电动自行车无刷直流电机控制器设计最终版.docx

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电动自行车无刷直流电机控制器设计最终版

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电动自行车无刷直流电机控制器设计最终版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；PIC16F72TitleDesignofBrushlessDCMotorControllerforElectricBicycleAbstractInrecentyears,therapiddevelopmentofsocialeconomyatthesametimeourlivingenvironmenthasalsosufferedseriousdamage.Withthepeoplesawarenessofenvironmentalprotectionandresourceconservation,thedevelopmentandapplicationofanewtypeofcleanandenergysavingvehiclehasbecomeanurgentneedofthesociety.Theemergenceofelectricbicycleseffectivelysolvethisproblem,greatlymeettheneedsofpeople,hasbecomeacommonmeansoftransportationforpeoplesdailyshortdistancetravel.ThispaperfocusesonthetechnicalaspectsofthebrushlessDCmotorcontrol,mainlytounderstandtheimportantaspectsoftherotorpositiondetection,pulsewidthmodulation（PWM）andmotorcontrolstrategy,designaPIC16F72MCUasthecontrolcoreofthebrushlessDCcontrollertorealizationofelectricmachinethebasiccontrolfunction.PIC16F72microcontrollerisusedasthecontrolunitofthecontrolsystem,andtheIR2130driverchipisusedtoprovidethedrivingsignalforthetransistorbridgecircuittorealizetheeffectivecontrolofthemotorrunningstate.ThesystembyusingthebackEMFzeromethodtoobtaintherotorpositionsignalinputtothecontrolchip,andtheinputsignalofdataprocessingwhichistheninputtothedriverchiptochangethedrivingcircuitofMOSFETconductionsequenceandthenrealizetoturnHayawaMasainversionofcontrolofBrushlessDCmotor.Throughthedesignofundervoltageandovercurrentprotectioncircuit,theprotectionofthecontrolchipandthedrivechipcanberealized,sothatthesystemcanrunreliablyandstably.Keywords:

BushlessDCmotor；Controlsystem；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2.3PIC16F72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