电动车无刷电机控制器软件设计详解
无刷直流电动机控制器软件设计经验
林
１０ １ ） ３ ０ ２
１０ １ ；２ 长春工业大学 电气与 电子工程学 院，长春 ３０２ ．
摘 要 ：无刷 电动机 已 广泛应用到计算机硬盘、 电动 自行车等领域。以 ＰＣ ６ ７ 作 为电动 自 Ｉ１Ｆ ２ 行 车无刷 电机控制器的软件编程经验为基础研 究了电动 自 车无刷 电机控制器的单 片机控制程序 行 设计方法；分析 了无刷电动机控制器 的采样时间确定方法 ；研 究了电动 自行车调速 的平滑型 问 题 ；分析 了控制器的 Ｐ ＷＭ分辨率及 限流驱动和减小换 向噪声的方法；给 出了堵转保护和 欠压保
ｌ ｓｄ ｅｔ ｕｒｎ ｏｏ ｄｔｅ ｒ ｌｍ ｏ ｅｄａｊｓｎ ａ ｅｎａａ ｚｄ ｎｔｅｅ ｄ ＷＭ ｓ］— ｅ ｉ ｃ ｃ ｒ ｔ ｔ ａ ｏ ｅ ｆ ｐｅ ｄｕｔ ｇｈ ｄｂ ｅ ｌ ｅ ．Ｉ ｎ ，Ｐ ｓ ｒ ｅ ｍ ｒｎ ｈ ｐ ｂ ｓ ｉ ｎ ｙ ｈ ｒ ｏｕ ｅ
部信 号 的采 样 频 率 ，采 样 时 机 ，信 号 内部 处 理 判 断及 结果 处 理 的输 出 ，还 有 一 些 抗 干 扰 等 措 施 。 本 文 根据 开 发 经 验 对 电动 自行 车 无 刷 电机 控 制 器 的程序 设计 进行 了深 入 的研究 。
行车无刷电机控制 器 ，但 随着竞争加 剧 ，很 多厂 商都增加了不少 附加功能 ，如无级 调速、刹 车断 电、限速 、Ｅ Ｓ柔性 电磁刹 车、定 速巡航 、ｌ Ｂ ＋１ 助 力 航 、消 除 换 相 噪 音 、 限 流 驱 动 、过 流 保 护 、 堵转保护、电池欠压保护 、附加 防盗锁 ，附加故 障检测等功能 。这些功能用 硬件来实现就 比较 困 难 ，因此 目前 市 面 上 的 电动 自行 车 用 无 刷 电 机 控 制器都是使用单 片机来 控制 的。但 是硬件控 制和 软件控制有很大 的区别 ：硬件 控制 的反应速 度仅
无刷电机驱动的电动自行车控制系统毕业设计(含PCB图)
毕业设计（论文）题目:无刷电机驱动的电动自行车的控制系统设计专业:数控技术班级:学号:姓名:指导老师:摘要近年来，燃油交通工具因尾气排放问题已造成城市空气的严重污染。
于是发展绿色交通工具已经成为一个重要的课题。
考虑到我国的国情，发展电动自行车具有重要的环保意义。
随着电机技术及功率器件性能的不断提高，电动自行车的控制器发展迅速。
本文设计采用无刷直流电机专用控制芯片MC33033为控制芯片，以功率器件MOSFET为开关器件驱动电机，实现对无刷直流电机的控制。
设计出了电路原理图、印制板电路图和电路板实物的3维效果图。
关键词：无刷直流电机MC33033 原理图印制板电路图AbstractIn recent years, transportation fuel emission problem has been caused by urban air pollution levels. So the development of green transport has become an important issue. Taking into account China's national conditions, development of electric bicycles has important environmental significance. With the motor technology and continuously improve the performance of power devices, the rapid development of electric bicycle controller. This design uses a brushless DC motor for the control of dedicated control chip MC33033 chip, in order to power MOSFET devices as the switching device drive motor, to achieve control of the electric bike. Design a circuit diagram, PCB circuit diagrams and circuit board real 3-D renderings.Keywords：brushless DC motor MC33033 Schematic PCB circuit目录摘要 (I)ABSTRACT (II)第1章引言 (5)1.1课题的研究背景及发展状况 (5)1.1.1当今社会的能源问题 (5)1.1.2无刷直流电机的发展过程 (5)1.1.2无刷直流电机的特点 (6)1.2电动自行车的组成部分 (7)1.3课题研究的内容 (8)第2章电动自行车的主要技术 (9)2.1电动自行车的基本性能 (9)2.2电动自行车的主要技术参数 (10)2.2.1整车主要技术参数 (10)2.2.2蓄电池主要技术参数 (10)2.2.3电动机主要技术参数 (11)2.2.4控制器主要技术参数 (11)2.3电动自行车的电机控制技术 (12)2.4无刷直流电机的结构与原理 (12)2.5无刷直流电机的调速方法 (14)2.6无刷直流电机的位置检测 (15)第3章系统元器件选择 (17)3.1控制芯片MC33033 (17)3.2功率器件MOSFET (20)3.3无刷电机驱动芯片IR2103 (22)3.4闭环无刷电机适配器MC33039 (23)3.5蓄电池的选择 (24)第4章系统电路设计 (27)4.1普通无刷电动机控制电路 (27)4.2主电路设计 (28)4.2.1电源电路设计 (28)4.2.2驱动电路设计 (28)4.2.3刹车电路设计 (29)4.2.4调速电路设计 (30)4.2.5钥匙开关设计 (31)4.2.6整体电路图 (32)第5章印制电路板设计 (34)5.1确定元件封装 (34)5.2生成网络表 (35)5.3印制电路板环境设置 (35)5.4绘制PCB板 (36)结论 (38)致谢 (39)参考文献 (40)附录 1 (41)附录 2 (43)附录 3 (45)第1章引言1.1课题的研究背景及发展状况1.1.1当今社会的能源问题能源是人类社会存在和发展的物质基础。
无刷电调编程讲解
无刷电调编程讲解
无刷电调是一种电子元件，常用于控制电机的转速和方向。
为了实现不同的功能，需要对无刷电调进行编程。
下面是无刷电调编程的讲解：
1. 确定编程设备：通常使用电脑和USB转串口线作为编程设备。
2. 安装编程软件：根据无刷电调的品牌和型号，选择相应的编程软件并安装。
3. 连接电调和编程设备：将USB转串口线连接到电脑的USB端口上，另一头连接到电调的编程口上。
4. 进入编程模式：根据电调的说明书，按压指定按键或操作指令，进入编程模式。
5. 编写程序：在编程软件中编写程序，实现电调所需的功能。
常见的功能包括调整最大电流、最大转速和刹车时间等。
6. 下载程序：将编写好的程序下载到电调中，以实现相应的功能。
7. 测试：将电调和电机连接，进行测试以确认编程是否成功。
如果存在问题，可以重新进入编程模式并修改程序。
以上就是无刷电调编程的基本讲解，希望能够帮助大家更好地理解和使用无刷电调。
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Protel 99 SE实用教程 课程设计三 电动自行车控制器设计
F3.2 系统方框图
电动自行车采用批PIC16F72作为主控MCU。MCU主要任务是进行调速电压 检测，电池电压检测，电流检测，过流中断检测，3路霍尔位置信号检测，1 路霍尔位置信号中断检测，刹车信号检测，1︰1助力检测，温度检测，故障 显示输出，PWM控制电机转速输出，6路电机驱动输出，系统方框图如图F33所示。
控制器无刷电机控制的方法是根据电机的位置反馈信号，控制电机三相驱动上下臂MOS管的导通和截止， 从而实现电子换向。如图F3-2所示，电机为三角形连接，三相驱动上下臂各MOS管导通顺序组合为： V1-V2，V2-V3，V3-V4，V5-V4，V5-V6，V1-V6。
图F3-1 电动自行车控制方框图
图F3-2 驱动电路
F3.4 控制器功能介绍
1︰1助力 1︰1助力，是指在没有旋转调速车把，电动车电池打开时，电动车会根据骑行者的 骑行速度提供1︰1助力。 电子刹车 电子刹车，就是指在刹车时能做到让电机的驱动MOS管上臂（或者下臂）全部导通 而下臂（或者上臂）截止，电机三相接线全部短接，能使电机产生阻力，达到刹车 的效果。 自动巡航 自动巡航，是指把调速车把转到所需的角度，电动自行车达到相应车速后，在5S （时间可变）内调速车把不转动，则电动自行车就保持在这个速度行驶，这时骑行 者可以松开调速车把，免去手一直拧着调速车把之累。自动巡航后只有松开调速车 把，并重新旋转调速车把，才可以再次调节电动自行车的行驶速度。
F3.5 控制器的结构图
控制器的结构如图F3-4所示
利用PIC16F72单片机完成电动自行车控 制器原理图设计及显示仪表的设计。由原 理图实现电路板的设计。控制器原理图和 显示仪表原理图如图F3-5、F3-6所示，电路 板如图F3-7所示。
图F3-4 控制器的结构
无刷直流电机控制器的软件设计中英文翻译(精)
Commutation Torque Ripple Reduction in BLDC Motor Using PWM_ON_PWM ModeGuangwei Meng, Hao Xiong, Huaishu Li Department of Electrical Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan, China.Abstrac t:The paper analyzes the steady commutation process of the BLDC motor using PWM mode, confirms the commutation time to keep noncommutation phase current amplitude constant during commutation period by way of PWM in the period to implement the compensation control to eliminate commutation torque ripple under both low speed and high speed operation, investigates the effect by PWM mode on a three-phase six-state 120°turn-on BLDC motor, and presents torque ripple compensation control in PWM_ON_PWM mode, which can not only entirelyeliminate torque ripple resulted from the current emerging in the turn-off phase during non-commutation period but also compensate torque ripple caused by the commutation current during commutation period.Index Terms—BLDC motor, commutation, PWM, torque ripple.I. INTRODUCTIONThe BLDC motors have been widely used due to its features - a simple structure, good speed adjusting performance,high power density, low noise and simple control, etc. It is a hotspot to suppress the torque ripple and improve the control performance of a BLDC motor with the trapezoidal back emf.BLDC motors usually operate in all kinds of PWM modes, which not only affect the dynamic loss of power switches and radiation uniformity, but also influence the torque ripple. It is an effective way to suppress the torque ripple through changing dc bus chopper control to remain non-commutation phase current amplitude constant, but it results into a more complex topology [1]-[3]. It is just fit for low speed applications tocontrol non-commutation phase current amplitude to regulate the commutation torque ripple . It is analyzed about the influence resulted from PWM ON mode on the torque ripple .The ideas in [1]-[3] are to adopt different suppression methods in different speed interval, but they don’t take t he effect by PWM mode s on the systemin account. The predictive current, neural network control and active disturbance rejection control etc are introduced to suppress the torque ripple , but the control algorithm is more complicated and harder for realization.Depending on the commutation process of BLDC motors and the effect by PWM modes on the system, thepaper presents a torque ripple com-pensation control inPWM_ON_PWM mode at different speeds by seeking different PWM modulation ratios during commutation period as motor runs at low speed and high speed.The method retains the original to-pology, improves the control performance of the system dramatically,and moreover is easy to realize.II. ELECTROMAGNETIC TORQUE OF BLDC MOTORDURING COMMUTATION PROCESSAssume that the BLDC motor is three-phase symmetrical and Y- connected, and neglect eddy currents and hysteresis losses, its equivalent circuit and main circuit are shown in Figure 1. r, L are the resistance andinductance of the stator windingsrespectively;C B A e e e ,, are the counter emfs of the corresponding phase windings respectively; C B A i i i ,, are the corresponding phase currents respectively.0=++C B A i i i (1The counter emf of every phase winding is a trapezoidal waveform with a flat-top width greater than or equal to 1200 electrical degree,and its flat-top amplitude is Em. When the motor works in three-phase six-state 1200 turn-on mode, the currents don’t commutates instantaneously as a result of the inductanceof the armature winding. Take the power switch 1T and 2T ’s turn-on to2T and 3T ’s turn -on for example. During the commutation, it is gained as follows m C B A E e e e =-== (2Suppose that the mechanical angular velocity of the rotor is Ω, the toque can be obtained as follows during the commutation process.Ω=Ω++=C m C C B B A A e i E i e i e i e T 2 (3 It is obvious from (3 that the toque is proportional to the non-commutation phase current during commutation,i.e. the commutation torque ripple can be eliminated so long as non-commutation phase current remains constant during commutation. III TORQUE RIPPLE REDUCTION IN PWM MODEa new PWM mode is presented -PWM _ON _PWM, i.e. using PWM mode in the first30°and the last 30° while keeping constant turn-onmode in the middle 60°. The mode can entirely eliminate the emerging current in the turn-off phase during non-commutation and thus reduce the torqueripple during non-commutation.PWM _ON _PWM is a bilateral modulation, but the dynamic losses of power switches in the mode are equal to those of unilateral modulation. Six switches are modulated in turn, so the power switches have a uniform radiation and the system has a higher reliability. The mode is employing PWM on the turn-on power switchesand thus it can suppress the torque ripple during commutation to a certain extent even if a compensation control is not applied at a low speed.In PWM _ON _PWM mode, it can not only eliminate the torque ripple during non-commutation but also suppress the commutation torque ripple at low speed operation by keeping dm BB U rI E D 034+= in the commutation compensation control time ⎪⎪⎭⎫⎝⎛++=m c E rI rI r L t 21ln 00 at low speed operation, i.e.d m U rI E ≤+034.At high speed operation i.e.d m U rI E ≥+034,overlapping commutation is used to keep the turn-on phase constantly on and make the control pulse duty cycle of the turn-off phase 1340-+=dm AA U rI E D in the commutation compensation control time⎪⎪⎭⎫⎝⎛----=0021ln rI E U rI r L t m d c ,which can not only eliminate the torque ripple during noncommutation but also suppress the commutation torque ripple at high speed operation.A simulation is carried out to verify the method.The parameters areN T m r n V U m kg J r mH L L N N 4.0,1600,48,0157.0,66.0,262===⋅=Ω==.In non-full-bridge modulation mode such as H_PWM-L_ON mode, power switches in the upper arms use PWM mode while the others in the lowerarms use constant turn-on mode in 1200 turn-on interval. The simulation waveform of phase current is shown in Fig. 3. It is obvious that a current emerges in the turn-off phase during non-turn-on period and its pulsating frequency is the same as the modulatingfrequency while its amplitude varies with the variation of back emf amplitude, whichproduces a reverse torque.Figure 2 H_ PWM - L_ ON phase current waveform Figure 3 PWM_ON_PWM phase current waveform The simulation waveform of phase current in PWM _ON _PWM mode is shown in Fig.4. It is obvious that no current emerges in the turn-off phase duringnon-turnon period, which reduces the torque ripple during noncommutation compared with other PWM mode.Fig.5 shows the waveforms of the phase current and torque at low speed with PWM pulse duty cycle DA=0.2 without compensation control. Fig. 6 shows thewaveforms of the phase current and torque at low speed with the control pulse duty cycle DBB=0.4 in the turn-on phase within the commutation time tc=0.0013 by a compensation control. The comparison indicates that the torque ripple caused by commutation can be almost eliminated by means of a commutation compensationcontrol at low speed application.It is found from Fig.3 to Fig.8 that using a commutation compensation control in PWM_ON_PWM mode can not only avoid the torque ripple caused by the emerging current in the turn-off phase during noncommutation but also effectively suppress the commutation torque ripple at both low speed and high speed applications.Figure4 phase current and torque waveform during Figure 5 when running at low speed by changing theLow speed running phase current and phase compensation torque waveformFigure 6under the speed of phase current and torque waveform Figure 7high-speed run through the compensation control ofphase current and torque waveformIV. CONCLUSIONSBased on the analysis of commutation process of BLDC motor and the effect by PWM mode on the control system, a commutation compensation control inPWM_ON_PWM mode is worked out, which can not only eliminate torque ripple resulted from the current emerging in the turn-off phase during non-commutation period but also compensate commutation torque ripple. A control system without torque ripple can be realized through the method under both low speed and high speed operation.REFERENCES[1] S. Wang, T. Li, and Z. Wang, “Commutation torque ripple reduction in brushless DC motor drives using a sin gle current sensor,” Electric Machines and Control, vol. 12,pp. 288-293, March. 2008.[2] X. Zhang and Z. Lü, “New BLDCM drive method to smooth the torque,” Power Electronics, vol. 41, pp. 102-104, Feb. 2007.[3] H.J. Song and C. Ick. “Commutation torque r ipple reduction in brushless DC motor drivers using a single DC current sensor,” IEEE Trans. On Power Electr, vol. 19,pp. 312-319, Feb. 2004.[4] G.H. Kim, J. Seog and S.W. Jong, “Analysis of the commutation torque ripple effect for BLDCM fed by HCRPWM-VSI,” Proc. of APEC’92, 1992, pp.277-284. [5] X. Zhang and B. Chen, “The different influences of four PWM modes on commutation torque ripples in brushless DC motor control system,” Electric Machines andControl,vol.7, pp. 87-91, Feb. 2003.[6] D. Chen, Z. Liu and J. Ren et al, « Analysis of effects onBLDCM torque ripple by PWM modes,”. Electrical Drivers, vol.35, pp. 18-20, April 2005.中文翻译用PWM_ON_PWM模式抑制无刷直流电机换相引起的脉动转矩中国武汉海军工程大学电机工程系蒙广伟、雄郝、李怀树编摘要:本文分析了无刷直流电动机采用PWM控制稳定换相的过程,证实了运用PWM模式,在换相时控制非换相相电流有稳定不变的幅度,并进行补偿以消除低速和高速工作下的换相转矩脉动;研究了运用三相六状态的PWM模式120°启动无刷直流电机的方法,并提出基于脉宽调制的PWM模式如何来抑制转矩脉动,PWM 控制不仅可以消除非换相期间由关断电流引起的转矩脉动,还可以补偿换相期间由换相电流引起的转矩脉动。
电动车控制器设计方案(二)2024
电动车控制器设计方案（二）引言概述：电动车控制器是电动车的重要组成部分，它负责对电动车的电动机进行控制和管理，实现车辆的各种功能。
本文将从电动车控制器的功能需求、硬件设计、软件设计、性能优化和安全考虑等五个大点，详细阐述电动车控制器的设计方案。
正文：一、电动车控制器的功能需求1. 控制电机的转速和力矩2. 控制电机的启动和停止3. 实现电机的正反转4. 保护电机和电动车的安全5. 支持多种工作模式切换二、电动车控制器的硬件设计1. 选择合适的电机驱动芯片2. 优化电路设计，提高功率转换效率3. 设计合理的电源管理电路4. 添加故障检测和保护电路5. 选择适当的接口和通信模块三、电动车控制器的软件设计1. 制定控制算法，实现精确控制2. 编写软件代码，实现各项功能3. 设计用户界面，提供友好的操作界面4. 实现数据存储和传输功能5. 进行软件调试和优化四、电动车控制器的性能优化1. 提高控制精度和响应速度2. 降低功耗，延长电池寿命3. 优化电机驱动参数，提高效率4. 增加故障检测和自适应控制功能5. 优化软硬件协同工作，提高整体性能五、电动车控制器的安全考虑1. 设计可靠的电源保护电路2. 设置合理的电机过流、过温保护3. 考虑防止电机反接、过压等情况4. 引入密码和认证机制，防止非法操作5. 进行严格的安全测试和验证总结：本文对电动车控制器的设计方案进行了详细阐述，包括功能需求、硬件设计、软件设计、性能优化和安全考虑等五个大点。
通过合理的设计和优化，可以使电动车控制器具备高效、可靠和安全的特性，实现电动车的优化控制和管理。
基于DSP的直流无刷电机控制器的软件结构设计
基于DSP的直流无刷电机控制器的软件结构设计摘要：直流无刷电机是功率半导体和永磁材料一体化的新型电机，它既具有直流电机优良的调速性能，又具有交流电机结构简单、易于控制、运行效率高、运行可靠、维护方便等一系列优点。
目前，在工业控制领域尤其在调速和伺服领域中得到了越来越广泛的应用。
为了适应这种需要，许多公司开发了控制电机专用的高档单片机和数字信号处理器(DSP)。
现在，通常使用的电机控制器的控制核心部分大都由DSP和大规模可编程逻辑器件组成。
这种方案可以根据不同需要，灵活地设计出性能很好的专用电机控制器。
为此，选用了Freescale公司开发的DSP芯片MC56F8323作为电机控制核心，设计了该直流无刷电机控制器。
关键词：DSP，直流无刷电机，软件设计直流无刷电动机(BLDCM)控制系统是一种新型的调速系统。
该系统具有良好的运行、控制及经济性能，显示出巨大的发展潜力。
本文以无刷直流电动机为控制对象，应用DSP为微处理器进行了无刷直流电动机控制系统的软件设计。
无刷直流电动机控制系统是具有数字化特点的电动机控制系统。
通过数字信号处理器与相关模拟电路的组合，实现对电机控制的数字化处理。
一、直流无刷电机工作原理：直流无刷电机的控制系统主要由永磁无刷直流电机、整流器、逆变器、位置传感器和控制器几部分组成。
相绕组分别与功率MOS管相接．磁极位置传感器跟踪转子与电动机转轴相连接。
无刷直流电动机的工作是通过逆变器功率管按～定的规律导通关断，使电机定子电枢产生按600角度不断前进的磁势，带动电机转子旋转实现的。
逆变器功率管共有6种触发组合状态．每种触发组合状态只有与确定的转子位置相对应。
才能产生最大的平均电磁转矩。
两个磁势向量当其夹角为900时．相互作用力最大。
而电子电枢产生的磁势是以600角度前进，因此在每种触发模式下．转子磁势与定子磁势的夹角在120—600之间变化才能产生最大的平均电磁转矩。
二、直流无刷电机的应用无刷直流电动机在先进国家已大量应用于办公设备、家电业、信息业、军事、手动工具、伺服系统、电动汽车、电瓶车、磁旋浮列车等生产生活的各个领域：(1)无刷直流电机在办公自动化领域的应用。
电动车无刷直流驱动电机的控制系统设计
·29·4电动车无刷直流驱动电机的控制系统设计刘 川 李 波武汉理工大学（430070）Design of Control System on Brushless DC Motor for ElectromobileLiu Chuan Li BoWuhan University of Technology1 无刷直流电机控制原理无刷直流电机的控制原理如图1所示。
逆变器采用120°导通规则，每个管子导通120°电角度，相邻功率管互差60°电角度开通，任一时刻只有两相绕组通电。
摘 要：以无刷电机为驱动电机的电动车控制系统以TMS320F2812 DSP 为控制电路核心，以DSP 采集比较电平及电机霍尔反馈信号，并采用模糊PID 为控制算法，通过软件编程PWM 信号，输出三相六路控制无刷直流电动机。
主要介绍该系统的硬件结构及软件流程，从而提供一个高性能、易操作且性能稳定的电动车无刷直流驱动电机控制器。
关键词：电动车 无刷直流电机 DSP 模糊PIDAbstract: This article introduces brushless motor as the drive motor of electromobile ．This system is taking the TMS320F2812 DSP as the core control circuit ，the fuzzy-PID control method is used in the speed loop ．The controller system can realize the precision control of moving position and velocity ．The hardware and the software flow of the system are presented in detail ． Keywords: Electromobile Brushless DC motor DSP Fuzzy-PID电动车具有零排放、低噪声等优点，而无刷直流电动机以其控制简单、可靠性高、输出转矩大等优点，被广泛地用作电动车驱动电机。
电动车用无刷直流电机模糊自整定控制器设计
图 3 模糊 PID 控制阶跃响应
图 4 kp ki kd 的自整定过程
传统 PID 控制，难以获得好的控制效果，同时 三个参数也不易确定，但采用模糊自整定 PID 控制 器对参数自整定，可以取得良好控制效果。从系统 的响应性能可看出系统具有良好的快速性和稳态精 度，且抗干扰能力强，是一种较好的控制方案。
PS / NS / NB PS / NS / NS ZO / ZO / NS NS / PS / NS NS / PS / ZO NM / PM / PS NM / PM / PS
PM
ZO / ZO / NM ZO / ZO / NS NS / PS / NS NM / PM / NS NM / PM / ZO NM / PB / PS NB / PB / PS
绕组瞬时电流，ω 为电机转子角速度。
在理想情况下，由于任何时刻定子绕组只有两
相导通，则电磁功率又可表示为：
Pe = Np（ eaia + ebib + ecic） = 2iNpEm （ 2）
式中，Em 为每相反电动势，i 为逆变器直流侧电流，
则电磁转矩又可表示为：
Tem = Pe / ωr = 2iNpEm / ω
（ 3）
考虑到定子每相绕组的反电动势正比于转子角
速度，即：
收稿日期： 2011-06-03，修回日期： 2011-11-15 基金项目： 南京工程学院校基金项目（ KXJ08110） ； 江苏省高校自然科学基金项目（ 09KJB460005） 。 作者简介： 方 力（ 1972） ，男，硕士，讲师，研究方向为智能控制。
= ω（ s） /u（ s）
=
KT
（ R' + L'S） （ L + BS）
电动车无刷马达控制器硬件电路详解软件设计详解
电动车无刷马达控制器硬件电路详解/软件设计详解作者:谢渊斌原作发表在《电子报2007年合订本》下册版权保留，转帖请注明出处硬件电路详解电动车无刷电机是目前最普及的电动车用动力源，无刷电机以其相对有刷电机长寿，免维护的特点得到广泛应用，然而由于其使用直流电而无换向用的电刷，其换向控制相对有刷电机要复杂许多，同时由于电动车负载极不稳定，又使用电池作电源，因此控制器自身的保护及对电机，电源的保护均对控制器提出更多要求。
自电动车用无刷电动机问世以来，其控制器发展分两个阶段：第一阶段为使用专用无刷电动机控制芯片为主组成的纯硬件电路控制器，这种电路较为简单，其中控制芯片的代表是摩托罗拉的MC33035,这个不是这里的主题，所以也不作深入介绍。
第二阶段是以MCU为主的控制芯片。
这是这篇文章介绍的重点，在MCR版本的设计中，揉和了模拟、数字、大功率MOSFET驱动等等许多重要应用，结合MCU智能化控制，是一个非常有启迪性的设计。
今以应用最广泛的以PIC16F72为智能控制中心，350W的整机电路为例,整机电路如图1：图1:350W整机电路图整机电路看起来很复杂，我们将其简化成框图再看看：图2:电路框图电路大体上可以分成五部分：一、电源稳压，供应部分；二、信号输入与预处理部分；三、智能信号处理，控制部分；四、驱动控制信号预处理部分；五、功率驱动开关部分。
下面我们先来看看此电路最核心的部分：PIC16F72组成的单片机智能处理、控制部分，因为其他电路都是为其服务或被其控制，弄清楚这部分，其它电路就比较容易明白。
图3:PIC16F72在控制器中的各引脚应用图我们先来简单介绍一下PIC16F72的外部资源：该单片机有28个引脚，去掉电源、复位、振荡器等，共有22个可复用的IO口，其中第13脚是CCP1输出口，可输出最大分辨率达10BIT的可调PWM信号，另有AN0-AN4共5路AD模数转换输入口，可提供检测外部电路的电压，一个外部中断输入脚，可处理突发事件。
无刷电机控制器软件设计经验
无刷电机控制器软件设计经验
林志琦;刘涛;逄林
【期刊名称】《长春师范学院学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2008(027)002
【摘要】无刷直流电机已广泛应用到计算机硬盘、电动自行车等领域,本文以MICROCHIP公司的PIC16F72作为电动自行车无刷电机控制器的软件编程经验为基础,研究了电动自行车无刷电机控制器的单片机控制的程序设计的方法,分析了无刷电机控制器的采样时间确定方法.研究了电动自行车调速的平滑型问题,分析了控制器的PWM分辨率及限流驱动和减小换相噪声的方法;给出了堵转保护和欠压保护的程序设计方法.
【总页数】3页(P36-38)
【作者】林志琦;刘涛;逄林
【作者单位】长春工业大学电气与电子工程学院,吉林长春,130012;长春工业大学电气与电子工程学院,吉林长春,130012;长春工业大学电气与电子工程学院,吉林长春,130012
【正文语种】中文
【中图分类】TP312
【相关文献】
1.无刷直流电动机控制器软件设计经验 [J], 林志琦;刘涛;逢林
2.内置直流无刷电机控制器与模拟电压比较器的微控制器 [J],
3.内置直流无刷电机控制器的8位微控制器 [J],
4.基于STM32的有感直流无刷电机控制器设计 [J], 孙虎;梁伟;赵麒;周骅
5.一款军用永磁直流无刷电机控制器的高可靠性设计 [J], 唐煌生;武院;冯浩;吴玉新;张朝晖;祝恒洋
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电动汽车电机控制器软件设计
目录中文摘要 (1)英文摘要 (2)绪论 (3)1.1本课题的研究背景及意义 (3)1.2 车用电机的主要类型及永磁直流无刷电动机的优势 (4)1.3无刷直流电机的驱动系统 (5)1.4本文的主要工作及内容安排 (5)第二章永磁无刷直流电机的工作原理 (6)2.1无刷直流电机的基本结构 (6)2.1.1 永磁电机本体 (6)2.1.2 电子换向器 (6)2.1.3 传感器 (7)2.2无刷直流电机的数学模型 (7)2.3无刷直流电机的工作原理及控制方法 (9)第三章永磁无刷直流电机控制器的硬件设计 (12)3.1基于CYPRESS CY8C24533芯片的控制器构成及资源配置 (12)3.2 PWM调制过程 (13)3.2.1PWM输出 (13)3.2.2峰值电流保护 (13)3.2.3平均电流保护 (14)3.3 AD转换 (15)第四章永磁无刷直流电机控制器的软件设计 (17)4.1功能需求及软件实现设计 (17)4.2系统主程序结构 (17)4.3定时器相关程序设计 (18)4.4 PWM调制程序设计 (21)4.5AD转换 (21)4.6其他 (23)4.6.1 电机运行函数 (24)4.6.2 霍尔检查程序 (25)4.6.3 MOS管检查 (26)4.6.4 欠压保护 (26)4.7小结 (26)总结 (27)谢辞 (28)参考文献 (28)电动汽车电机控制器软件设计摘要：在目前全球能源危机和温室效应越来越严重的情况下，电动车以其无污染、低噪声、效率高，便于操作等优点，越来越受到人们的青睐。
电动汽车的核心是电动机，电动机中最具优势的是无刷直流电动机，而无刷直流电机的控制是电动机的关键技术。
本课题运用CYPRESS公司的CY8C24533型芯片，在控制器硬件设计的基础上，进行了系统控制软件的设计。
本文首先分析研究了车用电动机的发展动态，阐述了无刷直流电动机的优势所在。
之后针对无刷直流电动机，详细地介绍了它的工作原理、数学模型、驱动性等相关知识。
无刷直流电动机程序的设计说明
无刷直流电动机程序的设计说明无刷直流电动机（BLDC）是一种通过控制器来驱动转子的永磁电机，它具有高效率、高功率密度、高可靠性和低噪音等优点，被广泛应用于工业和消费电子设备中。
本设计说明将详细介绍BLDC电机程序的设计原则、功能模块和实现方法。
一、设计原则1.确定需求：在进行BLDC电机程序的设计之前，需要明确电机的工作特性、效率要求、控制精度和稳定性等需求。
2.选择算法：根据需求和使用场景选择合适的控制算法，常用的算法有基于电流控制的直接转矩控制（DTC）、感应电动机控制（IMC）和速度控制算法等。
3.硬件平台：选择合适的硬件平台实现BLDC电机的控制，包括控制器、电源和传感器等。
4.软件开发：根据硬件平台的特性，选择合适的开发工具和编程语言进行程序开发。
5.调试和测试：进行程序的调试和测试，优化程序性能和控制精度。
6.部署和维护：最终将程序部署到目标平台上，对电机进行稳定长期的运行和维护。
二、功能模块BLDC电机程序主要包括下述功能模块：1.传感器接口模块：负责与传感器进行通信，并读取电机运行过程中的实时参数，如转子位置、转速和电流等。
2. 转子位置估计模块：通过读取传感器的数据来估计转子的位置，可以采用霍尔传感器、编码器或者反电动势（back EMF）等方法进行位置估计。
3.控制算法模块：根据转子的位置和转速，使用相应的控制算法来生成转矩控制信号，控制电机的运行。
4.功率控制模块：根据控制信号，控制功率器件（如MOSFET）的开关状态，实现电机的正反转和转矩调节等功能。
5.保护模块：监测电机运行过程中的电流、温度和电压等参数，当参数异常时，进行相应的保护动作，以防止电机损坏。
6.通信接口模块：与上层控制系统进行通信，接受控制指令和返回电机运行状态等信息。
三、实现方法BLDC电机程序的实现方法如下：1.使用C/C++等高级编程语言编写程序，根据目标硬件平台的特性进行代码的优化和适配。
2.将功能模块划分为不同的函数或模块，使用模块化的方式进行程序开发，提高代码的可读性和可维护性。
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电动车无刷电机控制器软件设计详解ﻫﻫ作者:谢渊斌原作发表在《电子报2007年合订本》下册版权保留，转帖请注明出处ﻫ本文以MICROCHIP 公司所生产的PIC16Ｆ72为基础说明软件编程方面所涉及的要点，此文所涉及的源程序均以PＩC的汇编语言为例。
ﻫ由于软件不可避免需与硬件相结合,所以此文可能出现硬件电路图或示意图。
ﻫﻫ本文适合在单片机编程方面有一定经验的读者，有些基础知识恕不一一介绍。
ﻫ我们先列一下电动车无刷马达控制器的基本要求：功能性要求:1.电子换相ﻫ2.无级调速3.刹车断电4.附加功能ａ.限速b．１＋1助力ﻫc.EBS柔性电磁刹车ﻫd.定速巡航ﻫe．其它功能(消除换相噪音,倒车等) ﻫ安全性要求:ﻫ1.限流驱动2.过流保护ﻫ３.堵转保护3.电池欠压保护ﻫ４.节能和降低温升ﻫ５.附加功能(防盗锁死，温升限制等)ﻫ6.附加故障检测功能ﻫ从上面的要求来看，功能性要求和安全性要求的前三项用专用的无刷马达驱动芯片加上适当的外围电路均不难解决，代表芯片是摩托罗拉的MC33０35，早期的控制器方案均用该集成块解决。
但后来随着竞争加剧，很多厂商都增加了不少附加功能,一些附加功能用硬件来实现就比较困难，所以使用单片机来做控制的控制器迅速取代了硬件电路芯片。
ﻫ但是硬件控制和软件控制有很大的区别，硬件控制的反应速度仅仅受限于逻辑门的开关速度，而软件的运行则需要时间。
要使软件跟得上电机控制的需求，就必须要求软件在最短的时间内能够正确处理换相,电流限制等各种复杂动作,这就涉及到一个对外部信号的采样频率，采样时机,信号的内部处理判断及处理结果的输出，还有一些抗干扰措施等,这些都是软件设计中需要再三仔细考虑的东西。
PIC1６Ｆ７２是一款哈佛结构,精简指令集的MCU，由于其数据总线和指令总线分开，总共３5条单字指令，0-20Ｍ的时钟速度，所以其运算速度和抗干扰性能都非常出色,2K字长的ＦLASH程序空间，２2个可用的IO口,同时又附加了３个定时/计数器,５个8位AD口，1个比较/捕捉/脉宽调制器，８个中断源，这些优异的性能为电动车控制器控制提供了良好的硬件环境和软件基础，一经推出就赢得众多设计人员的热捧。
那么如何使用PIC16Ｆ７2来设计一个电动车控制器呢?我们下面以目前市面流行的硬件设计为基础,尽量通俗易懂地介绍一下程序设计思路和注意点。
ﻫ要使无刷电机转起来,并且听从驾驶者的调速、刹车等基本指挥，最基本的要求就是要实现硬件所能实现的电子换向和调速，刹车等功能。
实际上软件的整体设计也和硬件一样，也是一个模块化堆砌的过程，问题在于模块的合理化堆砌，使堆砌后形成的整体能够坚固，协调、高效率运作。
我们先说一说各种模块功能的简单实现,然后再来讨论如1.首先说说电子何使这些模块协调运转。
ﻫﻫ换相模块我们知道,直流永磁电机在运转时需要一对电刷和与线圈相对应的换向整流子来使线圈中的电流方向根据磁场方向来不断改变,从而转子持续向一个方向运转，我们称这种电机为有刷电机，在电动车刚刚面世时一般均使用这种电机,但有刷电机有一个致命的缺陷,就是用作电刷的碳刷非常容易磨损，换向整流子也非常容易被油污,碳刷碎屑填满空隙而漏电,而且功率越大,这种毛病越严重,导致有刷电机维护量和故障率急剧上升，严重影响其推广,因此在较大功率的场合，无刷电机应运而生。
ﻫ无刷电机,顾名思义就是没有了电刷，不能自动换向，因此要依靠传感器检测转子的位置、用电子开关来改变线圈中电流的方向,所以其控制器要对转子永磁体位置进行精确检测,并用电子开关切换不同绕组通电以获得持续向前的动力。
转子位置检测传感器有很多，比如光传感器,磁感应传感器等,电子开关可以用大功率三极管、功率型场效应管、IGBT等制作,在目前的绝大多数电动车三相无刷电机中均使用三个开关式的霍尔传感器检测永磁体相对于定子线圈的位置，控制器跟据三个霍尔传感器输出的六种不同信号输出相应的控制信号驱动功率型场效应管(MOSFＥT）组成的电子开关向马达供电。
这就是所谓六步换相法。
从电机原理可以看出，这种电机是一种特殊的同步电机，因此换相必须及时,否则会导致电机失步，从而使电机噪音增大,效率降低，严重的还会导致控制器,电机烧毁。
鉴于以上要求,我们先必须测一下市面上普通的无刷马达在最高转速时(考虑到顺风和下坡的情况)的换向情况,这个比较简单,用示波器测量之后得到在最高速时每相霍尔传感器输出的频率大概在14０HZ左右，折合到换向的最小时间，那么应该是1.2mS左右换相一次，根据际的使用效果，软件的反应时间必须在0.12ｍＳ左右,也就是说在检测到换相信号的改变并且输出换相驱动信号时的过程必须在0.1-0．2mS之内完成。
ﻫ另一个需要考虑的是，电机驱动是一个大电流驱动，又是一个电感性负载，控制器在运行时不可避免有干扰引入，因此除了在硬件布局,布线上注意外,软件上也要做相应的抗干扰措施以避免错误的换向动作。
考虑到输入到单片机的换相信号容易受干扰,加上线路上滤波电容的影响,单片机程序在读取换相信号时应至少连续读取3次,以3次信号完全一致时才采用该值作为换相信号的真值,如果其中一次不对,那么干脆就重新再读3次,这就是一个有抗干扰措施的鉴相过程。
取得换相信号后,我们将其与上次读到的值做对比，如果相同,则表示没有换相，如果不同，则要跟据这个值去取得一个相对应的驱动信号，从而驱动电子开关动作。
这个过程可以使用逐项比较法,查表法等来实现。
鉴于查表法比较快捷，一般使用查表法。
其中需要考虑的是，一旦获得的信号与所有的六个信号都不相同,可能表示电机中霍尔元件或者其连接线路出现故障,此时我们应该让电机断电以避免误操作。
市面上有两种电机,即所谓的1２0°和60°霍尔信号，这个角度代表三个霍尔器件输出的三相电信号其相位角相差的角度，其实这里面的区别仅仅是电平的不一样，在马达内部的安装上，位置没什么不同，只是中间一相的相位相反，所以仍然是六种信号对应六种驱动,软件上将表稍作调整即可。
需要提一下的是，在１2０°的霍尔信号中,不可能出现二进制0B000和0Ｂ111的编码,所以在一定程度上避免了因霍尔零件故障而导致的误操作。
因为霍尔元件是开路输出，高电平依靠电路上的上拉电阻提供,一旦霍尔零件断电,霍尔信号输出就是０B111。
一旦霍尔零件短路，霍尔信号输出就是０B000，而６0°的霍尔信号在正常工作时这两种信号均会出现，所以一定程度上影响了软件判断故障的准确率。
目前市面马达已经逐渐舍弃６０°相位的霍尔排列。
ﻫ编程提示:ﻫ在程序上,我们综合考虑单片机的处理速度，采用定时中断去检测相位变化,中断周期采用128μS,中断源可使用TMR0,或者PWM本身的ＴMR2中断。
在同一个中断中,我们还将安排其它更重要的工作,这个在后面的电流控制中再说明。
编程技巧：从硬件电路图中我们看到，位置霍尔信号在PORTC口的RＣ4、RＣ5、RC6三个口输入,以１２0°相位为例，如果直接读出来，对应十六进制值是0Ｘ10-0Ｘ6０,考虑到霍尔出错的可能，那么对应的值是０X００－０X70,显然这个值对今后的查表处理造成非常大的麻烦，我们不可能去弄一个0X70这么大的表格而其中只放仅仅8个元素，所以有必要考虑编程时的优化，且看下面一个例程：读取相位值的例程:ﻫREADHALL:SWＡPF PORTC,Ｗ;将ＰＯRTC的高,低半字节交换后读至WﻫAＮDLＷ0X07 ；屏蔽掉不必要的位，ﻫＭOＶWF HＡＬＬTEMP ;存人暂存器SWＡPＦ PORTC,W ;再次读ﻫANＤLW 0X０7ﻫSUBWF HALＬTEMP，W ；与旧值比较ﻫBTFS Ｓ STATUＳ,ZGOＴO ＲＥADHＡLＬ；如果与第一次读取的不一样,则从头再来ﻫSWAＰＦ POＲTC,W ;第三次读ＡNDＬＷ0X０7ＳUＢWF HAＬLTＥMP,W ;再次比较ﻫＢTＦSS STATＵS,ZGOＴO RＥADHＡLL ;不一样则从头再来RETURN ;三次读取值一致,返回。
这个程序中,最关键是SWＡPF PORＴC，W 这句，这句语句一方面读取了霍尔值，另一方面与下句语句结合还将此值变为0-7的最小值，这样使得我们后面的查表只需要8个空间的元素。
以上程序,也有人认为有可能会导致程序陷入死循环，但不必担心，因为要导致这个程序进入死循环的信号频率必须非常高,有兴趣的读者可计算一下。
ﻫ有了上面的霍尔读取程序,我们下面的查表读取相应驱动值就会变的比较方便，但查表也有很多种，在ＰI Ｃ16Ｆ７2中,查表可以用ＲEＴLＷ在程序空间查，也可以用专用的读取FＬＡＳＨ空间的指令去读，考虑到我们这个表格一共只有８个元素,我们可以将器放在内存寄存器中，利用用FＳR去读取表内容。
这样做有好处,就是查表时不用去考虑查表偏移量造成程序计数器溢出,另一方面是120°和6０°可以使用同一个表格而不用切换。
这个表格，我们可以放在寄存器空间不太方便使用的BAＮK1，在程序初始化时预先写入正确的换向对应值。
这个程序在时间上并不比其它两种查表法显得快多少,而且程序空间也不节省，在这里只是作为一个方法示例，可以让我们看到实现同一个功能可以走不同的路。
ﻫ使用内存查表法的驱动值获取例程:;ﻫHALLSＴART EQＵ0XA1 ;定义霍尔－驱动表格的起始地址在BANＫ１的0XＡ1开始处;ﻫHＡＬL_DRIVER: ；由霍尔值取得对应驱动值的内存查表例程MＯVF ＨＡLLTＥＭＰ,W ;取得HAＬＬ的真值ADDLW HALLSＴＡRT ；加上表格的起始地址ﻫMOVWF FSR ;放到间接读内存的指针中。
ﻫMOＶF INDＦ,W ；读出驱动值ﻫMOVWＦＰORTＢ ;不管返回值如何，先写入驱动端口，SUBＬＷ SＴOP＿D ;与电机停止值相比较, ＢTＦSＣ STＡTＵＳ,ＺﻫGOＴO HALL_EＲR ;如果获得停止电机值,那么表示霍尔信号有问题RETURＮ无级调速模块部分:ﻫ由于使用直流电源，电机的速度得依靠调节加在电机两端的电压来调整,较简单的办法是使用ＰWM脉宽调制来调节加到电机两端的电压。
PWＭ的工作周期根据电机的使用环境,采用６4μS,折算成频率大约15.６2５KHz,频率太低了会产生人耳能明显感觉到的高频噪声，电流也不容易控制;太高了又增加电子开关的开关损耗;PWＭ脉冲的宽度是调节加到电机两端有效电压高低的手段，直接影响到电机的输出功率,我们可以根据手柄输出的电压决定最终应该分配给电机多高的电压。
手柄电压检测比较简单，人对速度的感觉很迟钝，所以手柄的检测不需要很频繁，这个AD检测与电源电压AD等检测均不需要很快的速度，所以每隔10mS-50mＳ轮番检测一次便足够,AＤ的检测在定时中断中做,而结果则放在中断外做,这样不会占用中断太多的时间。