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名称：用于电动自行车的无刷直流电动机控制器设计

作品名称

用于电动自行车的无刷直流电动机控制器设计

开发语言

电子

运行平台

WIN9X/WIN2000/WINXP/2003

论文字数

3万以上

论文页数

62P

开题报告

无

答辩稿

无

整理时间

12-02-14 00:00:00

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作品简介：

1.2电动自行车介绍和发展状况
(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。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1200万辆左右，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，百公里耗电量1kwh左右，图1.1为两款国内生产的电动自行车。
1.3 无刷直流电机控制器概述
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，但不购灵活。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，他主要完成以下功能：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：对电机进行速度环和电流环调节；使系统具有较好的动态和静态性能；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，他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。
本文采用单片机做为主控芯片，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，如电机缺相保护、堵转保护、添加力矩传感器等等，可根据不同结构的电机进行控制的优化以达到良好的匹配，通常将此类控制器称为数字式控制器。
近几年，国外一些大公司纷纷推出较MCU性能更加优越的DSP(数字信号处理器)芯片电机控制器，如ADI公司的ADMC3xx系列，TI公司的TMS320C24系列及Motorola公司的DSP56F8xx系列，都是由一个以DSP为基础的内核，配以电机控制所需的外围功能电路，集成在单一芯片内，使体积缩小，结构紧凑，使用便捷，可靠性提高。但是这些专用芯片价格昂贵，外围电路设计复杂，在广大的民用市场无法大规模推广应用。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。
1.4本设计的主要工作
本论文对无刷直流电机的控制原理进行了详细分析，依据无刷直流电机特性，针对电动自行车的控制需求，进行了无刷直流电机控制系统的设计。技术指标如下:系统正常工作电压36V;最低工作电压31V;最大工作电流10A;最大输出功率360W.
(1) 硬件部分
硬件部分以PIC16F72单片机作为控制芯片，逆变器由6个MOSFET管组成。通过微控制单元电路、逆变器驱动电路等电路模块的设计，实现了电机的智能控制以及欠压保护、过流保护、堵转保护等保护功能，可靠的对电动车电机和电池进行保护，确保电动车使用及安全。
(2) 软件部分
在软件方面利用汇编语言，采用模块化编程和结构化编程.实现了信号的采集及处理，实现了电动自行车的电动、定速和助力三种工作模式并且在系统出错情况下具有自检功能。利用数字PI控制理论实现电机速度的闭环调制
具体设计如下:
① 选用PICI6P72单片机作为主控芯片;
② 采用开关型霍尔传感器作为电机转子位置传感器;
③ 通过对PIC单片机编程，实现电动车电动、定速和助力三种工作模式;
④ 通过硬件电路和软件编程，实现系统自检、欠压、过流、堵转保护功能;
⑤ 通过软硬件设计，实现电动自行车仪表盘显示控制;
⑥ 利用PI控制理论实现电机速度的闭环调制;
⑦ 提出一种软件电机接线模式自识别设计方案.
本设计实现了无刷直流电机的自动控制，硬件结构简单、成本较低，具有升级空间，便于用户二次开发.设计中，利用PIC开发环境完成软件编写和调试;利用逻辑分析仪和示波器等完成硬件调试;借助于电动自行车实体，对软硬件参数进行测试，实现结构优化.
设计包括：源码，论文，任务书，外文翻译。

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