基于PIC單片機(jī)的電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要：介紹以單片機(jī)PICl6F72為核心的電動(dòng)自行車用無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)采用電流與速度雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，其中電流調(diào)節(jié)器用傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器，速度調(diào)節(jié)器為改進(jìn)的PI調(diào)節(jié)器。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了此設(shè)計(jì)方案的可行性和優(yōu)越性，即控制電路簡(jiǎn)潔，器件少，成本低，保護(hù)措施可靠，提高了系統(tǒng)的控制精度。該設(shè)計(jì)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)在其他領(lǐng)域的應(yīng)用有一定的幫助和借鑒，具有廣泛的現(xiàn)實(shí)意義。該系統(tǒng)速度環(huán)采用改進(jìn)型的PI調(diào)節(jié)器控制，且通過(guò)軟件運(yùn)用算法測(cè)速，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速反饋，既簡(jiǎn)化電路又節(jié)省成本。
關(guān)鍵詞：電動(dòng)自行車；控制系統(tǒng)；無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)；PIC16F72；PID控制

0 引 言
    隨著社會(huì)的不斷進(jìn)步，人們生活水平的提高，環(huán)境保護(hù)和能源節(jié)約問(wèn)題已經(jīng)越來(lái)越受到重視，開發(fā)“零污染”、高效率的綠色環(huán)保電動(dòng)自行車代替已成為一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，且具有良好的發(fā)展前景。近年來(lái)，無(wú)刷直流電機(jī)(BLDCM)以其體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功率密度高，輸出轉(zhuǎn)矩大，動(dòng)態(tài)性能好等特點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用。在電機(jī)的數(shù)字調(diào)速控制中，選擇高效可靠的單片機(jī)將使控制系統(tǒng)的硬件電路簡(jiǎn)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(jī)是采用精簡(jiǎn)指令集RISC技術(shù)、哈佛總線和兩級(jí)指令流水線結(jié)構(gòu)的高性能價(jià)格比的8位嵌入式控制器(Embedded Controller)。在此研究的電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)是一個(gè)以PIC16F72單片機(jī)為核心，無(wú)刷直流電機(jī)為控制對(duì)象的系統(tǒng)。

1 PIC16F72單片機(jī)的功能簡(jiǎn)介
    PIC16F72單片機(jī)內(nèi)部有2 KB的FLASH程序存儲(chǔ)器和128 B的RAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；不僅采用精簡(jiǎn)指令集RISC技術(shù)，而且還采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，兩級(jí)流水線操作，提高了指令執(zhí)行速度。
    此外它還具有22個(gè)I／O引腳，與電源掉電復(fù)位的功能，內(nèi)置的外圍含3個(gè)定時(shí)器(Timer0～Timer2)、一個(gè)捕捉／比較／PWM(CCP)模塊和一個(gè)同步串行通信端口SSP。該系統(tǒng)利用PIC單片機(jī)此脈寬調(diào)制模塊輸出脈寬可調(diào)的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)無(wú)刷直流電機(jī)調(diào)速。

2 電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案
2．1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與原理
    這里設(shè)計(jì)的電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：以PIC16F72單片機(jī)為主控電路，其主要功能是完成電機(jī)的起動(dòng)、換相、調(diào)速、制動(dòng)等控制并實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)、電池的保護(hù)；以IR2132S為核心的驅(qū)動(dòng)、逆變電路，其主要功能是利用IR2131S的自舉技術(shù)驅(qū)動(dòng)功率MOSFET管控制電機(jī)電流；位置信號(hào)處理電路、電流信號(hào)處理電路以及一些外圍保護(hù)、輔助電路，其主要功能有完成對(duì)信號(hào)的采樣、對(duì)電路的供電、提供顯示信號(hào)、發(fā)出報(bào)警信號(hào)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(jī)的PWM輸出端口經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)6個(gè)功率場(chǎng)效應(yīng)管，由其組成的三相全橋驅(qū)動(dòng)電路對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，位置檢測(cè)和電流檢測(cè)形成負(fù)反饋，位置檢測(cè)的同時(shí)可以計(jì)算出電機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)，因此可以對(duì)電機(jī)進(jìn)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(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)自帶的霍爾元件測(cè)出，并由PIC16F72的C端口進(jìn)行捕捉定位，反饋的電流量是通過(guò)檢測(cè)旁路電阻上的壓降實(shí)現(xiàn)的，由PIC自帶的A／D進(jìn)行采樣、轉(zhuǎn)換。無(wú)刷直流電機(jī)的速度、電流雙閉環(huán)控制如圖2所示。[!--empirenews.page--]

2．2 系統(tǒng)的主要控制電路設(shè)計(jì)
    (1)位置檢測(cè)與速度檢測(cè)電路。在無(wú)刷直流電機(jī)的控制中，磁極位置的測(cè)定直接決定了控制效果的好壞。方波電流驅(qū)動(dòng)的無(wú)刷直流電機(jī)是借助于位置檢測(cè)信號(hào)控制逆變器換流，以達(dá)到在電機(jī)定子線圈中通以互差120°的方波電流，才能正常運(yùn)行。本系統(tǒng)的位置信號(hào)采樣是通過(guò)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)本身自帶的霍爾元件檢測(cè)的，由于霍爾元件是集電極開路輸出，其輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)上拉電阻得出位置方波信號(hào)，再經(jīng)過(guò)隔離電路送到PIC的C口對(duì)應(yīng)引腳進(jìn)行位置信號(hào)的捕捉。
    為了使電路盡可能的簡(jiǎn)單，降低成本，該系統(tǒng)沒(méi)有專門設(shè)置速度檢測(cè)裝置，而是利用轉(zhuǎn)子位置傳感器所產(chǎn)生的脈沖信號(hào)來(lái)反映電機(jī)的轉(zhuǎn)速，并通過(guò)軟件運(yùn)用算法測(cè)速，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速反饋。
    (2)電流檢測(cè)電路。電流檢測(cè)是限流驅(qū)動(dòng)的基礎(chǔ)，是系統(tǒng)電流環(huán)控制的重要環(huán)節(jié)，該方案采用一個(gè)分流電阻間接測(cè)流。在直流側(cè)接相應(yīng)阻值的分流電阻，通過(guò)測(cè)量電阻的電壓，來(lái)測(cè)量直流回路的電流，這種方案對(duì)于A／D轉(zhuǎn)換的精度和軟件數(shù)據(jù)處理有一定要求，但是造價(jià)很低。
    (3)驅(qū)動(dòng)、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(fù)雜，需要6組控制信號(hào)，電機(jī)三相繞組的工作也相對(duì)獨(dú)立，必須對(duì)三相電流分別控制。而全橋逆變器的控制比較簡(jiǎn)單，只需三組獨(dú)立控制信號(hào)，且任一時(shí)刻導(dǎo)通的兩相電流相等，只要對(duì)其中一相電流進(jìn)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(lái)控制各相位的導(dǎo)通，并選取美國(guó)國(guó)際整流公司推出的MOS功率器件專用的柵極驅(qū)動(dòng)集成電路IR2132S。
    (4)電機(jī)調(diào)速方案。直流無(wú)刷電動(dòng)機(jī)可以通過(guò)改變電樞電路中的外串電阻或改變加在電動(dòng)機(jī)電樞上的電壓調(diào)速。其中改變電樞電壓調(diào)速的方法有穩(wěn)定性較好、調(diào)速范圍大的優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)利用開關(guān)驅(qū)動(dòng)方式使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過(guò)脈寬調(diào)制(PWM)控制電動(dòng)機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)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(dá)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(shí)間常數(shù)。
    增量型算法表達(dá)式為：

    該系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器用PI調(diào)節(jié)器，速度調(diào)節(jié)器為改進(jìn)的PI調(diào)節(jié)器，且都采用增量式控制算法。對(duì)于速度環(huán)的控制采用改進(jìn)的PI算法即積分分離PI算法實(shí)現(xiàn)。該算法的表達(dá)式為：

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    積分分離算法要設(shè)置積分分離閥E0，| e(kT)|≤E0時(shí)，采用PI控制可保證系統(tǒng)的控制精度；當(dāng)|e(kT)|≥E0時(shí)，也即偏差較大時(shí)，采用P控制直接使超調(diào)量大為降低。
2．3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果
    軟件設(shè)計(jì)是整個(gè)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心部分，它將直接決定了整個(gè)控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量和它的效率，決定系統(tǒng)輸出信號(hào)的特性，包括電流大小及穩(wěn)定度、諧波含量、保護(hù)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(jìn)行程序編寫與仿真的，這給開發(fā)者設(shè)計(jì)調(diào)試程序帶來(lái)了極大的方便。該系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)重點(diǎn)是主程序和中斷服務(wù)程序，其流程圖如圖3和圖4所示，其中T0用于計(jì)算換相時(shí)間，且采用匯編語(yǔ)言編寫程序。

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

    由圖5和圖6可知，V1轉(zhuǎn)速下該相導(dǎo)通時(shí)間比V2轉(zhuǎn)速下短，即一個(gè)周期內(nèi)該相電壓有效值U1<U2，滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié) 語(yǔ)
    這里設(shè)計(jì)的基于PIC16F72單片機(jī)電動(dòng)自行車的無(wú)刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)，充分利用了PIC單片機(jī)豐富的片內(nèi)資源，高效的運(yùn)算處理能力，及便捷的PWM功能，大大簡(jiǎn)化了硬件結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)遵循了可靠、簡(jiǎn)單、實(shí)用的原則。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)在其他領(lǐng)域?qū)嶋H的產(chǎn)品設(shè)計(jì)有一定的幫助和借鑒。