电动车无刷直流电动机控制设计.doc

1、德州职业技术学院毕业论文设计 0 德州职业技术学院 高职专业毕业论文 论文题目 ：电动车无刷直流电动机控制设计 系 部 ： 电 气 工 程 系 专 业 ： 机电一体化 姓 名 ： 王玮 学 号 ： 201302040633 指导教师 ： 陈爱敏 2015 年 11 月 4 日 电动车无刷直流电机控 制设计 1 声明 本人郑重声明：所呈交的毕业论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 王玮 2015 年 11 月 04 日 德州职业技

2、术学院毕业论文设计 2 摘要 摘 要 无刷直流电机控制系统集电机、逆变电路、检测元件、控制软件和硬件于一体，具有高可靠、高效率、寿命长、调速方便等优点，在电动调速领域有着广泛的应用。电动自行车的发明和使用对解决燃油车造成的严重环境污染和缓解日益突出的能源危机问题有 一 定的现实意义。 根据项目参数要求，采用 Mcrochip 公司的 PIC16F72 单片机作为控制芯片，在硬件方面，进行了微控制单元电路设计、逻辑互锁电路设计、转子位置信号采集电路设计、电源电路设计、升压电路设计、系统硬件保护电路设计、三相全桥逆变电路设计、逆变器驱动电路设计和显示 电路设计。采用开关型霍尔传感器作为电机转子位置

3、传感器，微控制单元根据转子位置信号向驱动电路传递 PWM (脉宽调制 )信号、逆变器上下臂驱动信号控制电机。 在软件方面利用汇编语言，采用模块化编程和结构化编程。根据无刷直流电机的控制原理，对系统的控制部分进行了详细分析。设计了系统状态显示面板程序模块。利用数字 PI控制理论实现电机速度的闭环调制，提出了一种电机控制系统的接线模式自识别功能设计方案，能够自动识别电机的换相角度、霍尔相位和电机输出相位。在系统可靠性方面 :设计了系统的欠压、过流和堵转保护。本文还对影 响控制器和单片机系统可靠性的因素进行了分析，并且给出了解决方案 . 本文所设计的无刷电机控制器实现了电动、定速、助力三种工作模式并

4、且在系统出错情况下具有自检功能。保护功能较完善、硬件结构简单、成本较低，具有升级空间，便于用户二次开发。 关键词： 无刷直流电机 PIC 单片机 电动自行车 控制系统 电动车无刷直流电机控 制设计 3 目 录 第一章 绪论 . 5 1.1 无刷直流电机的现状 . 5 1.2 电动自行车介绍和发展状况 . 6 1.2.1 电动自行车发展现状 . 6 1.2.2 电动自行车的组成部分 . 8 1.2.3 电动自行车的特点 . 8 1.2.4 电动自行车的 发展前景 . 9 1.3 无刷直流电机控制器概述 . 10 1.4 本设计的主要工作 . 11 1.4.1 硬件部分 . 12 1.4.2 软件

5、部分 . 12 第二章 无刷电机控制系统分析 . 13 2.1 电机的基本原理 . 14 2.1.1 稀土永磁无刷直流电机的基本结构 . 14 2.1.2 电机的基本工作原理 . 15 2.1.3 三相无刷直流电机星形连接全桥驱动原理 . 16 2.2 无刷直流电机的特性分析 . 17 2.3 直流电动机的 PWM 调速原理 . 19 2.4 霍尔传感器 . 19 2.4.1 开关型霍尔集成传感器 . 19 2.4.2 霍尔器件在无刷直流电机中的应用 . 20 第三章 无刷直流电机控制器硬件设计 . 21 3.1 单片机选择 . 21 3.1.1 单片机选择依据 . 22 3.1.2 PIC

6、单片机特点 . 22 3.1.3 PIC16F72 单片机的功能特性 . 24 3.1.4 PWM 信号在 PIC 单片机中的处理 . 24 3.2 硬件组成 . 25 3.3 三相无刷直流电机星形连接全桥驱动 原理 . 25 第四章 控制器的硬件设计 . 27 4.1 芯片选型 . 27 4.2 控制器电源部分电路的设计 . 28 4.3 控制器转把输入部分电路的设计 . 28 4.4 控制器驱动部分电路的设计 . 29 4.5 MOSFET 的保护电路的设计 . 29 4.6 欠压保护的电路设计 . 30 德州职业技术学院毕业论文设计 4 4.7 换相部分电路设计 . 30 结束语 . 3

7、1 致谢 . 32 参考文献 . 33 电动车无刷直流电机控 制设计 5 第一章 绪论 1.1 无刷直流电机的现状 有刷直流电动机作为最早的电动机广泛应用于工农业生产的各个领域，由于其宽阔而平滑的优良调速性能，在需要调速的应用领域占有重要地位，但机械换向装置的存在，限制了其发展和应用范围。直流电动机的机械电刷和换向器因强迫性接触，造成其结构复杂、可靠性差、火花、噪声等一系列问题，影响了直流电动机的调速精度和性能。 科学技术的飞速发展，带来了半导体技术的飞跃，开关型晶体管的研制成功为创造新型的无刷直流电动机带来生机。 1955 年，美国人首次提出用晶体管换向线路代替机械换向装置，经过反复实验，人

8、们终于找到了用位置传感器和电子换相线路来代替有刷直流电动机的机械换相装置， 出现了磁电耦合式、光电式及霍尔元件作为位置传感器的无刷直流电动机，以后人们发现电量波形和转子磁场的位置存在着一定的对应关系，因此又出现了通过观测电枢绕组中不同电量波形，监测转子位置的无位置传感器的电动机。 80 年代初，无刷直流电机进入了实用阶段，方波和正弦波无刷直流电机先后研究成功。 “无刷直流电机 ”的概念已由最初的具有电子换相器的直流电机发展到泛指 一切具有传统直流电机外部特性的电子换相电机。现今，无刷直流电机集电机、变速机构、检测元件、控制软件和硬件于一体，形成为新一代的电动调速系统。 无刷直流电机具有最优越的

9、调速性能，主要表现在 :调速方便 (可无级调速 )，调速范围宽，低速性能好 (启动转矩大，启动电流小 )，运行平稳，噪音低，效率高，应用场合从工业到民用极其广泛。如电动自行车、电动汽车、电梯、抽油烟机、豆浆机、小型清污机、数控机床、机器人等等 .由于无刷直流电机具有这些优点，因此在 2004 年的国际电机会议上提出了有刷电机将被无刷电机取代这一发展趋 势。美、日、英、德在工业自动化领域中已经实现了以无刷直流电机代替有刷电动机的转换。 德州职业技术学院毕业论文设计 6 美国福特公司率先把无刷直流电机应用于汽车 20 世纪 80 年代以来，随着微机控制技术的快速发展，出现了各种称为无位置传感器控制

10、技术的方法，是当代 无 刷 直 流 电 机 控 制 研 究 的 热 点 之 一 。 各 国 知 名 半 导 体 公 司Allegro,Philips,Micro Linear,Toshiba 等，先后推出了许多无刷直流电机无传感器控制集成电路 . 2004 年 12 月我国电机制造业共 1167 家生产企业，全部从业人员 388282人，资产 972 亿。 我国生产的微特电机己经占世界 60%以上，目前是全球最大的永磁体 (生产无刷电机的主要原材料 )生产供应基地，中国还将会成为全球最大的无刷电机生产国。随着汽车工业的快速发展，车用小功率电机的需求增长带动了以永磁无刷直流电机为主体的车用小功率

11、电机的兴起，我国正在成为世界电动汽车制造业的主要供应商。 1.2 电动自行车介绍和发展状况 1.2.1 电动自行车发展现状 目前在中国的石油消费中，交通运输业用油增长最为迅速。大力发展电动自行车是缓解石油危机的重要途径之一。另外电动自行车具有环保的特点 .为了解决燃 油车对环境造成的严重污染问题和缓解日益突出的能源危机，许多 国家 都在寻找替代燃油机车的交通工具。相继开发了以天然气、甲醇为燃料的交通工具，相比之下，电动车以零污染、高数率、低噪音的特点被认为是真正的 “绿色 ”交通工具，而电动汽车受到机电、电池的限制，批量进入市场还有一定的难度，电动自行车却可以得到迅速的发展。由于电动自行车具有

12、轻便省力、环保节能、价格适中的特点，因此己经成为很多出行者的交通工具之一。 许多国家也把 电动自行车看作未来交通发展的趋势。自从 1993 年雅马哈公司的 PAS(能量辅助系统 )进入市场以来，电动自行车在日本已经成为短距离用交通工具的主流。 1998 年 6, 7 两个月日本共生产电动自行车 29432 辆，据报道日本电动自行车的需求量在 750 万辆，而且每年以 5% 10%速度递增，其中还有电动车无刷直流电机控 制设计 7 一半需进口 .美国的电动自行车年需求量在 1500 万辆左右，每年以 5% 10%速度递增，大部分依赖进口。欧盟许多国家对电动自行车的年需求量在 1000 万辆左右。

13、德国的 MSG 公司、 DIAMANT 公司、 SAGHS 公司、英国的 ASGHBAGH等公司的电动自行车己投入市场，销路很好，使得德国奔驰、法国标致等大公司也把目标投入到电动自行车这一产品上来 . 从 7 0 年 代 起，我国电动车辆的研究开发便一直在进行之中，到 1993 年，已被确定为国家十大重点科技工程之一，并制定了电动汽车的发展目标。 1999年 5 月国家质量技术监督局发布了电动自行车通用技术条件 国家标准 ，为电动车规模化生产提供了条件。经过 2003, 2004 连续两年的快速发展，中国 电动自行车行业迅速呈现出一片欣欣向荣的景象。 2005 年全行业的电动自行车产销量在 1

14、200 万辆左右，对比 2004 年增长率在 15-20%左右，行业中有不少品牌新诞生，销售规模在 150 亿元左右。至 2005 年，全行业申领电动自行车许可证的企业已经达到了上千家，品种出现近 50 个 . 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，功率在 150W-400W 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 3-8 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，载重量越 75kg，

15、百公里耗电量 1kwh 左右，图 1 为两款国内生产的电动自行车。 图 1 两款国内生产的电动自行车 德州职业技术学院毕业论文设计 8 1.2.2 电动自行车的组成部分 电动自行车一般由动力部分、传动部分、行车部分、控纵制动部分、电气仪表部分组成。 动力部分 电动自行车的动力部分通常有蓄电池和电机构成，是电动自行车的动力来源。其性能的好坏，直接影响电动自行车的动力性和经济性。 传动部分 电动自行车传动部分的作用是将动力部分输出的功率传递给驱动轮，驱使电动自行车行使。通过变速器或调速器，使电动自行车获得行使所需要的驱动力和速度，并保证电动自行车的平稳起步和停车，他有变速器、后传动装置组成。 行车

16、部分 行车部分的作用是使电动自行车构成一个整体，支撑全车的总重量，将传动部分传递到的扭矩转换成驱使电自行车行使的牵引力，同时承受吸收和传递路面作用于车轮上的各种反作用力，确保电动自行车正常、安全行使、他主要有车架、前减震器、前后轮、座垫等组成。 操纵制动部分 操纵制动 部分的作用是直接控制行车方向、行使速度、制动等，以确保电动自行车行使安全，他有车把、制动装置、调速手把等组成。 电气仪表部分 电气仪表装置是保证车辆安全行使并反映车辆运动状态的主要装置，他使骑行者能正确、有效地对车辆行使适时地进行控制。他由数据显示装置、充电器等组成。 1.2.3 电动自行车的特点 作为一种新能源绿色交通工具，电

17、动自行车具有以下特点 无污染；电动自行车是以蓄电池发出的电源作为驱动能源，运行过程中无废气排放，不会对大气造成污染； 低噪音、震动小；电动自行车采用电动 机驱动，与用内燃机的摩托相比，运电动车无刷直流电机控 制设计 9 行产生的噪音显著减小，通常要低 10-15db，且运行比较平稳； 效率高：摩托车、燃油助力车的效率一般只有 30%左右，而电动自行车采用电动机驱动系统，无空转损头，电池能量的 80%以上转化成为动力，而且可以在制动时候进行能量回馈，更加提高了他的能量利用率，其效率可高达到 70%到 80%以上； 安全、轻便、易维护：电动自行车的最高时速限制在 20km/h 以内，只能在非机动车

18、道行使，可以快速起停，安全可靠。相对于摩托车，他的速度是大受限制，但在人口密集的城市城镇是足够了，能让大众 普遍接受，而且他体积小、重量轻、整车质量大概在 30-35kg，即使没电时脚踏骑行也不会费劲，蓄电池是免维护的，电机的故障率也较低， 以上的这些特点使电动自行车成为了当前交通工具市场的一大亮点，市场需求不断扩大，因此其未来的发展潜力很大。 1.2.4 电动自行车的发展前景 电机是电动自行车的关键部件。为使电动自行车有良好的使用性能，驱动电机应该具有宽调速范围，高转速和足够大的起动转矩。此外，由于电动自行车的驱动电机是车载形式运行的，这要求电机体积小、重量轻、效率高、且具有较好的能量回馈性

19、 能。 稀土永磁无刷直流电机是近 20 年发展起来的一类电机，电力电子技术，微电子技术、微机和稀土永磁材料的发展为无刷直流电机的研究奠定了基础。目前无刷直流电机的发展已经和大功率开关器件、专用集成电路、稀土永磁材料、微机、新型控制理论及电机理论的发展紧密结合，显示出广泛的应用前景和强大的生命力。与其他电机想比他具有几个明显的优点： 永磁无刷直流电机没有电刷、而是利用电子换相 ,故克服了任何有电刷引起的问题。 永磁体安装在转子上、电枢绕组装在定子上，故导热性能好，产生的热量更容易发出去；结构也变得简单， 并且节省了空间，使其磁场损失也得到了减少。 他的效率与转速永远保持同步关系，不会发生交步、震荡等现象，在节约能量方面也有明显的优势。 近些年来，随着现代电力电子技术、控制 技术和计算机技术的发展，电机的应用技术也得到了进一步的发展，新产品、新技术层出不穷。许多电动车生产