電動(dòng)摩托車用無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

摘要：根據(jù)無刷直流電機(jī)的工作原理，設(shè)計(jì)了一種以PIC16F737單片機(jī)為控制核心的電動(dòng)摩托車用無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)詳細(xì)的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)摩托車定速和調(diào)速兩種工作模式的選擇。實(shí)驗(yàn)證明該設(shè)計(jì)方案控制電路簡潔，器件少，成本低，保護(hù)措施可靠，提高了系統(tǒng)的控制精度，對無刷直流電機(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。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)；PIC16F737；電動(dòng)摩托車；控制系統(tǒng)

 無刷直流電機(jī)(Brushless DC  Motor，BLDCM)是隨著新型電力電子器件和永磁材料的發(fā)展而成熟起來的一種新型電機(jī)，它屬于同步電機(jī)的范疇，既具有交流電機(jī)運(yùn)行可靠的優(yōu)點(diǎn)，又具有傳統(tǒng)有刷直流電機(jī)優(yōu)越的調(diào)速性能，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。
 隨著人們生活水平及環(huán)保意識(shí)的不斷提高，具名“綠色化”發(fā)展理念的新型電動(dòng)交通工具將在世界各地大行其道，電動(dòng)摩托車必將成為人類的主要代步工具之一。采用無刷直流電機(jī)的電動(dòng)摩托車作為綠色環(huán)保交通工具，具有操作簡單、騎乘舒適、維護(hù)方便、污染小和噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。
 PIC系列單片機(jī)是采用精簡指令集RISC技術(shù)、哈佛總線和兩級指令流水線結(jié)構(gòu)的高性能價(jià)格比的8位嵌入式控制器(Embedded Controll  er)。在此研究的電動(dòng)摩托車控制系統(tǒng)是一個(gè)以PIC16F737單片機(jī)為核心，無刷直流電機(jī)為控制對象的系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
 控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

主要組成部分：
1)主控模塊：由PIC16F737單片機(jī)、+5 V電源及外圍輔助電路組成。
 2)輸入電路：由位置信號(hào)檢測、電流信號(hào)檢測電路、轉(zhuǎn)把剎車信號(hào)采集電路組成。
 3)輸出電路：由IR2110為核心的驅(qū)動(dòng)電路和逆變電路組成。
4)保護(hù)電路：由過流保護(hù)電路、過壓保護(hù)電路及報(bào)警電路等組成。
 工作原理：單片機(jī)作為控制核心將位置檢測、電流檢測的信號(hào)處理輸出對應(yīng)的PWM波經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)6個(gè)功率場效應(yīng)管，由其組成的三相全橋驅(qū)動(dòng)電路對電機(jī)進(jìn)行控制，因此可以對電機(jī)進(jìn)行位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的三閉環(huán)控制。當(dāng)剎車信號(hào)出現(xiàn)或電機(jī)出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)而引起電流超限時(shí)，單片機(jī)立刻切斷逆變電路；當(dāng)電池電壓低于設(shè)定時(shí)，自動(dòng)切斷電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，以防電池過放電而損壞。
1．1  系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
1)主控模塊
 單片機(jī)外接口電路如圖2所示。主要包括：電流采樣包括瞬時(shí)電流采樣信號(hào)輸入量接RA0口，平均電流采樣信號(hào)輸入量接RA1口；過流保護(hù)中斷請求連接單片機(jī)的RB0口；電池電量檢測信號(hào)接RB1口，48  V電壓對應(yīng)的采集電壓是2．66 V，低于40 V時(shí)對應(yīng)的采集電壓是2．1  V此時(shí)需要保護(hù)；轉(zhuǎn)把調(diào)速模擬輸入量接RB3口，制動(dòng)手柄模擬輸入量接RA2口；附加功能輸入包括報(bào)警和巡航，輸入量分別接RA5口和RB2口；3個(gè)霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器輸入Ha、Hb、Hc信號(hào)分別接RB7口、RB6口、RB5口；逆變電路中功率開關(guān)管驅(qū)動(dòng)輸出，實(shí)現(xiàn)無刷電機(jī)電子換向及無級調(diào)速。

2)輸入電路
①霍爾信號(hào)輸入
 轉(zhuǎn)子位置檢測電路在系統(tǒng)中的作用有兩個(gè)：檢測電機(jī)定、轉(zhuǎn)子的相對位置為逆變電路提供正確的換相信號(hào)；通過檢測某路霍爾脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)，計(jì)算后轉(zhuǎn)換為速度信號(hào)，構(gòu)成速度反饋環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)的位置信號(hào)采樣是通過無刷直流電動(dòng)機(jī)本身自帶的霍爾元件來檢測的，由于霍爾元件是集電極開路輸出，其輸出信號(hào)經(jīng)過上拉電阻得出位置方波信號(hào)，再經(jīng)過隔離電路送到單片機(jī)的引腳(U2—29、U2—30、U2—31)進(jìn)行位置信號(hào)的捕捉，如圖3所示。

②電流檢測電路
 該電流檢測電路由2個(gè)LM358運(yùn)算放大器組成，如圖4所示。其中一個(gè)構(gòu)成了電壓比較器，把檢測的電流信號(hào)與已知電壓比較，得到過流輸出信號(hào)，過流時(shí)比較器翻轉(zhuǎn)觸發(fā)單片機(jī)中斷，及時(shí)關(guān)斷功率開關(guān)管形成保護(hù)電路。內(nèi)部電流環(huán)電流通過另外一個(gè)由LM358運(yùn)算放大器構(gòu)成的同相比例放大電路來獲得，經(jīng)放大后轉(zhuǎn)化為與電流成正比的電壓信號(hào)送入單片機(jī)PA2口。

3)輸出電路
①逆變電路設(shè)計(jì)
 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，決定開啟或關(guān)閉逆變器中功率晶體管的順序來控制，如圖5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，并與轉(zhuǎn)子磁鐵產(chǎn)生的磁場相互作用，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)，控制部分又再開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)。

②IR2110驅(qū)動(dòng)電路
 IR2110芯片是一種雙通道、柵極驅(qū)動(dòng)、高壓高速功率器件的單片式集成驅(qū)動(dòng)模塊。如圖6所示，是由IR2110組成的無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理圖(單橋臂)。此驅(qū)動(dòng)電路采用以3片IR2110為中心的6個(gè)N溝道的MOSFET管組成的三相全橋逆變電路，上橋臂采用PWM調(diào)制的控制方式；下橋臂采用固定角度控制方式，由此驅(qū)動(dòng)無刷直流電動(dòng)機(jī)。

1．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
 軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分，它將直接決定了整個(gè)控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量和它的效率，決定系統(tǒng)輸出信號(hào)的特性，包括電流大小及穩(wěn)定度、諧波含量、保護(hù)功能的完善、可靠性等。PIC芯片是在其專門的軟件開發(fā)環(huán)境Mplab進(jìn)行程序編寫與仿真的，這給開發(fā)者設(shè)計(jì)調(diào)試程序帶來了極大的方便。該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)重點(diǎn)是主程序和中斷服務(wù)程序，流程圖如圖7所示，主程序?qū)崿F(xiàn)了各變量和芯片的初始化、巡航模式非巡航模式2種工作模式的選擇；中斷服務(wù)程序包括過流欠壓中斷子程序、A／D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)子程序、剎車中斷子程序。

2 結(jié)束語
 文中所設(shè)計(jì)的基于PIC16F737的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單、保護(hù)功能完善、軟件采用模塊化設(shè)計(jì)、易于用戶二次開發(fā)、系統(tǒng)可靠性強(qiáng)、調(diào)試方便等特點(diǎn)。本文的創(chuàng)新點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的調(diào)速及定速兩種工作模式的選擇，同時(shí)從軟硬件2個(gè)方面實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的欠壓保護(hù)，過流保護(hù)。整個(gè)系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中啟動(dòng)平穩(wěn)、帶載能力強(qiáng)、能夠?qū)崿F(xiàn)快速精準(zhǔn)的調(diào)速、現(xiàn)場運(yùn)行良好。