无刷直流电动机控制系统设计方案
第1章 概 述
1.1 无刷直流电动机的发展概况
无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的，这一渊源关系从其名称中就可以看出来。有刷直流电动机从19世纪40年代出现以来，以其优良的转矩控制特性，在相当长的一段时间内一直在运动控制领域占据主导地位。但是，有机械接触电刷-换向器一直是电流电机的一个致命弱点，它降低了系统的可靠性，限制了其在很多场合中的使用。为了取代有刷直流电动机的机械换向装置，人们进行了长期的探索。早在1917年，Bolgior就提出了用整流管代替有刷直流电动机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想。
1955年美国的D.Harrison等首次申请了用晶体管换相线路代替有刷直流电动机的机械电刷的专利，标志着现代无刷直流电动机的诞生。
无刷直流电动机的发展在很大程度上取决于电力电子技术的进步，在无刷直流电动机发展的早期，由于当时大功率开关器件仅处于初级发展阶段，可靠性差，价格昂贵，加上永磁材料和驱动控制技术水平的制约，使得无刷直流电动机自发明以后的一个相当长的时间内，性能都不理想，只能停留在实验室阶段，无法推广使用，1970年以后，随着电力半导体工业的飞速发展，许多新型的全控型半导体功率器件(如GTR、MOSFET、IGBT等)相继问世，加之高磁能积永磁材料(如SmCo、NsFeB)陆续出现，这些均为无刷直流电动机广泛应用奠定了坚实的基础，无刷直流电动机系统因而得到了迅速的发展。在1978年汉诺威贸易博览会上，前联邦德国的MANNESMANN公司正式推出了 MAC无刷直流电动机及其驱动器，引起了世界各国的关注，随即在国际上掀起了研制和生产无刷直流系统的热潮，这业标志着无刷直流电动机走向实用阶段。
随着人们对无刷直流电动机特性了解的日益深入，无刷直流电动机的理论也逐渐得到了完善。1986年，H.R.Bolton对无刷直流电动机作了全面系统的总结，指出了无刷直流电动机的研究领域，成为无刷直流电动机的经典文献，标志着无刷直流电动机在理论上走向成熟。
我国对无刷直流电动机的研究起步较晚。1987年，在北京举办的联邦德国金属加工设备展览会上，SIEMENS和BOSCH两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了国内有关学者的广泛注意，自此国内掀起了研制开发和技术引进的热潮。经过多年的努力，目前，国内已有无刷直流电动机的系列产品，形成了一定的生产规模。
1.2 无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较
表1-1 无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较
1.3 无刷直流电动机的结构及基本工作原理
1.无刷直流电动机转矩分析
电机本体的电枢绕组为三相星型连接，位置传感器与电机转子同轴，控制电路对位置信号进行逻辑变换后产生控制信号，控制动信号经驱动电路隔离放大后控制逆变器的功率开关管，使电机的各相绕组按一定的顺序工作。
图1-1 无刷直流电动机工作原理示意图
如图1-1所示，当转子旋转(顺时针)到图a所示的位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使T1、T6 导通，即A、B两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经T1流入A相绕组，再从B相绕组流出，经T6回到电源的负极，此时定转子磁场相互作用，使电机的转子顺时针转动。
当转子在空间转过60电角度，到达图b所示位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使T1、T2导通，A、C两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经T1流入A相绕组，再从C相绕组流出，经T2回到电源负极。此时定转子磁场相互作用，使电机的转子继续顺时针转动。
转子在空间每转过60电角度，逆变器开关就发生一次切换，功率开关管的导通逻辑为T1、T6—T1、T2—T3、T2—T3、T4—T5、T4—T5、T6—T1、T6。
在次期间，转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用，沿顺时针方向连续旋转。
转子在空间每转过60电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁场的磁状态就发生一次跃变。可见，电机有6种磁状态，每一状态有两相导通，每相绕组的导通时间对应于转子旋转120电角度。无刷直流电动机的这种工作方式叫两相导通星型三相六状态，这是无刷直流电动机最常用的一种工作方式。
2.无刷直流电动机与输出开关管换流信号
无刷直流电动机的位置一般采用三个在空间上相隔120电角度的霍尔位置传感器进行检测，当位于霍尔传感器位置处的磁场极性发生变化时，传感器的输出电平将发生改变，由于三个霍尔传感器位检测元件的位置在空间上各差120电角度，因此从这三个检测元件输出端可以获得三个在时间上互差120度、宽度为180度的电平信号，分别用A、B、C来表示，如图1-2所示，以信号A为例，A相位置宽度为180电导角：在0-60度，T1必须导通，故T1状态为1，而C相还剩下60度通电宽度，所以此段时间为T1和T6等于1，(此时下部可供导通的管子为T4、 T6和T2，而为避免桥臂直通，T4不能导通;T2的导通时间未到，故只能是T6导通);而在60度—120度，此时只有A相通电，B和C相处于非导电期，故导通的开关管为T1和T2(T1和T2等于1)，其中T2是为B相导电作准备;而在120度—180度时，由于 每一相只有120电导角导电时间，故此时T1关断(T1=0)，T2仍然导通(B相开始进入导电期)，此时可知，T1关断，T5不能开通(防止桥臂直通)，则此时只能开通T3，所以T3信号此时间段为1。其他时间段的开关管导通情况与此类似。
理论上，只要保证三个位置传感器在空间上互差120度，开关管的换流时刻总是可以推算出来的。然而，为了简化控制电路，每个霍尔传感器的起始安装位置在各自相绕组的基准点(r0=00)上.那么在r0=00的控制条件下，A相绕组开始通电的时刻(即该相反电势相位30度位置)恰好与A相位置传感器输出信号A的电平跳变时刻重合，此时应将T1开关管驱动导通。同理，其他开关管的导通时刻也可以按同样方法确定。
本设计选用的是三相无刷永磁直流电动机，其额定电压UH=36V，电枢额定电流IaH=8.5A，电枢峰值电流IaP 15A，额定转速nH=350r/min，额定功率PH=250W。
图1-2 无刷电动机位置检测及开关管驱动信号
表1-2 无刷电动机直流通电控制方式开关切换表
1.4 无刷直流电动机的运行特性
1.4.1 机械特性
无刷直流电动机的机械特性为：
(1-1)
UT-开关器件的管压降
Ia-电枢电流
Ce-电机的电动势常数
-每级磁通量
可见无刷直流电动机的机械特性与一般直流电动机的机械特性表达式相同，机械特性较硬。在不同的供电电压驱动下，可以得到如1-3图所示机械特性曲线簇。
图1-3 机械特性曲线簇
当转矩较大、转速较低时，流过开关管和电枢绕组的电流很大，这时，管压降随着电流增大而增加较快，使在电枢绕组上的电压有所减小，因而图所示的机械特性曲线会偏离直线，向下弯曲。
1.4.2 调节特性
无刷直流电动机的调节特性如图1-4所示。
图1-4 调节特性
调节特性的始动电压和斜率分别为：
(1-2)
(1-3)
从机械特性和调节特性可以看出，无刷直流电动机与一般直流电动机一样，具有良好的调速控制性能，可以通过调节电源电压实现无级调速。但不能通过调节励磁调速，因为永磁体的励磁磁场不可调。
1.4.3 工作特性
电枢电流与输出转矩的关系、效率输出转矩的关系如图1-5所示。
图1-5 工作特性
在输出额定转矩时，电机效率高、损耗低是无刷直流电动机的重要特点之一。
1.5 无刷直流电动机的应用与研究动向
现阶段，虽然各种交流电动机和直流电动机在传动应用中占主导地位，但无刷直流电动机正受到普遍的关注。自20世纪90年代以来，随着人们生活水平的提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都越来越趋向于高效率化、小型化及高智能化，作为执行元件的重要组成部分，电机必须具有精度高、速度快、效率高等特点，无刷直流电机的应用也因此而迅速增长。尤其在节能已成为时代主题的今天，无刷直流电机高效率的特点更显示了其巨大的应用价值。
无刷直流电机转子采用永久磁铁，其产生的气隙磁通保持为常值，因而特别适用于恒转矩运行;对于恒功率运行，无刷直流电机虽然不能直接改变磁通实现弱磁控制，但通过控制方法的改进也可以获得弱磁控制的效果。由于稀土永磁材料的矫顽力高、剩磁大，可产生很大的气隙磁通，这样可以大大缩小转子半径，减小转子的转动惯量，因而在要求有良好的静态特性和高动态响应的伺服驱动系统中，如数控机床、机器人等应用中，无刷直流电机比交流伺服电机和直流伺服电机显示了更多的优越性。目前无刷直流电机的应用范围已遍及国民经济的各个领域，并日趋广泛，特别是在家用电器、电动汽车、航空航天等领域已得到大量应用。
目前，无刷直流电机的研究主要集中在以下方面：
(1)无机械式转子位置传感器控制。
转子位置传感器是整个驱动系统中最为脆弱的部件，不仅增加了系统的成本和复杂性，而且降低系统的可靠性和抗干扰能力，同时还需要占据一定的空间位置。在很多应用场合，例如空调器和计算机外设都要求无刷直流电动机以无转子位置传感器方式运行。
无转子位置传感器运行实际上就是要求在不采用机械传感器的条件下，利用电机的电压和电流信息获得转子磁极的位置.
目前比较成熟的无转子位置传感器运行方式有：
1 反电动势法——包括直接反电动势法、间接反电动势法以及派生出来的反电动势积分法等。
2 定子三次谐波检测法。
3 续流二极管电流通路检测法。[#page#]
但现有方法都存在各自的局限性，仍在不断完善之中。
(1)转矩脉动控制。
存在转矩脉动是无刷直流电动机的固有缺点，特别是随着转速升高，换相导致转矩脉动加剧，并使平均转矩显著下降。减小转矩脉动是提高无刷直流电动机性能的重要方面。
(2)智能控制。
随着信息技术和控制理论的发展，在运动控制领域中，一个新的发展方向就是先进控制理论，尤其是智能控制理论的应用。目前，专家系统、模糊逻辑控制和神经网络控制是三个最主要的理论和方法。其中，模糊控制是把一些具有模糊性的成熟经验和规则有机地融入到传动控制策略当中，现已成功地应用到许多方面。随着无刷直流电动机应用范围的扩大，智能控制技术将受到更广泛的重视。
第2章 无刷直流电动机控制系统设计方案
2.1 无刷直流电动机系统的组成
无刷直流电动机(Brushless DC Motor，简称BLDCM)是一种典型的机电一体化产品，它是由电动机本体、位置检测器、逆变器和控制器组成的自同步电动机系统或自控式变频同步电动机.位置检测器检测转子磁极的位置信号，控制器对转子位置信号进行逻辑处理并产生相应的开关信号，开关信号以一定的顺序触发逆变器中的功率开关器件，将电源功率以一定的逻辑关系分配给电动机定子各相绕组，使电动机产生持续不断的转矩.
现对无刷直流电动机各部分的基本结构说明如下。
1.电机本体
无刷直流电动机最初的设计思想来自普通的有刷直流电动机，不同的是将直流电动机的定子、转子位置进行了互换，其转子为永磁结构，产生气隙磁通;定子为电枢，有多相对称绕组。原直流电动机的电刷和机械换向器被逆变器和转子位置检测器所代替。所以无刷直流电动机的电机本体实际上是一种永磁同步电机。由于无刷直流电动机的电机本体为永磁电机，所以无刷直流电动机也称为永磁无刷直流电动机。
定子的结构与普通同步电动机或感应电动机相同，铁心中嵌有多相对称绕组。绕组可以接成星形或三角形，并分别与逆变器中的各开关管相连，三相无刷直流电动机最为常见。
2.逆变器
目前，无刷直流电动机的逆变器主开关一般采用IGBT或功率MOSFET等全控型器件，有些主电路已有集成的功率模块(PIC)和智能功率模块(IPM)，选用这些模块可以提高系统的可靠性。
无刷直流电动机定子绕组的相数可以有不同的选择，绕组的连接方式也有星形和角型之分，而逆变器又有半桥型和全桥型两种。不同的组合使电动机产生不同的性能和成本。综合以下三个指标有助于我们做出正确的选择：
(1)绕组利用率。
与普通直流电动机不同，无刷直流电动机的绕组是断续通电的。适当地提高绕组利用率将可以使同时通电的导体数增加，使电阻下降，效率提高。从这个角度来看，三相绕组优于四相和五相绕组。
(2)转矩脉动。
无刷直流电动机的输出转矩脉动比普通直流电动机的转矩脉动大。一般相数越多，转矩的脉动越小;采用桥式主电路比采用非桥式主电路的转矩脉动小。
(3)电路成本。
相数越多，逆变器电路使用的开关管越多，成本越高。桥式主电路所用的开关管比半桥式多一倍，成本要高;多相电动机的逆变器结构复杂，成本也高。因此，目前以星形连接三相桥式主电路应用最多。
3.位置检测器
位置检测器的作用是检测转子磁极相对与定子绕组的位置信号，为逆变器提供正确的换相信息。位置检测包括有位置传感器和无位置传感器检测两种方式。
转子位置传感器也由定子和转子两部分组成，其转子与电机本体同轴，以跟踪电机本体转子磁极的位置;其定子固定在电机本体定子或端盖上，以检测和输出转子位置信号。转子位置传感器的种类包括磁敏式、电磁式、光电式、接近开关式、正余弦旋转变压器式以及编码器等。
在无刷直流电动机系统中安装机械式位置传感器解决了电机转子位置的检测问题。但是位置传感器的存在增加了系统的成本和体积，降低了系统可靠性，限制了无刷直流电动机的应用范围，对电机的制造工艺也带来了不利的影响。因此，国内外对无刷直流电动机的无位置运行方式给予高度重视。
无机械式位置传感器转子位置检测是通过检测和计算与转子位置有关的物理量间接地获得转子位置信息，主要有反电动势检测法、续流二极管工作状态检测法、定子三次谐波检测法和瞬时电压方程法等。
4.控制器
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：
(1)对转子位置检测器输出的信号、PWM调制信号、正反转和停车信号进行逻辑综合，为驱动电路提供各开关管的斩波信号和选通信号，实现电机的正反转及停车控制。
(2)产生PWM调制信号，使电机的电压随给定速度信号而自动变化，实现电机开环调速。
(3)对电动机进行速度闭环调节和电流闭环调节，使系统具有较好的动态和静态性能。
(4)实现短路、过流、过电压和欠电压等故障保护电路。
2.2 无刷直流电动机控制系统设计方案
2.2.1 设计方案比较
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，应用范围广，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:对各种输入信号进行逻辑综合，为驱动电路提供各种控制信号;产生PWM脉宽调制信号，实现电机的调速;实现短路、过流、欠压等故障保护功能。
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MOTOLORA公司研制的专用集成电路MC33035，其针对无刷电机的控制要求，将控制逻辑集成在芯片内，一般该类控制器称为模拟式控制器，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，根据电机内的位置传感器(霍尔传感器)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。
本设计采用单片机作为主控芯片，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。
近几年，国外一些大公司纷纷推出较MCU性能更加优越的DSP(数字信号处理器)芯片电机控制器，如ADI公司的ADMC3xx系列，TI公司的TMS320C24
系列及Motorola公司的DSP56F8xx系列，都是由一个以DSP为基础的内核，配以电机控制所需的外围功能电路，集成在单一芯片内，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，在广大的民用市场无法大规模推广应用。
无刷电机控制方法主要分为有位置传感器控制和无位置传感器控制两种。在有位置传感器的控制方法中，现今，由于霍尔传感器性价比高，安装
方便，被广泛应用作为无刷直流电机的位置传感器。当前，国内外对无刷直流电机无位置传感器的控制方法主要有反电势法、定子三次谐波法、续流二极管检测法、脉冲检测法神经网络控制法等。但是由于无位置传感器控制方法在低速时无法实现精确的速度调制，所以现阶段在电动车领域只是处于研究阶段，无法推广到工业生产当中。
2.2.2 无刷直流电动机控制系统组成框图
基于2.2.1节的考虑，可绘出无刷直流电动机控制系统框图，如图2-1所示:
图2-1 电动机驱动控制框图
(1)微控制器
主要功能是根据电动机旋转方向的要求和来自霍尔转子位置传感器的三个输出信号，将它们处理成功率驱动单元的六个功率开关器件所要求的驱动顺序。微控制器的另一个重要作用是根据电压、电流和转速等反馈模拟信号，以及随机发出的制动信号，经过AD变换和必要的运算后，借助内置的时钟信号产生一个带有上述各种信息的脉宽调制信号。
(2)功率驱动单元
主要包括功率开关器件组成的三相全桥逆变电路和自举电路。自举电路由分立器件构成的，也可以采用专门的集成模块等高性能驱动集成电路。
(3)位置传感器
位置传感器在无刷直流电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息。
(4)周边辅助、保护电路
主要有电流采样电路、电压比较电路、过电流保护电路、调速信号和制动信号等输入电路。
第3章 无刷直流电动机硬件设计
3.1 逆变主电路设计
3.1.1 功率开关主电路
图3-1 功率开关主电路原理图
逆变器将直流电转换成交流电向电机供电。与一般逆变器不同，它的输出频率不是独立调节的，而是受控于转子位置信号，是一个“自控式逆变器”。由于采用自控式逆变器，无刷直流电动机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，电机和逆变器不会产生振荡和失步，这也是无刷直流电动机的重要优点之一。
3.1.2 逆变开关元件选择和计算
MOSFET在1960年由贝尔实验室(Bell Lab.)的D. Kahng和 Martin Atalla首次实验成功，这种元件的操作原理和1947年萧克莱(William Shockley)等人发明的双载子晶体管(Bipolar Junction 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。
表3-1对IGBT、GTR、GTO 和电力MOSFET的优缺点的比较
通过上述的比较，我选择MOSFET。
电枢额定电流IaH=8.5A，因为每个控制元件导通120o，所以控制元件的峰值电流可以由以下方程算出。
，通过计算可得I=25.5A，
额定电压UH=36V，峰值电压应有一个百分之40的余量所以 UM=UH*1.4=36*1.4=50.4V
通过以上计算，可得出选择的MOSFET峰值电流为25A，峰值电压为50V。
3.2 逆变开关管驱动电路设计
3.2.1 IR2110功能介绍
(1) IR2110的特点有：输出驱动隔离电压可达500V;芯片自身的门输入驱动范围为10~20V;输入端带施密特触发电器;可实现两路分立的驱动输出，可驱动高压高频器件，如IGBT、功率MOSFET等，且工作频率高可达500KHz ，开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns;逻辑电源的输入范围(脚9)5~15V，可方便的与TTL，CMOS电平相匹配。
(2) IR2110 主要功能及技术参数
IR2110 采用CMOS 工艺制作，逻辑电源电压范围为5 V～20 V ，适应TTL 或CMOS 逻辑信号输入，具有独立的高端和低端2 个输出通道。由于逻辑信号均通过电平耦合电路连接到各自的通道上，容许逻辑电路参考地(USS) 与功率电路参考地(COM) 之间有- 5 V和+ 5 V 的偏移量，并且能屏蔽小于50 ns 的脉冲，这样有较理想的抗噪声效果。采用CMOS 施密特触发输入，以提高电路抗干扰能力。
IR2110 浮置电源采用自举电路，其高端工作电压可达500 V ，工作频率可达到500 kHz。两路通道均带有滞后欠压锁定功能。其推荐典型工作参数如表3-2所示。
表3-2 IR2110 工作参数
(3)IR2110内部功能如图3-2所示：
图3-2 IR2110内部框图
LO (引脚1) :低端输出
COM(引脚2) :公共端
Vcc(引脚3) :低端固定电源电压
Nc (引脚4) :空端
Vs (引脚5) :高端浮置电源偏移电压
VB (引脚6) :高端浮置电源电压
HO (引脚7) :高端输出
Nc (引脚8) :空端
VDD(引脚9) :逻辑电源电压
HIN(引脚10):逻辑高端输入
SD (引脚11):关断
LIN(引脚12):逻辑低端输入
Vss(引脚13):逻辑电路地电位端，其值可以为0V
Nc (引脚14):空端[#page#]
功能概述
IR2110驱动器将逻辑输入信号送到相应的低阻抗输出。高端输出HO和低端基准输出LO分别以浮置电位
当VDD低于欠电压阀值时，欠电压UV检测电路关闭两路输出。同样，当
低端延时电路可简化控制脉冲定时要求，两路输出的传播延时匹配的。当Vs为500V或接近500V时，高端功率MOSFET关断。输出驱动MOSFET接成源极跟随器，另一只输出驱动MOSFET接成共源极电路，高端的脉冲发生器驱动HV电平转化器并触发RS闩锁置位或复位。由于每个高电压DMOS电平转换器仅在
很狭窄的脉冲持续期内才导通，所以功率很低。
3.2.2 自举电路原理
图3-3 驱动电路
以一相为例，如图3-3所示，当下管导通上管截止时，IR2110LO输出为高，HO为低，隔离二极管导通，自举电容C8充电，三极管C极电压近似等于电源正极电压;当下管截止上管导通时，隔离二极管D2截止，自居电容C8储存的电荷给三极管C极供电，IR211HO为高，三极管导通，驱动MOSFET管栅极，使上管保持导通。
3.3 单片机的选择
目前，市场上有很多无刷电机专用控制芯片，大部分电动车生产厂商采用Motorola公司的MC3303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。本设计采用PIC16F72单片机作为主控芯片，不仅可以实现专用控制芯片MC33035的全部功能，而且容易实现系统扩展，通过软硬件设计，实现多功能的电机控制。
单片机选择依据：
(1)性能因素。通过对该系统分析，8位单片机可以满足系统控制精度的要求。由于整个系统有多种模拟参数需要转换成数字量，因此选用的单片机应该有多通道A/D转换模块。在无刷电机控制中，脉宽调制PWM ( PulseWidth Modulation)技术广泛应用，因此所选单片机应具有脉宽调制输出端口。
(2)安全因素。电子产品的安全性是一个非常重要的环节，作为控制系统的核心，单片机的安全性必须达到系统要求。
(3)价格因素。考虑到该设计要与市场接轨，因此价格问题尤为重要，要选择一个性价比较高的单片机，包括单片机的单片价格和开发系统的造价。
3.3.1 PIC单片机特点：
PIC (Periphery Interface Chip)系列单片机是美国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Microchip公司是一家集开发、研制和生产为一体的专业单片机芯片制造商，其产品综合应用系统设计的思路，具有很强的技术特色。产品采用全新的流水线结构，单字节指令体系，嵌入Flash以及10位A/D转换器。使之具有卓越的性能，代表着单片机发展新的潮流。PIC系列单片机具有高，中，低3个档次，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:
(1)单片机种类丰富
PIC最大的特点是不搞单纯的功能堆积，而是从实际出发，重视产品的性能与价格比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求。就实际而言，不同的应用对单片机功能和资源的需求也是不同的。
(2) 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独特的哈佛总线结构，彻底将芯片内部的数据总线和指令总线分离，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。
图3-4 PIC系列单片机哈佛总线结构
(3) RISC技术
RISC (Reduced Instruction Set Computer)是指精简指令集计算机。RISC技术并非只是简单地去减少指令，而是着眼于如何改善计算机的结构，更加简单合理地提高计算机的运算速度。PICF877单片机指令集系统只有35条指令，全部采用单字节指令，而且除4条判断转移指令发生间跳外，均为单周期指令，执行速度较高。
(4)指令特色
PIC系列单片机的指令系统具有寻址方式简单和代码压缩率高等优点。
(5)功耗低
由于PIC系列单片机采用CMOS结构，使其功率消耗极低。
(6)驱动能力强
PIC系列单片机I/O端口驱动负载的能力较强，每个输出引脚可以驱动多达20-25mA的负载，既能够高电平直接驱动发光二极管LED、光电耦合器、小型继电器等，也可以低电平直接驱动，这样可以大大简化控制电路。
(7)同步串行数据传送方式
可以满足主控/从动和主控总线要求。
(8)应用平台界面友好，开发方便
Microchip公司为用户提供了周全的技术方案，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，包括各种档次的硬件仿真器和编程器。
(9)程序存储器版本齐全
Microchip公司提供的产品是一个单片机系列，可供选择的存储器类别和产品封装工艺的形式较多，为产品的不同试验阶段和不同应用场合可提供一个全方位的选择内容和不同的性能档次。
3.3.2 PIC16F72单片机管脚排列及功能定义
图3-5 PIC16F72单片机管脚图
(1)MCLR:清除(复位)输入。
其中MCLR为低电平时，对芯片复位;该管脚的电压不能超过VDD，否则会进入测试方式。
(2)RA0-RA5：双向可编程，亦可作为并行口。
电池欠压信号：电池电压经分压后接单片机管脚3。
转把复位信号：由单片机的第4脚读入
刹车信号：刹车信号由单片机的第5脚读入。
(3)OSC1、OSC2：为振荡器晶振。
(4)RC0-RC7：数字I/O
(5)RB0-RB7：数字I/O
(6)VDD：+5V电压输入
3.3.3 PIC16F72单片机的功能特性
(1)功能部件特性
·带8位AID转换输入
·高驱动电流，I/O脚可直接驱动数码管(LED)显示每个I/O引脚最大灌电流25mA;每个I/O引脚最大拉电流25mA
·双向可独立编程设置I/O引脚
·8位定时器/计数器TMRO，带8位预分频
·有1路捕捉输入/比较输出/PWM输出(CCP)
·16位定时器/计数器TMR 1，睡眠中仍可计数
·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
(2)微控制器特性
·内置上电复位电路(POR)
·上电定时器，保障工作电压的稳定建立
·振荡定时器，保障振荡的稳定建立
·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
·内置自振式(RC振荡)看门狗
·程序保密位，可防程序代码的非法拷贝
·掉电保护电路
·在线串行编程
3.3.4 PWM信号在PIC单片机中的处理
改变直流电动机转速的方法分为励磁控制法(控制磁通)与电枢电压控制法(改变电枢端电压)。在众多的电枢电压控制方法中，脉宽调制 PWM( PulseWidth Modulation)技术因为需用的大功率可控器件少、线路简单、调速范围宽、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(捕捉输入/比较输出//PWM输出)模块是PIC16F72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。用程序语句控制PWM信号的周期和高电平持续时间，从而控制电机电枢电压，即可达到调速目的。
3.3.5 时钟电路
如图3-5所示，单片机的9、10脚外接16Mhz晶体。
图3-5 时钟电路图
3.3.6 复位电路
如图3-6所示，与单片机1脚外接
图3-6 复位电路图
3.4 人机接口电路
3.4.1 转把和刹车
1 转把
图3-7 转把图
调速转把是利用线性霍尔元件实现的，其输出电压随着磁场的线性变化而改变，将此电压输入给控制器，实现调速功能。
如图3-7所示，转动转把，改变了霍耳元件周围的磁场强度，也就改变了霍耳转把的输出电压。然后把这个电压输入控制器，控制器再根据这个信号的大小进行PWM脉宽调制，从而控制功率管的导通关闭的比例以控制电机转速的大小。
2 刹车
图3-8 刹车图
电动自行车标准要求电动车在刹车制动时，控制器应能自动切断对电动机的供电。因此电动自行车闸把上应该有闸把位置传感元件，在捏制动把时，将制动信号传给控制器，电路根据预设程序发出指令，立即切断基极驱动电流，使功率截止，停止供电。因而，既保护了功率管本身，又保护了电动机，也防止了电源的浪费。
在电动车实际使用当中，普遍采用机械触点开关，平时常开，刹车时信号线对地短路作为刹车信号，即低电位刹车。同时也有少数高档车采用霍尔
元件做开关，刹车时输出高电平给控制器，实现刹车断电功能，即高电位刹车，也称之为电子刹把。它的特点是可靠性高，但价格昂贵。
3.4.2 显示电路
本系统采用3个发光二极管作为面板指示灯，如图所示。面板显示电路主要由单片机的普通1/O口串行输出，由串入并出芯片74LS164进行串并转换，采用发光二极管进行显示。
面板显示电路如图3-9所示：
图3-9 面板显示电路图
1 74LS164引脚图
74LS164为8位移位寄存器(串行输入，并行输出)
图3-10 74LS164引脚图
如图3-10所示，当清除端(CLEAR)为低电平时，输出端(QA-QH)均为低电平。串行数据输入端(A，B)可控制数据。当 A、B 任意一个为低电平，则禁止新数据输入，在时钟端(CLOCK)脉冲上升沿作用下输出为低电平。当 A、B有一个为高电平，则另一个就允许输入数据，并在CLOCK上升沿作用下决定输出的状态。
引出端符号
CLOCK ：时钟输入端。
CLEAR ：同步清除输入端(高电平有效)A，B 串行数据输入端。
QA-QH :输出端。
2 面板指示灯状态定义
面板指示灯状态定义如表3-3
表3-3
3.5 门阵列可编程器件GAL16V8
3.5.1 GAL16V8图及引脚功能[#page#]
图3-11 GAL16V8引脚功能图
表3-4 GAL16V8(门阵列可编程器件)引脚名称及功能
GAL器件是从PAL发展过来的，PAL器件的出现为数字电路的研制工作和小批量产品的生产提供了很大的方便。但是，由于它采用的是双极型熔丝工艺，一旦编程以后不能修改，因而不适应研制工作中经常修改电路的需要。
GAL有如下优点：
1.具有电可擦除的功能，克服了采用熔断丝技术只能一次编程的缺点，其可改写的次数超过100次;
2.由于采用了输出宏单元结构，用户可根据需要进行组态，一片GAL器件可以实现各种组态的PAL器件输出结构的逻辑功能，给电路设计带来极大的方便;
3.具有加密的功能，保护了知识产权;
4.在器件中开设了一个存储区域用来存放识别标志——即电子标签的功能。
GAL16V8主要是把驱动顺序信号和带有各种控制信息的脉宽调制PWM信号综合成六个输出驱动信号。
3.6 传感器选择
霍尔器件是一种磁传感器。按照霍尔器件的功能可将它们分为:霍尔线性器件和霍尔开关器件。前者输出模拟量，后者输出数字量，可用于磁场的
测量和控制。霍尔器件具有许多优点，它们的体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高(可达1 MHz) ，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高。此外，其工作温度范围宽，可达-55 0C~150oC。
1 在无刷直流动机中常用的转子位置传感器
转子位置传感器是永磁无刷直流电机的关键部件。它对电机转子位置进行检测，其输出信号经过逻辑变换后去控制开关管的通断，使电机定子各相绕组按顺序导通，保证电机连续工作。转子位置传感器也由定、转子组成，其转子与电机本体同轴，以跟踪电机转子的位置;其定子固定于电机本体定子或端盖上，以感应和输出转子位置信号。转子位置传感器的主要技术指标为：输出信号的幅值、精度，响应速度，工作温度，抗干扰能力，损耗，体积重量，安装方便性以及可靠性等。其种类包括磁敏式、电磁式、光电式、接近开关式、正余弦旋转变压器式以及编码器等。
其中最常用的有以下几种：
(1)霍尔元件式位置传感器
霍尔元件式位置传感器是磁敏式位置传感器的一种。它是一种半导体器件，是利用霍尔效应制成的。当霍尔元件按要求通以电流并置于外磁场中，即输出霍尔电势信号，当其不受外磁场作用时，其输出端无信号。用霍尔元件作转子位置传感器通常有两种方式。第一种方式是将霍尔元件粘贴于电机端盖内表面，靠近霍尔元件并与之有一小间隙处，安装在与电机轴同轴的永磁体，如图2.3所示。对于两相导通星形三相六状态无刷直流电机，三个霍尔元件在空间彼此相隔120°电角度，永磁体的极弧宽度为180°电角度。这样，当电机转子旋转时，三个霍尔元件便交替输出三个宽度为180°电角、相位互差120°电角的矩形波信号。
第二种方式是直接将霍尔元件敷贴在定子电枢铁心气隙表面或绕组端部紧靠铁心处，利用电机转子上的永磁体主极作为传感器的永磁体，根据霍尔元件的输出信号即可判断转子磁极位置，将信号放大处理后便可驱动逆变器工作。
如图3-12所示，霍尔元件式位置传感器结构简单、体积小、价格低、可靠，但对工作温度有一定要求，同时霍尔元件应靠近传感器的永磁体，否则输出信号电平太低，不能正常工作。因此，在对性能和环境要求不是很高的永磁无刷直流电机应用场合大量使用霍尔元件式位置传感器。
图3-12 霍尔元件式位置传感器结构
(2)电磁式位置传感器
电磁式位置传感器的定子由磁芯、高频激磁绕组和输出绕组组成。转子由扇形磁芯和非导磁衬套组成。电机运行时，输入绕组中通以高频激磁电流，当转子扇形磁芯处在输出绕组下面时，输入和输出绕组通过定、转子磁芯耦合，输出绕组中则感应出高频信号，经滤波整形和逻辑处理后，即可控制逆变器工作。这种传感器具有较高的强度，可经受较大的振动冲击，故多用于航空航天领域。电磁式位置传感器输出信号较大，一般不需要经过放大便可直接驱动开关管，但此输出电压是交流，必须先整流。由于这种传感器过于笨重复杂，因而大大限制了其在普通条件下的应用。
(3)光电式位置传感器
光电式位置传感器由固定在定子上的几个光电耦合开关和固定在转子轴上的遮光板所组成。几个光电耦合开关沿圆周均布，每只光电耦合开关由相互对着的红外发光二极管和光敏三极管组成。遮光盘处于发光二极管和光
敏三极管中间，盘上开有一定角度的窗口。红外发光二极管通电后发出红外光，当遮光盘随电机转子一同旋转时，红外光间断的照在光敏三极管上，使
其不断导通和截至，其输出信号反应了转子的位置，经过放大后去驱动逆变器开关管。光电式位置传感器轻便可靠，安装精度高，抗干扰能力强，调整方便，因此获得了广泛的应用。
近年来，无位置传感器的永磁无刷直流电机发展比较快。它省去了转子位置传感器，因而电机结构简单、体积小、可靠性高。当电机体积较小、位置传感器难以安装时或电机工作在恶劣环境中以致于位置传感器工作的可靠性难以保证时，这种无位置传感器的永磁无刷直流电机更显示出其独特的优越性。无位置传感器的无刷直流电机的主要弱点是起动转矩比较低，一般只适用于空载或轻载条件下起动。当电机转子采用永磁体励磁时，永磁体
的强磁场使得电机在较低速度时就可以检测到电枢绕组反电动势，在较低转
速下实现电机的自同步运行状态切换，从而加快电机的起动过程，实现宽的调速范围。
2 霍尔器件在无刷直流电机中的应用
当霍尔传感器用作无刷直流电机转子位置信息检测装置时，将其安放在电机定子的适当位置，霍尔器件的输出与控制部分相连。当无刷直流电机的永磁转子经过霍尔器件附近时，永磁转子的磁场令霍尔器件输出一个电压信号，该信号被送到控制部分，由控制部分发出信号使得定子绕组供电电路导通，给相应的定子绕组供电，从而产生和转子磁场极性相同的磁场，推斥转子继续转动。当转子到下一位置时，前一位置的霍尔器件停止工作，下一位置的霍尔器件输出电压信号，控制部分使得对应定子绕组通电，产生推斥场使转子继续转动，如此循环，维持电机运转。
3.7 周边保护电路
3.7.1 电流采样及过电流保护
图3-13 电流采样及过流保护图
1 电流信号
电机主回路电流信号经采样电阻获得。电流信号经过LM358放大，由单片机PIC16F72A/D通道RA1(管脚2)输入，并进行控制处理。同时。电流采样信号通过LM358与一固定电压值比较，当电压的电流过大时，LM358输出高
电平，送入GAL16V8直接关断输出，进行逻辑保护。
2 电流采样
通常对电机三相电流进行控制需要三个独立的电流闭环，而永磁无刷直流电机采用两相导通方式，即电机三相定子绕组在某一时刻只有两相通电，导通的两相绕组的电流大小相等，方向相反，因此任意时刻只需控制一个电流量。
电流采样方式可采取直接采样两相电流的方法或采样直流母线电流的方法。对于永磁无刷直流电机多采用后一种方法。采样直流母线电流有两种方法，一种是在待测电路上串入一个小电阻，用小电阻上的压降反映电流的大小;另一种是采用电流传感器。在电流较大，或要求电隔离的情况下，可以采用磁场平衡式霍尔电流传感器。考虑到本控制系统的成本问题，本系统采用第一种电流采样方式。
3 过流保护
过流保护电路可以对MOSFET进行保护，将最大电流控制在设定范围内，当达到阀值时关闭电机，避免了MOSFET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，康铜丝会烧断，从而起到保护作用。
图3-14 过流保护原理图
3.7.2 LM358双运放大电路
如图3-15所示，LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适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。它的使用范围包括传感放大器、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。
图3-15 LM358引脚功能图
3.7.3 欠电压保护
图3-16 欠电压保护电路图
如图3-17所示，电池电压经分压后接单片机RA1(管脚3)，由单片机采入进行监控。当电池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完成相当完善与灵活的保护，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。
3.8 电源电路
图3-17 电源电路图
如图3-17所示，36V电池送入U13、U14、U15稳压器输出+15V和+5V给PIC单片机和IR2110供电。
第4章 无刷直流电动机软件设计
4.1 直流无刷电机控制器程序的设计概况
该程序在设计的过程中， 首先要上电复位， 然后初始化时钟和中断源， 再打开中断， 当检测到转把的输人电压时， 将该电压经A/D转换后按算法计算出PWM的占空比输出PWM波。随后采样位置传感器产生霍尔信号， 将该信号的状态与电机固定的相位序列进行比较， 判断电机的相位是否正确。若正确， 输出波PWM， 否则， 重新复位。欠压检测是根据需要设定欠压值， 然后采样当前电源电压， 若电压低于设定值，则关闭输出， 相反， 则进行限流保护检测。限流保护检测是把电压传感器康铜丝上的电压经放大、A/D转换后与设定的电流限定值进行比较， 若高于最高限定值， 则关闭输出， 反之， 则正常运行。在运行的过程中应时刻检测是否有刹车信号输人， 若有刹车信号输人， 则关闭输出。
4.2 系统各部分功能在软件中的实现
1 驱动控制
驱动控制通过查表实现霍尔元件状态到输出状态的转换。直流无刷电机的3个霍尔元件组合起来有8种状态， 其中6种是有效的， 对应1个输出的状态。这6个状态对应没有明显的简单数量关系， 所以要实现映射， 查表是最快捷的方式。若电机需要反转， 只需增加一个反转状态表即可。正反转驱动只在于电流换相顺序的不同， 反映到程序中仅在查表处有区别， 所以正反转可共用一个驱动程序。
2 启动
理论上讲， 转子位置过磁场换相临界点时， 电流换相的速度越快越好。根据这一想法， 可以将霍尔信号的改变设置为中断， 从而转子的换相可以得到立即响应。但是在电动自行车控制场合，这样的想法是没有必要的。电动自行车直流无刷电机的转速相对来说很低。设电动自行车运行在最高速20km/s(这是国家法律规定的速度限制)， 而其使用的小径轮胎0.6m， 则霍尔信号改变的时间为0.244s。这个时间远远大于单片机主程序循环一周需要的时间(约0.001s)， 所以将霍尔元件信号状态的检测工作放在主程序中即可。这样做的好处是可以减小中断程序的执行时间， 程序运行更加流畅。
3 PWM中断时间控制
中断时间的控制与定时器时间控制相似。定时器在每个时间周期增加1。它在计数满后复位到00h重新开始， 同时产生一个中断信号。若想控制定时器定时时间， 可以在其中断程序里面将定时器置数， 定时器便从这个数开始计数直到溢出。这样定时时间可以由这个写入定时器寄存器的数值控制。须注意对有的定时器计数值寄存器写的时候， 会把预分频值清除， 因此必须在写计数值的同时重新写预分频值控制字。
PWM中断的发生与定时器不同的是:它的发生不是由于定时器溢出， 而是由于定时器TIMER2与PWM周期寄存器PR2值相等。因此， 要在中断程序中控制下次PWM中断的时间有两个方法:一是改变PR2值， 一是对TIMER2置数， 改变其初始值。值得注意的是:改变TIMER2会连带将其预分频值改变为默认值， 因此需要同时修改预分频值才能达到预想的效果。
4 刹车控制
刹车控制在主程序里面， 主程序时刻检测刹车信号， 当有刹车信号， 关断波的输出若没有刹车信号， 根据转把输入的电压， 控制波的输出。
5 电源电压检测
电压检测也是在主程序里，电源电压由于受到负载的影响， 因此检测值需要结合电源负载电流情况来综合判断。
6 PWM脉宽时间算法
PWM周期和占空比计算公式为:
PWM周期=[(PR2)+l]*4*TOSC*(TMR2预分频值)，TOSC为晶振周期:
PWM占空比=(CCPRIL:CCPICON<5:4>)*TOSC*(TMR2预分频值)。
4.3 软件流程图
系统软件按顺序扫描控制的模式编制。软件定时器根据调速要求产生直流斩波电压，采用中断方式运行，改变斩波电压只需在对应单元写入控制值。三相位置输入信号经简单查表运算产生对应的输出逻辑。刹车信号、过流信号和欠压信号顺次读入，并进行相应处理。
图4-1 软件流程图
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