基于單片機(jī)的電動(dòng)摩托車(chē)無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馬洪雨，帕孜來(lái)·馬合木提，李 倩

（1.新疆大學(xué)新疆 烏魯木齊 870047；2.北京大學(xué) 北京 100871）

基于單片機(jī)的電動(dòng)摩托車(chē)無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

馬洪雨1，帕孜來(lái)·馬合木提1，李 倩2

（1.新疆大學(xué)新疆 烏魯木齊 870047；2.北京大學(xué) 北京 100871）

根據(jù)無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理，設(shè)計(jì)了以PICl6F737單片機(jī)為核心的電動(dòng)摩托車(chē)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)，給出了控制系統(tǒng)的硬件組成和軟件設(shè)計(jì)方法，可以實(shí)現(xiàn)調(diào)速、限速、定速功能，保護(hù)及輔助功能完善。通過(guò)對(duì)控制系統(tǒng)的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)調(diào)試表明系統(tǒng)性能良好，滿足設(shè)計(jì)要求，具有廣泛的現(xiàn)實(shí)意義。

電動(dòng)摩托車(chē)；PIC16F737；無(wú)刷直流電機(jī)；PID控制

環(huán)境污染的不斷加劇和能源供應(yīng)的日益緊缺［1-2］，電動(dòng)摩托車(chē)作為代用燃料、使用新型能源的交通工具出現(xiàn)了并且逐。無(wú)刷直流電機(jī)是電動(dòng)摩托車(chē)的主要部件，以其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠、功率密度高、低轉(zhuǎn)速，輸出轉(zhuǎn)矩大等特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用［3-4］。根據(jù)無(wú)刷直流電機(jī)的工作原理，設(shè)計(jì)了一種以PIC16F737單片機(jī)為控制核心的電動(dòng)摩托車(chē)無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，給出了系統(tǒng)詳細(xì)的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)方法。

1 技術(shù)要求及設(shè)計(jì)原理

技術(shù)要求：本文所設(shè)計(jì)的電動(dòng)摩托車(chē)控制系統(tǒng)中的無(wú)刷直流電機(jī)額定電壓為48 V，額定功率為1 000 W，額定轉(zhuǎn)速為3 000 r/min，額定轉(zhuǎn)矩為1.6 N*m。速度實(shí)現(xiàn)方面具有調(diào)速、限速和巡航功能；保護(hù)方面具有柔性剎車(chē)、過(guò)流（堵轉(zhuǎn)）保護(hù)、欠壓保護(hù)和防盜保護(hù)等。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示。

系統(tǒng)以單片機(jī)為核心可分為：

1）控制核心單片機(jī)、+5 V電源電路及輔助電路組成。

2）驅(qū)動(dòng)電路和逆變電路。

3）速度轉(zhuǎn)把、制動(dòng)手柄信號(hào)及檢測(cè)電路。

4）保護(hù)電路及輔助功能性電路。

控制系統(tǒng)是由單片機(jī)依據(jù)轉(zhuǎn)速把信號(hào)、電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信號(hào)和電流反饋信號(hào)輸出對(duì)應(yīng)的波，通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片，控制由六個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管的組成的三相全橋驅(qū)動(dòng)電路［5］，從而對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。如有異常信號(hào)發(fā)生，控制系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)保護(hù)動(dòng)作。

圖1 系統(tǒng)的原理框圖Fig.1 Block diagram of the system

無(wú)刷直流電機(jī)是由電機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器和電子開(kāi)關(guān)電路三者協(xié)同工作的過(guò)程，其工作原理如圖2所示。

圖2 無(wú)刷直流電機(jī)工作原理圖Fig.2 Block diagram of brushless DC motor

電機(jī)通電后，帶電的某一相的定子繞組形成的電流就會(huì)與轉(zhuǎn)子的磁場(chǎng)作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，由此驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)，此時(shí)，轉(zhuǎn)子位置傳感器檢測(cè)到轉(zhuǎn)子磁鋼位置（處于變化狀態(tài)），通過(guò)邏輯變換，產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制功率管的通斷，電樞繞組逐步通電，這樣就可以在定子上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，推動(dòng)定子旋轉(zhuǎn)。

綜合比較無(wú)刷直流電機(jī)的連接方式可知三相全橋星形連接的綜合性能最好。此外，最為常見(jiàn)的工作方式也是兩相導(dǎo)通星形三相六狀態(tài)［4-5］。文中電動(dòng)摩托車(chē)無(wú)刷直流電機(jī)采用PWM控制策略，轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制。

2 控制系統(tǒng)的關(guān)鍵硬件設(shè)計(jì)

1）單片機(jī)主控電路是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心。其中單片機(jī)的各個(gè)接口連接如圖3所示。

2）檢測(cè)電路包括位置檢測(cè)電路、電流檢測(cè)電路、轉(zhuǎn)速限速剎車(chē)信號(hào)檢測(cè)和定速巡航信號(hào)檢測(cè)。

位置檢測(cè)電路是通過(guò)電機(jī)自身安裝的霍爾元件實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能的［7-8］，上拉電阻將輸出信號(hào)處理后得到方波信號(hào)（高低電平），該信號(hào)送至單片機(jī)的引腳作為控制依據(jù)。

圖3 單片機(jī)外接口電路Fig.3 External interface circuit of Microcontroller

電流檢測(cè)是通過(guò)分流電阻法實(shí)現(xiàn)的，電路由兩個(gè)運(yùn)算放大器組成。所得到的信號(hào)是電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)與電流是成正比的。

3）逆變電路選用多個(gè)并聯(lián)驅(qū)動(dòng)的三相全橋控制方案，下橋臂按周期輪流導(dǎo)通，上橋臂采用PWM控制，通過(guò)驅(qū)動(dòng)芯片分別驅(qū)動(dòng)三相逆變電路中的6個(gè)功率開(kāi)關(guān)管。

4）輔助電路包括過(guò)流保護(hù)電路、欠壓保護(hù)電流以及報(bào)警電路等輔助性功能電路。

3 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)結(jié)合PIC單片機(jī)的特點(diǎn)，在集成開(kāi)發(fā)環(huán)境MPLAB IDE中完成的，使用C語(yǔ)言編程，包括主程序模塊和中斷服務(wù)程序模塊。

主程序主要完成初始化、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)、巡航等實(shí)時(shí)性要求比較低的流程，目的是負(fù)責(zé)各模塊間資源的任務(wù)調(diào)度。其中，初始化主要是完成系統(tǒng)、變量和寄存器、外圍模塊的初始化；電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序包括轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)模塊、轉(zhuǎn)速計(jì)算模塊［9］、速度調(diào)節(jié)模塊、電流采樣模塊、電流調(diào)節(jié)模塊等，主程序流程圖和電機(jī)驅(qū)動(dòng)流程圖分別如圖4和圖5所示。

中斷子程序主要完成一些實(shí)時(shí)性要求都非常高的任務(wù)，主要完成系統(tǒng)的保護(hù)功能，如剎車(chē)、過(guò)流保護(hù)、欠壓保護(hù)等保護(hù)模塊。中斷服務(wù)子程序由各功能模塊的相應(yīng)中斷源提出申請(qǐng)，CPU實(shí)時(shí)響應(yīng)。

中斷服務(wù)程序主要是完成一些實(shí)時(shí)性要求高的功能［6］，本系統(tǒng)的中斷服務(wù)程序主要是針對(duì)保護(hù)功能設(shè)計(jì)的，主要包括：過(guò)流及欠壓保護(hù)模塊、剎車(chē)模塊等。

圖4 主流程圖Fig.4 MainFlow chart of the software design

4 控制系統(tǒng)的調(diào)試

1）通過(guò)測(cè)試各個(gè)階段波形（起步階段、起步加速階段、低速穩(wěn)定階段、再加速階段、中速穩(wěn)定狀態(tài)、高速運(yùn)行狀態(tài)）表明系統(tǒng)啟動(dòng)平穩(wěn)，能夠?qū)崿F(xiàn)電壓電流波形對(duì)稱［10］，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)和開(kāi)關(guān)損耗很小。

2）測(cè)得10組電機(jī)性能數(shù)據(jù)，根據(jù)與計(jì)算所得理想數(shù)據(jù)比較可得系統(tǒng)系統(tǒng)可靠性強(qiáng)，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、精準(zhǔn)的調(diào)速。

3）通過(guò)對(duì)樣車(chē)的實(shí)際操作和騎行檢測(cè)，表明系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)良好，保護(hù)措施嚴(yán)謹(jǐn)。

圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)流程圖Fig.5 Flow chart of the motor driving

圖6 中斷服務(wù)程序流程圖Fig.6 Flow chart of interrupt service program

5 結(jié)束語(yǔ)

該系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用以PIC16F737為控制核心的直流無(wú)刷電機(jī)控制系統(tǒng)，軟件部分以模塊化為設(shè)計(jì)原則，提高了控制系統(tǒng)的高可靠性和高智能化。通過(guò)對(duì)試驗(yàn)樣車(chē)進(jìn)行理論和實(shí)際的測(cè)試，表明整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔、操作準(zhǔn)確、穩(wěn)定可靠、現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行良好等特點(diǎn)，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

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Design of brushless DC motor control system for electric motorcycle based on PIC

MA Hong-yu1，PAZILAT Mahemuti1，LI Qian2
（1.XinjiangUniversity，Urumqi 830047，China；2.Peking University，Beijing 100871，China）

According to the controlling strategy of BLDCM，a brushless DC motorof electric motorcycle control system based on PIC16F737 microcontroller was designed，a detail ofhardware circuit andsoftware design methods were given，This system can realize regulation speed，speed limit and stationary speed and has perfect function of protection and assistance.Static and dynamic test of the control system were completed.Experiments show that the control system has a good performance，meet the requirements，the devise have definite practical value.

electric motorcycle；PIC16F737；BLDCM；PID control

TN710

A

1674－6236（2016）04-0168-03

2015-03-25 稿件編號(hào)：201503354

馬洪雨（1986—），男，吉林延吉人，碩士研究生。研究方向：過(guò)程檢測(cè)、診斷與控制技術(shù)。