电动自行车无刷直流电机控制器设计最终版.doc

2016届毕业生毕业设计说明书题 目: 电动自行车无刷直流电机控制器设计 院系名称： 电气工程学院 专业班级： 自动F1205 学生姓名： 余现飞 学 号： 201223910823 指导教师： 王秀霞 教师职称： 讲师 2016 年 5 月 21 日摘 要近年来社会经济快速发展的同时我们生活的环境也在遭受严重破坏。随着民众 的环境保护意识和资源节约意识不断提高，开发应用一种清洁、节能的新型交通工具已成为社会迫切的需要。电动自行车的出现有效的解决了这一难题，极大满足了人们的需要，已经成为人们日常短距离出行常用的交通工具。本文围绕无刷直流电机控制技术方面的问题，主要了解对转子位置检测、PWM脉宽调制和电机控制策略等重要方面的问题，设计一个以PIC16F72单片机为控制核心的的无刷直流控制器，能够实现对电机基本的控制功能。设计采用PIC16F72单片机作为控制系统的控制单元，采用IR2130驱动芯片为晶体管桥式电路提供驱动信号，实现对电机运行状态的有效控制。该系统通过利用反电动势过零点法获取的转子位置信号输入到控制芯片，然后对输入的信号进行数据处理而后输入到驱动芯片来改变驱动电路中MOSFET管的导通顺序，进而实现对无刷直流电机的转速和正反转的控制。通过欠压和过电流保护电路的设计实现对控制芯片和驱动芯片的保护，使系统能够可靠稳定的运行。关键词：无刷直流电机；控制系统；IR2130；PIC16F72Title Design of Brushless DC Motor Controller for Electric Bicycle AbstractIn recent years, the rapid development of social economy at the same time our living environment has also suffered serious damage. With the peoples awareness of environmental protection and resource conservation, the development and application of a new type of clean and energy saving vehicle has become an urgent need of the society. The emergence of electric bicycles effectively solve this problem, greatly meet the needs of people, has become a common means of transportation for peoples daily short distance travel.This paper focuses on the technical aspects of the brushless DC motor control, mainly to understand the important aspects of the rotor position detection, pulse width modulation (PWM) and motor control strategy, design a PIC16F72 MCU as the control core of the brushless DC controller to realization of electric machine the basic control function. PIC16F72 microcontroller is used as the control unit of the control system, and the IR2130 driver chip is used to provide the driving signal for the transistor bridge circuit to realize the effective control of the motor running state. The system by using the back EMF zero method to obtain the rotor position signal input to the control chip, and the input signal of data processing which is then input to the driver chip to change the driving circuit of MOSFET conduction sequence and then realize to turn Hayawa Masa inversion of control of Brushless DC motor. Through the design of under voltage and over current protection circuit, the protection of the control chip and the drive chip can be realized, so that the system can run reliably and stably.Keywords:Bushless DC motor；Control system； IR2130； PIC16F72目 次1绪论11.1无刷直流电机的发展概况和趋势11.2课题研究的目的和意义11.3设计的要求与内容12硬件器件的选择32.1整体硬件结构图32.2 电机本机的选择32.3主控芯片的选择42.4驱动芯片的选择52.5转子位置检测方法的选择63硬件电路设计73.1电源电路模块73.2驱动电路模块73.3电流检测模块83.4转子位置检测电路模块93.5欠压检测电路模块103.6速度控制电路模块103.7刹车电路模块113.8单片机最小系统124 软件设计134.1主程序134.2定子绕组换相子程序14结 论15致 谢16参 考 文 献17附录18IV1绪论1.1无刷直流电机的发展概况和趋势19世纪40年代有刷直流电动机诞生，在相当长的一个阶段内凭借它优秀的线性机械特性、调速范围宽、较大的启动转矩等特点在诞生以来在电动车驱动装置中占据着主导地位，但普通的直流电动机存在换向时电刷和换向器的强迫性接触造成电机运行不稳定，可靠性差，经常需要定期维护和保养，而且电刷和换向器接触时会产生火花和噪音等缺点大大限制了其应用范围。近年来电力电子技术的发展和永磁材料性能的不断提高使无刷直流电机的出现成为现实。它不仅具有有刷直流电机的优异性能而且相较于有刷直流电机运行时可靠性更强，更加稳定，因而获得了更为广泛的应用。随着时代的进步，传统的无刷直流电机由于需要安装位置传感器为驱动电路提供转向信号，给它的应用带来诸多不便。比如增加电机的体积和成本、降低电机运行的可靠性、在某些特定的工作环境无法使用、影响电机运行的性能、增加生产工艺的难度等。因而自无刷直流电机诞生以来，对于在没有位置传感器的情况下怎样实现对电机的控制研究就没有中断，而且现在已经取得了很多成果。现在国内外对于无刷直流电机控制方式主要有用专用集成电路控制、数值信号处理以及使用微处理器控制等几种方式。现在可以说针对它的控制技术已相对比较成熟，但随着电力电子技术不断的发展，电子芯片集成程度的不断提高，实现控制器元件的小型化、智能化一定会成为以后无刷直流电机控制技术的目标,无刷直流电机也必定会在以后的工业生产中发挥更为重要的作用。1.2课题研究的目的和意义电动自行车以其便捷、实用等优点已成为越来越多市民短途出行的代步工具，研究实现电动自行车无刷电机控制器的设计，实现对电动自行车调速、稳定运行等方面有效地控制，对于人们日常出行安全和驾驶体验具有重要的意义。1.3设计的要求与内容设计的要求：选择电动自行车的无刷直流电机作为此次毕业设计的研究对象，了解认识有关它的无位置传感器控制技术方面的关键问题，主要对转子位置检测、PWM调制方式以及电机控制策略等方面有清晰地认识并做出设计，实现对电动自行车的控制，并且具有一定的可靠性。设计的主要内容:（1）了解反电动势过零点检测法的原理，完成对转子位置检测电路的设计。（2）了解IR2130驱动芯片的功能，完成对驱动逆变电路的设计。（3）完成对速度调节电路设计。（4）完成对刹车电路的设计。（5）完成对过流和欠压保护电路的设计。2硬件器件的选择2.1整体硬件结构图如下图2.1所示，设计的无位置传感器控制器系统主要由电源模块、欠压保护模块、电流检测模块、驱动电路模块、转子位置检测模块构成。电源模块主要为PIC16F72单片机、驱动芯片IR2130提供以及其他电路提供电压；电流检测模块将检测的电流送入单片机，电流过大时及时关闭PIC16F72单片机和驱动芯片，以防烧坏控制单元和驱动单元的芯片，使电机能够安全有效运行；转子位置检测电路将检测出的信号输入到PIC16F72相应的引脚中，经过内部A/D转换输出控制字改变当前的PWM脉宽调制信号后输入到驱动模块，通过它改变功率管的导通顺序，实现定子绕组的换相；调速模块信号输入控制芯片相应的引脚中，经PIC16F72控制芯片内部的A/D转换模块改变PWM调制脉冲的占空比，输出相应的功率改变电机的运行速度。图2.1硬件电路结构图 2.2 电机本机的选择本次设计采用永磁无刷直流电机作为研究的控制对象，与其它电机相比，它性能可靠、没有换向火花、有较大的启动转矩，寿命长、调速范围宽、尺寸小、转动惯量较低等优点，并且设计控制装置时也相对比较简单，与传统的无刷直流电机相比有比较少的励磁消耗，能够使电能得到最大程度的利用。2.3主控芯片的选择本次设计采用PIC16F72单片机作为控制核心。PIC16F72单片机相对于其他单片机具有很多优点，它的指令非常简单，是哈弗总线结构。PIC16F72单片机引脚图如图2.3所示，它包含有外部时钟输入单元，工作频率是20MHz，128字节8位宽的数据存储空间，8个中断，带有2K字14位宽的程序存储空间，3个8位I/O口以及PORTA、PORTB、PORTC。还有三个定时器模块：TIMER0、TIMER1、TIMER2。还带有一个CCP模块；5路8位模数转换可提供检测外部电路的电压，一个外部中断输入脚，可处理突发事件。在CPU方面：精简指令仅有35条；它的运算速度是20M外部时钟输入，200ns指令周期；2K*14位字节的程序存储空间；并且在输出引脚与PIC16F872、PIC16C72/A兼容，它具有中断功能其具备8级硬件堆栈；支持直接寻址、间接寻址、相对寻址模式。图2.3 PIC16F72引脚图主要引脚引脚应用如下： a. 引脚1：MCLR复位/烧写高压输入两用口 b. 引脚2：模拟量输入口：电源电压经分压后的输入口，单片机将此信号进行A-D转换后判断电池电压是否过低，如果低则切断输出以保护电池，避免电池因过放电而损坏。正常时电压应在3V以上c. 引脚3：模拟量输入口：线性霍尔元件调速输入口。 d. 引脚4：模拟量输入口，放大后的电流信号输入口。 e. 引脚5：模拟/数字量输入口，刹车信号电压输入口。可以使用AD转换器判断，或根据电平高低判断，单片机收到该信号后切断给电机的供电，以减少不必要的损耗。f. 引脚8：单片机电源地。 g. 引脚9：单片机外接晶振输入脚。 h. 引脚10：单片机外接晶振反馈输出脚。i. 引脚13：数字输出口：PWM调制信号输出脚。 j. 引脚15、16、17：电动机转子位置信号输入口，单片机根据其信号变化输出相应的控制信号使电机相应的绕组通电，实现定子绕组的换相。 k. .引脚19：单片机电源地。 l. 引脚20：单片机电源正。+5V电压输入，上限是5.5V。m. 引脚21：外部中断输入口，采样电流过大时或不在其控制范围内时，有低电平脉冲输入单片机后产生中断。n. 引脚23-28：数字输出口，是功率管的逻辑开关。2.4驱动芯片的选择设计采用的驱动电路芯片选择专用功率晶体管驱动芯片IR2130。驱动芯片IR2130的引脚图如图2.4所示。主要引脚功能:（1）引脚1：VCC是电压输入端。（2）引脚2、3、4：HIN1、HIN2、HIN3是单片机控制上桥的输入信号，（3）引脚5、6、7：LIN1、LIN2、LIN3单片机控制下桥的驱动信号,（4）引脚8：FALUT处理电机运行中的突发事件,（5）引脚9：ITRIP是电流检测输入端口,VSS是电源地，（6）引脚27、23、19：HO1、HO2、HO3驱动逆变桥上臂功率管，（7）引脚16、15、14：LO1、LO2、LO3驱动逆变桥下臂功率管。图2.4 IR2130的引脚图2.5转子位置检测方法的选择现在市场上有关转子位置检测的方法主要有利用编码器、旋转变压器、霍尔元件、以及反电动势法，本次设计采用比较流行的反电动势法来对转子位置信号的检测。3硬件电路设计3.1电源电路模块图3.1 电源电路原理图电源电路输出三路电压：第一路为电池的电压，输出电压为+48V，主要为逆变器供电，驱动功率晶体管桥式电路；第二路输出+13.5V电压，主要供给MOSFET作开通电压用，其电压转换是通过LM317电压稳压器与R3、R4组合实现的，输出电压计算方法如下式：Vout=1.25*(R3+R4)/R3) （3.1）通过计算可得，第二路电源电压约为13.5V。驱动电路的电压基本上在10V20V之间就可以控制MOSFET的正常开关。在输入端串接R1分压使LM317的输入和输出电压过大防止烧坏芯片，R2电阻的的接入一方面争取了更多的电流用于驱动负载，另一方面分担了LM317的部分功耗。第三路输出电压由78L05芯片提供为5V，主要为PIC16F72单片机及A/D转换模块提供基准值，对电压精度的要求比较高，要求其波动电压范围稳定在4.85.2V之间，7805芯片能满足这个要求。3.2驱动电路模块IR2130芯片提供逆变桥中晶体管导通所需的驱动信号，IR2130驱动逆变器输出端连接三相全桥逆变电路，后与电机连接。PIC16F72将经过计算输出六个驱动信号，分别输入到输入到IR2130的2、3、4、5、6、7引脚中。以B相驱动单元为例，自举电容C11储存的能量经引脚VB2、HO2加到逆变器上桥功率管Q2的栅极，负极接在Q2的源极，形成回路，流过的电流使Q2栅源极之间电压为+13.5V，此时Q2导通。48V电压就加到B相绕组上。引脚15输出高电平时，经电阻R20加到功率管Q4的栅极，Q4饱和导通，此时Q2截止，Q4导通后，饱和管压降不大，经电阻RS接地，电流从B相绕组中经Q4到地。电阻RS检测的电流信号经过电路处理送到芯片的管脚9、13中，如果电路中电流过大，将会导致IR2130输出的信号全部是低电平，使功率晶体管关断，电机实现无法换向。 图3.2逆变桥驱动电路3.3电流检测模块利用采样电阻RS将测得电压换算成电流。采样电流进入到下面电路中进行比较和放大处理。驱动电路地端RS与系统地相连。采样电流经过 LM358比较器输出UIA，后控制芯片的21引脚连接，作为中断请求信号。U1A 作为比较器，脚3用作基准电压的输入，基准电压值设定是0.3V。脚1在正常工作情况下是高电平，当电流增大时，脚2上电压大于脚3的0.3V，这时脚1变成低电平，控制器会发出停止运行的指令，保护电机。U2A作为放大器将检测电流从脚3输入，经过放大后送人单片机引脚4中。电流检测电路如图3.3所示。图3.3电流检测和过流保护电路3.4转子位置检测电路模块反电动势过零点检测电路先将从电机中获得电压信号用电阻分压的原理降压，然后采用无源滤波器对其进行滤波，消除一些反电动势干扰信号的影响，将滤波后得到的电压与给定电压通过LM399电压比较器获得转子位置信号,将它送到到控制芯片的15、16、17的引脚中。以A相为例，Ua首先经过R31和R32进行分压得到Uao,同时有R31、R32和C14组成的低通滤波器滤去了一些反电动势电压的低频干扰，得到的Uao与给定电压进入LM339比较器获得转子位置信号PA,同理B相和C相获得转子位置信号PB，PC。后将获得的转子信号分别输入到输入到单片机。A相反电动势检测电路如图3.4所示图3.4 A相反电动势检测电路3.5欠压检测电路模块电源电压检测信号处理部分图 3.5 所示，电压检测的基本实现方式是利用电阻的分压原理使进入A/D转换的电压值能处在5V以内，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。这种保护功能能够有效的提高无刷直流电机控制器的运行的可靠性和稳定性，同时能够应对多种突发状况，使得它的适用范围更加广泛。图3-5 电压检测电路3.6速度控制电路模块速度调节电路图如图3.6所示，本次设计采用当前比较常用霍尔转把实现对电动机速度的调节。它结构简单，运行稳定，成本较低。霍尔转把通过内部的线性霍尔传感器来感应周围磁场的强度进而输出电压。一般输出电压在1.0V-4.5V。电路图如3.6所示。霍尔转将感应到的电压值输入到单片机模拟信号输入引脚3中，由PIC16F72控制芯片将接受的信号用A/D转换模块转换后输出控制信号，进而调节PWM脉宽调制信号的占空比来实现对所控制电机转速的调节。J2主要用来限制电动机的速度,防止由于进入单片机的电流信号过大，烧毁电机。图3.6速度调节电路3.7刹车电路模块刹车电路的设计使用电动车刹闸上的位置传感器来完成，按下刹车开关时，位置传感器元器件将感应到的刹车信号输入到主控芯片内，然后芯片将收到位置信号进行数模转化处理，断开对电机的功率输入，使电机停止运转。刹车电路图如图3.7所示，电子低电位闸把正常工作时为高电平，刹车时跳变为低电平；电子高电位闸把正常工作时为低电平，刹车时跳变成高电平。图3.7刹车电路3.8单片机最小系统如下图3.8所示的电路为PIC16F72单片机最小系统主要由晶振电路，复位电路构成。图3.8单片机最小系统原理图4 软件设计本文设计的无位置传感器无刷直流电动机控制系统由主程序、定子绕组换相子程序构成。主程序和子程序共同完成对电机的控制。4.1主程序图4.1主程序流程图 主程序流程图如上图4.1所示。上电后先对控制系统进行初始化处理，完成对输入输出口、脉冲宽度调制、A/D转换、定时器单元的初始值设置，而后对欠电压保护电路信号、过电流保护电路信号、刹车信号、转子位置检测电路信号、电流检测电路信号和逆变桥的电流信号进行扫描处理，并将扫描的信号输入到单片机进行模拟信号处理，当检测为欠电压、过电流或有刹车信号时单片机中断输出功率使电机停止运行，反之单片机不间断地扫描转子位置的信号和电路的电流信号通过对这些信号的处理来实现对电机旋转方向和转速的控制。4.2定子绕组换相程序PIC16F72单片机通过接收到的转子位置检测电路检测的信号与之前接收到的信号值比较，然后输出处理后的驱动信号给驱动芯片IR2130,进而实现对逆变桥电路中相对应的功率管的控制，改变流过电机绕组电流的方向。电路检测电路将电流信号送到IR2130管脚的9、13中电流较大时，驱动芯片关断。定子绕组换相流程图如图4.2所示。图4.2定子绕组换相流程图结 论历时几个月的毕业设计终于完成了，这次毕业设计是对我大学学习生涯的一次检验，将课本上学到的东西应用到实际中。在设计开始时不知该从哪入手，为此我在图书馆、网络上查阅与此设计相关的一些资料，了解直流无刷电机的工作原理和结构、无位置传感器转子位置检测方法以及相关控制芯片和驱动芯片的功能。而后经过与老师和室友的讨论，确定了初步的设计方案。在完成设计的过程中不断解决出现的问题，最后在导师和同学的帮助下完成了此次设计，但也存在不足之处。比如硬件方面：由于缺乏这方面的实践，对于单片机参数还不能完全了解，造成选择上有些错误。软件方面：受个人能力有限，仅实现了控制系统所列的几个模块功能，不能全面反映实际运用功能。通过此次设计我收获了很多。首先，能较原来更加熟练地使用Protel软件绘电路原理图，对PIC16F72单片机有了初步的了解，能简单的使用它对无刷电机直流电机进行转把速度调节、逆变桥驱动、刹车断电功能等基本功能的应用。同时也认识到自己在软件编程方面的不足，在今后的学习中增强这方面学习。致 谢 转眼之间，我的大学学习生涯即将结束，在这里我要感谢学院及老师对我的教育，让我在这四年中得到学习成长，愉快度过了四年美好的大学时光。在我的毕业论文设计完成过程中，首先要特别感谢我的毕业设计导师王秀霞老师。在毕业设计之初，她指导我如何进行参考资料的选择，认真负责地对我的毕业设计的开题报告和外文译文作出批改和指正。毕业设计过程中王老师细致的解答我遇到的问题并对遇到问题进行专业的讲解，让我准确把握设计的方向，让我少走了很多弯路。而且在毕业论文说明书编写方面也给出了指导意见，对我毕业论文后期的顺利完成有很大的帮助。最后谢谢我的同学特别是室友，在流程