摘要：提出了一種基于PIcl6丌2的電動自行車用無刷直流電動機控制器設計方案，在滿足成本、體積要求的前提下，具有比較完備的驅動、保護和報警功能，性能價格比較高。結合電機進行了各種性能試驗，試驗結果驗證了設計是合理的，具有較好的實用價值。
考慮到我國目前的國情，發(fā)展電動車具有極高的市場價值和重要的環(huán)保意義。而永磁體的可靠性、日益降低的成本及半導體工藝技術的提升，使永磁電機成為眾多工業(yè)產(chǎn)品應用的****。無刷直流電動機具有效率高、功率因數(shù)高、轉矩大、控制簡單、維護費用低等特點，被廣泛用作電動自行車的驅動電機。但考慮到電動自行車是民用產(chǎn)品，驅動與控制系統(tǒng)的可靠性與低成本是系統(tǒng)設計的關鍵問題。
本文主要研究電動自行車用無刷直流電動機的控制器設計問題，目標是在滿足系統(tǒng)對動態(tài)性能和保護性能要求的前提下，開發(fā)出主控芯片功能完備、硬件電路結構簡單、總體成本具有價格優(yōu)勢的電動自行車驅動控制器。為此，設計方案中采用Micr0一chip公司的PIcl6F72單片機作為核心控制芯片，采用高性能集成驅動芯片IR2103驅動MOsFET組成全橋逆變電路。完成了驅動控制器的軟硬件設計，并通過帶負載調速及檢測報警功能的試驗，驗證了設計方案的合理性和工程實用性。
主電路由蓄電池供電，作為逆變橋的母線電壓。逆
變橋出6個MOsFET驅動永磁同步電機。其觸發(fā)信號由單片機給出，再經(jīng)過專用驅動芯片提供：其中各類故障報警信號由閃爍頻率不同的光信號顯示，用戶可根據(jù)閃燈頻率判斷故障發(fā)生原因并及時進行處理。
根據(jù)要求，本系統(tǒng)所設置的功能為：
(1)平穩(wěn)起停。暫設電機的****轉速為400r／mm 0(2)平滑調速。具有電機轉速閉環(huán)系統(tǒng)，負載變化時進行PI凋節(jié)。
(3)定速巡航。若想讓轉速維持在某一特定值不發(fā)生變化，防止系統(tǒng)調節(jié)頻繁，則通過程序判斷，若手柄電壓固定在某一值附近超過8 s，則認為起動定速巡航，此時即使手柄歸位，速度仍維持不變，當手柄電壓再次升高時，退出巡航狀態(tài)。
(4)完善了各種保護措施，主要有：
(a)過壓及欠壓保護。系統(tǒng)供電電壓48 V，當檢測到電壓超過60 V時或低于46 V則實行保護，PwM輸出全低狀態(tài)。
(b)過流保護。有效保證了電機和控制器的可靠運行，并有效遏制電池放電過大。
(c)手柄電壓超限保護。按5 V供電，動作點1．2～4 v。超出范圍則分別維持****轉速或****轉速。另外附加掉線及短路保護，若手柄電壓高于4 7 v或低于0 3 v，則認為發(fā)生手柄線路掉線或短路，此時驅動電路無輸出信號，同時報警。
(d)電機霍爾信號保護?如果檢測到霍爾信號掉線，即三路信號輸入全低的情況出現(xiàn)，則停車保護，同時報警。
(e)堵轉保護。電機堵轉超過3 s，則單片機停止輸出，有效保護電機和電池。
(f)溫度過高保護：當功率電路散熱器溫度達到75℃時脈寬減小50％并告警，且每上升10℃降低lO％脈寬，超過95℃時，停車保護。
(g)防沖車保護(HPD保護)。需起動電機時，如果手柄被卡住或因其他原因未歸位到初始位置，電機不起動。當調速手柄回到接近初始位置時再起動。
(h)重載起動防抖。在電機起動后校對霍爾值，如果正確則變量加，如果霍爾變化連續(xù)三次正確，則認為電機已起動，反之，則認為重載電機無法正常起動，需檢查負載情況。
2驅動電路硬件設計
本設計中采用了MicmchiP公司的PIcl6F72可編程單片機，通過軟件調試可適應不同規(guī)格的無刷直流電動機參數(shù)。選用該芯片的主要優(yōu)勢有：
(1)在價格方面，8位單片機即可滿足系統(tǒng)控制的精度要求，PIcl6F72單片成本及開發(fā)系統(tǒng)具有較高的性價比。
(2)在性能方面，由于整個系統(tǒng)有多種模擬參數(shù)需要轉化為數(shù)字量，因此選用的單片機需具備多通道A／D轉化模塊，并且應具有至少一路PwM輸出口。中低端的PIcl6F72具有1個集捕獲、比較、脈寬調制三項功能于一身的ccP模塊(capELr／c。mare／PwM Module)，8位多通道的A／D轉換器，電源電壓低偵測、電路掉電復位等功能，可以將多種模擬參數(shù)轉化為數(shù)字量，實現(xiàn)脈寬調制PwM(Pulsew·d出Modulation)。同時在安全因素上，作為控制系統(tǒng)的核心，PIc單片機的可靠性也可達到系統(tǒng)規(guī)定。
硬件核心部分設計如下：手柄給定電壓范圍為0～5 v，由PIc單片機AN2通道采樣。電機的霍爾信號分別輸入到單片機B口的三位RB4、RB5、RB6。由于PIc單片機B口高位具有電平變化中斷的功能，當霍爾信號發(fā)生變化時引發(fā)中斷進入換相子程序。觸發(fā)信號由單片機c口輸出，六路信號由單片機分別控制，互不影響。采用高性能專用驅動芯片IR2103對PIcl6F72信號的驅動電流進行放大，然后直接驅動IRF540N。
另外，通過軟硬件結合的方式，在負載變化時對電機實現(xiàn)了速度PI閉環(huán)調節(jié)。PIcl6F72的基本電路如圖3所示：
3控制系統(tǒng)軟件設計
結合硬件電路和電動車的實際需求特性，編制了無刷直流電動機的驅動與系統(tǒng)控制程序，用以完成電機的基本運行、閉環(huán)調速，以及防沖車、過壓欠壓、過流、溫控、手柄超限、霍爾斷線、手柄故障報警等各種保護功能。信號采樣及AD轉換子程序流程圖如圖4所示，PwM輸出程序流程圖如圖5所示.
4試驗結果及分析
根據(jù)上述設計完成的控制器樣機如圖6所示，
試驗中的電池電壓為36 V：功率部分的場效應管驅動方式為單極性單邊PwM調制，上橋臂為PwM控制狀態(tài)，下橋臂導通期間為常開狀態(tài)。圖7為某一轉速下A橋驅動芯片的2路輸人信號經(jīng)過IR2103的轉化后，輸出控制A橋上下MOsFET的柵極導通信號。
額定工作狀態(tài)下電機繞組的電流波形如圖8所示，電機電流頻率45 45 Hz，電機轉速150 r/min，電流有效值1 3 A。圖9為手柄電壓過低時，控制系統(tǒng)RB7端口的電平情況，此時LED閃爍報警，閃爍信號頻率5 Hz，閃爍延時0．8 s。
5結語
本文研究了基于PIcl6F72單片機的電動車用無刷直流電動機控制器，進行了系統(tǒng)的軟硬件設計，研制了樣機系統(tǒng)，并進行了特性測試和保護功能測試。該控制器結構簡單，外部器件少，關鍵功能通過軟件編程來實現(xiàn)，可以針對不同的控制對象采用不同的控制算法“，具有很好的靈活性和適應性。試驗結果表明，該控制器在車速控制性能、行駛保護功能、運行可靠性、維護的便利性等方面都有良好的性能，而且性能價格比優(yōu)良，是民用電動車無刷直流電動機驅動控制器的一個較好的解決方案，具
