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1、无刷直流电机控制器的设计3.1 无刷直流电机控制器的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领域中获得了广泛应用。在电机转速控制方面，绝大多数场合数字调速系统已取代模拟调速系统。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，但不够灵活。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，它主要完成以下功能：对各种信号进行逻辑综合，以给驱动电路提供各种控制信号；产
2、生PWM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、堵转等故障保护功能。 现代控制技术的发展与微处理器的发展息息相关，可以说，每一次微处理器的进步都推动了控制技术的一次飞跃。在微处理器出现之前，控制器只能由模拟系统构成。由模拟器件构成的控制器只能实现简单的控制，功能单一、升级换代困难，而且由分立器件构成的系统控制精度不高，温度漂移，器件老化严重，使得维护成本增高，限制了它的发展和应用范围。随着微处理器的迅速发展和推广，控制器由模拟式转换成了数模混合式，并进一步发展到全数字式，技术的进步使得许多模拟器件难以实现的功能都可以方便地用
3、软件实现，使系统的可靠性和智能化水平大大提高。在电机转速控制方面，绝大多数场合数字调速系统已取代模拟调速系统。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，但不够灵活。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910。 控制器是电动自行车的驱动系统，它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电机控制器主要采用专用集成电路为主控芯片，像MO
4、TOLORA公司研制的专用集成电路MC33035， 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。 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TMS320C2xx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
5、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。采用单片机为主控芯片，如MSSl系列、AVRxx系列、PICxx系列等等，这类芯片响应速度快、功耗低、体积小、价格低廉且组成系统时所需的外围器件少等特点3。它们将是未来电动自行车无刷电机控制器主控芯片的发展方向，拥有广阔的市场前景。 PIC系列单片机是采用精简指令集RISC技术、哈佛双总线和两级指令流水线结构的高性能价格比的8位嵌入式控制器(Embedded Controller)。本文研究的电动自行车车用的无刷直流电机控制器系统是以选取Microchip公司的一款具有极高性能价格比的PIC系列单片机PICl6F72做为主控芯
6、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，通常将此类控制器称为数字式控制器；并且采用速度、电流双闭环控制策略，增强系统抗干扰能力，提高电机的运行效率，同时加入一些保护功能，如欠压保护、过电流保护、堵转保护等等，使系统设计更合理化、人性化。系统采用软件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。 第三章 无刷直流电机控制器硬件设计3.1 单片机的选择目前，市场上有很多的无刷电机专用控制芯片，但大部分电动自行车生产厂商都采用Motorola公司的MC33035
7、无刷电机专用控制芯片，它具有无刷直流电机控制系统所需要的基本功能。本论文设计的无刷直流电机控制器采用PIC16F72单片机作为控制器的主控芯片，不仅可以实现专用控制芯片MC33035的全部功能，而且也容易实现系统的扩展，通过硬件设计与软件设计，实现多功能的电机控制。单片机选择的原则有：性能性能因素：根据设计任务的复杂程度，分析采用8位的单片机可以满足系统的控制精度的要求。但由于整个控制系统有多种模拟量需要转换成数字量，因此所选的单片机应该具有多通道A/D转换模块。在无刷直流电机的控制中，脉宽调制PWM ( PulseWidth Modulation)技术被广泛应用，因此所选的单片机应该具有脉宽
8、调制PWM模块。PWM模块可用来产生不同频率和占空比的脉冲信号。可方便实现DA输出功能和实现直流电机的调速等功能。安全因素：电子产品的安全性是一个非常重要的环节，作为控制系统的核心部分，单片机的安全性必须达到控制系统的要求。产品价格因素：这也是一个很重要的因素，在其它条件相当的情况下，当然选择价格低的产品，这样可以提高性价比。所以，根据上述原则对单片机进行选择，选择出最能适用于你的应用系统的单片机，从而保证应用系统有最高的可靠性、最优的性价比、最长的使用寿命和最好的升级换代性，还有市场的推广性。运行速度：单片机的运行速度首先看时钟频率，指令集，几个时钟为一个机器周期在选用单片机时要根据需要选择
9、速度，不要片面追求高速度，单片机的稳定性、抗干扰性等参数基本上是跟速度成反比的，另外速度快功耗也大。IO口：IO 口的数量和功能是选用单片机时首先要考虑的问题之一，根据实际需要确定数量，IO多余不仅芯片的体积增大，也增加了成本。定时计数器：多数单片机提供23个定时计数器，有些定时计数器还具有输入捕获、输出比较和PWM(脉冲宽度调制)功能，利用这些模块不仅可以简化软件设计，而且能少占用 CPU 的资源。串行接口：单片机常见的串行接口有：标准UART接口、增强型UART接口、I2C总线接口、CAN总线接口、SPI接口、USB接口等。大部分单片机都提供了UART接口，也有部分单片机没有串行接口。工作
10、电压、功耗：单片机的工作电压最低可以达到1.8V，最高为6V，常见的是3V和5V单片机的功耗参数主要是指正常模式、空闲模式、掉电模式下的工作电流，用电池供电的系统要选用电流小的产品，同时要考虑是否要用到单片机的掉电模式，如果要用的话必须选择有相应功能的单片机。其他方面：在单片机的性能上还有很多要考虑的因素，比如中断源的数量和优先级、工作温度范围、有没有低电压检测功能、单片机内部有无时钟振荡器、有无上电复位功能等等。3.3.1 PIC单片机特点：1.PIC单片机（Peripheral Interface Controller）是一种用来开发和控制外围设备的集成电路。一种具有分散作用（多任务）功能
11、的CPU。是美国Microchip公司生产的产品。PIC单片机以其独特的硬件系统和指令系统的设计，逐渐被广大工程设计人员接受。PIC系列单片机具有高，中，低3个档次，可以满足不同用户开发的需求，适合在各个领域中的应用。PIC系列单片机具有如下特点: PIC单片机是MICROCHIP公司的产品，其突出的特点是体积小，功耗低，精简指令集 ，抗干扰性好，可靠性高，有较强的模拟接口，代码保密性好。在一些小型的应用中，比传统的51单片机更加灵活，外围电路更少，因而得到了广泛的应用。指令少，PIC中低档系列单片机共有35条指令，非常有利于易记忆和掌握,指令为单字节，占用程序存储器的空间小，而且中档系列单片
12、机每一条指令为14位，前6位存操作指令，后8位存操作数. 大部分芯片有其兼容的FLASH程序存储器的芯片，支持低电压擦写,擦写速度快，允许多次擦写，程序修改方便。(1)单片机种类丰富PIC单片机目前有8位系列、16位系列和32位系列。它的最大特点是重视产品的性能和价格比，靠发展多种系列产品来满足不同层次的应用要求，而不是搞单纯的功能堆积。(2) 哈佛总线结构如图3-4所示，PIC系列单片机在普林斯顿体系结构和哈佛体系结构的基础上采用的哈佛总线结构，将程序存储器和数据存储器分开，使得读程序和对数据的存取可以同时进行，为采用不同的字节宽度，有效扩展指令的字长奠定了技术基础。，每个存储器独立编址、独
13、立访问。与两个存储器相对应的是系统的4条总线：程序的数据总线与地址总线，数据的数据总线与地址总线。这种分离的程序总线和数据总线可允许在一个机器周期内同时获得指令字和操作数，从而提高了执行速度，提高了数据的吞吐率。又由于程序和数据存储在两个分开的物理空间中，因此取址和执行能完全重叠。中央处理器首先到程序指令存储器中读取程序指令内容，解码后得到数据地址，再到相应的数据存储器中读取数据，并进行下一步的操作。程序指令存储和数据存储分开，可以使指令和数据有不同的数据宽度。并且程序存储器和数据存储器采用的是不同的总线，从而提供了较大的存储器带宽，使数据的移动和交换更加方便，尤其提供了较高的数字信号处理性能
14、。图3-4 PIC系列单片机哈佛总线结构(3) RISC技术RISC (Reduced Instruction Set Computer)是指精简指令集计算机。主要特点有：性能特点：由于指令集简化后，流水线以及常用指令均可用硬件执行； 采用大量的寄存器，使大部分指令操作都在寄存器之间进行，提高了处理速度； 采用缓存主机外存三级存储结构，使取数与存数指令分开执行，使处理器可以完成尽可能多的工作，且不因从存储器存取信息而放慢处理速度。 应用特点：由于RISC处理器指令简单、采用硬布线控制逻辑、处理能力强、速度快；运行特点： RISC芯片的工作频率一般在400MHZ数量级。时钟频率低，功率消耗少，温
15、升也少，机器不易发生故障和老化，提高了系统的可靠性。RISC技术的作用是减少指令，改善计算机的结构，提高计算机的运算速度。PIC16F72单片机指令集系统有35条指令，均采用单字节指令，而且除4条判断转移指令发生间跳外，其余的都是单周期指令，执行的速度较高。 (4)指令特色 PIC系列单片机的指令系统具有代码压缩率高和寻址方式简单等优点。(5)功耗低 由于PIC系列单片机采用的是CMOS结构，所以它的功率消耗很低。(6)驱动能力强 PIC单片机的I/O端口驱动负载的能力较强，每个输出引脚可以驱动20-25mA的负载；它既能够在高电平下直接驱动发光二极管LED、光电耦合器、小型继电器等，也能在低电平下直接驱动，这样可以大大简化控制电路。 (7)应用平台界面友好，开发方便它的应用平台界面友好，开发方便，这不管是对初学者还是后续的应用开发，都提供了完善的硬件和软件支持，包括各档次的硬件仿真器和编程器。(8)程序存储器版本齐全Microchip公司生产的产品是一个单片机系列，可供用户选择的存储器类别较多，为产品的不同应用场合提供了一个全方位的选择内容和不同的性能档次。3.1.2 PIC16F72单片机的主要性能PICl6F72单片机是目前电瓶车控制器的主流控制芯片。对PIC16F72单片机的外部资源：它的频率有20MHz，其中有2K字14位宽的程序存储空间，伴随着128字节
