多用途噴藥小車的調(diào)速裝置設(shè)計說明書[帶圖紙]

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　采用單片機(jī)控制永磁無刷直流電動機(jī)的調(diào)速系統(tǒng)適用于電動小車等小功率的工作況。并且可以將多余的電能進(jìn)行回潰。該調(diào)速控制系統(tǒng)具有調(diào)速性能好、功率因數(shù)高、節(jié)能、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)。比較適合生活生產(chǎn)的使用實際需要。</p><p>　　本文從小車調(diào)速系統(tǒng)要求分析入手，將整個系統(tǒng)分成了四個部分，分析和討論了各個

2、部分的電路原理、控制策略以及實現(xiàn)的方法。詳細(xì)的討論了系統(tǒng)的各種工況及信號的傳遞情況，并得到了系統(tǒng)各個部分在不同工況的工作狀態(tài)。系統(tǒng)各部分的控制電路基于Intel公司的控制芯片8051單片機(jī)。根據(jù)永磁無刷直流電動機(jī)的特性實施脈寬PWM控制，并通過轉(zhuǎn)速傳感器測量轉(zhuǎn)速通過八段數(shù)碼管動態(tài)顯示轉(zhuǎn)速與電量，通過軟硬件的配合，實現(xiàn)了整個系統(tǒng)的設(shè)計要求，達(dá)到設(shè)計目的。</p><p>　　關(guān)鍵詞：單片機(jī)； 脈寬調(diào)速系統(tǒng)； 電動機(jī)

3、； 傳感器； 蓄電池</p><p><b>　　ABSTRACT</b></p><p>　　SCM control of permanent magnet brushless DC motor speed control system applicable to electric bicycles, and other low-power work. Redund

4、ant power and can return to collapse. The system has good speed performance, high power factor, energy saving, small size, light weight, and other advantages. Tally with the actual situation .</p><p>　　This

5、paper analyzes the requirements from the system, the whole system will be divided into four parts, analysis and discussion of the various parts of the circuit of the control strategy, implementation method. Discussed in

6、detail the status of the various systems and signal transduction, and have the system in different parts of the state the status of the work. Part of the system control circuit based on Intel's 8051 chip microcontrol

7、ler. According to the permanent magnet brushless DC motor c</p><p>　　Key words: SCM; pulse speed control system; motor; speed sensor; battery</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>

8、;<b>　　1緒論1</b></p><p>　　1.1本課題的研究背景和意義1</p><p>　　1.2控制理論的概念1</p><p>　　1.3電動機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展2</p><p>　　1.3.1電力電子器件的發(fā)展2</p><p>　　1.3.2微機(jī)控制電動機(jī)技術(shù)的發(fā)展2

9、</p><p>　　1.3.3微機(jī)控制電動機(jī)的特點(diǎn)2</p><p>　　1.4本課題的主要任務(wù)3</p><p>　　2噴藥小車電動機(jī)的研究3</p><p>　　2.1電動車對電動機(jī)的基本要求4</p><p>　　2.2永磁無刷直流電動機(jī)特性分析4</p><p>　　2.2.

10、1無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)4</p><p>　　2.2.2永磁無刷直流電動機(jī)的基本性能5</p><p>　　2.2.3永磁無刷直流電動機(jī)的控制系統(tǒng)5</p><p>　　2.2.4 直流無刷電機(jī)的運(yùn)行原理5</p><p>　　2.2.5永磁無刷直流電動機(jī)的不足7</p><p><b>　　3總體

11、設(shè)計布局7</b></p><p>　　4電動小車調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計7</p><p>　　4.1 MCS-51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)7</p><p>　　4.3電流檢測單元11</p><p>　　4.3.1霍爾電流傳感器的測量原理11</p><p>　　4.3.2電流檢測電路12</p&g

12、t;<p>　　4.4速度給定單元13</p><p>　　4.4.1霍爾轉(zhuǎn)把結(jié)構(gòu)13</p><p>　　4.4.2霍爾轉(zhuǎn)把的信號特征13</p><p>　　4.5速度檢測單元14</p><p>　　4.5.1霍爾位置檢測電路14</p><p>　　4.5.2集成轉(zhuǎn)速傳感器15<

13、/p><p>　　4.5.3集成型速度傳感器的性能特點(diǎn)16</p><p><b>　　4.6譯碼器16</b></p><p>　　4.7.1 Intel8279可編程鍵盤／顯示器接口簡介17</p><p>　　4.7.2 蓄電池的容量顯示18</p><p>　　4.8控制器保護(hù)功能欠壓

14、檢測電路18</p><p>　　5電動小車控制器軟件設(shè)計19</p><p>　　5.1系統(tǒng)軟件設(shè)計的基本要求19</p><p>　　5.2系統(tǒng)主程序結(jié)構(gòu)20</p><p>　　5.2.1主程序流程20</p><p>　　5.2.2定時中斷服務(wù)程序流程20</p><p>　

15、　5.2.3 AD中斷服務(wù)程序流程21</p><p>　　5.3電機(jī)控制程序設(shè)計21</p><p>　　5.3.1 速度調(diào)節(jié)程序21</p><p>　　5.3.2 電流調(diào)節(jié)程序22</p><p>　　5.4 軟件抗干擾設(shè)計22</p><p><b>　　結(jié)論24</b><

16、;/p><p><b>　　致 謝25</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)26</b></p><p><b>　　1緒論</b></p><p>　　1.1本課題的研究背景和意義</p><p>　　本設(shè)計的出發(fā)點(diǎn)源自生活實際的需要，滿足我

17、國農(nóng)民在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)時候的使用。我國作為世界上的農(nóng)業(yè)大國，農(nóng)業(yè)是國家發(fā)展的一個命脈。國家人口眾多，需要的農(nóng)業(yè)產(chǎn)品數(shù)量便自然而然的也有量上的要求，于是種植便是發(fā)展的一個要素。加上我國地理環(huán)境多種多樣，使得在多樣的環(huán)境中還能滿足生產(chǎn)需要顯得尤為重要。本設(shè)計是在農(nóng)產(chǎn)品種植過程中對農(nóng)作物實施噴藥作業(yè)時的一個半自動化工具的一個部分。</p><p>　　電動噴藥小車的研發(fā)，其控制器部分是核心的一個組成，于是控制器的設(shè)計便是一個

18、重要的任務(wù)。</p><p>　　1.2控制理論的概念</p><p>　　隨著社會的進(jìn)步和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，控制理論經(jīng)歷了從傳統(tǒng)控制理論到大系統(tǒng)理論和智能控制理論的發(fā)展歷程。傳統(tǒng)控制理論包括經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論。經(jīng)典控制理論主要解決單輸入單輸出問題，并采用傳遞函數(shù)、時域及頻域分析方法研究對被控對象的控制，其研究對象主要是線性定常對象。現(xiàn)代控制理論從時域研究了多輸入多輸出線性系統(tǒng)，建立

19、了刻劃控制系統(tǒng)本質(zhì)的基本理論，使控制從一類工程設(shè)計方法提高成為一門新的科學(xué)。。雖然傳統(tǒng)控制理論曾經(jīng)在一段時期成為解決控制問題的有力工具并在當(dāng)今控制領(lǐng)域起著重要作用，但是隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，工程科學(xué)對控制提出了更高的要求，傳統(tǒng)控制理論卻表現(xiàn)出了它的局限性。工業(yè)生產(chǎn)過程多具有非線性、時變性和不確定性，一般難以用精確的數(shù)學(xué)模型描述。傳統(tǒng)控制理論的任務(wù)在于反饋控制使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定。但工程技術(shù)提出的控制任務(wù)遠(yuǎn)不能用穩(wěn)定來概括，面對復(fù)雜的對象，復(fù)雜的

20、環(huán)境和復(fù)雜的任務(wù)必須發(fā)展新概念、理論與方法【1】。</p><p>　　智能控制理論是控制理論與人工智能相結(jié)合的產(chǎn)物，是傳統(tǒng)控制理論在深度上的挖掘，其目標(biāo)是提高控制系統(tǒng)自尋優(yōu)、自適應(yīng)、自學(xué)習(xí)、自組織等方面的智能水平。迄今為止，世界上最高級、最有成效的控制器還是人類自身，因為人具有比任何其他動物都發(fā)達(dá)的大腦，人具有處理模糊信息和直覺推理等多種智能【1】。從不同角度模擬人的智能就產(chǎn)生了不同的智能控制理論分支，其中應(yīng)用

21、較多的有模糊控制、專家系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等【2】。從廣義上講，各種智能控制方法的共同點(diǎn)是使工程控制系統(tǒng)具有某種仿人的智能，即研究人腦的微觀或宏觀結(jié)構(gòu)功能，并把它移植到工程上【3】。</p><p>　　“電動小車調(diào)速系統(tǒng)研究”課題的主要任務(wù)是研制一種電動小車調(diào)速裝置，為機(jī)器控制電動小車自主運(yùn)行研究做前期準(zhǔn)備工作。另外，在運(yùn)動控制系統(tǒng)中應(yīng)用最普遍的是電動機(jī)自動調(diào)速系統(tǒng)。由于直流電動機(jī)具有極好的運(yùn)行性能和控制特性，長期以

22、來是自動調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。在許多工業(yè)部門，如金屬加工、紡織、海洋鉆探、軋鋼、礦山采掘、造紙以及電動汽車等需要高性能可控電力拖動的場合，廣泛采用直流調(diào)速系統(tǒng)。因此研究電動小車調(diào)速系統(tǒng)具有重要的理論和現(xiàn)實意義。</p><p>　　1.3電動機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　電動機(jī)控制是一門集電動機(jī)運(yùn)行理論、電子技術(shù)、自動控制理論和微機(jī)控制技術(shù)于一起的機(jī)電一起化技術(shù)【4】【5】。隨著這些

23、相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，電動機(jī)控制技術(shù)也在不斷地發(fā)展。</p><p>　　1.3.1電力電子器件的發(fā)展</p><p>　　從20世紀(jì)50年代中期第一代電力電子器件即普通晶閘管(Thyristor)發(fā)明至今，電力電子器件的發(fā)展已經(jīng)歷了第二代有自關(guān)斷能力的電力電子器件、第三代復(fù)合場控器件和第四代功率集成電路等。功率集成電路(Powerintegratedcircuit，PlC)的出現(xiàn)是電力電子器件

24、發(fā)展的第四次突破，它實現(xiàn)了電力電子技術(shù)和微電子技術(shù)的結(jié)合以及動力—信息一體化，將電動機(jī)控制技術(shù)推向了一個新時代。自問世以來，晶閘管的功率容量己提高了3000倍。</p><p>　　電力電子器件的一個新的發(fā)展動向是電力電子器件向集成化、智能化方向發(fā)展。智能功率模塊(Intelligent Powermodule，IPM)是電力電子器件向第四代功率集成電路發(fā)展的過渡產(chǎn)品，它是微電子技術(shù)和電力電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物。功

25、率集成電路不僅具有一定的功率輸出能力，而且具有邏輯、控制、傳感、檢測、保護(hù)和自診斷功能。功率集成電路內(nèi)集成有驅(qū)動電路、保護(hù)電路，可實現(xiàn)過電流、短路、欠壓和過壓等保護(hù)功能。外界只需提供PWM信號，智能功率模塊就可以實現(xiàn)以往復(fù)雜的主電路及其外圍電路的功能。</p><p>　　可以預(yù)期，新的更高性能的電力電子器件還會出現(xiàn)，已有的各代電力電子器件的性能還會不斷地改進(jìn)和提高。</p><p>　　

26、1.3.2微機(jī)控制電動機(jī)技術(shù)的發(fā)展</p><p>　　微型計算機(jī)應(yīng)用的普及，為電動機(jī)控制實現(xiàn)數(shù)字化、高性能化和網(wǎng)絡(luò)化創(chuàng)造了條件。目前除采用各類單片微機(jī)作為數(shù)字控制器核心外，數(shù)字信號處理器(DSP)已展現(xiàn)出越來越大的優(yōu)勢。</p><p>　　借助于數(shù)字和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，智能控制已深入到電動機(jī)控制系統(tǒng)的各個方面?；诂F(xiàn)代控制理論的控制方法建立在對象精確的數(shù)學(xué)模型之上，需要傳感器、觀察器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜

27、，無法擺脫系統(tǒng)非線性和參數(shù)變化的影響。智能控制無需對象的精確數(shù)學(xué)模型并具有較強(qiáng)的魯棒性，近年已被陸續(xù)引入電動機(jī)的控制之中，使電動機(jī)控制朝著智能化控制方向發(fā)展【5】。</p><p>　　1.3.3微機(jī)控制電動機(jī)的特點(diǎn)</p><p>　　與連續(xù)控制相比較，電動機(jī)數(shù)字控制有如下主要特點(diǎn)【6】：</p><p>　　(1)控制系統(tǒng)集成度高，硬件電路單一，可靠性高，可重復(fù)

28、性好。</p><p>　　(2)一臺微機(jī)可以為多個控制回路服務(wù)，完成較多的控制功能。</p><p>　　(3)對于不同的控制算法和要求，一般不必改變系統(tǒng)的硬件，只需按新的控制算法編制新程序即可。</p><p>　　(4)借助一些人機(jī)界面設(shè)備可實現(xiàn)對系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控、預(yù)警、故障診斷等功能；借助處理器的通訊功能可實現(xiàn)與上位機(jī)的通訊；借助現(xiàn)場總線技術(shù)可實現(xiàn)底層控制

29、設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，因而能方便地實現(xiàn)高復(fù)雜度的多機(jī)協(xié)同工作。</p><p>　　(5)計算機(jī)運(yùn)算速度快，精度高，具有邏輯判斷能力，且具有大容量的存儲單元，因此有能力實現(xiàn)復(fù)雜的控制規(guī)律，以達(dá)到較高的控制質(zhì)量。</p><p>　　(6)數(shù)字量的運(yùn)算不會出現(xiàn)模擬電路中的零點(diǎn)漂移問題，容易保證足夠的控制精度。由于微機(jī)控制電動機(jī)有上述特點(diǎn)，所以微機(jī)控制電動機(jī)的理論及應(yīng)用得到迅速地發(fā)展，成為運(yùn)動控制系統(tǒng)的

30、發(fā)展方向之一。</p><p>　　1.4本課題的主要任務(wù)</p><p>　　現(xiàn)代電動車是融合了電力、電子、機(jī)械控制、材料科學(xué)以及化工技術(shù)等多種高新技術(shù)的綜合產(chǎn)品。整體的運(yùn)行性能、經(jīng)濟(jì)性等首先取決于電池系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動控制系統(tǒng)。電動車的電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)一般由4個主要部分組成，即控制器、功率變換器、電動機(jī)及傳感器。目前電動車中使用的電動機(jī)一般有直流電動機(jī)、感應(yīng)電動機(jī)、開關(guān)磁阻電動機(jī)以及永磁無刷電

31、動機(jī)等。</p><p>　　本論文主要內(nèi)容包括：</p><p>　　(l) 根據(jù)永磁無刷直流電動機(jī)的特性實施脈寬PWM控制，檢測直流無刷電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的反電勢來確定轉(zhuǎn)子的位置，從而確定換向點(diǎn)和換向時刻。</p><p>　　(2) 利用液晶技術(shù)，設(shè)計出電動小車的運(yùn)行過程中的參數(shù)顯示系統(tǒng)。</p><p>　　(3) 實驗、計算、分析結(jié)果得

32、出結(jié)論。</p><p>　　2噴藥小車電動機(jī)的研究</p><p>　　在所有已有的電動機(jī)中，綜合性能最好的是直流電動機(jī)。過去開發(fā)的電動車主要采用有刷直流電動機(jī)，有刷直流電動機(jī)系統(tǒng)調(diào)速方便，改變其輸入電壓或勵磁電流就可對其轉(zhuǎn)矩實現(xiàn)獨(dú)立的控制，進(jìn)行平滑的調(diào)速，所以有刷直流電動機(jī)調(diào)速系統(tǒng)具有良好的動態(tài)特性和調(diào)速品質(zhì)。但是有刷直流電動機(jī)系統(tǒng)由于電刷和換向器的存在而導(dǎo)致以下兩方面缺點(diǎn)：第一，必須

33、進(jìn)行經(jīng)常性的維修和保養(yǎng)；第二，無法實現(xiàn)高速大容量。這兩方面的缺點(diǎn)使其在電動車驅(qū)動系統(tǒng)中的應(yīng)用受到了限制。而無刷直流電動機(jī)則克服了有刷直流電動機(jī)的缺點(diǎn)，它既有有刷直流電動機(jī)的優(yōu)越的性能，又依靠電子換向，免去了機(jī)械式電刷和換向器。本系統(tǒng)選用無刷直流電動機(jī)。無刷直流電動機(jī)，就其基本結(jié)構(gòu)而言，可以認(rèn)為是一臺有電子開關(guān)線路、永磁式同步電動機(jī)以及位置傳感器三者組成的“電動機(jī)系統(tǒng)”。它借助反映轉(zhuǎn)子位置的位置信號，通過驅(qū)動控制電路，驅(qū)動逆變電路的功率開

34、關(guān)元件，使電樞繞組依一定次序饋電，從而在氣隙中產(chǎn)生步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)磁場，拖動永磁轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。隨著轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)子位置信號依一定規(guī)律變化，從而改變電樞繞組的通電狀態(tài)，實現(xiàn)無刷直流電動機(jī)的機(jī)械能量轉(zhuǎn)換。</p><p>　　2.1電動小車對電動機(jī)的基本要求</p><p>　　電動小車的運(yùn)行，與一般的工業(yè)應(yīng)用不同，非常復(fù)雜。因此，對驅(qū)動系統(tǒng)的要求是很高的。  </p><

35、p>　　(1) 電動小車用電動機(jī)應(yīng)具有瞬時功率大，過載能力強(qiáng)、過載系數(shù)應(yīng)為(3～4)，加速性能好，使用壽命長的特點(diǎn)。 </p><p>　　(2) 電動小車用電動機(jī)應(yīng)具有寬廣的調(diào)速范圍，包括恒轉(zhuǎn)矩區(qū)和恒功率區(qū)。在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)，要求低速運(yùn)行時具有大轉(zhuǎn)矩，以滿足起動和爬坡的要求；在恒功率區(qū)，要求低轉(zhuǎn)矩時具有高的速度，以滿足車在平坦的路面能夠高速行駛的要求。</p><p>　　(3

36、) 電動小車用電動機(jī)應(yīng)能夠在車減速時實現(xiàn)再生制動，將能量回收并反饋回蓄電池，使得電汽車具有最佳能量的利用率，這在內(nèi)燃機(jī)的摩托車上是不能實現(xiàn)的。   </p><p>　　(4) 電動小車用電動機(jī)應(yīng)在整個運(yùn)行范圍內(nèi)，具有高的效率，以提高1次充電的續(xù)駛里程。另外還要求電動小車用電動機(jī)可靠性好，能夠在較惡劣的環(huán)境下長期工作，結(jié)構(gòu)簡單適應(yīng)大批量生產(chǎn)，運(yùn)行時噪聲低，使用維修方便，價格便宜等。</p

37、><p>　　2.2永磁無刷直流電動機(jī)特性分析</p><p>　　2.2.1無刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)</p><p>　　2.2.2永磁無刷直流電動機(jī)的基本性能</p><p>　　永磁無刷直流電動機(jī)是一種高性能的電動機(jī)。它的最大特點(diǎn)就是具有直流電動機(jī)的外特性而沒有刷組成的機(jī)械接觸結(jié)構(gòu)。加之，它采用永磁體轉(zhuǎn)子，沒有勵磁損耗，發(fā)熱的電樞繞組又裝在外面

38、的定子上，散熱容易，因此，永磁無刷直流電動機(jī)沒有換向火花，沒有無線電干擾，壽命長，運(yùn)行可靠，維修簡便。此外，它的轉(zhuǎn)速不受機(jī)械換向的限制，如果采用空氣軸承或磁懸浮軸承，可以在每分鐘高達(dá)幾十萬轉(zhuǎn)運(yùn)行。永磁無刷直流電動機(jī)機(jī)系統(tǒng)相比具有更高的能量密度和更高的效率，在電動小車中有著很好的應(yīng)用前景。</p><p>　　2.2.3永磁無刷直流電動機(jī)的控制系統(tǒng)  </p><p>　　典型的永

39、磁無刷直流電動機(jī)是一種矢量控制系統(tǒng)，由于永磁體只能產(chǎn)生固定幅值磁場，因而永磁無刷直流電動機(jī)系統(tǒng)非常適合于運(yùn)行在恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域，一般采用電流滯環(huán)控制或電流反饋型SPWM法來完成。為進(jìn)一步擴(kuò)充轉(zhuǎn)速，永磁無刷直流電動機(jī)也可以采用弱磁控制。弱磁控制的實質(zhì)是使相電流相位角超前，提供直軸去磁磁勢來削弱定子繞組中的磁鏈。</p><p>　　2.2.4 直流無刷電機(jī)的運(yùn)行原理</p><p>　　直流無刷電

40、動機(jī)控制器是用來控制電動機(jī)定子上各相繞組通電的順序和時間，主要由功率邏輯開關(guān)單元和位置傳感器信號處理單元兩個部件組成，如圖2所示。</p><p>　　功率邏輯開關(guān)單元是控制電路的核心，其功能是將電源的功率以一定的邏輯關(guān)系分配給直流無刷電動機(jī)的定子上各相繞組，以便電動機(jī)產(chǎn)生持續(xù)不斷的轉(zhuǎn)矩。而各相繞組導(dǎo)通的順序和時間與轉(zhuǎn)子的位置有關(guān)，主要取決于來自位置傳感器的信號及邏輯開關(guān)信號。【7】</p><

41、;p>　　圖2無刷直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)原理</p><p>　　一般的永磁式直流電動機(jī)的定子由永久磁鋼組成，其主要作用是在電動機(jī) 氣隙中建立磁場，其電樞繞組通電后產(chǎn)生電樞反應(yīng)磁場，由電力電子逆變器供給電樞繞組

42、的電流并不是正弦波，而是120°的方波，因而三相合成磁動勢不是恒速旋轉(zhuǎn)的，而是跳躍式的步進(jìn)磁動勢，它和恒速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子磁動勢產(chǎn)生獻(xiàn)轉(zhuǎn)矩除了平均轉(zhuǎn)矩之外，還有脈動分量。由于電力電子逆變器的換向作用，使得這兩個磁場的方向在電動機(jī)運(yùn)動的過程中始終保持一定的角度，從而產(chǎn)生最大平均轉(zhuǎn)矩而驅(qū)動電動機(jī)不停地運(yùn)轉(zhuǎn)。</p><p>　　圖3無刷直流電動機(jī)的運(yùn)行原理圖</p><p>　　圖4 有位

43、置傳感器的直流無刷電機(jī)原理框圖</p><p>　　圖5 無位置傳感器的直流無刷電機(jī)原理框圖</p><p>　　2.2.5永磁無刷直流電動機(jī)的不足</p><p>　　永磁無刷直流電動機(jī)受到永磁材料工藝的影響和限制，使得永磁無刷直流電動機(jī)的功率范圍較小，最大功率僅幾十千瓦。永磁材料在受到振動、高溫和過載電流作用時，其導(dǎo)磁性能可能會下降或發(fā)生退磁現(xiàn)象，將降低永磁電動

44、機(jī)的性能，嚴(yán)重時還會損壞電動機(jī)，在使用中必須嚴(yán)格控制，使其不發(fā)生過載。永磁無刷直流電動機(jī)在恒功率模式下，操縱復(fù)雜，需要一套復(fù)雜的控制系統(tǒng)，從而使得永磁無刷直流電動機(jī)的驅(qū)動系統(tǒng)造價很高。</p><p><b>　　3總體設(shè)計布局</b></p><p>　　對于電動小車控制系統(tǒng)設(shè)計主要有四個方面：一、控制電路的設(shè)計；二、傳感器選擇以及安放設(shè)計；三、顯示電路的設(shè)計；四、

45、程序設(shè)計。從總的方面來考慮，傳感器的使用應(yīng)該盡量減少單片機(jī)的信號處理量，但是又必須能使車行駛自如?？刂齐娐芬鶕?jù)選用的電機(jī)和傳感器來設(shè)計，主要考慮穩(wěn)定性，抗干擾性?？刂坪诵牟捎?1單片機(jī)，控制系統(tǒng)與電路用光耦完全隔離以避免干擾。控制上采用分時復(fù)用技術(shù)，僅用一塊單片機(jī)就實現(xiàn)了信號采集，電機(jī)控制和轉(zhuǎn)速顯示。如圖6所示。</p><p>　　4電動小車調(diào)速系統(tǒng)的硬件設(shè)計</p><p>　　電動

46、小車的性能指標(biāo)一般包括：驅(qū)動性能、駕駛性能、車載能源系統(tǒng)性能三部份，其中驅(qū)動性能取決于電機(jī)功率因素，車載能源系統(tǒng)性能取決于電池的容量，駕駛性能指標(biāo)主要包括：加速性能、最大爬坡性能、剎車性能及駕駛里程性能等駕駛模式，駕駛性能指標(biāo)的優(yōu)劣取決于控制系統(tǒng)駕駛模式的技術(shù)。</p><p>　　4.1 MCS-51單片機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu) </p><p>　　8051是MCS-51系列單片機(jī)的典型產(chǎn)品，我們以

47、這一代表性的機(jī)型進(jìn)行系統(tǒng)的講解。 8051單片機(jī)包含中央處理器、程序存儲器(ROM)、數(shù)據(jù)存儲器(RAM)、定時/計數(shù)器、并行接口、串行接口和中斷系統(tǒng)等幾大單元及數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線等三大總線，現(xiàn)在我們分別加以說明：</p><p>　　（1）中央處理器 </p><p>　　中央處理器(CPU)是整個單片機(jī)的核心部件，是8位數(shù)據(jù)寬度的處理器，能處理8位二進(jìn)制數(shù)據(jù)或代碼

48、，CPU負(fù)責(zé)控制、指揮和調(diào)度整個單元系統(tǒng)協(xié)調(diào)的工作，完成運(yùn)算和控制輸入輸出功能等操作。</p><p>　　（2）數(shù)據(jù)存儲器(RAM) </p><p>　　8051內(nèi)部有128個8位用戶數(shù)據(jù)存儲單元和128個專用寄存器單元，它們是統(tǒng)一編址的，專用寄存器只能用于存放控制指令數(shù)據(jù)，用戶只能訪問，而不能用于存放用戶數(shù)據(jù)，所以，用戶能使用的的RAM只有128個，可存放讀寫的數(shù)據(jù)，運(yùn)算的中間結(jié)果

49、或用戶定義的字型表。</p><p>　?。?）程序存儲器(ROM) </p><p>　　8051共有4096個8位掩膜ROM，用于存放用戶程序，原始數(shù)據(jù)或表格。</p><p>　?。?）定時/計數(shù)器(ROM) </p><p>　　8051有兩個16位的可編程定時/計數(shù)器，以實現(xiàn)定時或計數(shù)產(chǎn)生中斷用于控制程序轉(zhuǎn)向。</p&

50、gt;<p>　?。?）并行輸入輸出(I/O)口 </p><p>　　8051共有4組8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于對外部數(shù)據(jù)的傳輸。</p><p>　　（6）全雙工串行口  </p><p>　　8051內(nèi)置一個全雙工串行通信口，用于與其它設(shè)備間的串行數(shù)據(jù)傳送，該串行口既可以用作異步通信收發(fā)器，也可以當(dāng)同步移位器

51、使用。</p><p>　?。?）中斷系統(tǒng) </p><p>　　8051具備較完善的中斷功能，有兩個外中斷、兩個定時/計數(shù)器中斷和一個串行中斷，可滿足不同的控制要求，并具有2級的優(yōu)先級別選擇。</p><p>　　（8）時鐘電路  </p><p>　　8051內(nèi)置最高頻率達(dá)12MHz的時鐘電路，用于產(chǎn)生整個單片機(jī)運(yùn)行的脈沖

52、時序，但8051單片機(jī)需外置振蕩電容。</p><p>　　單片機(jī)的結(jié)構(gòu)有兩種類型，一種是程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器分開的形式，即哈佛</p><p>　　圖7 MCS-51內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖</p><p>　　(Harvard)結(jié)構(gòu)，另一種是采用通用計算機(jī)廣泛使用的程序存儲器與數(shù)據(jù)存儲器合二為一的結(jié)構(gòu)，即普林斯頓(Princeton)結(jié)構(gòu)。INTEL的MCS-51系列單

53、片機(jī)采用的是哈佛結(jié)構(gòu)的形式，而后續(xù)產(chǎn)品16位的MCS-96系列單片機(jī)則采用普林斯頓結(jié)構(gòu)。</p><p>　　圖7是MCS-51系列單片機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖【8】:</p><p>　?。?）MCS-51的引腳說明 </p><p>　　MCS-51系列單片機(jī)中的8031、8051及8751均采用40Pin封裝的雙列直接PDIP結(jié)構(gòu)，圖8是它們的引腳配置，40

54、個引腳中，正電源和地線兩根，外置石英振蕩器的時鐘線兩根，4組8位共32個I/O口，中斷口線與P3口線復(fù)用?，F(xiàn)在我們對這些引腳的功能加以說明：</p><p>　　·Pin20:接地腳。</p><p>　　·Pin40:正電源腳，正常工作或?qū)ζ瑑?nèi)EPROM燒寫程序時，接+5V電源。</p><p>　　·Pin18:時鐘XTAL2腳，片

55、內(nèi)振蕩電路的輸出端。</p><p>　　8051的時鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時鐘振蕩方式，但需在18和19腳外接石英晶體(2-12MHz)和振蕩電容，振蕩電容的值一般取10p-30p。另外一種是外部時鐘方式，即將XTAL1接地，外部時鐘信號從XTAL2腳輸入。MCS-51系列單片機(jī)中的8031、8051及8751均采用40Pin封裝的雙列直接DIP結(jié)構(gòu)，右圖是它們的引腳配置，40個引腳中，正電源和地線兩根，外置

56、石英振蕩器的時鐘線兩根，4組8位共32個I/O口，中斷口線 與P3口線復(fù)用?，F(xiàn)在我們對這些引腳的功能加以說明：</p><p>　　·Pin20:接地腳。</p><p>　　·Pin40:正電源腳，正常工作或?qū)ζ瑑?nèi)EPROM燒寫程序時，接+5V電源。</p><p>　　·Pi

57、n19:時鐘XTAL1腳，片內(nèi)振蕩電路的輸入端。</p><p>　　·Pin18:時鐘XTAL2腳，片內(nèi)振蕩電路的輸出端。</p><p>　　8051的時鐘有兩種方式，一種是片內(nèi)時鐘振蕩方式，但需在18和19腳外接石英晶體(2-12MHz)和振蕩電容，振蕩電容的值一般取10p-30p。另外一種是外部時鐘方式，即將XTAL1接地，外部時鐘信號從XTAL2腳輸入。</p&g

58、t;<p>　　·輸入輸出(I/O)引腳，Pin39-Pin32為P0輸入輸出腳，Pin1-Pin1為P1.0-P1.7輸入輸出腳，Pin21-Pin28為P2.0-P2.7輸入輸出腳，P-Pin-P3.7輸入輸出腳，這些輸入輸出腳的功能說明將在以下內(nèi)容闡述。</p><p>　　·Pin9:RESET/Vpd復(fù)位信號復(fù)用腳，當(dāng)8051通電，時鐘電路開始工作，在RESET引腳上出

59、現(xiàn)24個時鐘周期以上的高電平，系統(tǒng)即初始復(fù)位。初始化后，程序計數(shù)器PC指向0000H，P0-P3輸出口全部為高電平，堆棧指鐘寫入07H，其它專用寄存器被清“0”。RESET由高電平下降為低電平后，系統(tǒng)即從0000H地址開始執(zhí)行程序。然而，初始復(fù)位不改變RAM（包括工作寄存器R0-R7）的狀態(tài)，8051的初始態(tài)如表1：</p><p>　　表1 8051的初始態(tài)</p><p>　　特殊功

60、能寄存器初始態(tài)特殊功能寄存器初始態(tài)</p><p>　　A00HB00H</p><p>　　PC00HSP07H</p><p>　　4.2 A/D轉(zhuǎn)換芯片</p><p>　　ADC0809芯片是最常用的8位模數(shù)轉(zhuǎn)換器。 它的模數(shù)轉(zhuǎn)換原理采用逐次逼進(jìn)型，芯片由單個＋5V電源供電，可以分時對8路輸入模擬量進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，

61、典型的A／D轉(zhuǎn)換時間為100微妙左右。在同類型產(chǎn)品中，ADC0809模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率、轉(zhuǎn)換速度和價位都屬于居中位置。</p><p>　　內(nèi)部邏輯結(jié)構(gòu)，如圖9所示:</p><p>　　圖 9 ADC0809內(nèi)部結(jié)構(gòu)</p><p><b>　　引腳功能說明：</b></p><p>　　·D7～D0：8

62、位數(shù)字量輸出，A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果。</p><p>　　·IN0～I(xiàn)N7：8路模擬電量輸入，可以是：0～5V或者－5V～＋5V或者－10V～+10V。</p><p>　　·+VREF：正極性參考電源。</p><p>　　·START：啟動A/D轉(zhuǎn)換控制輸入，高電平有效。</p><p>　　·入的工作時

63、鐘，典型頻率為500KHz。</p><p>　　·ALE：地址鎖存控制輸入，高電平開啟接收3位地址碼，低電平鎖存地址。</p><p>　　·CBA：3位地址輸入，其8個地址值分別選中8路輸入模擬量IN0～I(xiàn)N7之一進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。C是高位地址，A是最低位地址。</p><p>　　·OE：數(shù)字量輸出使能控制，輸入高有效，輸出A/D轉(zhuǎn)換

64、結(jié)果D7～D0。</p><p>　　·EOC：模數(shù)轉(zhuǎn)換狀態(tài)輸出。當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換未完成時，EOC輸出低電平；當(dāng)模數(shù)轉(zhuǎn)換完成時，EOC輸出高電平。EOC輸出信號可以作為中斷請求或者查詢控制。</p><p>　　·Vcc：芯片工作電源＋5V。</p><p>　　·GND：芯片接地端。</p><p><b>

65、;　　4.3電流檢測單元</b></p><p>　　4.3.1霍爾電流傳感器的測量原理</p><p>　　圖10為霍爾電流傳感器原理電路圖，它是根據(jù)磁場平衡原理工作的。具體工作過程為：流過主回路的電流IP在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生一個強(qiáng)的磁場，這一磁場被聚磁環(huán)聚集并感應(yīng)霍爾器件，使霍爾器件有一電壓信號輸出。這一信號被放大囂放大并使相應(yīng)的功率管導(dǎo)通，從而獲得一補(bǔ)償電流IS補(bǔ)償電流IS流過

66、繞在聚磁環(huán)上的多匝副邊線圈時所產(chǎn)生的磁場與主電流所產(chǎn)生的磁場方向相反，因而產(chǎn)生補(bǔ)償作用，使磁場減少，霍爾電壓也隨著減少，最后當(dāng)IS所產(chǎn)生的磁場與IP所產(chǎn)生的磁場相等時，補(bǔ)償電流IS將不再變化。</p><p>　　圖10霍爾電流傳感器原理電路圖</p><p><b>　　此時，</b></p><p>　　NPIPNSIS

67、 公式（1）</p><p><b>　　式中，</b></p><p>　　NP為原邊線圈匝數(shù)；</p><p><b>　　IP為原邊電流；</b></p><p>　　NS為副邊線圈匝數(shù)；</p><p><b>　　IS為副邊

68、電流。</b></p><p>　　主回路電流IP的任何變化都會破壞磁場的平衡，一旦磁場失去平衡，霍爾器件就有電壓信號輸出，相應(yīng)地就有補(bǔ)償電流IS流過副邊線圈進(jìn)行補(bǔ)償。從宏觀來看，副邊補(bǔ)償電流IS的安匝數(shù)在任何時刻都與主電流IP的安匝數(shù)相等。由式(1)可知，如果已知NP、NS，在測得IS的條件下即可求得原邊電流IP。</p><p>　　4.3.2電流檢測電路</p&g

69、t;<p>　　對于兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)無刷直流電動機(jī)，任一時刻，只有兩相繞組導(dǎo)通，電流從一相繞組流進(jìn)，從另一相繞組流出，電流大小與直流側(cè)電流大小相等。這樣，只要在直流側(cè)串聯(lián)一個采樣電阻就可以檢測導(dǎo)通相的相電流。常見的無刷直流電動機(jī)的電流檢測方法有：電阻法，霍爾電流傳感器法，電流互感器法。這三種方法的對比如表 2 所示。</p><p>　　表2 電阻法，霍爾電流傳感器法，電流互感器法三種方法對比&

70、lt;/p><p>　　在本系統(tǒng)中采用霍爾電流傳感器測量母線電流。與普通互感器相比，霍爾電流傳感器有如下特點(diǎn)【9】；</p><p>　　(1)霍爾電流傳感器可以測量任意波形的電流，它的副邊電流的波形可以不失真地反映原邊電流的波形，而普通互感器只適用于測量50Hz的正弦波。</p><p>　　(2)霍爾電流傳感器的原邊和副邊之間完全絕緣，絕緣電壓一般為2~12kV，特

71、殊要求可達(dá)20~50kV。</p><p>　　(3)抗外磁場能力強(qiáng)。</p><p>　　(4)工作頻帶寬，在0～100kHz頻率范圍內(nèi)精度為l％，在0~5kHz范圍內(nèi)為0．5％。</p><p>　　(5)過載能力強(qiáng)，當(dāng)原邊電流過載時，模塊可自動飽和，即使過載電流是額定電流的20倍，LEM模塊也不會損壞。</p><p>　　(6)線性度

72、好，優(yōu)于0．1％。</p><p>　　(7)動態(tài)響應(yīng)時間小于lus，跟蹤速度高于50A／us。</p><p><b>　　4.4速度給定單元</b></p><p>　　轉(zhuǎn)把是控制電動小車車速的轉(zhuǎn)換器件，是控制器的信號輸入部件。電動小車上使用的轉(zhuǎn)把根據(jù)傳感器種類常見的有霍爾元件式轉(zhuǎn)把和光電式轉(zhuǎn)把兩種，目前采用霍爾式轉(zhuǎn)把的電動小車占多數(shù)。&l

73、t;/p><p>　　電動小車的轉(zhuǎn)把有3根引線，分別是電源（+5V）、地線和轉(zhuǎn)把信號線（線性連續(xù)變化信號）。下面介紹霍爾元件式轉(zhuǎn)把的構(gòu)成。</p><p>　　4.4.1霍爾轉(zhuǎn)把結(jié)構(gòu)</p><p>　　轉(zhuǎn)把由固定的轉(zhuǎn)把座和霍爾元件、可動轉(zhuǎn)柄和產(chǎn)生磁場強(qiáng)度均勻變化的磁鋼構(gòu)成。如圖11所示。轉(zhuǎn)把的霍爾元件由三根引線輸出送到控制器中。</p><p>

74、;　　4.4.2霍爾轉(zhuǎn)把的信號特征</p><p>　　霍爾轉(zhuǎn)把輸出電壓的大小，取決于霍爾元件周圍的磁場強(qiáng)度。轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)把，轉(zhuǎn)把可動手柄上的磁鐵跟著轉(zhuǎn)動，即改變了霍爾元件周圍的磁場強(qiáng)度，霍爾元件輸出電壓隨之改變，也就是改變了霍爾轉(zhuǎn)把的輸出電壓。</p><p>　　霍爾轉(zhuǎn)把最常用的是以下兩種信號轉(zhuǎn)把：1~4.2V 變化的正向轉(zhuǎn)把和4.2~1V變化的反向轉(zhuǎn)把。其中絕大多數(shù)是正向轉(zhuǎn)把，其他輸出電壓

75、變化范圍的轉(zhuǎn)把，目前市場中很少存在，為非標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，只存在早期生產(chǎn)的電動小車中。</p><p>　　4.4.3光電式轉(zhuǎn)把</p><p>　　光電式轉(zhuǎn)把有兩種結(jié)構(gòu)。一種是光電傳感器位于轉(zhuǎn)把中；另一種是光電傳感器位于控制器中，轉(zhuǎn)把手柄通過鋼絲帶動控制器內(nèi)光電傳感器內(nèi)部的遮光板位移，光電管產(chǎn)生控制信號。</p><p>　　第一種結(jié)構(gòu)光電轉(zhuǎn)把中發(fā)光管、光電接受管位于把座

76、上，裝在轉(zhuǎn)把可動轉(zhuǎn)柄上的遮光板位于發(fā)光管和光電接受管之間的缺口處，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)柄，遮光板隨之移動，由于發(fā)光管發(fā)出的光恒定，遮光板改變了到達(dá)接受管的光的強(qiáng)度，光電接收管內(nèi)阻隨之變化，產(chǎn)生的電信號送到控制器中。光電式傳感器結(jié)構(gòu)如圖12所示。</p><p>　　位于控制器中的光電式傳感器調(diào)速信號產(chǎn)生原理與上述相同，不再贅述。</p><p><b>　　4.5速度檢測單元</b>

77、;</p><p>　　4.5.1霍爾位置檢測電路</p><p>　　如圖 13所示，霍爾位置檢測電路在系統(tǒng)中的作用主要有兩個：一是檢測電機(jī)定、轉(zhuǎn)子的相對位置并提供驅(qū)動換相信號；二是通過檢測某一路脈沖信號的個數(shù)，軟件計算后轉(zhuǎn)換為速度信號,構(gòu)成速度的反饋環(huán)節(jié)。圖中位置傳感器為電機(jī)內(nèi)置的三個霍爾傳感器，根據(jù)其安裝位置的不同分為 60 電機(jī)和 120 電機(jī)，60 電機(jī)輸出的霍爾位置狀態(tài)有 00

78、0 和 111 狀態(tài)，而 120 電機(jī)中沒有?；魻杺鞲衅鬏敵雒}沖信號，其輸出信號通過上拉電阻 R1、R2、R3 與+5V 電壓相連，信號電平整定為 0V和 5V，使之與單片機(jī)的 I/O 口電平一致。 </p><p>　　圖13 霍爾位置檢測電路</p><p>　　4.5.2集成轉(zhuǎn)速傳感器</p><p>　　成轉(zhuǎn)速傳感器具有靈敏度高、測量

79、范圍寬、抗干擾能力強(qiáng)、外圍電路簡單等優(yōu)點(diǎn)，是傳統(tǒng)的分立式轉(zhuǎn)速傳感器的升級換代產(chǎn)品。下面是磁阻式集成轉(zhuǎn)速傳感器的工作原理與典型應(yīng)用，如圖14。</p><p>　　轉(zhuǎn)速屬于常規(guī)電測參數(shù)。測量轉(zhuǎn)速時經(jīng)常采用磁阻式傳感器或光電式傳感器進(jìn)行非接觸性測量，傳統(tǒng)的磁阻式傳感器是由磁鋼、線圈等分立元件構(gòu)成的，亦可用耳塞機(jī)改裝而成。但這種傳感器存在一些缺點(diǎn)：第一，靈敏度低，傳感器與轉(zhuǎn)動齒輪的最大間隙（亦稱磁感應(yīng)距離）只有零點(diǎn)幾毫

80、米；第二，在測量高速旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速時，因安裝不牢固或受機(jī)械振動，容易與齒輪發(fā)生碰撞，安全性較差；第三，這種傳感器所產(chǎn)生的是幅度很低且變化緩慢的模擬電壓信號，因此，需要經(jīng)過放大、整形后變成沿口陡直的數(shù)字頻率信號，才能送給數(shù)字轉(zhuǎn)速儀或數(shù)字頻率計測量轉(zhuǎn)速，而且外圍電路比較復(fù)雜；第四，它無法測量非常低（接近于零）的轉(zhuǎn)速，因為這時磁阻式傳感器可能檢測不到轉(zhuǎn)速信號。</p><p>　　4.5.3集成型速度傳感器的性能特點(diǎn)

81、 </p><p>　　目前，轉(zhuǎn)速傳感器正朝著高靈敏度、高可靠性和全集成化的方向發(fā)展，芯片內(nèi)含高性能磁鋼、磁敏電阻傳感器和IC。它利用IC來完成信號變換功能，其輸出的電流信號頻率與被測轉(zhuǎn)速成正比，電流信號的變化幅度為7mA～14mA。由于其外圍電路比較簡單，因而很容易配二次儀表測量轉(zhuǎn)速。</p><p>　　測量范圍寬，靈敏度高，它

82、的齒輪轉(zhuǎn)動頻率范圍是0-25kHz，而且即使在轉(zhuǎn)動頻率接近于零時，它也能夠進(jìn)行測量。傳感器與齒輪的最大磁感應(yīng)距離為2.9mm（典型值），由于與齒輪相距較遠(yuǎn)，因此使用比較安全。</p><p>　　該傳感器抗干擾能力強(qiáng)，同時具有方向性，它對軸向振動不敏感。另外，芯片內(nèi)部還有電磁干擾濾波器、電壓控制器以及恒流源，從而保證了其工作特性不受外界因素的影響。</p><p>　　體積較小，其最大外形

83、尺寸為8×6×21mm，能可靠固定在齒輪附近。</p><p>　　采用＋12V電源供電（典型值），最高不超過16V。工作溫度范圍寬達(dá)－40～＋85℃。</p><p><b>　　4.6譯碼器</b></p><p>　　如圖17所示，74LS164為串行移位譯碼器，它主要由時鐘線控制，時鐘線每來一個上升弦，數(shù)據(jù)線將把一

84、位數(shù)移進(jìn)去，移八次就進(jìn)一個字節(jié)，同時在數(shù)碼管顯示出來。譯碼器是實現(xiàn)組合邏輯的功能部件。它的輸入是二進(jìn)制的代碼，輸出是一組高低電平信號，每輸入一組不同的代碼，只有一個輸出端呈現(xiàn)有效信號。</p><p>　　74LS245芯片是一個八位的總線收發(fā)器，其輸入/輸出引腳分成兩組，工作原理如表4：</p><p>　　表4 74LS245芯片工作原理</p><p>　　

85、允許E　 方向控制DIR　 操作</p><p>　　低電平　 低電平　　　　 B數(shù)據(jù)到A總線</p><p>　　低電平　 高電平　　　　 A數(shù)據(jù)到B總線</p><p>　　高電

86、平　 懸空　　　　　 隔離</p><p><b>　　4.7操作顯示單元</b></p><p>　　在小車的行駛過程中，控制器和操作人員之問需要互通信息，以便操作人員能及時地控制小車的運(yùn)行狀態(tài)。為此，操作人員和計算機(jī)之間應(yīng)設(shè)置顯示器和操作器。顯示器和操作器的作用一是顯示小車的給定速度和瞬時速度；二是供

87、操作人員操作；三是顯示操作結(jié)果。本節(jié)說明操作顯示單元的設(shè)計。</p><p>　　4.7.1 Intel8279可編程鍵盤／顯示器接口簡介</p><p>　　Intel8279是一種通用可編程的鍵盤、顯示器接口，使用8279可簡化系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計，充分提高CPU的工作效率。8279的片內(nèi)結(jié)構(gòu)如圖4．14所示，主要包括鍵盤輸入和顯示輸出兩部分以及相應(yīng)的寄存器和控制電路。鍵盤輸入部分可以和“

88、個按鍵或傳感器陣列相連，能自動消除按鍵抖動并能對多鍵同時按下提供保護(hù)。顯示部分按掃描方式工作，可為LED顯示器件提供多路復(fù)用信號，可以顯示多達(dá)16位的字符和數(shù)字。【10】</p><p>　　圖18 Intel8279結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　圖19七段型液晶顯示的電極引線排布</p><p>　　4.7.2 蓄電池的容量顯示</p><p

89、>　　電動小車在使用過程中蓄電池的剩余容量顯示給用戶帶來比較大的方便，它表明蓄電池提供的電能大約能夠使電動小車行駛多少里程，蓄電池是否需要充電等。蓄電池的總?cè)萘客ǔＲ猿渥汶姾?，放電至其端電壓達(dá)到規(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(Q)等于放電電流(Id)和放電時間(td)的乘積：</p><p><b>　　公式（2）</b></p>&l

90、t;p>　　式中Id的單位為安(A)，td的單位為小時(h)，Q的單位為安時(A·h)。其放電特性如圖20所示。</p><p>　　圖20 蓄電池連續(xù)放電曲線</p><p>　　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：</p><p><b>　　公式(3)</b></p>

91、;<p>　　由于蓄電池的容量受到多種因素的影響，長時間的使用，反復(fù)的充電放電，一些蓄電池的容量將逐漸減小，因此要準(zhǔn)確顯示蓄電池的剩余容量比較困難。如果采用此方式來顯示蓄電池的容量，還需要考慮蓄電池充電特性和蓄電池的放電率﹝放電率=額定容量Q鎖定(A·h)/放電電流Id(A)﹞等因素。在本方案中，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顯示蓄電池的容量。</p><p>

92、　　蓄電池的電勢是指蓄電池在開路時的端電壓，由于蓄電池內(nèi)阻r的存在，當(dāng)蓄電池兩端接上負(fù)載R時，內(nèi)阻上就會產(chǎn)生壓降，此時蓄電池的端電壓不是電勢E，而是：</p><p><b>　　公式(4)</b></p><p>　　而蓄電池的內(nèi)阻與蓄電池的容量成反比，在充電過程中，內(nèi)阻逐漸減小，在放電過程中增加，由式(4)可知，通過實驗的辦法測出蓄電池的容量與端電壓的關(guān)系。電動小

93、車在行駛中，利用軟件讓單片機(jī)對蓄電池端電壓U進(jìn)行測量、處理，并將處理的結(jié)果值經(jīng)I/O端口發(fā)送到液晶顯示驅(qū)動器進(jìn)行處理，實現(xiàn)顯示。</p><p>　　4.8控制器保護(hù)功能欠壓檢測電路</p><p>　　鉛酸蓄電池在使用過程中。若發(fā)生過度放電，就會在電池的陰極表面產(chǎn)生大顆粒的硫酸鉛顆粒，造成電池陰極硫酸鹽化。硫酸鉛是一種絕緣物質(zhì)，一旦生成，就難以恢復(fù)【11】。電池陰極上的硫酸鉛越多，電池的

94、內(nèi)阻就越大，電池的充放電性能就越差。為了防止電池因過度放電而損壞，在系統(tǒng)中設(shè)計了欠壓檢測電路，欠壓檢測電路如圖21所示。因36V鉛酸電池的放電終止電壓為31．5V，所以本系統(tǒng)欠壓保護(hù)值設(shè)置為32V。</p><p>　　5電動小車控制器軟件設(shè)計</p><p>　　在上一章硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，本章研究電動小車調(diào)速系統(tǒng)的軟件設(shè)計。本章首先論述電動小車調(diào)速系統(tǒng)軟件設(shè)計的基本要求和設(shè)計方法；其次對

95、系統(tǒng)的各個模塊進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計；最后說明調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法及軟件抗干擾措施。</p><p>　　5.1系統(tǒng)軟件設(shè)計的基本要求</p><p>　　為了使電動小車調(diào)速系統(tǒng)中各種硬件設(shè)備能夠正常運(yùn)行，有效地實現(xiàn)各個控制環(huán)節(jié)的實時控制和管理，除了要設(shè)計合理的硬件電路外，還必須要有高質(zhì)量的軟件支持。軟件設(shè)計質(zhì)量將直接決定整個控制系統(tǒng)的控制質(zhì)量和效率。總體來說，控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計有以下基本要求【12

96、】：</p><p>　　(1)實時性。由于本系統(tǒng)屬于電動機(jī)控制系統(tǒng)，而電動機(jī)控制系統(tǒng)都是快速的實時控制系統(tǒng)，所以軟件必須是實時控制軟件。這就要求單片機(jī)必須在一定的時間內(nèi)完成一系列的軟件處理過程，例如對電動機(jī)的被控參數(shù)(如本系統(tǒng)中的轉(zhuǎn)速、電流等)反饋信號進(jìn)行采樣、計算、邏輯判斷，按規(guī)定的控制算法進(jìn)行數(shù)值計算，輸出各種控制信號，以及對突然出現(xiàn)的故障報警和處理等。上述各種處理，若超過規(guī)定的時間，便失去了實時控制的意義

97、。</p><p>　　(2)可靠性。可靠性通常包括正確性和健壯性這兩個相互補(bǔ)充的方面。正確性是指軟件系統(tǒng)本身沒有錯誤，能夠在預(yù)期的環(huán)境中完成期望的功能。健壯性是指當(dāng)系統(tǒng)遇到意外情況時能按某種預(yù)定的方式作出適當(dāng)?shù)奶幚?，并能及時通知管理人員請求人工干預(yù)，事后從故障狀態(tài)恢復(fù)到正常狀態(tài)比較容易，所以健壯的系統(tǒng)應(yīng)能避免出現(xiàn)災(zāi)難性后果。</p><p>　　(3)可維護(hù)性。在軟件運(yùn)行期中，對軟件所作

98、的各種修正性、完善性和適應(yīng)性修改總稱為維護(hù)。一個高質(zhì)量的軟件，都不是一次設(shè)計和調(diào)試完成的。軟件的設(shè)計過程一般是邊設(shè)計，邊調(diào)試，經(jīng)過多次修改和完善，最終才能滿足所要求的功能和特性。軟件在設(shè)計完成之后，在運(yùn)行階段尚需不斷修正，因為軟件雖經(jīng)測試但不可避免地隱含著各種錯誤，這些錯誤在軟件運(yùn)行階段才會逐步暴露出來，因而要進(jìn)行排錯。軟件在運(yùn)行階段往往還需作適應(yīng)性修改，因為計算機(jī)發(fā)展迅速，一般在3~5年內(nèi)，硬件或軟件就會有更新?lián)Q代的新產(chǎn)品，于是應(yīng)用軟

99、件系統(tǒng)也需要作相應(yīng)的調(diào)整或移植【12】。因此，在軟件設(shè)計過程中，要遵守軟件的設(shè)計規(guī)則，使軟件具有良好的結(jié)構(gòu)，以便軟件的維護(hù)。</p><p>　　綜上所述，電動機(jī)控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計應(yīng)符合實時性、可靠性和可維護(hù)性等方面的要求。為了保證軟件的質(zhì)量，在開發(fā)過程中，就應(yīng)該采取多種有效的技術(shù)和質(zhì)量保證措施。</p><p>　　5.2系統(tǒng)主程序結(jié)構(gòu)</p><p>　　5.2

100、.1主程序流程</p><p>　　主程序主要完成全局變量的定義、各模塊的初始化、電機(jī)初始位置的檢測、上電自檢、防飛車保護(hù)以及速度、電流雙閉環(huán)的計算，主程序的流程圖如圖 22所示。</p><p>　　5.2.2定時中斷服務(wù)程序流程</p><p>　　5.2.3 AD中斷服務(wù)程序流程</p><p>　　5.3電機(jī)控制程序設(shè)計</p&

101、gt;<p>　　5.3.1 速度調(diào)節(jié)程序</p><p>　　速度調(diào)節(jié)的軟件控制流程如圖24所示，大體過程是：在主程序中循環(huán)檢測是否需要進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，若是剛啟動第一次循環(huán)則必須進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。如果不進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，那就直接進(jìn)行電流調(diào)節(jié)，進(jìn)行下一次循環(huán)。速度的具體調(diào)節(jié)流程為：進(jìn)入速度調(diào)節(jié)以后首先調(diào)用定時中斷程序計算得到的當(dāng)前電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速v1，然后用設(shè)定轉(zhuǎn)速 和 實 際 轉(zhuǎn) 速 相 減 得 到 偏 差e

102、(k) ,如果e(k)>│eth│，則執(zhí)行模糊控制；如果偏差小于等于│eth│ 則 執(zhí) 行 PI 控 制 ： u(k)=KP[e(k)-e(k-1)]+KIe(k)，接著把e(k)賦給e(k-1)，為下一次運(yùn)算做準(zhǔn)備，接著給控制量u“加上由PI調(diào)節(jié)出的增量 u作為新的控制量。把速度調(diào)節(jié)輸出出的控制量作為電流調(diào)節(jié)的給定量，進(jìn)行電流調(diào)節(jié)。</p><p>　　5.3.2 電流調(diào)節(jié)程序</p>&l

103、t;p>　　電流調(diào)節(jié)的流程圖如圖25所示，調(diào)節(jié)的過程是：進(jìn)入電流調(diào)節(jié)以后，首先對采樣到的電流值進(jìn)行中值濾波，得到當(dāng)前電流的實際值I1，接著計算理想電流I( 由 速 度 調(diào) 節(jié) 得 到 ) 和 I1的 偏 差 e(k)=I-I1， 根 據(jù) 增 量 式 PI 算 法 D(k)=Kp[e(k)-e(k-1)]+KIe(k) 求 得 控 制量D的 D，為了使系統(tǒng)調(diào)速平穩(wěn)還要對 D進(jìn)行判斷，使每次控制量的增量不能大于ε，然后把當(dāng)前的控制量和

104、本次計算得到的增量相加得到新的控制量D。控制量D的值直接賦給單片機(jī)的片內(nèi)PWM產(chǎn)生器的相位比較寄存器，以此來控制產(chǎn)生的PWM波的占空比，進(jìn)行速度的調(diào)節(jié)。為了使系統(tǒng)安全 運(yùn)行設(shè)置了控制量得上限D(zhuǎn)MAX，為了使系統(tǒng)能順利啟動設(shè)置了控制量得下限D(zhuǎn)MIN。</p><p>　　電流的準(zhǔn)確測量是電流調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)條件，無刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)的直流母線電流不是連續(xù)的，且電流還有建立、穩(wěn)定、和關(guān)斷三個階段，所以給電流準(zhǔn)確測量帶來

105、了難度。本系統(tǒng)利用波形發(fā)生器的PWM中斷進(jìn)行電流采樣，正好在PWM波的有效電平正中產(chǎn)生PWM中斷，此時正好是母線電流的穩(wěn)定階段，測到的電流可以很好的反映電動機(jī)的實際運(yùn)行狀態(tài)。每個PWM周期PWM中斷響應(yīng)一次，采樣電流一次，由于PWM中斷響應(yīng)比較頻繁，所以不要在此中斷中安排太多語句。</p><p>　　5.4 軟件抗干擾設(shè)計</p><p>　　電動小車車在實際路況騎行時，控制器會不可避免

106、的受到來自電機(jī)和周圍環(huán)境的干擾，為了確保應(yīng)用程序按設(shè)計有序的運(yùn)行，軟件設(shè)計中必須有防干擾措施，以提高系統(tǒng)的可靠性。</p><p><b>　　結(jié)論</b></p><p>　　電動噴藥小車因其輕便靈活、節(jié)能環(huán)?？梢缘玫綇V泛應(yīng)用，給農(nóng)民在進(jìn)行農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來了極大方便；隨著電動小車的大面積普及，電動車產(chǎn)業(yè)在近十幾年也得到長足的發(fā)展，各廠商都不惜投入巨資開發(fā)新型產(chǎn)品，搶占市

107、場。電動小車以無刷直流電動機(jī)為驅(qū)動動力，實質(zhì)為一個電力傳動系統(tǒng)，其控制大腦就是電動小車的控制器，控制器的性能好壞直接關(guān)系到整車的性能。</p><p>　　本文根據(jù)電動小車調(diào)速裝置系統(tǒng)的要求，本文以有刷直流電動機(jī)控制系統(tǒng)為研究對象，論文詳細(xì)研究了無刷直流電動機(jī)的工作原理與控制策，經(jīng)過對被控對象特性分析、軟硬件開發(fā)及系統(tǒng)組裝，最終完成了系統(tǒng)初步開發(fā)成型。在系統(tǒng)設(shè)計過程中，取得了一些有意義的和有創(chuàng)新性的成果：<

108、/p><p>　　（1）研究了有刷直流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)及運(yùn)行特性，建立了有刷直流電動機(jī)的數(shù)學(xué)模型；研究了電流檢測、速度檢測的控制特性。</p><p>　?。?）抗干擾能力強(qiáng)，軟件抗干擾是被動措施，而硬件抗干擾是主動措施，只要認(rèn)真分析系統(tǒng)所處環(huán)境的干擾來源以及傳播途徑，采用兩者相結(jié)合的方法，就能保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定可靠地運(yùn)行。</p><p>　?。?）充分使用PLC單片機(jī)程序

109、控制，集成控制系統(tǒng)，各類傳感器，用簡單的元件達(dá)到理想的設(shè)計效果。</p><p>　　（4）設(shè)計中所運(yùn)用的知識大多來自現(xiàn)實，電動自行車、電動三輪車甚至電動汽車都為本設(shè)計提供了很好的知識范疇。便于設(shè)計人員的理解與運(yùn)用。</p><p>　　雖然，在研究過程當(dāng)中克服了很多困難，解決了不少實際問題，但由于個人能力有限，本研究只處在初級階段，系統(tǒng)中仍有許多可改進(jìn)之處，要成為產(chǎn)品，還有一定的距離，還

110、需要進(jìn)一步的研究和完善。</p><p>　　農(nóng)業(yè)用電動小車作為一個新興產(chǎn)業(yè)，在未來幾年內(nèi)將得到進(jìn)一步的發(fā)展和壯大，電動小車控制器作為電動小車的關(guān)鍵部件，同樣會跟隨電動小車的發(fā)展而取得長足的進(jìn)步，設(shè)計將更加具有人性化，功能更能人們的需求。電動小車控制器的發(fā)展趨勢可以概括為以下幾點(diǎn)：</p><p>　?。?）控制器接線更方便?？刂破髋c電機(jī)的連接有霍爾線和電機(jī)線，這些線都是有順序的，一根線接