電動摩托車用無刷直流電機控制系統(tǒng)的設(shè)計

摘要：根據(jù)無刷直流電機的工作原理，設(shè)計了一種以PIC16F737單片機為控制核心的電動摩托車用無刷直流電機控制系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)詳細(xì)的硬件電路和軟件設(shè)計方法，實現(xiàn)了電動摩托車定速和調(diào)速兩種工作模式的選擇。實驗證明該設(shè)計方案控制電路簡潔，器件少，成本低，保護(hù)措施可靠，提高了系統(tǒng)的控制精度，對無刷直流電機在其他領(lǐng)域的應(yīng)用有一定的幫助和借鑒，具有廣泛的現(xiàn)實意義。
關(guān)鍵詞：無刷直流電機；PIC16F737；電動摩托車；控制系統(tǒng)

    無刷直流電機(Brushless DC Motor，BLDCM)是隨著新型電力電子器件和永磁材料的發(fā)展而成熟起來的一種新型電機，它屬于同步電機的范疇，既具有交流電機運行可靠的優(yōu)點，又具有傳統(tǒng)有刷直流電機優(yōu)越的調(diào)速性能，因此具有廣泛的應(yīng)用前景。
    隨著人們生活水平及環(huán)保意識的不斷提高，具名“綠色化”發(fā)展理念的新型電動交通工具將在世界各地大行其道，電動摩托車必將成為人類的主要代步工具之一。采用無刷直流電機的電動摩托車作為綠色環(huán)保交通工具，具有操作簡單、騎乘舒適、維護(hù)方便、污染小和噪聲低等優(yōu)點。
    PIC系列單片機是采用精簡指令集RISC技術(shù)、哈佛總線和兩級指令流水線結(jié)構(gòu)的高性能價格比的8位嵌入式控制器(Embedded Controll er)。在此研究的電動摩托車控制系統(tǒng)是一個以PIC16F737單片機為核心，無刷直流電機為控制對象的系統(tǒng)。

1 控制系統(tǒng)的實現(xiàn)
    控制系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。

    主要組成部分：
    1)主控模塊：由PIC16F737單片機、+5 V電源及外圍輔助電路組成。
    2)輸入電路：由位置信號檢測、電流信號檢測電路、轉(zhuǎn)把剎車信號采集電路組成。
    3)輸出電路：由IR2110為核心的驅(qū)動電路和逆變電路組成。
    4)保護(hù)電路：由過流保護(hù)電路、過壓保護(hù)電路及報警電路等組成。
    工作原理：單片機作為控制核心將位置檢測、電流檢測的信號處理輸出對應(yīng)的PWM波經(jīng)驅(qū)動芯片，驅(qū)動6個功率場效應(yīng)管，由其組成的三相全橋驅(qū)動電路對電機進(jìn)行控制，因此可以對電機進(jìn)行位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的三閉環(huán)控制。當(dāng)剎車信號出現(xiàn)或電機出現(xiàn)堵轉(zhuǎn)而引起電流超限時，單片機立刻切斷逆變電路；當(dāng)電池電壓低于設(shè)定時，自動切斷電機驅(qū)動電路，以防電池過放電而損壞。
1．1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
    1)主控模塊
    單片機外接口電路如圖2所示。主要包括：電流采樣包括瞬時電流采樣信號輸入量接RA0口，平均電流采樣信號輸入量接RA1口；過流保護(hù)中斷請求連接單片機的RB0口；電池電量檢測信號接RB1口，48 V電壓對應(yīng)的采集電壓是2．66 V，低于40 V時對應(yīng)的采集電壓是2．1 V此時需要保護(hù)；轉(zhuǎn)把調(diào)速模擬輸入量接RB3口，制動手柄模擬輸入量接RA2口；附加功能輸入包括報警和巡航，輸入量分別接RA5口和RB2口；3個霍爾轉(zhuǎn)子位置傳感器輸入Ha、Hb、Hc信號分別接RB7口、RB6口、RB5口；逆變電路中功率開關(guān)管驅(qū)動輸出，實現(xiàn)無刷電機電子換向及無級調(diào)速。

    2)輸入電路
    ①霍爾信號輸入
    轉(zhuǎn)子位置檢測電路在系統(tǒng)中的作用有兩個：檢測電機定、轉(zhuǎn)子的相對位置為逆變電路提供正確的換相信號；通過檢測某路霍爾脈沖信號的個數(shù)，計算后轉(zhuǎn)換為速度信號，構(gòu)成速度反饋環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)的位置信號采樣是通過無刷直流電動機本身自帶的霍爾元件來檢測的，由于霍爾元件是集電極開路輸出，其輸出信號經(jīng)過上拉電阻得出位置方波信號，再經(jīng)過隔離電路送到單片機的引腳(U2—29、U2—30、U2—31)進(jìn)行位置信號的捕捉，如圖3所示。

    ②電流檢測電路
    該電流檢測電路由2個LM358運算放大器組成，如圖4所示。其中一個構(gòu)成了電壓比較器，把檢測的電流信號與已知電壓比較，得到過流輸出信號，過流時比較器翻轉(zhuǎn)觸發(fā)單片機中斷，及時關(guān)斷功率開關(guān)管形成保護(hù)電路。內(nèi)部電流環(huán)電流通過另外一個由LM358運算放大器構(gòu)成的同相比例放大電路來獲得，經(jīng)放大后轉(zhuǎn)化為與電流成正比的電壓信號送入單片機PA2口。

    3)輸出電路
    ①逆變電路設(shè)計
    電機轉(zhuǎn)動由霍爾傳感器感應(yīng)到的電機轉(zhuǎn)子所在位置，決定開啟或關(guān)閉逆變器中功率晶體管的順序來控制，如圖5所示逆變器中的AH、BH、CH(上橋臂功率晶體管)及AL、BL、CL(下橋臂功率晶體管)，使電流依序流經(jīng)電機線圈，產(chǎn)生順向或逆向旋轉(zhuǎn)磁場，并與轉(zhuǎn)子磁鐵產(chǎn)生的磁場相互作用，使電機順向或逆向轉(zhuǎn)動。當(dāng)電機轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到霍爾傳感器感應(yīng)出另一組信號的位置時，控制部分又再開啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)，電機就可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動。

    ②IR2110驅(qū)動電路
    IR2110芯片是一種雙通道、柵極驅(qū)動、高壓高速功率器件的單片式集成驅(qū)動模塊。如圖6所示，是由IR2110組成的無刷直流電機驅(qū)動電路原理圖(單橋臂)。此驅(qū)動電路采用以3片IR2110為中心的6個N溝道的MOSFET管組成的三相全橋逆變電路，上橋臂采用PWM調(diào)制的控制方式；下橋臂采用固定角度控制方式，由此驅(qū)動無刷直流電動機。

1．2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
    軟件設(shè)計是整個控制系統(tǒng)設(shè)計的核心部分，它將直接決定了整個控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量和它的效率，決定系統(tǒng)輸出信號的特性，包括電流大小及穩(wěn)定度、諧波含量、保護(hù)功能的完善、可靠性等。PIC芯片是在其專門的軟件開發(fā)環(huán)境Mplab進(jìn)行程序編寫與仿真的，這給開發(fā)者設(shè)計調(diào)試程序帶來了極大的方便。該系統(tǒng)軟件設(shè)計重點是主程序和中斷服務(wù)程序，流程圖如圖7所示，主程序?qū)崿F(xiàn)了各變量和芯片的初始化、巡航模式非巡航模式2種工作模式的選擇；中斷服務(wù)程序包括過流欠壓中斷子程序、A／D轉(zhuǎn)換中斷服務(wù)子程序、剎車中斷子程序。

2 結(jié)束語
    文中所設(shè)計的基于PIC16F737的控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單、保護(hù)功能完善、軟件采用模塊化設(shè)計、易于用戶二次開發(fā)、系統(tǒng)可靠性強、調(diào)試方便等特點。本文的創(chuàng)新點在于實現(xiàn)了電機的調(diào)速及定速兩種工作模式的選擇，同時從軟硬件2個方面實現(xiàn)了系統(tǒng)的欠壓保護(hù)，過流保護(hù)。整個系統(tǒng)在實際應(yīng)用中啟動平穩(wěn)、帶載能力強、能夠?qū)崿F(xiàn)快速精準(zhǔn)的調(diào)速、現(xiàn)場運行良好。