無刷直流電動機控制有哪些設計方案
來源：深圳市鑫海文科技有限公司|發布時間：2019-11-21 23:24
無刷直流電動機系統的組成
無刷直流電動機(Brushless DC Motor，簡稱BLDCM)是一種典型的機電一體化產品，它是由電動機本體、位置檢測器、逆變器和控制器組成的自同步電動機系統或自控式變頻同步電動機.位置檢測器檢測轉子磁極的位置信號，控制器對轉子位置信號進行邏輯處理并產生相應的開關信號，開關信號以一定的順序觸發逆變器中的功率開關器件，將電源功率以一定的邏輯關系分配給電動機定子各相繞組，使電動機產生持續不斷的轉矩.
現對無刷直流電動機各部分的基本結構說明如下。
1.電機本體
無刷直流電動機最初的設計思想來自普通的有刷直流電動機，不同的是將直流電動機的定子、轉子位置進行了互換，其轉子為永磁結構，產生氣隙磁通;定子為電樞，有多相對稱繞組。原直流電動機的電刷和機械換向器被逆變器和轉子位置檢測器所代替。所以無刷直流電動機的電機本體實際上是一種永磁同步電機。由于無刷直流電動機的電機本體為永磁電機，所以無刷直流電動機也稱為永磁無刷直流電動機。
定子的結構與普通同步電動機或感應電動機相同，鐵心中嵌有多相對稱繞組。繞組可以接成星形或三角形，并分別與逆變器中的各開關管相連，三相無刷直流電動機最為常見。
2.逆變器
目前，無刷直流電動機的逆變器主開關一般采用IGBT或功率MOSFET等全控型器件，有些主電路已有集成的功率模塊(PIC)和智能功率模塊(IPM)，選用這些模塊可以提高系統的可靠性。
無刷直流電動機定子繞組的相數可以有不同的選擇，繞組的連接方式也有星形和角型之分，而逆變器又有半橋型和全橋型兩種。不同的組合使電動機產生不同的性能和成本。綜合以下三個指標有助于我們做出 正確的選擇：
(1)繞組利用率。
與普通直流電動機不同，無刷直流電動機的繞組是斷續通電的。適當地提高繞組利用率將可以使同時通電的導體數增加，使電阻下降，效率提高。從這個角度來看，三相繞組優于四相和五相繞組。
(2)轉矩脈動。
無刷直流電動機的輸出轉矩脈動比普通直流電動機的轉矩脈動大。一般相數越多，轉矩的脈動越小;采用橋式主電路比采用非橋式主電路的轉矩脈動小。
(3)電路成本。
相數越多，逆變器電路使用的開關管越多，成本越高。橋式主電路所用的開關管比半橋式多一倍，成本要高;多相電動機的逆變器結構復雜，成本也高。因此，目前以星形連接三相橋式主電路應用最多。
3.位置檢測器
位置檢測器的作用是檢測轉子磁極相對與定子繞組的位置信號，為逆變器提供正確的換相信息。位置檢測包括有位置傳感器和無位置傳感器檢測兩種方式。
轉子位置傳感器也由定子和轉子兩部分組成，其轉子與電機本體同軸，以跟蹤電機本體轉子磁極的位置;其定子固定在電機本體定子或端蓋上，以檢測和輸出轉子位置信號。轉子位置傳感器的種類包括磁敏式、電磁式、光電式、接近開關式、正余弦旋轉變壓器式以及編碼器等。
在無刷直流電動機系統中安裝機械式位置傳感器解決了電機轉子位置的檢測問題。但是位置傳感器的存在增加了系統的成本和體積，降低了系統可靠性，限制了無刷直流電動機的應用范圍，對電機的制造工藝也帶來了不利的影響。因此，國內外對無刷直流電動機的無位置運行方式給予高度重視。
無機械式位置傳感器轉子位置檢測是通過檢測和計算與轉子位置有關的物理量間接地獲得轉子位置信息，主要有反電動勢檢測法、續流二極管工作狀態檢測法、定子三次諧波檢測法和瞬時電壓方程法等。
4.控制器
控制器是無刷直流電動機正常運行并實現各種調速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能：
(1)對轉子位置檢測器輸出的信號、PWM調制信號、正反轉和停車信號進行邏輯綜合，為驅動電路提供各開關管的斬波信號和選通信號，實現電機的正反轉及停車控制。
(2)產生PWM調制信號，使電機的電壓隨給定速度信號而自動變化，實現電機開環調速。
(3)對電動機進行速度閉環調節和電流閉環調節，使系統具有較好的動態和靜態性能。
(4)實現短路、過流、過電壓和欠電壓等故障保護電路。
2.2 無刷直流電動機控制系統設計方案
2.2.1 設計方案比較
無刷直流電動機兼有直流電動機調整和起動性能好以及異步電動機結構簡單無需維護的優點，因而在高可靠性的電機調速領域中獲得了廣泛應用。在電機轉速控制方面，絕大多數場合數字調速系統已取代模擬調速系統。目前，數字調速系統主要采用兩種控制方案:一種采用專用集成電路。這種方案可以降低設備投資，提高裝置的可靠性，但不夠靈活。另一種是以微處理器為控制核心構成硬件系統。這種方案 可以編程控制，應用范圍廣，且靈活方便。
電機控制器是無刷直流電動機正常運行并實現各種調速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下功能:對各種輸入信號進行邏輯綜合，為驅動電路提供各種控制信號;產生PWM脈寬調制信號，實現電機的調速;實現短路、過流、欠壓等故障保護功能。
控制器是電動自行車的驅動系統，它是電動自行車的大腦。其主要作用是在保證電動自行車正常工作的前提下，提高電機和蓄電池的效率、節省能源、保護電機及蓄電池，以及降低電動自行車在受到破壞時的損傷程度。
目前，市場上常用的電動自行車無刷直流電機控制器主要采用專用集成電路為主控芯片，像MOTOLORA公司研制的專用集成電路MC33035，其針對無刷電機的控制要求，將控制邏輯集成在芯片內，一般該類控制器稱為模擬式控制器，其工作原理是用電子裝置代替電刷控制電機線圈電流換向，根據電機內的位置傳感器(霍爾傳感器)信號，決定換相的順序和時間，從而決定電機的轉向和轉速。該控制系統的缺點是智能性差，保護措施有限，系統升級空間小。
本設計采用單片機作為主控芯片，用編程的方法來模擬無刷電機的控制邏輯，其特點是使用靈活，通過修改程序可適應不同規格的無刷電機，增加系統功能方便，通常將此類控制器稱為數字式控制器。
近幾年，國外一些大公司紛紛推出較MCU性能更加優越的DSP(數字信號處理器)芯片電機控制器，如ADI公司的ADMC3xx系列，TI公司的TMS320C24
系列及Motorola公司的DSP56F8xx系列，都是由一個以DSP為基礎的內核，配以電機控制所需的外圍功能電路，集成在單一芯片內，使體積縮小，結構緊湊，使用便捷，可靠性提高。但是這些專用芯片價格昂貴，外圍電路設計復雜，在廣大的民用市場無法大規模推廣應用。
無刷電機控制方法主要分為有位置傳感器控制和無位置傳感器控制兩種。在有位置傳感器的控制方法中，現今，由于霍爾傳感器性價比高，安裝
方便，被廣泛應用作為無刷直流電機的位置傳感器。當前，國內外對無刷直流電機無位置傳感器的控制方法主要有反電勢法、定子三次諧波法、續流二極管檢測法、脈沖檢測法神經網絡控制法等。但是由于無位置傳感器控制方法在低速時無法實現精確的速度調制，所以現階段在電動車領域只是處于研究階段，無法推廣到工業生產當中。
2.2.2 無刷直流電動機控制系統組成框圖
基于2.2.1節的考慮，可繪出無刷直流電動機控制系統框圖，如圖2-1所示:
圖2-1 電動機驅動控制框圖
(1)微控制器
主要功能是根據電動機旋轉方向的要求和來自霍爾轉子位置傳感器的三個輸出信號，將它們處理成功率驅動單元的六個功率開關器件所要求的驅動順序。微控制器的另一個重要作用是根據電壓、電流和轉速等反饋模擬信號，以及隨機發出的制動信號，經過AD變換和必要的運算后，借助內置的時鐘信號產生一個帶有上述各種信息的脈寬調制信號。
(2)功率驅動單元
主要包括功率開關器件組成的三相全橋逆變電路和自舉電路。自舉電路由分立器件構成的，也可以采用專門的集成模塊等高性能驅動集成電路。
(3)位置傳感器
位置傳感器在無刷直流電動機中起著測定轉子磁極位置的作用，為邏輯開關電路提供正確的換相信息。
(4)周邊輔助、保護電路
主要有電流采樣電路、電壓比較電路、過電流保護電路、調速信號和制動信號等輸入電路。
第3章 無刷直流電動機硬件設計
3.1 逆變主電路設計
3.1.1 功率開關主電路
圖3-1 功率開關主電路原理圖
逆變器將直流電轉換成交流電向電機供電。與一般逆變器不同，它的輸出頻率不是獨立調節的，而是受控于轉子位置信號，是一個“自控式逆變器”。由于采用自控式逆變器，無刷直流電動機輸入電流的頻率和電機轉速始終保持同步，電機和逆變器不會產生振蕩和失步，這也是無刷直流電動機的重要優點之一。
3.1.2 逆變開關元件選擇和計算
MOSFET在1960年由貝爾實驗室(Bell Lab.)的D. Kahng和 Martin Atalla首次實驗成功，這種元件的操作原理和1947年蕭克萊(William Shockley)等人發明的雙載子晶體管(Bipolar Junction Transistor， BJT)截然不同，且因為制造成本低廉與使用面積較小、高整合度的優勢，在大型積體電路(Large-Scale Integrated Circuits， LSI)或是超大型積體電路(Very Large-Scale Integrated Circuits， VLSI)的領域里，重要性遠超過BJT。
近年來由于MOSFET元件的性能逐漸提升，除了傳統上應用于諸如微處理器、微控制器等數位訊號處理的場合上，也有越來越多類比訊號處理的積體電路可以用MOSFET來實現。
表3-1對IGBT、GTR、GTO 和電力MOSFET的優缺點的比較
通過上述的比較，我選擇MOSFET。
電樞額定電流IaH=8.5A，因為每個控制元件導通120o，所以控制元件的峰值電流可以由以下方程算出。
，通過計算可得I=25.5A，
額定電壓UH=36V，峰值電壓應有一個百分之40的余量所以 UM=UH*1.4=36*1.4=50.4V
通過以上計算，可得出選擇的MOSFET峰值電流為25A，峰值電壓為50V。
3.2 逆變開關管驅動電路設計
3.2.1 IR2110功能介紹
(1) IR2110的特點有：輸出驅動隔離電壓可達500V;芯片自身的門輸入驅動范圍為10~20V;輸入端帶施密特觸發電器;可實現兩路分立的驅動輸出，可驅動高壓高頻器件，如IGBT、功率MOSFET等，且工作頻率高可達500KHz ，開通、關斷延遲小，分別為120ns和94ns;邏輯電源的輸入范圍(腳9)5~15V，可方便的與TTL，CMOS電平相匹配。
(2) IR2110 主要功能及技術參數
IR2110 采用CMOS 工藝制作，邏輯電源電壓范圍為5 V～20 V ，適應TTL 或CMOS 邏輯信號輸入，具有獨立的高端和低端2 個輸出通道。由于邏輯信號均通過電平耦合電路連接到各自的通道上，容許邏輯電路參考地(USS) 與功率電路參考地(COM) 之間有- 5 V和+ 5 V 的偏移量，并且能屏蔽小于50 ns 的脈沖，這樣有較理想的抗噪聲效果。采用CMOS 施密特觸發輸入，以提高電路抗干擾能力。
IR2110 浮置電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達500 V ，工作頻率可達到500 kHz。兩路通道均帶有滯后欠壓鎖定功能。其推薦典型工作參數如表3-2所示。
表3-2 IR2110 工作參數
(3)IR2110內部功能如圖3-2所示：
圖3-2 IR2110內部框圖
LO (引腳1) :低端輸出
COM(引腳2) :公共端
Vcc(引腳3) :低端固定電源電壓
Nc (引腳4) :空端
Vs (引腳5) :高端浮置電源偏移電壓
VB (引腳6) :高端浮置電源電壓
HO (引腳7) :高端輸出
Nc (引腳8) :空端
VDD(引腳9) :邏輯電源電壓
HIN(引腳10):邏輯高端輸入
SD (引腳11):關斷
LIN(引腳12):邏輯低端輸入
Vss(引腳13):邏輯電路地電位端，其值可以為0V
Nc (引腳14):空端[#page#]
功能概述
IR2110驅動器將邏輯輸入信號送到相應的低阻抗輸出。高端輸出HO和低端基準輸出LO分別以浮置電位VBS和固定電位Vcc為基準。邏輯電路為兩路輸出提供相應的控制脈沖。HO和LO輸出分別與HIN和LIN輸入同相位。當SD輸入高電平時兩路均關閉。
當VDD低于欠電壓閥值時，欠電壓UV檢測電路關閉兩路輸出。同樣，當VBS低于規定的欠電壓點時，欠電壓檢測電路也會使高端輸出中斷。邏輯輸入采用帶有0.1VDD滯后的施密特觸發電路，以提高抗擾能力。高抗噪聲平移位電路將邏輯信號送到輸出驅動級。
低端延時電路可簡化控制脈沖定時要求，兩路輸出的傳播延時匹配的。當Vs為500V或接近500V時，高端功率MOSFET關斷。輸出驅動MOSFET接成源極跟隨器，另一只輸出驅動MOSFET接成共源極電路，高端的脈沖發生器驅動HV電平轉化器并觸發RS閂鎖置位或復位。由于每個高電壓DMOS電平轉換器僅在
很狹窄的脈沖持續期內才導通，所以功率很低。
3.2.2 自舉電路原理
圖3-3 驅動電路
以一相為例，如圖3-3所示，當下管導通上管截止時，IR2110LO輸出為高，HO為低，隔離二極管導通，自舉電容C8充電，三極管C極電壓近似等于電源正極電壓;當下管截止上管導通時，隔離二極管D2截止，自居電容C8儲存的電荷給三極管C極供電，IR211HO為高，三極管導通，驅動MOSFET管柵極，使上管保持導通。
3.3 單片機的選擇
目前，市場上有很多無刷電機專用控制芯片，大部分電動車生產廠商采用Motorola公司的MC3303無刷電機專用控制芯片，它具有無刷直流電機控制系統所需要的基本功能。本設計采用PIC16F72單片機作為主控芯片，不僅可以實現專用控制芯片MC33035的全部功能，而且容易實現系統擴展，通過軟硬件設計，實現多功能的電機控制。
單片機選擇依據：
(1)性能因素。通過對該系統分析，8位單片機可以滿足系統控制精度的要求。由于整個系統有多種模擬參數需要轉換成數字量，因此選用的單片機應該有多通道A/D轉換模塊。在無刷電機控制中，脈寬調制PWM ( PulseWidth Modulation)技術廣泛應用，因此所選單片機應具有脈寬調制輸出端口。
(2)安全因素。電子產品的安全性是一個非常重要的環節，作為控制系統的核心，單片機的安全性必須達到系統要求。
(3)價格因素。考慮到該設計要與市場接軌，因此價格問題尤為重要，要選擇一個性價比較高的單片機，包括單片機的單片價格和開發系統的造價。
3.3.1 PIC單片機特點：
PIC (Periphery Interface Chip)系列單片機是美國Microchip公司生產的產品。PIC單片機以其獨特的硬件系統和指令系統的設計，逐漸被廣大工程設計人員接受Microchip公司是一家集開發、研制和生產為一體的專業單片機芯片制造商，其產品綜合應用系統設計的思路，具有很強的技術特色。產品采用全新的流水線結構，單字節指令體系，嵌入Flash以及10位A/D轉換器。使之具有卓越的性能，代表著單片機發展新的潮流。PIC系列單片機具有高，中，低3個檔次，可以滿足不同用戶開發的需求，適合在各個領域中的應用。PIC系列單片機具有如下特點:
(1)單片機種類豐富
PIC最大的特點是不搞單純的功能堆積，而是從實際出發，重視產品的性能與價格比，靠發展多種型號來滿足不同層次的應用要求。就實際而言，不同的應用對單片機功能和資源的需求也是不同的。
(2) 哈佛總線結構
如圖3-4所示，PIC系列單片機在普林斯頓體系結構和哈佛體系結構的基礎上采用獨特的哈佛總線結構，徹底將芯片內部的數據總線和指令總線分離，為采用不同的字節寬度，有效擴展指令的字長奠定了技術基礎。
圖3-4 PIC系列單片機哈佛總線結構
(3) RISC技術
RISC (Reduced Instruction Set Computer)是指精簡指令集計算機。RISC技術并非只是簡單地去減少指令，而是著眼于如何改善計算機的結構，更加簡單合理地提高計算機的運算速度。PICF877單片機指令集系統只有35條指令，全部采用單字節指令，而且除4條判斷轉移指令發生間跳外，均為單周期指令，執行速度較高。
(4)指令特色
PIC系列單片機的指令系統具有尋址方式簡單和代碼壓縮率高等優點。
(5)功耗低
由于PIC系列單片機采用CMOS結構，使其功率消耗極低。
(6)驅動能力強
PIC系列單片機I/O端口驅動負載的能力較強，每個輸出引腳可以驅動多達20-25mA的負載，既能夠高電平直接驅動發光二極管LED、光電耦合器、小型繼電器等，也可以低電平直接驅動，這樣可以大大簡化控制電路。
(7)同步串行數據傳送方式
可以滿足主控/從動和主控總線要求。
(8)應用平臺界面友好，開發方便
Microchip公司為用戶提供了周全的技術方案，不管是對初學者還是后續的應用開發，都提供了完善的硬件和軟件支持，包括各種檔次的硬件仿真器和編程器。
(9)程序存儲器版本齊全
Microchip公司提供的產品是一個單片機系列，可供選擇的存儲器類別和產品封裝工藝的形式較多，為產品的不同試驗階段和不同應用場合可提供一個全方位的選擇內容和不同的性能檔次。
3.3.2 PIC16F72單片機管腳排列及功能定義
圖3-5 PIC16F72單片機管腳圖
(1)MCLR:清除(復位)輸入。
其中MCLR為低電平時，對芯片復位;該管腳的電壓不能超過VDD，否則會進入測試方式。
(2)RA0-RA5：雙向可編程，亦可作為并行口。
電池欠壓信號：電池電壓經分壓后接單片機管腳3。
轉把復位信號：由單片機的第4腳讀入
剎車信號：剎車信號由單片機的第5腳讀入。
(3)OSC1、OSC2：為振蕩器晶振。
(4)RC0-RC7：數字I/O
(5)RB0-RB7：數字I/O
(6)VDD：+5V電壓輸入
3.3.3 PIC16F72單片機的功能特性
(1)功能部件特性
·帶8位AID轉換輸入
·高驅動電流，I/O腳可直接驅動數碼管(LED)顯示每個I/O引腳最大灌電流25mA;每個I/O引腳最大拉電流25mA
·雙向可獨立編程設置I/O引腳
·8位定時器/計數器TMRO，帶8位預分頻
·有1路捕捉輸入/比較輸出/PWM輸出(CCP)
·16位定時器/計數器TMR 1，睡眠中仍可計數
·8位定時器/計數器 TMR2，帶有8位的周期寄存器及預分頻器和后分頻器
(2)微控制器特性
·內置上電復位電路(POR)
·上電定時器，保障工作電壓的穩定建立
·振蕩定時器，保障振蕩的穩定建立
·斷電復位鎖定，即當芯片電源電壓下降到某一值以后時，使芯片保持復位，當電源電壓恢復正常后恢復運行
·內置自振式(RC振蕩)看門狗
·程序保密位，可防程序代碼的非法拷貝
·掉電保護電路
·在線串行編程
3.3.4 PWM信號在PIC單片機中的處理
改變直流電動機轉速的方法分為勵磁控制法(控制磁通)與電樞電壓控制法(改變電樞端電壓)。在眾多的電樞電壓控制方法中，脈寬調制 PWM( PulseWidth Modulation)技術因為需用的大功率可控器件少、線路簡單、調速范圍寬、電流波形系數好、附加損耗小、功率因數高的優點，從而得到廣泛應用。
CCP(捕捉輸入/比較輸出//PWM輸出)模塊是PIC16F72芯片的重要組成部分，它有3種工作方式:捕捉方式、輸出比較方式和脈寬調制方式。當處于脈寬調制工作方式時，可以在引腳輸出分辨率高達10位的PWM信號。用程序語句控制PWM信號的周期和高電平持續時間，從而控制電機電樞電壓，即可達到調速目的。
3.3.5 時鐘電路
如圖3-5所示，單片機的9、10腳外接16Mhz晶體。
圖3-5 時鐘電路圖
3.3.6 復位電路
如圖3-6所示，與單片機1腳外接
圖3-6 復位電路圖
3.4 人機接口電路
3.4.1 轉把和剎車
1 轉把
圖3-7 轉把圖
調速轉把是利用線性霍爾元件實現的，其輸出電壓隨著磁場的線性變化而改變，將此電壓輸入給控制器，實現調速功能。
如圖3-7所示，轉動轉把，改變了霍耳元件周圍的磁場強度，也就改變了霍耳轉把的輸出電壓。然后把這個電壓輸入控制器，控制器再根據這個信號的大小進行PWM脈寬調制，從而控制功率管的導通關閉的比例以控制電機轉速的大小。
2 剎車
圖3-8 剎車圖
電動自行車標準要求電動車在剎車制動時，控制器應能自動切斷對電動機的供電。因此電動自行車閘把上應該有閘把位置傳感元件，在捏制動把時，將制動信號傳給控制器，電路根據預設程序發出指令，立即切斷基極驅動電流，使功率截止，停止供電。因而，既保護了功率管本身，又保護了電動機，也防止了電源的浪費。
在電動車實際使用當中，普遍采用機械觸點開關，平時常開，剎車時信號線對地短路作為剎車信號，即低電位剎車。同時也有少數高檔車采用霍爾元件做開關，剎車時輸出高電平給控制器，實現剎車斷電功能，即高電位剎車，也稱之為電子剎把。它的特點是可靠性高，但價格昂貴。
3.4.2 顯示電路
本系統采用3個發光二極管作為面板指示燈，如圖所示。面板顯示電路主要由單片機的普通1/O口串行輸出，由串入并出芯片74LS164進行串并轉換，采用發光二極管進行顯示。
面板顯示電路如圖3-9所示：
圖3-9 面板顯示電路圖
1 74LS164引腳圖
74LS164為8位移位寄存器(串行輸入，并行輸出)
圖3-10 74LS164引腳圖
如圖3-10所示，當清除端(CLEAR)為低電平時，輸出端(QA-QH)均為低電平。串行數據輸入端(A，B)可控制數據。當 A、B 任意一個為低電平，則禁止新數據輸入，在時鐘端(CLOCK)脈沖上升沿作用下輸出為低電平。當 A、B有一個為高電平，則另一個就允許輸入數據，并在CLOCK上升沿作用下決定輸出的狀態。
引出端符號
CLOCK ：時鐘輸入端。
CLEAR ：同步清除輸入端(高電平有效)A，B 串行數據輸入端。
QA-QH :輸出端。
2 面板指示燈狀態定義
面板指示燈狀態定義如表3-3
表3-3
3.5 門陣列可編程器件GAL16V8
3.5.1 GAL16V8圖及引腳功能[#page#]
圖3-11 GAL16V8引腳功能圖
表3-4 GAL16V8(門陣列可編程器件)引腳名稱及功能
GAL器件是從PAL發展過來的，PAL器件的出現為數字電路的研制工作和小批量產品的生產提供了很大的方便。但是，由于它采用的是雙極型熔絲工藝，一旦編程以后不能修改，因而不適應研制工作中經常修改電路的需要。
GAL有如下優點：
1.具有電可擦除的功能，克服了采用熔斷絲技術只能一次編程的缺點，其可改寫的次數超過100次;
2.由于采用了輸出宏單元結構，用戶可根據需要進行組態，一片GAL器件可以實現各種組態的PAL器件輸出結構的邏輯功能，給電路設計帶來極大的方便;
3.具有加密的功能，保護了知識產權;
4.在器件中開設了一個存儲區域用來存放識別標志——即電子標簽的功能。
GAL16V8主要是把驅動順序信號和帶有各種控制信息的脈寬調制PWM信號綜合成六個輸出驅動信號。
3.6 傳感器選擇
霍爾器件是一種磁傳感器。按照霍爾器件的功能可將它們分為:霍爾線性器件和霍爾開關器件。前者輸出模擬量，后者輸出數字量，可用于磁場的
測量和控制。霍爾器件具有許多優點，它們的體積小，重量輕，壽命長，安裝方便，功耗小，頻率高(可達1 MHz) ，耐震動，不怕灰塵、油污、水汽及鹽霧等的污染或腐蝕。霍爾開關器件無觸點、無磨損、輸出波形清晰、無抖動、無回跳、位置重復精度高。此外，其工作溫度范圍寬，可達-55 0C~150oC。
1 在無刷直流動機中常用的轉子位置傳感器
轉子位置傳感器是永磁無刷直流電機的關鍵部件。它對電機轉子位置進行檢測，其輸出信號經過邏輯變換后去控制開關管的通斷，使電機定子各相繞組按順序導通，保證電機連續工作。轉子位置傳感器也由定、轉子組成，其轉子與電機本體同軸，以跟蹤電機轉子的位置;其定子固定于電機本體定子或端蓋上，以感應和輸出轉子位置信號。轉子位置傳感器的主要技術指標為：輸出信號的幅值、精度，響應速度，工作溫度，抗干擾能力，損耗，體積重量，安裝方便性以及可靠性等。其種類包括磁敏式、電磁式、光電式、接近開關式、正余弦旋轉變壓器式以及編碼器等。
其中最常用的有以下幾種：
(1)霍爾元件式位置傳感器
霍爾元件式位置傳感器是磁敏式位置傳感器的一種。它是一種半導體器件，是利用霍爾效應制成的。當霍爾元件按要求通以電流并置于外磁場中，即輸出霍爾電勢信號，當其不受外磁場作用時，其輸出端無信號。用霍爾元件作轉子位置傳感器通常有兩種方式。第一種方式是將霍爾元件粘貼于電機端蓋內表面，靠近霍爾元件并與之有一小間隙處，安裝在與電機軸同軸的永磁體，如圖2.3所示。對于兩相導通星形三相六狀態無刷直流電機，三個霍爾元件在空間彼此相隔120°電角度，永磁體的極弧寬度為180°電角度。這樣，當電機轉子旋轉時，三個霍爾元件便交替輸出三個寬度為180°電角、相位互差120°電角的矩形波信號。
第二種方式是直接將霍爾元件敷貼在定子電樞鐵心氣隙表面或繞組端部緊靠鐵心處，利用電機轉子上的永磁體主極作為傳感器的永磁體，根據霍爾元件的輸出信號即可判斷轉子磁極位置，將信號放大處理后便可驅動逆變器工作。
如圖3-12所示，霍爾元件式位置傳感器結構簡單、體積小、價格低、可靠，但對工作溫度有一定要求，同時霍爾元件應靠近傳感器的永磁體，否則輸出信號電平太低，不能正常工作。因此，在對性能和環境要求不是很高的永磁無刷直流電機應用場合大量使用霍爾元件式位置傳感器。
圖3-12 霍爾元件式位置傳感器結構
(2)電磁式位置傳感器
電磁式位置傳感器的定子由磁芯、高頻激磁繞組和輸出繞組組成。轉子由扇形磁芯和非導磁襯套組成。電機運行時，輸入繞組中通以高頻激磁電流，當轉子扇形磁芯處在輸出繞組下面時，輸入和輸出繞組通過定、轉子磁芯耦合，輸出繞組中則感應出高頻信號，經濾波整形和邏輯處理后，即可控制逆變器工作。這種傳感器具有較高的強度，可經受較大的振動沖擊，故多用于航空航天領域。電磁式位置傳感器輸出信號較大，一般不需要經過放大便可直接驅動開關管，但此輸出電壓是交流，必須先整流。由于這種傳感器過于笨重復雜，因而大大限制了其在普通條件下的應用。
(3)光電式位置傳感器
光電式位置傳感器由固定在定子上的幾個光電耦合開關和固定在轉子軸上的遮光板所組成。幾個光電耦合開關沿圓周均布，每只光電耦合開關由相互對著的紅外發光二極管和光敏三極管組成。遮光盤處于發光二極管和光
敏三極管中間，盤上開有一定角度的窗口。紅外發光二極管通電后發出紅外光，當遮光盤隨電機轉子一同旋轉時，紅外光間斷的照在光敏三極管上，使
其不斷導通和截至，其輸出信號反應了轉子的位置，經過放大后去驅動逆變器開關管。光電式位置傳感器輕便可靠，安裝精度高，抗干擾能力強，調整方便，因此獲得了廣泛的應用。
近年來，無位置傳感器的永磁無刷直流電機發展比較快。它省去了轉子位置傳感器，
因而電機結構簡單、體積小、可靠性高。當電機體積較小、位置傳感器難以安裝時或電機工作在惡劣環境中以致于位置傳感器工作的可靠性難以保證時，這種無位置傳感器的永磁無刷直流電機更顯示出其獨特的優越性。無位置傳感器的無刷直流電機的主要弱點是起動轉矩比較低，一般只適用于空載或輕載條件下起動。當電機轉子采用永磁體勵磁時，永磁體 的強磁場使得電機在較低速度時就可以檢測到電樞繞組反電動勢，在較低轉速下實現電機的自同步運行狀態切換，從而加快電機的起動過程，實現寬的調速范圍。
2 霍爾器件在無刷直流電機中的應用
當霍爾傳感器用作無刷直流電機轉子位置信息檢測裝置時，將其安放在電機定子的適當位置，霍爾器件的輸出與控制部分相連。當無刷直流電機的永磁轉子經過霍爾器件附近時，永磁轉子的磁場令霍爾器件輸出一個電壓信號，該信號被送到控制部分，由控制部分發出信號使得定子繞組供電電路導通，給相應的定子繞組供電，從而產生和轉子磁場極性相同的磁場，推斥轉子繼續轉動。當轉子到下一位置時，前一位置的霍爾器件停止工作，下一位置的霍爾器件輸出電壓信號，控制部分使得對應定子繞組通電，產生推斥場使轉子繼續轉動，如此循環，維持電機運轉。
3.7 周邊保護電路
3.7.1 電流采樣及過電流保護
圖3-13 電流采樣及過流保護圖
1 電流信號
電機主回路電流信號經采樣電阻獲得。電流信號經過LM358放大，由單片機PIC16F72A/D通道RA1(管腳2)輸入，并進行控制處理。同時。電流采樣信號通過LM358與一固定電壓值比較，當電壓的電流過大時，LM358輸出高
電平，送入GAL16V8直接關斷輸出，進行邏輯保護。
2 電流采樣
通常對電機三相電流進行控制需要三個獨立的電流閉環，而永磁無刷直流電機采用兩相導通方式，即電機三相定子繞組在某一時刻只有兩相通電，導通的兩相繞組的電流大小相等，方向相反，因此任意時刻只需控制一個電流量。
電流采樣方式可采取直接采樣兩相電流的方法或采樣直流母線電流的方法。對于永磁無刷直流電機多采用后一種方法。采樣直流母線電流有兩種方法，一種是在待測電路上串入一個小電阻，用小電阻上的壓降反映電流的大小;另一種是采用電流傳感器。在電流較大，或要求電隔離的情況下，可以采用磁場平衡式霍爾電流傳感器。考慮到本控制系統的成本問題，本系統采用第一種電流采樣方式。
3 過流保護
過流保護電路可以對MOSFET進行保護，將最大電流控制在設定范圍內，當達到閥值時關閉電機，避免了MOSFET上通過大電流燒毀的危險。過流保護是控制器的最后防線，過流保護電阻用的是康銅絲，當系統電流超過最大保護電流值時，康銅絲會燒斷，從而起到保護作用。
圖3-14 過流保護原理圖
3.7.2 LM358雙運放大電路
LM358內部包括有兩個獨立的、高增益、內部頻率補償的雙運算放大器，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、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。
3.7.3 欠電壓保護
圖3-16 欠電壓保護電路圖
如圖3-17所示，電池電壓經分壓后接單片機RA1(管腳3)，由單片機采入進行監控。當電池電壓過低時給出欠壓信號，輸出截止，防止電池由于過放而損壞。對于無刷直流電機控制器，由于輸入控制變量比較多，控制器可以利用各種輸入信號對控制系統完成相當完善與靈活的保護，這些保護功能可以大大提高無刷直流電機控制器的可靠性。
3.8 電源電路
圖3-17 電源電路圖
如圖3-17所示，36V電池送入U13、U14、U15穩壓器輸出+15V和+5V給PIC單片機和IR2110供電。
第4章 無刷直流電動機軟件設計
該程序在設計的過程中， 首先要上電復位， 然后初始化時鐘和中斷源， 再打開中斷， 當檢測到轉把的輸人電壓時， 將該電壓經A/D轉換后按算法計算出PWM的占空比輸出PWM波。隨后采樣位置傳感器產生霍爾信號， 將該信號的狀態與電機固定的相位序列進行比較， 判斷電機的相位是否正確。若正確， 輸出波PWM， 否則， 重新復位。欠壓檢測是根據需要設定欠壓值， 然后采樣當前電源電壓， 若電壓低于設定值，則關閉輸出， 相反， 則進行限流保護檢測。限流保護檢測是把電壓傳感器康銅絲上的電壓經放大、A/D轉換后與設定的電流限定值進行比較， 若高于最高限定值， 則關閉輸出， 反之， 則正常運行。在運行的過程中應時刻檢測是否有剎車信號輸人， 若有剎車信號輸人， 則關閉輸出。
4.2 系統各部分功能在軟件中的實現
1 驅動控制
驅動控制通過查表實現霍爾元件狀態到輸出狀態的轉換。直流無刷電機的3個霍爾元件組合起來有8種狀態， 其中6種是有效的， 對應1個輸出的狀態。這6個狀態對應沒有明顯的簡單數量關系， 所以要實現映射， 查表是最快捷的方式。若電機需要反轉， 只需增加一個反轉狀態表即可。正反轉驅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別， 所以正反轉可共用一個驅動程序。
2 啟動
理論上講， 轉子位置過磁場換相臨界點時， 電流換相的速度越快越好。根據這一想法， 可以將霍爾信號的改變設置為中斷， 從而轉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(這是國家法律規定的速度限制)， 而其使用的小徑輪胎0.6m， 則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一周需要的時間(約0.001s)， 所以將霍爾元件信號狀態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行時間， 程序運行更加流暢。
3 PWM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。它在計數滿后復位到00h重新開始， 同時產生一個中斷信號。若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， 定時器便從這個數開始計數直到溢出。這樣定時時間可以由這個寫入定時器寄存器的數值控制。須注意對有的定時器計數值寄存器寫的時候， 會把預分頻值清除， 因此必須在寫計數值的同時重新寫預分頻值控制字。
PWM中斷的發生與定時器不同的是:它的發生不是由于定時器溢出， 而是由于定時器TIMER2與PWM周期寄存器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， 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為默認值， 因此需要同時修改預分頻值才能達到預想的效果。
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， 關斷波的輸出若沒有剎車信號， 根據轉把輸入的電壓， 控制波的輸出。
5 電源電壓檢測
電壓檢測也是在主程序里，電源電壓由于受到負載的影響， 因此檢測值需要結合電源負載電流情況來綜合判斷。
6 PWM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)。
4.3 軟件流程圖
系統軟件按順序掃描控制的模式編制。軟件定時器根據調速要求產生直流斬波電壓，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簡單查表運算產生對應的輸出邏輯。剎車信號、過流信號和欠壓信號順次讀入，并進行相應處理。
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