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基于PIC单片机的电动自行车控制系统设计

• 摘 要：介绍以单片机PICl6F72为核心的电动自行车用无刷直流电动机控制系统的设计。该系统采用电流与速度双闭环控制的结构，其中电流调节器用传统的PI调节器，速度调节器为改进的PI调节器。实验验证了此设计方案的可行性和优越性，即控制电路贴片电感简洁，器件少，成本低，保护措施可靠，提高了系统的控制精度。该设计对无刷直流电机在其他领域的应用有一定的帮助和借鉴，具有广泛的现实意义。该系统速度环采用改进型的PI调节器控制，且通过软件运用算法测速，实现转速反馈，既简化电路又节省成本。
  关键词：电动自行车；控制系统；无刷直流电动机；PIC16F72；PID控制

  
  0 引 言
  随着社会的不断进步，人们生活水平的提高，环境保护和能源节约问题已经越来越受到重视，开发“零污染”、高效率的绿色环保电动自行车代替已成为一个不可逆转的趋势，且具有良好的发展前景。近年来，无刷直流电机(BLDCM)以其体积小，结构简单，功率密度高，输出转矩大，动态性能好等特点而得到了广泛应用。在电机的数字调速控制中，选择高效可靠的单片机将使控制系统的硬件电路简单可靠、软件编制方便，系统整体性能得以提高。
  PIC系列单片机是采用精简指令集RISC技术、哈佛总线和两级指令流水线结构的高性能价格比的8位嵌入式控制器(Embedded Controller)。在此研究的电动自行车控制系统是一个以PIC16F72单片机为核心，无刷直流电机为控制对象的系统。

  
  1 PIC16F72单片机的功能简介
  PIC16F72单片机内部有2 KB的FLASH程序存储器和128 B的RAM数据存储器；不仅采用精简指令集RISC技术，而且还采用哈佛总线结构，两级流水线操作，提高了指令执行速度。
  此外它还具有22个I／O引脚，与电源掉电复位的功能，内置的外围含3个定时器(Timer0～Timer2)、一个捕捉／比较／PWM(CCP)模块和一个同步串行通信端口SSP。该系统利用PIC单片机此脉宽调制模块输出脉宽可调的信号，实现无刷直流电机调速。

  
  2 电动自行车控制系统的设计方案
  2．1 系统的硬件设计与原理
  这里设计的电动自行车控制系统主要由以下几部分组成：以PIC16F72单片机为主控电路，其主要功能是完成电机的起动、换相、调速、制动等控制并实现对电机、电池的保护；以IR2132S为核心的驱动、逆变电路，其主要功能是利用IR2131S的自举技术驱动功率MOSFET管控制电机电流；位置信号处理电路、电流信号处理电路以及一些外围保护、辅助电路，其主要功能有完成对信号的采样、对电路的供电、提供显示信号、发出报警信号等功能。系统原理框图如图1所示。

  

  该系统的基本原理是：PIC单片机的PWM输出端口经驱动芯片，驱动6个功率场效应管，由其组成的三相全桥驱动电路对电机进行控制，位置检测和电流检测形成负反馈，位置检测的同时可以计算出电机转速参数，因此可以对电机进行位置环、速度环和电流环的三闭环控制。位置参数由无刷直流电动机自带的霍尔元件测出，并由PIC16F72的C端口进行捕捉定位，反馈的电流量是通过检测旁路电阻上的压降实现的，由PIC自带的A／D进行采样、转换。无刷直流电机的速度、电流双闭环控制如图2所示。

  

  2．2 系统的主要控制电路设计
  (1)位置检测与速度检测电路。在无刷直流电机的控制中，磁极位置的测定直接决定了控制效果的好坏。方波电流驱动的无刷直流电机是借助于位置检一体成型贴片电感测信号控制逆变器换流，以达到在电机定子线圈中通以互差120°的方波电流，才能正常运行。本系统的位置信号采样是通过无刷直流电动机本身自带的霍尔元件检测的，由于霍尔元件是集电极开路输出，其输出信号经过上拉电阻得出位置方波信号，再经过隔离电路送到PIC的C口对应引脚进行位置信号的捕捉。
  为了使电路尽可能的简单，降低成本，该系统没有专门设置速度检测装置，而是利用转子位置传感器所产生的脉冲信号来反映电机的转速，并通过软件运用算法测速，从而实现转速反工字电感器馈。
  (2)电流检测电路。电流检测是限流驱动的基础，是系统电流环控制的重要环节，该方案采用一个分流电阻间接测流。在直流侧接相应阻值的分流电阻，通过测量电阻的电压，来测量直流回路的电流，这种方案对于A／D转换的精度和软件数据处理有一定要求，但是造价很低。

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  输出电压值可能看不太清楚，附上大图一张
  
  
  输出电压：20.1V，电流：0.51A
  输入电压：30.1V，电流：0.37A
  效率：20.1×0.51÷30.1÷0.37=92.044%
  效率还阔以吧，哈哈
  
  附录是程序，

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