电动自行车用智能型无刷直流电机驱动器

中图分类号:TM361　　　文献标识码:A　　　文章编号:1001-6848(2006)02-0097-03

电动自行车用智能型无刷直流电机驱动器

董学明,范承志

(浙江大学,杭州　310027)

摘　要:该文介绍了一种基于嵌入式单片机的智能型电动自行车用无刷直流盘式电机驱动器。控制器以PIC16F73单片机为核心,通过A/D输入和开关量输入,对各种信号进行检测,根据控制模式产生PWM斩波信号。控制器可实现匀速起动、开关方式或恒流方式过流保护,具有电池欠压保护、超速提示报警等功能,与传统的专用控制芯片机比,控制的灵活性、安全性和舒适性有了很大的提高。关键词:直流无刷电机;驱动器;单片机

IntelligentDriveSystemoftheBrushlessDCMotorBasedonPIC16F73MCU

DONGXue-ming,FANCheng-zhi

(ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,Chian)

ABSTRACT:ThispaperpresentsanintelligentdrivesystemofthebrushlessDCmotorbasedonMCUandusedinelectricbicycle.TheMCUPIC16F73measuresallkindsofsignal,thenoutputsPWMwaveaccordingtothecontrolmode.Thecontrolsystemhasthefunctionstoprotectthemotorandthestoragebattery;alsoitcangiveanalarmwhentheelectronicbicycleexceedsthemaximumspeed.Comparedwithconventionaldrivesystemmadebyspecialcontrolchip,thisonehasbetterperformanceanditcanbeoperatedconveniently.KEYWORDS:BrushlessDCmotor;Driver;MCU

0　引　言

电动自行车市场具有很大的潜力。轮毂式无刷直流电动机是电动自行车的核心部件。无刷直流电机的驱动一般采用专用芯片来完成。安放在电机中的霍尔传感器把换相信号送入控制芯片中,控制功率开关以一定的顺序轮流驱动三相线圈,使电机按要求运行。电机调速主要为斩波调压控制方式,具有过流关断保护功能。除了一般的驱动要求,理想的驱动方式应包括均匀加速起动,以避免冲击,当电池电压不足时切断电源,保护电池,具有过流保护功能。同时过流保护应具有过流关断与恒流保持方式可供选择。正常运行时具有超速提示与电压限制,通过信号采集与处理,提供给显示部分,供使用者了解运行状态。其它还包括助力功能,特殊状况(雨天、不同的路面)下不同的运行模式等。用嵌入式单片机来替代传统的专用芯片,可实现这些智能化的驱动方式。下面具体介绍用PIC16F73单片机来构成智能化驱动器。

收稿日期:2005-05-08

1　PIC16F73单片机功能

Microchip公司推出的PIC单片机系列产品,采用了RISC结构的嵌入式微控制器,以及哈佛双总线结构和两级指令流水线结构,具有高速度、低电压、低功耗、大电流LCD驱动能力和低价位OTP技术等特点。

PIC16F73是28管脚的PIC系列中档的单片机,除了具有PIC单片机的共同特点外,它还具有自身的特点:(1)具有4KB的14位FLASH程序存储器;(2)具有22条I/O口线;(3)具有192个字节的8位数据存储器;(4)3个定时器;(5)具有5路8位A/D转换器。由以上的特点可以看出,PIC16F73单片机体积小,结构紧凑,功能全面,非常适合在电动自行车控制器中应用。

2　控制器功能及电路图

图1给出了PIC16F73组成的驱动控制器以及外围电路的结构。整个控制器以PIC16F73单片机为控制核心,将各种信号(调速信号、霍尔传感器的换向信号、电池电压信号及电机过流信号等)采集进

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来,根据设定的控制模式进行处理,然后输出三相驱动信号,经GAL16V8逻辑处理后输出三相PWM信号,由IR2103芯片构成的驱动电路驱动MOSFET功率管,驱动无刷电机运行。单片机采集的信号包括:

(1)调速信号:调速电压信号由PIC16F73A/D通道RA3(5管脚)输入。调速信号是一个模拟电压信号,手把的旋转角度与电压成正比。该电压信号用来控制PWM波的斩波,实现电机的调压调速。

(2)霍尔传感器信号:霍尔传感器信号经电阻和电容滤波,然后由PIC16F73的I/O口(26、27、28管

脚)读入。3个独立的位置信号用来触发控制三相绕

组的通断。

(3)电流信号:电机主回路电流信号经采样电阻获得。电流信号经过LM358放大,由单片机PIC16F73A/D通道RA1(管脚3)输入,进行控制处理。该信号主要用于恒流驱动控制模式和软件过流保护信号。同时,电流采样信号通过LM358与一固定电压值比较,当电机的电流过大时,LM358输出高电平,送入GAL16V8直接关断输出,进行硬件逻辑保护。

图1　单片机及其外围电路

　　(4)刹车信号:刹车信号由单片机的第6管脚读入。刹车时信号变为高电平,PNP三极管截止,单片机读入高电平进行相应处理。

(5)电池欠压信号:电池电压经分压后接单片机

当A/D通道RA0(管脚2),由单片机采入进行监控。

电池电压过低时给出欠压信号,输出截止,防止电池由于过放而损坏。

图2　电机驱动电路

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电动自行车用智能型无刷直流电机驱动器　董学明　范承志

　　GAL16V8门电路完成输出逻辑的调制与互锁、过流自锁保护等。6路触发信号共由1路斩波信号调制,硬件过流信号控制所有输出。此外,PIC16F73还输出电动自行车的仪表显示信号(包括电池电量、速度、故障及欠电压显示等)。

无刷直流电机的MOSFET功率管驱动采用芯片IR2103。图2为电机的一相驱动电路。IR2103输出的信号经三极管放大,然后驱动MOSFET管来驱动电机。采样电阻串联在电源主电路中,电阻压降与主回路电流成正比。采样电阻约为0.01󰀁,电流信号用LM358放大器进行放大。

其驱动性能达到了上述要求,在起动、上下坡运行时骑行稳定。驱动器硬件结构简单、体积小、通用性高、灵活可靠,提高了骑行的舒适度,可实现软起动和过流保护方式的选择。对于不同参数的无刷直流电机,通过修改程序数据可提高驱动效率。

参考文献

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界,2004(5):40-41.

3　控制器软件模式

系统软件按顺序扫描控制的模式编制。软件定时器根据调速要求产生直流斩流电压,采用中断方

式运行,改变斩波电压只需在对应单元写入控制值。三相位置输入信号经简单查表运算产生对应的输出逻辑。刹车信号、过流信号和欠压信号顺次读入,并进行对应处理。软件的流程如图3所示。包括软起动方式、过流保护选择、超速提示与报警和电压监测等功能。

作者简介:董学明(1981-),男,河北人,在读研究生,研究方向:微电机及其控制系统。

(上接第38页)

大大改善了系统的调速范围;同时能够使用单片机

的PWM控制使两段转速范围做到无缝连接,适应洗衣机在两种工况下的宽范围连续调速。

参考文献

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作者简介:马瑞卿(1963-),男,教授。研究方向:电机控制技术和电力电子技术及开关电源研究。

图3　软件流程图

4　结　论

PIC16F73单片机智能驱动器经实际运行测试,

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