2022年直流无刷电机电动自行车控制器的硬件设计 .pdf

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1、直流无刷电机电动自行车控制器的硬件设计摘要：电控系统是电动自行车的核心部件，其控制器的性能是决定电动自行车稳定可靠运行的重要因素。本文主要对于直流无刷电机电动自行车控制器的硬件设计相关技术进行分析，对于今后电动车控制系统设计具有一定帮助。关键词： 直流无刷电机控制器，电源转换，硬件设计，电路设计电动自行车控制器的硬件部分分成以下部分1,2：电源部分是利用控制器的电源VSS 经过电压转换产生 +5V和+15V，分别供给单片机及其外围部分和IOR2103功率驱动部分，VSS 提供MOSFET 管的电源输入；欠压检测部分把VSS 通过电阻分压送入单片机与设定电压比较来判断电源是否欠压； 换相电路通过

2、74HC08 与非门产生跟电机相位序列一致的控制序列，经过霍尔传感器利用反电势原理的位置信号，把该信号的状态与电机的固定序列进行比较判断换相的正确性； MOSFET驱动电路由 IOR2103把上管和下管控制信号进行放大，从而来驱动大功率管。1 芯片选型设计硬件前有许多准备工作需要做，他们是硬件设计的基础主要有芯片选型芯片选型。在电动自行车无刷电机控制器这样一个应用场合来说，根据对控制器的要求有多种数据处理芯片可供选择。若控制方法复杂、运算量较大，精度性能要求较高，可以选用OSP 高性能芯片船 1。若运算量较小，速度要求不特别高，主要运算为逻辑运算，而且输出I O 口较多，则应用单片机设计较好。

3、单片机的好处是自带I O接口、 PWM 模块、捕捉比较功能、外中断、内部定时器甚至通讯、自编程等功能方便实现用户功能的同时大大减少外围电路、降低成本和可靠性。目前市场上单片机种类型号非常多，多家公司在生产，各有所长。 这其中， MICROCHIP 公司的 PIC系列单片机型号尤其丰富，内部功能模块配置多样、齐全，12位、14位、16位及 32位( 按指令长短区分) 一应俱全， 以适应市场细分化的趋势而取得销售份额的增长。所以，此次研究的控制器，采用PIC单片机。根据直流无刷无位置传感器电动自行车设计方案的要求，选用 PICl6F72 单片机作为主控芯片。 PIC16F72单片机主要性能特点可归

4、纳如下：1、简指令集，仅有37条指令。 2、执行速度快： 20Mhz 的振荡时钟，200ns的指令周期。3、低功耗 SLEEP 方式。 4、工作电压范围宽：3.06.0V 。5、较大的输入输出直接驱动LED 能力，灌入电流可达25mA 。6、具有 2K的EPROM，可以满足普通的系统软件的容量要求。7、具有 3个8位定时器和 2个 PWM输出。2 控制器电源部分电路的设计控制器的电源VSS 是36V或48V，它不能直接给单片机和一些集成电路供电，必须将它转换为符合量程的电压。因此需要把它转换成5V和15V，5V给单片机和除 IOR2103外的集成电路供电， 15V给 IOR2103供电， 36

5、V或48V给大功率的 MOSFET 管供电。因为 VSS 的电压较高，不能直接把它接入7815电源芯片，必须在中间接入限流电阻，限流电阻的功率因VSS 的电压不同而不同，VSS 的电压高， 限流电阻的功率要大，VSS 的电压低，限流电阻的功率就要小，这样才能既不损坏电源芯片，又能满足驱动能力的要求。考虑到将来对控制器的排故和电流的带载能力问题，需要将电源的5V单独对集成电路和外围部分电路供电。由于电源 VSS 的电压有可能存在不稳定的情况，因此在电源7815电压输入端加上两只稳名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师

6、精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 3 页 - - - - - - - - - 压二极管，确保在电源电压瞬间跳变是不影响控制器的正常工作。从15V输出分成两路，一路驱动两只 78L05，产生 5V的电压，因为他能够提供的电流是另一路的两倍，它给集成电路提供电源， 这样做的优点是可以防止单片机等集成电路因电流不强而发热。另一路用来做转把、霍尔的输入电源和给放大器提供基准电压。3 控制器转把输入部分电路的设计电动自行车的在行驶过程中，并不是以恒定的速度进行，有时需要加快速度，有时需要减慢速度， 因此调速是电动自行车不可缺少的一个功能。电动自行车的调速常常是在手柄上安装一个光耦可调

7、电阻，由手动实现的；在实验中用的是可调电阻。K 点的电压 UK 值将随着可调电阻的位置变化而变化，向上调，UK 值增大；向下调，UK 减小。单片机将UK 值采样后经AD转换后送到 PWM 波占空比寄存器来决定PWM 波占空比。PICl6F72 单片机有 8个 8位AD接口， 这里只使用一个端口RA 。作为速度采样端口， PWM的输出周期是由定时器2的周期寄存器 PR2 的设置决定的，同时，也与器件频率和定时器2的预分频值有关。4 控制器驱动部分电路的设计由于 PICl6F72 单片机使用的电源电压是VSS ， 其 I/O 端口输出输入的电压电流相对来说比较小，不能直接驱动功率器件MOSFES，

8、 因此需要根据 PICl6F72 单片机的特点设计出驱动电路。单片机 PICl8 的信号作为上管驱动，单片机经过 74HC08 的信号 P2作为下管， 分别输入 IOR2103中去，通过 IOR2103把I O端口的电流放大作为上管和下管驱动两部分。因为它本身具备非门的功能， 所以它不会被电机在工作时产生的反电动势损坏，同时也确保其他元器件受到较好的保护。电路同为低电平或同为高电平，功率管 MOSFET导通， 则此时， 有可能出现上下桥臂中的功率管 MOSFET( 即V1-V4或V3-V6或V2-V5) 同时导通，这样使电源的正负极直通，电流很大，烧坏功率器件 ( 在实验中遇到这种情况) 。因

9、此在设计上下桥臂的驱动电路时，需要注意让上桥臂中 P点为低 ( 高 )电平时，功率管MOSFET 导通，为高 ( 低) 电平时，功率管MOSFET关断；而在下半桥臂中则要让P点为高 ( 低) 电平时，功率管MOSFET 导通，为低 ( 高) 电平时，功率管MOSFET 关断， 以避免出现电源短时的直通，烧坏功率器件现象。在直流无刷电机驱动主电路中，电机换向时功率管MOSFET突然关断，某一相的电流突变为0。5 MOSFET的保护电路的设计开关器件主要的功耗在于关断时，由于其漏极所接变压器原边电感的作用，器件瞬间承受较大电压， 使其关断时间减缓，功率损耗增大。 加入缓冲电路后，开关关断、 电压上

10、升时，缓冲电容吸收电荷，延缓了开关器件漏一源电压的上升，从而一方面保护了器件，另一方面降低了器件的功耗。这种方法简单、 原理明确、实用可靠，但是电容缓冲的能量通过旁路电阻释放，所以不能降低总的功耗。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 3 页 - - - - - - - - - 6 欠压保护的电路设计欠电压保护电路对集成PWM 控制器的电源实施监控。监控信号由由电源经过两个分压电阻分压产生， 经PICl6F72 单片机内部 AD转换后得到数字信号。把得到的数字量

11、与程序中设定的数字进行比较后证实电源电压是否欠压，若欠压则封锁PWM 信号的输出。当电路初上电时，电源电压低于启动电压( 典型值为 33V)，欠电压保护电路封锁PWM 信号的输出。 只有当电源电压大于启动电压后，经过一次软启动过程，内部电路才开始工作，输出端将有PWM 信号输出。 当电源电压低于保护电压( 典型值 30V)时，PWM 输出被封锁，控制器停止工作。只有当电源电压再次大于启动电压后，重新经过一次软启动过程，才能恢复PWM信号输出。7 换相部分电路设计电机在转动的过程中，通过霍尔传感器检测位置信号，利用反电势原理把A、B、C三处的信号转换为 +5V和OV 。把该信号与单片机的PIC2

12、6、PIC27和PIC28管脚相连， 并设置成输入状态，当反电势过零时引起霍尔信号发生电平变化，从而引起单片机的中断来与该电机的位置序列发生比较，若序列一致则说明电机转动正常，否则则说明电机不转或者缺相。单片机的 P1， P3和P5分别和驱动电路上桥臂的三路相连，经过IOR2103驱动控制上桥臂的三路功率开关器件开或关；P2、 P4和P6分别和驱动电路下桥臂的三路相连，经过IOR2103驱动电路控制下桥臂的三路功率开关器件开或关。直流无刷电动机的端电压检测电路的三相端电压信号 A,B，C中含有的高频信号及外界干扰，必须经过滤波电路以滤掉高频信号及外界干扰， 否则会干扰比较器的正常工作：由于电动

13、自行车用直流无刷电动机的速度较低，频率也较低，因此使用电容C就可以让低频段的信号通过，抑制高频段的信号。8 结语本文较好地解决了影响电动自行车直流无刷电机控制器性能的主要技术问题，其中的研究工作为控制器的可靠性、稳定性和运行性能的进一步提高进行了有益的探索。参考文献：1 佟国香 , 周亦敏 , 温田学 , 等. 基于 pd78F9222的无刷电机控制系统的实现J. 仪器仪表学报 , 2005,26(8). 2 林文彬 . 保捷来电动自行车控制电路原理与维修J. 家庭电子 , 2003,(10). 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 3 页 - - - - - - - - -