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无刷直流电机控制器的设计

3.1无刷直流电机控制器的概述

无刷直流电动机兼有直流电动机调整和起动性能好以及异步电动机结构简

单无需维护的优点，因而在高可靠性的电机调速领域中获得了广泛应用。在电机

转速控制方面，绝大多数场合数字调速系统已取代模拟调速系统。目前，数字调

速系统主要采用两种控制方案:一种采用专用集成电路。这种方案可以降低设备

投资，提高装置的可靠性，但不够灵活。另一种是以微处理器为控制核心构成硬

件系统。这种方案可以编程控制，应用范围广，且灵活方便。

电机控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中

心，它主要完成以下功能：对各种信号进行逻辑综合，以给驱动电路提供各种控

制信号；产生PWM调制信号，实现电机的调速；对电机进行速度环和电流环调节，

使系统具有较好的动态和静态性能；实现短路、过流、欠压、堵转等故障保护功

能。

现代控制技术的发展与微处理器的发展息息相关，可以说，每一次微处理器

的进步都推动了控制技术的一次飞跃。在微处理器出现之前，控制器只能由模拟

系统构成。由模拟器件构成的控制器只能实现简单的控制，功能单一、升级换代

困难，而且由分立器件构成的系统控制精度不高，温度漂移，器件老化严重，使

得维护成本增高，限制了它的发展和应用范围。随着微处理器的迅速发展和推广，

控制器由模拟式转换成了数模混合式，并进一步发展到全数字式，技术的进步使

得许多模拟器件难以实现的功能都可以方便地用软件实现，使系统的可靠性和智

能化水平大大提高。在电机转速控制方面，绝大多数场合数字调速系统已取代模

拟调速系统。目前，数字调速系统主要采用两种控制方案：一种采用专用集成电

路。这种方案可以降低设备投资，提高装置的可靠性，但不够灵活。另一种是以

微处理器为控制核心构成硬件系统。这种方案可以编程控制，应用范围广，且灵

活方便[9][10]。

控制器是电动自行车的驱动系统，它是电动自行车的大脑。其主要作用是在

保证电动自行车正常工作的前提下，提高电机和蓄电池的效率、节省能源、保护

电机及蓄电池，以及降低电动自行车在受到破坏时的损伤程度。

目前，市场上常用的电动自行车无刷直流电机控制器主要采用专用集成电路

为主控芯片，像MOTOLORA公司研制的专用集成电路MC33035，其工作原理是用

电子装置代替电刷控制电机线圈电流换向，根据电机内的位置传感器(霍尔传感

器)信号，决定换相的顺序和时间，从而决定电机的转向和转速。该控制系统的

缺点是智能性差，保护措施有限，系统升级空间小。

近几年，国外一些大公司纷纷推出较MCU性能更加优越的DSP(数字信号处

理器)芯片电机控制器，如ADI公司的ADMC3xx系列，TI公司的TMS320C2xx系

列及Motorola公司的DSP56F8xx系列，都是由一个以DSP为基础的内核，配以

电机控制所需的外围功能电路，集成在单一芯片内，使体积缩小，结构紧凑，使

用便捷，可靠性提高。但是这些专用芯片价格昂贵，外围电路设计复杂，在广大

的民用市场无法大规模推广应用。采用单片机为主控芯片，如MSSl系列、AVRxx

系列、PICxx系列等等，这类芯片响应速度快、功耗低、体积小、价格低廉且组

成系统时所需的外围器件少等特点[3]。它们将是未来电动自行车无刷电机控制

器主控芯片的发展方向，拥有广阔的市场前景。

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(EmbeddedController)。本文研究

的电动自行车车用的无刷直流电机控制器系统是以选取Microchip公司的一款

具有极高性能价格比的PIC系列单片机PICl6F72做为主控芯片，用编程的方法

来模拟无刷电机的控制逻辑，其特点是使用灵活，通过修改程序可适应不同规格

的无刷电机，增加系统功能方便，通常将此类控制器称为数字式控制器；并且采

用速度、电流双闭环控制策略，增强系统抗干扰能力，提高电机的运行效率，同

时加入一些保护功能，如欠压保护、过电流保护、堵转保护等等，使系统设计更

合理化、人性化。系统采用软件编程的方法来模拟无刷电机的控制逻辑，其特点

是使用灵活，通过修改程序可适应不同规格的无刷电机，增加系统功能方便。

第三章无刷直流电机控制器硬件设计

3.1单片机的选择