基于PIC單片機的電動自行車控制系統設計

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的設計。該系統采用電流與速度雙閉環控制的結構，其中電流調節器用傳統的PI調節器，速度調節器為改進的PI調節器。實驗驗證了此設計方案的可行性和優越性，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，具有廣泛的現實意義。該系統速度環采用改進型的PI調節器控制，且通過軟件運用算法測速，實現轉速反饋，既簡化電路又節省成本。
關鍵詞：電動自行車；控制系統；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，環境保護和能源節約問題已經越來越受到重視，開發“零污染”、高效率的綠色環保電動自行車代替已成為一個不可逆轉的趨勢，且具有良好的發展前景。近年來，無刷直流電機(BLDCM)以其體積小，結構簡單，功率密度高，輸出轉矩大，動態性能好等特點而得到了廣泛應用。在電機的數字調速控制中，選擇高效可靠的單片機將使控制系統的硬件電路簡單可靠、軟件編制方便，系統整體性能得以提高。
PIC系列單片機是采用精簡指令集RISC技術、哈佛總線和兩級指令流水線結構的高性能價格比的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。

1 PIC16F72單片機的功能簡介
PIC16F72單片機內部有2 KB的FLASH程序存儲器和128 B的RAM數據存儲器；不僅采用精簡指令集RISC技術，而且還采用哈佛總線結構，兩級流水線操作，提高了指令執行速度。
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。該系統利用PIC單片機此脈寬調制模塊輸出脈寬可調的信號，實現無刷直流電機調速。

2 電動自行車控制系統的設計方案
2．1 系統的硬件設計與原理
這里設計的電動自行車控制系統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、調速、制動等控制并實現對電機、電池的保護；以IR2132S為核心的驅動、逆變電路，其主要功能是利用IR2131S的自舉技術驅動功率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、發出報警信號等功能。系統原理框圖如圖1所示。

該系統的基本原理是：PIC單片機的PWM輸出端口經驅動芯片，驅動6個功率場效應管，由其組成的三相全橋驅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速參數，因此可以對電機進行位置環、速度環和電流環的三閉環控制。位置參數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的，由PIC自帶的A／D進行采樣、轉換。無刷直流電機的速度、電流雙閉環控制如圖2所示。