電動(dòng)摩托車(chē)用無(wú)刷直流電機控制系統的設計

摘要：根據無(wú)刷直流電機的工作原理，設計了一種以PIC16F737單片機為控制核心的電動(dòng)摩托車(chē)用無(wú)刷直流電機控制系統，給出了系統詳細的硬件電路和軟件設計方法，實(shí)現了電動(dòng)摩托車(chē)定速和調速兩種工作模式的選擇。實(shí)驗證明該設計方案控制電路簡(jiǎn)潔，器件少，成本低，保護措施可靠，提高了系統的控制精度，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。
關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機；PIC16F737；電動(dòng)摩托車(chē)；控制系統

 無(wú)刷直流電機(Brushless DC  Motor，BLDCM)是隨著(zhù)新型電力電子器件和永磁材料的發(fā)展而成熟起來(lái)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(diǎn)，又具有傳統有刷直流電機優(yōu)越的調速性能，因此具有廣泛的應用前景。
 隨著(zhù)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(dòng)交通工具將在世界各地大行其道，電動(dòng)摩托車(chē)必將成為人類(lèi)的主要代步工具之一。采用無(wú)刷直流電機的電動(dòng)摩托車(chē)作為綠色環(huán)保交通工具，具有操作簡(jiǎn)單、騎乘舒適、維護方便、污染小和噪聲低等優(yōu)點(diǎn)。
 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 Controll  er)。在此研究的電動(dòng)摩托車(chē)控制系統是一個(gè)以PIC16F737單片機為核心，無(wú)刷直流電機為控制對象的系統。

1 控制系統的實(shí)現
 控制系統的原理框圖如圖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、轉把剎車(chē)信號采集電路組成。
 3)輸出電路：由IR2110為核心的驅動(dòng)電路和逆變電路組成。
4)保護電路：由過(guò)流保護電路、過(guò)壓保護電路及報警電路等組成。
 工作原理：?jiǎn)纹瑱C作為控制核心將位置檢測、電流檢測的信號處理輸出對應的PWM波經(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，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。當剎車(chē)信號出現或電機出現堵轉而引起電流超限時(shí)，單片機立刻切斷逆變電路；當電池電壓低于設定時(shí)，自動(dòng)切斷電機驅動(dòng)電路，以防電池過(guò)放電而損壞。
1．1  系統硬件設計
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(shí)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(guò)流保護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電壓對應的采集電壓是2．66 V，低于40 V時(shí)對應的采集電壓是2．1  V此時(shí)需要保護；轉把調速模擬輸入量接RB3口，制動(dòng)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(gè)霍爾轉子位置傳感器輸入Ha、Hb、Hc信號分別接RB7口、RB6口、RB5口；逆變電路中功率開(kāi)關(guān)管驅動(dòng)輸出，實(shí)現無(wú)刷電機電子換向及無(wú)級調速。

2)輸入電路
①霍爾信號輸入
 轉子位置檢測電路在系統中的作用有兩個(gè)：檢測電機定、轉子的相對位置為逆變電路提供正確的換相信號；通過(guò)檢測某路霍爾脈沖信號的個(gè)數，計算后轉換為速度信號，構成速度反饋環(huán)節。本系統的位置信號采樣是通過(guò)無(wú)刷直流電動(dòng)機本身自帶的霍爾元件來(lái)檢測的，由于霍爾元件是集電極開(kāi)路輸出，其輸出信號經(jīng)過(guò)上拉電阻得出位置方波信號，再經(jīng)過(guò)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(gè)LM358運算放大器組成，如圖4所示。其中一個(gè)構成了電壓比較器，把檢測的電流信號與已知電壓比較，得到過(guò)流輸出信號，過(guò)流時(shí)比較器翻轉觸發(fā)單片機中斷，及時(shí)關(guān)斷功率開(kāi)關(guān)管形成保護電路。內部電流環(huán)電流通過(guò)另外一個(gè)由LM358運算放大器構成的同相比例放大電路來(lái)獲得，經(jīng)放大后轉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逆變電路設計
 電機轉動(dòng)由霍爾傳感器感應到的電機轉子所在位置，決定開(kāi)啟或關(guān)閉逆變器中功率晶體管的順序來(lái)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(xiàn)圈，產(chǎn)生順向或逆向旋轉磁場(chǎng)，并與轉子磁鐵產(chǎn)生的磁場(chǎng)相互作用，使電機順向或逆向轉動(dòng)。當電機轉子轉動(dòng)到霍爾傳感器感應出另一組信號的位置時(shí)，控制部分又再開(kāi)啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)，電機就可以實(shí)現轉動(dòng)。

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

1．2 系統軟件設計
 軟件設計是整個(gè)控制系統設計的核心部分，它將直接決定了整個(gè)控制系統的控制質(zhì)量和它的效率，決定系統輸出信號的特性，包括電流大小及穩定度、諧波含量、保護功能的完善、可靠性等。PIC芯片是在其專(zhuān)門(mén)的軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境Mplab進(jìn)行程序編寫(xiě)與仿真的，這給開(kāi)發(fā)者設計調試程序帶來(lái)了極大的方便。該系統軟件設計重點(diǎn)是主程序和中斷服務(wù)程序，流程圖如圖7所示，主程序實(shí)現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(guò)流欠壓中斷子程序、A／D轉換中斷服務(wù)子程序、剎車(chē)中斷子程序。

2 結束語(yǔ)
 文中所設計的基于PIC16F737的控制系統硬件結構簡(jiǎn)單、保護功能完善、軟件采用模塊化設計、易于用戶(hù)二次開(kāi)發(fā)、系統可靠性強、調試方便等特點(diǎn)。本文的創(chuàng )新點(diǎn)在于實(shí)現了電機的調速及定速兩種工作模式的選擇，同時(shí)從軟硬件2個(gè)方面實(shí)現了系統的欠壓保護，過(guò)流保護。整個(gè)系統在實(shí)際應用中啟動(dòng)平穩、帶載能力強、能夠實(shí)現快速精準的調速、現場(chǎng)運行良好。