摘要：該文介紹了一種電動(dòng)自行車控制器的設(shè)計(jì)過程。控制器以PIC16F876為核心，驅(qū)動(dòng)直流無刷電機(jī)，實(shí)現(xiàn)簡單的電動(dòng)自行車控制功能。

關(guān)鍵詞：PIC16F876；電動(dòng)自行車；直流無刷電機(jī)

中圖分類號：TP371文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1009-3044(2009)04-0986-02

The Design of Electronic Bike Controller based on PIC16F876

LIU AN

(Sichuan TOP Vocational Institute of Information Technology，Computer Art and Science Department，Chengdu 611743，China)

Abstract:This paper introduced the design process of a electronic bike controller. The controller use pic16f876 as core and can drive brushless DC motor to achieve simple control functions of electronic bike.

Key words:PIC16F876;electronic bike;brushless DC motor

1 引言

電動(dòng)自行車是近十多年來發(fā)展起來的新型交通工具，其在保留自行車功能的基礎(chǔ)上采用電力作為輔助動(dòng)力，既有自行車綠色環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)，又比自行車更加快捷省力。在我國城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，對環(huán)境保護(hù)越來越重視的大背景下，電動(dòng)自行車取得了極大的發(fā)展，產(chǎn)銷量從1998年開始連續(xù)幾年實(shí)現(xiàn)翻倍增長。本文通過介紹一種基于PIC16F876的電動(dòng)自行車控制器的設(shè)計(jì)，對電動(dòng)自行車的工作方式進(jìn)行了分析，實(shí)現(xiàn)了一些常用的控制功能，希望能讓更多的人了解電動(dòng)自行車的工作原理和控制方式，并為從事相關(guān)應(yīng)用的人士提供參考。

2 硬件設(shè)計(jì)

電動(dòng)自行車的結(jié)構(gòu)并不復(fù)雜，可以看成是在自行車的基礎(chǔ)上加裝了一套電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。因此，對電動(dòng)自行車的控制，主要是對電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制。本設(shè)計(jì)以PIC16F876為核心，連接36V蓄電池、直流電機(jī)、調(diào)速信號、剎車信號等，構(gòu)成了一個(gè)完整的電動(dòng)自行車控制系統(tǒng)，設(shè)計(jì)完成的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

蓄電池經(jīng)由控制器向電機(jī)供電，電機(jī)安裝在自行車后輪轂中，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)則帶動(dòng)自行車前進(jìn)。控制器根據(jù)調(diào)速手柄送來的調(diào)速信號，控制加到電機(jī)電機(jī)上的電壓，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)速。剎車裝置提供剎車信號，控制器檢測到剎車信號時(shí)，使電機(jī)三相接線短路，產(chǎn)生阻力，實(shí)現(xiàn)電子剎車?？刂破饕獧z測蓄電池電壓，當(dāng)電壓降低到預(yù)定值時(shí)停止供電，達(dá)到保護(hù)電池的目的。另外，控制器還要檢測電機(jī)電流，當(dāng)電流過高時(shí)停止供電，保護(hù)電機(jī)。

3 主要功能模塊分析

3.1 PIC16F876

PIC16F876是控制器的主控芯片，電機(jī)的控制驅(qū)動(dòng)、各種信號量的檢測及處理都是由PIC16F876來完成的，可以說控制器設(shè)計(jì)的核心問題就是對PIC16F876性能的充分利用和資源的合理分配。

3.1.1 PIC16F876性能特點(diǎn)

PIC16F876是MicroChip（微芯）公司于1998年推出的一款特色明顯的RISC架構(gòu)的單片機(jī)，采用數(shù)據(jù)總線與指令總線分離的哈佛總線結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了所有指令的單字化、單周期化，具有硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡潔，指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)精練，功耗低速度快的優(yōu)點(diǎn)。特別是程序存儲器采用FLASH存儲器，配合MicroChip（微芯）公司專為PIC16F87X系列設(shè)計(jì)的MPLAB IDE，可以很方便的實(shí)現(xiàn)在線燒錄程序和修改程序，因此非常適合于工業(yè)控制應(yīng)用項(xiàng)目的開發(fā)。

PIC16F876主要的性能特點(diǎn)如下：

1）工作電壓：4.0V~5.5V

2）工作頻率：20MHz

3）工作溫度：－40℃~85℃

4）8位數(shù)據(jù)總線，14位指令總線，35條單字單周期指令

5）8K×14bit FLASH程序存儲器，368B RAM數(shù)據(jù)存儲器，256B EEPROM數(shù)據(jù)存儲器

6）1組6位可編程雙向I/O口，2組8位可編程雙向I/O口

7）1個(gè)8位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，1個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，1個(gè)16位定時(shí)器

8）5通道10位ADC

9）2個(gè)具有捕捉/比較/脈寬調(diào)制功能的CCP模塊

10）13個(gè)中斷源

11）WDT看門狗電路

12）多種復(fù)位方式，SLEEP省電模式

3.1.2 PIC16F876引腳資源分配

PIC16F876共有28條引腳，引腳分布如圖2所示。

PIC16F876的引腳大致可分為控制類、時(shí)鐘類、電源類和端口類，其中大多數(shù)引腳具有第二功能甚至第三功能。本設(shè)計(jì)中各控制信號都是通過端口引腳輸入輸出的：RA0作為調(diào)速信號的輸入引腳，RA1作為電池電壓檢測信號的輸入引腳，RA5作為電機(jī)電流檢測信號的輸入引腳；RB0作為剎車信號的中斷輸入引腳，RB5~RB7作為電平變化中斷輸入引腳，用來檢測電機(jī)霍爾信號；RC1作為CCP2模塊的輸入引腳，RC2作為PWM輸出引腳，RC口其他引腳作為控制電機(jī)轉(zhuǎn)向的6路相序信號輸出引腳。

3.2 電機(jī)控制電路

控制器的主要功能是控制直流無刷電機(jī)的轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)速。在本設(shè)計(jì)中，控制器根據(jù)直流無刷電機(jī)的霍爾信號，輸出6路相序信號，通過MOSFET驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)電機(jī)的MOSFET三相橋電路。通過控制MOSFET三相橋電路中上下臂MOS管的導(dǎo)通和截止，使電機(jī)繞組獲得按規(guī)律變化的勵(lì)磁電流，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。當(dāng)旋轉(zhuǎn)調(diào)速手柄時(shí)，控制器得到電壓變化的調(diào)速信號，據(jù)此調(diào)整PWM信號的占空比，并將PWM信號疊加到6路相序信號上，從而改變加到電機(jī)上的電壓，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。電機(jī)MOSFET三相橋電路如圖3。

4 控制程序設(shè)計(jì)

PIC16F876指令系統(tǒng)精練，只有35條指令，且所有指令都是單字（14bit）單周期的，因此編程效率很高，代碼質(zhì)量也很好。結(jié)合MPLAB IDE，可以很容易的完成程序的編輯、編譯、調(diào)試，并且支持在線燒錄和在線修改，非常方便。

本設(shè)計(jì)通過中斷服務(wù)程序來完成調(diào)速信號、電池電壓信號、電機(jī)電流信號的采樣，剎車標(biāo)志的置位，電機(jī)霍爾信號的檢測和6路相序信號的輸出。主控程序完成初始化，并根據(jù)采樣結(jié)果及剎車標(biāo)志等進(jìn)行相應(yīng)處理。主控程序流程圖如圖4所示。

5 結(jié)語

本設(shè)計(jì)以PIC16F876位核心，驅(qū)動(dòng)控制直流無刷電機(jī)，并實(shí)現(xiàn)了電子剎車、欠壓保護(hù)、過流保護(hù)等電動(dòng)自行車基本功能。以本設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)，可以擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)更多的電動(dòng)自行車控制功能，設(shè)計(jì)中驅(qū)動(dòng)控制電機(jī)的方法對其他需要用到直流無刷電機(jī)的控制應(yīng)用也有一定的參考價(jià)值。

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