霍尔传感器简介.doc

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1、摘 要无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的。现阶段，虽然各种交流电动机和直流电动机在传动应用中占主导地位，但无刷直流电动机正受到普遍的关注。自20世纪90年代以来，随着人们生活水平的提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都越来越趋向于高效率化、小型化及高智能化，作为执行元件的重要组成部分，电机必须具有精度高、速度快、效率高等特点，无刷直流电机的应用也因此而迅速增长。本设计是把霍尔传感器应用在无刷直流电动机中，以PIC16F72单片机为控制电路，单片机采集比较电平及电机霍尔反馈信号，通过软件编程控制无刷直流电动机。关键词：无刷直流电动机,霍尔传感器,单片机A

2、bstractBrushless dc motor is in brushless dcmotor have developed on the basis of. At present, although all sorts of ac motor and dc transmission application in motivation dominant, but brushless dc motor are suffer the widespread concern.Since the 1990 s, with the improvement of peoples living stand

3、ard and modern production, office automation development, household appliances, industrial robot equipment are more and more incline to at the high efficiency, miniaturization, and high intelligent, as an important part of the executive components, motor must have high accuracy, speed, efficiency hi

4、gher characteristic, brushless dc motor of the application and thus rapid growth.This design is hall sensors used in brushless dc motor, in order to PIC16F72 microcontroller as control circuit, microcontroller acquisition is level and motor hall feedback signal, through software programming control

5、brushless dc motor.Keywords: brushless dc motor, hall sensors, microcontroller 目录摘 要IAbstractII目录I第1章 霍尔传感器简介11.1 霍尔效应11.2 霍尔传感器的分类21.3 霍尔位置传感器31.3.1 霍尔位置传感器的结构31.3.2 霍尔位置传感器的基本功能31. 3. 3 霍尔位置传感器的构成原则3第2章 无刷直流电机的概况62.1无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较62.2 无刷直流电动机的结构及基本工作原理72.3 无刷直流电动机的运行特性112.3.1 调节特性112.3.2 工

6、作特性112.4 无刷直流电动机的应用与研究动向12第3章 无刷直流电动机控制系统设计方案133.1无刷直流电动机系统的组成133.2 无刷直流电动机控制系统设计方案153.2.1 设计方案比较153.2.2 无刷直流电动机控制系统组成框图16第4章 无刷直流电动机硬件设计184.1 逆变主电路设计184.2 逆变开关管驱动电路设计184.3 单片机的选择194.3.1 PIC单片机特点194.3.2 PIC16F72单片机管脚排列及功能定义214.3.3 时钟电路214.3.4 复位电路22第5章 无刷直流电动机软件设计235.1 直流无刷电机控制器程序的设计概况235.2 系统各部分功能在

7、软件中的实现235.3 软件流程图24结束语26致 谢27参考文献28附录129第1章 霍尔传感器简介1.1 霍尔效应1879 年美国霍普金斯大学的霍尔(E. H. Hall) 发现，当磁场中的导体有电流通过时，其横向既受力的作用又产生电动势，这种现象称为霍尔效应. 在半导体中也存在霍尔效应，且电动势更明显。根据霍尔效应的原理，可制成如图1 所示结构的四端子半导体元件霍尔元件。图1-1 霍尔效应原理在半导体薄片上产生的霍尔电动势EH可用下式表示: （1-1）式中，RH为霍尔系数(m3 /C); IH为控制电流(A);B 为磁感应强度(T);d为薄片的厚度(m); 为材料电阻率(m); 为材料迁

8、移率m2 /(Vs).由于上述霍尔元件所产生的霍尔电动势很低，在应用时须外接放大器. 现已将霍尔元件与半集成放大电路一起制作在同一块N 型硅外延片上而构成了霍尔集成电路. 图2 为其外形和内部电路图.(a) 外形 ,(b) 内部电路图1-2 霍尔集成电路1.2 霍尔传感器的分类霍尔传感器按功能和应用可分为线性型、开关型和锁定型三种。1 线性型. 线性型传感器由电压调整器、霍尔元件、差分放大器、输出级等部分组成。 输入为线性变化的磁感应强度，得到与磁感应强度成线性关系的输出电压，可用于磁场等多种场合的测量。2 开关型. 开关型传感器由电压调整器、霍尔元件、差分放大器、施密特触发器和输出级五部分组

9、成.输入为磁感应强度，输出为数字信号。 它的导通和截止只与外界磁感应强度的大小有关，与磁场极性无关。3 锁定型. 它与开关型传感器一样也是由五部分组成的。 其工作过程是:当外界磁场方向为正时，霍尔元件的输出电压为正，该电压经过放大器放大后作为触发器的触发信号。 当信号电压随外界磁感应强度的增强而增加，达到触发器导通电压阀值时，电路的输出由高电平变为低电平，此后，如果外界磁感应强度继续增加，触发器维持导通状态不变。 由于触发器的导通和截止电压阀值的设计是对称的，所以当外界磁感应强度减弱时，触发器仍维持导通状态。 只有当外界磁场极性改变并达到一定强度时，霍尔元件输出的负触发信号达到触发器的截止阀值

10、电压，触发器才由导通跃变为截止，因而磁场的极性每变换一次，电路的输出就完成一次开关转换。1.3 霍尔位置传感器1.3.1 霍尔位置传感器的结构霍尔位置传感器也是由定子和转子部分组成，其转子与电机主转子一同旋转，用以指示电机主转子的位置. 定子是由若干个霍尔元件按一定的间隔等距离地安装在传感器定子上，以检测电机转子的位置，如图3 所示. 图1-3 霍尔效应结构示意图1.3.2 霍尔位置传感器的基本功能位置传感器的基本功能是在电动机的每一个电周期内，产生出所要求的开关状态数. 电动机传感器的永磁转子每转过一对磁极(N、S 极) 的转角，就要产生出与电机逻辑分配状态相对应的开关状态数，以完成电动机的

11、一个换向全过程.1. 3. 3 霍尔位置传感器的构成原则构成一个霍尔位置传感器必须满足以下两个条件:1) 在一个电周期内所产生的开关状态是不重复的，每一个开关状态所占的电角度相等。2) 在一个电周期内所产生的开关状态数应和电动机的工作状态数相对应.如果位置传感器输出的开关状态能满足以上两个条件，总能通过一定的逻辑变换将位置传感器的开关状态与电动机的换向状态对应起来，完成换向.以一个由相互间隔为60电角度的三个霍尔元件A、B、C 所组成的霍尔位置传感器为例，图4 为霍尔元件输出波形组合图，表1 是霍尔元件的输出状态。图1-4 霍尔元件输出波形组合图 由锁定型霍尔开关元件的原理知，在一个电周期内，

12、当其感受N 及S 二个不同极性磁场的作用时，将呈现出“高电平”及“低电平”两个不同的状态，这两个不同的状态所占的电角度相等，各为180。把三个相互错开60电角度的波形组合在一起，这种组合的霍尔位置传感器能产生六个不同的开关状态，且所占的电角度都相等，均为60。表1-1 间隔60度电三个霍尔效应上述规律是从理论上考虑一个多位双值系统能构成多少个不同的状态，为我们在确定霍尔元件的个数时提供一个大致的范围，最后还必须使用波形组合法，才能最终确定一个实际的位置传感器需要的霍尔元件数。第2章 无刷直流电机的概况无刷直流电动机是在有刷直流电动机的基础上发展起来的，这一渊源关系从其名称中就可以看出来。有刷直

13、流电动机从19世纪40年代出现以来，以其优良的转矩控制特性，在相当长的一段时间内一直在运动控制领域占据主导地位。但是，有机械接触电刷-换向器一直是电流电机的一个致命弱点，它降低了系统的可靠性，限制了其在很多场合中的使用。为了取代有刷直流电动机的机械换向装置，人们进行了长期的探索。随着人们对无刷直流电动机特性了解的日益深入，无刷直流电动机的理论也逐渐得到了完善。1986年，H.R.Bolton对无刷直流电动机作了全面系统的总结，指出了无刷直流电动机的研究领域，成为无刷直流电动机的经典文献，标志着无刷直流电动机在理论上走向成熟。我国对无刷直流电动机的研究起步较晚。1987年，在北京举办的联邦德国金

14、属加工设备展览会上，SIEMENS和BOSCH两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了国内有关学者的广泛注意，自此国内掀起了研制开发和技术引进的热潮。经过多年的努力，目前，国内已有无刷直流电动机的系列 产品，形成了一定的生产规模。2.1无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较表2-1 无刷直流永磁电动机与有刷直流永磁电动机的比较项目无刷直流电动机有刷直流电动机换向借助转自子位置传感器实现电子换向由电刷和换向器进行机械换向维护由于没有电刷和换向器，很少需要维护需要周期性维护寿命比较长比较短机械（速度/力矩）特性平（硬）在负载条件下能在所有速度上运行中等平（中等硬）。在较高速度上运行时，

15、电刷摩擦增加，有用力矩减小效率由于没有电刷压降，所以效率高中等输出功率/外形尺寸之比高由于电枢绕组设置在与机壳相连的定子上，容易散热。这种优异的热传导特性允许减小电动机的尺寸，所以输出功率/外形尺寸之比高中等/低。电枢产生的热量消散在气隙内，这样增加了气隙温度，从而限制了输出功率/外形尺寸之比转自惯量低。因为永磁体设置在转子上，改善了动态响应转自惯量高，限制了动态特性速度范围比较高。没有电刷/换向器给予的机械限制比较低，存在电刷给予的机械限制电气噪声低电刷的电弧将对附近的设备产生电磁干扰制造价格比较高低控制复杂和价格贵简单和价格不贵控制要求为了使电动机运转必须要有控制器，但同样的控制器可用于变

16、速控制对于一个固定的速度而言，不需要控制器；有变速要求的时候才需要控制器2.2 无刷直流电动机的结构及基本工作原理1.无刷直流电动机转矩分析电机本体的电枢绕组为三相星型连接，位置传感器与电机转子同轴，控制电路对位置信号进行逻辑变换后产生控制信号，控制动信号经驱动电路隔离放大后控制逆变器的功率开关管，使电机的各相绕组按一定的顺序工作。图2-1 无刷直流电动机工作原理示意图如图2-1所示，当转子旋转（顺时针）到图a所示的位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使T1、T6 导通，即A、B两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经T1流入A相绕组，再从B相绕组流出，经T6回到电源

17、的负极，此时定转子磁场相互作用，使电机的转子顺时针转动。当转子在空间转过60电角度，到达图b所示位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使T1、T2导通，A、C两相绕组通电，电流从电源的正极流出，经T1流入A相绕组，再从C相绕组流出，经T2回到电源负极。此时定转子磁场相互作用，使电机的转子继续顺时针转动。转子在空间每转过60电角度，逆变器开关就发生一次切换，功率开关管的导通逻辑为T1、T6T1、T2T3、T2T3、T4T5、T4T5、T6T1、T6。在次期间，转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用，沿顺时针方向连续旋转。转子在空间每转过60电角度，定子绕组就进行一次换流，

18、定子合成磁场的磁状态就发生一次跃变。可见，电机有6种磁状态，每一状态有两相导通，每相绕组的导通时间对应于转子旋转120电角度。无刷直流电动机的这种工作方式叫两相导通星型三相六状态，这是无刷直流电动机最常用的一种工作方式。2无刷直流电动机与输出开关管换流信号无刷直流电动机的位置一般采用三个在空间上相隔120电角度的霍尔位置传感器进行检测，当位于霍尔传感器位置处的磁场极性发生变化时，传感器的输出电平将发生改变，由于三个霍尔传感器位检测元件的位置在空间上各差120电角度，因此从这三个检测元件输出端可以获得三个在时间上互差120度、宽度为180度的电平信号，分别用A、B、C来表示，如图1-2所示，以信

19、号A为例，A相位置宽度为180电导角：在0-60度，T1必须导通，故T1状态为1，而C相还剩下60度通电宽度，所以此段时间为T1和T6等于1，（此时下部可供导通的管子为T4、 T6和T2，而为避免桥臂直通，T4不能导通；T2的导通时间未到，故只能是T6导通）；而在60度120度，此时只有A相通电，B和C相处于非导电期，故导通的开关管为T1和T2（T1和T2等于1），其中T2是为B相导电作准备；而在120度180度时，由于 每一相只有120电导角导电时间，故此时T1关断（T1=0），T2仍然导通（B相开始进入导电期），此时可知，T1关断，T5不能开通（防止桥臂直通），则此时只能开通T3，所以T3

20、信号此时间段为1。其他时间段的开关管导通情况与此类似。理论上，只要保证三个位置传感器在空间上互差120度，开关管的换流时刻总是可以推算出来的。然而，为了简化控制电路，每个霍尔传感器的起始安装位置在各自相绕组的基准点（r0=00）上.那么在r0=00的控制条件下，A相绕组开始通电的时刻（即该相反电势相位30度位置）恰好与A相位置传感器输出信号A的电平跳变时刻重合，此时应将T1开关管驱动导通。同理，其他开关管的导通时刻也可以按同样方法确定。本设计选用的是三相无刷永磁直流电动机，其额定电压UH=36V,电枢额定电流IaH=8.5A,电枢峰值电流IaP15A,额定转速nH=350r/min,额定功率P

21、H=250W。 图2-2 无刷电动机位置检测及开关管驱动信号表2-2 无刷电动机直流通电控制方式开关切换表旋转方向位置传感器逆变桥开关管驱动信号ABCT1T2T3T4T5T6正转001000011010001100011000110100110000101100001110011000反转0010110000101000010111100001000001101010011001100000112.3 无刷直流电动机的运行特性2.3.1 调节特性无刷直流电动机的调节特性如图2-4所示。图2-4 调节特性调节特性的始动电压和斜率分别为： （1-2） （1-3）从机械特性和调节特性可以看出，无刷直

22、流电动机与一般直流电动机一样，具有良好的调速控制性能，可以通过调节电源电压实现无级调速。但不能通过调节励磁调速，因为永磁体的励磁磁场不可调。2.3.2 工作特性电枢电流与输出转矩的关系、效率输出转矩的关系如图1-5所示。图2-5 工作特性在输出额定转矩时,电机效率高、损耗低是无刷直流电动机的重要特点之一。2.4 无刷直流电动机的应用与研究动向现阶段，虽然各种交流电动机和直流电动机在传动应用中占主导地位，但无刷直流电动机正受到普遍的关注。自20世纪90年代以来，随着人们生活水平的提高和现代化生产、办公自动化的发展，家用电器、工业机器人等设备都越来越趋向于高效率化、小型化及高智能化，作为执行元件的

23、重要组成部分，电机必须具有精度高、速度快、效率高等特点，无刷直流电机的应用也因此而迅速增长。尤其在节能已成为时代主题的今天，无刷直流电机高效率的特点更显示了其巨大的应用价值。转子位置传感器是整个驱动系统中最为脆弱的部件，不仅增加了系统的成本和复杂性，而且降低系统的可靠性和抗干扰能力，同时还需要占据一定的空间位置。在很多应用场合，例如空调器和计算机外设都要求无刷直流电动机以无转子位置传感器方式运行。无转子位置传感器运行实际上就是要求在不采用机械传感器的条件下，利用电机的电压和电流信息获得转子磁极的位置。第3章 无刷直流电动机控制系统设计方案3.1无刷直流电动机系统的组成 无刷直流电动机(Brus

24、hless DC Motor,简称BLDCM)是一种典型的机电一体化产品,它是由电动机本体、位置检测器、逆变器和控制器组成的自同步电动机系统或自控式变频同步电动机.霍尔位置检测器检测转子磁极的位置信号,控制器对转子位置信号进行逻辑处理并产生相应的开关信号,开关信号以一定的顺序触发逆变器中的功率开关器件,将电源功率以一定的逻辑关系分配给电动机定子各相绕组,使电动机产生持续不断的转矩.现对无刷直流电动机各部分的基本结构说明如下。1电机本体无刷直流电动机最初的设计思想来自普通的有刷直流电动机，不同的是将直流电动机的定子、转子位置进行了互换，其转子为永磁结构，产生气隙磁通；定子为电枢，有多相对称绕组。

25、原直流电动机的电刷和机械换向器被逆变器和转子位置检测器所代替。所以无刷直流电动机的电机本体实际上是一种永磁同步电机。由于无刷直流电动机的电机本体为永磁电机，所以无刷直流电动机也称为永磁无刷直流电动机。定子的结构与普通同步电动机或感应电动机相同，铁心中嵌有多相对称绕组。绕组可以接成星形或三角形，并分别与逆变器中的各开关管相连，三相无刷直流电动机最为常见。2逆变器目前，无刷直流电动机的逆变器主开关一般采用IGBT或功率MOSFET等全控型器件，有些主电路已有集成的功率模块（PIC）和智能功率模块（IPM），选用这些模块可以提高系统的可靠性。无刷直流电动机定子绕组的相数可以有不同的选择，绕组的连接方

26、式也有星形和角型之分，而逆变器又有半桥型和全桥型两种。不同的组合使电动机产生不同的性能和成本。3位置检测器位置检测器的作用是检测转子磁极相对与定子绕组的位置信号，为逆变器提供正确的换相信息。位置检测包括有位置传感器和无位置传感器检测两种方式。转子位置传感器也由定子和转子两部分组成，其转子与电机本体同轴，以跟踪电机本体转子磁极的位置；其定子固定在电机本体定子或端盖上，以检测和输出转子位置信号。转子位置传感器的种类包括磁敏式、电磁式、光电式、接近开关式、正余弦旋转变压器式以及编码器等。在无刷直流电动机系统中安装机械式位置传感器解决了电机转子位置的检测问题。但是位置传感器的存在增加了系统的成本和体积

27、，降低了系统可靠性，限制了无刷直流电动机的应用范围，对电机的制造工艺也带来了不利的影响。因此，国内外对无刷直流电动机的无位置运行方式给予高度重视。无机械式位置传感器转子位置检测是通过检测和计算与转子位置有关的物理量间接地获得转子位置信息，主要有反电动势检测法、续流二极管工作状态检测法、定子三次谐波检测法和瞬时电压方程法等。4控制器控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能：（1）对转子位置检测器输出的信号、PWM调制信号、正反转和停车信号进行逻辑综合，为驱动电路提供各开关管的斩波信号和选通信号，实现电机的正反转及停车控制。（2）产生PWM调制信号，使电机

28、的电压随给定速度信号而自动变化，实现电机开环调速。（3）对电动机进行速度闭环调节和电流闭环调节，使系统具有较好的动态和静态性能。（4）实现短路、过流、过电压和欠电压等故障保护电路。3.2 无刷直流电动机控制系统设计方案3.2.1 设计方案比较无刷直流电动机兼有直流电动机调整和起动性能好以及异步电动机结构简单无需维护的优点，因而在高可靠性的电机调速领域中获得了广泛应用。在电机转速控制方面，绝大多数场合数字调速系统已取代模拟调速系统。目前，数字调速系统主要采用两种控制方案:一种采用专用集成电路。这种方案可以降低设备投资，提高装置的可靠性，但不够灵活。另一种是以微处理器为控制核心构成硬件系统。这种方

29、案可以编程控制，应用范围广，且灵活方便。电机控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下功能:对各种输入信号进行逻辑综合，为驱动电路提供各种控制信号;产生PWM脉宽调制信号，实现电机的调速;实现短路、过流、欠压等故障保护功能。控制器是电动自行车的驱动系统，它是电动自行车的大脑。其主要作用是在保证电动自行车正常工作的前提下，提高电机和蓄电池的效率、节省能源、保护电机及蓄电池，以及降低电动自行车在受到破坏时的损伤程度。目前，市场上常用的电动自行车无刷直流电机控制器主要采用专用集成电路为主控芯片，像MOTOLORA公司研制的专用集成电路MC33035，其针对无刷电机

30、的控制要求，将控制逻辑集成在芯片内，一般该类控制器称为模拟式控制器，其工作原理是用电子装置代替电刷控制电机线圈电流换向，根据电机内的位置传感器(霍尔传感器)信号，决定换相的顺序和时间，从而决定电机的转向和转速。该控制系统的缺点是智能性差，保护措施有限，系统升级空间小。本设计采用单片机作为主控芯片，用编程的方法来模拟无刷电机的控制逻辑，其特点是使用灵活，通过修改程序可适应不同规格的无刷电机，增加系统功能方便，通常将此类控制器称为数字式控制器。无刷电机控制方法主要分为有位置传感器控制和无位置传感器控制两种。在有位置传感器的控制方法中，现今，由于霍尔传感器性价比高，安装方便，被广泛应用作为无刷直流电

31、机的位置传感器。当前，国内外对无刷直流电机无位置传感器的控制方法主要有反电势法、定子三次谐波法、续流二极管检测法、脉冲检测法神经网络控制法等。但是由于无位置传感器控制方法在低速时无法实现精确的速度调制，所以现阶段在电动车领域只是处于研究阶段，无法推广到工业生产当中。3.2.2 无刷直流电动机控制系统组成框图基于3.2.1节的考虑,可绘出无刷直流电动机控制系统框图,如图2-1所示:图3-1 电动机驱动控制框图（1）微控制器主要功能是根据电动机旋转方向的要求和来自霍尔转子位置传感器的三个输出信号，将它们处理成功率驱动单元的六个功率开关器件所要求的驱动顺序。微控制器的另一个重要作用是根据电压、电流和

32、转速等反馈模拟信号，以及随机发出的制动信号，经过AD变换和必要的运算后，借助内置的时钟信号产生一个带有上述各种信息的脉宽调制信号。（2）功率驱动单元主要包括功率开关器件组成的三相全桥逆变电路和自举电路。自举电路由分立器件构成的，也可以采用专门的集成模块等高性能驱动集成电路。（3）位置传感器位置传感器在无刷直流电动机中起着测定转子磁极位置的作用，为逻辑开关电路提供正确的换相信息。（4）周边辅助、保护电路主要有电流采样电路、电压比较电路、过电流保护电路、调速信号和制动信号等输入电路。第4章 无刷直流电动机硬件设计4.1 逆变主电路设计图4-1 功率开关主电路原理图逆变器将直流电转换成交流电向电机供

33、电。与一般逆变器不同，它的输出频率不是独立调节的，而是受控于转子位置信号，是一个“自控式逆变器”。由于采用自控式逆变器，无刷直流电动机输入电流的频率和电机转速始终保持同步，电机和逆变器不会产生振荡和失步，这也是无刷直流电动机的重要优点之一。4.2 逆变开关管驱动电路设计IR2110的特点有输出驱动隔离电压可达500V；芯片自身的门输入驱动范围为1020V；输入端带施密特触发电器；可实现两路分立的驱动输出，可驱动高压高频器件，如IGBT、功率MOSFET等，且工作频率高可达500KHz ，开通、关断延迟小，分别为120ns和94ns；逻辑电源的输入范围（脚9）515V，可方便的与TTL，CMOS

34、电平相匹配。 (2) IR2110 主要功能及技术参数IR2110 采用CMOS 工艺制作,逻辑电源电压范围为5 V20 V ,适应TTL 或CMOS 逻辑信号输入,具有独立的高端和低端2 个输出通道。由于逻辑信号均通过电平耦合电路连接到各自的通道上,容许逻辑电路参考地(USS) 与功率电路参考地(COM) 之间有- 5 V和+ 5 V 的偏移量,并且能屏蔽小于50 ns 的脉冲,这样有较理想的抗噪声效果。采用CMOS 施密特触发输入,以提高电路抗干扰能力。4.3 单片机的选择目前，市场上有很多无刷电机专用控制芯片，大部分电动车生产厂商采用Motorola公司的MC3303无刷电机专用控制芯片

35、，它具有无刷直流电机控制系统所需要的基本功能。本设计采用PIC16F72单片机作为主控芯片，不仅可以实现专用控制芯片MC33035的全部功能，而且容易实现系统扩展，通过软硬件设计，实现多功能的电机控制。单片机选择依据：(1)性能因素。通过对该系统分析，8位单片机可以满足系统控制精度的要求。由于整个系统有多种模拟参数需要转换成数字量，因此选用的单片机应该有多通道A/D转换模块。在无刷电机控制中，脉宽调制PWM技术广泛应用，因此所选单片机应具有脉宽调制输出端口。(2)安全因素。电子产品的安全性是一个非常重要的环节，作为控制系统的核心，单片机的安全性必须达到系统要求。(3)价格因素。考虑到该设计要与

36、市场接轨，因此价格问题尤为重要，要选择一个性价比较高的单片机，包括单片机的单片价格和开发系统的造价。4.3.1 PIC单片机特点PIC (Periphery Interface Chip)系列单片机是美国Microchip公司生产的产品。PIC单片机以其独特的硬件系统和指令系统的设计，逐渐被广大工程设计人员接受Microchip公司是一家集开发、研制和生产为一体的专业单片机芯片制造商，其产品综合应用系统设计的思路，具有很强的技术特色。产品采用全新的流水线结构，单字节指令体系，嵌入Flash以及10位A/D转换器。使之具有卓越的性能，代表着单片机发展新的潮流。PIC系列单片机具有高，中，低3个档

37、次，可以满足不同用户开发的需求，适合在各个领域中的应用。PIC系列单片机具有如下特点:(1)单片机种类丰富PIC最大的特点是不搞单纯的功能堆积，而是从实际出发，重视产品的性能与价格比，靠发展多种型号来满足不同层次的应用要求。就实际而言，不同的应用对单片机功能和资源的需求也是不同的。(2) 哈佛总线结构如图3-4所示，PIC系列单片机在普林斯顿体系结构和哈佛体系结构的基础上采用独特的哈佛总线结构，彻底将芯片内部的数据总线和指令总线分离，为采用不同的字节宽度，有效扩展指令的字长奠定了技术基础。图4-3 PIC系列单片机哈佛总线结构(3)指令特色PIC系列单片机的指令系统具有寻址方式简单和代码压缩率

38、高等优点。(4)功耗低由于PIC系列单片机采用CMOS结构，使其功率消耗极低。(5)驱动能力强PIC系列单片机I/O端口驱动负载的能力较强，每个输出引脚可以驱动多达20-25mA的负载，既能够高电平直接驱动发光二极管LED、光电耦合器、小型继电器等，也可以低电平直接驱动，这样可以大大简化控制电路。4.3.2 PIC16F72单片机管脚排列及功能定义图4-4 PIC16F72单片机管脚图（1）MCLR:清除（复位）输入。其中MCLR为低电平时，对芯片复位；该管脚的电压不能超过VDD，否则会进入测试方式。（2）RA0-RA5：双向可编程，亦可作为并行口。电池欠压信号：电池电压经分压后接单片机管脚3

39、。转把复位信号：由单片机的第4脚读入刹车信号：刹车信号由单片机的第5脚读入。（3）OSC1、OSC2：为振荡器晶振。（4）RC0-RC7：数字I/O（5）RB0-RB7：数字I/O（6）VDD：+5V电压输入4.3.3 时钟电路 如图4-5所示，单片机的9、10脚外接16Mhz晶体。图4-5 时钟电路图4.3.4 复位电路如图4-6所示，与单片机1脚外接图4-6 复位电路图第5章 无刷直流电动机软件设计5.1 直流无刷电机控制器程序的设计概况该程序在设计的过程中, 首先要上电复位, 然后初始化时钟和中断源, 再打开中断, 当检测到转把的输人电压时, 将该电压经A/D转换后按算法计算出PWM的占

40、空比输出PWM波。随后采样位置传感器产生霍尔信号, 将该信号的状态与电机固定的相位序列进行比较, 判断电机的相位是否正确。若正确, 输出波PWM, 否则, 重新复位。欠压检测是根据需要设定欠压值, 然后采样当前电源电压, 若电压低于设定值,则关闭输出, 相反, 则进行限流保护检测。限流保护检测是把电压传感器康铜丝上的电压经放大、A/D转换后与设定的电流限定值进行比较, 若高于最高限定值, 则关闭输出, 反之, 则正常运行。在运行的过程中应时刻检测是否有刹车信号输人, 若有刹车信号输人, 则关闭输出。5.2 系统各部分功能在软件中的实现1 驱动控制驱动控制通过查表实现霍尔元件状态到输出状态的转换

41、。直流无刷电机的3个霍尔元件组合起来有8种状态, 其中6种是有效的, 对应1个输出的状态。这6个状态对应没有明显的简单数量关系, 所以要实现映射, 查表是最快捷的方式。若电机需要反转, 只需增加一个反转状态表即可。正反转驱动只在于电流换相顺序的不同, 反映到程序中仅在查表处有区别, 所以正反转可共用一个驱动程序。2 启动理论上讲, 转子位置过磁场换相临界点时, 电流换相的速度越快越好。根据这一想法, 可以将霍尔信号的改变设置为中断, 从而转子的换相可以得到立即响应。但是在电动自行车控制场合,这样的想法是没有必要的。电动自行车直流无刷电机的转速相对来说很低。设电动自行车运行在最高速20km/s(

42、这是国家法律规定的速度限制), 而其使用的小径轮胎0.6m, 则霍尔信号改变的时间为0.244s。这个时间远远大于单片机主程序循环一周需要的时间(约0.001s), 所以将霍尔元件信号状态的检测工作放在主程序中即可。这样做的好处是可以减小中断程序的执行时间, 程序运行更加流畅。5.3 软件流程图系统软件按顺序扫描控制的模式编制。软件定时器根据调速要求产生直流斩波电压，采用中断方式运行，改变斩波电压只需在对应单元写入控制值。三相位置输入信号经简单查表运算产生对应的输出逻辑。刹车信号、过流信号和欠压信号顺次读入，并进行相应处理。开始初始化 刹 车？ Y 欠 压 ？ N Y 过 流 ？ N Y 工

43、作 模 式 设 置 N 读 入 位 置 信 号 计 算 脉 冲 宽 度 输 出PWM波显 示 输 出图5-1 软件流程图结束语本文在广泛查阅资料，了解无刷直流电机特性的基础上，对无刷直流电机的控制原理进行了的研究，设计了一款简单电动自行车用无刷直流电机控制器。本文所设计的基于PIC单片机的无刷直流电机控制器具有硬件结构简单、保护功能完善、软件采用模块化设计易于用户二次开发等特点。主要实现了如下功能:(1)采用PIC16F72单片机作为主控芯片，加强了电动车的智能控制；(2)安全控制电机系统，实现了系统的欠压保护、过流保护；3)设计了逆变器驱动电路、硬件过流保护电路，提高系统的可靠性;由于时间与能力有限，本文所设计的控制系统还有待于进一步的改进，比如可采用无位置传感器的控制方法，利用软件检测电机的反电动势，从而省去位置传感器，降低硬件成本，提高可靠性;还可采用专用控制芯片和单片机相结合的方式实现无刷直流电机的控制，使系统具有更好的灵活性和稳定性。致 谢参考文献1 梁森等，自动检测与转换技术，第二版，机械工业出版社，20052 李钟明,刘卫国.稀土永磁电机.第