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基于PIC16F72单片机的无刷直流电动机控制系统设计

内容摘要

目前，无刷直流电动机应用非常广泛，在节能成为时代主题的今天，无刷直流电动机高效率的特点更显示其巨大的应用价值。本设计是把无刷直流电动机作为电动自行车控制系统的驱动电动机，以PIC16F72单片机为主要控制电路，通过软件编程来控制无刷直流电动机的传动，主要进行了电动机控制系统方案总体设计，并进行了控制系统的硬件设计以及控制系统的软件设计。

关键词：无刷直流电动机；单片机；霍尔位置传感器；电动自行车

目录

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内容摘要 1

1绪论 3

1.1课题的背景及意义 3

1.2国内外发展现状 3

1.3本文的主要内容 4

2电动机控制系统方案总体设计 5

2.1电动机系统的基本组成 5

2.2控制系统总体设计 6

2.2.1无刷直流电动机的转矩分析 6

2.2.2无刷直流电动机与输出开关管换流信号 6

2.2.3无刷直流电动机控制系统组成框图 7

3控制系统硬件设计 9

3.1逆变开关元件选择和计算 9

3.2驱动电路的设计 10

3.2.1IR2110的特点 10

3.2.2自举电路原理 12

3.3单片机的设计 12

3.3.1单片机的选择依据 12

3.3.2单片机的特点 13

3.3.3PIC16F72单片机管脚的排列及功能定义 15

3.3.4PWM信号在PIC单片机中的处理 15

3.3.5转把和刹车 15

3.3.6显示电路 16

3.3.7传感器选择 17

3.3.8周边保护电路 19

3.3.9LM358双运放大电路 20

4控制系统的软件设计 21

4.1系统控制总体流程图 21

4.2电动机控制器程序的设计概况 22

4.3系统各部分功能的软件设计 22

5结论 24

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1绪论

1.1课题的背景及意义

目前，虽然交流电动机和直流电动机占主导部位，无刷直流电动机同样受着极大的关注。据了解，20世纪90年代以来，随着人们生活质量的提高和现代化、办公自动化的飞速发展，家用电器、工业机器人等设备越来越趋向于效率化、小型化及智能化，作为执行元件的重要组成部位，电动机必须具有高精度、快速度、高效率的特点，在生活中无刷直流电动机的应用也因此迅速增长。尤其当今节能已成为时代主题，无刷直流电动机高效率特点更显示它巨大应用价值。

这三十年来针对异步电动机变频调速的研究，其实就是在寻找控制异步电动机转矩的方法，无刷直流电动机必将有其宽调速、小体积、高效率和误差小等特点在调速领域显现的优势。无刷直流电动机因为有直流有刷电动机的特性，与此同时也是频率变化的装置，因为又称为直流变频，国际通用名词为BLDC。近年来，因为无刷直流电动机的运转效率高、低速转矩大、转速精度高，所以受到业界越来越多的关注[1]。

目前，无刷电动机在电动自行车中的技术应用变得越来越广泛，本文正是以无刷直流电动机为研究对象，介绍了其在电动自行车中的应用。

1.2国内外发展现状

无刷直流电动机是在有刷直流电动机基础上改良的。有刷直流电动机自出现以来就在运动控制领域占据主导地位。但是，有机械接触电刷-换向器一直是电流电动机的一个致缺点，它不但降低了系统的可靠性，而且限制了在很多场合中的使用。Bolgior在1917年提出用整流管代替有刷直流电动机机械电刷，从而给出了无刷直流电动机的基本原理。H.R.Bolton在1986年对无刷直流电动机作了全面系统的总结，标志着无刷直流电动机在理论上走向成熟。

我国对无刷直流电动机的研究起步较晚。1987年，SIEMENS和BOSCH两公司展出了永磁自同步伺服系统和驱动器，引起了国内学者的广泛关注，在国内掀起了研制开发和技术引进的热潮。经过多年努力国内已有无刷直流电动机的系列产品，形成了一定的生产规模。无刷直流电动机在我国的发展时间虽短，但随着技术的日益成熟与完善得到迅猛发展。人们对无刷直流电动机特性了解的日益深入，使得电动机的理论也逐渐得到了完善[2]。

无刷直流电动机的转子采用永久性磁铁，它所产生的气隙磁通保持为常值，所以适用于恒转矩运行；对于恒功率运行，无刷直流电动机虽然不能直接改变磁通实现弱磁控制，但通过控制方法的改进也可以获得弱磁控制的效果。由于稀土永磁材料的矫顽力高、剩磁大，可产生很大的气隙磁通，这样可以大大缩小转子半径，减小转子的转动惯量，因而在要求有良好的静