基于PIC單片機(jī)的電動(dòng)自行車(chē)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：介紹以單片機(jī)PICl6F72為核心的電動(dòng)自行車(chē)用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)采用電流與速度雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，其中電流調(diào)節(jié)器用傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器，速度調(diào)節(jié)器為改進(jìn)的PI調(diào)節(jié)器。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)方案的可行性和優(yōu)越性，即控制電路簡(jiǎn)潔，器件少，成本低，保護(hù)措施可靠，提高了系統(tǒng)的控制精度。該設(shè)計(jì)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用有一定的幫助和借鑒，具有廣泛的現(xiàn)實(shí)意義。該系統(tǒng)速度環(huán)采用改進(jìn)型的PI調(diào)節(jié)器控制，且通過(guò)軟件運(yùn)用算法測(cè)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速反饋，既簡(jiǎn)化電路又節(jié)省成本。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)自行車(chē)；控制系統(tǒng)；無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；PIC16F72；PID控制

0 引 言
隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，人們生活水平的提高，環(huán)境保護(hù)和能源節(jié)約問(wèn)題已經(jīng)越來(lái)越受到重視，開(kāi)發(fā)“零污染”、高效率的綠色環(huán)保電動(dòng)自行車(chē)代替已成為一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，且具有良好的發(fā)展前景。近年來(lái)，無(wú)刷直流電機(jī)(BLDCM)以其體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率密度高，輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)性能好等特點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用。在電機(jī)的數(shù)字調(diào)速控制中，選擇高效可靠的單片機(jī)將使控制系統(tǒng)的硬件電路簡(jiǎn)單可靠、軟件編制方便，系統(tǒng)整體性能得以提高。
PIC系列單片機(jī)是采用精簡(jiǎn)指令集RISC技術(shù)、哈佛總線和兩級(jí)指令流水線結(jié)構(gòu)的高性能價(jià)格比的8位嵌入式控制器(Embedded Controller)。在此研究的電動(dòng)自行車(chē)控制系統(tǒng)是一個(gè)以PIC16F72單片機(jī)為核心，無(wú)刷直流電機(jī)為控制對(duì)象的系統(tǒng)。

1 PIC16F72單片機(jī)的功能簡(jiǎn)介
PIC16F72單片機(jī)內(nèi)部有2 KB的FLASH程序存儲(chǔ)器和128 B的RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；不僅采用精簡(jiǎn)指令集RISC技術(shù)，而且還采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，兩級(jí)流水線操作，提高了指令執(zhí)行速度。
此外它還具有22個(gè)I／O引腳，與電源掉電復(fù)位的功能，內(nèi)置的外圍含3個(gè)定時(shí)器(Timer0～Timer2)、一個(gè)捕捉／比較／PWM(CCP)模塊和一個(gè)同步串行通信端口SSP。該系統(tǒng)利用PIC單片機(jī)此脈寬調(diào)制模塊輸出脈寬可調(diào)的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速。

2 電動(dòng)自行車(chē)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案
2．1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與原理
這里設(shè)計(jì)的電動(dòng)自行車(chē)控制系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：以PIC16F72單片機(jī)為主控電路，其主要功能是完成電機(jī)的起動(dòng)、換相、調(diào)速、制動(dòng)等控制并實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)、電池的保護(hù)；以IR2132S為核心的驅(qū)動(dòng)、逆變電路，其主要功能是利用IR2131S的自舉技術(shù)驅(qū)動(dòng)功率MOSFET管控制電機(jī)電流；位置信號(hào)處理電路、電流信號(hào)處理電路以及一些外圍保護(hù)、輔助電路，其主要功能有完成對(duì)信號(hào)的采樣、對(duì)電路的供電、提供顯示信號(hào)、發(fā)出報(bào)警信號(hào)等功能。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)的基本原理是：PIC單片機(jī)的PWM輸出端口經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)6個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管，由其組成的三相全橋驅(qū)動(dòng)電路對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，位置檢測(cè)和電流檢測(cè)形成負(fù)反饋，位置檢測(cè)的同時(shí)可以計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)，因此可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的三閉環(huán)控制。位置參數(shù)由無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)自帶的霍爾元件測(cè)出，并由PIC16F72的C端口進(jìn)行捕捉定位，反饋的電流量是通過(guò)檢測(cè)旁路電阻上的壓降實(shí)現(xiàn)的，由PIC自帶的A／D進(jìn)行采樣、轉(zhuǎn)換。無(wú)刷直流電機(jī)的速度、電流雙閉環(huán)控制如圖2所示。