无刷直流电机控制器的设计说明

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1、. 无刷直流电机控制器的设计3.1 无刷直流电机控制器的概述无刷直流电动机兼有直流电动机调整和起动性能好以及异步电动机结构简单无需维护的优点,因而在高可靠性的电机调速领域中获得了广泛应用。在电机转速控制方面,绝大多数场合数字调速系统已取代模拟调速系统。目前,数字调速系统主要采用两种控制方案:一种采用专用集成电路。这种方案可以降低设备投资,提高装置的可靠性,但不够灵活。另一种是以微处理器为控制核心构成硬件系统。这种方案可以编程控制,应用围广,且灵活方便。 电机控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心,它主要完成以下功能：对各种信号进行逻辑综合,以给驱动电路提供各种控制信号；

2、产生PWM调制信号,实现电机的调速；对电机进行速度环和电流环调节,使系统具有较好的动态和静态性能；实现短路、过流、欠压、堵转等故障保护功能。 现代控制技术的发展与微处理器的发展息息相关,可以说,每一次微处理器的进步都推动了控制技术的一次飞跃。在微处理器出现之前,控制器只能由模拟系统构成。由模拟器件构成的控制器只能实现简单的控制,功能单一、升级换代困难,而且由分立器件构成的系统控制精度不高,温度漂移,器件老化严重,使得维护成本增高,限制了它的发展和应用围。随着微处理器的迅速发展和推广,控制器由模拟式转换成了数模混合式,并进一步发展到全数字式,技术的进步使得许多模拟器件难以实现的功能都可以方便地用

3、软件实现,使系统的可靠性和智能化水平大大提高。在电机转速控制方面,绝大多数场合数字调速系统已取代模拟调速系统。目前,数字调速系统主要采用两种控制方案：一种采用专用集成电路。这种方案可以降低设备投资,提高装置的可靠性,但不够灵活。另一种是以微处理器为控制核心构成硬件系统。这种方案可以编程控制,应用围广,且灵活方便910。 控制器是电动自行车的驱动系统,它是电动自行车的大脑。其主要作用是在保证电动自行车正常工作的前提下,提高电机和蓄电池的效率、节省能源、保护电机及蓄电池,以及降低电动自行车在受到破坏时的损伤程度。目前,市场上常用的电动自行车无刷直流电机控制器主要采用专用集成电路为主控芯片,像MOT

4、OLORA公司研制的专用集成电路MC33035, 其工作原理是用电子装置代替电刷控制电机线圈电流换向,根据电机的位置传感器信号,决定换相的顺序和时间,从而决定电机的转向和转速。该控制系统的缺点是智能性差,保护措施有限,系统升级空间小。 近几年,国外一些大公司纷纷推出较MCU性能更加优越的DSP芯片电机控制器,如ADI公司的ADMC3xx系列,TI公司的TMS320C2xx系列及Motorola公司的DSP56F8xx系列,都是由一个以DSP为基础的核,配以电机控制所需的外围功能电路,集成在单一芯片,使体积缩小,结构紧凑,使用便捷,可靠性提高。但是这些专用芯片价格昂贵,外围电路设计复杂,在广大的

5、民用市场无法大规模推广应用。采用单片机为主控芯片,如MSSl系列、AVRxx系列、PICxx系列等等,这类芯片响应速度快、功耗低、体积小、价格低廉且组成系统时所需的外围器件少等特点3。它们将是未来电动自行车无刷电机控制器主控芯片的发展方向,拥有广阔的市场前景。PIC系列单片机是采用精简指令集RISC技术、哈佛双总线和两级指令流水线结构的高性能价格比的8位嵌入式控制器。本文研究的电动自行车车用的无刷直流电机控制器系统是以选取Microchip公司的一款具有极高性能价格比的PIC系列单片机PICl6F72做为主控芯片,用编程的方法来模拟无刷电机的控制逻辑,其特点是使用灵活,通过修改程序可适应不同规

6、格的无刷电机,增加系统功能方便,通常将此类控制器称为数字式控制器；并且采用速度、电流双闭环控制策略,增强系统抗干扰能力,提高电机的运行效率,同时加入一些保护功能,如欠压保护、过电流保护、堵转保护等等,使系统设计更合理化、人性化。系统采用软件编程的方法来模拟无刷电机的控制逻辑,其特点是使用灵活,通过修改程序可适应不同规格的无刷电机,增加系统功能方便。 第三章 无刷直流电机控制器硬件设计3.1 单片机的选择目前,市场上有很多的无刷电机专用控制芯片,但大部分电动自行车生产厂商都采用Motorola公司的MC33035无刷电机专用控制芯片,它具有无刷直流电机控制系统所需要的基本功能。本论文设计的无刷直

7、流电机控制器采用PIC16F72单片机作为控制器的主控芯片,不仅可以实现专用控制芯片MC33035的全部功能,而且也容易实现系统的扩展,通过硬件设计与软件设计,实现多功能的电机控制。单片机选择的原则有：性能性能因素：根据设计任务的复杂程度,分析采用8位的单片机可以满足系统的控制精度的要求。但由于整个控制系统有多种模拟量需要转换成数字量,因此所选的单片机应该具有多通道A/D转换模块。在无刷直流电机的控制中,脉宽调制PWM 技术被广泛应用,因此所选的单片机应该具有脉宽调制PWM模块。PWM模块可用来产生不同频率和占空比的脉冲信号。可方便实现DA输出功能和实现直流电机的调速等功能。安全因素：电子产品

8、的安全性是一个非常重要的环节,作为控制系统的核心部分,单片机的安全性必须达到控制系统的要求。产品价格因素：这也是一个很重要的因素,在其它条件相当的情况下,当然选择价格低的产品,这样可以提高性价比。所以,根据上述原则对单片机进行选择,选择出最能适用于你的应用系统的单片机,从而保证应用系统有最高的可靠性、最优的性价比、最长的使用寿命和最好的升级换代性,还有市场的推广性。运行速度：单片机的运行速度首先看时钟频率,指令集,几个时钟为一个机器周期在选用单片机时要根据需要选择速度,不要片面追求高速度,单片机的稳定性、抗干扰性等参数基本上是跟速度成反比的,另外速度快功耗也大。IO口：IO 口的数量和功能是选

9、用单片机时首先要考虑的问题之一,根据实际需要确定数量,IO多余不仅芯片的体积增大,也增加了成本。定时计数器：多数单片机提供23个定时计数器,有些定时计数器还具有输入捕获、输出比较和PWM功能,利用这些模块不仅可以简化软件设计,而且能少占用 CPU 的资源。串行接口：单片机常见的串行接口有：标准UART接口、增强型UART接口、I2C总线接口、CAN总线接口、SPI接口、USB接口等。大部分单片机都提供了UART接口,也有部分单片机没有串行接口。工作电压、功耗：单片机的工作电压最低可以达到1.8V,最高为6V,常见的是3V和5V单片机的功耗参数主要是指正常模式、空闲模式、掉电模式下的工作电流,用

10、电池供电的系统要选用电流小的产品,同时要考虑是否要用到单片机的掉电模式,如果要用的话必须选择有相应功能的单片机。其他方面：在单片机的性能上还有很多要考虑的因素,比如中断源的数量和优先级、工作温度围、有没有低电压检测功能、单片机部有无时钟振荡器、有无上电复位功能等等。3.3.1 PIC单片机特点：1.PIC单片机Peripheral Interface Controller是一种用来开发和控制外围设备的集成电路。一种具有分散作用多任务功能的CPU。是美国Microchip公司生产的产品。PIC单片机以其独特的硬件系统和指令系统的设计,逐渐被广大工程设计人员接受。PIC系列单片机具有高,中,低3个

11、档次,可以满足不同用户开发的需求,适合在各个领域中的应用。PIC系列单片机具有如下特点:单片机是MICROCHIP公司的产品,其突出的特点是体积小,功耗低,精简指令集 ,抗干扰性好,可靠性高,有较强的模拟接口,代码性好。在一些小型的应用中,比传统的51单片机更加灵活,外围电路更少,因而得到了广泛的应用。指令少,PIC中低档系列单片机共有35条指令,非常有利于易记忆和掌握,指令为单字节,占用程序存储器的空间小,而且中档系列单片机每一条指令为14位,前6位存操作指令,后8位存操作数. 大部分芯片有其兼容的FLASH程序存储器的芯片,支持低电压擦写,擦写速度快,允许多次擦写,程序修改方便。单片机种类

12、丰富PIC单片机目前有8位系列、16位系列和32位系列。它的最大特点是重视产品的性能和价格比,靠发展多种系列产品来满足不同层次的应用要求,而不是搞单纯的功能堆积。哈佛总线结构如图3-4所示,PIC系列单片机在普林斯顿体系结构和哈佛体系结构的基础上采用的哈佛总线结构,将程序存储器和数据存储器分开,使得读程序和对数据的存取可以同时进行,为采用不同的字节宽度,有效扩展指令的字长奠定了技术基础。,每个存储器独立编址、独立访问。与两个存储器相对应的是系统的4条总线：程序的数据总线与地址总线,数据的数据总线与地址总线。这种分离的程序总线和数据总线可允许在一个机器周期同时获得指令字和操作数,从而提高了执行速

13、度,提高了数据的吞吐率。又由于程序和数据存储在两个分开的物理空间中,因此取址和执行能完全重叠。中央处理器首先到程序指令存储器中读取程序指令容,解码后得到数据地址,再到相应的数据存储器中读取数据,并进行下一步的操作。程序指令存储和数据存储分开,可以使指令和数据有不同的数据宽度。并且程序存储器和数据存储器采用的是不同的总线,从而提供了较大的存储器带宽,使数据的移动和交换更加方便,尤其提供了较高的数字信号处理性能。图3-4 PIC系列单片机哈佛总线结构 RISC技术RISC 是指精简指令集计算机。主要特点有：性能特点：由于指令集简化后,流水线以及常用指令均可用硬件执行； 采用大量的寄存器,使大部分指

14、令操作都在寄存器之间进行,提高了处理速度； 采用缓存主机外存三级存储结构,使取数与存数指令分开执行,使处理器可以完成尽可能多的工作,且不因从存储器存取信息而放慢处理速度。 应用特点：由于RISC处理器指令简单、采用硬布线控制逻辑、处理能力强、速度快；运行特点： RISC芯片的工作频率一般在400MHZ数量级。时钟频率低,功率消耗少,温升也少,机器不易发生故障和老化,提高了系统的可靠性。RISC技术的作用是减少指令,改善计算机的结构,提高计算机的运算速度。PIC16F72单片机指令集系统有35条指令,均采用单字节指令,而且除4条判断转移指令发生间跳外,其余的都是单周期指令,执行的速度较高。 指令

15、特色 PIC系列单片机的指令系统具有代码压缩率高和寻址方式简单等优点。功耗低 由于PIC系列单片机采用的是CMOS结构,所以它的功率消耗很低。驱动能力强 PIC单片机的I/O端口驱动负载的能力较强,每个输出引脚可以驱动20-25mA的负载；它既能够在高电平下直接驱动发光二极管LED、光电耦合器、小型继电器等,也能在低电平下直接驱动,这样可以大大简化控制电路。 应用平台界面友好,开发方便它的应用平台界面友好,开发方便,这不管是对初学者还是后续的应用开发,都提供了完善的硬件和软件支持,包括各档次的硬件仿真器和编程器。程序存储器版本齐全Microchip公司生产的产品是一个单片机系列,可供用户选择的

16、存储器类别较多,为产品的不同应用场合提供了一个全方位的选择容和不同的性能档次。3.1.2 PIC16F72单片机的主要性能PICl6F72单片机是目前电瓶车控制器的主流控制芯片。对PIC16F72单片机的外部资源：它的频率有20MHz,其中有2K字14位宽的程序存储空间,伴随着128字节8位宽的数据存储空间；另外有28个引脚,去掉电源、复位、振荡器等,共有22个可复用的IO端口,其中第13脚是CCP1输出口,可输出最大分辨率达10BIT的可调PWM信号,当中有8个中断,3个8位I/O口以及PORTA、PORTB、PORTC；还有三个定时器模块：TIMER0、TIMER1、TIMER2,并随带着

17、一个PWM输出模块；8位5通道的AD模数转换输入口,可提供检测外部电路的电压,一个外部中断输入脚,可处理突发事件。3.1.3 PIC16F72单片机的引脚排列 图 3-1 PIC16F72引脚图各引脚应用如下： 1：MCLR复位/烧写高压输入两用口 2：模拟量输入口：放大后的电流信号输入口,单片机将此信号进行A-D转换后经过运算来控制PWM的输出,使电流不致过大而烧毁功率管。正常运转时电压应在0-1.5V左右 3：模拟量输入口：电源电压经分压后的输入口,单片机将此信号进行A-D转换后判断电池电压是否过低,如果低则切断输出以保护电池,避免电池因过放电而损坏。正常时电压应在3V以上 4：模拟量输入

18、口：线性霍尔组成的手柄调速电压输入口,单片机根据此电压高低来控制输出给电机的总功率,从而达到调整速度的目的。 5：模拟/数字量输入口：刹车信号电压输入口。可以使用AD转换器判断,或根据电平高低判断,平时该脚为高电平,当有刹车信号输入时,该脚变成低电平,单片机收到该信号后切断给电机的供电,以减少不必要的损耗。6：数字量输入口：1+1助力脉冲信号输入口,当骑行者踏动踏板使车前行时,该口会收到齿轮传感器发出的脉冲信号,该信号被单片机接收到后会给电机输出一定功率以帮助骑行者更轻松地往前走。 7：模拟/数字量输入口：由于电机的位置传感器排列方法不同,该口的电平高低决定适合于哪种电机,目前市场上常见的有所

19、谓120和60排列的电机。有的控制器还可以根据该口的电压高低来控制起动时电流的大小,以适合不同的力度需求。8：单片机电源地。 9：单片机外接振荡器输入脚。 10：单片机外接振荡器反馈输出脚。11：数字输入口：功能开关1 12：数字输入口：功能开关2 13：数字输出口：PWM调制信号输出脚,速度或电流由其输出的脉冲占空比宽度控制。 14：数字输入口：功能开关3 15、16、17：数字输入口：电机转子位置传感器信号输入口,单片机根据其信号变化决定让电机的相应绕组通电,从而使电机始终向需要的方向转动。这个信号上面讲过有120和60之分,这个角度实际上是这三个信号的电相位之差,120就是和三相电一样,

20、每个相位和前面的相位角相差120。60就是相差60。 18：数字输出口：该口控制一个LED指示灯,大部分厂商都将该指示灯用作故障情况显示,当控制器有重大故障时该指示灯闪烁不同的次数表示不同的故障类型以方便生产、维修。 19：单片机电源地。 20：单片机电源正。+5V电压输入,上限是5.5V。21：数字输入口：外部中断输入,当电流由于意外原因突然增大而不在控制围时,该口有低电平脉冲输入。单片机收到此信号时产生中断,关闭电机的输出,从而保护重要器件不致损坏或故障不再扩大。 22：数字输出口：同步续流控制端,当电流比较大时,该口输出低电平,控制其后逻辑电路,使同步续流功能开启。该功能在后面详细讲解。

21、 23-28：数字输出口：是功率管的逻辑开关,单片机根据电机转子位置传感器的信号,由这里输出三相交流信号控制功率MOSFET开关的导通和关闭,使电机正常运转。3.1.4 PIC16F72单片机的功能特性（1） 功能部件的特性 带有8位5通道模数转换器；高驱动电流,每个IO引脚灌电流和拉电流最大均可达25mA；可直接驱动数码管、光耦合器等器件工作；可双向独立编程设置I/O引脚；8位定时器/计数器TMRO,带8位预分频器；有1路捕捉输入/比较输出/PWM输出；16位定时器/计数器TMR1,休眠中仍可计数；8位定时器/计数器 TMR2,带有8位的周期寄存器及预分频器和后分频器；带有SPITM和I2C

22、TM同步串口；带软件控制选择的欠压检测；欠压检测电路用于欠压复位。(2) 微控制器的特殊功能：使用高性能的RISC CPU；可进行1000次擦写操作的闪存程序存储器；上电复位,上电延时定时器和振荡器起振定时器,采用自身片上RC振荡器可靠工作的看门狗定时器；断电复位锁定,即当芯片电源电压下降到某一值以后时,使芯片保持复位, 当电源电压恢复正常后恢复运行；可编程代码保护；省电的休眠模式,可选振荡器选项；通过2个引脚进行在线串行编程；处理器读取程序存储器13.1.5 PIC16F72单片机对PWM信号的处理 直流电动机调速的方法可分为励磁控制法和电枢电压控制法。在众多的电枢电压控制方法中,脉宽调制技

23、术因为需用的大功率可控器件少、线路简单、调速围宽、电流波形系数好、附加损耗小、功率因数高的优点,从而得到广泛应用。 CCP模块是PICl6F72芯片的重要组成部分,它有3种工作方式：捕捉方式、输出比较方式和脉宽调制方式。当处于脉宽调制工作方式时,可以在引脚输出分辨率高达10位的PWM信号。用程序语言控制PWM信号的周期和高电平持续时间,从而控制电机的电枢电压,以达到调速的目的31。3.2逆变开关管驱动电路设计3.2.1逆变开关元件MOSFETMOSFET在1960年由贝尔实验室的D. Kahng和 Martin Atalla实验成功,这种元件的操作原理和双载子晶体管Bipolar Juncti

24、on Transistor, BJT截然不同,且因为制造成本低廉与使用面积较小、高整合度的优势,在大型积体电路Large-Scale Integrated Circuits, LSI或是超大型积体电路Very Large-Scale Integrated Circuits, VLSI的领域里,重要性远超过BJT。 近年来由于MOSFET元件的性能逐渐提升,除了传统上应用于诸如微处理器、微控制器等数位讯号处理的场合上,也有越来越多类比讯号处理的积体电路可以用MOSFET来实现。开关速度快,输入阻抗高,热稳定性好,所需驱动功率小且驱动电路简单,工作频率高,不存在二次击穿问题3.2.2驱动芯片IR2

25、103简介1IR2103的特点：采用双列8脚封装,高端工作电压为600V,低端工作电压为1020V,功率为1W。IR2103是一款半桥驱动集成芯片,该芯片部集成了互相独立的控制驱动输出电路,可直接驱动两个中功率半导体器件,如MOSFE或IGBT,动态响应快,驱动能力强,工作频率高,且具有多种保护功能。IR2103配备有大脉冲电流缓冲级,可将交叉传导减至最低；同时采用具有下拉功能的施密特触发式输入设计,可有效隔绝噪音,以防止器件意外开通。IR2103的引脚图如图3-2所示。图3-2 IR2103引脚图引脚功能如下：1脚VCC：逻辑电源与低端电源电压；2脚HIN：高端逻辑输入；3脚LIN：低端逻辑

26、输入；4脚COM：低端电源接地；5脚LO：低端驱动输出电压；6脚VS：高端浮偏电源偏置电压：7脚HO：高端驱动输出电压；8脚VB：高端浮置电源电压。 2IR2103主要功能：引脚8是高端浮置电源连接端,通过自举电容上桥臂功率管的驱动器提供部浮置电源,引脚6是与引脚8对应的浮偏电源的地端。引脚2和引脚3分别是上桥臂功率管和下桥臂功率管的驱动信号逻辑输入端,引脚2是高电平有效,引脚3是低电平有效,他们的输入信号围为3V5V,与TTL电平和CMOS电平兼容。引脚7和引脚5分别是输出逆变桥上桥臂和下桥臂的功率开关器件的驱动信号端,其输出的电平信号围为1020V,其输出的信号受引脚2和引脚3的共同控制,

27、具体的输入输出时序逻辑关系如图3-3所示：图3-3 IR2103输入输出时序逻辑关系图IR2103芯片部电路框图：IR2103工作原理非常简单,在满足自举得情况下,当IR2103的2脚HIN高端逻辑输入为高电平时,7脚HO高端驱动输出电压端输出高电平,使上桥管VT1导通。当IR2103的3脚LIN低端逻辑输入为高电平时,5脚LO低端驱动输出电压端输出高电平,使下桥管VT2导通。由于有死区时间控制,5脚LO低端驱动输出电压和7脚HO高端驱动输出电压不会同时出现高电平的,也就是说,上下桥管VT1、VT2不会同时导通的,既不会发生直通现象。IR2103的2、3脚受单片机控制的。在电动自行车的无刷电机

28、控制电路中,就是利用单片机去控制三个IR2103,对于由六个功率元件构成的三相桥式逆变器来说,采用三片IR2103三个桥臂是中小型功率变换的理想选择。此类逆变电路中的主电路可将直流电压+VCC逆变为三相交流输出电压U、V、W,送给无刷电机。由于三相逆变器每个周期总有一个上下管导通,故上管自举电容容易充电,三个上管自举电路可有序工作。但若IR2103使用不当,尤其是自举电容选择不好,易导致芯片损坏或不能正常工作。IR2103典型的应用电路驱动电路图：此外,IR2103所具备的产生死区时间功能如图3-4所示：图3-4 死区时间波形图当HIN和LIN同时从低电平跳变到高电平时,HO和LO并不是在同一

29、个时间往各自相反的方向跳变,而是HO的输出波形要比LO的输出波形窄,从而在两个波形跳变处产生了时间差DT,这个时间差DT就是死区时间。根据IR3103的Date sheet,产生的死区时间DT的大致围是400650ns,满足MOSFET的开通或关断时间。由于后续部分的硬件电路设计部分要用到死区时间,所以在先这里简单的介绍一下。3.3无刷直流电机控制器的硬件设计3.3.1无刷直流电机控制器硬件设计思路本文设计的无刷直流电机控制器硬件电路主要包括直流电源模块、调速与刹车输入模块、功率驱动模块即逆变桥驱动电路,其主要功能是驱动功率MOSFET管控制电机电流、功率输出模块即逆变桥电路、智能控制模块以P

30、IC16F72单片机为主控电路,其主要功能是完成电机的起动、换相、调速、制动等控制并实现对电机、电池的保护；以及包活霍尔位置信号处理电路、电流信号处理电路以及一些外围保护、辅助电路,其主要功能有完成对信号的采样、对电路的供电、提供显示信号、发出报警信号等功能。无刷直流电机控制器原理框图如图3-5所示：图3-5 无刷直流电机控制器原理框图直流电源模块经过一系列的变压转换,能输出一系列不同的电压值,为整机的不同模块提供合适的电压值和电流值,是整机的动力来源。对电动自行车用无刷直流电机来说,由于其只能采用电池形式的供电方式,而电池的能量总是越用越少,所以必须定时检测电源的电压以确定电池的剩余电量,以

31、免使用电池过量而造成电池的使用寿命缩短。调速和刹车输入模块主要是实现电机的调速输入。它的实现方式为通过输出电位器的电压变化来表示此时电机的输出速度应该做的增减调整,为后面所提及的PWM调速原理提供依据。逆变桥驱动模块在接收到智能控制系统所提供的换相信号以及调速信号后,通过一系列的模数转换,使电机控制器输出的信号转换成相对应的控制逆变桥电路动作的驱动信号,从而以达到正确控制逆变桥电路动作的目的。逆变桥电路根据逆变桥电路的驱动信号使各个MOSFET晶体管做相应的开关动作,为无刷直流电机提供动作能量,以驱动无刷直流电机做加速、减速、匀速、制动等一系列的动作。智能控制模块是控制器的核心部分。一方面,控

32、制模块接收来自无刷电机的霍尔传感器发送过来的位置信号,并经过一系列算法的处理后向逆变桥电路输出换相的波形,使电机能正常运转；另一方面,控制模块通过对调速和刹车信号的采集来确定电机的预定转速,同时根据实时采集的霍尔位置信号来确定预定速度和实际速度之间的差值。然后采集逆变桥电流,在电机的电流没有超出最大电流的前提下,控制模块通过调节PWM波的占空比以达到速度调节的目的；同时,控制模块还要采集电源电压的信号,确保电源没有工作在欠压状态。3.3.2 电源电路设计部分3.3.2.1 稳压芯片LM317芯片概述LM317是应用最为广泛的电源集成电路之一,它不仅具有固定式三端稳压电路的最简单形式,又具备输出

33、电压可调的特点。此外,还具有调压围宽、稳压性能好、噪声低、纹波抑制比高等优点。稳压电源的输出电压可用下式计算,Vo=1.251+R2/R1。仅仅从公式本身看,R1、R2的电阻值可以随意设定。然而作为稳压电源的输出电压计算公式,R1和R2的阻值是不能随意设定的。首先317稳压块的输出电压变化围是Vo=1.25V37V高输出电压的317稳压块,其输出电压变化围是Vo=1.25V45V,所以R2/R1的比值围只能是028.6。其次是317稳压块都有一个最小稳定工作电流,一般为1.5mA。但当317稳压块的输出电流小于其最小稳定工作电流时,317稳压块就不能正常工作。当317稳压块的输出电流大于其最小

34、稳定工作电流时,317稳压块就可以输出稳定的直流电压。如果用317稳压块制作稳压电源时,没有注意317稳压块的最小稳定工作电流,那么你制作的稳压电源可能会出现下述不正常现象：稳压电源输出的有载电压和空载电压差别较大。LM317有三个管脚,第一引脚,为电压调节脚；第二引脚,为电压输出脚；第三引脚,为电压输入脚。LM317 特性：可调整输出电压低到1.2V。保证1.5A 输出电流。典型线性调整率0.01%。典型负载调整率0.1%。80dB纹波抑制比。输出短路保护。过流、过热保护。调整管安全工作区保护。标准三端晶体管封装。电压围1.25V 至 37V 连续可调3.3.2.2 稳压芯片7805芯片的概

35、述7805系列为3端正稳压电路,能提供多种固定的输出电压,应用围广。含过流、过热和过载保护电路。带散热片时,输出电流可达1A。虽然是固定稳压电路,但使用外接元件,可获得不同的电压和电流。常见的三端稳压集成电路还有正电压输出的78 系列和负电压输出的79系列。有三条引脚输出,分别是输入端、接地端和输出端。用78/79系列三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少,电路部还有过流、过热及调整管的保护电路,使用起来可靠、方便,而且价格便宜。该系列集成稳压IC型号中的78或79后面的数字代表该三端集成稳压电路的输出电压, 7805引脚图7805有三个管脚：引脚1：电压输入；引脚2：接地线端；引脚3：

36、电压输出。主要特点：󰁺 输出电流可达1A 󰁺 输出电压有：5V 󰁺 过热保护󰁺 短路保护󰁺 输出晶体管SOA保护 3.3.2.3 电源电路原理设计部分图3-6 电源电路原理图电源电路输出三路电压,分别是+48V电压、+13.5V电压和+5V电压。第一路为电池的电压,输出电压为+48V,主要为逆变器供电,具体连接见功率驱动MOSFET部分。第二路输出+13.5V电压,主要供给MOSFET作开通电压用,其实现电压转换的原理是通过LM317电压稳压器与R3、R4组合输出电压,输出电压可用下式计算：Vo=1.25*1+R2

37、/R1 。 通过计算可得,第二路电源电压约为13.5V。由于驱动电路对第二路电源的要求不是很高,基本上在10V到20V时即可控制MOSFET正常开关,所以选择还是比较合适的。LM317的输入和输出电压不能超过60V,所以要在输入端串接R1以达到压降的作用在此,R2的作用一方面是争取更多的电流以驱动负载,另一方面则分担了LM317的一部分功耗。第三路输出+5V电压,由7805提供,它一方面要为智能控制系统提供电源电压,另一方面是作为AD转换的基准电压值,所以对这路电压精度的要求比较搞,一般要让其波动电压围稳定在4.85.2V之间,7805芯片能满足这个要求。3.3.3 电源电压检测信号处理部分图

38、3-7 电压检测电路电源电压检测信号处理部分如上图 3-7 所示,电压检测的基本实现方式是利用电阻的分压原理使进入A/D转换的电压值能处在5V以,并且电压值的变化与外部电源电压的变化成正比,从而能很好地监视电源电压的变化,当电源电压过低时给出欠压信号,输出截止,防止电池由于过放而损坏。对于无刷直流电机控制器,由于输入控制变量比较多,控制器可以利用各种输入信号对控制系统进行灵活的保护,这些保护功能可以大大提高无刷直流电机控制器的可靠性。也保证电压供应不发生异常。在右图中,输入单片机A/D转换的电压值为 由上式计算得：0.08*,这样A/D模块能识别的最高电压就达到了60V左右,即使有时因电压不稳

39、而产生较大跃变时A/D转换模块也能很快的觉察出来。3.3.3 电流检测信号和处理部分 3.3.3.1 双运算放大器LM358芯片简介LM358 部包括有两个独立的、高增益、部频率补偿的双运算放大器,适合于电源电压围很宽的单电源使用,而且也适合用于双电源工作模式。在推荐的工作条件下,电源电流与电源电压无关。它的使用围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。 引脚图如下所示： LM358引脚图LM358引脚功能：引脚1：运放输出端1；引脚2：运放反向输入端1；引脚3：运放正向输入端1；引脚4：接地；引脚5：运放正向输入端2；引脚6：运放反向输入端2；引脚7：运放

40、输出端2；引脚8：供电。LM358特性 部频率补偿 直流电压增益高 单位增益频带宽 电源电压围宽：单电源； 双电源 低功耗电流,适合于电池供电 低输入偏流 低输入失调电压和失调电流共模输入电压围宽,包括接地 差模输入电压围宽,等于电源电压围 输出电压摆幅大 3.3.3 电流检测和过流保护电路部分电流检测电路的实现在电流环的控制电路中,电流放大器通常选择较大的增益,其好处是可以选择一个较小的电阻来获得足够的检测电压,而检测电阻小损耗也小。电路中发生短路故障时,电流会突然增大,造成电压也突然下降,这时就需要过流保护来对MOSFET进行保护,将最大电流控制在设定围,当达到阀值时关闭电机,避免了MOS

41、FET上通过大电流烧毁的危险。过流保护是控制器的最后防线,过流保护电阻用的是康铜丝,当系统电流超过最大保护电流值时,康铜阻丝会烧断,从而起到保护作用。 它们组成的电路原理图如图3-8所示：图3-8电流检测和过流保护电路在图3-8中,R45是康铜电阻,充当过流保护电阻,所以检测电流就是通过采用康铜电阻R45来实现的。电阻R45安装在功率驱动桥的下端与功放板地线之间,这样通过无刷直流电机的电流最终是要经过电阻R45接地的。因此,根据欧姆定律,我们只要知道电阻R45两端的电压,就可以知道它的相电流了。LM358部包括有两个独立的、高增益、部频率补偿的双运算放大器,其中U1A作比较器,用于判断电路中是

42、不是存在电流过流的情况。由图3-8可知,以双运算放大器LM358的引脚3作为基准电压的输入,可以计算出,它的基准电压为=0.3V。在正常的情况下,输出引脚1处于高电平状态,当出现过流的现象时,康铜电阻R45输出的电压增大,输入引脚2的电压将大于基准电压,这时输出引脚1将翻转到低电平状态,由此给单片机一个过流保护中断,促使单片机做过流保护的相关工作。从而起到对MOSFET进行保护的作用,避免了MOSFET上通过大电流烧毁的危险。另外以双运算放大器LM358的U1B作为放大器用,其放大的倍数是6.5倍。选择的放大倍数较小的原因有两个：1） LM358的频率响应不够高,而PWM波形的频率是15KHz

43、,如果放大倍数比较大的话,那么其电流响应将变成梯形波,不利于电流信号的采集；2） 输出的电流信号杂波太多,尤其在起动的时候,电流值的波动非常大,如果放大倍数选得太大的话,有可能引起误判。综上所述,选择6.5倍虽然在电流大小的放大精度上有一定的影响,但不过都在允许的围之。3.3.4 霍尔位置传感器处理部分3.3.4.1 霍尔位置传感器霍尔位置传感器具有稳定、可靠,频率响应宽、体积小,结构牢固,易于安装等优点,目前被广泛应用于无刷直流电动机当中。霍尔位置传感器在无刷直流电动机中起着检测转子磁极位置的作用,为功率开关电路提供正确的换相信息,即将转子磁极的位置信号转换成电信号,经位置信号处理电路处理后

44、控制定子绕组换相。由于功率开关的导通顺序与转子转角同步,因而霍尔位置传感器与功率开关一起,起着与传统有刷直流电机的机械换向器和电刷相类似的作用。 霍尔位置传感器的基本结构和电动机本体一样,也是由静止部分和运动部分组成,即位置传感器定子和位置传感器转子。其转子与电机主转子一同旋转,以指示电机主转子的位置,既可以直接利用电动机的永磁转子,也可以在转轴其他位置上另外安装永磁转子。定子是由若干个霍尔元件,按一定的间隔,等距离地安装在传感器定子上,以检测电机转子的位置。霍尔位置传感器的结构如图10所示：图10 霍尔位置传感器结构示意图霍尔位置传感器的基本功能是在电动机的每一个电周期,产生出所要求的开关状

45、态数。也就是说电动机传感器的永磁转子每转过一对磁极N、S极的转角,就要产生出与电机逻辑分配状态相对应的开关状态数,以完成电动机的一个换流全过程。如果转子充磁的极对数越多,则在360机械角度完成该换流全过程的次数也就越多。 3.3.4.2 霍尔位置传感器信号处理部分霍尔位置传感器信号处理部分的电路图如图3-9所示：图3-9霍尔位置传感器输入信号电路霍尔传感器是根据霍尔效应制作的一种磁场传感器。其安装在电机的部,是一种开关型器件,并且采用的是OC门输出的形式。要使其产生高低电平,就必须接上电阻才行。从霍尔传感器输入的信号经过阻容低通滤波后再输入到单片机中,以免杂波的干扰影响单片机的判断。RC低通滤

46、波的选取则既要考虑到通过低通滤波滤除信号高频成分的效果,又要考虑到其对从霍尔传感器输入的方波的响应情况,以尽快达到单片机输入口的门限电压,这样才符合实时采集的要求。在这里,当输入由低转高时,总电阻为5.5Kohm,电容为0.1uF,经过计算,在此键入公式输入电压上升到3V的时间是0.3ms,而在转速最大时单相霍尔传感器的输出频率是140Hz,即其输出的周期是7ms,符合条件要求。3.3.5调速信号处理部分调速信号处理部分如图3-10所示。图3-10 调速信号输入电路无刷直流电动机可以通过改变电枢电路中的外串电阻或改变加在电动机电枢上的电压来调速。其中改变电枢电压调速的方法有稳定性较好、调速围大

47、的优点。本设计调速信号部分的输入信号采用电阻式电位器控制,控制的电压围是05V,信号从引脚2经过阻容低通滤波后进入单片机的A/D模块中采样处理。通过脉宽调制来控制电动机电枢电压,实现调速。3.3.6 刹车制动信号处理部分具体电路见附录,只要按下按键,具体的刹车动作由软件以及刹车的具体机械动作共同提供。3.4 PIC16F72单片机输入信号处理与控制信号输出部分PIC16F72单片机输入信号处理与控制信号输出部分如图3-11所示。在本电路中单片机更具各个部分的工作任务不同,可以分为以下几个模块：1. 最小系统模块：包括电源电路,围电路,外部时钟震荡带电路,这是单片机能正常工作的前提；2. 功能模

48、块：包括A/D转换模块、数字输入信号处理模块、驱动信号输出模块。图3-11控制器核心部分电路原理图图3-12 核心部分PCB图图3-13 实物图3.5 PIC16F72单片机各个模块的具体工作任务1. 最小系统模块：引脚1相连的是复位电路,引脚1也是程序的高压烧写口；引脚9和引脚10分别是震荡电路的输入口和输出口,连接的是16MHz的晶振；引脚20和引脚8、引脚19是电源电路部分,分别接5V电源和地。2. 功能模块：模拟信号输入处理模块：模拟信号的处理主要是通过单片机的A/D转换模块实现的。引脚2检测流过电机的电流信号并进行A/D转换,进过运算后用于控制PWM占空比,尽可能达到电机最合适的工作

49、电流；引脚3检测电源电压,经A/D转换后经过运算判断电压是否过低,以此为依据保护电池；引脚4检测手柄的输入电压,单片机根据这个量调节电机输出的总功率,从而调节电机的速度13。数字输入信号处理模块：引脚5处理刹车信号,平时处于高电平状况,当按下刹车开关时,变为低电平,这时单片机输出刹车命令,只要当引脚5恢复成高电平状态时,在停止刹车动作；引脚15、引脚16、引脚17分别输入电机的霍尔位置信号,通过这三个信号的组合确定电机此时的转子位置,并调整输出的换相信号。引脚21为外部中断引脚,平时处于高电平状态,当出现过流时,输入信号从高电平变为低电平,中断标志位置1,由于PIC16F72只有一级中断优先级

50、,所以当中断被其他中断程序占用时,也应定时检查外部中断标志位,以免因中断时间过长而烧毁电机。驱动信号输出模块：引脚13输出PWM信号,调节电机的速度和电枢电流；引脚23、引脚24、引脚25输出逆变桥的下桥驱动信号,引脚26、引脚27、引脚28输出逆变桥的上桥驱动信号。引脚22只在电枢电流比较大的情况下才使用,具体的应用见3.6。3.6 三相驱动信号预处理部分图3-14是三相驱动信号其中A、B、C三相中的A相驱动信号预处理电路。由于这三相的驱动信号预处理电路都一样,所以只要介绍之中一相就可以了。图中上面一部分是A相上桥的驱动信号预处理电路,下面一部分是A相下桥的驱动信号预处理电路。图3-14 A

51、相驱动信号预处理电路上桥相对简单,要实现换相功能和PWM调制功能,由上桥驱动控制信号输出端A1控制。U4A的引脚1接单片机的A相上桥驱动控制信号输出端A1,引脚2接单片机PWM波输出引脚。U4A输出的是上桥换相信号和PWM波相与后的波形,也就是说输入到IR2103的引脚HIN的信号是已经经过PWM波调制过的换相信号。A1处于低电平时U4A的3脚处于低电平状态,即A相上桥处于截止状态。A1处于高电平状态表示此时往A相输出PWM驱动信号。下桥相对复杂,要实现两个功能：一个是换相,由下桥驱动控制信号输出端A2控制；还有一个是实现整流保护,由上桥驱动控制信号输出端A1、单片机整流保护控制引脚NEW_P

52、T共同控制。当只是实现下桥导通时,只要下桥驱动控制信号输出端A2从低电平跳转到高电平就可以了,这时U5B的6脚输出的低电平信号输入到IR2103的引脚LIN中,从而导通A相MOSFET的下桥。下面介绍整流保护的原理以及实现假设A相上桥处于PWM调制状态,且B相下桥导通,当PWM波形为高电平时,驱动上桥MOSFET开通,这时电流的流向为如图3-15所示的实线方向；当PWM波形由高电平往低电平跳变,导致A相上桥V1已经关断,又由于电枢绕组自感电动势的作用,此时电流的方向就变成了如图3-15所示的虚线方向。当电流的流向变成虚线流向时,这时电流都从V2的整流二极管流过,当之前电感的自感电动势很大时,这

53、时V2处流过的自感电流也很大,设V2的整流二极管处产生的压降是0.7V,这时在V2处产生的功耗P=0.7*I。当I很大时,那么V2处的功耗也就相当大了7。图3-15 V1开通和关断情况电流流向示意图整流保护的目的就是减小V2的功耗。实现的方法就是在PWM调制过程中V1关断的时候,打开V2,使整流电流从V2的MOSFET的沟道流过,而不是从整流二极管流过。MOSFET可双向导通,且导通时电阻非常小,大约为10m,这时MOSFET产生的功耗就能大大减小了,从而使MOSFET不会因为过热而烧坏。其实现的方法是当单片机的电流检测电路检测到电枢电流过大时,就将NEW_PT脚置于低电平状态,而此时A1经过

54、反相器反向后也是低电平,此时或非门U6C的输出信号就是PWM波的反相波形了。当A2也输出低电平时,或非门U5B的输出信号就成了与上桥PWM波同相的波形了。也就是说,HIN和LIN的输入PWM波是同相的。以后的叙述涉及MOSFET驱动芯片IR2103,将在3.7节继续分析整流保护。3.7 MOSFET驱动部分MOSFET驱动部分的电路原理图如图3-16所示。图3-16 MOSFET驱动部分的电路原理图图3-17 核心控制板PCB图由3.6节可知,在整流保护的情况下,输入到IR2103的HIN和LIN的PWM信号是一样的。要实现整流保护,那么当上桥关断后下桥就要导通,同时导通的情况是绝对不能出现的

55、。这时就用到了IR2103自带死区时间发生功能。如图3-18所示：图3-18 IR2103死区时间波形图这样,由于死区时间的存在,就可以在死区时间使上桥的MOSFET完全关断后,再在死区时间过后使下桥的MOSFET导通,确保两个MOSFET不会同时导通。虽然这样做会使整流保护效果打折扣,不过总体来说对MOSFET还是很有好处的,尤其在电流很大的情况下。现在介绍MOSFET驱动部分的电路原理。如图3-18所示,该部分电路可以分成两部分：MOSFET驱动电路和逆变桥电路。MOSFET驱动电路是以IR2103为核心部分的驱动电路,电容C20是自举电容,V3靠C20两端的电压维持导通。电容C20是去耦

56、电容,用于抑制MOSFET开关过程中对驱动电路浮动电源的影响。对于逆变桥电路,R38、R39和C27、C28的作用是减慢MOSFET的开启速度,使MOSFET的栅源级电压上升波形不至于太陡峭,防止上下桥同时导通的情况出现,但也要注意的是MOSFET的开通和关闭时间都应该在死区的围。第四章软件设计4.1 软件设计的总体思路简介本文对电动自行车车用无刷直流电机控制器的控制原理进行了详细分析,依据无刷直流电机的特性,无刷直流电机控制器的软件设计包含以下几部分功能的设计：调速功能、限流保护功能、过流保护功能、刹车功能、欠压保护功能和电机换相功能。实现这几部分功能的具体方式是根据输入模块的重要性和实时性

57、的具体要求,以不同的频率度定时检测硬件设计中所述的各输入模块的输入信号,并经过处理器运算后执行输出。 具体的执行方式是以定时的方式来实现的：对输入信号来说,不同的功能模块根据其实时性的具体要求,确定其不同的定时检测时间；而对输出信号来说,由于其实时性的要求,设计中断的程序不能过于的冗长,所以当检测到其中的一项触发的任务时,则需要设定相应的标志位,待其退出中断程序后再执行此任务。 从无刷直流电机本身的特性和电动自行车的特性的两个方面考虑,对输入信号,逆变桥电流检测、过流中断保护检测以及电机的相序检测这三个模块对实时性的要求很高,要定时且频繁地检测,基本上是每128us就要进行定时中断检测一次。调

58、速功能、刹车功能以及欠压保护功能则对实时性的要求不是很高,只要每隔10ms到50ms定时检测一次就可以了；对与信号相应的及时性来说,过流中断标志功能、刹车功能以及限流保护功能因其对响应的要求高、执行的时间少,所以可以在定时中断程序中直接执行,而调速功能、欠压保护功能以及电机换相功能则因其对响应的要求高而且完成程序执行所需要的时间比较长,所以只在中断程序中设定标志位,具体的程序执行则根据在中断程序中设定的标志位在主程序中执行7。4.2 中断程序处理中断程序处理的事情包括判断是过流保护中断还是定时中断并各自做相应的处理、电路换相信息的判断并输出换相信号、电流信号的采集并数模转换、根据计数器判断是否

59、设定刹车信号采集标志、调速信号采集标志或电压信号采集标志。4.2.1 单片机中断资源本设计中应用到的PIC单片机的中断源有:外部触发中断INT,定时器TMRO溢出中断,定时器TMR1溢出中断,定时器TAM溢出中断,A/D转换中断,CCP中断。其中外部触发中断INT, TMRO溢出中断为第一级中断,TMR1溢出中断,TMR2溢出中断,A/D转换中断,CCP中断为第二级中断。所有中断源都受全局中断屏蔽位C正的控制;第一级中断源不仅受全局中断屏蔽位的控制,.还受各自中断屏蔽位的控制;第二级中断源不仅受全局中断屏蔽位和各自中断屏蔽位的控制,还要额外受到一个外设中断屏蔽位PEIE的控制PIC单片机只有一

60、个中断向量,没有中断优先级别之分,也没有类似51系列、AVR系列单片机的PUSH和POP指令.当总中断允许位GIE有效时,任何一个中断标志位有效都会将PC指针指向中断向量0004H处.因此中断处理一般分为以下几步: 保存临时寄存器W、状态寄存器STATUS、指针寄存器PCLATH的值; 逐个判断可能产生中断的中断标志位和中断允许位,只有二者同时有效时才执行相应的中断服务程序; 中断返回时恢复这三个寄存器的值。4.2.2 定时器资源分配定时器/计数器的作用:检测外部电路送来的一系列方波信号的脉宽、周期或者频率:对外部事件产生的触发信号进行准确地计数计时。PIC16F72配置了3个定时器/计数器模

61、块:TMRO、TMR1、TMR2。 TMRO:8位宽,有一个可选的预分频器,用于通用目的。 TMR1:16位宽,有一个可编程的预分频器和一个可选的低频时基振荡器.适合与CCP 捕捉/比较/脉宽调制模块配合使用来实现输入捕捉或输出比较功能。 TMR2:8位宽,有一个可编程的预分频器和一个可编程的后分频器,还附带一个周期寄存器和比较器,适合与CCP模块配合使用来实现PWM脉冲宽度调制信号的产生。这时,应通过将中断使能位TMR2清0,把TMR2的中断功能屏蔽掉,同时也把后分频器的作用屏蔽掉;通过向周期寄存器PR2中写入不同的值,以及给预分频器设定不同的分频比,来灵活调整TMR2输出端的信号周期.根据

62、三个定时器的特点,在程序中将资源分配如下: TMR0:计算助力传感器送出的高低电平持续时间;用做欠压保护5秒钟的定时器;计算电机换相时间。 TMR1:做为跳出自检模式2秒钟时间的定时器;通过改变定时时间,控制PWM占空比输出;用于模式转换按键的时间判断;用于堵转保护的时间判断。 TMR2:控制自检模式下LED SPEED闪烁的频率;用做周期可调的时基发生器,为PWM提供周期可调的时基信号。4.3.3 MOD键处理模块模式转换由外部中断1NT完成,电机正常运转时始终允许MOD键中断。自检完成后,若工作条件正常,启动电机,进入电动模式,此时按下MOD键,按键标志位KMOD FLAG置1,在T1中断服务子程序中判断,若按下MOD键小于2秒,则进入助力模式:若按下MOD键2-3秒进入定速模式。在助力或定速模式下按下MOD键,返回电动模式。