电动车用无刷直流电机控制器设计

2014 届毕业生毕 业 设 计 说 明 书题 目: 电动车用无刷直流电机控制器的设计 学院名称： 电气工程学院 班 级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 教师职称： 讲师 2014 年 05 月 27 日2014 年 5 月 22 日1摘 要近年来，社会发展快速，而我们生活的环境也在遭受破坏，民众的环境保护意识和资源节约意识不断提高，电动车在这样的机遇下获得很大关注并蓬勃发展。之前有刷直流电机在电动车驱动装置中占据着主导地位，但有刷电机凭借机械换向器和电刷配合进行换向，特别容易造成磨损，元件也比较复杂，同时运行稳定性较差且有杂音。现在无刷直流电机运用在更多行业，它兼备有刷直流电机优点，没有机械换向装置，使用时间长、安全性高、维护成本低等优点，这些优点使它成为电动车用电机的首选。利用 PICl6F72 单片机进行无刷直流电机控制器的设计。用它来实现各个模块的功能，电池经稳压器输出不同电压，一个给驱动芯片 IR2130，通过 IR2130 芯片驱动逆变桥电路，根据检测的逆变桥输出电流大小对电机控制，同时确定是否过流。检测电池电压，然后输入单片机进行控制。另一个给单片机，提供电压和基准值。关键词：无刷直流电动机 P IC16F72 控 制 系 统2目 次1 引言 .41.1 课题背景描述 .41.2 无刷直流电机的发展现状 .41.3 无刷直流电机发展前景 .52 电动车控制总体设计 .62.1 电机选择 .62.2 无刷直流电机的结构 .62.3 无刷直流电机的原理 .62.4 无刷直流电机的运行特性 .83 硬件设计 .103.1 无刷直流电机控制器硬件设计 .103.2 PIC16F72 单片机的主要性能 .113.3 电源变换电路 .113.3 MOSFET 驱动芯片 IR2130 简介 .123.5 输入信号处理部分 .133.5.1 速度控制和电量检测部分 .133.5.2 电流检测和放大部分 .143.5.3 霍尔位置传感器信号处理部分 .153.5.4 转把刹车处理部分 .164 软件设计 .174.1 软件设计的总体思路简介 .174.2 程序流程图 .174.3 转子换相流程图 .18总 结 .20致 谢 .21参 考 文 献 .22附录 A 硬件电路原理图 .24附录 B 控制程序 .2631引言1.1课题背景描述目前，全国各地都出现雾霾天气，人们越来越关注生活环境。减少资源浪费，发展新能源的呼声高涨，特别是国家把这个问题提上日程，可以看出对环境卫生的重视。在这样的背景下，无污染的交通工具受到热捧。市场上新能源汽车的高效节能得到很多重视和大量研究，特别是电动车的发展。由于电子控制技术的革新发展使得对电机性能要求也越来越高，例如：质量小，输出转矩高，占地小，运行效率高。无刷直流电机具有结构简单，安全运行，没有摩擦，电磁噪声小优点，大量运用在现代生产装备、功能测量仪器、电脑外围设备和特殊电器。它克服了有刷直流电机电刷和换向器的接触产生摩擦火花,电流干扰和其它缺点，延长使用时间,所以无刷直流电机在电动自行车产品中逐渐被运用。鉴于无刷直流电机这些优异的功能，它将会获得更大的应用空间。1.2无刷直流电机的发展现状电动车在行驶时，由于受到交通路况的影响，通常是处在走走停停的状况，特别是在城市交通中，这种状况更为明显。因此,电动机的启动特性、加速度特性、效率利用率、低速运行、再生回馈制动具有特别高的品质。电机过载、电机的能量密度是电动车电机的一个重要指标。没有某一电动机是电动车专用的,都是使用通用电机,如直流它励电机,直流串励电机、永磁直流电动机。通用电动机负载特性常数随着电动车负荷特性变化而变化,如果这两个特征不匹配,就会影响电动机的输出,从而影响电动车的性能。此外,大多数电机设计的最高效率点设置在额定负载左右。开关磁阻电机低速高扭矩,但效率低,永磁同步电机效率高,但不能改善低速扭矩。无刷直流电机恰恰有这些优点。把多种电机的技术指标列出见表 1-1。由表 1-1 看出无刷直流电机为最佳驱动电动车的电机，跟列表中其它电机比较它突出优点是：依靠转子上的霍尔位置传感器完成电子换向，不用借助电刷和换向器，不经常维修，耐用经济，硬性指标好，能实现平滑且大范围的调速，它消除了电刷上的降压，具有很高的效率，将电枢绕组缠绕在电动机的定子上，容易把热量4排出。这种情况下可最大程度减小电机尺寸。把永磁体安装在电机转子上，优化电机动态响应。减掉了换向器和电刷的限制，转速可以很高，控制器可以驱动电机运转，同时它又可调节电动机的速度。表 1-1 各种电机性能指标性能指标 直流电机永磁直流电机鼠笼异步电机永磁同步电机无刷直流电机起动性能 5 4 2 4 5低速性能 5 4 3 4 5低速时效率 3 4 3 5 5平均效率 3 4 4 5 5能量密度 2 3 4 5 5过载能力 4 4 4 5 5再生能力 3 4 3 5 5可靠性 2 2 5 4 4制造成本 4 4 5 4 4控制器成本 5 5 4 4 4合计 36 38 37 45 471.3无刷直流电机发展前景不可否认，电动车是近些年发展尤为迅速并且成为趋势的一个产业。它减少尾气、使用便捷、方便维护的特点，得到消费者的喜爱，在我国它的需求量非常大。到 2008 年我国消费的电动车数量达到 1.1 亿辆。除此之外，从近年来的情况看，它大大超越自行车数量，与燃油车比较中它的优势逐渐明晰，最近几年很多公司推出样式新颖能耗低的电动车，是交通出行的工具。依靠数据显示：预计至 2015 年，市场上电动车消费量可达到 3.2 亿辆。加上各阶层认识到电动车的经济环保，它每年的增长可以达 500 万辆，连带其附属产业，它能创造巨大的经济效益。所以，在扩大内需和减少污染的大环境下，电动车可以保持长期发展。52 电动车控制总体设计2.1电机选择无刷直流电机与其它电机相比，它运行稳定，启动转矩大，成本低。并且回馈部分不复杂，功率密度保持的很高，电机输出转矩也很大，控制装置也非常好设计，这样电机和逆变器的优点得到最大限度发挥。无刷电机调速范围很宽，尺寸小，质量不大，转自惯量较低，客服了传统电机的励磁消耗。2.2 无刷直流电机的结构电动机上电枢绕组的连接是用三相星型的形式，绕组的首端或尾端相连。三个霍尔位置传感器安装在电机转子同轴上，单片机将输入的位置信号经分析计算后输出下一步的驱动信号，驱动信号经特定驱动芯片后导通逆变器的功率管，使电机绕组按一定顺序导通。图 2.1 是无刷直流电机的构成：电机本体转子位置传感器无刷直流电机电子换相电路图 2.1 无刷直流电机组成电机的组成元件有转轴、机壳、定子和转子。定子上三相星形绕组，接上电源后，电流流入定子三相绕组，形成旋转的磁动势，定子磁动势与转子磁铁产生的励磁磁场相互感应而产生输出功率，并通过转子旋转拖动输出一定的机械功率，从而实现了将电能向机械能这个方向转化。2.3 无刷直流电机的原理无刷直流电机的运行原理是电动机、霍尔传感器、换向电路配合工作，一个环节出现差错，电机的安全运行都不能保证。它们之间的工作原理如图 2.2 所示：6直流电源 逻辑变换 功率驱动电动机本体转子位置传感器图 2.2 无刷直流电机工作原理直流无刷电机中，依靠霍尔传感器检测出的转子位置信号，经单片机处理后输出，经驱动芯片放大后导通或关断逆变桥中 MOSFET 管，保证电机三相绕组按序通电，定子产生的旋转磁场与转子产生的永磁磁场相互作用，让电机转子进行运转。跟随电机转子的旋转，霍尔位置传感器不停地感应输出位置信号，然后通过单片机对这些感应信号进行运算判断，不断输出驱动信号对相应的功率管进行导通或关段，通过信号处理可改变电机绕组的通电组合，确保某一磁极下流过的电流方向保持同向，上述即为无刷电机换向原理。无刷直流电机的定子电枢绕组的绕线形式分为星形绕组和三角形绕组两大类，本文运用星形绕组。与它相连的是三相全桥逆变电路，图 2.3 是星形连接的三相全桥电路图。以图 2.3 星形连接的三相全桥电路来分析电机换向步骤。霍尔传感器彼此相隔120。 电角度，当转子在正转时，三个霍尔传感器输出的信号为001、011、010、110、100、101，如此进行下一轮运行。当电机转子反转时，霍尔传感器输出的信号与正转时的相反，这里不再讲述。图 2.3 星形连接的全桥逆变图7当无刷直流电机的正转时，霍尔传感器信号为 001 时，晶体管 V4、V5 导通，信号为 010 时，V2、V3 导通，信号为 100 时，V1 、V6 导通。依靠电子换相电路及时跟踪电动机内部霍尔位置传感器感应的信号，电机才能正常转动起来。表 2-1无刷电动机通电控制表。表 2-1 电机通电控制表位置传感器 逆变桥开关管驱动信号旋转方向 H1 H2 H3 V1 V2 V3 V4 V5 V60 0 1 0 0 0 1 1 00 1 0 0 1 1 0 0 00 1 1 0 1 0 0 1 01 0 0 1 0 0 0 0 11 0 1 1 0 0 1 0 0正转1 1 0 0 0 1 0 0 10 0 1 0 0 1 0 0 10 1 0 1 0 0 1 0 00 1 1 1 1 0 0 0 01 0 0 0 1 0 0 1 01 0 1 0 1 1 0 0 0反转1 1 0 0 0 0 1 1 02.4无刷直流电机的运行特性我们选用电机时会从它的运行特点考虑，这里分析它启动的特性和调速的特性，这决定着电机是否符合电动车运行要求。刚启动时电流是正常电枢电流的几倍甚至到几十倍，此刻电机电枢的电磁转矩最大，电动机能在很短的时间内启动。而随着电机转子的加速旋转，感应的反电动势E在逐渐增大，电磁转矩随之减小，加速度的转矩降低，直到最后在正常的运行状态。为了预防接通电源后，在电机刚起动时由于起动电流过大而烧坏电动机线圈绕组，这样就需要单片机在控制电动机启动时，一定要保证PWM脉宽调制波分配在某个比较合适的占空比上，并且安装电流反馈控制环，在确定电动机能迅速起动的同时又最大可能的让电机处在一个电机安全运行的范围内。电机调速方法：可以改变电机电枢电压大小，还可以在转子中串电阻。改变电枢电压，进而改变电机输出功率大小，调节电机运行速度，调速范围比较宽。转子串电阻调速就是在电机绕组外串接电阻，这种方法容易实现。可它不能进行无级调8速，载负载能力很弱。同时电阻浪费很多电能。无刷直流电机现在大多选用改变电机绕组上电压的大小进行调速。此外，当电动机出现堵转时，那么电机也会产生巨大的电枢电流，这样在单片机上安装一个过电流保护的电路是非常必要的。一句话，对电枢电流的检测，全部都是为了确保电机安全运行。在全面考虑电机运行功能以及会出现的问题后，我们设计出符合实际应用的电动车。93 硬件设计3.1无刷直流电机控制器硬件设计硬件原理图如图 3.1 所示。设计电路包括蓄电池供电模块、稳压电源模块、逆变器驱动模块、逆变器模块、刹车模块、电流检测模块等。蓄电池稳压电源PIC16F72调速信号电压检测逆变器电路B L D CM逆变器驱动电路电流检测位置检测刹车信号图 3.1 无刷直流电机控制器原理框图稳压电源模块是通过变压装置的变压转换，输出电路所需要的工作电压，为整个系统不同电路装置提供所需的电压和电流，是整个系统的动力保证。于电动车用无刷直流电机来讲，由于它仅能依靠电池的形式来供电，但是电池的能量储存总是越来越少，所