基于STM32的电动摩托车无刷直流电机控制器的设计.doc

1、 2015 届毕业生 毕业论文 题 目 : 基于 STM32的电动摩托车无刷直流电机控 制器的设计 2015 年 5 月 20 日 1 摘要 电动摩托车具有零排放、低噪声等许多优点 ,是现代绿色环保交通工具 ,由于比较方便、快捷 ,所以许多人选择它作为自己的出行工具，成为大中城市公共交通的补充。电动摩托车上一般用的都是无刷直流电机，所以电动摩托车控制器的质量非常重要。 本文首先介绍了无刷直流电机结构和换向原理，紧接着介绍了波脉宽调速原理直和流无刷电机的工作原理。然后做相关的电路图设计，主控芯片的选择、电流检测电路、霍尔位置传感器信号检测电路、电源转换与电压采样电路、电机驱动电路 设计、刹车和调

2、速电路设计、 STM32 芯片无刷电机控制接口电路，这些电路图设计是控制器的关键部分。接着叙述了软件部分的设计，主要包括：主程序的设计、 过流保护、欠压保护、电制动程序等。 通过输入程序可以改变 PWM 波的占空比，所以电枢电压的大小也可以调节，进而调节转速。 最后采用 STM32 单片机为控制核心 ,设计了电流检测保护电路、位置信号检测电路、电源转换电路、欠压保护电路等 ,由于单片机成本低、功能强大、运算能力强等优点 ,提高了控制系统的可靠性的同时 ,也降低了控制成本。我们不仅完成电机控制器的设计，同时也加深 了相关知识的理解和联系。 关键词： 无刷直流电机 、 stm32、电路设计、 2

3、目录 1、绪论 . 3 1.1 电动车的现状 . 3 1.2 研究电动车的意义 . 4 1.3 本论文的主要工作 . 4 2无刷直流电机控制系统的设计 . 5 2.1. 直流无刷电机的结构 . 5 2.2 直流无刷电机的工作原理和控制方法 . 6 2.3 单片机选型 . 8 2.4 无刷直流电机选型 . 11 3系统硬件电路的设计 . 13 3.1 硬件系统总体结构设计 . 13 3.2 电源电路设计 . 13 3.3 无刷直流电机霍尔位置传感器接口电路设计 . 14 3.4 刹车和调速电路设计 . 15 3.5 过流保护电路 . 16 3.6 三相全桥驱动电路 . 17 3.7 过压、欠压保

4、护电路 . 18 4系统软件设计 . 19 4.1 系统整体软件设计 . 20 4.2 直流无刷电机控制的软件设计 . 22 4.3 系统各部分功能在软件中的实现 . 24 4.4 STM32 检测霍尔信号和输出 PWM 软件设计 . 25 5.总结和展望 . 27 致 谢 . 29 参考文献 . 30 附录 . 31 3 1、绪论 1.1 电动车的现状 随着我国经济的快速发展和城市化进程的加快 ,机动车保有量逐渐增加 ,环境污染也因此越来越严重 ,所以寻找低 排放的技术和可再生资源称为一个重要课题。新型能源的交通工具的出现符合社会发展的需求。汽油摩托车作为现代化的交通工具 ,虽然有它的好处与

5、优点，但是摩托车所产生的废气和消耗的汽油 ,造成了一系列问题，比如城市环境污染和能源紧缺。在这种情况下 ,发展电动摩托车便是一个重要的方向，它的推广应用和技术开发便是目前一个重要议程。 电动摩托车以蓄电池作为能源，它具有操作简便、舒适方便、污染小等优点。可以作为广大市民代步工具 ,它是很合适的绿色环保交通工具 ,是大中城市公共交通的补充。是一种值得推广的交通工具，得到越来越多的 人的青睐 ,具有广阔的市场前景。 电动摩托车主要包括两个技术方面 ,蓄电池技术和电动机技术。 电池是电动摩托车的重要组成部分 ,它的发展程度高低直接决定电动摩托车的技术水平。近写些年来 ,电池技术发展速度相当迅速 ,密

6、封免维护铅酸电池、镍氢电池、燃料电池等可谓百花齐放 ,在制造工艺上有了重大改进 ,在材料特性上取得较大的发展 ,在研究上出现重大突破 ,让人们看到了美好的前景。 电动机是电动摩托车的一个重要组成部分 ,目前在电动摩托车行业内 ,直流电机的应用范围更加广泛。主要有有刷高速电机和无刷低速电机。有刷高 速电机这种电机控制系统简单、成本低、系统可靠性高 ,但是由于需要换向器整流子和电刷 ,存在着机械磨损 ,影响电机的使用效率。由于无刷低速电机没有电刷和传动齿轮 ,所以它不存在电刷的机械磨损 ,在运行中几乎没有噪音。所以不需要经常对电刷进行维护和替换，减少了运行成本。 4 1.2 研究电动车的意义 电动

7、车的发展可以缓解大气污染，随着电池技术和电力电子技术的发展，很多国家争先研发电动车。由于能源危机的显露，石油资源的日趋枯竭、全球温度上升、大气的严重污染，人类必须改善目前的不断恶化的生活环境，因此寻找替代能源，发展电动 车是人类的必由之路。发展电动车的重大意义 :促使我国能源结构得到较好的优化，虽然。我们知道电的来源多种多样，火力、水力、风力、地热、潮汐、核能都可以发电等，电动车的推广可以优化能源生产结构，发展电动车可以保障我国经济发展的能源安全，它有利于减少温室气体和其它有害气体的排放，符合可持续发展战略。推广电动车可以减少温室气体的排放量，有效缓解大气污染。发展电动车是大势所趋。 总之，发

8、展电动车是利国利民的好事，有利于节约能源、环境保护、提高 就业率，所以发展电动车是一个具有十分重大的意义工程，也是可持续发展战 略的伟大创举。 1.3 本论文的主要工作 本论文考虑到电动摩托车无刷直流驱动电机的结构特点 ,设计硬件电路的控制系统，有刷电机和无刷电机的通电原理不一样，他们的内部构造也不相同。无刷直流电机分为带霍尔传感器和无霍尔传感器，目前很多关于无刷直流电机控制器的研究的文章，为无刷直流电机的控制奠定了理论基础，如带霍尔传感器的无刷直流电机驱动原理、电流采样原理等。 本论文中 STM32 芯片不仅性能高同时它的成本与功耗比较低， STM32 能够完成复杂的 PWM 输出，由于它内

9、部具有高级的定时器，例如死区时间设定 、刹车功能、等都可以通过软件设定，它不需要在搭建复杂的外围电路。考察目前无刷直流电动机控制器的生产方案，设计出低成本性能优良的电动摩托车无刷直流电动机控制器，满足相关技术指标符合基本要求。对一个无刷直流电机控制器设计进行深入的分析，探究把虚拟仿真设计运用到现实产品中设计，缩短开发周期和降低开发成本，对加速电动车的推广普具有重要的意义。 在本论文中主要做以下内容，熟悉无刷直流电机控制器的工作原理。比较现5 在无刷直流电机控制器的方案的优缺点，选择最佳方案。设计适合自己需要的控制电路。把控制电路通过软件仿真 进行验证设计。寻找适合于的开关电源并设计电源给芯片系

10、统供电。 2 无刷直流电机控制系统的设计 2.1. 直流无刷电机的结构 我们先了解一下直流有刷电机的结构，会发现无刷直流电机的优越性。有刷电机的转子和定子分别由绕组线圈 (电枢 )和永磁体构成，采用机械换向器和电刷，这样驱动会变得很简单。如图 2.1 所示。若在电刷 A、 B 两端通入一定大小的直流电流，电机的换向器就会自动改变电机转子的磁场方向，这样就可以实现直流电机的转子持续的运转下去。 图 2.1 有刷直流电机结构示意图 但是这样的结构存在一定的缺陷 ： (1)电刷在换向时极易产生电火花，在很多场所不适合使用。 (2)电机长时间运转电刷会磨损严重，需要经常更换，这样就提高了维护的成本。

11、无刷直流电机的示意图如图 2.2 所示， 它主要由转子 (永磁体 )、线圈绕组的定子和位置传感器组成。 无刷直流电机的结构和有刷直流电机正好相反，有刷电机的定子是永磁体，转子是绕组线圈，这种结构使得无刷直流电机无需电刷和换6 向器，结构简单，无换向火花，运行可靠，易于维护。使得无刷直流电机的应用场合越来越广泛， 无刷直流电机没有换向器和电刷，但是它有位置传感器。这是因为无刷直 流电机不能自动换向，所以无刷直流电机控制器的成本提高了。 图 2.2 无刷直流电机示意图 图 2.2 所示无刷直流电机为三相星型无刷直流电机，电动自行车上的无刷直流电机多采用这种电机。无刷直流电机具有以下优点： (1 电

12、动车启动时，无刷直流电机可以提供较大的启动转矩，达到一定速度需要时间较短； (2)由于无刷直流电机的过载能力强，所以电动车所承受的载荷大、爬坡有力； (3)无刷电机的电制动性好，无刷电机的制动可以发电，因此可以提供更多的电力使电动车行走的更远； (4)无刷直流电机可靠性相对较高，无刷直流电 机的驱动控制比较简单，所以无刷直流电机控制器的开发周期较短。 目前用的较多的是霍尔位置传感器。由于它的体积、信噪比较合适且不易受环境的影响，霍尔传感器是以霍尔效应原理为基础工作的一种磁传感器。可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。它集成了稳压电路，输出电压正比于磁感应强度。 2.2 直流无刷

13、电机的工作原理和控制方法 7 由于无刷直流电机的定子是线圈绕组电枢，转子是永磁体。如果只给电机通以固定的电流，则电机只能产生不变的磁场，电机不能转动起来，只有实时检测电机转子的位 置，在根据转子的位置给电机的不同享通以对应的电流，使定子产生方向均匀变化的旋转磁场，电机才可以跟着磁场转动起来。 无刷直流电机的电机转动原理可以形象的理解为：定子的磁场方向和转子的磁场方向不一致，而由于磁场的相互作用，转子会转动到定子的磁场方向上，使两个磁场方向保持一致。这时，我们只要使定子的磁场方向以电机中心轴为轴心不断地往一个方向改变，转子就会跟着定子的磁场方向持续的转动起来。 在直流无刷电机中，通过位置传感器输

14、出位置信号，电子换相电路根据输出的位置信号驱动电枢线圈绕组对应的功率开关管，各相 绕组轮流通电，在电机定子上产生跳变的旋转磁场用以驱动永磁转子旋转。随着转子的转动位置传感器输出具有周期性变化的位置信号，驱动电路以位置信号为基准改变电枢绕组的通电状态，从而某一磁极下导体中的电流方向始终保持不变，这就是为什么叫做无刷直流电机，图 2.4 为直流无刷电机的工作原理框图 。 图 2.3 直流电机工作原理框图 无刷直流电机常用的是三相绕组，而电动自行车所用电机也是三相绕组，本文所有相关的论述都是围绕三相绕组分析的。无刷直流电机绕组的连接方式有两种：星型链接和三角形链接。电动自行车电机采用的是星型链 接。

15、 控 制波脉冲的宽度，波信号占空比也会随着变化而变化，且两者同向变化，电机的转速大小随着绕组线圈的电流增大而增大。所以，增大波占空比就可以增大三相逆变器控制电机电枢上压，电机的转速也就会增大。通过软件编程改变波脉冲宽度，就可以改变无刷直流电机电枢上的电压，从而改变电机转速的变化。 8 2.3 单片机选型 方案一：选用 STC89C52 单片机， STC 公司生产的一种高性能、低功耗的 8 位微控制器。 1） 增强型 8051 单片机； 2） 能够提供 8K 字节的程序存储空间； 3） 512 字节数据存储空间； 4） 内带 4K 字节 EEPROM 存储空间； 5） 可直接使用串口下载； 6）

16、 32个 I/O 口； 7） MAX810 复位电路； 8） 3个 16 位定时器 /计数器； 9） 4个外部中断； 10） 一个 7 向量 4 级中断结构； 11） 最高运作频率 35MHz。 P1.01P1.12P1.23P1.34P1.45P1.56P1.67P1.78RST9P3.0/RXD10P3.1/TXD11P3.2/INT012P3.3/INT113P3.4/T014P3.5/T115P3.6/WR16P3.7/RD17XTAL218XTAL119GND20P2.021P2.122P2.223P2.324P2.425P2.526P2.627P2.728PSEN29ALE/PRO

17、G30EA/VPP31P0.732P0.633P0.534P0.435P0.336P0.237P0.138P0.039Vcc40STC89C52图 2.4 STC89C52 原理图 方案二：选用飞思卡尔公司的 K60 微控制器， Freescale 公司的 32 位 Kinetis K60系列 MCU。 9 1） 工作电压为 1.71-3.6V； 2） 闪存的写电压为 1.71-3.6V； 3） 采用了 ARM Cortex-M4 内核； 4） 可提供高达 180 MHz 的时钟频率； 5） 用于工业自动化环境中的精确的、实时的时间控制； 6） 硬件加密支持多个算法，以最小的 CPU 负载提供

18、快速、安全的数据传输和存储； 7） 系统安全模块包括安全密钥存储和硬件篡改检测，提供用于频率、电压、外部传感（用于物理攻击检测）和温度的传感器。 方案三：选用 TI 公司的 16 位 MSP430F5529 微控制器。 1） 超低功率， 230 A/MHz， 1.9 A待机模式； 2） 从待机模式唤醒仅需 5 s； 3） 统一时钟系统 UCS； 4） 真正 32 位 RTC 带闹钟； 5） 256KB 的 Flash 存储空间； 6） 16KB 的 RAM 存储空间； 7） 25MHz 主频。 方案四： ST 公司的 32 位 STM32F103ZET6 微控制器。 1）时钟频率：最高 72M

19、， 1.25 DMIPS/MHz； 2）工作电压： 2-3.6V； 3）存储资源：最高 512kB Flash， 64kB RAM，（本系统使用芯片为 512kB Flash，64kB RAM）； 4）接口资源：最多 3xSPI， 5xUSART， 2xI2S， 2xI2C， 1xFSMC， 1xLCD， 1xSDIO，1xUSB， 1xCAN； 5）串口 USART3 支持 IrDA 功能； 6）模数转换：多达 3xAD（ 12 位， 1us，分时 16 通道）， 2xDA（ 10 位）； 7）调试下载：支持 JTAG/SWD 接口的调试下载，支持 IAP； 8） IO 数量：本系统采用 LQFP144 封装，有 120 个 IO 口。