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1、黄 冈 师 学 院本 科 生 毕 业 论 文题 目：单片机控制的无刷直流电机驱动系统设计专业年级：电子信息科学与技术（2005级）学 号：9学生： 青 指导 雷学堂 论文完成日期 2009年 05 月 / 目录摘要1ABSTRACT21. 概论31.1 无刷直流电机的现状31.2 电动自行车介绍与发展前景41.3 本设计的主要工作62. 无刷电机控制系统分析62.1 三相无刷直流电机星形连接全桥驱动原理62.2 直流电动机的PWM调速原理93. 无刷直流电机控制器硬件设计93.1 硬件组成103.2 三相全桥逆变电路和驱动电路103.3 速度控制电路143.4 其他144. 系统软件设计154
2、.1 概述154.2 主程序164.3 中断204.4 AD转换214.5 PWM(脉冲宽度调制)234.6 位置信号和驱动信号的对应关系234.7 数字PI速度调节245. 系统调制与实验结论275.1 系统硬件调试275.2 系统软件调试285.3 实验结论与建议29结论30参考文献31致32单片机控制的无刷直流电机驱动系统设计专业：电科 _200502 青 指导雷学堂摘要本课题是讲述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
3、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Microchip公司的PIC16F72单片机作为控制芯片，在硬件方面，进行了电源电路设计、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。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。利用数字PI控制理论实现电机速度的闭环调制。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
4、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The Design of TheBrushless DC MotorControlSystemSpeciality : dianke class:0502 Author: liqing Tuor:leixuetangAbstractThisthesisis part of theprojectnamed thecontrolleroftheBrushlessDCMotorforelectric-bike. ThecontrolsystemconsistsofBrushlessDC
5、Motor,controllingpart,sensorpart, hardwareandsoftwarecontrollingpart.With its unique advantages of high efficiency, high reliability, goodcontrol ability andmaintenance-free,it is widelyusedin manyfields.Todevelopth electric-bikewillbe helpfulto solve the pollution problem caused by the waste gas fr
6、om the gasoline-automobiles andenergy sourcesproblems.The task is to design a Brushless DC Motor (BLDCM) controlsystem forelectric-bike.Accordingto theproject,PIC16F72M CUproducedbyMicrochipCompanyhasbeenselected.Thedesignofhardwareincludingpower circuit, hardware protection circuit, electroniccommu
7、tatecircuithavebeencarriedout. Thesoftwarewasdesignedfollowingtheprincipleofmodularizationandstructuredprogrammingandusingassemblyastheprogrammelanguages.TypicalPI controls theory is usedto controlthespeed. Less voltage protection, current excessive protection and wrong angleprotectionaredesignedto
8、reinforcethesystem.Also,factorsthataffectthereliability ofthesystem arediscussedin thispaper,andsomemethodsareintroducedsoonafter.Thiscont rollerrealizesthreeworkmodes-electromotion,stationaryspeedandassistingworkmode.Anotherself-testmode,whichworksundererror,is alsodesigned.Thiskindofbrushless DC m
9、otor control system is superior in many fields such as high reliability,simplehardwarestructure,lowcost,andconvenientforthefurtherdevelopment.Key WordsElectric bike, Brushless DC Motor, PIC,Control System1. 概论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
10、其发展和应用围。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，出现了磁电祸合式、光电式与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。8
11、0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
12、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。美国福特公司率先把无刷直流电机应用于汽车20世纪80年代以来，随着微机控制技术的快速发展，出现了各种称为无位置传感器控制技术的方法，是当代无刷直流电机控制研究的热点之一。各国知名半导体公司如Allegro,Philips,MicroLinear,To shiba等，先后推出了许多无刷直流电机无传感器控制集成电路。2004年12月我国电机制造业共1167家生产企业，全部从业人员388282人，资产972亿。我国生产的微特电机己经占世界60%以上，目前是全球最大的永磁体(生产无
13、无刷直流电机控制系统设计刷电机的主要原材料)生产供应基地，中国还将会成为全球最大的无刷电机生产国。随着汽车工业的快速发展，车用小功率电机的需求增长带动了以永磁无刷直流电机为主体的车用小功率电机的兴起，我国正在成为世界电动汽车制造业的主要供应商。1.2 电动自行车介绍与发展前景1.2.1 电动自行车概况电动自行车一般分为两类，一种是零启动电动自行车，一般称为电动自行车，这种电动自行车尽管有脚踏骑行功能但可以完全靠电动骑行。还有一种智能型电动自行车，这种智能型电动自行车不能完全电动骑行，是需要人力骑行的助力电动自行车，一般为一比一助力即人机对等出力。不过现在有些电动车控制器将这两种功能综合在一起，
14、通过功能选择按键可以选择相应的骑行模式。据助力车专业委员会不完全统计，全国电动自行车的销售量1998年为5.4万辆，1999年为14万辆，2000年为29万辆，2001年电动自行车的实际销量已超过58万辆，2004年更高达400多万辆，今年则可望达到500万辆，主要销售在浙沪、一带，在鼓励电动自行车的，电动自行车拥有量已达120万辆，其中2005年共销售电动自行车40万辆。专家预计，到2008年我国电动自行车年销量可突破1000万辆，电动自行车制造业已进入高速发展时期。 据中国自行车协会统计，目前全国电动自行车保有量已超过1000万辆。目前全国自行车的保有量在4亿辆左右，以10被电动自行车替代
15、，每辆电动自行车20003000元计算，这个市场将达到1000亿元左右。千亿元的大蛋糕让人心动，全国已经在自行车的发展基地上自然形成了三大电动自行车板块：以为首的、板块，以为首的江浙板块以与以为首的板块，三足鼎立。中国自行车协会理事长王凤和指出，作为绿色环保产品，电动自行车的发展全国不平衡，其中江浙沪地区占了总额的80，以旅游城市为例，2003年电动自行车保有量为40万辆，而自行车为100万辆，已经占到40。国外的电动车业近年来也得到了快速的发展。从全球市场上看，日本雅马哈、本田、三洋、松下等知名公司纷纷进入电动自行车行业，而且日益扩大生产规模；德国、英国、奥地利、意大利、美国等国著名的自行车厂商和公司，也不断加入电动自行车的开发、生产和销售，电动自行车的销售也呈逐年上升趋势。据资料介绍，全球电动自行车数量，在过去6年中，从3.6万辆剧增到50万辆。这样说来，电动车作为暂时的替代品或最终的交通、休闲用具，市场前景都不可限量。1.2.2 发展前景电机是电动自行车的关键部件。为使电动自行车有良好的使用性能，驱动电机应具有宽调速围、高转速和足够大的起动转矩。此外，由于电动自行车的驱动电机是车载形式运行的，这要求电机体积小、重量轻、效率高、且具有良
