啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)，電機(jī)就可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng).功率晶體管的開(kāi)啟方法舉例如下:AH,BL一組—>AH,CL一組—>BH,CL一組—>BH,AL一組—>CH,AL一組—>CH、BL一組，但不能使AH,AL或BH,BL或CH,CL，即同相上下橋臂同時(shí)導(dǎo)通.此外，因?yàn)殡娮恿慵傆虚_(kāi)關(guān)的響應(yīng)時(shí)間，所以功率晶體管在關(guān)與開(kāi)的交錯(cuò)時(shí)間要將零件的響應(yīng)時(shí)間考慮進(jìn)去，否則當(dāng)上臂(或下臂)尚未完全關(guān)閉，下臂(或上臂)就已開(kāi)啟，結(jié)果就造成上、下臂短路而使功率晶體管燒毀。設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器采集的位置信號(hào)為Ha,Hb,Hc，分別對(duì)應(yīng)于逆變器的A相、B相、C相。

    在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，控制部分會(huì)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的速度決定功率管的導(dǎo)通時(shí)間。若系統(tǒng)要求加速，則增長(zhǎng)功率管導(dǎo)通的時(shí)間，若要求減速，則縮短功率管導(dǎo)通的時(shí)間，此部分工作由PWM脈寬調(diào)制信號(hào)控制。

圖1三相無(wú)刷直流電機(jī)工作原理

InverterMOTOR

圖2逆變器原理圖

2無(wú)刷直流電機(jī)控制器硬件設(shè)計(jì)

    無(wú)刷直流電機(jī)控制器在控制方式上主要有以專用集成芯片、單片機(jī)和DSP芯片控制三種方式。以專用集成芯片為核心的控制器，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格較便宜，但是系統(tǒng)靈活性不足，保護(hù)功能有限:以DSP芯片為核心的控制器，控制精度較高，但是算法較復(fù)雜，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，成本較高，不易在市場(chǎng)上推廣。本設(shè)計(jì)使用單片機(jī)作為主控芯片可以彌補(bǔ)上述兩方案的不足。

2.1硬件組成

本控制器根據(jù)項(xiàng)目參數(shù)要求應(yīng)具有如下功能:

(1)具有電動(dòng)、定速、助力三種工作模式:在電動(dòng)模式下，控制系統(tǒng)能夠根據(jù)電動(dòng)車轉(zhuǎn)把所給電壓，正常加電運(yùn)轉(zhuǎn);定速模式下，無(wú)需按住轉(zhuǎn)把，電動(dòng)車能夠按照設(shè)定速度運(yùn)行:助力模式下，能夠根據(jù)助力傳感器測(cè)得的騎車者的用力實(shí)現(xiàn)助力騎行.三種工作模式可通過(guò)模式轉(zhuǎn)換按鈕切換。

(2)當(dāng)系統(tǒng)出錯(cuò)或者位置傳感器、助力傳感器出錯(cuò)時(shí)能夠進(jìn)入自檢模式并顯示錯(cuò)誤。

(3)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)。

(4)能夠?qū)崟r(shí)顯示電動(dòng)車的狀態(tài)。

根據(jù)上述功能，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件框圖。如圖3所示。

圖3硬件系統(tǒng)框圖

2.2三相全橋逆變電路和驅(qū)動(dòng)電路

    逆變電路和驅(qū)動(dòng)電路是主控芯片與被控電機(jī)之間聯(lián)系的紐帶，其傳輸性能的好壞直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。其功能是將電源的功率以一定邏輯關(guān)系分配給無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定子上各相繞組。功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有開(kāi)關(guān)速度快、高頻特性好、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、無(wú)二次擊穿問(wèn)題、安全工作區(qū)寬和跨導(dǎo)線性度高等顯著特點(diǎn)，因而在各類中小功率開(kāi)關(guān)電路中得到了廣泛的應(yīng)用。

    在本控制系統(tǒng)中就采用了MOSFET組成的逆變器變換電路。根據(jù)第二節(jié)所述，半橋逆變器的控制比較復(fù)雜，需要六組控制信號(hào)，電機(jī)三相繞組的工作也相對(duì)獨(dú)立，必須對(duì)三相電流分別控制。而全橋逆變器的控制比較簡(jiǎn)單，只需三組獨(dú)立控制信號(hào)，且任一時(shí)刻導(dǎo)通的兩相電流相等，只要對(duì)其中一相電流進(jìn)行控制，另外一相電流也得到了控制.因此本設(shè)計(jì)采用全橋逆變電路來(lái)控制各相位的導(dǎo)通，如圖2所示。

    本設(shè)計(jì)中逆變器上下橋臂都采用N溝道MOSFET管。P型MOSFET管由于工藝的原因，參數(shù)一致性較差，價(jià)格較貴，而且其內(nèi)阻比N溝道的MOSFET管大，損耗也大。因此，當(dāng)前的無(wú)刷控制器一般都采用兩個(gè)N溝道MOSFET管組成逆變器的一相。當(dāng)功率MOSFET管用作開(kāi)關(guān)，被驅(qū)動(dòng)飽和導(dǎo)通，即在它的兩極之間壓降最低時(shí)，其柵極驅(qū)動(dòng)要求可概括如下:

(1)柵極電壓一定要比漏極電壓高10~15V，用作高壓側(cè)開(kāi)關(guān)時(shí)其柵極電壓必定高于干線電壓，常?？赡苁窍到y(tǒng)中的最高電壓.

(2)柵極電壓從邏輯上看必須是可控的，它通常以地為參考點(diǎn)。

(3)柵極驅(qū)動(dòng)電路吸收的功率不會(huì)顯著地影響總效率。

本系統(tǒng)中功率MOSFET的漏極電壓為36V，本系統(tǒng)的最高電源電壓也為36V。為滿足柵極高于漏極10V~15V的要求，需要采用升壓電路。

3軟件設(shè)計(jì)

3.1主程序設(shè)計(jì)

    主程序上電復(fù)位后完成系統(tǒng)初始化：PWM,ADC端口、定時(shí)器等單元的初值設(shè)置;中斷設(shè)置;變量、標(biāo)志寄存器的初始化。為了防止在初始化的過(guò)程中，中斷的意外到來(lái)，應(yīng)在主程序的開(kāi)始處先關(guān)閉全局中斷。初始化完成后，進(jìn)入自檢程序，若各電器信號(hào)正常，則2秒后退出自檢模式。重新對(duì)相關(guān)寄存器，定時(shí)器賦初值，打開(kāi)INT外部中斷，即允許模式轉(zhuǎn)換按鈕中斷。判斷電機(jī)啟動(dòng)是否成功，如果成功進(jìn)入正常工作模式函數(shù)，若有非法狀態(tài)，停電機(jī)，程序跳入自檢模式進(jìn)行自檢。

    系統(tǒng)進(jìn)入到正常工作模式的主循環(huán)時(shí)，首先判斷系統(tǒng)處于何種工作模式，然后檢查系統(tǒng)是否處于非法態(tài)，如果出現(xiàn)欠壓、過(guò)流、堵轉(zhuǎn)等錯(cuò)誤，則停機(jī)，程序跳入到自檢狀態(tài);否則，判斷是否有剎車信號(hào)，如沒(méi)有，進(jìn)入判斷模式及模式功能處理函數(shù):如果有，則停機(jī)，等待剎車結(jié)束信號(hào)。剎車結(jié)束后，如果工作模式為定速模式，則退出定速模式，進(jìn)入電動(dòng)模式。

    在電動(dòng)模式下，單片機(jī)采集轉(zhuǎn)把電壓信息，控制輸出的PWM信號(hào)的占空比;定速模式下，轉(zhuǎn)把信號(hào)無(wú)效，程序根據(jù)模式轉(zhuǎn)換前輸出的PWM占空比恒定輸出;助力模式下，根據(jù)定時(shí)器TO采集助力傳感器的高低電平時(shí)間，控制PWM信號(hào)的占空比。在這個(gè)過(guò)程中，始終允許KMOD按鍵中斷，因此可以通過(guò)按下KMOD鍵切換電動(dòng)、定速和助力三種模式。

3.2系統(tǒng)軟件調(diào)試

    由Microchip公司推出的MPLAB集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(ME)是綜合的編譯器、項(xiàng)目管理器和設(shè)計(jì)平臺(tái)，適用于使用Microchip的PIC系列單片機(jī)進(jìn)行嵌入式設(shè)計(jì)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)。首先，在仿真環(huán)境中通過(guò)輸入源程序、編譯、修正、單步執(zhí)行、斷點(diǎn)執(zhí)行、全速執(zhí)行等過(guò)程觀察程序執(zhí)行到指定位置的結(jié)果，將軟件的邏輯結(jié)構(gòu)調(diào)試正確。接著，調(diào)試面板顯示模塊，只有正確的顯示，才能夠明確后續(xù)調(diào)試過(guò)程的正確與否。

    其次，調(diào)試模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。調(diào)模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序時(shí)，要對(duì)每個(gè)通道逐一調(diào)試。先調(diào)試0號(hào)通道:將通道號(hào)置為0，并給0號(hào)通道的入口接上穩(wěn)壓源，電壓在0—5V之間。調(diào)用模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序，在寄存器中讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果，并與理論值比較，判斷轉(zhuǎn)換結(jié)果是否準(zhǔn)確。對(duì)其余通道的調(diào)試方法與0好通道的調(diào)法相同，調(diào)試中發(fā)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換有時(shí)不準(zhǔn)確，因此延長(zhǎng)轉(zhuǎn)換的等待時(shí)間，問(wèn)題得以解決。調(diào)試中發(fā)現(xiàn)點(diǎn)亮指示燈不隨采集的電壓信號(hào)改變，后發(fā)現(xiàn)是電壓等級(jí)定義的不正確。

    調(diào)試PWM輸出模塊時(shí)，用示波器觀察CCP模塊輸出是佛正確，然后調(diào)試INT中斷，試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)首次模式轉(zhuǎn)換時(shí)會(huì)有問(wèn)題，電動(dòng)模式轉(zhuǎn)換到定速模式或主力模式不定，延長(zhǎng)從電動(dòng)模式轉(zhuǎn)換到定速模式所要求的時(shí)間，問(wèn)題解決，加上剎車信號(hào)，當(dāng)在定速模式下按下剎車時(shí)，燈全亮正確，但當(dāng)剎車解除時(shí)，仍顯示為定速模式，而此時(shí)觀察寄存器已轉(zhuǎn)為電動(dòng)模式，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)是由于顯示更新不及時(shí)照成，在此處調(diào)用顯示子程序。調(diào)式電動(dòng)或定時(shí)模式，確定轉(zhuǎn)把給定值與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。調(diào)試中發(fā)現(xiàn)有時(shí)在沒(méi)有給定轉(zhuǎn)把電壓的情況下，電機(jī)發(fā)生運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)應(yīng)在初始化中對(duì)脈寬值清零。

4結(jié)論

    本文提出的基于PIC單片機(jī)控制的電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案是可行的，能實(shí)現(xiàn)快速、精確的調(diào)速，且系統(tǒng)可靠性強(qiáng)，調(diào)試方便。實(shí)驗(yàn)樣車起動(dòng)時(shí)比較平穩(wěn)，在起動(dòng)和運(yùn)行中過(guò)載時(shí)，沒(méi)有出現(xiàn)因大電流而損壞電子器件或電機(jī)的現(xiàn)象。系統(tǒng)的過(guò)流保護(hù)值為10A、欠壓保護(hù)值為31V，并且堵轉(zhuǎn)和自檢保護(hù)工作正常，運(yùn)行時(shí)的面板顯示部分工作正常。控制電路的對(duì)稱半橋調(diào)制能實(shí)現(xiàn)電壓電流波形對(duì)稱，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和開(kāi)關(guān)損耗都小，是理想的調(diào)制方式。