用于电动自行车的无刷直流电动机控制器设计

1第一章绪论5

1.1无刷直流电机的现状5

1.2电动自行车介绍和发展状况5

1.3无刷直流电机控制器概述8

1.4本设计的主要工作9

2第二章无刷电机控制系统分析10

2.1电机的基本原理10

2.1.1稀土永磁无刷直流电机的基本结构10

2.1.2电机的基本工作原理11

2.1.3三相无刷直流电机星形连接全桥驱动原理12

2.2电机的特性分析14

2.2.1电机的运行特性分析14

2.2.2机械特性和调速特性分析16

2.2.3其他特性分析17

2.3直流电动机的PWM调速原理18

2.4霍尔传感器19

2.4.1开关型霍尔集成传感器19

2.4.2霍尔器件在无刷直流电机中的应用19

3第三章无刷直流电机控制器硬件设计20

3.1单片机选择20

3.1.1单片机选择依据20

3.1.2 PIC单片机特点20

3.1.3 PIC16F72单片机的功能特性21

3.1.4 PWM信号在PIC单片机中的处理22

3.2硬件组成22

3.3微控制器电路24

3.4三相全桥逆变电路和驱动电路27

3.4.1顶端、底端驱动电路27

3.4.2电源电路29

3.4.3振荡倍压电路30

3.4.4硬件保护电路30

3.5其他31

3.5.1蓄电池检测方案31

3.5.2助力信号检测方案31

3.5.3电动自行车面板显示电路32

4第四章系统软件设计33

4.1概述33

4.2主程序34

4.3中断35

4.3.1单片机中断资源35

4.3.2定时器资源分配36

4.3.3 MOD键(INT中断)处理模块36

4.4 A D转换37

4.5 PWM(脉冲宽度调制)38

4.6位置信号和驱动信号的对应关系39

4.7欠压保护、过流保护和堵转保护40

4.7.1欠压和过流保护功能40

4.7.2堵转保护功能40

4.8面板显示模块41

4.9数字PI速度调节41

4.9.1概述41

4.9.2 PID基本原理42

4.9.3位置型PID算法程序的设计42

4.9.4数字PI速度调节器设计43

4.10接线模式自识别方案44

4.10.1接线模式自识别功能的作用44

4.10.2接线模式自识别解决方案44

4.11编程注意的问题47

4.11.1数据存储体的选择48

4.11.2二程序存储体的选择48

第五章系统调试与运行分析51

5.1系统软、硬件部分调试51

5.1.1系统硬件调试51

5.2控制器的可靠性53

5.2.1影响控制器可靠性的因素53

5.2.2提高控制器可靠性的方案53

5.3单片机系统可靠性设计54

5.3.1接地技术54

5.3.3抗电磁干扰技术55

5.4实验结果分析与建议55

5.4.1实验结果分析55

5.4.2实验结论与建议56

结论58

参考文献59

附录A控制器电路图60

附录B控制器电路板PCB图纸61

附录C控制器实物图61

附录D电动自行车和指示面板实物图62

作为一种新能源绿色交通工具，具有零污染、高效率、低噪音特点的电动自行车必将有广阔的发展空间。本文在广泛查阅资料，深入了解无刷直流电机特性的基础上，对无刷直流电机的控制原理进行了详细的研究，设计了一款电动自行车用无刷直流电机控制器。一年来，经过多次的方案论证和软硬件设计，系统的功能和性能基本达到要求。

本文所设计的基于PIC单片机的无刷直流电机控制器具有硬件结构简单、保护功能完善、软件采用模块化设计易于用户二次开发等特点。主要实现了如下功能:

(1)采用FIC16F72单片机作为主控芯片，加强了电动车的智能控制，实现了电动运行、定速运行和助力运行三种工作模式;

(2)安全控制电机系统，实现了系统的自检保护、欠压保护、过流保护、堵转保护;

(3)设计了逆变器驱动电路、硬件逻辑互锁电路和硬件过流保护电路，提高系统的可靠性;

(4)应用数字PI控制理论实现了系统速度的闭环控制;

(5)提出了一种电机的模式自识别设计方案.能够自动识别电机的换相角度、霍尔相位和电机输出相位.保证电机在接线错误的情况下可以进行自动纠正:

(6)系统软件采用模块化设计，为二次开发提供了非常便利的条件。

由于时间与能力有限，本文所设计的控制系统还有待于进一步的改进，比如可采用无位置传感器的控制方法，利用软件检测电机的反电动势，从而省去位置传感器，降低硬件成本，提高可靠性;还可采用专用控制芯片和单片机相结合的方式实现无刷直流电机的控制，使系统具有更好的灵活性和稳定性。