基于PIC单片机的电动自行车控制系统设计

摘 要：介绍以单片机PICl6F72为核心的电动自行车用无刷直流电动机控制系统的设计。该系统采用电流与速度双闭环控制的结构，其中电流调节器用传统的PI调节器，速度调节器为改进的PI调节器。实验验证了此设计方案的可行性和优越性，即控制电路简洁，器件少，成本低，保护措施可靠，提高了系统的控制精度。该设计对无刷直流电机在其他领域的应用有一定的帮助和借鉴，具有广泛的现实意义。该系统速度环采用改进型的PI调节器控制，且通过软件运用算法测速，实现转速反馈，既简化电路又节省成本。
关键词：电动自行车；控制系统；无刷直流电动机；PIC16F72；PID控制

0 引 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。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)。在此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系统。

1 PIC16F72单片机的功能简介
    PIC16F72单片机内部有2 KB的FLASH程序存储器和128 B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，内置的外围含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。该系统利用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 电动自行车控制系统的设计方案
2．1 系统的硬件设计与原理
    这里设计的电动自行车控制系统主要由以下几部分组成：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；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；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6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实现的，由PIC自带的A／D进行采样、转换。无刷直流电机的速度、电流双闭环控制如图2所示。

2．2 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120°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，该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，该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，通过测量电阻的电压，来测量直流回路的电流，这种方案对于A／D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。该系统采用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6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。因此该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。该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)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算法的表达式为：

    
    式中：e(t)是输入；u(t)起控制作用；Kp为比例系数；Ti为积分时间常数。
    增量型算法表达式为：

    该系统电流调节器用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算法即积分分离PI算法实现。该算法的表达式为：

    积分分离算法要设置积分分离阀E0，| e(kT)|≤E0时，采用PI控制可保证系统的控制精度；当|e(kT)|≥E0时，也即偏差较大时，采用P控制直接使超调量大为降低。
2．3 系统软件设计与实验结果
    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。该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和图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。

    该系统采用36 V，250 W的无刷直流电机，用示波器测得电机某相在V1，V2(V1<V2)转速下电压波形如图5和图6所示。

    由图5和图6可知，V1转速下该相导通时间比V2转速下短，即一个周期内该相电压有效值U1<U2，满足系统设计要求。

3 结 语
    这里设计的基于PIC16F72单片机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。该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。