无刷直流电机控制器及其在电动自行车上应用的研究

摘要

近年来，随着人们生活水平和环保意识的提高，电动自行车得到了日益广泛的应用。传统的直流电机一直在电动自行车驱动系统中占据主导地位，但其依靠机械电刷和换向器换向，带来结构复杂和可靠性不高、噪音大等问题，迫使人们探索结构更简单、高效率、低噪音并且大容量的驱动电机。随着电力电子技术和微控制技术的迅猛发展而成熟起来的永磁无刷直流电机具有体积小、重量轻、效率高、噪音低、容量大且可靠性高的特点，从而使其极有希望代替传统的直流电机成为电动自行车车用电机的主流。因此无刷直流电机控制器作为电动机控制系统的大脑，其研究价值和市场前景将非常可观。 本论文提出了基于PIC16F72单片机为主控芯片的无刷直流电机控制器的设计方案。利用PIC单片机进行低成本、高智能无刷直流电动机控制系统的设计，能够简化系统结构、降低系统成本、增强系统性能、满足更多应用场合的需要。本文主要从以下四个方面进行了分析与研究： （1）详细分析了无刷直流电动机的工作原理，建立其数学模型，并针对电动自行车的控制需求，制定了系统的控制策略，采用速度、电流双闭环控制； （2）以Microchip公司的PIC16F72芯片为控制核心，对电动自行车无刷直流控制系统进行硬件电路部分设计，主要包括控制电路、驱动电路和保护电路的设计，对硬件可靠性设计进行了分析与探讨。 （3）在PICMATE2002开发环境下，对系统的软件部分程序进行设计。实现了电机的速度闭环控制，结合硬件结构设计了系统的欠压、过流和堵转保护。 （4）完成了系统的硬件、软件调试，分析了实验结果，分析与总结了控制器的可靠性设计的相关问题。 本课题设计的基于PIC单片机的无刷直流电动机控制器具有运行性能良好，可靠性高、升级换代容易的优点，为后续的研究工作提供了一定的基础。

目录

文摘

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声明

第一章绪论

1.1无刷直流电动机的发展状况

1.2电动自行车的现状及发展前景

1.3无刷直流电机控制器的概述

1.4论文的主要内容

第二章无刷直流电机控制系统分析及控制策略研究

2.1无刷直流电机的工作原理

2.1.1无刷直流电机的基本结构

2.1.2电机的基本工作原理

2.1.3三相无刷直流电机星形连接全桥驱动原理

2.1.4三相无刷直流电机的数学模型

2.1.5电机的运行特性

2.1.6电机的PWM调速原理

2.2系统控制策略

2.2.1控制系统的整体结构

2.2.2系统主要部分的控制策略

2.3本章小结

第三章系统硬件设计

3.1核心控制器的选择

3.1.1单片机选择依据

3.1.2 PIC单片机优点

3.1.3 PIC16F72单片机的功能特性

3.1.4 PWM信号在PIC单片机中的处理

3.2控制电路的设计

3.2.1+5V电源电路和速度给定电路

3.2.2位置信号和速度信号采样电路

3.2.3电流信号采样电路

3.2.4逻辑互锁保护电路

3.3三相全桥逆变电路和驱动电路的设计

3.4保护电路的设计

3.4.1过流保护电路

3.4.2欠压保护电路

3.5硬件可靠性的设计

3.5.1电源与集成芯片去耦

3.5.2隔离技术

3.5.3电磁兼容设计

3.6本章小结

第四章系统软件设计

4.1概述

4.2主程序

4.3 A/D转换子程序

4.4位置检测与换相子程序

4.5欠压保护、过流保护和堵转保护

4.6中断子程序

4.6.1单片机中断资源

4.6.2定时器资源分配

4.7 PWM波的设定

4.8编程注意的问题

4.8.1数据存储体的选择

4.8.2程序存储体的选择

4.9本章小结

第五章系统调试与运行分析

5.1系统硬件部分调试

5.2系统软件部分调试

5.2.1软件运行环境PICMATE2002

5.2.2软件模拟调试

5.3控制器的可靠性设计

5.3.1影响控制器可靠性的因素

5.3.2提高控制器可靠性的措施

5.4实验结果分析与结论

5.4.1实验结果分析

5.4.2实验结论与建议

5.5本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文

致谢

附录