單片機(jī)控制的無刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計新

...wd......wd......wd...黃岡師范學(xué)院本科生畢業(yè)論文題目：單片機(jī)控制的無刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計專業(yè)年級：電子信息科學(xué)與技術(shù)〔2005級〕學(xué)號：200522340219學(xué)生姓名：李青指導(dǎo)教師：雷學(xué)堂論文完成日期2009年05月目錄TOC\o"1-2"\h\z\u摘要1Abstract21.概論31.1無刷直流電機(jī)的現(xiàn)狀31.2電動自行車介紹及開展前景41.3本設(shè)計的主要工作62.無刷電機(jī)控制系統(tǒng)分析62.1三相無刷直流電機(jī)星形連接全橋驅(qū)動原理62.2直流電動機(jī)的PWM調(diào)速原理93.無刷直流電機(jī)控制器硬件設(shè)計93.1硬件組成103.2三相全橋逆變電路和驅(qū)動電路103.3速度控制電路143.4其他144.系統(tǒng)軟件設(shè)計154.1概述154.2主程序164.3中斷204.4AD轉(zhuǎn)換214.5PWM(脈沖寬度調(diào)制)234.6位置信號和驅(qū)動信號的對應(yīng)關(guān)系234.7數(shù)字PI速度調(diào)節(jié)245.系統(tǒng)調(diào)制與實驗結(jié)論275.1系統(tǒng)硬件調(diào)試275.2系統(tǒng)軟件調(diào)試285.3實驗結(jié)論與建議29結(jié)論30參考文獻(xiàn)31致謝32單片機(jī)控制的無刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計專業(yè)：電科班級：200502李青指導(dǎo)教師：雷學(xué)堂摘要本課題是講述無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)集電機(jī)、逆變電路、檢測元件、控制軟件和硬件于一體，具有高可靠、高效率、壽命長、調(diào)速方便等優(yōu)點，在電動調(diào)速領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。電動自行車的創(chuàng)造和使用對解決燃油車造成的嚴(yán)重環(huán)境污染和緩解日益突出的能源危機(jī)問題有一定的現(xiàn)實意義。根據(jù)工程參數(shù)要求，采用Microchip公司的PIC16F72單片機(jī)作為控制芯片，在硬件方面，進(jìn)展了電源電路設(shè)計、系統(tǒng)硬件保護(hù)電路設(shè)計、三相全橋逆變電路設(shè)計、逆變器驅(qū)動電路設(shè)計。在軟件方面利用匯編語言，采用模塊化編程和構(gòu)造化編程。根據(jù)無刷直流電機(jī)的控制原理，對系統(tǒng)的控制局部進(jìn)展了詳細(xì)分析。利用數(shù)字PI控制理論實現(xiàn)電機(jī)速度的閉環(huán)調(diào)制。在系統(tǒng)可靠性方面:設(shè)計了系統(tǒng)的欠壓、過流和堵轉(zhuǎn)保護(hù)。本文還對影響控制器和單片機(jī)系統(tǒng)可靠性的因素進(jìn)展了分析，并且給出了解決方案.本文所設(shè)計的無刷電機(jī)控制器實現(xiàn)了電動、定速、助力三種工作模式并且在系統(tǒng)出錯情況下具有自檢功能。保護(hù)功能較完善、硬件構(gòu)造簡單、本錢較低，具有升級空間，便于用戶二次開發(fā)。關(guān)鍵詞無刷直流電機(jī),PIC單片機(jī),電動自行車,控制系統(tǒng)TheDesignofTheBrushlessDCMotorControlSystemSpeciality:diankeclass:0502Author:liqingTuor:leixuetangAbstractThisthesisispartoftheprojectnamed"thecontrolleroftheBrushlessDCMotorforelectric-bike".ThecontrolsystemconsistsofBrushlessDCMotor,controllingpart,sensorpart,hardwareandsoftwarecontrollingpart.Withitsuniqueadvantagesofhighefficiency,highreliability,goodcontrolabilityandmaintenance-free,itiswidelyusedinmanyfields.Todevelopthelectric-bikewillbehelpfultosolvethepollutionproblemcausedbythewastegasfromthegasoline-automobilesandenergysourcesproblems.ThetaskistodesignaBrushlessDCMotor(BLDCM)controlsystemforelectric-bike.Accordingtotheproject,PIC16F72MCUproducedbyMicrochipCompanyhasbeenselected.Thedesignofhardwareincludingpowercircuit,hardwareprotectioncircuit,electroniccommutatecircuithavebeencarriedout.Thesoftwarewasdesignedfollowingtheprincipleofmodularizationandstructuredprogrammingandusingassemblyastheprogrammelanguages.TypicalPIcontrolstheoryisusedtocontrolthespeed.Lessvoltageprotection,currentexcessiveprotectionandwrongangleprotectionaredesignedtoreinforcethesystem.Also,factorsthataffectthereliKeyWordsElectricbike,BrushlessDCMotor,PIC,ControlSystem1.概論1.1無刷直流電機(jī)的現(xiàn)狀有刷直流電動機(jī)作為最早的電動機(jī)廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個領(lǐng)域，由于其寬闊而平滑的優(yōu)良調(diào)速性能，在需要調(diào)速的應(yīng)用領(lǐng)域占有重要地位，但機(jī)械換向裝置的存在，限制了其開展和應(yīng)用范圍。直流電動機(jī)的機(jī)械電刷和換向器因強迫性接觸，造成其構(gòu)造復(fù)雜、可靠性差、火花、噪聲等一系列問題，影響了直流電動機(jī)的調(diào)速精度和性能?？茖W(xué)技術(shù)的飛速開展，帶來了半導(dǎo)體技術(shù)的飛躍，開關(guān)型晶體管的研制成功為創(chuàng)造新型的無刷直流電動機(jī)帶來生機(jī)。1955年，美國人首次提出用晶體管換向線路代替機(jī)械換向裝置，經(jīng)過反復(fù)實驗，人們終于找到了用位置傳感器和電子換相線路來代替有刷直流電動機(jī)的機(jī)械換相裝置，出現(xiàn)了磁電禍合式、光電式及霍爾元件作為位置傳感器的無刷直流電動機(jī)，以后人們發(fā)現(xiàn)電量波形和轉(zhuǎn)子磁場的位置存在著一定的對應(yīng)關(guān)系，因此又出現(xiàn)了通過觀測電樞繞組中不同電量波形，監(jiān)測轉(zhuǎn)子位置的無位置傳感器的電動機(jī)。80年代初，無刷直流電機(jī)進(jìn)入了實用階段，方波和正弦波無刷直流電機(jī)先后研究成功?！盁o刷直流電機(jī)〞的概念已由最初的具有電子換相器的直流電機(jī)開展到泛指一切具有傳統(tǒng)直流電機(jī)外部特性的電子換相電機(jī)。現(xiàn)今，無刷直流電機(jī)集電機(jī)、變速機(jī)構(gòu)、檢測元件、控制軟件和硬件于一體，形成為新一代的電動調(diào)速系統(tǒng)。無刷直流電機(jī)具有最優(yōu)越的調(diào)速性能，主要表現(xiàn)在:調(diào)速方便(可無級調(diào)速)，調(diào)速范圍寬，低速性能好(啟動轉(zhuǎn)矩大，啟動電流小)，運行平穩(wěn)，噪音低，效率高，應(yīng)用場合從工業(yè)到民用極其廣泛。如電動自行車、電動汽車、電梯、抽油煙機(jī)、豆?jié){機(jī)、小型清污機(jī)、數(shù)控機(jī)床、機(jī)器人等等.由于無刷直流電機(jī)具有這些優(yōu)點，因此在2004年的國際電時機(jī)議上提出了有刷電機(jī)將被無刷電機(jī)取代這一開展趨勢。美、日、英、德在工業(yè)自動化領(lǐng)域中已經(jīng)實現(xiàn)了以無刷直流電機(jī)代替有刷電動機(jī)的轉(zhuǎn)換。美國福特公司率先把無刷直流電機(jī)應(yīng)用于汽車20世紀(jì)80年代以來，隨著微機(jī)控制技術(shù)的快速開展，出現(xiàn)了各種稱為無位置傳感器控制技術(shù)的方法，是當(dāng)代無刷直流電機(jī)控制研究的熱點之一。各國知名半導(dǎo)體公司如Allegro,Philips,MicroLinear,Toshiba等，先后推出了許多無刷直流電機(jī)無傳感器控制集成電路。2004年12月我國電機(jī)制造業(yè)共1167家生產(chǎn)企業(yè)，全部從業(yè)人員388282人，資產(chǎn)972億。我國生產(chǎn)的微特電機(jī)己經(jīng)占世界60%以上，目前是全球最大的永磁體(生產(chǎn)無無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計刷電機(jī)的主要原材料)生產(chǎn)供給基地，中國還將會成為全球最大的無刷電機(jī)生產(chǎn)國。隨著汽車工業(yè)的快速開展，車用小功率電機(jī)的需求增長帶動了以永磁無刷直流電機(jī)為主體的車用小功率電機(jī)的興起，我國正在成為世界電動汽車制造業(yè)的主要供給商。1.2電動自行車介紹及開展前景1.2.1電動自行車一般分為兩類，一種是"零啟動電動自行車"，一般稱為電動自行車，這種電動自行車盡管有腳踏騎行功能但可以完全靠電動騎行。還有一種"智能型電動自行車"，這種智能型電動自行車不能完全電動騎行，是需要人力騎行的助力電動自行車，一般為一比一助力即人機(jī)對等出力。不過現(xiàn)在有些電動車控制器將這兩種功能綜合在一起，通過功能選擇按鍵可以選擇相應(yīng)的騎行模式。據(jù)助力車專業(yè)委員會不完全統(tǒng)計，全國電動自行車的銷售量1998年為5.4萬輛，1999年為14萬輛，2000年為29萬輛，2001年電動自行車的實際銷量已超過58萬輛，2004年更高達(dá)400多萬輛，今年則可望到達(dá)500萬輛，主要銷售在蘇浙滬、天津一帶，在鼓勵電動自行車的上海，電動自行車擁有量已達(dá)120萬輛，其中2005年共銷售電動自行車40萬輛。專家預(yù)計，到2008年我國電動自行車年銷量可突破1000萬輛，電動自行車制造業(yè)已進(jìn)入高速開展時期。據(jù)中國自行車協(xié)會統(tǒng)計，目前全國電動自行車保有量已超過1000萬輛。目前全國自行車的保有量在4億輛左右，以10％被電動自行車替代，每輛電動自行車2000~3000元計算，這個市場將到達(dá)1000億元左右。千億元的大蛋糕讓人心動，全國已經(jīng)在自行車的開展基地上自然形成了三大電動自行車板塊：以天津為首的天津、南京板塊，以上海為首的江浙板塊以及以廣州為首的廣東板塊，三足鼎立。中國自行車協(xié)會理事長王鳳和指出，作為綠色環(huán)保產(chǎn)品，電動自行車的開展全國不平衡，其中江浙滬地區(qū)占了總額的80％，以旅游城市杭州為例，2003年電動自行車保有量為40萬輛，而自行車為100萬輛，已經(jīng)占到40％。國外的電動車業(yè)近年來也得到了快速的開展。從全球市場上看，日本雅馬哈、本田、三洋、松下等知名公司紛紛進(jìn)入電動自行車行業(yè)，而且日益擴(kuò)大生產(chǎn)規(guī)模；德國、英國、奧地利、意大利、美國等國著名的自行車廠商和公司，也不斷參加電動自行車的開發(fā)、生產(chǎn)和銷售，電動自行車的銷售也呈逐年上升趨勢。據(jù)資料介紹，全球電動自行車數(shù)量，在過去6年中，從3.6萬輛劇增到50萬輛。這樣說來，電動車作為暫時的"替代品"或最終的交通、休閑用具，市場前景都不可限量。1.2.2開展前景電機(jī)是電動自行車的關(guān)鍵部件。為使電動自行車有良好的使用性能，驅(qū)動電機(jī)應(yīng)具有寬調(diào)速范圍、高轉(zhuǎn)速和足夠大的起動轉(zhuǎn)矩。此外，由于電動自行車的驅(qū)動電機(jī)是車載形式運行的，這要求電機(jī)體積小、重量輕、效率高、且具有良好的能量回饋性能。稀土永磁無刷直流電機(jī)是近20年開展起來的一類電機(jī)，電力電子技術(shù)，微電子技術(shù)、微機(jī)和稀土永磁材料的開展為無刷直流電機(jī)的研究奠定了根基。目前無刷直流電機(jī)的開展已經(jīng)和大功率開關(guān)器件、專用集成電路、稀土永磁材料、微機(jī)、新型控制理論及電機(jī)理論的開展嚴(yán)密結(jié)合，顯示出廣泛的應(yīng)用前景和強大的生命力。與其它電機(jī)相比它具有幾個明顯優(yōu)點：①永磁無刷直流電機(jī)沒有電刷、而是利用電子換相，故抑制了任何由電刷硬氣的問題。②永磁體安裝在轉(zhuǎn)子上、電樞繞組裝在定子上，故導(dǎo)熱性能好，產(chǎn)生的熱量更容易散發(fā)出去；構(gòu)造也變得簡單，并且節(jié)省了空間，使其磁場損失也得到了減少。③它的效率與轉(zhuǎn)速永遠(yuǎn)保持同步關(guān)系，不會發(fā)生失步、震蕩等現(xiàn)象，在節(jié)約能源方面也有明顯優(yōu)勢。近些年來，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)、控制技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)的開展，電機(jī)的應(yīng)用技術(shù)也得到了進(jìn)一步開展，新產(chǎn)品、新技術(shù)層出不窮。許多電動車生產(chǎn)廠家都應(yīng)用了一系列的電動車新技術(shù)，大大增強了自身品牌在市場上的影響，也頗受消費者的關(guān)注。麥科集團(tuán)電助動車公司研制出智能變頻電機(jī)，變頻控制器和變頻高效電機(jī)共同組成高效動力系統(tǒng)，充分利用小電流大扭矩原理，在其行過程中根據(jù)路況和載重情況及時調(diào)整輸出功率；北京新日電動車研制開發(fā)了雙動力電動車，與普通電動車相比，雙動力電動車擁有兩個動力源，可實現(xiàn)在兩個不同惡毒點留下的效能轉(zhuǎn)換，即實現(xiàn)高效動力檔和高速動力檔的轉(zhuǎn)換；莫拉克公司開發(fā)出在騎行的同時就能給蓄電池充電的電動車，可以提高電動自行車一次充電續(xù)駛里程。電動自行車作為自行車史上具有革命性的交通工具，在給人們生活帶來方便的同時，也對整個社會的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生了積極的影響。物美價廉的電動自行車有著巨大的市場需求。電動自行車在整車設(shè)計、驅(qū)動系統(tǒng)、電池管理，尤其是鋰電池、燃料電池等高性能電池的研制方面不斷取得突破。驅(qū)動系統(tǒng)的可靠性與安全性，促進(jìn)整車效率，而且可以節(jié)約能源和降低自行車的維護(hù)本錢，從而推動電動自行車的廣泛應(yīng)用。1.3本設(shè)計的主要工作論文對無刷直流電機(jī)的控制原理進(jìn)展了詳細(xì)分析，依據(jù)無刷直流電機(jī)特性，針對電動自行車的控制需求，進(jìn)展了無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計。技術(shù)指標(biāo)如下:系統(tǒng)正常工作電壓36V;最低工作電壓31V;最大工作電流10A;最大輸出功率360W。1.3.1硬件局部硬件局部以PIC16F72單片機(jī)作為控制芯片，逆變器由6個MOSFET管組成。通過微控制單元電路、逆變器驅(qū)動電路等電路模塊的設(shè)計，實現(xiàn)了電機(jī)的智能控制以及欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)等保護(hù)功能，可靠的對電動車電機(jī)和電池進(jìn)展保護(hù)，確保電動車使用及安全。1.3.2軟件局部在軟件方面利用匯編語言，采用模塊化編程和構(gòu)造化編程。實現(xiàn)了信號的采集及處理，實現(xiàn)了電動自行車的電動、定速和助力三種工作模式并且在系統(tǒng)出錯情況下具有自檢功能。利用數(shù)字PI控制理論實現(xiàn)電機(jī)速度的閉環(huán)調(diào)制。具體設(shè)計下:①選用PIC16P72單片機(jī)作為主控芯片;②采用開關(guān)型霍爾傳感器作為電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器;③通過對PIC單片機(jī)編程，實現(xiàn)電動車電動、定速和助力三種工作模式;④通過硬件電路和軟件編程，實現(xiàn)系統(tǒng)自檢、欠壓、過流、堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能;⑤通過軟硬件設(shè)計，實現(xiàn)電動自行車儀表盤顯示控制;⑥利用PI控制理論實現(xiàn)電機(jī)速度的閉環(huán)調(diào)制;本設(shè)計實現(xiàn)了無刷直流電機(jī)的自動控制，硬件構(gòu)造簡單、本錢較低，具有升級空間，便于用戶二次開發(fā)。設(shè)計中，利用PIC開發(fā)環(huán)境完成軟件編寫和調(diào)試;利用邏輯分析儀和示波器等完成硬件調(diào)試;借助于電動自行車實體，對軟硬件參數(shù)進(jìn)展測試，實現(xiàn)構(gòu)造優(yōu)化。2.無刷電機(jī)控制系統(tǒng)分析2.1三相無刷直流電機(jī)星形連接全橋驅(qū)動原理無刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速受電機(jī)定子旋轉(zhuǎn)磁場的速度及轉(zhuǎn)子極數(shù)的影響，在轉(zhuǎn)子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉(zhuǎn)磁場的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。無刷直流電機(jī)控制器包括電源局部和控制局部，如圖2.1所示。電源局部提供三相電源給電機(jī)，控制局部則按照需求轉(zhuǎn)換電源頻率。電源局部可以直接以直流電輸入或者以交流電輸入，如果是以交流電輸入就需先經(jīng)轉(zhuǎn)換器(converter)轉(zhuǎn)成直流電。不管是直流電輸入或是交流電輸入，送入電機(jī)線圈前須先將直流電壓由逆變器(inverter)轉(zhuǎn)成三相電壓來驅(qū)動電機(jī)。逆變器一般由六個功率晶體管，分為上橋臂和下橋臂，連接電機(jī)作為控制流經(jīng)電機(jī)線圈的開關(guān)?？刂凭植縿t提供PWM脈沖寬度調(diào)制信號決定功率晶體管開關(guān)頻率及逆變器換相的時機(jī)。對于無刷直流電機(jī)，當(dāng)負(fù)載變動時，一般希望速度可以穩(wěn)定于設(shè)定值而不會有太大的變動，所以電機(jī)內(nèi)部裝有霍爾傳感器(hall-sensor)，作為速度的閉回路控制，同時也作為相序控制的依據(jù)。電機(jī)轉(zhuǎn)動由霍爾傳感器感應(yīng)到的電機(jī)轉(zhuǎn)子所在位置，決定開啟或關(guān)閉逆變器中功率晶體管的順序來控制，如圖2.2所示，逆變器中的AH,BH,CH(上橋臂功率晶體管)及AL,BL,CL(下橋臂功率晶體管)，使電流依序流經(jīng)電機(jī)線圈，產(chǎn)生順向或逆向旋轉(zhuǎn)磁場，并與轉(zhuǎn)子磁鐵產(chǎn)生的磁場相互作用，使電機(jī)順向或逆向轉(zhuǎn)動。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動到霍爾傳感器感應(yīng)出另一組信號的位置時，控制部又再開啟下一組功率晶體管，如此循環(huán)，電機(jī)就可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)動.功率晶體管的開啟方法舉例如下:AH,BL一組—>AH,CL一組—>BH,CL一組—>BH,AL一組—>CH,AL一組—>CH、BL一組，但不能使AH,AL或BH,BL或CH,CL，即同相上下橋臂同時導(dǎo)通.此外，因為電子零件總有開關(guān)的響應(yīng)時間，所以功率晶體管在關(guān)與開的交織時間要將零件的響應(yīng)時間考慮進(jìn)去，否則當(dāng)上臂(或下臂)尚未完全關(guān)閉，下臂(或上臂)就已開啟，結(jié)果就造成上、下臂短路而使功率晶體管燒毀。設(shè)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器采集的位置信號為Ha,Hb,Hc，分別對應(yīng)于逆變器的A相、B相、C相，則當(dāng)前位置與下一位置電子開關(guān)導(dǎo)通相的對應(yīng)關(guān)系如表2.1所示。在電機(jī)轉(zhuǎn)動時，控制局部會根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的速度決定功率管的導(dǎo)通時間。假設(shè)系統(tǒng)要求加速，則增長功率管導(dǎo)通的時間，假設(shè)要求減速，則縮短功率管導(dǎo)通的時間，此局部工作由PWM脈寬調(diào)制信號控制。圖2.1三相無刷直流電機(jī)工作原理InverterMOTOR圖2.2逆變器原理圖表2.1霍爾位置信號與換相的關(guān)系正向當(dāng)前位置(Ha,Hb,Hc)下一位置導(dǎo)通相 100AH,CL110BH,CL010BH011CH001CH,BL101AH,BL反向當(dāng)前位置(Ha,Hb,Hc)下一位置導(dǎo)通相001CH011CH,BL010AH,BL110AH,CL100BH,CL101BH2.2直流電動機(jī)的PWM調(diào)速原理直流調(diào)速系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛的一種調(diào)速方法就是調(diào)節(jié)電樞電壓。改變電樞電壓調(diào)速的方法有穩(wěn)定性較好、調(diào)速范圍大的優(yōu)點。為了獲得可調(diào)的直流電壓，利用電力電子器件的完全可控性，采用脈寬調(diào)制PWM)技術(shù)，直接將恒定的直流電壓調(diào)制成可變大小和極性的直流電壓作為電動機(jī)的電樞端電壓，實現(xiàn)系統(tǒng)的平滑調(diào)速，這種調(diào)速系統(tǒng)就稱為直流脈寬調(diào)速系統(tǒng)。它被越來越廣泛的應(yīng)用在各種功率的調(diào)速系統(tǒng)中。本系統(tǒng)利用開關(guān)驅(qū)動方式使半導(dǎo)體功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制(PWM)來控制電動機(jī)電樞電壓，實現(xiàn)調(diào)速。圖2.3是對電機(jī)進(jìn)展PWM調(diào)速控制時的電樞繞組兩端的電壓波形。當(dāng)開關(guān)管的柵極輸入高電平時，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動機(jī)電樞繞組兩端有電壓秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖?，開關(guān)管截止，電動機(jī)電樞兩端電壓為0,tz秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，開關(guān)管的動作重復(fù)前面的過程。U1TU0Ust1t20圖2.3輸入輸出電壓波形電動機(jī)電樞繞組兩端的電壓平均值。為:式中占空比a表示在一個周期T里，開關(guān)管導(dǎo)通的時間與周期的比值，a變化范圍為0-1之間。所以當(dāng)電源電壓Us不變時，電樞的端電壓的平均值U。取決于占空比的大小，改變a值就可改變端電壓的平均值，從而到達(dá)調(diào)速的目的.理想空載轉(zhuǎn)速與占空比a成正比。3.無刷直流電機(jī)控制器硬件設(shè)計無刷直流電機(jī)控制器在控制方式上主要有以專用集成芯片、單片機(jī)和DSP芯片控制三種方式。以專用集成芯片為核心的控制器，系統(tǒng)構(gòu)造簡單，價格較廉價，但是系統(tǒng)靈活性缺乏，保護(hù)功能有限:以DSP芯片為核心的控制器，控制精度較高，但是算法較復(fù)雜，開發(fā)周期長，本錢較高，不易在市場上推廣。本設(shè)計使用單片機(jī)作為主控芯片可以彌補上述兩方案的缺乏。3.1硬件組成本控制器根據(jù)工程參數(shù)要求應(yīng)具有如下功能:(1)具有電動、定速、助力三種工作模式:在電動模式下，控制系統(tǒng)能夠根據(jù)電動車轉(zhuǎn)把所給電壓，正常加電運轉(zhuǎn);定速模式下，無需按住轉(zhuǎn)把，電動車能夠按照設(shè)定速度運行:助力模式下，能夠根據(jù)助力傳感器測得的騎車者的用力實現(xiàn)助力騎行.三種工作模式可通過模式轉(zhuǎn)換按鈕切換。(2)當(dāng)系統(tǒng)出錯或者位置傳感器、助力傳感器出錯時能夠進(jìn)入自檢模式并顯示錯誤。(3)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的欠壓保護(hù)、過流保護(hù)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)。(4)能夠?qū)崟r顯示電動車的狀態(tài)。根據(jù)上述功能，所設(shè)計的系統(tǒng)硬件框圖。如圖3.1所示。電源電源電源電源=5V\*Arabic語法錯誤，V電量檢測助力信號轉(zhuǎn)把信號電量檢測助力信號轉(zhuǎn)把信號BRK信號MOD轉(zhuǎn)換面板信號MCU升壓電路邏輯保護(hù)電路電流檢測驅(qū)動電路電機(jī)轉(zhuǎn)子位置信息5V36V50VPWM圖3.1硬件系統(tǒng)框圖3.2三相全橋逆變電路和驅(qū)動電路逆變電路和驅(qū)動電路是主控芯片與被控電機(jī)之間聯(lián)系的紐帶，其傳輸性能的好壞直接影響著整個系統(tǒng)的運行質(zhì)量。其功能是將電源的功率以一定邏輯關(guān)系分配給無刷直流電動機(jī)定子上各相繞組。功率場效應(yīng)晶體管具有開關(guān)速度快、高頻特性好、輸入阻抗高、驅(qū)動功率小、熱穩(wěn)定性優(yōu)良、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)寬和跨導(dǎo)線性度高等顯著特點，因而在各類中小功率開關(guān)電路中得到了廣泛的應(yīng)用。在本控制系統(tǒng)中就采用了MOSFET組成的逆變器變換電路。根據(jù)第二節(jié)所述，半橋逆變器的控制比擬復(fù)雜，需要六組控制信號，電機(jī)三相繞組的工作也相對獨立，必須對三相電流分別控制。而全橋逆變器的控制比擬簡單，只需三組獨立控制信號，且任一時刻導(dǎo)通的兩相電流相等，只要對其中一相電流進(jìn)展控制，另外一相電流也得到了控制.因此本設(shè)計采用全橋逆變電路來控制各相位的導(dǎo)通，如圖2.2所示。本設(shè)計中逆變器上下橋臂都采用N溝道MOSFET管，如圖3.2所示。P型MOSFET管由于工藝的原因，參數(shù)一致性較差，價格較貴，而且其內(nèi)阻比N溝道的MOSFET管大，損耗也大。因此，當(dāng)前的無刷控制器一般都采用兩個N溝道MOSFET管組成逆變器的一相。當(dāng)功率MOSFET管用作開關(guān)，被驅(qū)動飽和導(dǎo)通，即在它的兩極之間壓降最低時，其柵極驅(qū)動要求可概括如下:(1)柵極電壓一定要比漏極電壓高10~15V，用作高壓側(cè)開關(guān)時其柵極電壓必定高于干線電壓，常?？赡苁窍到y(tǒng)中的最高電壓.(2)柵極電壓從邏輯上看必須是可控的，它通常以地為參考點。(3)柵極驅(qū)動電路吸收的功率不會顯著地影響總效率。本系統(tǒng)中功率MOSFET的漏極電壓為36V，本系統(tǒng)的最高電源電壓也為36V。為滿足柵極高于漏極10V~15V的要求，需要采用升壓電路。3.2(1)驅(qū)動電路如圖3.2所示，由于受到匹配電壓的限制，頂端驅(qū)動電路無法直接與TTL器件匹配，因此在電路中通過LM339用來間接匹配電壓，匹配后的LM339輸出端(<a相2腳、b相1腳、c相14腳)電平分別為12V的有效狀態(tài)或大于25V的無效狀態(tài)。當(dāng)某相頂端驅(qū)動電路有效時，場效應(yīng)器件VF1(或VF3,VF5)的柵極電壓不低于46V，才能保證場效應(yīng)管的充分導(dǎo)通.導(dǎo)通后，X1(或X2,X3電壓與電池電壓一樣)。由于MOSFET管的柵極絕緣柵易被擊穿破壞，因此柵源間電壓不得超過正負(fù)20V。柵源間并聯(lián)電阻或齊納二極管，以防止柵源間電壓過大。本設(shè)計中，頂端驅(qū)動電路中的15V穩(wěn)壓二極管DZ2,DZ4和DZ6為保護(hù)二極管。漏源間也要加保護(hù)電路以防止開關(guān)過程中因電壓的突變而產(chǎn)生漏極尖峰電壓損壞管子，可用齊納二極管籍位.當(dāng)電機(jī)意外突然停轉(zhuǎn)時，電機(jī)繞組產(chǎn)生瞬間的反向高壓可能會損壞功率管，所以在直流母線上并聯(lián)一只耐高壓電容，意外停機(jī)時，母線上產(chǎn)生的瞬間高壓會由于電容兩端電壓不能突變而得到抑制。底端電壓驅(qū)動電路采用NE555內(nèi)部推挽電路，利用單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號調(diào)制底端驅(qū)動信號，調(diào)制后的信號通過電阻藕合至底端驅(qū)動場效應(yīng)管柵極，控制場效應(yīng)管導(dǎo)通狀態(tài)。因為底端驅(qū)動電路中NE555功耗較大，因此需要為U8,U9和U10配上禍合電容C37,C39和C43。底端電壓驅(qū)動電路中R22,R30,R38為串聯(lián)柵電阻，是場效應(yīng)管底端驅(qū)動保護(hù)電路，可消去由MOSFET電容和柵一源電路在任何串聯(lián)繞組感應(yīng)而生的高頻振蕩。以A相為例，頂端驅(qū)動，當(dāng)LM339的2口輸出為低時，12腳正端接地，使得Ql基極電壓為22V>Ql開通，電流流過R19，電流方向為左正右負(fù)(從而保證Ql開通時Q2關(guān)斷)，VF1柵極電壓為50V左右，源極電壓為36V左右，VF1開通;當(dāng)LM339的2口輸出為高時，Ql關(guān)斷，這時VF1截止。Q2與R18,R19,C26組成有源濾波器。底端驅(qū)動，當(dāng)經(jīng)過邏輯保護(hù)的A相底端控制信號aBTM輸入為1時，經(jīng)過底端驅(qū)動電路產(chǎn)生12V有效信號，使得VF2導(dǎo)通。同時，單片機(jī)輸出的PWM信號送到NE555的RST端，對底端控制信號進(jìn)展調(diào)制。圖3.2MOSFET驅(qū)動逆變電路3.2驅(qū)動電路的電源局部包含兩局部電路:一局部是將電池電源36V，通過三端穩(wěn)壓器LM7915產(chǎn)生相對電源電壓的-15V電壓，即36V-15V=21V，用于倍壓電路產(chǎn)生高驅(qū)動電壓;另一局部是通過三端穩(wěn)壓器LM7812產(chǎn)生的+12V電壓，用于頂端驅(qū)動匹配和底端驅(qū)動電路。如圖3.3所示，電源電路中，根據(jù)各個局部的電流，合理的選擇分流電阻**R14和**R45的阻值和功率，減小直接流過三端穩(wěn)壓器件的電流，降低其發(fā)熱量，提高電路穩(wěn)定性。圖3.3+21V和+12V電源電路3.2.3〔1〕硬件保護(hù)電路為了增加控制系統(tǒng)的可靠性和安全性，設(shè)計了純硬件制動保護(hù)電路，如圖3.4所示。制動電路通過控制振蕩電路的RST端的電平狀態(tài)，間接控制頂端驅(qū)動電路導(dǎo)通所需電壓源.通過LM339的保護(hù)功能，當(dāng)系統(tǒng)正常工作時，測試點1處的電壓通過上拉電阻，電平為12V，經(jīng)過22V穩(wěn)壓二極管，測試點2處的電平在34V左右，振蕩電路正常工作;當(dāng)系統(tǒng)過流時，純硬件的保護(hù)電路U5反向輸入端的電壓將高于正向輸入端參考電壓，U5內(nèi)部的三極管導(dǎo)通，測試點1處電平約0.7V,測試點2處電壓為21V左右，RST有效，振蕩電路停頓振蕩，頂端驅(qū)動電路將不再輸出驅(qū)動電壓，從而實現(xiàn)硬件制動穩(wěn)定性。R47和C36組成電流波形尖峰抑制器，可抑制電流波形的前導(dǎo)峰緣，增強系統(tǒng)?！?〕振蕩倍壓電路如圖3.4所示，NE555的電源接+36V電壓，地端接+21V電壓。NE555和外圍電路組成振蕩電路，振蕩電路產(chǎn)生的振蕩頻率約為4-5KHz,振蕩信號從NE555的3腳輸后，通過陶瓷電容C23和C24、二極管D3和D4構(gòu)成的倍壓電路，將輸出電壓提升到50V左右，送到MOS管的柵極。NE555的RST腳能夠控制振蕩電路的起停。倍壓電路的工作原理是:當(dāng)NE555的3腳為GND電壓(+21V)時，電源36V通過二極管D4給電容C24充電，如果時間常數(shù)適宜，C24上的電壓近似等于36V-21V=15V，方向為左負(fù)右正:當(dāng)NE555的3腳為高時，電容C24左側(cè)為36V，右側(cè)為36V+15V=51V，因為二極管D4反偏截止，產(chǎn)生的51V電壓就通過二極管D3給C23,C25充電，這樣經(jīng)過假設(shè)干周期的反復(fù)充電，電容C25上的電壓就升到后部驅(qū)動所需要的51V恒定電壓。圖3.4振蕩倍壓電路和純硬件保護(hù)電路3.3速度控制電路3.4其他3.4電動自行車在使用過程中實時監(jiān)測蓄電池的容量情況將給用戶帶來很大的方便，它能提供蓄電池的電能大約能夠使車輛行駛多少里程，蓄電池是否需要充電等信息。蓄電池的總?cè)萘客ǔＲ猿渥汶姾螅烹娭疗涠穗妷旱竭_(dá)規(guī)定值時所釋放出的總電量來表示。當(dāng)蓄電池以恒定電流放電時，它的容量等于放電電流和放電時間的乘積:式中Q的單位為(A-h)。如果放電電流不是一個恒定的常數(shù)，蓄電池的容量為不同的放電電流與相應(yīng)時間的乘積之和:由于蓄電池的容量受到很多因素的影響，長時間的使用，反復(fù)的充放電，一些蓄電池的容量將逐漸減小，因此要準(zhǔn)確測量蓄電池的容量比擬困難。本方案利用蓄電池端電壓與容量之間的關(guān)系，通過測量蓄電池的端電壓來監(jiān)測蓄電池的容量.利用單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換口，將電池兩端的電壓這一模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，從而顯示電池相應(yīng)的電量，以及判斷電池是否欠壓。3.4本設(shè)計中用到的助力傳感器為V7系列電動車用助力傳感器。V7助力傳感器由開關(guān)型霍爾元件和后部處理電路組成，供電電源5V。當(dāng)霍爾原件感應(yīng)面有磁場時，傳感器輸出為低，無磁場時輸出為高，后部處理電路根據(jù)接收到的信號進(jìn)展處理，向單片機(jī)發(fā)出符合以下規(guī)律的信號:(1)頻率與轉(zhuǎn)速成正比；(2)電機(jī)正轉(zhuǎn)時，一周期內(nèi)的高電平時間:低電平時間>=2:1；電機(jī)反轉(zhuǎn)時，一周期內(nèi)的高電平時間:低電平時間>=1:2。為了使得采集的數(shù)據(jù)更準(zhǔn)確，電動車助力輪上裝有5個感應(yīng)鐵塊，所以助力輪轉(zhuǎn)一圈，助力傳感器會按照上述規(guī)律送出5組信號.利用PIC單片機(jī)的普通I/O口和定時器TO加以配合，檢測上下電平的時間，從而確定相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，給出對應(yīng)的助力。4.系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1概述在軟件方面，本設(shè)計利用匯編語言，采用模塊化編程和構(gòu)造化編程。模塊化編程:完全實現(xiàn)本設(shè)計所有的技術(shù)指標(biāo)需要大量而有效的程序來實現(xiàn)，煩瑣的程序需要采用模塊化編程的方法，即將一個大的程序分成假設(shè)干小的模塊，各個模塊保持相對的獨立性，模塊之間只靠少量的出入口參數(shù)相聯(lián)系。這樣各個程序模塊分別設(shè)計，從而使程序的調(diào)試、修改和維護(hù)都變得比擬容易。構(gòu)造化編程:各個子程序之間使用構(gòu)造良好的轉(zhuǎn)移和調(diào)用，這樣各個模塊可有效地組合成一個整體，使流程明確地從一個程序模塊轉(zhuǎn)移到下一個程序模塊.在這個過程中，要注意嚴(yán)格控制使用任意轉(zhuǎn)移語句。根據(jù)課題要求，無刷智能控制器智能局部功能如下:(1)電動模式:翻開電鎖，如果各電器部件正常工作，電動車進(jìn)入電動狀態(tài)，此時前儀表板電動指示燈點亮，轉(zhuǎn)動電動車轉(zhuǎn)把，電動車正常加電運轉(zhuǎn);如轉(zhuǎn)把、剎把、助力傳感器信號出錯，則電動車進(jìn)入自檢狀態(tài)，待前面所說電器部件信號恢復(fù)正常，過2-3秒電動車退出自檢模式，進(jìn)入正常電動狀態(tài)。(2)助力模式:翻開電鎖，在電動車進(jìn)入電動模式下，按動模式轉(zhuǎn)換按鈕，電動模式轉(zhuǎn)換到助力模式，此時前儀表板電動指示燈滅，助力指示燈亮，騎行實現(xiàn)一加一助力:再次按動模式轉(zhuǎn)換按鈕或剎車，則電動車退出助力模式回到電動模式，助力模式下剎車，電機(jī)斷電，但不退出助力模式。(3)定速模式:翻開電鎖，在電動車進(jìn)入電動模式下，按住模式轉(zhuǎn)換按鈕保持2-3秒鐘不動，電動車由電動模式轉(zhuǎn)換到定速模式，此時前儀表板電動指示燈滅，定速模式指示燈點亮，電動車將保持現(xiàn)有的固定速度運行，再次按動模式按鈕或剎車，則電動車退出定速模式回到電動模式。當(dāng)車速低于2km/h時，定速功能無效，其目的是防止用戶在推車時誤觸發(fā)模式轉(zhuǎn)換按鍵。(4)自檢功能:當(dāng)轉(zhuǎn)把不在零位、剎把處于剎車狀態(tài)下，或轉(zhuǎn)把、剎把工作正常，但助力傳感器信號出錯時，翻開電鎖，此時電動車進(jìn)入自檢模式，轉(zhuǎn)把擰得角度越大，欠壓燈閃的頻率無刷育流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計越快;定速燈指示助力傳感器;捏剎把時電動燈亮;三個電量指示燈分別指示無刷電機(jī)的三個霍爾信號。如各電器部件信號恢復(fù)正常，過2-3秒電動車退出自檢模式回到電動模式，或重新翻開電鎖，電動車進(jìn)入正常電動狀態(tài)。4.2主程序程序主流程圖如圖4.1所示，主程序上電復(fù)位后完成系統(tǒng)初始化:PWM,ADC端口、定時器等單元的初值設(shè)置;中斷設(shè)置;變量、標(biāo)志存放器的初始化。為了防止在初始化的過程中，中斷的意外到來，應(yīng)在主程序的開場處先關(guān)閉全局中斷。初始化完成后，進(jìn)入自檢程序，假設(shè)各電器信號正常，則2秒后退出自檢模式。重新對相關(guān)存放器，定時器賦初值，翻開INT外部中斷，即允許模式轉(zhuǎn)換按鈕中斷。判斷電機(jī)啟動是否成功,如果成功進(jìn)入正常工作模式函數(shù)，假設(shè)有非法狀態(tài)，停電機(jī)，程序跳入自檢模式進(jìn)展自檢。電機(jī)正常工作模式流程如圖4.2所示。系統(tǒng)進(jìn)入到正常工作模式的主循環(huán)時，首先判斷系統(tǒng)處于何種工作模式，然后檢查系統(tǒng)是否處于非法態(tài)，如果出現(xiàn)欠壓、過流、堵轉(zhuǎn)等錯誤，則停機(jī)，程序跳入到自檢狀態(tài);否則，判斷是否有剎車信號，如沒有，進(jìn)入判斷模式及模式功能處理函數(shù):如果有，則停機(jī)，等待剎車完畢信號。剎車完畢后，如果工作模式為定速模式，則退出定速模式，進(jìn)入電動模式。在電動模式下，單片機(jī)采集轉(zhuǎn)把電壓信息，控制輸出的PWM信號的占空比;定速模式下，轉(zhuǎn)把信號無效，程序根據(jù)模式轉(zhuǎn)換前輸出的PWM占空比恒定輸出;助力模式下，根據(jù)定時器TO采集助力傳感器的上下電平時間，控制PWM信號的占空比。在這個過程中，始終允許KMOD按鍵中斷，因此可以通過按下KMOD鍵切換電動、定速和助力三種模式。自檢自檢上電復(fù)位初始化相關(guān)存放器，MODE-REG置為電動模式自檢模式，顯示相應(yīng)信號的狀態(tài)，假設(shè)各電器信號正常，則2秒后退出自檢模式測量電壓及電流，并指示是否欠壓，過流判斷當(dāng)前工作模式SP有效剎車有效啟動電機(jī)翻開KMOD中斷啟動成功正常工作模式WORK-MODE-FLAG有錯關(guān)閉電機(jī)關(guān)閉KMOD剎車有效助力傳感器有效剎車有效自檢YNNYYYYYYNNY助力NN自檢自檢NN圖4.1系統(tǒng)工作流程圖FUN-WORK-MODE開場助力判斷MODE-REG助力信號有效?對轉(zhuǎn)把電壓進(jìn)展采樣NSP是否有效?YFUN-CAL-TOVERY是否換相超時?N相位有變化?YCMP-SENSORY相位有錯?N對欠壓端進(jìn)展采樣YERROR:是否過流?N將WORK-MODE-FLAG置為錯誤改變指示燈狀態(tài)電機(jī)停轉(zhuǎn)將WORK-MODE-FLAG置為正確定速FUN-WORK-MODE開場助力判斷MODE-REG助力信號有效?對轉(zhuǎn)把電壓進(jìn)展采樣NSP是否有效?YFUN-CAL-TOVERY是否換相超時?N相位有變化?YCMP-SENSORY相位有錯?N對欠壓端進(jìn)展采樣YERROR:是否過流?N將WORK-MODE-FLAG置為錯誤改變指示燈狀態(tài)電機(jī)停轉(zhuǎn)將WORK-MODE-FLAG置為正確定速電動電動ERRORERRORNN是否欠壓是否欠壓NN對過流端進(jìn)展采樣對過流端進(jìn)展采樣YY返回返回圖4.2正常工作模式流程圖4.3中斷4.3.1單片機(jī)中斷資源本設(shè)計中應(yīng)用到的PIC單片機(jī)的中斷源有:外部觸發(fā)中斷INT，定時器TMRO溢出中斷，定時器TMR1溢出中斷，定時器TAM溢出中斷，A/D轉(zhuǎn)換中斷，CCP中斷。其中外部觸發(fā)中斷INT,TMRO溢出中斷為第一級中斷，TMR1溢出中斷，TMR2溢出中斷，A/D轉(zhuǎn)換中斷，CCP中斷為第二級中斷。所有中斷源都受全局中斷屏蔽位(也可以稱為總屏蔽位)C正的控制;第一級中斷源不僅受全局中斷屏蔽位的控制，.還受各自中斷屏蔽位的控制;第二級中斷源不僅受全局中斷屏蔽位和各自中斷屏蔽位的控制，還要額外受到一個外設(shè)中斷屏蔽位PEIE的控制PIC單片機(jī)只有一個中斷向量，沒有中斷優(yōu)先級別之分，也沒有類似51系列、AVR系列單片機(jī)的PUSH和POP指令.當(dāng)總中斷允許位GIE有效時，任何一個中斷標(biāo)志位有效都會將PC指針指向中斷向量0004H處.因此中斷處理一般分為以下幾步:(1)保存臨時存放器W、狀態(tài)存放器STATUS、指針存放器PCLATH的值;(2)逐個判斷可能產(chǎn)生中斷的中斷標(biāo)志位和中斷允許位，只有二者同時有效時才執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序;(3)中斷返回時恢復(fù)這三個存放器的值。4.3.2定時器資源分配定時器/計數(shù)器的作用:檢測外部電路送來的一系列方波信號的脈寬、周期或者頻率:對外部事件產(chǎn)生的觸發(fā)信號進(jìn)展準(zhǔn)確地計數(shù)計時。PIC16F72配置了3個定時器/計數(shù)器模塊:TMRO、TMR1、TMR2。(1)TMRO:8位寬，有一個可選的預(yù)分頻器，用于通用目的。(2)TMR1:16位寬，有一個可編程的預(yù)分頻器和一個可選的低頻時基振蕩器.適合與CCP捕捉/比擬/脈寬調(diào)制)模塊配合使用來實現(xiàn)輸入捕捉或輸出比擬功能。(3)TMR2:8位寬，有一個可編程的預(yù)分頻器和一個可編程的后分頻器，還附帶一個周期存放器和比擬器，適合與CCP模塊配合使用來實現(xiàn)PWM脈沖寬度調(diào)制信號的產(chǎn)生。這時，應(yīng)通過將中斷使能位TMR2清0，把TMR2的中斷功能屏蔽掉，同時也把后分頻器的作用屏蔽掉;通過向周期存放器PR2中寫入不同的值，以及給預(yù)分頻器設(shè)定不同的分頻比，來靈活調(diào)整TMR2輸出端的信號周期.根據(jù)三個定時器的特點，在程序中將資源分配如下:(1)TMR0:計算助力傳感器送出的上下電平持續(xù)時間;用做欠壓保護(hù)5秒鐘的定時器;計算電機(jī)換相時間。(2)TMR1:做為跳出自檢模式2秒鐘時間的定時器;通過改變定時時間，控制PWM占空比輸出;用于模式轉(zhuǎn)換按鍵的時間判斷;用于堵轉(zhuǎn)保護(hù)的時間判斷。(3)TMR2:控制自檢模式下LEDSPEED閃爍的頻率;用做周期可調(diào)的時基發(fā)生器，為PWM提供周期可調(diào)的時基信號。4.3.3MOD鍵(INT中斷模式轉(zhuǎn)換由外部中斷1NT完成，電機(jī)正常運轉(zhuǎn)時始終允許MOD鍵中斷。自檢完成后，假設(shè)工作條件正常，啟動電機(jī)，進(jìn)入電動模式，此時按下MOD鍵，按鍵標(biāo)志位KMODFLAG置1，在T1中斷服務(wù)子程序中判斷，假設(shè)按下MOD鍵小于2秒，則進(jìn)入助力模式:假設(shè)按下MOD鍵2-3秒進(jìn)入定速模式。在助力或定速模式下按下MOD鍵，返回電動模式。4.4AD轉(zhuǎn)換本系統(tǒng)涉及到A/D轉(zhuǎn)換的參量有電池電壓值、轉(zhuǎn)把給定值、過流電阻的采樣電壓值。每次A/D轉(zhuǎn)換完畢后，單片機(jī)都將把采樣后經(jīng)過轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)放入相應(yīng)的存儲單元，供其他子程序調(diào)用，AD轉(zhuǎn)換子程序，如圖4.3所示。PIC16F72單片機(jī)內(nèi)部的AD模塊是8位的，具有5個模擬通道。通過定義AD控制存放器1的A/D轉(zhuǎn)換引腳功能選擇位可以分配模擬和數(shù)字通道。AD模塊的操作過程要求占用較多的時間，其占用的時間主要包含兩個局部;采樣/保持電容的充電時間和A/D轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換時間。每一位數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換時間被定義為TAD。為了保證A/D轉(zhuǎn)換電路正確地進(jìn)展轉(zhuǎn)換，所選A/D轉(zhuǎn)換時鐘源必須滿足最小TAD時間要求，即TAD不得小于1.6us。對于模擬輸入電壓:當(dāng)模擬輸入電壓高于單片機(jī)電源正電壓VDD或者低于單片機(jī)電源負(fù)電壓Vss有0.2V以上時，將會使得A/D轉(zhuǎn)換精度有所下降。為了消除輸入模擬量上的噪聲所帶來的偏差，需要在A/D轉(zhuǎn)換器的模擬輸入通道中參加阻容RC濾波電路。入口,通道號初始化ADC延時等待讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果入口,通道號初始化ADC延時等待讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果返回,讀通道結(jié)果在A/D轉(zhuǎn)換的過程中，可能出現(xiàn)隨機(jī)千擾、誤檢或者傳感器不穩(wěn)定而引起的失真，所以需要采取一定的算法以得到較為準(zhǔn)確和穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換結(jié)果。采用的算法如下:每輪進(jìn)展8次采樣，第一次采樣值存入一備份存放器XX_TMP,接下來每次采樣得到的值存入ADC_RES，采樣結(jié)果應(yīng)該滿足下述算法:①ADC_RES內(nèi)的值應(yīng)大于0X03，否則認(rèn)為無效；②ADC_RES應(yīng)小于251(即255-4)，否則認(rèn)為無效；③XX_TMP應(yīng)大于(ADC_RES-3)，否則認(rèn)為無效；④XX_TMP應(yīng)小于(ADC_RES+4)，否則認(rèn)為無效。程序認(rèn)為無效后就退出此輪采樣，不保存采樣值。表4.1和4.2分別是電源電壓轉(zhuǎn)換數(shù)值表和轉(zhuǎn)把電壓轉(zhuǎn)換數(shù)值表。在設(shè)計轉(zhuǎn)把電壓與PWM占空比的對應(yīng)函數(shù)時，參照了Motorola公司生產(chǎn)的MC33035電機(jī)專用控制芯片的輸出曲線:設(shè)定轉(zhuǎn)把電壓SP的有效范圍為1.1V-3.3V;當(dāng)SP對應(yīng)的數(shù)字量在[56,132]范圍時，假設(shè)SP+1，則DUTY(占空比)+1;當(dāng)SP對應(yīng)的數(shù)字量在[132,169]范圍時，假設(shè)SP+1，則DUTY(占空比)+2。表4.1電源電壓轉(zhuǎn)換數(shù)值表電源電壓數(shù)字量電池電量1級變36.0V196電池電量2級34.5V188電池電量3級32.4V177電池電量4級31.0V169表4.2轉(zhuǎn)把電壓(SP)轉(zhuǎn)換數(shù)值表轉(zhuǎn)把電壓0V1.1V2.6V3.3V5V數(shù)字量0561321692554.5PWM(脈沖寬度調(diào)制)PIC16F72系列單片機(jī)配有輸入捕捉/輸出比擬/脈沖寬度調(diào)制CCP模塊。其中脈寬調(diào)制輸出工作模式，適合用于從引腳上輸出脈沖寬度隨時可調(diào)的PWM信號，例如實現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速、步進(jìn)電機(jī)的變頻控制等。當(dāng)CCP工作于PWM模式時，CCP引腳可以輸出分辨率達(dá)10位的PWM信號波形。產(chǎn)生如此波形需要確定兩個根本參數(shù):一個是周期(高電平和低電平持續(xù)時間之和);另一個是脈寬(高電平持續(xù)時間)。周期周期脈寬TMR2=周期值時TMR2=脈寬值時圖4.4脈寬調(diào)制器輸出波形當(dāng)CCP工作于PWM模式時，確定PWM信號周期所用到的定時器就是8位寬的時基定時器TMR2，而確定PWM信號脈寬所用到的定時器則是10位寬的時基定時器(由定時器TMR2的8位和其低端擴(kuò)展的兩位共同構(gòu)成)PWM信號的周期可以通過向PR2中寫入數(shù)值來人為設(shè)定。該周期計算公式如下:PWM周期=[(PR2)+1]X4XToscX(TMR2預(yù)分頻)(4.1)其中，Tosc為系統(tǒng)時鐘周期;4Tosc為系統(tǒng)指令周期;TMR2預(yù)分頻比可以是1,4或16,PWM信號的脈沖寬度預(yù)定值，可以通過寫入10位脈寬存放器來設(shè)定。計算公式如下:PWM高電平時間=(CCPRIL:CCPICON<5:4>)XToscX(TMR2分頻比)(4.2)其中，CCPRIL:CCPICON<5:4>代表由2個存放器拼裝組合得到的10位數(shù)據(jù);Tosc為系統(tǒng)時鐘周期;TMR2預(yù)分頻比可以是1,4或16。PR2值確實定:因為系統(tǒng)所需要的PWM的頻率約為20kHz，根據(jù)式4.1和式4.2,當(dāng)PR2為41時，PWM的頻率為19.84kHz，到達(dá)要求，Tosc為1.2us。4.6位置信號和驅(qū)動信號的對應(yīng)關(guān)系功能:反響電機(jī)轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置，據(jù)此判斷控制信號并計算電機(jī)轉(zhuǎn)速;符號:Sa,Sb,Sc傳感器位置信號;Ta,Tb,Tc上橋臂控制信號;Ba,Bb,Bc下橋臂控制信號;屬性:Sa,Sb,Sc輸入信號,3位二進(jìn)制數(shù);Ta,Tb,Tc,Ba,Bb,Bc輸出信號;工作方式:單片機(jī)可以用查詢方式獲得Sa,Sb,Sc;Sa,Sb,Sc與Ta,Tb,Tc,Ba,Bb,Bc之間的關(guān)系，如表4.3所示。表4.3位置信號和驅(qū)動信號對應(yīng)表輸入輸入輸出輸出60度120度頂部驅(qū)動底部驅(qū)動SaSbSc100110111011001000SaSbSc100110010011001101TaTbTc011101101110110011BaBb0010011001000100104.7數(shù)字PI速度調(diào)節(jié)4.7.1在模擬系統(tǒng)中，PID算法的表達(dá)式為：(4.3)式中，P(t)調(diào)節(jié)器的輸出信號;e(t)調(diào)節(jié)器的偏差信號，它等于測量值與給定值之差:Kp為調(diào)節(jié)器的比例系數(shù);Tt為調(diào)節(jié)器的積分時間;TD為調(diào)節(jié)器的微分時間。由于用PIC單片機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時刻的偏差值來計算控制量。因此，在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，必須首先對式4.3進(jìn)展離散化處理，用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)微分方程，此時積分項和微分項可用求和及增量式表示:(4.4)(4.5)將式4.4、式4.5代入式4.3，則可得離散的PID表達(dá)式:(4.6)式中，采樣周期，必須使T足夠小，才能保證系統(tǒng)有一定的精度;E(k)第k次采樣時的偏差值;E(k-1)第(k-1)次采樣時的偏差值;k采樣序號，k=O,1,2..;P(k)第k次采樣時調(diào)節(jié)器的輸出。根據(jù)遞推原理，可寫出(k-1)次的PID輸出表達(dá)式:(4.7)用式4.6減去式4.7，可得:(4.8)式中，為積分系數(shù)；為微分系數(shù)。由式4.8可知，要計算第k次輸出值P(k)，只要知道P(k-1)，E(k)，E(k-1)，E(k-2)即可，比式4.6計算要簡單得多。由式4.6可寫出第k次采樣時PD:)的輸出表達(dá)式:(4.9)設(shè)比例項輸出:Pp(k)=KpE(k)積分項輸出:微分項輸出:所以式4.9可改寫為:(4.10)4.7.2對無刷直流電機(jī)速度的控制即可采用開環(huán)控制也可采用閉環(huán)控制。與開環(huán)控制相比速度控制閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性有以下優(yōu)越性:閉環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械特性與開環(huán)系統(tǒng)機(jī)械特性相比，其性能大大提高，理想空載轉(zhuǎn)速一樣時，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率(額定負(fù)載時電機(jī)轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比)要小得多。當(dāng)要求的靜差率一樣時，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以大大提高。速度調(diào)節(jié)器是實現(xiàn)調(diào)速的核心環(huán)節(jié)，它的設(shè)計好壞對系統(tǒng)動、靜態(tài)性能關(guān)系很大。本系統(tǒng)中的速度閉環(huán)控制，主要有測速、給定值計算、比擬、輸出限幅等環(huán)節(jié).電機(jī)轉(zhuǎn)速通過測量霍爾傳感器輸出連續(xù)兩個高電平的時間間隔獲得，為了簡化硬件，采用單片機(jī)內(nèi)部定時器測速。假設(shè)測量的轉(zhuǎn)速為If，轉(zhuǎn)速的給定值為I4ef，根據(jù)式4.10，不考慮微分項，算法如下:(4.11)為了保證流過電機(jī)的電流不超過最大限度，需要對電流調(diào)節(jié)器的輸出進(jìn)展限幅處理，即IFP(k)>Um,THENP(k)=Um,轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用如下:(1)使轉(zhuǎn)速np跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)無靜差。(2)對負(fù)載變化起抗擾作用。(3)其輸出限幅值決定允許的最大電流。在速度閉環(huán)調(diào)制系統(tǒng)中，對采樣頻率的要求不是很高，本設(shè)計中速度環(huán)程序的采樣周期設(shè)定為40ms。本程序設(shè)置SPEEDCOUNT為速度環(huán)的計數(shù)器，進(jìn)入AD中斷之后，首先判斷延時是否已到，如果延時到，調(diào)用PI子程序，同時計數(shù)器清。此外,可以將本設(shè)計的速度閉環(huán)調(diào)制進(jìn)一步改良為電流、速度雙閉環(huán)調(diào)制。雙閉環(huán)調(diào)速的特點是速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和電流。好處是可以根據(jù)給定速度與實際速度的差額及時控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，在速度差值比擬大時電機(jī)轉(zhuǎn)矩大，速度變化快，以便盡快地把電機(jī)轉(zhuǎn)速拉向給定值，在轉(zhuǎn)速接近給定值時，又能使轉(zhuǎn)矩自動減小，這樣可以防止過大的超調(diào)，以利于調(diào)速過程的快速性。并且，電流環(huán)的等效時間常數(shù)比擬小，當(dāng)系統(tǒng)受到外來干擾時它能比擬快速的作出響應(yīng)，抑制干擾的影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。而且雙閉環(huán)系統(tǒng)以速度調(diào)節(jié)器的輸出作為電流調(diào)節(jié)器的給定值，對速度調(diào)節(jié)器的輸出限幅就限定了電樞中的電流，起到了保護(hù)逆變橋的作用。5.系統(tǒng)調(diào)制與實驗結(jié)論5.1系統(tǒng)硬件調(diào)試硬件電路的安裝與調(diào)試過程應(yīng)按照模塊進(jìn)展，安裝和測試步驟為:相對-15V電源局部，測試輸出電壓，為36V-15V=21V;振蕩電路,測試無負(fù)載狀態(tài)下輸出為50V左右;a相頂端驅(qū)動電路，測試a相頂端驅(qū)動輸出;b相頂端驅(qū)動電路，測試b相頂端驅(qū)動輸出;c相頂端驅(qū)動電路，測試c相頂端驅(qū)動輸出;安裝+12V電源局部，測試輸出電壓;安裝LM339和NE555驅(qū)動輸出局部元件;安裝+5V電源局部，測試輸出電壓;安裝場效應(yīng)驅(qū)動器件。完成上述模塊安裝與測試后，進(jìn)展整機(jī)調(diào)試，整機(jī)加電后，進(jìn)展整機(jī)靜態(tài)調(diào)試，用于觀察待機(jī)狀態(tài)下的穩(wěn)定性，其中主要觀察各個場效應(yīng)器件有無發(fā)熱、三端電壓調(diào)整器件的發(fā)熱狀況，當(dāng)發(fā)熱嚴(yán)重時，在不提升輸出電壓前提下，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)減小分流電阻的阻值，由分流電阻來提供一定的電流;當(dāng)分流電阻發(fā)熱嚴(yán)重時，應(yīng)當(dāng)適中選擇更大功率的電阻，提高電路穩(wěn)定性。動態(tài)調(diào)試過程，主要測試傳感器的輸入和場效應(yīng)器件的輸出狀態(tài)，場效應(yīng)器件應(yīng)與傳感器的輸入邏輯相對應(yīng)。當(dāng)換相準(zhǔn)確時，從示波器上觀察，傳感器輸入不會受到PWM信號的干擾，否則應(yīng)從軟件上作調(diào)整。整機(jī)動態(tài)調(diào)試過程中，電源器件發(fā)熱量較靜態(tài)調(diào)試時會有增加。動態(tài)調(diào)試應(yīng)觀察各個器件有無不穩(wěn)定狀況發(fā)生，尤其是a,b,c三相場效應(yīng)驅(qū)動器件的發(fā)熱情況，應(yīng)當(dāng)不存在個別器件嚴(yán)重發(fā)熱的情況。對于控制器整體，發(fā)熱器件主要集中在場效應(yīng)器件和三端穩(wěn)壓器件上。當(dāng)溫度上升時，MOSFET管的性能下降很快，例如MOSFET管參數(shù)耐流值Id，在25℃時為60A,當(dāng)溫度為100℃時為42A，而MOSFET管在大電流下溫度上升速度也是很快的。所以在測試和運行情況下，必須加散熱片和絕緣片，并采取參加硅膠、注入膨脹橡膠等散熱措施場效應(yīng)器件的開關(guān)效應(yīng)對于系統(tǒng)供電會有較大的影響，除了根本的穩(wěn)壓濾波電路外，在本設(shè)計中采用了雙36V電源設(shè)計，驅(qū)動局部使用一路電源，微控制局部使用另一路電源，從而防止驅(qū)動局部造成的線上壓降對微控制器造成影響。5.2系統(tǒng)軟件調(diào)試由Microchip公司推出的MPLAB集成開發(fā)環(huán)境(ME)是綜合的編譯器、工程管理器和設(shè)計平臺，適用于使用Microchip的PIC系列單片機(jī)進(jìn)展嵌入式設(shè)計的應(yīng)用開發(fā)。軟件運行環(huán)境MPLAB如圖5.1所示。首先，在仿真環(huán)境中通過輸入源程序、編譯、修正、單步執(zhí)行、斷點執(zhí)行、全速執(zhí)行等過程觀察程序執(zhí)行到指定位置的結(jié)果，將軟件的邏輯構(gòu)造調(diào)試正確。接著，調(diào)試面板顯示模塊，只有正確的顯示，才能夠明確后續(xù)調(diào)試過程的正確與否。其次，調(diào)試模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊。調(diào)模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序時，要對每個通道逐一調(diào)試。先調(diào)試0號通道:將通道號置為0，并給0號通道的入口接上穩(wěn)壓源，電壓在0—5V之間。調(diào)用模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序，在存放器中讀出轉(zhuǎn)換結(jié)果，并與理論值比擬，判斷轉(zhuǎn)換結(jié)果是否準(zhǔn)確。對其余通道的調(diào)試方法與0好通道的調(diào)法一樣，調(diào)試中發(fā)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換有時不準(zhǔn)確，因此延長轉(zhuǎn)換的等待時間，問題得以解決。調(diào)試中發(fā)現(xiàn)點亮指示燈不隨采集的電壓信號改變，后發(fā)現(xiàn)是電壓等級定義的不正確。調(diào)試PWM輸出模塊時，用示波器觀察CCP模塊輸出是佛正確，然后調(diào)試INT中斷，試驗中發(fā)現(xiàn)首次模式轉(zhuǎn)換時會有問題，電動模式轉(zhuǎn)換到定速模式或主力模式不定，延長從電動模式轉(zhuǎn)換到定速模式所要求的時間，問題解決，加上剎車信號，當(dāng)在定速模式下按下剎車時，燈全亮正確，但當(dāng)剎車解除時，仍顯示為定速模式，而此時觀察存放器已轉(zhuǎn)為電動模式，經(jīng)檢查發(fā)現(xiàn)是由于顯示更新不及時照成，在此處調(diào)用顯示子程序。調(diào)式電動或定時模式，確定轉(zhuǎn)把給定值與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。調(diào)試中發(fā)現(xiàn)有時在沒有給定轉(zhuǎn)把電壓的情況下，電機(jī)發(fā)生運轉(zhuǎn)，此時應(yīng)在初始化中對脈寬值清零。圖5.1MPLAB集成環(huán)境5.3實驗結(jié)論與建議通過實驗和分析，可得到以下結(jié)論:(1)本文提出的基于PIC單片機(jī)控制的電動自行車控制系統(tǒng)的設(shè)計方案是可行的，能實現(xiàn)快速、準(zhǔn)確的調(diào)速，且系統(tǒng)可靠性強，調(diào)試方便。(2)實驗樣車起動時比擬平穩(wěn)，在起動和運行中過載時，沒有出現(xiàn)因大電流而損壞電子器件或電機(jī)的現(xiàn)象。(3)系統(tǒng)的過流保護(hù)值為10A、欠壓保護(hù)值為31V，并且堵轉(zhuǎn)和自檢保護(hù)工作正常，運行時的面板顯示局部工作正常。(4)控制電路的對稱半橋調(diào)制能實現(xiàn)電壓電流波形對稱，轉(zhuǎn)矩脈動和開關(guān)損耗都小，是理想的調(diào)制方式.進(jìn)一步研究的建議:(1)可采用Matlab/Simulink模塊建設(shè)無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)仿真模型，仿真數(shù)據(jù)對實際設(shè)計有重要的參考意義。(2)可利用軟件檢測電機(jī)的反電動勢，實現(xiàn)電機(jī)的無位置傳感器控制，降低硬件本錢，提高可靠性。(3)可采用專用控制芯片和單片機(jī)相結(jié)合的方式實現(xiàn)無刷直流電機(jī)的控制，該系統(tǒng)會具有單片機(jī)的靈活性和專用控制芯片的穩(wěn)定性雙重優(yōu)點。結(jié)論作為一種新能源綠色交通工具，具有零污染、高效率、低噪音特點的電動自行車必將有廣闊的開展空間。本文在廣泛查閱資料，深入了解無刷直流電機(jī)特性的根基上，對無刷直流電機(jī)的控制原理進(jìn)展了詳細(xì)的研究，設(shè)計了一款電動自行車用無刷直流電機(jī)控制器