电动车无刷直流电动机控制设计

德州职业技术学院高职专业毕业论文

论文题目：电动车无刷直流电动机控制设计

系部：电气工程系

专业：机电一体化

姓名：王玮

学号：201302040633

指导教师：陈爱敏

2015年11月4日

声明

本人郑重声明：所呈交的毕业论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。

王玮

2015年11月04日

[摘要]

[摘要]无刷直流电机控制系统集电机、逆变电路、检测元件、控制软件和硬件于一体，具有高可靠、高效率、寿命长、调速方便等优点，在电动调速领域有着广泛的应用。电动自行车的发明和使用对解决燃油车造成的严重环境污染和缓解日益突出的能源危机问题有一定的现实意义。

根据项目参数要求，采用Mcrochip公司的PIC16F72单片机作为控制芯片，在硬件方面，进行了微控制单元电路设计、逻辑互锁电路设计、转子位置信号采集电路设计、电源电路设计、升压电路设计、系统硬件保护电路设计、三相全桥逆变电路设计、逆变器驱动电路设计和显示电路设计。采用开关型霍尔传感器作为电机转子位置传感器，微控制单元根据转子位置信号向驱动电路传递PWM (脉宽调制)信号、逆变器上下臂驱动信号控制电机。

在软件方面利用汇编语言，采用模块化编程和结构化编程。根据无刷直流电机的控制原理，对系统的控制部分进行了详细分析。设计了系统状态显示面板程序模块。利用数字PI控制理论实现电机速度的闭环调制，提出了一种电机控制系统的接线模式自识别功能设计方案，能够自动识别电机的换相角度、霍尔相位和电机输出相位。在系统可靠性方面:设计了系统的欠压、过流和堵转保护。本文还对影响控制器和单片机系统可靠性的因素进行了分析，并且给出了解决方案.

本文所设计的无刷电机控制器实现了电动、定速、助力三种工作模式并且在系统出错情况下具有自检功能。保护功能较完善、硬件结构简单、成本较低，具有升级空间，便于用户二次开发。

关键词：无刷直流电机PIC单片机电动自行车控制系统

目录

第一章绪论 (5)

1.1无刷直流电机的现状 (5)

1.2电动自行车介绍和发展状况 (6)

1.2.1电动自行车发展现状 (6)

1.2.2电动自行车的组成部分 (8)

1.2.3电动自行车的特点 (8)

1.2.4电动自行车的发展前景 (9)

1.3无刷直流电机控制器概述 (10)

1.4本设计的主要工作 (11)

1.4.1硬件部分 (12)

1.4.2软件部分 (12)

第二章无刷电机控制系统分析 (13)

2.1电机的基本原理 (14)

2.1.1稀土永磁无刷直流电机的基本结构 (14)

2.1.2电机的基本工作原理 (15)

2.1.3三相无刷直流电机星形连接全桥驱动原理 (16)

2.2无刷直流电机的特性分析 (17)

2.3直流电动机的PWM调速原理 (19)

2.4霍尔传感器 (19)

2.4.1开关型霍尔集成传感器 (19)

2.4.2霍尔器件在无刷直流电机中的应用 (20)

第三章无刷直流电机控制器硬件设计 (21)

3.1单片机选择 (21)

3.1.1单片机选择依据 (22)

3.1.2PIC单片机特点 (22)

3.1.3PIC16F72单片机的功能特性 (24)

3.1.4PWM信号在PIC单片机中的处理 (24)

3.2硬件组成 (25)

3.3三相无刷直流电机星形连接全桥驱动原理 (25)

第四章控制器的硬件设计 (27)

4.1芯片选型 (27)

4.2控制器电源部分电路的设计 (28)

4.3控制器转把输入部分电路的设计 (28)

4.4控制器驱动部分电路的设计 (29)

4.5MOSFET的保护电路的设计 (29)

4.6欠压保护的电路设计 (30)

4.7换相部分电路设计 (30)

结束语 (31)

致谢 (32)

参考文献 (33)

第一章绪论

1.1无刷直流电机的现状

有刷直流电动机作为最早的电动机广泛应用于工农业生产的各个领域，由于其宽阔而平滑的优良调速性能，在需要调速的应用领域占有重要地位，但机械换向装置的存在，限制了其发展和应用范围。直流电动机的机械电刷和换向器因强迫性接触，造成其结构复杂、可靠性差、火花、噪声等一系列问题，影响了直流电动机的调速精度和性能。

科学技术的飞速发展，带来了半导体技术的飞跃，开关型晶体管的研制成功为创造新型的无刷直流电动机带来生机。1955年，美国人首次提出用晶体管换向线路代替机械换向装置，经过反复实验，人们终于找到了用位置传感器和电子换相线路来代替有刷直流电动机的机械换相装置，出现了磁电耦合式、光电式及霍尔元件作为位置传感器的无刷直流电动机，以后人们发现电量波形和转子磁场的位置存在着一定的对应关系，因此又出现了通过观测电枢绕组中不同电量波形，监测转子位置的无位置传感器的电动机。

80年代初，无刷直流电机进入了实用阶段，方波和正弦波无刷直流电机先后研究成功。“无刷直流电机”的概念已由最初的具有电子换相器的直流电机发展到泛指一切具有传统直流电机外部特性的电子换相电机。现今，无刷直流电机集电机、变速机构、检测元件、控制软件和硬件于一体，形成为新一代的电动调速系统。

无刷直流电机具有最优越的调速性能，主要表现在:调速方便(可无级调速)，调速范围宽，低速性能好(启动转矩大，启动电流小)，运行平稳，噪音低，效率高，应用场合从工业到民用极其广泛。如电动自行车、电动汽车、电梯、抽油烟机、豆浆机、小型清污机、数控机床、机器人等等.由于无刷直流电机具有这些优点，因此在2004年的国际电机会议上提出了有刷电机将被无刷电机取代这一发展趋势。美、日、英、德在工业自动化领域中已经实现了以无刷直流电机代替有刷电动机的转换。