无刷直流电机控制器的设计本科毕业论文(4)

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3 硬件设计

3.1 单片机概述

3.1.1 PIC16F72单片机的主要性能

首先我们对外部时钟输入：它的频率是20MHz，其中有2K字14位宽的程序存储空间，伴随着128字节8位宽的数据存储空间，另外还有8个中断，3个8位I/O口以及PORTA、PORTB、PORTC。还有三个定时器模块：TIMER0、TIMER1、TIMER2随带着一个CCP模块；5路8位模数转换。 3.1.2 PIC16F72单片机的功能特性描述

在CPU方面：我们只需要学习35条汇编指令；除了转移指令外，其他的汇

编指令都是单字节指令；它的运算速度是20M外部时钟输入，200ns指令周期；2K*14位字节的程序存储空间；并且在输出引脚与PIC16F872、PIC16C72/A兼容，它具有中断功能其具备8级硬件堆栈；直接寻址、间接寻址、相对寻址模式；

外围模块性能：它的宽工作电压范围是2V-5.5V；它的Timer0：8位宽并附带8位预分频器的定时/计数器；Timer1：16位宽并附带预分频器的定时/计数器，并能在睡眠模式下凭借外部的晶振或时钟输入继续保持增量；Timer2：8位宽并附带8位周期寄存器以及一个预分频器和一个后分频器；

CCP模块：○1最多16位宽，分辨率为12.5ns的捕获器；○2最多16位宽，分辨率为200ns的比较器；3 最多10bit分辨率的PWM波；5路8位数模转换○器；SPI串行通信模块和I2C串行通信模块；欠压复位电路；[3] 3.1.3 PIC16F72单片机的引脚排列

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图 3-1 PIC16F72引脚图

3.2 MOSFET驱动芯片IR2103简介

IR2103的管脚图如图3-2所示。

引脚错误！未找到引用源。是悬浮电源连接端，通过自举电容为上桥臂功率管的驱动器提供内部悬浮电源，引脚错误！未找到引用源。是与错误！未找到引用源。对应的悬浮电源的地端。引脚HIN和LIN分别是上桥臂功率管和下桥臂功率管的驱动信号输入端，HIN是高电平有效，LIN是地电平

有效，并且他们的输入信号范围3V~5V，与TTL电平和CMOS电平兼容。HO LO是输出逆变桥上下桥臂的功率开关器件的驱动信号，其输出的信号电平范围

图3-2 IR2103管脚图

是10~20V，其输出的信号受输入引脚HIN和LIN的共同控制，具体的输入输出时序逻辑关系如图3-3所示：

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图3-3 IR2103输入输出时序逻辑关系图

此外，还要介绍的是IR2103所具备的产生死区时间功能。如图3-4所示，当HIN和LIN同时从低电平跳变到高电平时，HO和LO并不是在同一个时间往各自相反的方向跳变，而是HO的输出波形要比LO的输出波形窄，从而在两个 波形跳变处产生了时间差DT，这个时间差DT就是死区时间。根据IR3103的 Date sheet，产生的死区时间DT的大致范围是400~650ns，满足MOSFET的开 通或关断时间。由于后续部分的硬件电路设计部分要用到死区时间，所以在先这里简单的介绍一下。

图3-4 死区时间波形图

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3.3无刷直流电机控制器的硬件设计

3.3.1无刷直流电机控制器硬件实现的设计思路

无刷直流电机控制器原理框图如图3-5所示。

从原理框图可以看出，无刷直流电机控制器硬件电路包括直流电源模块、调

速&刹车输入模块、功率驱动模块（即逆变桥驱动电路）、功率输出模块（即逆变桥电路）、智能控制模块（以PIC16F72单片机为核心的电路）。

直流电源模块为经过一系列的变压转换，能输出一系列不同的电压值，为整

机的不同模块提供合适的电压和电流，是整机的动力来源。对电动车用无刷直流电机来说，由于其只能采用电池形式的供电方式，而电池的能来总是越用越少，所以必须定时检测一下电源的电压以确定电池此时的剩余电量，以免使用电池过量造成而缩短电池的使用寿命。

调速和刹车输入模块实现电机的调速输入。其实现方式为输出通过输出电位

器的电压变化来表示此时电机输出速度应做的增减调整，为后面提及的PWM调速提供依据。

图3-5 无刷直流电机控制器原理框图

逆变桥驱动模块接收到智能控制系统提供的换相以及调速信号后，通过一系列的转换，使控制器输出的信号转换成相应的控制逆变桥电路动作的驱动信号，从而达到控制正确控制逆变桥动作的目的。

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逆变桥电路根据逆变桥电路的驱动信号使各个MOSFET做相应的开关动作，为无刷电机提供能量，驱动电机做加速、加速、匀速、制动等一系列动作。

智能控制模块是核心。一方面，控制模块接收来自无刷电机的霍尔传感器发送的位置信号，并经过一系列算法的处理向逆变桥电路输出换相的波形，使电机能正常运转；另一方面，控制模块通过对调速和刹车信号的采集确定电机的预定转速，同时根据实时采集的霍尔位置信号确定预定速度和实际速度的差值，然后采集逆变桥电流，在电机的电流没有超出最大电流的前提下，控制模块通过调节PWM波的占空比以达到速度调节的目的；同时，控制模块还要采集电源电压，确保电源没有工作在欠压状态。 3.3.2 电源电路部分

图3-6 电源电路原理图

电源电路输出三路电压，分别是+48V电压、+13.5V电压和+5V电压。 第一路为电池的电压，输出电压为+48V，主要为逆变器供电，具体连接见功率驱动MOSFET部分。

第二路输出+13.5V电压，主要供给MOSFET作开通电压用，其实现电压转换的原理是通过LM317与R3、R4组合输出电压，转换公式为

错误！未找到引用源。 (3-1)。

通过计算可得，第二路电源电压约为13.5V。由于驱动电路对第二路电源的要求不是很高，基本上在10V到20V时即可控制MOSFET正常开关，所以选择还是比较合适的。LM317的输入和输出电压不能超过60V，所以要在输入端串接R1

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以达到压降的作用在此，R2的作用一方面是争取更多的电流以驱动负载，另一方面则分担了LM317的一部分功耗。

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