基于單片機的電動摩托車無刷直流電機控制系統的設計

馬洪雨，帕孜來·馬合木提，李 倩

（1.新疆大學新疆 烏魯木齊 870047；2.北京大學 北京 100871）

基于單片機的電動摩托車無刷直流電機控制系統的設計

馬洪雨1，帕孜來·馬合木提1，李 倩2

（1.新疆大學新疆 烏魯木齊 870047；2.北京大學 北京 100871）

根據無刷直流電機的工作原理，設計了以PICl6F737單片機為核心的電動摩托車無刷直流電動機控制系統，給出了控制系統的硬件組成和軟件設計方法，可以實現調速、限速、定速功能，保護及輔助功能完善。通過對控制系統的靜態和動態調試表明系統性能良好，滿足設計要求，具有廣泛的現實意義。

電動摩托車；PIC16F737；無刷直流電機；PID控制

環境污染的不斷加劇和能源供應的日益緊缺［1-2］，電動摩托車作為代用燃料、使用新型能源的交通工具出現了并且逐。無刷直流電機是電動摩托車的主要部件，以其結構簡單、運行可靠、功率密度高、低轉速，輸出轉矩大等特點得到了廣泛應用［3-4］。根據無刷直流電機的工作原理，設計了一種以PIC16F737單片機為控制核心的電動摩托車無刷直流電機控制系統，給出了系統詳細的硬件電路和軟件設計方法。

1 技術要求及設計原理

技術要求：本文所設計的電動摩托車控制系統中的無刷直流電機額定電壓為48 V，額定功率為1 000 W，額定轉速為3 000 r/min，額定轉矩為1.6 N*m。速度實現方面具有調速、限速和巡航功能；保護方面具有柔性剎車、過流（堵轉）保護、欠壓保護和防盜保護等。

系統設計原理框圖如圖1所示。

系統以單片機為核心可分為：

1）控制核心單片機、+5 V電源電路及輔助電路組成。

2）驅動電路和逆變電路。

3）速度轉把、制動手柄信號及檢測電路。

4）保護電路及輔助功能性電路。

控制系統是由單片機依據轉速把信號、電機轉子位置信號和電流反饋信號輸出對應的波，通過驅動芯片，控制由六個功率場效應管的組成的三相全橋驅動電路［5］，從而對電機進行控制。如有異常信號發生，控制系統會產生相應保護動作。

圖1 系統的原理框圖Fig.1 Block diagram of the system

無刷直流電機是由電機本體、轉子位置檢測器和電子開關電路三者協同工作的過程，其工作原理如圖2所示。

圖2 無刷直流電機工作原理圖Fig.2 Block diagram of brushless DC motor

電機通電后，帶電的某一相的定子繞組形成的電流就會與轉子的磁場作用產生轉矩，由此驅動轉子運動，此時，轉子位置傳感器檢測到轉子磁鋼位置（處于變化狀態），通過邏輯變換，產生驅動信號控制功率管的通斷，電樞繞組逐步通電，這樣就可以在定子上產生旋轉磁場，推動定子旋轉。

綜合比較無刷直流電機的連接方式可知三相全橋星形連接的綜合性能最好。此外，最為常見的工作方式也是兩相導通星形三相六狀態［4-5］。文中電動摩托車無刷直流電機采用PWM控制策略，轉速電流雙閉環控制。

2 控制系統的關鍵硬件設計

1）單片機主控電路是整個控制系統的核心。其中單片機的各個接口連接如圖3所示。

2）檢測電路包括位置檢測電路、電流檢測電路、轉速限速剎車信號檢測和定速巡航信號檢測。

位置檢測電路是通過電機自身安裝的霍爾元件實現檢測功能的［7-8］，上拉電阻將輸出信號處理后得到方波信號（高低電平），該信號送至單片機的引腳作為控制依據。

圖3 單片機外接口電路Fig.3 External interface circuit of Microcontroller

電流檢測是通過分流電阻法實現的，電路由兩個運算放大器組成。所得到的信號是電壓信號，該電壓信號與電流是成正比的。

3）逆變電路選用多個并聯驅動的三相全橋控制方案，下橋臂按周期輪流導通，上橋臂采用PWM控制，通過驅動芯片分別驅動三相逆變電路中的6個功率開關管。

4）輔助電路包括過流保護電路、欠壓保護電流以及報警電路等輔助性功能電路。

3 控制系統的軟件設計

本系統結合PIC單片機的特點，在集成開發環境MPLAB IDE中完成的，使用C語言編程，包括主程序模塊和中斷服務程序模塊。

主程序主要完成初始化、電機的驅動、巡航等實時性要求比較低的流程，目的是負責各模塊間資源的任務調度。其中，初始化主要是完成系統、變量和寄存器、外圍模塊的初始化；電機驅動程序包括轉子位置檢測模塊、轉速計算模塊［9］、速度調節模塊、電流采樣模塊、電流調節模塊等，主程序流程圖和電機驅動流程圖分別如圖4和圖5所示。

中斷子程序主要完成一些實時性要求都非常高的任務，主要完成系統的保護功能，如剎車、過流保護、欠壓保護等保護模塊。中斷服務子程序由各功能模塊的相應中斷源提出申請，CPU實時響應。

中斷服務程序主要是完成一些實時性要求高的功能［6］，本系統的中斷服務程序主要是針對保護功能設計的，主要包括：過流及欠壓保護模塊、剎車模塊等。

圖4 主流程圖Fig.4 MainFlow chart of the software design

4 控制系統的調試

1）通過測試各個階段波形（起步階段、起步加速階段、低速穩定階段、再加速階段、中速穩定狀態、高速運行狀態）表明系統啟動平穩，能夠實現電壓電流波形對稱［10］，轉矩脈動和開關損耗很小。

2）測得10組電機性能數據，根據與計算所得理想數據比較可得系統系統可靠性強，能夠實現快速、精準的調速。

3）通過對樣車的實際操作和騎行檢測，表明系統運行狀態良好，保護措施嚴謹。

圖5 電機驅動流程圖Fig.5 Flow chart of the motor driving

圖6 中斷服務程序流程圖Fig.6 Flow chart of interrupt service program

5 結束語

該系統硬件設計采用以PIC16F737為控制核心的直流無刷電機控制系統，軟件部分以模塊化為設計原則，提高了控制系統的高可靠性和高智能化。通過對試驗樣車進行理論和實際的測試，表明整個控制系統設計簡潔、操作準確、穩定可靠、現場運行良好等特點，達到了設計要求。

［1］勞力.動力蓄電池管理系統SOC算法研究［D］.北京:北京交通大學，2005.

［2］陳清泉，詹宜居.21世紀的綠色交通工具—電動車［M］.北京:清華大學出版社，2000.

［3］葉金虎，徐思海，崔海大.無刷直流電動機［M］.北京:科學出版社，1982.

［4］孫廣星.無位置傳感器無刷直流電機控制系統研究［D］.湖北:華中科技大學，2007.

［5］楊光.電動車無刷直流電機無位置傳感器控制研究［D］.天津:天津大學碩士，2008.

［6］劉錚.基于的電動自行車控制器［D］.天津:天津大學，2007.

［7］鐘曉偉，宋蟄存，許剛.電動自行車用無刷直流電機控制系統設計［J］.電機與控制應用，2011，38（1）:20-24.

［8］李胤昌，鄭日榮.基于單片機的電動自行車控制系統設計［J］.現代電子技術，2009，32（8）:136-138.

［9］徐擁軍，謝書鴻，栗鳴，等.基于OPPC的溫度和應力光纖光柵傳感技術［J］.供用電，2013（2）：40-45.

［10］王亮，王文策，程斌，等.基于Simulink的發電機勵磁系統整流單元的建模與仿真［J］.陜西電力，2011（7）：25-28.

Design of brushless DC motor control system for electric motorcycle based on PIC

MA Hong-yu1，PAZILAT Mahemuti1，LI Qian2
（1.XinjiangUniversity，Urumqi 830047，China；2.Peking University，Beijing 100871，China）

According to the controlling strategy of BLDCM，a brushless DC motorof electric motorcycle control system based on PIC16F737 microcontroller was designed，a detail ofhardware circuit andsoftware design methods were given，This system can realize regulation speed，speed limit and stationary speed and has perfect function of protection and assistance.Static and dynamic test of the control system were completed.Experiments show that the control system has a good performance，meet the requirements，the devise have definite practical value.

electric motorcycle；PIC16F737；BLDCM；PID control

TN710

A

1674－6236（2016）04-0168-03

2015-03-25 稿件編號：201503354

馬洪雨（1986—），男，吉林延吉人，碩士研究生。研究方向：過程檢測、診斷與控制技術。