基于PIC單片機的電動自行車控制系統(tǒng)設計

摘 要：介紹以單片機PICl6F72為核心的電動自行車用無刷直流電動機控制系統(tǒng)的設計。該系統(tǒng)采用電流與速度雙閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)，其中電流調(diào)節(jié)器用傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器，速度調(diào)節(jié)器為改進的PI調(diào)節(jié)器。實驗驗證了此設計方案的可行性和優(yōu)越性，即控制電路簡潔，器件少，成本低，保護措施可靠，提高了系統(tǒng)的控制精度。該設計對無刷直流電機在其他領域的應用有一定的幫助和借鑒，具有廣泛的現(xiàn)實意義。該系統(tǒng)速度環(huán)采用改進型的PI調(diào)節(jié)器控制，且通過軟件運用算法測速，實現(xiàn)轉(zhuǎn)速反饋，既簡化電路又節(jié)省成本。
關鍵詞：電動自行車；控制系統(tǒng)；無刷直流電動機；PIC16F72；PID控制

0 引 言
隨著社會的不斷進步，人們生活水平的提高，環(huán)境保護和能源節(jié)約問題已經(jīng)越來越受到重視，開發(fā)“零污染”、高效率的綠色環(huán)保電動自行車代替已成為一個不可逆轉(zhuǎn)的趨勢，且具有良好的發(fā)展前景。近年來，無刷直流電機(BLDCM)以其體積小，結(jié)構(gòu)簡單，功率密度高，輸出轉(zhuǎn)矩大，動態(tài)性能好等特點而得到了廣泛應用。在電機的數(shù)字調(diào)速控制中，選擇高效可靠的單片機將使控制系統(tǒng)的硬件電路簡單可靠、軟件編制方便，系統(tǒng)整體性能得以提高。
PIC系列單片機是采用精簡指令集RISC技術(shù)、哈佛總線和兩級指令流水線結(jié)構(gòu)的高性能價格比的8位嵌入式控制器(Embedded Controller)。在此研究的電動自行車控制系統(tǒng)是一個以PIC16F72單片機為核心，無刷直流電機為控制對象的系統(tǒng)。

1 PIC16F72單片機的功能簡介
PIC16F72單片機內(nèi)部有2 KB的FLASH程序存儲器和128 B的RAM數(shù)據(jù)存儲器；不僅采用精簡指令集RISC技術(shù)，而且還采用哈佛總線結(jié)構(gòu)，兩級流水線操作，提高了指令執(zhí)行速度。
此外它還具有22個I／O引腳，與電源掉電復位的功能，內(nèi)置的外圍含3個定時器(Timer0～Timer2)、一個捕捉／比較／PWM(CCP)模塊和一個同步串行通信端口SSP。該系統(tǒng)利用PIC單片機此脈寬調(diào)制模塊輸出脈寬可調(diào)的信號，實現(xiàn)無刷直流電機調(diào)速。

2 電動自行車控制系統(tǒng)的設計方案
2．1 系統(tǒng)的硬件設計與原理
這里設計的電動自行車控制系統(tǒng)主要由以下幾部分組成：以PIC16F72單片機為主控電路，其主要功能是完成電機的起動、換相、調(diào)速、制動等控制并實現(xiàn)對電機、電池的保護；以IR2132S為核心的驅(qū)動、逆變電路，其主要功能是利用IR2131S的自舉技術(shù)驅(qū)動功率MOSFET管控制電機電流；位置信號處理電路、電流信號處理電路以及一些外圍保護、輔助電路，其主要功能有完成對信號的采樣、對電路的供電、提供顯示信號、發(fā)出報警信號等功能。系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

該系統(tǒng)的基本原理是：PIC單片機的PWM輸出端口經(jīng)驅(qū)動芯片，驅(qū)動6個功率場效應管，由其組成的三相全橋驅(qū)動電路對電機進行控制，位置檢測和電流檢測形成負反饋，位置檢測的同時可以計算出電機轉(zhuǎn)速參數(shù)，因此可以對電機進行位置環(huán)、速度環(huán)和電流環(huán)的三閉環(huán)控制。位置參數(shù)由無刷直流電動機自帶的霍爾元件測出，并由PIC16F72的C端口進行捕捉定位，反饋的電流量是通過檢測旁路電阻上的壓降實現(xiàn)的，由PIC自帶的A／D進行采樣、轉(zhuǎn)換。無刷直流電機的速度、電流雙閉環(huán)控制如圖2所示。