無刷直流電機控制器的設(shè)計

本科畢業(yè)設(shè)計(論文)(2012屆)論文題目無刷直流電機控制器的設(shè)計(英文)BrushlessDCmotorcontrollerdesign所在學院電子信息學院專業(yè)班級學生姓名指導教師完成日期無刷直流電機控制器的設(shè)計（浙江萬里學院電信學院電子）摘要本設(shè)計采用PIC16F72實現(xiàn)對電動自行車用無刷直流電機的設(shè)計，速度控制環(huán)節(jié)部分采用開環(huán)控制，但要根據(jù)MOSFET輸出電流的大小確定PWM信號輸出。整個系統(tǒng)主要由電壓檢測電路、電流檢測電路、霍爾位置檢測電路、驅(qū)動信號預處理電路、功率驅(qū)動電路、過流保護電路等構(gòu)成。該設(shè)計不僅要實現(xiàn)電動自行車正常使用時應具備的基本性能，還要通過增加欠壓檢測電路、過流保護電路、同步整流電路等措施來提升電機運行可靠性與穩(wěn)定性，使電動自行車用無刷直流電機具備更持久的生命力。關(guān)鍵詞：無刷直流電機；PIC16F72；整流保護

AbstractThisdesignusesPIC16F72torealizebrushlessDCmotordesign,speedcontrolpartadoptsopenloopcontrol,butaccordingtotheMOSFEToutputcurrentsizedeterminesthatthePWMsignaloutput.Thesystemconsistsofavoltagedetectioncircuit,acurrentdetectioncircuit,Holzerpositiondetectioncircuit,drivingsignalpretreatmentcircuit,powerdrivingcircuit,anovercurrentprotectioncircuit.Thisdesignnotonlytoachievetheelectricbicycleinnormaluseshouldhavethebasicperformance,butalsobyaddingunder-voltagedetectioncircuit,anovercurrentprotectioncircuit,asynchronousrectifiercircuitandothermeasurestoimprovethestabilityandreliabilityoftheoperationofthemotor,brushlessDCmotorwithamorelastingvitality.KeyWords:BrushlessDCmotor;PIC16F72;commutationprotection

目錄TOC\o"1-3"\h\z1引言 =0.3V。正常情況下，輸出引腳1處于高電平狀態(tài)，當出現(xiàn)過流的現(xiàn)象時，康銅電阻出的電壓增大，輸入引腳2將大于基準電壓，這時輸出引腳1將翻轉(zhuǎn)到低電平狀態(tài)，由此給單片機一個過流保護中斷，促使單片機做過流保護的相關(guān)工作。LM358的U1B就作為放大器用，其放大的倍數(shù)是6.5倍。選擇的放大倍數(shù)較小的原因有兩個：LM358的頻率響應不夠高，而PWM波形的頻率是15KHz，如果放大倍數(shù)比較大的話，那么其電流響應將變成梯形波，不利于電流信號的采集；輸出的電流信號雜波太多，尤其在起動的時候，電流值的波動非常大，如果放大倍數(shù)選的太大的話，有可能引起誤判。綜上，選擇6.5倍雖然在電流大小的放大精度上有一定影響，不過都在允許的范圍內(nèi)?；魻栁恢脗鞲衅餍盘柼幚聿糠只魻栁恢脗鞲衅餍盘柼幚聿糠值碾娐穲D如圖3-9所示。圖3-9霍爾位置傳感器輸入信號電路在這里，霍爾傳感器安裝在電機內(nèi)部，是一種開關(guān)型器件，且采用的是OC門輸出的形式，要使其產(chǎn)生高低電平，必須接上拉電阻才行。從霍爾傳感器輸入的信號經(jīng)過阻容低通濾波后再輸入到單片機中，以免雜波的干擾影響單片機的判斷。阻容低通濾波的選取則既要考慮到通過低通濾波濾除信號高頻成分的效果，又要考慮到其對從霍爾傳感器輸入的方波的響應情況，以盡快達到單片機輸入口的門限電壓(PIC單片機I/O口的高電平的門限電壓是2~3V)，這樣才符合實時采集的要求。在這里，當輸入由低轉(zhuǎn)高時，總電阻為5.5Kohm，電容為0.1uf，經(jīng)過計算，輸入電壓上升到3V的時間是0.3ms，而在轉(zhuǎn)速最大時單相霍爾傳感器的輸出頻率是140Hz，即其輸出的周期是7ms，符合要求。手柄（調(diào)速）信號處理部分 手柄（調(diào)速）信號處理部分如圖3-10所示。圖3-10調(diào)速信號輸入電路 調(diào)速信號的輸入信號采用電阻式電位器控制，控制的電壓范圍是0~5V，信號從引腳2經(jīng)過阻容低通濾波后進入單片機的A/D模塊中采樣處理。剎車制動信號處理部分 具體電路見附錄，只要按下按鍵，具體的剎車動作由軟件以及剎車的具體機械動作共同提供。3.4PIC16F72單片機輸入信號處理與控制信號輸出部分 PIC16F72單片機輸入信號處理與控制信號輸出部分如圖3-11所示。在本電路中單片機更具各個部分的工作任務不同，可以分為以下幾個模塊：最小系統(tǒng)模塊：包括電源電路，范圍電路，外部時鐘震蕩帶電路，這是單片機能正常工作的前提；功能模塊：包括A/D轉(zhuǎn)換模塊、數(shù)字輸入信號處理模塊、驅(qū)動信號輸出模塊。圖3-11控制器核心部分電路原理圖圖3-12核心部分PCB圖圖3-13實物圖3.5PIC16F72單片機各個模塊的具體工作任務最小系統(tǒng)模塊：引腳1相連的是復位電路，引腳1也是程序的高壓燒寫口；引腳9和引腳10分別是震蕩電路的輸入口和輸出口，連接的是16MHz的晶振；引腳20和引腳8、引腳19是電源電路部分，分別接5V電源和地。功能模塊：模擬信號輸入處理模塊：模擬信號的處理主要是通過單片機的A/D轉(zhuǎn)換模塊實現(xiàn)的。引腳2檢測流過電機的電流信號并進行A/D轉(zhuǎn)換，進過運算后用于控制PWM占空比，盡可能達到電機最合適的工作電流；引腳3檢測電源電壓，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后經(jīng)過運算判斷電壓是否過低，以此為依據(jù)保護電池；引腳4檢測手柄的輸入電壓，單片機根據(jù)這個量調(diào)節(jié)電機輸出的總功率，從而調(diào)節(jié)電機的速度[13]。數(shù)字輸入信號處理模塊：引腳5處理剎車信號，平時處于高電平狀況，當按下剎車開關(guān)時，變?yōu)榈碗娖?，這時單片機輸出剎車命令，只要當引腳5恢復成高電平狀態(tài)時，在停止剎車動作；引腳15、引腳16、引腳17分別輸入電機的霍爾位置信號，通過這三個信號的組合確定電機此時的轉(zhuǎn)子位置，并調(diào)整輸出的換相信號。引腳21為外部中斷引腳，平時處于高電平狀態(tài)，當出現(xiàn)過流時，輸入信號從高電平變?yōu)榈碗娖?，中斷標志位?，由于PIC16F72只有一級中斷優(yōu)先級，所以當中斷被其他中斷程序占用時，也應定時檢查外部中斷標志位，以免因中斷時間過長而燒毀電機。驅(qū)動信號輸出模塊：引腳13輸出PWM信號，調(diào)節(jié)電機的速度和電樞電流；引腳23、引腳24、引腳25輸出逆變橋的下橋驅(qū)動信號，引腳26、引腳27、引腳28輸出逆變橋的上橋驅(qū)動信號。引腳22只在電樞電流比較大的情況下才使用，具體的應用見3.6。3.6三相驅(qū)動信號預處理部分 圖3-14是三相驅(qū)動信號其中A、B、C三相中的A相驅(qū)動信號預處理電路。由于這三相的驅(qū)動信號預處理電路都一樣，所以只要介紹之中一相就可以了。圖中上面一部分是A相上橋的驅(qū)動信號預處理電路，下面一部分是A相下橋的驅(qū)動信號預處理電路。圖3-14A相驅(qū)動信號預處理電路上橋相對簡單，要實現(xiàn)換相功能和PWM調(diào)制功能，由上橋驅(qū)動控制信號輸出端A1控制。U4A的引腳1接單片機的A相上橋驅(qū)動控制信號輸出端A1，引腳2接單片機PWM波輸出引腳。U4A輸出的是上橋換相信號和PWM波相“與”后的波形，也就是說輸入到IR2103的引腳HIN的信號是已經(jīng)經(jīng)過PWM波調(diào)制過的換相信號。A1處于低電平時U4A的3腳處于低電平狀態(tài)，即A相上橋處于截止狀態(tài)。A1處于高電平狀態(tài)表示此時往A相輸出PWM驅(qū)動信號。下橋相對復雜，要實現(xiàn)兩個功能：一個是換相，由下橋驅(qū)動控制信號輸出端A2控制；還有一個是實現(xiàn)整流保護，由上橋驅(qū)動控制信號輸出端A1、單片機整流保護控制引腳NEW_PT共同控制(正常情況下NEW_PT處于高電平狀態(tài)，從而U6C在正常情況下輸出都處于低電平狀態(tài))。當只是實現(xiàn)下橋?qū)〞r，只要下橋驅(qū)動控制信號輸出端A2從低電平跳轉(zhuǎn)到高電平就可以了，這時U5B的6腳輸出的低電平信號輸入到IR2103的引腳LIN中，從而導通A相MOSFET的下橋。下面介紹整流保護的原理以及實現(xiàn)——假設(shè)A相上橋處于PWM調(diào)制狀態(tài)，且B相下橋?qū)?，當PWM波形為高電平時，驅(qū)動上橋MOSFET開通，這時電流的流向為如圖3-15所示的實線方向；當PWM波形由高電平往低電平跳變，導致A相上橋V1已經(jīng)關(guān)斷，又由于電樞繞組自感電動勢的作用，此時電流的方向就變成了如圖3-15所示的虛線方向。當電流的流向變成虛線流向時，這時電流都從V2的整流二極管流過，當之前電感的自感電動勢很大時，這時V2處流過的自感電流也很大，設(shè)V2的整流二極管處產(chǎn)生的壓降是0.7V，這時在V2處產(chǎn)生的功耗P=0.7*I。當I很大時，那么V2處的功耗也就相當大了[7]。圖3-15V1開通和關(guān)斷情況電流流向示意圖整流保護的目的就是減小V2的功耗。實現(xiàn)的方法就是在PWM調(diào)制過程中V1關(guān)斷的時候，打開V2，使整流電流從V2的MOSFET的溝道流過，而不是從整流二極管流過。MOSFET可雙向?qū)?，且導通時電阻非常小，大約為10mΩ，這時MOSFET產(chǎn)生的功耗就能大大減小了，從而使MOSFET不會因為過熱而燒壞。其實現(xiàn)的方法是當單片機的電流檢測電路檢測到電樞電流過大時，就將NEW_PT腳置于低電平狀態(tài)，而此時A1經(jīng)過反相器反向后也是低電平，此時或非門U6C的輸出信號就是PWM波的反相波形了。當A2也輸出低電平時，或非門U5B的輸出信號就成了與上橋PWM波同相的波形了。也就是說，HIN和LIN的輸入PWM波是同相的。以后的敘述涉及MOSFET驅(qū)動芯片IR2103，將在3.7節(jié)繼續(xù)分析整流保護。3.7MOSFET驅(qū)動部分 MOSFET驅(qū)動部分的電路原理圖如圖3-16所示。圖3-16MOSFET驅(qū)動部分的電路原理圖圖3-17核心控制板PCB圖 由3.6節(jié)可知，在整流保護的情況下，輸入到IR2103的HIN和LIN的PWM信號是一樣的。要實現(xiàn)整流保護，那么當上橋關(guān)斷后下橋就要導通，同時導通的情況是絕對不能出現(xiàn)的。這時就用到了IR2103自帶死區(qū)時間發(fā)生功能。如圖3-18所示：圖3-18IR2103死區(qū)時間波形圖這樣，由于死區(qū)時間的存在，就可以在死區(qū)時間內(nèi)使上橋的MOSFET完全關(guān)斷后，再在死區(qū)時間過后使下橋的MOSFET導通，確保兩個MOSFET不會同時導通。雖然這樣做會使整流保護效果打折扣，不過總體來說對MOSFET還是很有好處的，尤其在電流很大的情況下。 現(xiàn)在介紹MOSFET驅(qū)動部分的電路原理。如圖3-18所示，該部分電路可以分成兩部分：MOSFET驅(qū)動電路和逆變橋電路。 MOSFET驅(qū)動電路是以IR2103為核心部分的驅(qū)動電路，電容C20是自舉電容，V3靠C20兩端的電壓維持導通。電容C20是去耦電容，用于抑制MOSFET開關(guān)過程中對驅(qū)動電路浮動電源的影響。 對于逆變橋電路，R38、R39和C27、C28的作用是減慢MOSFET的開啟速度，使MOSFET的柵源級電壓上升波形不至于太陡峭，防止上下橋同時導通的情況出現(xiàn)，但也要注意的是MOSFET的開通和關(guān)閉時間都應該在死區(qū)的范圍內(nèi)。

4軟件設(shè)計4.1軟件設(shè)計的總體思路簡介 無刷直流電機控制器的程序設(shè)計需要完成一下幾個功能：電機換相功能、調(diào)速功能、剎車功能、限流保護功能、過流保護功能和欠壓保護功能。具體的實現(xiàn)方式是根據(jù)輸入模塊的重要性以及實時性的要求以不同的頻率度定時檢測如硬件中所述各輸入模塊的輸入信號，經(jīng)處理器運算后執(zhí)行輸出。 具體的執(zhí)行以定時的方式實現(xiàn)：對輸入信號而言，不同功能模塊根據(jù)其實時性的要求，確定不同的定時檢測時間；對輸出信號而言，由于實時性的要求，中斷的程序不能過于冗長，所以當檢測到一項觸發(fā)的任務時，設(shè)定相應的標志位，待退出中斷后再執(zhí)行，當然對于必須發(fā)上執(zhí)行的任務，則可以在中斷程序中解決。 從無刷直流電機本身的特性以及電動自行車的特性雙方面考慮，對輸入信號，電機的相序檢測、逆變橋電流檢測以及過流中斷保護檢測這三個模塊對實時性的要求很高，要定時且頻繁地檢測，基本上每128us就要定時中斷檢測一次，調(diào)速功能、剎車功能以及欠壓保護功能則對實時性的要求不高，只要每10ms到50ms定時檢測一次就可以了；對與信號相應的及時性來說，過流中斷標志功能、剎車功能以及限流保護功能因其對響應要求高、執(zhí)行時間少，可以在定時中斷程序直接執(zhí)行，而電機換相功能、調(diào)速功能以及欠壓保護功能則因其對響應要求高且完成程序執(zhí)行所需要的時間長而只在中斷程序中設(shè)定標志位，具體的程序執(zhí)行則根據(jù)在中斷程序中設(shè)定的標志位在主程序中執(zhí)行[7]。4.2鍵盤和顯示程序流程圖 主程序處理的事情包括各個功能模塊的初始化、電源電壓的檢測以及過壓保護程序的執(zhí)行、剎車信號的檢測和剎車程序的執(zhí)行、手柄信號的檢測以及預期PWM占空比輸出的設(shè)定、根據(jù)當前電流信息和預期PWM占空比輸出調(diào)節(jié)實際PWM占空比輸出。中斷程序處理的事情包括判斷是過流保護中斷還是定時中斷并各自做相應的處理、電路換相信息的判斷并輸出換相信號、電流信號的采集并數(shù)模轉(zhuǎn)換、根據(jù)計數(shù)器判斷是否設(shè)定剎車信號采集標志、手柄信號采集標志或電壓信號采集標志。圖4-1無刷直流控制器主程序流程圖端口初始化程序/*********************************************/voidInit(void){PORTB=0B00000000;PORTC=0B00000000;TRISB=0B00000001;//設(shè)置RB0為輸入，作為按鍵口TRISC=0B00000000;//設(shè)置RC輸出RBPU=0;//PORTB上拉使能}主要是保存數(shù)據(jù)到EEPROM中uintwin;uchari;Init();//初始化程序delayms(100);PORTC=0XFF;PORTB=0XFF;PORTA=0XFF;WIN24C64_write(0x0000,0x55);//存數(shù)據(jù)到EEPROMdelayms(20);WIN24C64_write(0x0001,0xaa);//存數(shù)據(jù)到EEPROMdelayms(20);while(1){delayms(1000);//延時PORTC=~WIN24C64_read(0x0000);//讀取24C64地址00H中的數(shù)據(jù)delayms(1000);//延時PORTC=~WIN24C64_read(0x0001);//讀取24C64地址00H中的數(shù)據(jù)}圖4-2無刷直流控制器中斷流程圖中斷處理程序voidinterruptISR(void){ucharj;if(INTF==1)//外部INT0{PEIE=0;INTF=0;//清除中斷標志位if(counter_temp<1024){;}else{int0_flag=1;counter=counter_temp/256;//counter=counter_temp;counter_temp=0;counter_temp1=0;count_num=0;}//LED9=!LED9;PEIE=1;}elseif(TMR1IF==1)//定時器中斷TIMER1{//time1_flag=1;TMR1IF=0;//清除中斷標志位TMR1L=T1L;TMR1H=T1H;//重新設(shè)置定時器時間counter_temp++;counter_temp1++;//LED10=!LED10;}else{;}}顯示程序voidplot1bar(charvalue,charmax_value){ unsignedintplot_value; inti; charhibyte_value,lobyte_value; lobyte_value=0; //Initialvalues. hibyte_value=0; plot_value=(int)(value*15/max_value); //Computeshowmanypointstoplot.Sinceweareusing2vertical //8bitblocks,wecanhave1-16pointsforabargraph. if((plot_value>0)&&(plot_value<=7)) //Plotsbargraphwhicharebelow8points. { for(i=plot_value;i>=0;i--) { hibyte_value=hibyte_value>>1; hibyte_value=hibyte_value+0x80; } lobyte_value=0x00; } elseif((plot_value>7)&&(plot_value<=15)) //Plotsbargraphwhichareabove8pointsupto15points. { plot_value=plot_value-7; for(i=plot_value;i>=0;i--) { lobyte_value=lobyte_value>>1; lobyte_value=lobyte_value+0x80; } hibyte_value=0xFF; } elseif(plot_value>15) { lobyte_value=0xFF; //Ifbeyond15pointsthancapthepointsatthemaximumof15. hibyte_value=0xFF; } else { lobyte_value=0x00; //Ifbelow0thencapitto0(whichisaunitofpixelonthebargraph). hibyte_value=0x80; } writedata(lobyte_value); //A16pointplotting.Plotsthehigher8bits(whichisthelowbyte) writedata(hibyte_value); //andthenthelower8bits(whichisthehighbyte)ofthegraph.}PWM波控制電機程序aa++;if(aa>60000){aa=0;cc++;if(cc>2000)cc=0;}

bb++;

if(bb>2000)bb=0;

if(bb<cc)

{

RC1=0;

RC2=0;

}

else

{

RC1=1;

RC2=1;

}

*/

for(bb=0;bb<100;bb++){RC1=0;RC2=0;}

for(bb=0;bb<400;bb++){RC1=1;RC2=1;}

}PIC單片機軟件編程環(huán)境MPLABIDEV8.53具體界面如圖4-3所示。圖4-3單片機軟件編程圖MPLAB集成開發(fā)環(huán)境（IDE）是綜合的編輯器、項目管理器和設(shè)計平臺，適用于使用Microchip系列單片機進行嵌入式設(shè)計的應用開發(fā)。5制作和調(diào)試首先對單片機挑選，我采用PIC16F72單片機，對此單片機性能，功能的了解熟悉。再對MOSFET驅(qū)動芯片IR2103的選用，進行進一步的分析，測試，得到相應的邏輯圖，以及波形圖。設(shè)置直流電源模塊，只能采用電池形式的供電方式。調(diào)速和剎車輸入模塊實現(xiàn)電機的調(diào)速輸入，其實現(xiàn)方式為輸出通過輸出電位器的電壓變化來表示此時電機輸出速度應做的增減調(diào)整。電源電路輸出三路電壓,分別是+48V電壓、+13.5V電壓和+5V電壓。電源電壓檢測信號處理部分,電流檢測信號:檢測就是采用電阻R45來實現(xiàn)和處理:LM358帶兩個放大器，其中U1A作比較器,使單片機做過流保護的相關(guān)工作.霍爾位置傳感器信號處理:采用的是OC門輸出的形式。手柄（調(diào)速）信號處理:采用電阻式電位器控制，剎車制動信號處理。PIC16F72單片機輸入信號處理與控制信號輸出部分的處理:最小系統(tǒng)模塊,功能模塊等處理。三相驅(qū)動信號預處理部分，MOSFET驅(qū)動處理。控制器的程序設(shè)計：完成電機換相功能、調(diào)速功能、剎車功能、限流保護功能、過流保護功能和欠壓保護功能。

6結(jié)論通過本次設(shè)計，了解了無刷電機的工作原理，初步實現(xiàn)了用PIC單片機對無刷電機PWM調(diào)速、逆變橋電流限制、剎車功能、同步整流保護等基本功能的應用。不足之處：硬件方面，由于缺乏實驗驗證的數(shù)據(jù)，所以對于硬件的設(shè)計缺乏實際數(shù)據(jù)方面的支持，這樣難免會在一些參數(shù)的選擇上存在錯誤；軟件思路方面，由于時間緊迫，所以只是對整體的編程思路做了一個簡要的概述，并沒有具體去實現(xiàn)，希望以后能邊具體實現(xiàn)，在實現(xiàn)中發(fā)現(xiàn)紕漏，再加以改正；算法方面，由于采用的是速度開環(huán)控制，所以在不同的負載下，調(diào)速環(huán)設(shè)計的速度與電機實際的轉(zhuǎn)速肯定是不一樣的。致謝4年時間過得很快，轉(zhuǎn)眼已經(jīng)到了畢業(yè)，找工作的階段，在畢業(yè)前：我們能做的就是做一篇好的畢業(yè)論文，給自己的大學留下一段美好的記憶。在這次畢業(yè)論文設(shè)計中，我很感謝我的畢業(yè)導師老師，以及我的輔導員鄭文老師，他們對我的幫助很多，沒有他們我根本不能很好的完成。鄭老師學識淵博、工作態(tài)度嚴謹。已經(jīng)在外面工作的我，時常因為畢業(yè)論文的事情困擾著我，工作總是很忙，很少有時間回學校。當我每次遇到問題時，兩位鄭老師不管有多忙，都會放下自己的事情，來幫我解答問題并且給我提供了大量數(shù)據(jù)資料和建議，告訴我應該注意的細節(jié)問題，使我受益良多。從選題到查閱資料，論文提綱的確定，中期論文的修改以及后期論文和格式的修改等各個環(huán)節(jié)中都給予了我悉心的指導。還要再次感謝老師對我的關(guān)心和照顧，在此表示最誠摯的謝意。還要感謝我的同學們，在各方面給予我這么多的幫助，在此表示真誠的感謝。

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