1绪论
1.1无刷直流电机的发展概况和趋势
19世纪40年代有刷直流电动机诞生，在相当长的一个阶段内凭借它优秀的线性机械特性、调速范围宽、较大的启动转矩等特点在诞生以来在电动车驱动装置中占据着主导地位，但普通的直流电动机存在换向时电刷和换向器的强迫性接触造成电机运行不稳定，可靠性差，经常需要定期维护和保养，而且电刷和换向器接触时会产生火花和噪音等缺点大大限制了其应用范围。近年来电力电子技术的发展和永磁材料性能的不断提高使无刷直流电机的出现成为现实。它不仅具有有刷直流电机的优异性能而且相较于有刷直流电机运行时可靠性更强，更加稳定，因而获得了更为广泛的应用。随着时代的进步，传统的无刷直流电机由于需要安装位置传感器为驱动电路提供转向信号，给它的应用带来诸多不便。比如增加电机的体积和成本、降低电机运行的可靠性、在某些特定的工作环境无法使用、影响电机运行的性能、增加生产工艺的难度等。因而自无刷直流电机诞生以来，对于在没有位置传感器的情况下怎样实现对电机的控制研究就没有中断，而且现在已经取得了很多成果。现在国内外对于无刷直流电机控制方式主要有用专用集成电路控制、数值信号处理以及使用微处理器控制等几种方式。现在可以说针对它的控制技术已相对比较成熟，但随着电力电子技术不断的发展，电子芯片集成程度的不断提高，实现控制器元件的小型化、智能化一定会成为以后无刷直流电机控制技术的目标,无刷直流电机也必定会在以后的工业生产中发挥更为重要的作用。
1.2课题研究的目的和意义
电动自行车以其便捷、实用等优点已成为越来越多市民短途出行的代步工具，研究实现电动自行车无刷电机控制器的设计，实现对电动自行车调速、稳定运行等方面有效地控制，对于人们日常出行安全和驾驶体验具有重要的意义。
1.3设计的要求与内容
设计的要求：选择电动自行车的无刷直流电机作为此次毕业设计的研究对象，了解认识有关它的无位置传感器控制技术方面的关键问题，主要对转子位置检测、PWM调制方式以及电机控制策略等方面有清晰地认识并做出设计，实现对
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电动自行车的控制，并且具有一定的可靠性。 设计的主要内容:
（1）了解反电动势过零点检测法的原理，完成对转子位置检测电路的设计。 （2）了解IR2130驱动芯片的功能，完成对驱动逆变电路的设计。 （3）完成对速度调节电路设计。 （4）完成对刹车电路的设计。
（5）完成对过流和欠压保护电路的设计。
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2硬件器件的选择
2.1整体硬件结构图
如下图2.1所示，设计的无位置传感器控制器系统主要由电源模块、欠压保护模块、电流检测模块、驱动电路模块、转子位置检测模块构成。电源模块主要为PIC16F72单片机、驱动芯片IR2130提供以及其他电路提供电压；电流检测模块将检测的电流送入单片机，电流过大时及时关闭PIC16F72单片机和驱动芯片，以防烧坏控制单元和驱动单元的芯片，使电机能够安全有效运行；转子位置检测电路将检测出的信号输入到PIC16F72相应的引脚中，经过内部A/D转换输出控制字改变当前的PWM脉宽调制信号后输入到驱动模块，通过它改变功率管的导通顺序，实现定子绕组的换相；调速模块信号输入控制芯片相应的引脚中，经PIC16F72控制芯片内部的A/D转换模块改变PWM调制脉冲的占空比，输出相应的功率改变电机的运行速度。
电源模块驱动电路模块调速模块PIC16F72单片机刹车电路模块电流检测模块电动机欠压保护电路转子位置检测 图2.1硬件电路结构图
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2.2 电机本机的选择
本次设计采用永磁无刷直流电机作为研究的控制对象，与其它电机相比，它性能可靠、没有换向火花、有较大的启动转矩，寿命长、调速范围宽、尺寸小、转动惯量较低等优点，并且设计控制装置时也相对比较简单，与传统的无刷直流电机相比有比较少的励磁消耗，能够使电能得到最大程度的利用。
2.3主控芯片的选择
本次设计采用PIC16F72单片机作为控制核心。PIC16F72单片机相对于其他单片机具有很多优点，它的指令非常简单，是哈弗总线结构。PIC16F72单片机引脚图如图2.3所示，它包含有外部时钟输入单元，工作频率是20MHz，128字节8位宽的数据存储空间，8个中断，带有2K字14位宽的程序存储空间，3个8位I/O口以及PORTA、PORTB、PORTC。还有三个定时器模块：TIMER0、TIMER1、TIMER2。还带有一个CCP模块；5路8位模数转换可提供检测外部电路的电压，一个外部中断输入脚，可处理突发事件。在CPU方面：精简指令仅有35条；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；支持直接寻址、间接寻址、相对寻址模式。
图2.3 PIC16F72引脚图
主要引脚引脚应用如下：
a. 引脚1：MCLR复位/烧写高压输入两用口
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b. 引脚2：模拟量输入口：电源电压经分压后的输入口，单片机将此信号进行A-D转换后判断电池电压是否过低，如果低则切断输出以保护电池，避免电池因过放电而损坏。正常时电压应在3V以上
c. 引脚3：模拟量输入口：线性霍尔元件调速输入口。 d. 引脚4：模拟量输入口，放大后的电流信号输入口。
e. 引脚5：模拟/数字量输入口，刹车信号电压输入口。可以使用AD转换器判断，或根据电平高低判断，单片机收到该信号后切断给电机的供电，以减少不必要的损耗。
f. 引脚8：单片机电源地。
g. 引脚9：单片机外接晶振输入脚。 h. 引脚10：单片机外接晶振反馈输出脚。 i. 引脚13：数字输出口：PWM调制信号输出脚。
j. 引脚15、16、17：电动机转子位置信号输入口，单片机根据其信号变化输出相应的控制信号使电机相应的绕组通电，实现定子绕组的换相。 k. .引脚19：单片机电源地。
l. 引脚20：单片机电源正。+5V电压输入，上限是5.5V。
m. 引脚21：外部中断输入口，采样电流过大时或不在其控制范围内时，有低电平脉冲输入单片机后产生中断。
n. 引脚23-28：数字输出口，是功率管的逻辑开关。
2.4驱动芯片的选择
设计采用的驱动电路芯片选择专用功率晶体管驱动芯片IR2130。驱动芯片IR2130的引脚图如图2.4所示。
主要引脚功能:
（1）引脚1：VCC是电压输入端。
（2）引脚2、3、4：HIN1、HIN2、HIN3是单片机控制上桥的输入信号， （3）引脚5、6、7：LIN1、LIN2、LIN3单片机控制下桥的驱动信号, （4）引脚8：FALUT处理电机运行中的突发事件, （5）引脚9：ITRIP是电流检测输入端口,VSS是电源地， （6）引脚27、23、19：HO1、HO2、HO3驱动逆变桥上臂功率管，
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