电动车用无刷直流电机控制器的设计.doc

1、 2014 届毕业生 毕业 设计 说明书 题 目 : 电动车用无刷直流电机控制器的设计 学院名称： 电气工程学院 班 级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 教师职称： 讲师 2014 年 05 月 27 日 2014 年 5 月 22 日1 摘 要 近年来，社会发展快速， 而 我们生活的环境也在遭受破坏，民众的环境保护 意识 和资源节约意识不断 提高 ，电动 车 在这样的机遇下获得很大关注并蓬勃发展 。 之前有刷直流电机在电动 车驱动 装置 中占据 着 主 导地位，但有刷电机凭借 机械换向器和电刷 配合进行 换向， 特别容易造成磨损，元件也比较复杂，同时运行稳定性较差且有杂音。现在 无刷直流

2、电机 运用在更多行业 ， 它 兼备 有刷 直流 电机优 点 ， 没有机械换向装置 ， 使用时间长、安全性高、维护成本低 等优点， 这些优点使它 成为 电动车用电机的 首选 。 利用 PICl6F72 单片机 进行 无刷直流电机控 制器的设计 。 用它来实现各个模块的功能 ， 电池经稳压器输出不同电压，一个给驱动芯片 IR2130，通过 IR2130 芯片驱动逆变桥电路， 根据 检测的逆变 桥 输出电流大小 对电机控制，同时确定是否过流。检测电池电压，然后输入单片机进行控制。另一个给单片机，提供电压和基准值。 关键词： 无刷直流电动机 PIC16F72 控制系统 2 目 次 1 引言 . 3 1

3、.1 课题背景描述 . 3 1.2 无刷直流电机的发展现状 . 3 1.3 无刷直流电机发 展前景 . 4 2 电动车控制总体设计 . 5 2.1 电机选择 . 5 2.2 无刷直流电机的结构 . 5 2.3 无刷直流电机的原理 . 5 2.4 无刷直流电机的运行特性 . 7 3 硬件设计 . 9 3.1 无刷直流电机控制器硬件设计 . 9 3.2 PIC16F72 单片机的主要性能 . 10 3.3 电源变换电路 . 10 3.3 MOSFET 驱动芯片 IR2130 简介 . 11 3.5 输入信号处理部分 . 13 3.5.1 速度控制和电量检测部分 . 13 3.5.2 电流检测和放大

4、部分 . 14 3.5.3 霍尔位置传感器信号处理部分 . 15 3.5.4 转把刹车处理部分 . 16 4 软件设计 . 17 4.1 软件设计的总体思路简介 . 17 4.2 程序流程图 . 17 4.3 转子换相流程 图 . 18 总 结 . 20 致 谢 . 21 参 考 文 献 . 22 附录 A 硬件电路原理图 . 24 附录 B 控制程序 . 26 3 1 引言 1.1 课题背景描述 目前， 全国各地都出现雾霾天气，人们越来越关注生活环境。 减少资源浪费 ，发展新能源 的呼声高涨， 特别是国家把这个问题提上日程，可以看出对 环境卫生的重视。在这样的背景下，无污染的交 通工具受到热

5、捧。 市场上 新能源汽车的高效节能 得到很多重视 和 大量研究 ， 特别 是 电动车的发展。由于电子控制技术的 革新 发展使得对电机性能要求也越来越高， 例如：质量小 ， 输出转矩高 ， 占地 小， 运行效率 高 。无刷直流 电机 具有 结构简单， 安全运行 ， 没有摩擦 ，电磁噪声 小优点 ， 大量运用在 现代生产 装备 、 功能测量仪器 、 电脑 外围设备和特殊 电器。 它 克服 了有 刷直流电机电刷和换向器的 接触 产生 摩擦 火花 ,电流 干扰和其 它缺点 ， 延长使用时间 ,所以无刷直流电机 在 电动自行车产品 中 逐渐被 运用 。 鉴于无刷直流电机这些优异的功能 ， 它将会获得更大

6、的应用空间 。 1.2 无刷直流电机的发展现状 电动车在行驶时 ， 由于受到交通路况的影响，通常是处在走走停停的状况，特别是在城市交通中，这种状况更为明显 。 因此 ,电动机 的 启 动 特性 、 加速度特性 、效率 利用率 、低速 运行 、再生 回馈 制动 具有特别高的品质 。 电机过载、电机的能量密度 是 电动车电机的一个重要指标。 没有某一电动机是电动车专用的 ,都是使用 通用 电机 ,如直流 它 励电机 ,直流 串励电机、永磁直流电 动 机 。通用电动机负载特性常数 随着 电动车负荷特性变化 而变化 ,如果 这两个特征不匹配 ,就会影响 电动机 的 输出 ,从而影响电动车的性能。此外

7、,大多 数 电机 设计的最高效 率点 设置在 额定负载 左右 。开关磁阻电机低速高扭矩 ,但效率低 ,永磁同步电机效率高 ,但不能改善低速扭矩。无刷直流电机 恰恰有这些 优点 。把多 种电机 的 技术指标 列出 见表 1-1。 由 表 1-1 看 出 无刷直流电机 为最佳驱动电动车的 电机， 跟列表中 其它 电机 比较它突出 优点 是 ： 依靠转子上的霍尔位置传感器完成 电子换向， 不用借助 电刷和换向器， 不经常维修 ， 耐用经济 ， 硬性指标好，能实现平滑且大范围的调速 ， 它消除了电刷上的降压 ， 具有很高的效率 ， 将 电枢绕组 缠绕 在 电动机 的定子上， 容易把热量4 排出 。 这

8、种情况下可最大程度减小电机尺寸 。 把 永磁体 安装在电机转子 上 ， 优化电机动态响应 。 减掉了换向器和电刷的限制 ， 转速可以很高 ， 控制器可以驱动电机运转 ， 同时它又可调节电动机的速度 。 表 1-1 各种电机性能指标 性能指标 直流电机 永磁直流电机 鼠笼异步电机 永磁同步电机 无刷直流电机 起动性能 5 4 2 4 5 低速性能 5 4 3 4 5 低速时效率 3 4 3 5 5 平均效率 3 4 4 5 5 能量密度 2 3 4 5 5 过载能力 4 4 4 5 5 再生能力 3 4 3 5 5 可靠性 2 2 5 4 4 制造成本 4 4 5 4 4 控 制器成本 5 5

9、4 4 4 合计 36 38 37 45 47 1.3 无刷直流电机发展前景 不可否认 ，电动车 是近些年发展尤为迅速并且成为趋势的一个产业 。 它减少尾气 、 使用便捷 、 方便 维护 的特 点， 得 到消费者的喜爱 ， 在我国它的需求量非常大。到 2008 年 我国消费的电动车数量达到 1.1 亿辆。 除此之外 ， 从近年来的情况看 ， 它大大超越自行车数量 ， 与燃油车比较中它的优势逐渐明晰 ， 最近几年很多公司推出样式新颖能耗低的电动车 ， 是交通出行的工具 。 依靠数据显示 ：预计 至 2015 年， 市场上电动车消费量可达到 3.2 亿辆。加上各阶层认 识 到 电动车的经济环保 ，

10、 它每年的增长可以达 500 万辆 ， 连带其附属产业 ， 它能创造巨大的经济效益 。 所以 ，在 扩大 内需和 减少污染 的大 环境 下，电动车 可以保持长期发展 。 5 2 电动车 控制 总体设计 2.1 电机选择 无刷直流电机 与其它 电机 相比 ， 它运行稳定，启动转矩大，成本低。 并且 回馈部分不复杂 ，功率密度 保持的很高 ， 电机输出转矩也很大 ，控制 装置也非常好设计 ，这样 电机和逆变器 的优点得到最大限度发挥 。 无刷电机调速范围很宽 ， 尺寸小 ， 质量不大 ，转 自 惯量 较低 ， 客服了传统电机的励磁消耗 。 2.2 无刷直流电机的结构 电 动 机 上 电枢绕组 的连

11、接是 用三相星型的形式 ， 绕组的首端或尾端相连。三个霍尔 位置传感器 安装在 电机转子同轴上， 单片机将输入的位置信号经分析计算后输出下一步的驱动信号 ， 驱动 信号 经特定驱动芯片后导通逆变器的功率 管， 使电机绕组按一定顺序导通 。图 2.1 是无刷直流电机的构成 ： 图 2.1 无刷直流电机 组 成 电机 的 组成元件 有转轴 、机壳、定子和转子。定子上三相星形绕组， 接上电源后，电流流入定子三相绕组， 形成 旋转的磁动势， 定子 磁动势与转子磁铁产生的励磁磁场 相互感应而产生输出 功率，并通过转子旋转拖动输出一定的机械功率，从而实现了将电能向机械能这个方向转化。 2.3 无刷直流电机

12、的原理 无刷直流电机的运行原理 是电动机、霍尔传感器、换向电路配合工作 ， 一 个环节出现差错 ， 电机的安全运行都不能保证 。它们 之间的工作原理 如图 2.2 所示： 电机本体 转子位置传感器 无 刷直流电机 电子换相电路 6 直 流 电 源 逻 辑 变 换 功 率 驱 动电 动 机 本 体转 子 位 置 传 感 器图 2.2 无刷直流电机工作原理 直流无刷电机中， 依靠霍尔传感器检测出的转子位置信号 ， 经单片机处理后 输出 ， 经驱动芯片放大后导通或关断逆变桥中 MOSFET 管 ， 保证电机三相绕组按序通电 ，定子 产生 的 旋转磁场与转子产生的永磁磁场相互作用 ， 让电机 转子进行

13、 运 转。 跟随电机转子的旋转 ，霍尔位置传感器 不停地 感应输出位置信号，然后通过单片机对这些感应信号进行运算判断，不断输出驱动信号对相应的功率管进行导通或关段， 通过信号处理可改变电机绕组的通电组合 ， 确保某一磁极下流过的电流方向保持同向 ， 上述即为无刷电机换向原理 。 无刷直流电机的定子电枢绕组的绕线形式分为星形绕组和 三角形 绕组两大类，本文运用星形绕组。 与它相连的是三相全桥逆变电路 ，图 2.3 是星形连接的三相全桥电路 图。 以图 2.3 星形连接的 三相 全 桥 电路来分析 电机 换向步骤 。 霍尔传感器彼此相隔120。 电角度 ， 当 转子在正转时 ，三个霍尔传感器 输出

14、的信号为 001、 011、 010、 110、100、 101， 如此 进行下一轮运行。当电机转子 反转时 ，霍尔传感器输出的信号 与 正转时的相反，这里不再讲述。 图 2.3 星形连接的全桥逆变 图 7 当无刷直流电机的正转时 ， 霍尔传感器信号为 001 时，晶体管 V4、 V5 导通，信号为 010 时， V2、 V3 导通，信号为 100 时， V1、 V6 导通 。依靠电子换相电路及时跟踪电动机内部霍尔位置传感器感应的信号 ，电机才能正常转动起来。表 2-1 无刷电动机 通电 控制表 。 表 2-1 电机通电控制表 旋转方向 位置传感器 逆变桥开关管驱动信号 H1 H2 H3 V1

15、 V2 V3 V4 V5 V6 正转 0 0 1 0 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 0 1 0 0 1 反转 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 1 0 2.4 无刷直流电机的运行特性 我们选用电机时会从它的运行特点考虑 ，这里 分析 它启动的特性和调速的特性 ，这决定着电机是

16、否符合电动车运行要求 。 刚启动时电流是正常 电枢电流的几倍甚至到几十倍，此刻电机电枢的电磁转矩最大，电动机能在很短的时间内启动。而随着电机转子的加速旋转，感应的反电动势 E在逐渐增大，电磁转矩随之减小，加速度的转矩降低， 直 到最后在正 常的运行 状态 。 为了预防接通电源后，在电机刚起动时由于起动电流过大而烧坏电动机线圈绕组，这样就需要单片机在控制电动机启动时 ， 一定 要 保证 PWM脉宽调制波分配在某个比较合适的占空比上，并且安装电流反馈控制环，在确定电动机能迅速起动的同时又最大可能的让电机处在一个电机安全运行的范围内。 电机调速方法：可以改变电机电枢电压大小，还可以在转子中串电阻。改

17、变电枢电压，进而改变电机输出功率大小 ， 调节电机运行速度 ， 调速范围比较宽。 转子串电阻调速就是 在电机 绕组外串接电阻 ， 这种方法容易实现 。 可它不能进行无级调8 速 ， 载负载能力很弱 。同时电阻浪费很多电能 。 无刷直流电机现在大多选用改变 电机绕组上 电压的 大小 进行调速。 此外，当电动机出现堵转时，那么电机也会产生巨大的电枢电流，这样在单片机上安装一个过电流保护的电路是非常必要的。一句话，对电枢电流的检测，全部都是为了确保电机安全运行。 在全面考虑电机运行功能以及会出现的问题后，我们设计出符合实际应用的电动车。 9 3 硬件设计 3.1 无刷直流电机控制器硬件设计 硬件原理

18、图 如图 3.1 所示。 设计电路 包括蓄 电池 供电模块、 稳压电源模块、逆变器 驱动模块、 逆变器模块 、 刹车 模块 、电流检测模块等 。 蓄 电 池稳 压 电 源PIC16F72调 速 信 号电 压 检 测逆 变 器 电 路B L D CM逆 变 器 驱 动 电 路电 流 检 测位 置 检 测刹 车 信 号图 3.1 无刷直流电机控制器原理框图 稳压电源模块是通过变压装置的变压转换，输出电路所需要的工作电压 ，为整个系统不同电路装置提供所需的电压和电流，是整个系统的动力保证。于电动车用无刷直流电机来讲，由于它仅能依靠电池的形式来供电，但是电池的能量储存总是越来越少，所以说一定要定时检测一下电源电压以确定此时电池的剩余电量，避免电池使用过量而缩短电池的使用寿命。 调速模块 对电机进行 速度 调速 。 它通过 霍尔转把 输出电压大小变化调节速度 。单片机输出 驱动 IR2130 的信号后 ， 对 逆变器中各功率管进行导通 。 逆变桥电路输出电机所需要的电压，为电动机提供动力 。 单片机处理传感器信号 ， 经过计算 后 向 逆变桥 发出控制指令 ，使电机 转动起来 ；单片机控制模块经过对调速信号的采集，计算出电机的预定运行转速， 给出实际速度与预定速度间的差值 ， 最后采集 逆变桥 的电流，在 电流 没达 最大电流 前提下 ，单