基于PIC單片機的電動自行車控制系統(tǒng)設計

摘 要：介紹以單片機PICl6F72為核心的電動自行車用無刷直流電動機控制系統(tǒng)的設計。該系統(tǒng)采用電流與速度雙閉環(huán)控制的結構，其中電流調節(jié)器用傳統(tǒng)的PI調節(jié)器，速度調節(jié)器為改進的PI調節(jié)器。實驗驗證了此設計方案的可行性和優(yōu)越性，即控制電路簡潔，器件少，成本低，保護措施可靠，提高了系統(tǒng)的控制精度。該設計對無刷直流電機在其他領域的應用有一定的幫助和借鑒，具有廣泛的現(xiàn)實意義。該系統(tǒng)速度環(huán)采用改進型的PI調節(jié)器控制，且通過軟件運用算法測速，實現(xiàn)轉速反饋，既簡化電路又節(jié)省成本。
關鍵詞：電動自行車；控制系統(tǒng)；無刷直流電動機；PIC16F72；PID控制

0 引 言
    隨著社會的不斷進步，人們生活水平的提高，環(huán)境保護和能源節(jié)約問題已經(jīng)越來越受到重視，開發(fā)“零污染”、高效率的綠色環(huán)保電動自行車代替已成為一個不可逆轉的趨勢，且具有良好的發(fā)展前景。近年來，無刷直流電機(BLDCM)以其體積小，結構簡單，功率密度高，輸出轉矩大，動態(tài)性能好等特點而得到了廣泛應用。在電機的數(shù)字調速控制中，選擇高效可靠的單片機將使控制系統(tǒng)的硬件電路簡單可靠、軟件編制方便，系統(tǒng)整體性能得以提高。
    PIC系列單片機是采用精簡指令集RISC技術、哈佛總線和兩級指令流水線結構的高性能價格比的8位嵌入式控制器(Embedded Controller)。在此研究的電動自行車控制系統(tǒng)是一個以PIC16F72單片機為核心，無刷直流電機為控制對象的系統(tǒng)。

1 PIC16F72單片機的功能簡介
    PIC16F72單片機內部有2 KB的FLASH程序存儲器和128 B的RAM數(shù)據(jù)存儲器；不僅采用精簡指令集RISC技術，而且還采用哈佛總線結構，兩級流水線操作，提高了指令執(zhí)行速度。
    此外它還具有22個I／O引腳，與電源掉電復位的功能，內置的外圍含3個定時器(Timer0～Timer2)、一個捕捉／比較／PWM(CCP)模塊和一個同步串行通信端口SSP。該系統(tǒng)利用PIC單片機此脈寬調制模塊輸出脈寬可調的信號，實現(xiàn)無刷直流電機調速。

2 電動自行車控制系統(tǒng)的設計方案
2．1 系統(tǒng)的硬件設計與原理
    這里設計的電動自行車控制系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：以PIC16F72單片機為主控電路，其主要功能是完成電機的起動、換相、調速、制動等控制并實現(xiàn)對電機、電池的保護；以IR2132S為核心的驅動、逆變電路，其主要功能是利用IR2131S的自舉技術驅動功率MOSFET管控制電機電流；位置信號處理電路、電流信號處理電路以及一些外圍保護、輔助電路，其主要功能有完成對信號的采樣、對電路的供電、提供顯示信號、發(fā)出報警信號等功能。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

    該系統(tǒng)的基本原理是：PIC單片機的PWM輸出端口經(jīng)驅動芯片，驅動6個功率場效應管，由其組成的三相全橋驅動電路對電機進行控制，位置檢測和電流檢測形成負反饋，位置檢測的同時可以計算出電機轉速參數(shù)，因此可以對電機進行位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的三閉環(huán)控制。位置參數(shù)由無刷直流電動機自帶的霍爾元件測出，并由PIC16F72的C端口進行捕捉定位，反饋的電流量是通過檢測旁路電阻上的壓降實現(xiàn)的，由PIC自帶的A／D進行采樣、轉換。無刷直流電機的速度、電流雙閉環(huán)控制如圖2所示。

2．2 系統(tǒng)的主要控制電路設計
    (1)位置檢測與速度檢測電路。在無刷直流電機的控制中，磁極位置的測定直接決定了控制效果的好壞。方波電流驅動的無刷直流電機是借助于位置檢測信號控制逆變器換流，以達到在電機定子線圈中通以互差120°的方波電流，才能正常運行。本系統(tǒng)的位置信號采樣是通過無刷直流電動機本身自帶的霍爾元件檢測的，由于霍爾元件是集電極開路輸出，其輸出信號經(jīng)過上拉電阻得出位置方波信號，再經(jīng)過隔離電路送到PIC的C口對應引腳進行位置信號的捕捉。
    為了使電路盡可能的簡單，降低成本，該系統(tǒng)沒有專門設置速度檢測裝置，而是利用轉子位置傳感器所產(chǎn)生的脈沖信號來反映電機的轉速，并通過軟件運用算法測速，從而實現(xiàn)轉速反饋。
    (2)電流檢測電路。電流檢測是限流驅動的基礎，是系統(tǒng)電流環(huán)控制的重要環(huán)節(jié)，該方案采用一個分流電阻間接測流。在直流側接相應阻值的分流電阻，通過測量電阻的電壓，來測量直流回路的電流，這種方案對于A／D轉換的精度和軟件數(shù)據(jù)處理有一定要求，但是造價很低。
    (3)驅動、逆變電路。該系統(tǒng)采用MOSFET組成逆變器的變換電路。由于半橋逆變器的控制比較復雜，需要6組控制信號，電機三相繞組的工作也相對獨立，必須對三相電流分別控制。而全橋逆變器的控制比較簡單，只需三組獨立控制信號，且任一時刻導通的兩相電流相等，只要對其中一相電流進行控制，另外一相電流也得到了控制。因此該方案采用全橋逆變電路來控制各相位的導通，并選取美國國際整流公司推出的MOS功率器件專用的柵極驅動集成電路IR2132S。
    (4)電機調速方案。直流無刷電動機可以通過改變電樞電路中的外串電阻或改變加在電動機電樞上的電壓調速。其中改變電樞電壓調速的方法有穩(wěn)定性較好、調速范圍大的優(yōu)點。該系統(tǒng)利用開關驅動方式使半導體功率器件工作在開關狀態(tài)，通過脈寬調制(PWM)控制電動機電樞電壓，實現(xiàn)調速。
    常用的PID控制算法分為位置式控制算法和增量式控制算法。位置型PI算法的表達式為：

    
    式中：e(t)是輸入；u(t)起控制作用；Kp為比例系數(shù)；Ti為積分時間常數(shù)。
    增量型算法表達式為：

    該系統(tǒng)電流調節(jié)器用PI調節(jié)器，速度調節(jié)器為改進的PI調節(jié)器，且都采用增量式控制算法。對于速度環(huán)的控制采用改進的PI算法即積分分離PI算法實現(xiàn)。該算法的表達式為：

    積分分離算法要設置積分分離閥E0，| e(kT)|≤E0時，采用PI控制可保證系統(tǒng)的控制精度；當|e(kT)|≥E0時，也即偏差較大時，采用P控制直接使超調量大為降低。
2．3 系統(tǒng)軟件設計與實驗結果
    軟件設計是整個控制系統(tǒng)設計的核心部分，它將直接決定了整個控制系統(tǒng)的控制質量和它的效率，決定系統(tǒng)輸出信號的特性，包括電流大小及穩(wěn)定度、諧波含量、保護功能的完善、可靠性等。PIC芯片是在其專門的軟件開發(fā)環(huán)境Mplab進行程序編寫與仿真的，這給開發(fā)者設計調試程序帶來了極大的方便。該系統(tǒng)軟件設計重點是主程序和中斷服務程序，其流程圖如圖3和圖4所示，其中T0用于計算換相時間，且采用匯編語言編寫程序。

    該系統(tǒng)采用36 V，250 W的無刷直流電機，用示波器測得電機某相在V1，V2(V1<V2)轉速下電壓波形如圖5和圖6所示。

    由圖5和圖6可知，V1轉速下該相導通時間比V2轉速下短，即一個周期內該相電壓有效值U1<U2，滿足系統(tǒng)設計要求。

3 結 語
    這里設計的基于PIC16F72單片機電動自行車的無刷直流電機控制系統(tǒng)，充分利用了PIC單片機豐富的片內資源，高效的運算處理能力，及便捷的PWM功能，大大簡化了硬件結構。系統(tǒng)總體設計遵循了可靠、簡單、實用的原則。該系統(tǒng)設計對無刷直流電機在其他領域實際的產(chǎn)品設計有一定的幫助和借鑒。