基于STM32的電動摩托車無刷直流電機控制器的設計

2023屆畢業(yè)生畢業(yè)論文題目:基于STM32的電動摩托車無刷直流電機控制器的設計2023年5月20日摘要電動摩托車具有零排放、低噪聲等許多優(yōu)點,是現(xiàn)代綠色環(huán)保交通工具,由于比擬方便、快捷,所以許多人選擇它作為自己的出行工具，成為大中城市公共交通的補充。電動摩托車上一般用的都是無刷直流電機，所以電動摩托車控制器的質(zhì)量非常重要。本文首先介紹了無刷直流電機結(jié)構(gòu)和換向原理，緊接著介紹了波脈寬調(diào)速原理直和流無刷電機的工作原理。然后做相關的電路圖設計，主控芯片的選擇、電流檢測電路、霍爾位置傳感器信號檢測電路、電源轉(zhuǎn)換與電壓采樣電路、電機驅(qū)動電路設計、剎車和調(diào)速電路設計、STM32芯片無刷電機控制接口電路，這些電路圖設計是控制器的關鍵局部。接著表達了軟件局部的設計，主要包括：主程序的設計、過流保護、欠壓保護、電制動程序等。通過輸入程序可以改變PWM波的占空比，所以電樞電壓的大小也可以調(diào)節(jié)，進而調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。最后采用STM32單片機為控制核心,設計了電流檢測保護電路、位置信號檢測電路、電源轉(zhuǎn)換電路、欠壓保護電路等,由于單片機本錢低、功能強大、運算能力強等優(yōu)點,提高了控制系統(tǒng)的可靠性的同時,也降低了控制本錢。我們不僅完成電機控制器的設計，同時也加深了相關知識的理解和聯(lián)系。關鍵詞：無刷直流電機、stm32、電路設計、目錄TOC\o"1-3"\h\u27511、緒論 3259071.1電動車的現(xiàn)狀 3266061.2研究電動車的意義 4123971.3本論文的主要工作 541102無刷直流電機控制系統(tǒng)的設計 510912.1.直流無刷電機的結(jié)構(gòu) 5294462.2直流無刷電機的工作原理和控制方法 7303392.3單片機選型 899662.4無刷直流電機選型 1298473系統(tǒng)硬件電路的設計 14289723.1硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計 145313.2電源電路設計 14320653.3無刷直流電機霍爾位置傳感器接口電路設計 15170423.4剎車和調(diào)速電路設計 1653273.5過流保護電路 17286013.6三相全橋驅(qū)動電路 183973.7過壓、欠壓保護電路 19240734系統(tǒng)軟件設計 22260114.1系統(tǒng)整體軟件設計 23161254.2直流無刷電機控制的軟件設計 24197124.3系統(tǒng)各局部功能在軟件中的實現(xiàn) 27218054.4STM32檢測霍爾信號和輸出PWM軟件設計 28255865.總結(jié)和展望 3018416致謝316274參考文獻3226845附錄331、緒論1.1電動車的現(xiàn)狀隨著我國經(jīng)濟的快速開展和城市化進程的加快,機動車保有量逐漸增加,環(huán)境污染也因此越來越嚴重,所以尋找低排放的技術和可再生資源稱為一個重要課題。新型能源的交通工具的出現(xiàn)符合社會開展的需求。汽油摩托車作為現(xiàn)代化的交通工具,雖然有它的好處與優(yōu)點，但是摩托車所產(chǎn)生的廢氣和消耗的汽油,造成了一系列問題，比方城市環(huán)境污染和能源緊缺。在這種情況下,開展電動摩托車便是一個重要的方向，它的推廣應用和技術開發(fā)便是目前一個重要議程。電動摩托車以蓄電池作為能源，它具有操作簡便、舒適方便、污染小等優(yōu)點?？梢宰鳛閺V闊市民代步工具,它是很適宜的綠色環(huán)保交通工具,是大中城市公共交通的補充。是一種值得推廣的交通工具，得到越來越多的人的青睞,具有廣闊的市場前景。電動摩托車主要包括兩個技術方面,蓄電池技術和電動機技術。電池是電動摩托車的重要組成局部,它的開展程度上下直接決定電動摩托車的技術水平。近寫些年來,電池技術開展速度相當迅速,密封免維護鉛酸電池、鎳氫電池、燃料電池等可謂百花齊放,在制造工藝上有了重大改良,在材料特性上取得較大的開展,在研究上出現(xiàn)重大突破,讓人們看到了美好的前景。電動機是電動摩托車的一個重要組成局部,目前在電動摩托車行業(yè)內(nèi),直流電機的應用范圍更加廣泛。主要有有刷高速電機和無刷低速電機。有刷高速電機這種電機控制系統(tǒng)簡單、本錢低、系統(tǒng)可靠性高,但是由于需要換向器整流子和電刷,存在著機械磨損,影響電機的使用效率。由于無刷低速電機沒有電刷和傳動齒輪,所以它不存在電刷的機械磨損,在運行中幾乎沒有噪音。所以不需要經(jīng)常對電刷進行維護和替換，減少了運行本錢。1.2研究電動車的意義電動車的開展可以緩解大氣污染，隨著電池技術和電力電子技術的開展，很多國家爭先研發(fā)電動車。由于能源危機的顯露，石油資源的日趨枯竭、全球溫度上升、大氣的嚴重污染，人類必須改善目前的不斷惡化的生活環(huán)境，因此尋找替代能源，開展電動車是人類的必由之路。開展電動車的重大意義:促使我國能源結(jié)構(gòu)得到較好的優(yōu)化，雖然。我們知道電的來源多種多樣，火力、水力、風力、地熱、潮汐、核能都可以發(fā)電等，電動車的推廣可以優(yōu)化能源生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，開展電動車可以保障我國經(jīng)濟開展的能源平安，它有利于減少溫室氣體和其它有害氣體的排放，符合可持續(xù)開展戰(zhàn)略。推廣電動車可以減少溫室氣體的排放量，有效緩解大氣污染。開展電動車是大勢所趨。總之，開展電動車是利國利民的好事，有利于節(jié)約能源、環(huán)境保護、提高就業(yè)率，所以開展電動車是一個具有十分重大的意義工程，也是可持續(xù)開展戰(zhàn)略的偉大創(chuàng)舉。1.3本論文的主要工作本論文考慮到電動摩托車無刷直流驅(qū)動電機的結(jié)構(gòu)特點,設計硬件電路的控制系統(tǒng)，有刷電機和無刷電機的通電原理不一樣，他們的內(nèi)部構(gòu)造也不相同。無刷直流電機分為帶霍爾傳感器和無霍爾傳感器，目前很多關于無刷直流電機控制器的研究的文章，為無刷直流電機的控制奠定了理論根底，如帶霍爾傳感器的無刷直流電機驅(qū)動原理、電流采樣原理等。本論文中STM32芯片不僅性能高同時它的本錢與功耗比擬低，STM32能夠完成復雜的PWM輸出，由于它內(nèi)部具有高級的定時器，例如死區(qū)時間設定、剎車功能、等都可以通過軟件設定，它不需要在搭建復雜的外圍電路。考察目前無刷直流電動機控制器的生產(chǎn)方案，設計出低本錢性能優(yōu)良的電動摩托車無刷直流電動機控制器，滿足相關技術指標符合根本要求。對一個無刷直流電機控制器設計進行深入的分析，探究把虛擬仿真設計運用到現(xiàn)實產(chǎn)品中設計，縮短開發(fā)周期和降低開發(fā)本錢，對加速電動車的推廣普具有重要的意義。在本論文中主要做以下內(nèi)容，熟悉無刷直流電機控制器的工作原理。比擬現(xiàn)在無刷直流電機控制器的方案的優(yōu)缺點，選擇最正確方案。設計適合自己需要的控制電路。把控制電路通過軟件仿真進行驗證設計。尋找適合于的開關電源并設計電源給芯片系統(tǒng)供電。2無刷直流電機控制系統(tǒng)的設計2.1.直流無刷電機的結(jié)構(gòu)我們先了解一下直流有刷電機的結(jié)構(gòu)，會發(fā)現(xiàn)無刷直流電機的優(yōu)越性。有刷電機的轉(zhuǎn)子和定子分別由繞組線圈(電樞)和永磁體構(gòu)成，采用機械換向器和電刷，這樣驅(qū)動會變得很簡單。如圖2.1所示。假設在電刷A、B兩端通入一定大小的直流電流，電機的換向器就會自動改變電機轉(zhuǎn)子的磁場方向，這樣就可以實現(xiàn)直流電機的轉(zhuǎn)子持續(xù)的運轉(zhuǎn)下去。圖2.1有刷直流電機結(jié)構(gòu)示意圖但是這樣的結(jié)構(gòu)存在一定的缺陷：(1)電刷在換向時極易產(chǎn)生電火花，在很多場所不適合使用。(2)電機長時間運轉(zhuǎn)電刷會磨損嚴重，需要經(jīng)常更換，這樣就提高了維護的本錢。無刷直流電機的示意圖如圖2.2所示，它主要由轉(zhuǎn)子(永磁體)、線圈繞組的定子和位置傳感器組成。無刷直流電機的結(jié)構(gòu)和有刷直流電機正好相反，有刷電機的定子是永磁體，轉(zhuǎn)子是繞組線圈，這種結(jié)構(gòu)使得無刷直流電機無需電刷和換向器，結(jié)構(gòu)簡單，無換向火花，運行可靠，易于維護。使得無刷直流電機的應用場合越來越廣泛，無刷直流電機沒有換向器和電刷，但是它有位置傳感器。這是因為無刷直流電機不能自動換向，所以無刷直流電機控制器的本錢提高了。圖2.2無刷直流電機示意圖圖2.2所示無刷直流電機為三相星型無刷直流電機，電動自行車上的無刷直流電機多采用這種電機。無刷直流電機具有以下優(yōu)點：(1電動車啟動時，無刷直流電機可以提供較大的啟動轉(zhuǎn)矩，到達一定速度需要時間較短；(2)由于無刷直流電機的過載能力強，所以電動車所承受的載荷大、爬坡有力；(3)無刷電機的電制動性好，無刷電機的制動可以發(fā)電，因此可以提供更多的電力使電動車行走的更遠；(4)無刷直流電機可靠性相對較高，無刷直流電機的驅(qū)動控制比擬簡單，所以無刷直流電機控制器的開發(fā)周期較短。目前用的較多的是霍爾位置傳感器。由于它的體積、信噪比擬適宜且不易受環(huán)境的影響，霍爾傳感器是以霍爾效應原理為根底工作的一種磁傳感器。可以檢測磁場及其變化，可在各種與磁場有關的場合中使用。它集成了穩(wěn)壓電路，輸出電壓正比于磁感應強度。2.2直流無刷電機的工作原理和控制方法由于無刷直流電機的定子是線圈繞組電樞，轉(zhuǎn)子是永磁體。如果只給電機通以固定的電流，那么電機只能產(chǎn)生不變的磁場，電機不能轉(zhuǎn)動起來，只有實時檢測電機轉(zhuǎn)子的位置，在根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置給電機的不同享通以對應的電流，使定子產(chǎn)生方向均勻變化的旋轉(zhuǎn)磁場，電機才可以跟著磁場轉(zhuǎn)動起來。無刷直流電機的電機轉(zhuǎn)動原理可以形象的理解為：定子的磁場方向和轉(zhuǎn)子的磁場方向不一致，而由于磁場的相互作用，轉(zhuǎn)子會轉(zhuǎn)動到定子的磁場方向上，使兩個磁場方向保持一致。這時，我們只要使定子的磁場方向以電機中心軸為軸心不斷地往一個方向改變，轉(zhuǎn)子就會跟著定子的磁場方向持續(xù)的轉(zhuǎn)動起來。在直流無刷電機中，通過位置傳感器輸出位置信號，電子換相電路根據(jù)輸出的位置信號驅(qū)動電樞線圈繞組對應的功率開關管，各相繞組輪流通電，在電機定子上產(chǎn)生跳變的旋轉(zhuǎn)磁場用以驅(qū)動永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動位置傳感器輸出具有周期性變化的位置信號，驅(qū)動電路以位置信號為基準改變電樞繞組的通電狀態(tài)，從而某一磁極下導體中的電流方向始終保持不變，這就是為什么叫做無刷直流電機，圖2.4為直流無刷電機的工作原理框圖。圖2.3直流電機工作原理框圖無刷直流電機常用的是三相繞組，而電動自行車所用電機也是三相繞組，本文所有相關的論述都是圍繞三相繞組分析的。無刷直流電機繞組的連接方式有兩種：星型鏈接和三角形鏈接。電動自行車電機采用的是星型鏈接?？刂撇}沖的寬度，波信號占空比也會隨著變化而變化，且兩者同向變化，電機的轉(zhuǎn)速大小隨著繞組線圈的電流增大而增大。所以，增大波占空比就可以增大三相逆變器控制電機電樞上壓，電機的轉(zhuǎn)速也就會增大。通過軟件編程改變波脈沖寬度，就可以改變無刷直流電機電樞上的電壓，從而改變電機轉(zhuǎn)速的變化。2.3單片機選型方案一：選用STC89C52單片機，STC公司生產(chǎn)的一種高性能、低功耗的8位微控制器。增強型8051單片機；能夠提供8K字節(jié)的程序存儲空間；512字節(jié)數(shù)據(jù)存儲空間；內(nèi)帶4K字節(jié)EEPROM存儲空間；可直接使用串口下載；32個I/O口；MAX810復位電路；3個16位定時器/計數(shù)器；4個外部中斷；一個7向量4級中斷結(jié)構(gòu)；最高運作頻率35MHz。圖2.4STC89C52原理圖方案二：選用飛思卡爾公司的K60微控制器，F(xiàn)reescale公司的32位KinetisK60系列MCU。工作電壓為1.71-3.6V；閃存的寫電壓為1.71-3.6V；采用了ARMCortex-M4內(nèi)核；可提供高達180MHz的時鐘頻率；用于工業(yè)自動化環(huán)境中的精確的、實時的時間控制；硬件加密支持多個算法，以最小的CPU負載提供快速、平安的數(shù)據(jù)傳輸和存儲；系統(tǒng)平安模塊包括平安密鑰存儲和硬件篡改檢測，提供用于頻率、電壓、外部傳感〔用于物理攻擊檢測〕和溫度的傳感器。方案三：選用TI公司的16位MSP430F5529微控制器。超低功率，230μA/MHz，1.9μA待機模式；從待機模式喚醒僅需<5μs；統(tǒng)一時鐘系統(tǒng)UCS；真正32位RTC帶鬧鐘；256KB的Flash存儲空間；16KB的RAM存儲空間；25MHz主頻。方案四：ST公司的32位STM32F103ZET6微控制器。1〕時鐘頻率：最高72M，1.25DMIPS/MHz；2〕工作電壓：2-3.6V；3〕存儲資源：最高512kBFlash，64kBRAM，〔本系統(tǒng)使用芯片為512kBFlash，64kBRAM〕；4〕接口資源：最多3xSPI，5xUSART，2xI2S，2xI2C，1xFSMC，1xLCD，1xSDIO，1xUSB，1xCAN；5〕串口USART3支持IrDA功能；6〕模數(shù)轉(zhuǎn)換：多達3xAD〔12位，1us，分時16通道〕，2xDA〔10位〕；7〕調(diào)試下載：支持JTAG/SWD接口的調(diào)試下載，支持IAP；8〕IO數(shù)量：本系統(tǒng)采用LQFP144封裝，有120個IO口。圖2.5STM32F103ZET6原理圖圖2.6STM32F103ZET6實物圖綜上所述，經(jīng)過分析本設計選用方案四STM32F103ZET6單片機，完全可以滿足無刷直流電機控制器的設計，且性價比教高。2.4無刷直流電機選型方案一：選用nidec的24H677H010無刷直流電機。Nidec為日本品牌尼德科公司，著名無刷直流電機廠家。該電機供電電壓為12V，能夠?qū)崿F(xiàn)正反轉(zhuǎn)、急停、PWM調(diào)速的功能。24H677H010無刷直流電機的引線圖如圖2.6所示。圖2.724H677H010無刷直流電機引線圖當剎車引線為低電平時進行剎車，高電平時釋放。外接PWM信號調(diào)速，最低頻率330HZ，推薦頻率為20~30KHZ。正反轉(zhuǎn)控制為高電平時正轉(zhuǎn)，低電平時反轉(zhuǎn)。在空載時轉(zhuǎn)速最高到達4800r/min，空載電流為180mA。電機高度為34mm，直徑為42mm，軸長17mm，軸徑4mm。價格在15元左右。該電機的內(nèi)部電路實物圖如2.7所示。圖2.824H677H010無刷直流電機內(nèi)部電路實物圖方案二：WONSAMRT公司的WS3240-12型號的無刷直流電機。供電電壓為12V，電機重量90g，空載轉(zhuǎn)速為3000-22000rpm，空載電流0.05-0.41A。負載轉(zhuǎn)速為2200-15500rpm，負載電流0.27-2.12A，負載功率3-26W。電機實物圖如圖2.8所示。圖2.9WS3240-12電機實物圖接線端子有8根線，其中三相12V電源線3根，霍爾測速電路中電源和地線各一根，另外還有三根霍爾信號線輸出。此電機自帶霍爾傳感器，使用方便，價格較低。最終本設計采用此電機。方案三：JK57BLS005型號的無刷直流電機。該電機的額定轉(zhuǎn)速為4000rpm，額定電流為0.64A。該電機體積小，重量輕，出力大，無級調(diào)速，調(diào)速范圍大，能夠軟啟動，制動特性好。該電機的實物圖如圖2.9所示。圖2.10JK57BLS005無刷直流電機3系統(tǒng)硬件電路的設計3.1硬件系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計本系統(tǒng)以STM32F103單片機為主控芯片，對整個系統(tǒng)進行控制，由電池模塊對整個電路系統(tǒng)進行供電，保證系統(tǒng)能夠正常工作。然后由調(diào)速轉(zhuǎn)把能夠能夠得到電機理想到達的轉(zhuǎn)速，經(jīng)過STM32主控制器處理后輸出相應的PWM波控制電機的轉(zhuǎn)速，然而這還并不能夠使電機到達理想中想要的轉(zhuǎn)速，需要經(jīng)過霍爾測速后經(jīng)過負反應調(diào)節(jié)進一步調(diào)節(jié)電機的速度，以到達理想到達的轉(zhuǎn)速。當按下剎車系統(tǒng)時，電機停轉(zhuǎn)。其中，系統(tǒng)的硬件總體框圖如圖3.1所示。圖3.1系統(tǒng)硬件總體框圖3.2電源電路設計電機驅(qū)動需要12V的直流電源。但是STM32等芯片需要+3.3V的電壓,同時電路板總電流必須小于1A，所以我們需要進行電源電路設計。保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行的關鍵是穩(wěn)定的電源供應。開關穩(wěn)壓電源小型輕量且效率比擬高。這種優(yōu)點剛好適應電子設備的輕、短、小與節(jié)能等的要求，所以他應用范圍比擬廣。圖3.212V轉(zhuǎn)換為5V電源電路如圖3.2所示，從12V電源轉(zhuǎn)換為5V電源使用的為LM2596開關電源電路，能夠有效地減少電源中紋波的產(chǎn)生。本系統(tǒng)中5V轉(zhuǎn)3.3V使用的為三端集成穩(wěn)壓器LM1117-3.3V電壓轉(zhuǎn)換電路，具體電路圖如下列圖3.3所示。圖3.35V轉(zhuǎn)3.3V電壓轉(zhuǎn)換電路電壓轉(zhuǎn)換芯片LM1117MPX-3.3V的作用是將輸入的5V直流電壓轉(zhuǎn)化為3.3V模擬電壓。是一般解決電壓轉(zhuǎn)換我們首選LM1117系列電壓轉(zhuǎn)換芯片方案，因為它其具有低壓降電壓調(diào)節(jié)，多型號多種電壓輸出可供選擇，由上圖可知，前端采用旁路去耦電容濾波器在5V輸入前，并聯(lián)一個電解電容C17和電容C13﹑C14這樣可以保證電壓的輸入穩(wěn)定。解電容在電源濾波電路中的作用是起退耦﹑隔直流﹑濾高頻信號燈，在直流電路中做為濾波電容，它能起到很好的濾高頻作用。而C13﹑C14主要是用于低頻濾波，這樣使得電路電壓頻率相集中，很好的降低了電壓頻率的干擾，能夠給STM32單片機和其它一些電路供電。3.3無刷直流電機霍爾位置傳感器接口電路設計我們選用的電機的中自帶的霍爾傳位置感器是由5V的電源驅(qū)動，由于偶然因素電源正負極的我們可能會插錯，所以我們加了一只二極管，霍爾位置傳感器是開漏輸出的，所以必須接上拉電阻，一上拉電阻中的電流一般我們?nèi)?mA到2mA，這樣就能保證頻率響應，這樣單片機供電電壓為3.3V，霍爾位置傳感器添加低通RC濾波器處理，因為無刷電機中的強磁場以及無刷電機控制器PWM載波頻率的回產(chǎn)生干擾。本文電機采用的三個霍爾元件依次相差120。定子側(cè)安裝在電角度,根據(jù)各個開關管的觸發(fā)信號控制其通斷。霍爾信號的采集接口電路如圖3.4所示。圖3.4無刷直流電機霍爾位置傳感器接口電路3.4剎車電路設計在電動車中，剎車系統(tǒng)是必不可少的，而且靈敏度也決定了電車的平安性能。電動摩托車剎車時除了機械剎車同時給出了12V的剎車信號，在機械剎車的同時控制器輸出應該關閉，否那么可能會損壞電機，我們要設計一個電路把剎車信號控制控制器關閉輸出，只要把PWM信號輸出控制鎖定或者速度給定電壓給拉低，使得速度給定功率輸出為0或者PWM輸出信號失效。當剎車時同時把速度輸入的模擬信號拉低使得速度檢測輸入為0，當剎車時剎車信號輸入電壓為12V在穩(wěn)壓二極管D11(1N4734為5.6V穩(wěn)壓二極管)上的壓降約5.6V，通過電阻分壓后節(jié)點BREK的電壓為3.2V，QB1、QB2導通使得COMP和VCON拉低。COMP拉低使得PWM輸出信號失效使得MOSFET關閉控制器無功率輸出，VCON的工作是輸入信號電壓約為0.7V~2.1V所以拉低時約為0.7V所以速度輸入也為0，他們都能到達制動的目的。剎車電路如圖3.5如示圖3.5剎車和速度調(diào)節(jié)電路3.5過流保護電路我們再生活中電動車會經(jīng)常超負載運行，比方爬行在坡度較大的路段時這樣可能會發(fā)生過電流流現(xiàn)象,長此以往這種狀態(tài)會危害電動機的使用壽命甚至損壞電動機,因為當電機的電流過高時，有燒壞電機的可能，在電動車運行時會很危險，因此需要設計電路來進行過流保護。過流保護電路如圖3.6所示。圖3.6過流保護電路原理圖當電動機高速旋轉(zhuǎn)時和電動機低速旋轉(zhuǎn)都會出現(xiàn)主電路電流電機“過流〞，但它們原因有所不同。因此在電路設計的時候引入一個“硬件過流保護模塊〞,當超過主電路的電流時,產(chǎn)生過流保護信號,關斷功率開關管。通過改變直流側(cè)電壓的大小來調(diào)節(jié)速度,當直流電機帶載低速轉(zhuǎn)動或那么電機空載高速轉(zhuǎn)動時，其電流會超過額定電流倍甚至更高，這樣電路中設計過流保護，就可以防止因電流過大而燒壞電機以及驅(qū)動電路。當電機帶負載運行時，會出現(xiàn)電流過大的現(xiàn)象，如果電機長期處于這種狀態(tài)下運轉(zhuǎn)，就會對電機造成較大的損壞，導致電機的壽命縮短，所以，設計電路時，需要對電流進行監(jiān)測，一旦發(fā)生過流現(xiàn)象，就通過軟件編程，降低波占空比，從而減小電流。圖3.6所示的LM358是常用的雙運放放大電路，LM358內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增益模組,音頻放大器、工業(yè)控制、DC增益部件和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。3.6三相全橋驅(qū)動電路電機的速度是由PWM波控制的，而PWM波是由微控制器產(chǎn)生的。如圖3.7所示，在芯片內(nèi)部波信號是電流調(diào)節(jié)器產(chǎn)生的電壓信號同載波信號作比擬產(chǎn)生，用于控制三相逆變電路中各個管的通斷?？刂撇}沖寬度，波信號占空比隨著變化而變化，且兩者同向變化，電機的轉(zhuǎn)速隨著繞組線圈的電流增大而增大。因此，增大PWM波占空比，就可以增大三相逆變器控制電機電樞上壓，電機的轉(zhuǎn)速就會增大。微控制器通過軟件編程改變波脈沖寬度，即可改變無刷直流電機電樞上的平均電壓，從而實現(xiàn)電機轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)。電機沒一時刻只有兩相通電，并且用PWM調(diào)制，使之可以控制電機的相電壓，三相橋上半橋PWM調(diào)制，而下半橋不調(diào)制，全時間導通。這樣，當三相橋在PWM無效時，可以為電機繞組續(xù)六提供條件。三相全橋的優(yōu)勢在于能能控制相電流大小和方向。其中電機驅(qū)動是由6個MOS管組成，實現(xiàn)三相六步控制無刷直流電機的正反轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，其中這6個MOS管分別有STM32F103單片機產(chǎn)生的6路PWM信號控制。其中三相全橋驅(qū)動電路如圖3.7所示。圖3.7三相全橋驅(qū)動電路3.7過壓、欠壓保護電路當電路出現(xiàn)短路或其他故障，電源電壓可能很短時間的內(nèi)出現(xiàn)大幅度下降，這樣會給電機以及驅(qū)動板造成損害。為防止這種情況出現(xiàn)，我們設計了過壓、欠壓欠壓保護電路。其中欠壓、過壓電路如圖3.9所示。圖3.9過壓、欠壓保護電路過壓保護電壓我們可以設定為15v.欠壓保護設定為9v，分析后得知我們采用分壓方式，這樣可以間接獲得電樞上的實際電壓，把采樣電壓送到放大器LM258，最后送到單片機進行電壓采樣。這樣當電機電樞電壓低于9V時，電機就會停止工作。電機電樞電壓高于時15V，電時機自啟動，電機又始工作。當電源電壓過高時，一旦電壓超過，此時采樣信號會送到芯片，控制器會停止輸出波，從而起到保護電機和控制板作用。當直流電機轉(zhuǎn)動,可以通過電流檢測信號反應給STM32，這樣可以得到電流反應和完成電路保護。STM32還監(jiān)控調(diào)速系統(tǒng)的運行狀態(tài)，當系統(tǒng)出現(xiàn)短路﹑過壓，過流等故障時及時封鎖PWM信號，使電機停止工作，并產(chǎn)生報警。硬件電路是控制系統(tǒng)的根底和前提,所有的控制程序都是編寫在硬件電路的根底上。位置信號檢測電路能保證電機正確換相,電流檢測結(jié)果的準確性是正常運轉(zhuǎn)的前提，同時它也是確保硬件過電流保護起作用的條件,在電流檢測電路中,我們要合理選擇了放大器的反應電阻值,當過電流現(xiàn)象發(fā)生時,電流采樣值在左右,經(jīng)過比擬器會得到一個低電平信號,這樣就可以成功實施硬件保護。本章根據(jù)電機控制系統(tǒng)硬件設計總體需求，搭建了為核心的硬件平臺。基于平臺，設計電機驅(qū)動主電路、調(diào)速電路、過壓、欠壓、過流保護等電路，實現(xiàn)了電機恒轉(zhuǎn)速控制。4系統(tǒng)軟件設計由于控制算法中無法預知摩托車載重量、道路情況天氣狀況等需許多因素都會影響電動摩托車的速度。在輸入一定的功率時會有不同的速度輸出，根據(jù)P=FV可知，當載重量很大時摩擦力也會很大，由于功率一定，那么速度就小，同樣當載重量小時摩擦力小那么速度就大。通過上面的說明我們可知不適合選擇對速度加以嚴格的控制，所以我們采用查表的方式在某一個調(diào)速轉(zhuǎn)把電壓輸入域內(nèi)對應一個占空比固定的PWM輸出到達控制的目的?？刂葡到y(tǒng)工作的過程可以簡單描述為，通過上位機軟件發(fā)送命令給微處理器，實現(xiàn)電機的啟動、停止、正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速。微處理器根據(jù)命令來控制驅(qū)動電路的開關，控制驅(qū)動電路的開關再控制電機的運行，位置檢測電路可以提供無刷直流電機的轉(zhuǎn)子位置信息，我們可以根據(jù)轉(zhuǎn)子信息來計算電機的轉(zhuǎn)速，同時可以根據(jù)轉(zhuǎn)子位置信息，我們就知道換相時刻，這樣可以控制對應相開關通斷，信號采集電路提供電機運行時電流、電壓信息。無刷直流電機控制器通過調(diào)速轉(zhuǎn)把得到調(diào)速信息，剎車時給控制器一個12V的控制電壓，電動摩托車無刷直流電機控制器內(nèi)部功能模塊圖4.1如下：圖4.1無刷直流電機控制器功能模塊4.1系統(tǒng)整體軟件設計軟件設計總體框架與思路如圖4.2所示。啟動只要主動讀出一次電機的當前的霍爾傳感器的狀態(tài)，再根據(jù)狀態(tài)輸出對應的PWM即可，只要輸出的PWM足夠大，電機就開始轉(zhuǎn)動，到第一次觸發(fā)了霍爾傳感器的跳變就進入轉(zhuǎn)向中斷進行連續(xù)的換向電機就可以開始平穩(wěn)的轉(zhuǎn)動。由于不知道電機在啟動時所帶的負載有多大，所以這里采用了PWM逐漸增大的方案，在第一次觸發(fā)傳感器中斷之前，說明這時的PWM的占空比剛剛好足夠大，可以帶動當前電機的負載。在第一次進入霍爾傳感器中斷時，就可以退出啟動過程了。圖4.2軟件系統(tǒng)總體框圖主程序主要進行初始化操作，包括軟件模塊初始化和硬件系統(tǒng)初始化，處理用戶命令〔包括啟動、停止、調(diào)速等〕，輸出電機的運行信息。中斷函數(shù)主要是提供延時，按延時周期采集速度、電流值，進行速度調(diào)節(jié)。軟件系統(tǒng)利用定時器TIM2的捕獲功能捕獲三相反電動勢過零點信號，提供換相時刻信息。TIM2中斷效勞程序用來讀取保存兩相反電動勢過零點信號的時間間隔，我們利用這個時間間隔來計算轉(zhuǎn)子的速度。高級定時器TIM1用來產(chǎn)生六路PWM。軟件系統(tǒng)的設計想法是分模塊設計，把一些功能相對獨立的模塊單獨編寫實現(xiàn)，包括PWM換相，轉(zhuǎn)子速度的計算，電流電壓值的采樣計算等。不要忽略了STM32F103定時器的強大功能。4.2直流無刷電機控制的軟件設計由電機的PWM示意圖可知，電機的每一時刻只有兩相通電，并且用PWM進行調(diào)制，使之可以控制電機的相電壓，在本設計中，使用的是三相橋上半橋PWM調(diào)制，而下半橋不調(diào)制，全時間導通。這樣，當三相橋上半橋在PWM無效時，可以為電機繞組續(xù)流提供條件。其中電機PWM示意圖和霍爾傳感器輸出波形如圖4.3所示。圖4.3電機PWM示意圖和霍爾傳感器輸出波形在霍爾傳感器輸出波形圖中可以看到，電機轉(zhuǎn)子的位置和三個霍爾傳感器的輸出一一對應，其輸出碼表如表4.1所示。并且當電機的任何一個霍爾傳感器的電平邊緣發(fā)生變化，說明電機需要新的相序，使電機可以轉(zhuǎn)動到下一個位置。表4.1霍爾傳感器輸出波形當前相碼〔U-V-W〕當前相序T10012T20113T30104T41105T51006T61011所以，控制器就可以使用外部中斷對三個霍爾傳感器進行實時監(jiān)測，其中一個霍爾傳感器的電平發(fā)生翻轉(zhuǎn)時，就可以查看這三個霍爾傳感器的組合，然后查表，得到電機下一個的通電相序，得到新的相序后，就馬上輸出新的相序，依次循環(huán)，電機就可以平穩(wěn)地轉(zhuǎn)動了，其中控制流程圖如圖4.4所示。圖4.4電機控制流程圖在程序設計的過程中,首先要上電復位,然后初始化時鐘和中斷源,再翻開中斷,當檢測到轉(zhuǎn)把的輸人電壓時,將該電壓經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后按算法計算出PWM的占空比輸出PWM波。隨后采樣位置傳感器產(chǎn)生霍爾信號,將該信號的狀態(tài)與電機固定的相位序列進行比擬,判斷電機的相位是否正確。假設正確,輸出波PWM,否那么,重新復位。欠壓檢測是根據(jù)需要設定欠壓值,然后采樣當前電源電壓,假設電壓低于設定值,那么關閉輸出,相反,那么進行限流保護檢測。限流保護檢測是把電壓傳感器康銅絲上的電壓經(jīng)放大、A/D轉(zhuǎn)換后與設定的電流限定值進行比擬,假設高于最高限定值,那么關閉輸出,反之,那么正常運行。在運行的過程中應時刻檢測是否有剎車信號輸人,假設有剎車信號輸人,那么關閉輸出。4.3系統(tǒng)各局部功能在軟件中的實現(xiàn)4.4.1驅(qū)動控制驅(qū)動控制通過查表實現(xiàn)霍爾元件狀態(tài)到輸出狀態(tài)的轉(zhuǎn)換。直流無刷電機的3個霍爾元件組合起來有8種狀態(tài),其中6種是有效的,對應1個輸出的狀態(tài)。這6個狀態(tài)對應沒有明顯的簡單數(shù)量關系,所以要實現(xiàn)映射,查表是最快捷的方式。假設電機需要反轉(zhuǎn),只需增加一個反轉(zhuǎn)狀態(tài)表即可。正反轉(zhuǎn)驅(qū)動只在于電流換相順序的不同,反映到程序中僅在查表處有區(qū)別,所以正反轉(zhuǎn)可共用一個驅(qū)動程序。4.4.2啟動理論上講,轉(zhuǎn)子位置過磁場換相臨界點時,電流換相的速度越快越好。根據(jù)這一想法,可以將霍爾信號的改變設置為中斷,從而轉(zhuǎn)子的換相可以得到立即響應。但是在電動自行車控制場合,這樣的想法是沒有必要的。電動自行車直流無刷電機的轉(zhuǎn)速相對來說很低。設電動自行車運行在最高速20km/s(這是國家法律規(guī)定的速度限制),而其使用的小徑輪胎0.6m,那么霍爾信號改變的時間為0.244s。這個時間遠遠大于單片機主程序循環(huán)一周需要的時間(約0.001s),所以將霍爾元件信號狀態(tài)的檢測工作放在主程序中即可。這樣做的好處是可以減小中斷程序的執(zhí)行時間,程序運行更加流暢。4.4.3PWM中斷時間控制中斷時間的控制與定時器時間控制相似。定時器在每個時間周期增加1。它在計數(shù)滿后復位到00h重新開始,同時產(chǎn)生一個中斷信號。假設想控制定時器定時時間,可以在其中斷程序里面將定時器置數(shù),定時器便從這個數(shù)開始計數(shù)直到溢出。這樣定時時間可以由這個寫入定時器存放器的數(shù)值控制。須注意對有的定時器計數(shù)值存放器寫的時候,會把預分頻值去除,因此必須在寫計數(shù)值的同時重新寫預分頻值控制字。PWM中斷的發(fā)生與定時器不同的是:它的發(fā)生不是由于定時器溢出,而是由于定時器TIMER2與PWM周期存放器PR2值相等。因此,要在中斷程序中控制下次PWM中斷的時間有兩個方法:一是改變PR2值,一是對TIMER2置數(shù),改變其初始值。值得注意的是:改變TIMER2會連帶將其預分頻值改變?yōu)槟J值,因此需要同時修改預分頻值才能到達預想的效果。4.4.4剎車控制剎車控制在主程序里面,主程序時刻檢測剎車信號,當有剎車信號,關斷波的輸出假設沒有剎車信號,根據(jù)轉(zhuǎn)把輸入的電壓,控制波的輸出。4.4.5PWM脈寬時間算法PWM周期和占空比計算公式為:PWM周期=[(PR2)+l]*4*TOSC*(TMR2預分頻值)，TOSC為晶振周期；PWM占空比=(CCPRIL:CCPICON<5:4>)*TOSC*(TMR2預分頻值)。4.4STM32檢測霍爾信號和輸出PWM軟件設計系統(tǒng)軟件按順序掃描控制的模式編制。軟件定時器根據(jù)調(diào)速要求產(chǎn)生直流斬波電壓，采用中斷方式運行，改變斬波電壓只需在對應單元寫入控制值。三相位置輸入信號經(jīng)簡單查表運算產(chǎn)生對應的輸出邏輯。剎車信號、過流信號和欠壓信號順次讀入，并進行相應處理。4.5.1STM32的TIM3產(chǎn)生6路PWM信號控制無刷直流電機程序其實通過由微控制器輸出6路PWM波，經(jīng)過電機驅(qū)動器然后有電機驅(qū)動器驅(qū)動電機，電機的速度是通過改變PWM波的占空比來改變的。下面為其中一路PWM的城工程voidmotor(u16duty)//電機控制程序{ for(x=0;x<5;x++) { TIM_SetCompare1(TIM3,duty);//通過設置duty值設置占空比 TIM_SetCompare2(TIM3,900); }GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_Disable,ENABLE);//使能配置GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_6|GPIO_Pin_7);//引腳置位}PWM控制電機速度的軟件流程圖如圖4.5所示。圖4.5PWM控制電機速度軟件流程圖4,5.2STM32的TIM4輸入捕獲霍爾信號速度采集程序是主要是輸入捕獲的程序，通過輸入捕獲測量輸入的脈沖數(shù)，可以得到一定時間內(nèi)的脈沖數(shù)，再進一步可以轉(zhuǎn)化為電機的轉(zhuǎn)速。s32 TIM4CH3_CAPTURE_VAL; //輸入捕獲計數(shù)值voidTIM4_IRQHandler(void)//輸入捕獲中斷函數(shù){ if(TIM_GetITStatus(TIM4,TIM_IT_CC3)!=RESET)//判斷輸入捕獲引腳是否有置位發(fā)生 { TIM4CH3_CAPTURE_VAL++;//沒有的話，計數(shù)值加1 if(TIM4CH3_CAPTURE_VAL==0xffff) TIM_Cmd(TIM4,DISABLE); } TIM_ClearITPendingBit(TIM4,TIM_IT_CC3);//去除引腳輸入捕獲功能}電機速度采集軟件流程圖如圖4.6所示。圖4.6電機速度采集軟件流程5.總結(jié)和展望目前隨著電機技術和相關控制技術的迅速開展，無刷直流電機在工業(yè)控制等諸許多領域得到得到了廣泛的應用。傳統(tǒng)的無刷直流電機控制系統(tǒng)通過安裝轉(zhuǎn)子位置傳感器來取得換相信息。由于各種先進控制理論、數(shù)字信號處理器〔DSP〕的開展，電機控制方法的開展也進入了一個新的階段。因此，本論文的研究具有一定的現(xiàn)實意義和廣泛的商業(yè)應用前景。本論文以無刷直流電機為主要研究對象，對無刷直流電機控制和結(jié)構(gòu)進行了比擬深入的研究，學習了電機學的根本知識，了解了普通電機的結(jié)構(gòu)和工作原理以及控制方式。在此根底上深入的研究無刷直流電機的根本結(jié)構(gòu)和工作原理。通過閱讀一些關于無刷直流電機控制系統(tǒng)的文獻，分析目前直流無刷電機的現(xiàn)狀、成果、以及未來開展的方向等。本文設計的無刷直流電機控制取得了一些比擬有意義的研究成果，但是鑒于時間和作者水平的限制，本文設計的無刷直流電機控制系統(tǒng)有進一步改善的余地，。我通過仿真加深了對無刷直流電機控制器原理的認識，通過仿真的分析結(jié)果來指導實踐，通過相關技術實現(xiàn)控制各種本錢如：研發(fā)、生產(chǎn)、采購本錢等。解決了一些生產(chǎn)實踐中的問題，通過RCC式開關電源低本錢解決了系統(tǒng)控制電源問題，并分析了電路。采用了現(xiàn)代化的電子開發(fā)的模式，采用模擬替代仿真的開發(fā)模式，通過仿真實現(xiàn)、掌握根本原理加深理解并指導實踐。在本文開發(fā)過程中仿真電路中采用電阻替代電機，采用小功率電源替代鋰電池，這樣可以防止因為電池短路所造成的危險，控制小功率電機替代控制大功率電機實現(xiàn)控制理論的驗證，這些方法在調(diào)試中減少了MOSFET的消耗。由于電動摩托車的大批量生產(chǎn)，人們會越來越重視動力電池充電器對電池壽命的影響，一個成熟的產(chǎn)品只有通過嚴格的檢測，才能保證產(chǎn)品獲得用戶的認可，這樣才能進一步占領市場。智能的檢測系統(tǒng)很有必要。因為檢