基于PIC單片機的電動(dòng)自行車(chē)控制系統設計

摘 要：介紹以單片機PICl6F72為核心的電動(dòng)自行車(chē)用無(wú)刷直流電動(dòng)機控制系統的設計。該系統采用電流與速度雙閉環(huán)控制的結構，其中電流調節器用傳統的PI調節器，速度調節器為改進(jìn)的PI調節器。實(shí)驗驗證了此設計方案的可行性和優(yōu)越性，即控制電路簡(jiǎn)潔，器件少，成本低，保護措施可靠，提高了系統的控制精度。該設計對無(wú)刷直流電機在其他領(lǐng)域的應用有一定的幫助和借鑒，具有廣泛的現實(shí)意義。該系統速度環(huán)采用改進(jìn)型的PI調節器控制，且通過(guò)軟件運用算法測速，實(shí)現轉速反饋，既簡(jiǎn)化電路又節省成本。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)自行車(chē)；控制系統；無(wú)刷直流電動(dòng)機；PIC16F72；PID控制

0 引 言
隨著(zhù)社會(huì )的不斷進(jìn)步，人們生活水平的提高，環(huán)境保護和能源節約問(wèn)題已經(jīng)越來(lái)越受到重視，開(kāi)發(fā)“零污染”、高效率的綠色環(huán)保電動(dòng)自行車(chē)代替已成為一個(gè)不可逆轉的趨勢，且具有良好的發(fā)展前景。近年來(lái)，無(wú)刷直流電機(BLDCM)以其體積小，結構簡(jiǎn)單，功率密度高，輸出轉矩大，動(dòng)態(tài)性能好等特點(diǎn)而得到了廣泛應用。在電機的數字調速控制中，選擇高效可靠的單片機將使控制系統的硬件電路簡(jiǎn)單可靠、軟件編制方便，系統整體性能得以提高。
PIC系列單片機是采用精簡(jiǎn)指令集RISC技術(shù)、哈佛總線(xiàn)和兩級指令流水線(xiàn)結構的高性能價(jià)格比的8位嵌入式控制器(Embedded Controller)。在此研究的電動(dòng)自行車(chē)控制系統是一個(gè)以PIC16F72單片機為核心，無(wú)刷直流電機為控制對象的系統。

1 PIC16F72單片機的功能簡(jiǎn)介
PIC16F72單片機內部有2 KB的FLASH程序存儲器和128 B的RAM數據存儲器；不僅采用精簡(jiǎn)指令集RISC技術(shù)，而且還采用哈佛總線(xiàn)結構，兩級流水線(xiàn)操作，提高了指令執行速度。
此外它還具有22個(gè)I／O引腳，與電源掉電復位的功能，內置的外圍含3個(gè)定時(shí)器(Timer0～Timer2)、一個(gè)捕捉／比較／PWM(CCP)模塊和一個(gè)同步串行通信端口SSP。該系統利用PIC單片機此脈寬調制模塊輸出脈寬可調的信號，實(shí)現無(wú)刷直流電機調速。

2 電動(dòng)自行車(chē)控制系統的設計方案
2．1 系統的硬件設計與原理
這里設計的電動(dòng)自行車(chē)控制系統主要由以下幾部分組成：以PIC16F72單片機為主控電路，其主要功能是完成電機的起動(dòng)、換相、調速、制動(dòng)等控制并實(shí)現對電機、電池的保護；以IR2132S為核心的驅動(dòng)、逆變電路，其主要功能是利用IR2131S的自舉技術(shù)驅動(dòng)功率MOSFET管控制電機電流；位置信號處理電路、電流信號處理電路以及一些外圍保護、輔助電路，其主要功能有完成對信號的采樣、對電路的供電、提供顯示信號、發(fā)出報警信號等功能。系統原理框圖如圖1所示。

該系統的基本原理是：PIC單片機的PWM輸出端口經(jīng)驅動(dòng)芯片，驅動(dòng)6個(gè)功率場(chǎng)效應管，由其組成的三相全橋驅動(dòng)電路對電機進(jìn)行控制，位置檢測和電流檢測形成負反饋，位置檢測的同時(shí)可以計算出電機轉速參數，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。位置參數由無(wú)刷直流電動(dòng)機自帶的霍爾元件測出，并由PIC16F72的C端口進(jìn)行捕捉定位，反饋的電流量是通過(guò)檢測旁路電阻上的壓降實(shí)現的，由PIC自帶的A／D進(jìn)行采樣、轉換。無(wú)刷直流電機的速度、電流雙閉環(huán)控制如圖2所示。