基于pic16f72无刷直流电动机控制器设计

基于pic16f72无刷直流电动机控制器设计内容摘要：

(19) 电磁转矩为： 错误 !未找到引用源。 (110) 当不计 U 的变化和电枢反应的影响时，式 19 等号右边的第一项是常数，所以电磁转矩随转速的减小而线性增加。 此时， 流过 晶体 管和电枢绕组的电流很大，晶体管 管压降 TU 随着电流 的 增大而增加 较快 ， 从而 使 加 在电枢绕组上的电压 不恒定而 有所减小，因而 无刷直流电动机 的机械特性曲线会偏离直线，向下弯曲 ，如图 122 所示。 当转速为零时，此时的转速即为起动电磁转矩。 当式 110 等号右边两项相等时，电磁转矩为零，此时的转速即为理想空载转速。 由式 110 可知，在同一转速下改变电源电压，可以容易的改变输出转矩或在同一负载下改变转速。 所以，无刷直流电机的调速性能很好，可以通过改变电源电压实现平滑调速，但此时电子换相线路及其他控制线路的电源电压仍应保持不变。 总之，无刷直流电机的运行特性与有刷直流点及极为相似，有着良好的伺服控制性能。 图 122 无刷直流电机机械特性曲线 图 14 调节特性 调节特性的始动电压和斜率分别为： macpa KTrU 0 （ 111） eKK1 （ 112） 从机械特性和调节特性可以看出，无刷直流电动机与一般直流电动机一样，具有良好的调速控制性能，可以通过调节电源电压实现无级调速。 但不能通过调节励磁调速，因为永磁体的励磁磁场不可调。 电机的 PWM 调速原理 直流电动机的调速方法主要包括调节电枢电路中的外串电阻或调节加在电 动机电枢上的电压，其中调节电枢电压的方法运用最为广泛。 改变电枢电压调速 的方法有稳定性较好、调速范围大的优点【 23】【 24】。 为了获得可调的直流电压，利用电力电子器件的完全可控性，采用脉宽调制技术 (Pulse Width Modulation，即 PWM)，直接将恒定的直流电压调制成可变大小和极性的直流电压作为电动机的电枢端电压，实现系统的平滑调速，这种调速系统就称为直流脉宽调速系统。 它被越来越广泛的应用在各种功率的直流调速系统中。 本 系统利用开关驱动方式使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制 (PWM)来控制无刷直流电动机电枢电压，实现调速。 图 29是对电机进行 PWM 调速控制时的电枢绕组两端的电压波形。 当开关管的栅极输入高电平 1U 时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压 sU ； 1t 秒后，栅极输 入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为 0； 2t 秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。 电动机电枢绕组两端的电压平均值 0U 为： sss UUTtttUtU   12110 0 式中占空比  表示了在一个周期 T里，开关管导通的时间与周期的比值， 变化范围为 0~1 之间。 所以当电源电压 sU 不变时，电枢的端电压的平均值 0U 取决于占空比大小，改变  值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的。 第三章 无刷直流电机硬件设计 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 [9][10]。 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 MOTOLORA 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。 本论文选取 Microchip 公司的一款具有极高性能价格比的 PIC 单片机PICl6F72 做为主控芯片，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 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D／ A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。 ★ I／ O 口 ： I／ O 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， I／ O 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 2~3 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。 ★ 工作电压、功耗 ： 单片机的工作电压最低可以达到 ，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。 PIC 单片机特点： 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 34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。 C P U程 序 存 储 器数 据 存 储 器程。