【R8C2K單片機為主控芯片的電動摩托車控制器軟硬件設計綜述6000字】

IR8C2K單片機為主控芯片的電動摩托車控制器軟硬件設計目錄TOC\o"1-2"\h\u2164R8C2K單片機為主控芯片的電動摩托車控制器軟硬件設計 199241.1硬件系統(tǒng)總體方案 1110821.2主控芯片的選擇及特征介紹 296681.3主控電路設計 3273644）程序下載接口電路 4224751.4電源電路設計 436971.5軟件開發(fā)環(huán)境 571311.6R8C2K主程序 690151.6.1R8C2K初始化 7295151.6.2中斷優(yōu)先級初始化 7127461.6.3I/O引腳功能設置 716721.6.4定時器RD的初始化設定 816974p2=0;//將P2口初始化為低電平 9248131.7A/D采樣子程序 1020329elseif(volflag==1) 129307參考文獻 12硬件電路是電動機控制器工作基礎，其設計的好壞，將直接影響到控制系統(tǒng)對電動機控制的實時性和可靠性。1.1硬件系統(tǒng)總體方案控制器系統(tǒng)框圖如圖1.1所示。整個控制器由主控電路、由MOSFET組成的功率逆變主電路、以IR2103為核心的前級驅(qū)動電路、霍爾位置信號檢測電路、電源電壓調(diào)理電路、轉(zhuǎn)把調(diào)速信號調(diào)理電路，剎車信號調(diào)理電路、欠電壓/過電流保護電路等組成。轉(zhuǎn)子位置檢測電路提供無刷直流電機轉(zhuǎn)子的位置信息，為電機的正確換相以及速度的計算提供依據(jù)。主控電路通過來自電機的霍爾信號產(chǎn)生相應的控制信號提供給MOSFET的驅(qū)動電路，進而驅(qū)動功率MOSFET三相橋，使無刷直流電機的三相繞組得到按一定規(guī)律變化的勵磁電流。當系統(tǒng)發(fā)生過壓、過流、短路等故障時，主控電路將封鎖PWM信號，使電機停機。圖1.1無刷直流控制器系統(tǒng)框圖1.2主控芯片的選擇及特征介紹基于以上文對控制策略的分析與研究，本系統(tǒng)是一個要求高速、高效、高可靠性的控制系統(tǒng)。要由一個能滿足這些條件的控制器來控制系統(tǒng)的正常運行，并希望其價位適宜，這樣才能更好的使研究成果向產(chǎn)品化發(fā)展。因此，主控芯片的選型十分重要。無刷直流電機控制系統(tǒng)需要快速的、高精度的計算，要求控制系統(tǒng)具有很強的實時性。目前，市場上應用在無刷直流電機控制上的芯片主要有三大類，專用的電機控制芯片、單片機系列以及DSP系列控制芯片。專用的集成電路控制芯片中Motorola公司的MC33035最為典型，這款芯片系統(tǒng)結構簡單、成本低廉。但功能難以擴展，控制系統(tǒng)靈活性和智能性受到了限制，也從一定程度上影響了電動車的控制和使用性能。對于一般的單片機，其指令執(zhí)行速度和運算能力很難做到系統(tǒng)實時控制，尤其是對于電機控制系統(tǒng)，實時性是主要的要求之一。DSP運算處理速度快，能實時地進行復雜的運算，有利于系統(tǒng)實現(xiàn)一些更為復雜的控制算法。但成本太高，經(jīng)濟性較差。R8C2K芯片是瑞薩公司推出的16位專門為電機控制而設計的高性能單片機，它采用哈佛總線結構和RISC技術，指令執(zhí)行效率高，功耗極低，并且具有1M字節(jié)的地址空間。片內(nèi)集成有1.5KRAM和16K的ROM，獨立的乘法器，能進行高速運算處理。輔助電壓監(jiān)測器（AVD）、低電壓監(jiān)測器（LVD）、看門狗、通過噪聲對策結構實現(xiàn)了輻射噪聲低和噪聲耐量強等特性。除了單片機的普通模塊功能之外，還集成了用于電機控制的6路帶可編程死區(qū)的PWM功能模塊。10位8通道有采樣&保持功能A/D轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換速度可以達到5us以內(nèi)，A/D的捕捉觸發(fā)模式，可以在一個PWM周期內(nèi)的任意時刻開啟A/D采樣，容易對電流的精準控制。為實現(xiàn)過流保護功能特別設計的脈沖輸出強制截止，發(fā)生過流時在硬件上強制截止PWM波形的輸出等等。R8C2K既具有控制功能強，又具有數(shù)字信號處理強的特點，這些特點使它比一般的DSP硬件開發(fā)電路更簡單更便宜，而且比同檔的單片機更能適應數(shù)字信號處理的要求。R8C2K這些優(yōu)異的性能為電動車控制器的實現(xiàn)提供了良好的硬件環(huán)境和軟件基礎。圖1.2R8C2K結構框圖1.3主控電路設計R8C2K控制器的最小系統(tǒng)如圖1.3所示，R8C2K控制器的最小系統(tǒng)主要包括供電電源、復位電路、時鐘電路、仿真接口等。下面我們先來看此控制器電路的核心部分：由R8C/2K單片機組成的主控電路部分，其他電路都是為其服務或被其控制。圖1.3R8C2K控制器最小系統(tǒng)1）控制芯片；圖1.3中RESET上接的是外部復位電路；I_AD、V_AD、ZB_AD接口分別是電機母線電流采樣與蓄電池組電壓監(jiān)測電路、轉(zhuǎn)把信號調(diào)理電路到主控芯片的輸入接口；HALL11、HALL22、HALL33接霍爾信號調(diào)理電路；PWMA/PWMA_、PWMB/PWMB_、PWMC/PWMC_分別是A、B、C三相逆變橋電路上、下橋臂開關信號輸出接口；TXD0，RXD0為調(diào)試接口，方便程序在線調(diào)試；XIN，XOUT：外部晶振電路。VREF為A/D模塊參考電壓接口。2）時鐘電路：系統(tǒng)的時鐘電路由圖1.3中電容C29，C30和晶振Y1組成，采取芯片的XIN和XOUT引腳之間連接一個外部晶體振，以啟動內(nèi)部的振蕩器產(chǎn)生系統(tǒng)時鐘，通過內(nèi)部有鎖相環(huán)時鐘模塊（PLL電路）R8C2K芯片可以獲得更快的運行速度。晶振采用5MHz的石英晶體諧振器。接地電容C29、C30取為30pF。3）復位電路：功能是當模塊死機或運行不正常時，使控制器恢復至正常狀態(tài)。系統(tǒng)復位電路由圖1.3中R35、C31、S1組成。復位按鈕S1的使用，使得調(diào)試過程中可以實現(xiàn)手動復位。正常情況時，電源通過電阻R35對電容C31充電，CPU的RESE引腳的電平為高，CPU不復位。當手動按下按鈕S1時，電容C31通過按鈕S1短路放電，CPU的RESET引腳的電平為低，將觸發(fā)CPU復位。4）程序下載接口電路調(diào)試與測試接口雖然不是系統(tǒng)運行所必需的，但現(xiàn)代系統(tǒng)越來越強調(diào)可測性，調(diào)試、測試接口的設計也越來越受到重視。在本電路設計中，采用了瑞薩公司的標準腳串口仿真調(diào)試接口，相關調(diào)試接口引腳的定義為：TXD0為串行發(fā)送，RXD0為串行接收。1.4電源電路設計控制系統(tǒng)中各個部分需要不同的工作電壓。電動機運行時所需的電源來自于蓄電池(本系統(tǒng)所使用的是6組12V蓄電池并聯(lián))，該電源通過MOSFET，為電機三相A、B、C提供電壓，接在三相橋式路的母線上。N溝道的MOSFET導通時其柵極G的電壓必須比源極S高出10V以上才能保證完全導通[37]，而在控制電路中，驅(qū)動芯片IR2103需要+15V的供電電源。單片機、霍爾傳感器以及其他許多器件都是需要5V的驅(qū)動電壓，所以必須有合適的電壓轉(zhuǎn)換電路給控制系統(tǒng)供電。在整個系統(tǒng)中，對+5V電源的要求比較高，不僅是因為邏輯電路，MCU等的電源電壓都不能過高，而且由于MCU的所有A/D轉(zhuǎn)換都是以+5V電壓為基準，所以當+5V不準確時會出現(xiàn)電流，欠壓值，手柄控制等均不能達到設計的要求。圖1.4為本設計的電源電路，前級+72V轉(zhuǎn)+15V開關電源電路，后級為+15V轉(zhuǎn)+5V電路，通過穩(wěn)壓模塊78L05轉(zhuǎn)換為+5V，供MCU、運放等其他電路使用，7805輸入與輸出端之間的跨接2個電阻以分流，減少在穩(wěn)壓芯片上消耗的功率，降低穩(wěn)壓芯片的發(fā)熱。前端+72V轉(zhuǎn)+15V電路為一個典型的開關電源電路。它采用反饋方式得到穩(wěn)定的電壓輸出。優(yōu)點是該電路與市面上的DC/DC模塊相比成本低、功耗低。輸入電壓在30V~80V范圍內(nèi)，都有穩(wěn)定的+15V左右輸出。圖1.4電源電路1.5軟件開發(fā)環(huán)境一般軟件開發(fā)都需要經(jīng)過程序編寫/工程管理器、編譯連接、仿真調(diào)試這三個主要過程。本系統(tǒng)中前兩部分主要由HEW(High-performanceEmbeddedWorkshop)軟件來完成，它是瑞薩公司研發(fā)的瑞薩CPU專用代碼編寫集成開發(fā)環(huán)境，能滿足復雜的應用的要求，內(nèi)置了NC30編譯器，將編輯、調(diào)試、工程管理集成在一個環(huán)境里，極大的方便了程序的調(diào)試工作而提高工作效率，是理想的瑞薩單片機開發(fā)工具之一。圖1.5HEW集成開發(fā)環(huán)境(IDE界面)最后的仿真調(diào)試選用串口仿真，其相應的上位機調(diào)試軟件為FoUSB，它支持所有瑞薩16位單片微控制器(R8C2K系列)。通過USB轉(zhuǎn)RS232與上位機的USB接口相連。NC30：瑞薩單片機R8C系列的C語言編譯器。FoUSB：R8C系列單片機的串口調(diào)試軟件，通過這個軟件，可以在HEW軟件內(nèi)通過單片機的串口UART1對單片機進行DEBUG或者燒寫。1.6R8C2K主程序主程序是任何程序都必不可少的部分，是整個程序的入口。主程序流程如圖1.6所示，主程序首先調(diào)用初始化程序，對CPU工作時鐘，看門狗寄存器以及中斷向量寄存器I/O引腳功能選擇、RD定時器的等其他關鍵外設進行初始化設置以及定義全局變量。初始化完成后，系統(tǒng)先進行MOSFET自檢，檢測的原理就是開機時用極短的時間（10-20us）的時間開啟逆變橋所有的上橋臂，關閉所有的下橋臂，檢測此時的電流，如果檢測到大電流則說明下橋臂有短路現(xiàn)象，同理，也可以檢測出上橋臂是否有短路現(xiàn)象。單片機在上電后，進行初始化以及MOSFET自檢，開中斷，設置捕獲中斷，讀取系統(tǒng)的各個狀態(tài)參數(shù)，進行工作模式的選擇的。本控制器系統(tǒng)設有空閑模式、啟動模式、調(diào)速模式、故障保護模式、剎車制動模式、以及慣性制動模式。電機的初始狀態(tài)為空閑狀態(tài)，無故障有轉(zhuǎn)把信號即可進入啟動運行狀態(tài)，在電機運行過程中需要進行運行參數(shù)狀態(tài)檢測，設置相應的全局標志位。在中斷中修改電機運行參數(shù)，為主函數(shù)的工作模式選擇提供判斷的依據(jù)。圖1.6主程序流程圖1.6.1R8C2K初始化要想使R8C2K正常工作，必需對其進行正確的配置。對于系統(tǒng)初始化的代碼部分，同樣按照功能不同進行了模塊化設計，控制器的主控芯片初始化程序包括：系統(tǒng)時鐘頻率的設置，看門狗定時器的設置，中斷寄存器設置，通用I/O口的初始化設置以及A/D轉(zhuǎn)換器初始化、定時器工作方式的初始化等。為了防止在初始化過程中出現(xiàn)中斷的意外情況，首先在程序的開始需關閉系統(tǒng)的總中斷和外設中斷，清除所有中斷標志。由于中斷優(yōu)先級關系著整個控制程序能否實時穩(wěn)定正常的對外部情況做出響應，I/O口的功能配置關系著CPU各部件能否正常工作，定時器RD的PWM的工作模式是控制器的核心功能，而且對系統(tǒng)的正常工作也極為關鍵，因此對這3個部分的初始化設置做重點介紹。1.6.2中斷優(yōu)先級初始化設置采集任務的優(yōu)先級順序關系到控制器程序的運行穩(wěn)定性，本模塊中斷觸發(fā)源有：捕獲換相信號、以及A/D采樣子程序、欠電壓保護。由于過電流響應關系到系統(tǒng)的安全，故將其安排在硬件中斷中。霍爾信號捕捉中斷關系到換相的正常進行，有很高的及時性，設為最高，A/D采樣中斷采集電機運行時母線電流、轉(zhuǎn)把電壓、蓄電池電壓，關系到調(diào)速系統(tǒng)的精確性，以及系統(tǒng)狀態(tài)的判定，故設為次之。欠電壓保護對實時性的要求比較低，故設為3者之間最低。1.6.3I/O引腳功能設置MCU引腳功能設置非常重要，關系到引腳的具體應用。R8C2K的可編程輸入/輸出端口有P0_0~P0_3、P0_5、P1、P2、P3_3~P3_5、P4_5等25個端口。其具體的輸入/輸出可以通過配置由PDi（i=0~4）寄存器的PDi_j（j=0~7）位控制來設置，其中8個引腳作為通用輸入輸出端口，已發(fā)送控制信號。其引腳具體功能在本控制器模塊中的配置見表4.1。引腳標號名稱I/O功能8P3_3/INT3/TRCCLKI電子剎車信號9P2_7/TRDIOD1OA相上橋驅(qū)動10P2_6/TRDIOC1OA相下橋驅(qū)動11P2_5/TRDIOB1OB相上橋驅(qū)動12P2_4/TRDIOA1OB相下橋驅(qū)動13P2_3/TRDIOD0OC相上橋驅(qū)動14P2_1/TRDIOB0OC相下橋驅(qū)動17P4_5/INT0I過電流中斷響應接口18P1_7/TRAIO/INT1I霍爾H119P1_6/CLK0I霍爾H222P1_3/KI3/AN11/TRBOI霍爾H330P0_2/AN5/RXD2IIAD31P0_1/AN6/TXD2IVAD32P0_0/AN7I轉(zhuǎn)把AD1.6.4定時器RD的初始化設定R8C/2K芯片內(nèi)置2個16位定時器。分別為定時器RC和定時器RD，有輸入捕捉和輸出比較功能。它們各自獨立運行。定時器RD是有2個通道（通道0和通道1）的16位定時器，各通道有4個輸入/輸出引腳。定時器RD的六路PWM輸出端口連接到三相橋驅(qū)動電路上，功率器件的輸出連接到電機的三個勵磁線圈。定時器RD有5種模式：定時器模式、PWM模式、復位同步PWM模式、互補PWM模式和PWM3模式。其互補PWM模式工作下輸出三角波調(diào)制、有死區(qū)時間的三相波形?；パaPWM模式：輸出3個正相和3個反相（共6個）的相同周期的PWM波形（三相、三角波調(diào)制、有死區(qū)時間）圖1.7互補PWM模式的輸出模型工作時序圖如圖1.7所示。TRD0和TRD1是定時器RD的兩個16位計數(shù)器。計數(shù)器工作于連續(xù)加/減計數(shù)模式，在遞增計數(shù)和遞減計數(shù)期間各發(fā)生一次匹配，從而控制輸出引腳得的波形。改變比較寄存器的值就會改變脈沖的占空比。TRDi（i=1或0）對由用戶所設定的計數(shù)源根據(jù)不同情況進行遞增或遞減計數(shù)。計數(shù)源可以選擇單片機內(nèi)部的時鐘源（f1、f2、f4、f8、f32、fOCO40M）或者外接時鐘信號到TRDCLK端口。通過設定寄存器TRDGRA0的值可設置定時器RD的PWM輸出信號的周期（載波頻率）。計數(shù)器TRDi與寄存器TRDGRA0在定時器RD的每個計數(shù)時鐘周期中都進行比較，當發(fā)生匹配時便開始一個新的PWM周期。通過設定寄存器TRDGRB0、TRDGRA1和TRDGRB1的值可設置定時器RD六路PWM波形的占空比。在定時器RD的每個時鐘周期中，計數(shù)器TRDi的值與寄存器TRDGRB0、TRDGRA1和TRDGRB1的值進行比較，如果計數(shù)器TRDi的值與這個三個寄存器的值發(fā)生匹配，相應的PWM端口的輸出會被置高或置低。voidTimer_RD_Init(void){p2=0;//將P2口初始化為低電平pd2=0xFF;//將P2口設置為輸出端口trd0ic=0x00//關定時器RD中斷trd1ic=0x00;//定時器關RD中斷trdstr=0x0C;//關定時器關RDtrdmr=0xE0;//把TRDGRD0，TRDGRC1TRDGRD1設置為緩存寄存器trdfcr=0x0f;//設置比較值//TRD0從零開始計數(shù)trdoer1=0xff;//關掉全部PWM輸出trdcr0=0x00;trdcr1=0x00;//設置計數(shù)來源為f1trd0=72;//設置死區(qū)時間1/fk*p=1.6ustrd1=0;trdgra0=736;//PWM頻率1/(1/fk*(m+2-p)*2)=15kH其中fk為計數(shù)源頻率//m，n，p分別為TRDGRA0，TRDGRB0，TRD0寄存器的設定值trdgrb0=DutyCycle;//設置PWM占空比trdgra1=DutyCycle;trdgrb1=DutyCycle;trdgrd0=DutyCycle;trdgrc1=DutyCycle;trdgrd1=DutyCycle;int0ic=0x00;//關外部中斷0inten=0x01;//開外部中斷0，intf=0x03;//外部中斷進行trdoer2=0x80;//關閉外部中斷通道int0ic=0x05;//使能外部中斷0trdstr=0x0F;//打開定時器RD}1.7A/D采樣子程序在本設計的電動摩托車控制系統(tǒng)中，有較多的模擬信號需要輸入R8C2K中，如電機的相電流信號、作為速度給定的轉(zhuǎn)把電壓信號和蓄電池的電壓信號，可能會造成R8C2K的A/D采樣資源不夠分配的情況。這時，可采用多路開關將待采樣模擬信號區(qū)分開來，根據(jù)各控制器對各模擬量實時性和精度的要求，由R8C2K決定在合適的時間選通所需的采樣通道。系統(tǒng)的A/D中斷子程序主要用來切換A/D輸入通道，采樣母線電流，轉(zhuǎn)把電壓，電源電壓，把這三個模擬量要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后變?yōu)閿?shù)字量，經(jīng)過軟件濾波后存儲在相應的全局變量中，供主程序和中斷服務子程序調(diào)用。在A/D中斷服務程序中，根據(jù)控制系統(tǒng)對電源電壓、相電流和轉(zhuǎn)把壓的精度要求，采用不同的采樣速度，相電流作為系統(tǒng)的重要狀態(tài)監(jiān)測量，電流環(huán)作為速度調(diào)節(jié)的內(nèi)環(huán)，而電流環(huán)是每次有了新的電流的采樣值才進行調(diào)節(jié)。要提高調(diào)速的及時性，其采樣頻率必須要高。轉(zhuǎn)把電壓作為速度調(diào)節(jié)的外環(huán)，可以適當慢于內(nèi)環(huán)電流環(huán)的調(diào)節(jié)頻率;電壓采樣值的作用只是用于判斷是否過欠電壓，而且就算欠電壓情況成立，短時間內(nèi)也不會對蓄電池造成大的損害，所以電壓采樣的頻率不需要很高。而R8C2K中只有一個A/D轉(zhuǎn)換器，所以在程序設計時對其采樣輸入通道的選擇策略很重要。在本設計中三者的采樣速度關系為，每采集8次相電流采集1次手把電壓，每采集256次手把電壓采集一次電源電壓。這樣，既保證了電流采集的實時性，又保證了電源電壓采集的平穩(wěn)性。以下為A/D采樣模塊部分代碼：voidAD(void){charx;if(ts==1)//如果為轉(zhuǎn)把采樣{chs0=1;//選擇電流采樣通道count_vol=count_vol+1;//電池采樣計數(shù)寄存器spepid=1;//置轉(zhuǎn)速閉環(huán)運算標志ts=0;tsh=adresh;//tsh存放存手柄A/Dif(count_vol==0)//如果蓄電池采樣時間到，則選擇AN6通道，采集電池電壓{chs0=0;chs1=1;volflag=1;x=1;delay1(x);adgo=1;}}elseif(volflag==1){//電池采樣完畢，進行處理chs1=0;chs0=1;volflag=0;voltage=adresh;//voltage存放電池A/D值lowpower=1;}else{currenth=adresh;//currenth存放電流A/D值curpid=1;count_ts=count_ts-1;if(count_ts==0)//如果手柄時間到，則轉(zhuǎn)入手柄采樣通道{chs0=0;count_ts=0x08;ts=1;x=1;delay1(x);adgo=1;}