無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制有哪些設(shè)計(jì)方案
來(lái)源：深圳市鑫海文科技有限公司|發(fā)布時(shí)間：2019-11-21 23:24
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的組成
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(Brushless DC Motor，簡(jiǎn)稱BLDCM)是一種典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品，它是由電動(dòng)機(jī)本體、位置檢測(cè)器、逆變器和控制器組成的自同步電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)或自控式變頻同步電動(dòng)機(jī).位置檢測(cè)器檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極的位置信號(hào)，控制器對(duì)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)進(jìn)行邏輯處理并產(chǎn)生相應(yīng)的開(kāi)關(guān)信號(hào)，開(kāi)關(guān)信號(hào)以一定的順序觸發(fā)逆變器中的功率開(kāi)關(guān)器件，將電源功率以一定的邏輯關(guān)系分配給電動(dòng)機(jī)定子各相繞組，使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩.
現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)各部分的基本結(jié)構(gòu)說(shuō)明如下。
1.電機(jī)本體
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)最初的設(shè)計(jì)思想來(lái)自普通的有刷直流電動(dòng)機(jī)，不同的是將直流電動(dòng)機(jī)的定子、轉(zhuǎn)子位置進(jìn)行了互換，其轉(zhuǎn)子為永磁結(jié)構(gòu)，產(chǎn)生氣隙磁通;定子為電樞，有多相對(duì)稱繞組。原直流電動(dòng)機(jī)的電刷和機(jī)械換向器被逆變器和轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器所代替。所以無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本體實(shí)際上是一種永磁同步電機(jī)。由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電機(jī)本體為永磁電機(jī)，所以無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)也稱為永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)。
定子的結(jié)構(gòu)與普通同步電動(dòng)機(jī)或感應(yīng)電動(dòng)機(jī)相同，鐵心中嵌有多相對(duì)稱繞組。繞組可以接成星形或三角形，并分別與逆變器中的各開(kāi)關(guān)管相連，三相無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)最為常見(jiàn)。
2.逆變器
目前，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的逆變器主開(kāi)關(guān)一般采用IGBT或功率MOSFET等全控型器件，有些主電路已有集成的功率模塊(PIC)和智能功率模塊(IPM)，選用這些模塊可以提高系統(tǒng)的可靠性。
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定子繞組的相數(shù)可以有不同的選擇，繞組的連接方式也有星形和角型之分，而逆變器又有半橋型和全橋型兩種。不同的組合使電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生不同的性能和成本。綜合以下三個(gè)指標(biāo)有助于我們做出 正確的選擇：
(1)繞組利用率。
與普通直流電動(dòng)機(jī)不同，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的繞組是斷續(xù)通電的。適當(dāng)?shù)靥岣呃@組利用率將可以使同時(shí)通電的導(dǎo)體數(shù)增加，使電阻下降，效率提高。從這個(gè)角度來(lái)看，三相繞組優(yōu)于四相和五相繞組。
(2)轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。
無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)比普通直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)大。一般相數(shù)越多，轉(zhuǎn)矩的脈動(dòng)越小;采用橋式主電路比采用非橋式主電路的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)小。
(3)電路成本。
相數(shù)越多，逆變器電路使用的開(kāi)關(guān)管越多，成本越高。橋式主電路所用的開(kāi)關(guān)管比半橋式多一倍，成本要高;多相電動(dòng)機(jī)的逆變器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本也高。因此，目前以星形連接三相橋式主電路應(yīng)用最多。
3.位置檢測(cè)器
位置檢測(cè)器的作用是檢測(cè)轉(zhuǎn)子磁極相對(duì)與定子繞組的位置信號(hào)，為逆變器提供正確的換相信息。位置檢測(cè)包括有位置傳感器和無(wú)位置傳感器檢測(cè)兩種方式。
轉(zhuǎn)子位置傳感器也由定子和轉(zhuǎn)子兩部分組成，其轉(zhuǎn)子與電機(jī)本體同軸，以跟蹤電機(jī)本體轉(zhuǎn)子磁極的位置;其定子固定在電機(jī)本體定子或端蓋上，以檢測(cè)和輸出轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。轉(zhuǎn)子位置傳感器的種類包括磁敏式、電磁式、光電式、接近開(kāi)關(guān)式、正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器式以及編碼器等。
在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)中安裝機(jī)械式位置傳感器解決了電機(jī)轉(zhuǎn)子位置的檢測(cè)問(wèn)題。但是位置傳感器的存在增加了系統(tǒng)的成本和體積，降低了系統(tǒng)可靠性，限制了無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用范圍，對(duì)電機(jī)的制造工藝也帶來(lái)了不利的影響。因此，國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的無(wú)位置運(yùn)行方式給予高度重視。
無(wú)機(jī)械式位置傳感器轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)是通過(guò)檢測(cè)和計(jì)算與轉(zhuǎn)子位置有關(guān)的物理量間接地獲得轉(zhuǎn)子位置信息，主要有反電動(dòng)勢(shì)檢測(cè)法、續(xù)流二極管工作狀態(tài)檢測(cè)法、定子三次諧波檢測(cè)法和瞬時(shí)電壓方程法等。
4.控制器
控制器是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能：
(1)對(duì)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器輸出的信號(hào)、PWM調(diào)制信號(hào)、正反轉(zhuǎn)和停車信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合，為驅(qū)動(dòng)電路提供各開(kāi)關(guān)管的斬波信號(hào)和選通信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)及停車控制。
(2)產(chǎn)生PWM調(diào)制信號(hào)，使電機(jī)的電壓隨給定速度信號(hào)而自動(dòng)變化，實(shí)現(xiàn)電機(jī)開(kāi)環(huán)調(diào)速。
(3)對(duì)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行速度閉環(huán)調(diào)節(jié)和電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能。
(4)實(shí)現(xiàn)短路、過(guò)流、過(guò)電壓和欠電壓等故障保護(hù)電路。
2.2 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
2.2.1 設(shè)計(jì)方案比較
無(wú)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(wú)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。在電機(jī)轉(zhuǎn)速控制方面，絕大多數(shù)場(chǎng)合數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)已取代模擬調(diào)速系統(tǒng)。目前，數(shù)字調(diào)速系統(tǒng)主要采用兩種控制方案:一種采用專用集成電路。這種方案可以降低設(shè)備投資，提高裝置的可靠性，但不夠靈活。另一種是以微處理器為控制核心構(gòu)成硬件系統(tǒng)。這種方案 可以編程控制，應(yīng)用范圍廣，且靈活方便。
電機(jī)控制器是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能:對(duì)各種輸入信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合，為驅(qū)動(dòng)電路提供各種控制信號(hào);產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速;實(shí)現(xiàn)短路、過(guò)流、欠壓等故障保護(hù)功能。
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。其主要作用是在保證電動(dòng)自行車正常工作的前提下，提高電機(jī)和蓄電池的效率、節(jié)省能源、保護(hù)電機(jī)及蓄電池，以及降低電動(dòng)自行車在受到破壞時(shí)的損傷程度。
目前，市場(chǎng)上常用的電動(dòng)自行車無(wú)刷直流電機(jī)控制器主要采用專用集成電路為主控芯片，像MOTOLORA公司研制的專用集成電路MC33035，其針對(duì)無(wú)刷電機(jī)的控制要求，將控制邏輯集成在芯片內(nèi)，一般該類控制器稱為模擬式控制器，其工作原理是用電子裝置代替電刷控制電機(jī)線圈電流換向，根據(jù)電機(jī)內(nèi)的位置傳感器(霍爾傳感器)信號(hào)，決定換相的順序和時(shí)間，從而決定電機(jī)的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速。該控制系統(tǒng)的缺點(diǎn)是智能性差，保護(hù)措施有限，系統(tǒng)升級(jí)空間小。
本設(shè)計(jì)采用單片機(jī)作為主控芯片，用編程的方法來(lái)模擬無(wú)刷電機(jī)的控制邏輯，其特點(diǎn)是使用靈活，通過(guò)修改程序可適應(yīng)不同規(guī)格的無(wú)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。
近幾年，國(guó)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TMS320C24
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)緊湊，使用便捷，可靠性提高。但是這些專用芯片價(jià)格昂貴，外圍電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，在廣大的民用市場(chǎng)無(wú)法大規(guī)模推廣應(yīng)用。
無(wú)刷電機(jī)控制方法主要分為有位置傳感器控制和無(wú)位置傳感器控制兩種。在有位置傳感器的控制方法中，現(xiàn)今，由于霍爾傳感器性價(jià)比高，安裝
方便，被廣泛應(yīng)用作為無(wú)刷直流電機(jī)的位置傳感器。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)外對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)無(wú)位置傳感器的控制方法主要有反電勢(shì)法、定子三次諧波法、續(xù)流二極管檢測(cè)法、脈沖檢測(cè)法神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制法等。但是由于無(wú)位置傳感器控制方法在低速時(shí)無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確的速度調(diào)制，所以現(xiàn)階段在電動(dòng)車領(lǐng)域只是處于研究階段，無(wú)法推廣到工業(yè)生產(chǎn)當(dāng)中。
2.2.2 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)組成框圖
基于2.2.1節(jié)的考慮，可繪出無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)框圖，如圖2-1所示:
圖2-1 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制框圖
(1)微控制器
主要功能是根據(jù)電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)方向的要求和來(lái)自霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器的三個(gè)輸出信號(hào)，將它們處理成功率驅(qū)動(dòng)單元的六個(gè)功率開(kāi)關(guān)器件所要求的驅(qū)動(dòng)順序。微控制器的另一個(gè)重要作用是根據(jù)電壓、電流和轉(zhuǎn)速等反饋模擬信號(hào)，以及隨機(jī)發(fā)出的制動(dòng)信號(hào)，經(jīng)過(guò)AD變換和必要的運(yùn)算后，借助內(nèi)置的時(shí)鐘信號(hào)產(chǎn)生一個(gè)帶有上述各種信息的脈寬調(diào)制信號(hào)。
(2)功率驅(qū)動(dòng)單元
主要包括功率開(kāi)關(guān)器件組成的三相全橋逆變電路和自舉電路。自舉電路由分立器件構(gòu)成的，也可以采用專門(mén)的集成模塊等高性能驅(qū)動(dòng)集成電路。
(3)位置傳感器
位置傳感器在無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)中起著測(cè)定轉(zhuǎn)子磁極位置的作用，為邏輯開(kāi)關(guān)電路提供正確的換相信息。
(4)周邊輔助、保護(hù)電路
主要有電流采樣電路、電壓比較電路、過(guò)電流保護(hù)電路、調(diào)速信號(hào)和制動(dòng)信號(hào)等輸入電路。
第3章 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)硬件設(shè)計(jì)
3.1 逆變主電路設(shè)計(jì)
3.1.1 功率開(kāi)關(guān)主電路
圖3-1 功率開(kāi)關(guān)主電路原理圖
逆變器將直流電轉(zhuǎn)換成交流電向電機(jī)供電。與一般逆變器不同，它的輸出頻率不是獨(dú)立調(diào)節(jié)的，而是受控于轉(zhuǎn)子位置信號(hào)，是一個(gè)“自控式逆變器”。由于采用自控式逆變器，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)輸入電流的頻率和電機(jī)轉(zhuǎn)速始終保持同步，電機(jī)和逆變器不會(huì)產(chǎn)生振蕩和失步，這也是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的重要優(yōu)點(diǎn)之一。
3.1.2 逆變開(kāi)關(guān)元件選擇和計(jì)算
MOSFET在1960年由貝爾實(shí)驗(yàn)室(Bell Lab.)的D. Kahng和 Martin Atalla首次實(shí)驗(yàn)成功，這種元件的操作原理和1947年蕭克萊(William Shockley)等人發(fā)明的雙載子晶體管(Bipolar Junction Transistor， BJT)截然不同，且因?yàn)橹圃斐杀镜土c使用面積較小、高整合度的優(yōu)勢(shì)，在大型積體電路(Large-Scale Integrated Circuits， LSI)或是超大型積體電路(Very Large-Scale Integrated Circuits， VLSI)的領(lǐng)域里，重要性遠(yuǎn)超過(guò)BJT。
近年來(lái)由于MOSFET元件的性能逐漸提升，除了傳統(tǒng)上應(yīng)用于諸如微處理器、微控制器等數(shù)位訊號(hào)處理的場(chǎng)合上，也有越來(lái)越多類比訊號(hào)處理的積體電路可以用MOSFET來(lái)實(shí)現(xiàn)。
表3-1對(duì)IGBT、GTR、GTO 和電力MOSFET的優(yōu)缺點(diǎn)的比較
通過(guò)上述的比較，我選擇MOSFET。
電樞額定電流IaH=8.5A，因?yàn)槊總€(gè)控制元件導(dǎo)通120o，所以控制元件的峰值電流可以由以下方程算出。
，通過(guò)計(jì)算可得I=25.5A，
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*1.4=36*1.4=50.4V
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。
3.2 逆變開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
3.2.1 IR2110功能介紹
(1) IR2110的特點(diǎn)有：輸出驅(qū)動(dòng)隔離電壓可達(dá)500V;芯片自身的門(mén)輸入驅(qū)動(dòng)范圍為10~20V;輸入端帶施密特觸發(fā)電器;可實(shí)現(xiàn)兩路分立的驅(qū)動(dòng)輸出，可驅(qū)動(dòng)高壓高頻器件，如IGBT、功率MOSFET等，且工作頻率高可達(dá)500KHz ，開(kāi)通、關(guān)斷延遲小，分別為120ns和94ns;邏輯電源的輸入范圍(腳9)5~15V，可方便的與TTL，CMOS電平相匹配。
(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。由于邏輯信號(hào)均通過(guò)電平耦合電路連接到各自的通道上，容許邏輯電路參考地(USS) 與功率電路參考地(COM) 之間有- 5 V和+ 5 V 的偏移量，并且能屏蔽小于50 ns 的脈沖，這樣有較理想的抗噪聲效果。采用CMOS 施密特觸發(fā)輸入，以提高電路抗干擾能力。
IR2110 浮置電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達(dá)500 V ，工作頻率可達(dá)到500 kHz。兩路通道均帶有滯后欠壓鎖定功能。其推薦典型工作參數(shù)如表3-2所示。
表3-2 IR2110 工作參數(shù)
(3)IR2110內(nèi)部功能如圖3-2所示：
圖3-2 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0V
Nc (引腳14):空端[#page#]
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。高端輸出HO和低端基準(zhǔn)輸出LO分別以浮置電位VBS和固定電位Vcc為基準(zhǔn)。邏輯電路為兩路輸出提供相應(yīng)的控制脈沖。HO和LO輸出分別與HIN和LIN輸入同相位。當(dāng)SD輸入高電平時(shí)兩路均關(guān)閉。
當(dāng)VDD低于欠電壓閥值時(shí)，欠電壓UV檢測(cè)電路關(guān)閉兩路輸出。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。邏輯輸入采用帶有0.1VDD滯后的施密特觸發(fā)電路，以提高抗擾能力。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)。
低端延時(shí)電路可簡(jiǎn)化控制脈沖定時(shí)要求，兩路輸出的傳播延時(shí)匹配的。當(dāng)Vs為500V或接近500V時(shí)，高端功率MOSFET關(guān)斷。輸出驅(qū)動(dòng)MOSFET接成源極跟隨器，另一只輸出驅(qū)動(dòng)MOSFET接成共源極電路，高端的脈沖發(fā)生器驅(qū)動(dòng)HV電平轉(zhuǎn)化器并觸發(fā)RS閂鎖置位或復(fù)位。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。
3.2.2 自舉電路原理
圖3-3 驅(qū)動(dòng)電路
以一相為例，如圖3-3所示，當(dāng)下管導(dǎo)通上管截止時(shí)，IR2110LO輸出為高，HO為低，隔離二極管導(dǎo)通，自舉電容C8充電，三極管C極電壓近似等于電源正極電壓;當(dāng)下管截止上管導(dǎo)通時(shí)，隔離二極管D2截止，自居電容C8儲(chǔ)存的電荷給三極管C極供電，IR211HO為高，三極管導(dǎo)通，驅(qū)動(dòng)MOSFET管柵極，使上管保持導(dǎo)通。
3.3 單片機(jī)的選擇
目前，市場(chǎng)上有很多無(wú)刷電機(jī)專用控制芯片，大部分電動(dòng)車生產(chǎn)廠商采用Motorola公司的MC3303無(wú)刷電機(jī)專用控制芯片，它具有無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)所需要的基本功能。本設(shè)計(jì)采用PIC16F72單片機(jī)作為主控芯片，不僅可以實(shí)現(xiàn)專用控制芯片MC33035的全部功能，而且容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)擴(kuò)展，通過(guò)軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多功能的電機(jī)控制。
單片機(jī)選擇依據(jù)：
(1)性能因素。通過(guò)對(duì)該系統(tǒng)分析，8位單片機(jī)可以滿足系統(tǒng)控制精度的要求。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。在無(wú)刷電機(jī)控制中，脈寬調(diào)制PWM ( PulseWidth Modulation)技術(shù)廣泛應(yīng)用，因此所選單片機(jī)應(yīng)具有脈寬調(diào)制輸出端口。
(2)安全因素。電子產(chǎn)品的安全性是一個(gè)非常重要的環(huán)節(jié)，作為控制系統(tǒng)的核心，單片機(jī)的安全性必須達(dá)到系統(tǒng)要求。
(3)價(jià)格因素。考慮到該設(shè)計(jì)要與市場(chǎng)接軌，因此價(jià)格問(wèn)題尤為重要，要選擇一個(gè)性價(jià)比較高的單片機(jī)，包括單片機(jī)的單片價(jià)格和開(kāi)發(fā)系統(tǒng)的造價(jià)。
3.3.1 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。PIC單片機(jī)以其獨(dú)特的硬件系統(tǒng)和指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，逐漸被廣大工程設(shè)計(jì)人員接受Microchip公司是一家集開(kāi)發(fā)、研制和生產(chǎn)為一體的專業(yè)單片機(jī)芯片制造商，其產(chǎn)品綜合應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路，具有很強(qiáng)的技術(shù)特色。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。使之具有卓越的性能，代表著單片機(jī)發(fā)展新的潮流。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。PIC系列單片機(jī)具有如下特點(diǎn):
(1)單片機(jī)種類豐富
PIC最大的特點(diǎn)是不搞單純的功能堆積，而是從實(shí)際出發(fā)，重視產(chǎn)品的性能與價(jià)格比，靠發(fā)展多種型號(hào)來(lái)滿足不同層次的應(yīng)用要求。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。
(2) 哈佛總線結(jié)構(gòu)
如圖3-4所示，PIC系列單片機(jī)在普林斯頓體系結(jié)構(gòu)和哈佛體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上采用獨(dú)特的哈佛總線結(jié)構(gòu)，徹底將芯片內(nèi)部的數(shù)據(jù)總線和指令總線分離，為采用不同的字節(jié)寬度，有效擴(kuò)展指令的字長(zhǎng)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。
圖3-4 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)。RISC技術(shù)并非只是簡(jiǎn)單地去減少指令，而是著眼于如何改善計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)，更加簡(jiǎn)單合理地提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。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。
(4)指令特色
PIC系列單片機(jī)的指令系統(tǒng)具有尋址方式簡(jiǎn)單和代碼壓縮率高等優(yōu)點(diǎn)。
(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。
(6)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)
PIC系列單片機(jī)I/O端口驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力較強(qiáng)，每個(gè)輸出引腳可以驅(qū)動(dòng)多達(dá)20-25mA的負(fù)載，既能夠高電平直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二極管LED、光電耦合器、小型繼電器等，也可以低電平直接驅(qū)動(dòng)，這樣可以大大簡(jiǎn)化控制電路。
(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。
(8)應(yīng)用平臺(tái)界面友好，開(kāi)發(fā)方便
Microchip公司為用戶提供了周全的技術(shù)方案，不管是對(duì)初學(xué)者還是后續(xù)的應(yīng)用開(kāi)發(fā)，都提供了完善的硬件和軟件支持，包括各種檔次的硬件仿真器和編程器。
(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。
3.3.2 PIC16F72單片機(jī)管腳排列及功能定義
圖3-5 PIC16F72單片機(jī)管腳圖
(1)MCLR:清除(復(fù)位)輸入。
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。
(2)RA0-RA5：雙向可編程，亦可作為并行口。
電池欠壓信號(hào)：電池電壓經(jīng)分壓后接單片機(jī)管腳3。
轉(zhuǎn)把復(fù)位信號(hào)：由單片機(jī)的第4腳讀入
剎車信號(hào)：剎車信號(hào)由單片機(jī)的第5腳讀入。
(3)OSC1、OSC2：為振蕩器晶振。
(4)RC0-RC7：數(shù)字I/O
(5)RB0-RB7：數(shù)字I/O
(6)VDD：+5V電壓輸入
3.3.3 PIC16F72單片機(jī)的功能特性
(1)功能部件特性
·帶8位AID轉(zhuǎn)換輸入
·高驅(qū)動(dòng)電流，I/O腳可直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管(LED)顯示每個(gè)I/O引腳最大灌電流25mA;每個(gè)I/O引腳最大拉電流25mA
·雙向可獨(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
·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TMR 1，睡眠中仍可計(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
(2)微控制器特性
·內(nèi)置上電復(fù)位電路(POR)
·上電定時(shí)器，保障工作電壓的穩(wěn)定建立
·振蕩定時(shí)器，保障振蕩的穩(wěn)定建立
·斷電復(fù)位鎖定，即當(dāng)芯片電源電壓下降到某一值以后時(shí)，使芯片保持復(fù)位，當(dāng)電源電壓恢復(fù)正常后恢復(fù)運(yùn)行
·內(nèi)置自振式(RC振蕩)看門(mén)狗
·程序保密位，可防程序代碼的非法拷貝
·掉電保護(hù)電路
·在線串行編程
3.3.4 PWM信號(hào)在PIC單片機(jī)中的處理
改變直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的方法分為勵(lì)磁控制法(控制磁通)與電樞電壓控制法(改變電樞端電壓)。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。
CCP(捕捉輸入/比較輸出//PWM輸出)模塊是PIC16F72芯片的重要組成部分，它有3種工作方式:捕捉方式、輸出比較方式和脈寬調(diào)制方式。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)。用程序語(yǔ)句控制PWM信號(hào)的周期和高電平持續(xù)時(shí)間，從而控制電機(jī)電樞電壓，即可達(dá)到調(diào)速目的。
3.3.5 時(shí)鐘電路
如圖3-5所示，單片機(jī)的9、10腳外接16Mhz晶體。
圖3-5 時(shí)鐘電路圖
3.3.6 復(fù)位電路
如圖3-6所示，與單片機(jī)1腳外接
圖3-6 復(fù)位電路圖
3.4 人機(jī)接口電路
3.4.1 轉(zhuǎn)把和剎車
1 轉(zhuǎn)把
圖3-7 轉(zhuǎn)把圖
調(diào)速轉(zhuǎn)把是利用線性霍爾元件實(shí)現(xiàn)的，其輸出電壓隨著磁場(chǎng)的線性變化而改變，將此電壓輸入給控制器，實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能。
如圖3-7所示，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)把，改變了霍耳元件周圍的磁場(chǎng)強(qiáng)度，也就改變了霍耳轉(zhuǎn)把的輸出電壓。然后把這個(gè)電壓輸入控制器，控制器再根據(jù)這個(gè)信號(hào)的大小進(jìn)行PWM脈寬調(diào)制，從而控制功率管的導(dǎo)通關(guān)閉的比例以控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的大小。
2 剎車
圖3-8 剎車圖
電動(dòng)自行車標(biāo)準(zhǔn)要求電動(dòng)車在剎車制動(dòng)時(shí)，控制器應(yīng)能自動(dòng)切斷對(duì)電動(dòng)機(jī)的供電。因此電動(dòng)自行車閘把上應(yīng)該有閘把位置傳感元件，在捏制動(dòng)把時(shí)，將制動(dòng)信號(hào)傳給控制器，電路根據(jù)預(yù)設(shè)程序發(fā)出指令，立即切斷基極驅(qū)動(dòng)電流，使功率截止，停止供電。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)。
在電動(dòng)車實(shí)際使用當(dāng)中，普遍采用機(jī)械觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)，平時(shí)常開(kāi)，剎車時(shí)信號(hào)線對(duì)地短路作為剎車信號(hào)，即低電位剎車。同時(shí)也有少數(shù)高檔車采用霍爾元件做開(kāi)關(guān)，剎車時(shí)輸出高電平給控制器，實(shí)現(xiàn)剎車斷電功能，即高電位剎車，也稱之為電子剎把。它的特點(diǎn)是可靠性高，但價(jià)格昂貴。
3.4.2 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。面板顯示電路主要由單片機(jī)的普通1/O口串行輸出，由串入并出芯片74LS164進(jìn)行串并轉(zhuǎn)換，采用發(fā)光二極管進(jìn)行顯示。
面板顯示電路如圖3-9所示：
圖3-9 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3-10 74LS164引腳圖
如圖3-10所示，當(dāng)清除端(CLEAR)為低電平時(shí)，輸出端(QA-QH)均為低電平。串行數(shù)據(jù)輸入端(A，B)可控制數(shù)據(jù)。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。當(dāng) A、B有一個(gè)為高電平，則另一個(gè)就允許輸入數(shù)據(jù)，并在CLOCK上升沿作用下決定輸出的狀態(tài)。
引出端符號(hào)
CLOCK ：時(shí)鐘輸入端。
CLEAR ：同步清除輸入端(高電平有效)A，B 串行數(shù)據(jù)輸入端。
QA-QH :輸出端。
2 面板指示燈狀態(tài)定義
面板指示燈狀態(tài)定義如表3-3
表3-3
3.5 門(mén)陣列可編程器件GAL16V8
3.5.1 GAL16V8圖及引腳功能[#page#]
圖3-11 GAL16V8引腳功能圖
表3-4 GAL16V8(門(mén)陣列可編程器件)引腳名稱及功能
GAL器件是從PAL發(fā)展過(guò)來(lái)的，PAL器件的出現(xiàn)為數(shù)字電路的研制工作和小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)提供了很大的方便。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。
GAL有如下優(yōu)點(diǎn)：
1.具有電可擦除的功能，克服了采用熔斷絲技術(shù)只能一次編程的缺點(diǎn)，其可改寫(xiě)的次數(shù)超過(guò)100次;
2.由于采用了輸出宏單元結(jié)構(gòu)，用戶可根據(jù)需要進(jìn)行組態(tài)，一片GAL器件可以實(shí)現(xiàn)各種組態(tài)的PAL器件輸出結(jié)構(gòu)的邏輯功能，給電路設(shè)計(jì)帶來(lái)極大的方便;
3.具有加密的功能，保護(hù)了知識(shí)產(chǎn)權(quán);
4.在器件中開(kāi)設(shè)了一個(gè)存儲(chǔ)區(qū)域用來(lái)存放識(shí)別標(biāo)志——即電子標(biāo)簽的功能。
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)。
3.6 傳感器選擇
霍爾器件是一種磁傳感器。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。前者輸出模擬量，后者輸出數(shù)字量，可用于磁場(chǎng)的
測(cè)量和控制?；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?；魻栭_(kāi)關(guān)器件無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)磨損、輸出波形清晰、無(wú)抖動(dòng)、無(wú)回跳、位置重復(fù)精度高。此外，其工作溫度范圍寬，可達(dá)-55 0C~150oC。
1 在無(wú)刷直流動(dòng)機(jī)中常用的轉(zhuǎn)子位置傳感器
轉(zhuǎn)子位置傳感器是永磁無(wú)刷直流電機(jī)的關(guān)鍵部件。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。轉(zhuǎn)子位置傳感器也由定、轉(zhuǎn)子組成，其轉(zhuǎn)子與電機(jī)本體同軸，以跟蹤電機(jī)轉(zhuǎn)子的位置;其定子固定于電機(jī)本體定子或端蓋上，以感應(yīng)和輸出轉(zhuǎn)子位置信號(hào)。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。其種類包括磁敏式、電磁式、光電式、接近開(kāi)關(guān)式、正余弦旋轉(zhuǎn)變壓器式以及編碼器等。
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。它是一種半導(dǎo)體器件，是利用霍爾效應(yīng)制成的。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)。用霍爾元件作轉(zhuǎn)子位置傳感器通常有兩種方式。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，如圖2.3所示。對(duì)于兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)無(wú)刷直流電機(jī)，三個(gè)霍爾元件在空間彼此相隔120°電角度，永磁體的極弧寬度為180°電角度。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180°電角、相位互差120°電角的矩形波信號(hào)。
第二種方式是直接將霍爾元件敷貼在定子電樞鐵心氣隙表面或繞組端部緊靠鐵心處，利用電機(jī)轉(zhuǎn)子上的永磁體主極作為傳感器的永磁體，根據(jù)霍爾元件的輸出信號(hào)即可判斷轉(zhuǎn)子磁極位置，將信號(hào)放大處理后便可驅(qū)動(dòng)逆變器工作。
如圖3-12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。因此，在對(duì)性能和環(huán)境要求不是很高的永磁無(wú)刷直流電機(jī)應(yīng)用場(chǎng)合大量使用霍爾元件式位置傳感器。
圖3-12 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。轉(zhuǎn)子由扇形磁芯和非導(dǎo)磁襯套組成。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。這種傳感器具有較高的強(qiáng)度，可經(jīng)受較大的振動(dòng)沖擊，故多用于航空航天領(lǐng)域。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。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。
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)。
3.7 周邊保護(hù)電路
3.7.1 電流采樣及過(guò)電流保護(hù)
圖3-13 電流采樣及過(guò)流保護(hù)圖
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小;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3-14 過(guò)流保護(hù)原理圖
3.7.2 LM358雙運(yùn)放大電路
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。
3.7.3 欠電壓保護(hù)
圖3-16 欠電壓保護(hù)電路圖
如圖3-17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。
3.8 電源電路
圖3-17 電源電路圖
如圖3-17所示，36V電池送入U(xiǎn)13、U14、U15穩(wěn)壓器輸出+15V和+5V給PIC單片機(jī)和IR2110供電。
第4章 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)軟件設(shè)計(jì)
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。
4.2 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0.6m， 則霍爾信號(hào)改變的時(shí)間為0.244s。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0.001s)， 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。
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:CCPICON<5:4>)*TOSC*(TMR2預(yù)分頻值)。
4.3 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。
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