1前言

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[1]。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、哈佛双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)。本文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的系统。

2 PIC16F72单片机的功能简介

PIC16F72单片机内部有 2K的 FLASH程序存储器和 128Bytes的 RAM数据存储器；不仅采用精简指令集RISC技术，而且还采用哈佛双总线结构，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，内置的外围包括了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。本系统就是利用了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]。

3 电动自行车控制系统的设计方案

3.1系统的硬件设计与原理

基于用简单的硬件保证系统既定功能实现这一点，本文设计的电动自行车控制系统主要由以下几部分组成：（1）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；（2）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；（3）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六个功率场效应管，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来实现的，由PIC自带的A/D进行采样、转换。位置信号用于控制换相，由位置参数计算出电机转速，和给定转速信号进行比较，修正偏差产生电流参考量，再与电流反馈量进行比较，其偏差经电流调节后形成PWM占空比的控制量，实现电动机的速度与电流控制。无刷直流电机的速度、电流双闭环控制如图2所示。

图1 系统原理框图

图2无刷直流电机的速度、电流双闭环控制

3.2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 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来检测的，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，本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，本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，通过测量电阻上的电压，来测量直流回路的电流，这种方案对于AD/转换的精度和软件数据处理有一定要求，但是造价很低。

（3）驱动、逆变电路

本系统采用了MOSFET组成逆变器的变换电路。由于半桥逆变器的控制比较复杂，需要六组控制信号，电机三相绕组的工作也相对独立，必须对三相电流分别控制。而全桥逆变器的控制比较简单，只需三组独立控制信号，且任一时刻导通的两相电流相等，只要对其中一相电流进行控制，另外一相电流也得到了控制。因此本方案采用全桥逆变电路来控制各相位的导通，并选取美国国际整流公司推出的MOS功率器件专用的栅极驱动集成电路IR2132S。

（4）电机调速方案

直流无刷电动机可以通过改变电枢电路中的外串电阻或改变加在电动机电枢上的电压来调速。其中改变电枢电压调速的方法有稳定性较好、调速范围大的优点。本系统利用开关驱动方式使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制(PWM)来控制电动机电枢电压，实现调速。

常用的PID控制算法分为位置式控制算法和增量式控制算法。

位置型PI算法的表达式是:

(3.1)

其中。 是输入， 起控制作用， 为比例系数， 为积分时间常数。

增量型算法表达式是:

(3.2)

其中 ; 。

本系统电流调节器用PI调节器，速度调节器为改进的PI调节器，且都采用增量式控制算法。对于速度环的控制采用改进的PI算法——积分分离PI算法来实现。该算法的表达式为：

(3.3)

其中 。

积分分离算法要设置积分分离阀 ， 时，采用PI控制，可保证系统的控制精度；当 时，也即偏差较大时，采用P控制直接使超调量大为降低。

3.3 系统软件设计

软件设计是整个控制系统设计的核心部分，它将直接决定了整个控制系统的控制质量和它的效率，决定系统输出信号的特性，包括电流大小及稳定度、谐波含量、保护功能的完善、可靠性等。PIC芯片是在其专门的软件开发环境MPLAB进行程序编写与仿真的，这给开发者设计调试程序带来了极大的方便。本系统软件设计重点是主程序和中断服务程序，其流程图如图3、4所示，其中T0用于计算换相时间，且采用汇编语言编写程序。

图3 主程序流程图 图4 中断程序流程图

本系统采用36V，250W的无刷直流电机，用示波器测得电机在某一转速下的a、b、c三相电压波形图如图5所示。

a b c

图5 a、b、c三相电压波形图

4结论

本文设计的基于 PIC16F72单片机的电动自行车的无刷直流电机控制系统。充分利用了PIC单片机丰富的片 内资源，高效的运算处理能力 ，及便捷的 PWM功能，大大简化了硬件结构。系统总体设计遵循了可靠、简单 、实用的原则。本系统设计对无刷直流电机在其他领域实际的产品设计有一定的帮助和借鉴。

参考文献

[1]张深.直流无刷电动机原理与其应用[M].北京:机械工业出版社,2004.

[2]蔡纯洁,刑武.PIC16/17单片机原理和应用[M].第l版.合肥:中国科学技术大学出版社,1997.

[3]余永权,汪明慧,黄英.单片机在控制系统中的应用[M].北京,电子工业出版社，2003.

作者简介：李胤昌，男，1982年1月生，广东，硕士研究生，从事电机控制的研究；郑日荣，男，1964年生，副教授，工学博士，目前主要从事信息安全、空中机器人、免疫算法等的研究