电动自行车控制器的设计

摘要

近年来，燃油交通工具因尾气排放问题己造成了城市空气的严重污染。于是发展绿色交通工具已成为一个重要的课题。考虑到我国目前的国情，发展电动自行车具有重要的环保意义。而且灵活、轻巧、“零排放”、价格低廉等优点，将使电动自行车迅速得到普及。

本课题采用stc12c5410ad作为主控芯片。在硬件方面，进行了微控制单元电路设计、转子位置信号采集电路设计、电源电路设计、系统硬件保护电路设计、三相全桥逆变电路设计和逆变器驱动电路设计。采用霍尔传感器作为电机转子位置传感器，微控制单元根据转子位置信号向驱动电路传递PWM(脉宽调制)信号、逆变器上下臂驱动信号控制电机。在软件方面利用C语言，采用模块化编程和结构化编程。根据无刷直流电机的控制原理，对系统的控制部分进行了详细分析。利用数字PI控制理论实现电机速度的闭环调制，提出了一种电机控制系统的接线模式自识别功能设计方案，能够自动识别电机的换相角度、霍尔相位和电机输出相位。在系统可靠性方面：设计了系统的欠压、过流和堵转保护。

本课题所设计的控制器保护功能较完善、硬件结构简单、成本较低，具有升级空间。

关键词　单片机  电动自行车  控制系统  无刷直流电机

目　录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1　课题的研究背景及发展状况 1

1.1.1选题背景 1

1.1.2　发展状况 1

1.1.3　发展前景 2

1.2　电动自行车组成部分及其特点 3

1.3　电机控制技术的发展 3

1.3.1　功率半导体器件与驱动电路的发展 3

1.3.2　电机控制器的发展 4

1.4　本论文的主要工作 5

第二章　设计方案论证 6

2.１　电机特性分析 6

2.1.1　稀土永磁无刷直流电机的基本结构 6

2.1.2　电机的基本工作原理 7

2.1.3　三相无刷直流电机星形连接全桥驱动原理 7

2.2　直流电动机的PWM调速原理 9

2.3　主芯片的选择 10

2.4　数字PI速度调节 11

2.4.1 PID基本原理 11

2.4.2 PID各环节的作用 11

2.4.3 PID算法程序的设计 12

2.4.4　数字PI速度调节器设计 14

第三章 系统硬件设计 15

3.1　硬件系统概述 15

3.2　信号检测电路设计 15

3.2.1　位置检测 15

3.2.2　电流检测 16

3.2.3　速度检测 17

3.3　三相全桥逆变电路及其功率驱动的设计 18

3.4　电路保护 19

3.4.1　欠压过流保护 19

3.4.2　堵转保护 19

3.4.3　硬件自检保护 20

3.4.4　短路保护 20

3.5　电路电源 20

第四章　系统软件设计 22

4.1　主程序的设计 22

4.2　各功能模块的设计思想 22

4.2.1　位置检测模块 22

4.2.2　换相控制模块 23

4.2.3　A/D采样模块 24

4.2.4　电流调节器的实现 25

第五章 设计总结 27

致谢 28

参考文献 29

附录A 原理图 30

附录B PCB板 31

附录C 部分程序代码 32