电动车控制器电路的改进.doc

1、电动车控制器电路的改进摘要：本文提出的电动自行车用无位置传感器直流无刷永磁电动机来驱动，用 PIC16C74 单片机作为主控芯片，它不仅克服了有刷直流电机的噪音、换向火花等缺点，而且避免了有位置传感器直流无刷电机因位置传感器带来的不足；同时，它降低了制造和使用过程中的成本，提高了使用和维护的方便性，具有效率高、环保、经济和方便的特点以及具有良好运行性能和巨大的市场潜力。 关键词：电动自行车；位置传感器；直流无刷电动机；单片机控制 中图分类号：U266 文献标识码： A 目前，我国市场上国产电动自行车的品种规格较多，驱动多数用有刷或无刷的轮式直流电机，工作电压为 24V、36V 或 48V，功率

2、在150W400W 之间；蓄电池一般用的是免维护铅酸蓄电池，容量为 12Ah，充电时间在 38 小时左右，充电一次行驶里程约 50Km 左右；车速低于20Km/h，爬坡能力在 4 度上下；车型有普通型和豪华型，车重约 35Kg，载重量约 75Kg，百公里耗电量 1Kwh 左右。 一、无位置传感器的直流无刷电机原理 有位置传感器的直流无刷电机的换向主要靠位置传感器检测转子的位置，确定功率开关器件的导通顺序来实现的，由于安装位置传感器增大了电机的体积，同时安装位置传感器的位置精度要求比较高，带来安装的难度；因此人们在研究过程中发现，利用电子线路替代位置传感器检测电机在运行过程中产生的反电势来确定电

3、机转子的位置，实现换向。从而出现了无位置传感器的直流无刷电机，其原理框图如图 1.1 所示。 当电机在运行过程中，总有一相绕组没有导通，此时可以在该相绕组的端口检测到该绕组产生的反电势，该反电势在 60的电角度是连续的，由于电难度极大，因此必须找到该反电势与转子位置的关系，才能确定转子的位置。从图 1.2 中可以看出，反电势在 60的电角度过程中总有一次经过坐标轴（过零点） ，而此点的电角度和下一次换向点的电角度正好相差 30，故可以通过检测反电势过零点，再延时 30换向。 图 1.1 无位置传感器的直流无刷电机原理框图 二、PLC 单片机的选择 根据直流无刷无位置传感器电动自行车设计方案的要

4、求，选用PIC16C74A 单片机作为主控芯片。 1、直流无刷无位置传感器电动机的反电势检测及换向控制 在前面己经叙述过反电势过零检测延时 30换向的原理和比较器LM324 的输出波形，而 PIC16C74 单片机 PORTB 端口的RB4、RB5、RB6、RB7 四个引脚有一个重要的特性，当把这 4 个引脚定义成输入状态时，其引脚的电平只要有变化，可以引起中断，即单片机通过把 RB4、RB5、RB6、RB7 引脚上的输入信号与上一次读入该 4 个口的旧的锁存值进行比较，若有变化，则把两者相或后输出以产生 RBIF 中断。因此将比较器 LM324 的三路输出与 PICl6C74 单片机的 RB

5、5、RB6、RB7 三个引脚相连接，如图 2.l 所示，并将 RB5、RB6、RB7 设置成输入状态，当反电势过零时引起比较器输出电平变化，从而引起单片机的中断来处理计时和延时过程。 图 2.1 反电势检测、换向控制及调速电路图 2、驱动电路 由于 PIC16C74 单片机使用的电源电压是+5V，其 I/O 端口输出输入的电压电流相对来说比较小，不能直接驱动功率器件 MOSFET，因此需要根据 PIC16C74 单片机的特点设计出驱动电路的上下桥臂，如图 2.2、图2.3 所示。 图 2.2 上桥臂驱动电路 上桥臂中，P 点和单片机输出口 RCx(x=5，6，7)相连，G、S 与上半桥臂功率管

6、 MOSFET 相连， MOSFET 源极电位是在 0 与 DC(主电路直流电压)之间跳变，当功率管 MOSFET 导通时，栅极电位必高于源极，因此若信号源与主电路共地，则驱动电路电压必很高，在图 2.2 中用自举电路的原理解决了上述问题，自举电容在导通前已充电至+12V（相对于源极） ，导通时，US=UDC，UG=US+12V，保证了 UGS=12V。 下半桥臂驱动如图 2.3。 图 2.3 下桥臂驱动电路 三、调速和过流保护 1、电动自行车的调速 电动自行车的在行驶过程中，并不是以恒定的速度进行，有时需要加快速度，有时需要减慢速度，因此调速是电动自行车不可缺少的一个功能。电动自行车的调速常

7、常是在手柄上安装一个光耦可调电阻，由手动实现的；在实验中用的是可调电阻，其原理如图 3.1 所示。K 点的电压UK 值将随着可调电阻的位置变化而变化，向上调，UK 值增大；向下调，UK 减小。单片机将 UK 值采样后经 A/D 转换后送到 PWM 波占空比寄存器来决定 PWM 波占空比。 图 3.1 电动自行车调速原理图 2、过流保护 直流无刷电机在起动或超负荷运行时，其电流很大，如不加限流保护，将会烧坏控制板上的功率器件，甚至会损坏电机。因此必须过流保护措施，其过流保护电路如图 3.3 所示。 图 3.3 过流保护电路图 组成了一个单稳电路，使得主电路过流时，保护电路立即响应，切断主电路电流

8、；当主电路电流降到安全值时，保护电路要延时一段时间后，才使主电路恢复正常。在实验过程中需要正确调整图 3.3 中电阻 R4和 R5 的比值，确保主电路的安全，实验证明，该保护电路速度快，效果比较好。 另外，可以将与非门 4011 的输出信号送给单片机，由软件识别电机处于起动或过载状态，若处于过载状态，则使上桥臂的功率管 MOSFET 关断，切断电流，同时伸单片和复位，重新起动。 参考文献 1王迎旭.单片机原理与应用M.北京机械工业出版社.2004 2张琛.直流无刷电动机原理及应用.机械工业出版社.1999 3张世铭.电力拖动直流调速系统.华中理工大学出版社.1999 4窦振中.PIC 系列单片机原理和程序设计北京航空航天大学出版社.2000 5李天阳，刘卫国，李声晋.无位置传感器无刷直流电机起动过程研究.电力电子技术.1998.5 6曹建平.电动自行车调速控制电路的研究.电子工程师.2000.1 7李光友，孟传福.无刷直流电机平均电磁转距探讨.微特电机.1992.3 8张炳生.电动自行车驱动电机发展现状.微特电机.1999.1