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.
第二章 无刷电机控制系统分析
直流电机具有响应快速、起动转矩较大，以及从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩，则电枢磁场与转子磁场须恒维持90°，这就需要碳刷及整流子.碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉，因此除了会造成组件损坏之外，使用场合也受到限制。
交流电机没有碳刷及整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能实现。现今半导体发展迅速，功率组件切换频率加快许多，提升了驱动电机的性能。微处理机速度亦越来越快，可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直交坐标系统中，适当控制交流电机在两轴电流分量，可达到类似交流电机的控制并有与直流电机相当的性能。无刷直流电机即是以电子方式控制交流电机换相，得到类似直流电机特性且结构上优于直流电机的一种电机。
2.1电机的基本原理
2.1.1稀土永磁无刷直流电机的基本结构
稀土永磁无刷直流电动机的基本构成包括电动机基体、开关电路、位置传感器三部分，如图2.1所示。
图2 .1 无刷直流电动机的组成
(1) 电机基体
稀土永磁电动机基体是由带有电枢绕组的定子和永磁转子组成。常用的有三种结构形式:转子铁心外圆粘贴瓦片形稀土永磁体;转子铁心中嵌入矩形板状稀土永磁体:转子外套上一个整体粘结稀土磁环的环形永磁体。还有一种外转子式结构，即带有稀土永磁极的转子在外，嵌有绕组的定子在里。电机运行时，外转子旋转。
(2) 开关电路
开关电路由逆变器和驱动电路组成。逆变器主电路有桥式(图2.2a)和非桥式(图2.2b)两种。电枢绕组与逆变器联接形式多种多样，但应用最广泛的是三相星形六状态(图2.2a)。驱动电路将控制电路的输出信号进行功率放大，并向各开关管送去能使其饱和导通与关断的驱动信号。
图2．2桥式(a)与非桥式
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