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    摘要：本文根據項目參數要求，采用Microchip公司的PIC16F72單片機作為控制芯片，在硬件方面，進行了電源電路設計、系統硬件保護電路設計、三相全橋逆變電路設計、逆變器驅動電路設計。在軟件方面利用匯編語言，采用模塊化編程和結構化編程。根據無刷直流電機的控制原理，對系統的控制部分進行了詳細分析。利用數字PI控制理論實現電機速度的閉環調制。在系統可靠性方面:設計了系統的欠壓、過流和堵轉保護。本文還對影響控制器和單片機系統可靠性的因素進行了分析，并且給出了解決方案.本文所設計的無刷電機控制器實現了電動、定速、助力三種工作模式并且在系統出錯情況下具有自檢功能。保護功能較完善、硬件結構簡單、成本較低，具有升級空間，便于用戶二次開發。

0前言

    80年代初，無刷直流電機進入了實用階段，方波和正弦波無刷直流電機先后研究成功。“無刷直流電機”的概念已由最初的具有電子換相器的直流電機發展到泛指一切具有傳統直流電機外部特性的電子換相電機。現今，無刷直流電機集電機、變速機構、檢測元件、控制軟件和硬件于一體，形成為新一代的電動調速系統。無刷直流電機具有最優越的調速性能，主要表現在:調速方便(可無級調速)，調速范圍寬，低速性能好(啟動轉矩大，啟動電流小)，運行平穩，噪音低，效率高，應用場合從工業到民用極其廣泛。如電動自行車、電動汽車、電梯、抽油煙機、豆漿機、小型清污機、數控機床、機器人等等.由于無刷直流電機具有這些優點，因此在2004年的國際電機會議上提出了有刷電機將被無刷電機取代這一發展趨勢。美、日、英、德在工業自動化領域中已經實現了以無刷直流電機代替有刷電動機的轉換。

    美國福特公司率先把無刷直流電機應用于汽車20世紀80年代以來，隨著微機控制技術的快速發展，出現了各種稱為無位置傳感器控制技術的方法，是當代無刷直流電機控制研究的熱點之一。各國知名半導體公司如Allegro,Philips,MicroLinear,Toshiba等，先后推出了許多無刷直流電機無傳感器控制集成電路。

    2004年12月我國電機制造業共1167家生產企業，全部從業人員388282人，資產972億。我國生產的微特電機己經占世界60%以上，目前是全球最大的永磁體(生產無無刷直流電機控制系統設計刷電機的主要原材料)生產供應基地，中國還將會成為全球最大的無刷電機生產國。隨著汽車工業的快速發展，車用小功率電機的需求增長帶動了以永磁無刷直流電機為主體的車用小功率電機的興起，我國正在成為世界電動汽車制造業的主要供應商。

    稀土永磁無刷直流電機是近20年發展起來的一類電機，電力電子技術，微電子技術、微機和稀土永磁材料的發展為無刷直流電機的研究奠定了基礎。目前無刷直流電機的發展已經和大功率開關器件、專用集成電路、稀土永磁材料、微機、新型控制理論及電機理論的發展緊密結合，顯示出廣泛的應用前景和強大的生命力。與其它電機相比它具有幾個明顯優點：①永磁無刷直流電機沒有電刷、而是利用電子換相，故克服了任何由電刷硬氣的問題。②永磁體安裝在轉子上、電樞繞組裝在定子上，故導熱性能好，產生的熱量更容易散發出去；結構也變得簡單，并且節省了空間，使其磁場損失也得到了減少。③它的效率與轉速永遠保持同步關系，不會發生失步、震蕩等現象，在節約能源方面也有明顯優勢。

1無刷電機控制系統分析

1.1三相無刷直流電機星形連接全橋驅動原理

    無刷直流電機轉子的轉速受電機定子旋轉磁場的速度及轉子極數的影響，在轉子極數固定情況下，改變定子旋轉磁場的頻率就可以改變轉子的轉速。無刷直流電機控制器包括電源部分和控制部分，如圖1所示。電源部分提供三相電源給電機，控制部分則按照需求轉換電源頻率。電源部分可以直接以直流電輸入或者以交流電輸入，如果是以交流電輸入就需先經轉換器(converter)轉成直流電。不論是直流電輸入或是交流電輸入，送入電機線圈前須先將直流電壓由逆變器(inverter)轉成三相電壓來驅動電機。逆變器一般由六個功率晶體管，分為上橋臂和下橋臂，連接電機作為控制流經電機線圈的開關。控制部分則提供PWM脈沖寬度調制信號決定功率晶體管開關頻率及逆變器換相的時機。對于無刷直流電機，當負載變動時，一般希望速度可以穩定于設定值而不會有太大的變動，所以電機內部裝有霍爾傳感器(hall-sensor)，作為速度的閉回路控制，同時也作為相序控制的依據。

    電機轉動由霍爾傳感器感應到的電機轉子所在位置，決定開啟或關閉逆變器中功率晶體管的順序來控制，如圖2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)，使電流依序流經電機線圈，產生順向或逆向旋轉磁場，并與轉子磁鐵產生的磁場相互作用，使電機順向或逆向轉動。當電機轉子轉動到霍爾傳感器感應出另一組信號的位置時，控制部又再開啟下一組功率晶體管，如此循環，電機就可以實現轉動.功率晶體管的開啟方法舉例如下:AH,BL一組—>AH,CL一組—>BH,CL一組—>BH,AL一組—>CH,AL一組—>CH、BL一組，但不能使AH,AL或BH,BL或CH,CL，即同相上下橋臂同時導通.此外，因為電子零件總有開關的響應時間，所以功率晶體管在關與開的交錯時間要將零件的響應時間考慮進去，否則當上臂(或下臂)尚未完全關閉，下臂(或上臂)就已開啟，結果就造成上、下臂短路而使功率晶體管燒毀。設電機轉子位置傳感器采集的位置信號為Ha,Hb,Hc，分別對應于逆變器的A相、B相、C相。

    在電機轉動時，控制部分會根據系統設定的速度決定功率管的導通時間。若系統要求加速，則增長功率管導通的時間，若要求減速，則縮短功率管導通的時間，此部分工作由PWM脈寬調制信號控制。

圖1三相無刷直流電機工作原理

InverterMOTOR

圖2逆變器原理圖

2無刷直流電機控制器硬件設計

    無刷直流電機控制器在控制方式上主要有以專用集成芯片、單片機和DSP芯片控制三種方式。以專用集成芯片為核心的控制器，系統結構簡單，價格較便宜，但是系統靈活性不足，保護功能有限:以DSP芯片為核心的控制器，控制精度較高，但是算法較復雜，開發周期長，成本較高，不易在市場上推廣。本設計使用單片機作為主控芯片可以彌補上述兩方案的不足。

2.1硬件組成

本控制器根據項目參數要求應具有如下功能:

(1)具有電動、定速、助力三種工作模式:在電動模式下，控制系統能夠根據電動車轉把所給電壓，正常加電運轉;定速模式下，無需按住轉把，電動車能夠按照設定速度運行:助力模式下，能夠根據助力傳感器測得的騎車者的用力實現助力騎行.三種工作模式可通過模式轉換按鈕切換。

(2)當系統出錯或者位置傳感器、助力傳感器出錯時能夠進入自檢模式并顯示錯誤。

(3)能夠實現系統的欠壓保護、過流保護、堵轉保護。

(4)能夠實時顯示電動車的狀態。

根據上述功能，所設計的系統硬件框圖。如圖3所示。

圖3硬件系統框圖

2.2三相全橋逆變電路和驅動電路

    逆變電路和驅動電路是主控芯片與被控電機之間聯系的紐帶，其傳輸性能的好壞直接影響著整個系統的運行質量。其功能是將電源的功率以一定邏輯關系分配給無刷直流電動機定子上各相繞組。功率場效應晶體管具有開關速度快、高頻特性好、輸入阻抗高、驅動功率小、熱穩定性優良、無二次擊穿問題、安全工作區寬和跨導線性度高等顯著特點，因而在各類中小功率開關電路中得到了廣泛的應用。

    在本控制系統中就采用了MOSFET組成的逆變器變換電路。根據第二節所述，半橋逆變器的控制比較復雜，需要六組控制信號，電機三相繞組的工作也相對獨立，必須對三相電流分別控制。而全橋逆變器的控制比較簡單，只需三組獨立控制信號，且任一時刻導通的兩相電流相等，只要對其中一相電流進行控制，另外一相電流也得到了控制.因此本設計采用全橋逆變電路來控制各相位的導通，如圖2所示。

    本設計中逆變器上下橋臂都采用N溝道MOSFET管。P型MOSFET管由于工藝的原因，參數一致性較差，價格較貴，而且其內阻比N溝道的MOSFET管大，損耗也大。因此，當前的無刷控制器一般都采用兩個N溝道MOSFET管組成逆變器的一相。當功率MOSFET管用作開關，被驅動飽和導通，即在它的兩極之間壓降最低時，其柵極驅動要求可概括如下:

(1)柵極電壓一定要比漏極電壓高10~15V，用作高壓側開關時其柵極電壓必定高于干線電壓，常常可能是系統中的最高電壓.

(2)柵極電壓從邏輯上看必須是可控的，它通常以地為參考點。

(3)柵極驅動電路吸收的功率不會顯著地影響總效率。

本系統中功率MOSFET的漏極電壓為36V，本系統的最高電源電壓也為36V。為滿足柵極高于漏極10V~15V的要求，需要采用升壓電路。

3軟件設計

3.1主程序設計

    主程序上電復位后完成系統初始化：PWM,ADC端口、定時器等單元的初值設置;中斷設置;變量、標志寄存器的初始化。為了防止在初始化的過程中，中斷的意外到來，應在主程序的開始處先關閉全局中斷。初始化完成后，進入自檢程序，若各電器信號正常，則2秒后退出自檢模式。重新對相關寄存器，定時器賦初值，打開INT外部中斷，即允許模式轉換按鈕中斷。判斷電機啟動是否成功，如果成功進入正常工作模式函數，若有非法狀態，停電機，程序跳入自檢模式進行自檢。

    系統進入到正常工作模式的主循環時，首先判斷系統處于何種工作模式，然后檢查系統是否處于非法態，如果出現欠壓、過流、堵轉等錯誤，則停機，程序跳入到自檢狀態;否則，判斷是否有剎車信號，如沒有，進入判斷模式及模式功能處理函數:如果有，則停機，等待剎車結束信號。剎車結束后，如果工作模式為定速模式，則退出定速模式，進入電動模式。

    在電動模式下，單片機采集轉把電壓信息，控制輸出的PWM信號的占空比;定速模式下，轉把信號無效，程序根據模式轉換前輸出的PWM占空比恒定輸出;助力模式下，根據定時器TO采集助力傳感器的高低電平時間，控制PWM信號的占空比。在這個過程中，始終允許KMOD按鍵中斷，因此可以通過按下KMOD鍵切換電動、定速和助力三種模式。

3.2系統軟件調試

    由Microchip公司推出的MPLAB集成開發環境(ME)是綜合的編譯器、項目管理器和設計平臺，適用于使用Microchip的PIC系列單片機進行嵌入式設計的應用開發。首先，在仿真環境中通過輸入源程序、編譯、修正、單步執行、斷點執行、全速執行等過程觀察程序執行到指定位置的結果，將軟件的邏輯結構調試正確。接著，調試面板顯示模塊，只有正確的顯示，才能夠明確后續調試過程的正確與否。

    其次，調試模數轉換模塊。調模數轉換子程序時，要對每個通道逐一調試。先調試0號通道:將通道號置為0，并給0號通道的入口接上穩壓源，電壓在0—5V之間。調用模數轉換子程序，在寄存器中讀出轉換結果，并與理論值比較，判斷轉換結果是否準確。對其余通道的調試方法與0好通道的調法相同，調試中發現模數轉換有時不準確，因此延長轉換的等待時間，問題得以解決。調試中發現點亮指示燈不隨采集的電壓信號改變，后發現是電壓等級定義的不正確。

    調試PWM輸出模塊時，用示波器觀察CCP模塊輸出是佛正確，然后調試INT中斷，試驗中發現首次模式轉換時會有問題，電動模式轉換到定速模式或主力模式不定，延長從電動模式轉換到定速模式所要求的時間，問題解決，加上剎車信號，當在定速模式下按下剎車時，燈全亮正確，但當剎車解除時，仍顯示為定速模式，而此時觀察寄存器已轉為電動模式，經檢查發現是由于顯示更新不及時照成，在此處調用顯示子程序。調式電動或定時模式，確定轉把給定值與轉速的關系。調試中發現有時在沒有給定轉把電壓的情況下，電機發生運轉，此時應在初始化中對脈寬值清零。

4結論

    本文提出的基于PIC單片機控制的電動自行車控制系統的設計方案是可行的，能實現快速、精確的調速，且系統可靠性強，調試方便。實驗樣車起動時比較平穩，在起動和運行中過載時，沒有出現因大電流而損壞電子器件或電機的現象。系統的過流保護值為10A、欠壓保護值為31V，并且堵轉和自檢保護工作正常，運行時的面板顯示部分工作正常。控制電路的對稱半橋調制能實現電壓電流波形對稱，轉矩脈動和開關損耗都小，是理想的調制方式。