畢業(yè)設(shè)計(jì)論文----單片機(jī)控制的無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、<p>　　本 科 生 畢 業(yè) 論 文</p><p>　　題 目：單片機(jī)控制的無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　專業(yè)年級(jí)：電子信息科學(xué)與技術(shù)（2005級(jí)）</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要1</b></p><

2、p>　　Abstract2</p><p><b>　　1. 概論3</b></p><p>　　1.1 無刷直流電機(jī)的現(xiàn)狀3</p><p>　　1.2 電動(dòng)自行車介紹及發(fā)展前景4</p><p>　　1.3 本設(shè)計(jì)的主要工作6</p><p>　　2. 無刷電機(jī)控制系統(tǒng)分析6

3、</p><p>　　2.1 三相無刷直流電機(jī)星形連接全橋驅(qū)動(dòng)原理6</p><p>　　2.2 直流電動(dòng)機(jī)的PWM調(diào)速原理9</p><p>　　3. 無刷直流電機(jī)控制器硬件設(shè)計(jì)9</p><p>　　3.1 硬件組成10</p><p>　　3.2 三相全橋逆變電路和驅(qū)動(dòng)電路10</p>&

4、lt;p>　　3.3 速度控制電路14</p><p><b>　　3.4 其他14</b></p><p>　　4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)15</p><p><b>　　4.1 概述15</b></p><p>　　4.2 主程序16</p><p><b&

5、gt;　　4.3 中斷20</b></p><p>　　4.4 AD轉(zhuǎn)換21</p><p>　　4.5 PWM(脈沖寬度調(diào)制)23</p><p>　　4.6 位置信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系23</p><p>　　4.7 數(shù)字PI速度調(diào)節(jié)24</p><p>　　5. 系統(tǒng)調(diào)制與實(shí)驗(yàn)結(jié)論27&

6、lt;/p><p>　　5.1 系統(tǒng)硬件調(diào)試27</p><p>　　5.2 系統(tǒng)軟件調(diào)試28</p><p>　　5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)論與建議29</p><p><b>　　結(jié)論30</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)31</b></p><

7、p><b>　　致謝32</b></p><p>　　單片機(jī)控制的無刷直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　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(diǎn)，在電動(dòng)調(diào)速領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。電動(dòng)自

8、行車的發(fā)明和使用對(duì)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(shí)意義。根據(jù)項(xiàng)目參數(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)行了電源電路設(shè)計(jì)、系統(tǒng)硬件保護(hù)電路設(shè)計(jì)、三相全橋逆變電路設(shè)計(jì)、逆變器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)。在軟件方面利用匯編語言，采用模塊化編程和結(jié)構(gòu)化編程。根據(jù)無刷直流電機(jī)的控制原理，對(duì)系統(tǒng)的控制部分進(jìn)行了詳細(xì)分析。利用數(shù)字PI控制理論實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的閉環(huán)調(diào)制。在系統(tǒng)可靠性方

9、面:設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的欠壓、過流和堵轉(zhuǎn)保護(hù)。本文還對(duì)影響控制器和單片機(jī)系統(tǒng)可靠性的因素進(jìn)行了分析，并且給出了解決方案.本文所設(shè)計(jì)的無刷電機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)、定速、助力三種工作模式并且在系統(tǒng)出錯(cuò)情況下具有自檢功能。保護(hù)功能較完善、硬件結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，具有升級(jí)空間，便于用戶二次開發(fā)。</p><p><b>　　關(guān)鍵詞</b></p><p>　　無刷直流電機(jī),PIC單片機(jī)

10、,電動(dòng)自行車,控制系統(tǒng)</p><p>　　The Design of The Brushless DC Motor</p><p>　　Control System</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　This thesis is part of the project named

11、" the controller of the Brushless DC Motor for electric-bike". The control system consists of Brushless DC Motor, controlling part, sensor part, hardware and software controlling part. With its unique advantage

12、s of high efficiency, high reliability, good control ability and maintenance-free, it is widely used in many fields. To developth electric-bike will be helpful to solve the pollution problem caused by the waste gas from

13、the gasoline-automobiles and e</p><p><b>　　Key Words</b></p><p>　　Electric bike, Brushless DC Motor, PIC, Control System</p><p><b>　　1. 概論</b></p><

14、;p>　　1.1 無刷直流電機(jī)的現(xiàn)狀</p><p>　　有刷直流電動(dòng)機(jī)作為最早的電動(dòng)機(jī)廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個(gè)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</p><p>　　存在，限制了其發(fā)展和應(yīng)用范圍。直流電動(dòng)機(jī)的機(jī)械電刷和換向器因強(qiáng)迫性接觸，造成其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、可靠性差、火花、噪聲等一系列問題，影響了直流電動(dòng)機(jī)的調(diào)速精度和性能?？茖W(xué)技

15、術(shù)的飛速發(fā)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(dòng)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(shí)驗(yàn)，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(dòng)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(dòng)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(duì)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

16、器的電動(dòng)機(jī)。</p><p>　　80年代初，無刷直流電機(jī)進(jìn)入了實(shí)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)發(fā)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)?，F(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(dòng)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(jí)調(diào)速)，調(diào)速范圍寬，低速性能好

17、(啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，啟動(dòng)電流小)，運(yùn)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(dòng)自行車、電動(dòng)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(diǎn)，因此在2004年的國際電機(jī)會(huì)議上提出了有刷電機(jī)將被無刷電機(jī)取代這一發(fā)展趨勢。美、日、英、德在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了以無刷直流電機(jī)代替有刷電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)換。</p><p>　　美國福特公司率先把無刷直流電機(jī)應(yīng)用于汽車20

18、世紀(jì)80年代以來，隨著微機(jī)控制</p><p>　　技術(shù)的快速發(fā)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(diǎn)之一。各國知名半導(dǎo)體公司如Allegro,Philips,Micro Linear,To shiba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。</p><p>　　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

19、人，資產(chǎn)</p><p>　　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</p><p>　　無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)刷電機(jī)的主要原材料)生產(chǎn)供應(yīng)基地，中國還將會(huì)成為全球最大的無刷電機(jī)生產(chǎn)國。隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，車用小功率電機(jī)的需求增長帶動(dòng)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(dòng)汽車制造業(yè)的主要供應(yīng)商。</p&g

20、t;<p>　　1.2 電動(dòng)自行車介紹及發(fā)展前景</p><p>　　1.2.1 電動(dòng)自行車概況</p><p>　　電動(dòng)自行車一般分為兩類，一種是"零啟動(dòng)電動(dòng)自行車"，一般稱為電動(dòng)自行車，這種電動(dòng)自行車盡管有腳踏騎行功能但可以完全靠電動(dòng)騎行。還有一種"智能型電動(dòng)自行車"，這種智能型電動(dòng)自行車不能完全電動(dòng)騎行，是需要人力騎行的助力電動(dòng)自

21、行車，一般為一比一助力即人機(jī)對(duì)等出力。不過現(xiàn)在有些電動(dòng)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。</p><p>　　據(jù)助力車專業(yè)委員會(huì)不完全統(tǒng)計(jì)，全國電動(dòng)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(dòng)自行車的實(shí)際銷量已超過58萬輛，2004年更高達(dá)400多萬輛，今年則可望達(dá)到500萬輛，主要銷售在蘇浙滬、天津一帶，在鼓勵(lì)電動(dòng)自行車的

22、上海，電動(dòng)自行車擁有量已達(dá)120萬輛，其中2005年共銷售電動(dòng)自行車40萬輛。專家預(yù)計(jì)，到2008年我國電動(dòng)自行車年銷量可突破1000萬輛，電動(dòng)自行車制造業(yè)已進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期。</p><p>　　據(jù)中國自行車協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，目前全國電動(dòng)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(dòng)自行車替代，每輛電動(dòng)自行車2000~3000元計(jì)算，這個(gè)市場將達(dá)到1000億元左右。千億元的大蛋糕讓人

23、心動(dòng)，全國已經(jīng)在自行車的發(fā)展基地上自然形成了三大電動(dòng)自行車板塊：以天津?yàn)槭椎奶旖?、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(huì)理事長王鳳和指出，作為綠色環(huán)保產(chǎn)品，電動(dòng)自行車的發(fā)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(dòng)自行車保有量為40萬輛，而自行車為100萬輛，已經(jīng)占到40％。</p><p>　　國外的電動(dòng)車業(yè)近年來也得到了快速的發(fā)展。

24、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(dòng)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，也不斷加入電動(dòng)自行車的開發(fā)、生產(chǎn)和銷售，電動(dòng)自行車的銷售也呈逐年上升趨勢。據(jù)資料介紹，全球電動(dòng)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(dòng)車作為暫時(shí)的"替代品"或最終的交通、休閑用具，市場前景都不可限量。</p><

25、p>　　1.2.2 發(fā)展前景</p><p>　　電機(jī)是電動(dòng)自行車的關(guān)鍵部件。為使電動(dòng)自行車有良好的使用性能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)應(yīng)具有寬調(diào)速范圍、高轉(zhuǎn)速和足夠大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩。此外，由于電動(dòng)自行車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)是車載形式運(yùn)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。</p><p>　　稀土永磁無刷直流電機(jī)是近20年發(fā)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

26、的發(fā)展為無刷直流電機(jī)的研究奠定了基礎(chǔ)。目前無刷直流電機(jī)的發(fā)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)理論的發(fā)展緊密結(jié)合，顯示出廣泛的應(yīng)用前景和強(qiáng)大的生命力。與其它電機(jī)相比它具有幾個(gè)明顯優(yōu)點(diǎn)：① 永磁無刷直流電機(jī)沒有電刷、而是利用電子換相，故克服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；結(jié)構(gòu)也變得簡單，并且節(jié)省了空間，使其磁場損失也得到了減

27、少。③ 它的效率與轉(zhuǎn)速永遠(yuǎn)保持同步關(guān)系，不會(huì)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。</p><p>　　近些年來，隨著現(xiàn)代電力電子技術(shù)、控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，電機(jī)的應(yīng)用技術(shù)也得到了進(jìn)一步發(fā)展，新產(chǎn)品、新技術(shù)層出不窮。許多電動(dòng)車生產(chǎn)廠家都應(yīng)用了一系列的電動(dòng)車新技術(shù)，大大增強(qiáng)了自身品牌在市場上的影響，也頗受消費(fèi)者的關(guān)注。麥科集團(tuán)電助動(dòng)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(dòng)力

28、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(shí)調(diào)整輸出功率；北京新日電動(dòng)車研制開發(fā)了雙動(dòng)力電動(dòng)車，與普通電動(dòng)車相比，雙動(dòng)力電動(dòng)車擁有兩個(gè)動(dòng)力源，可實(shí)現(xiàn)在兩個(gè)不同惡毒點(diǎn)留下的效能轉(zhuǎn)換，即實(shí)現(xiàn)高效動(dòng)力檔和高速動(dòng)力檔的轉(zhuǎn)換；莫拉克公司開發(fā)出在騎行的同時(shí)就能給蓄電池充電的電動(dòng)車，可以提高電動(dòng)自行車一次充電續(xù)駛里程。</p><p>　　電動(dòng)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

29、的同時(shí)，也對(duì)整個(gè)社會(huì)的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生了積極的影響。物美價(jià)廉的電動(dòng)自行車有著巨大的市場需求。電動(dòng)自行車在整車設(shè)計(jì)、驅(qū)動(dòng)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(dòng)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)成本，從而推動(dòng)電動(dòng)自行車的廣泛應(yīng)用。</p><p>　　1.3 本設(shè)計(jì)的主要工作</p><p>　　論文對(duì)無刷直流電機(jī)的控制原理進(jìn)

30、行了詳細(xì)分析，依據(jù)無刷直流電機(jī)特性，針對(duì)電動(dòng)自行車的控制需求，進(jìn)行了無刷直流電機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。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;</p><p>　　最大輸出功率360W。</p><p>　　1.3.1 硬件部分</p><p>　　硬件部分以PIC16F72單片機(jī)作為控制芯片，逆變器由6個(gè)MOSFET管組成。通過微控

31、制單元電路、逆變器驅(qū)動(dòng)電路等電路模塊的設(shè)計(jì)，實(shí)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(duì)電動(dòng)車電機(jī)和電池進(jìn)行保護(hù)，確保電動(dòng)車使用及安全。</p><p>　　1.3.2 軟件部分</p><p>　　在軟件方面利用匯編語言，采用模塊化編程和結(jié)構(gòu)化編程。實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的采集及處理，實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)自行車的電動(dòng)、定速和助力三種工作模式并且在系統(tǒng)出錯(cuò)情況下具有自檢功能。利用數(shù)字

32、PI控制理論實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的閉環(huán)調(diào)制。</p><p><b>　　具體設(shè)計(jì)下:</b></p><p>　　① 選用PIC16P72單片機(jī)作為主控芯片;</p><p>　?、?采用開關(guān)型霍爾傳感器作為電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器;</p><p>　　③ 通過對(duì)PIC單片機(jī)編程，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車電動(dòng)、定速和助力三種工作模式;</

33、p><p>　?、?通過硬件電路和軟件編程，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)自檢、欠壓、過流、堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能;</p><p>　?、?通過軟硬件設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)自行車儀表盤顯示控制;</p><p>　?、?利用PI控制理論實(shí)現(xiàn)電機(jī)速度的閉環(huán)調(diào)制;</p><p>　　本設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了無刷直流電機(jī)的自動(dòng)控制，硬件結(jié)構(gòu)簡單、成本較低，具有升級(jí)空間，便于用戶二次開發(fā)。設(shè)計(jì)中，利用

34、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(dòng)自行車實(shí)體，對(duì)軟硬件參數(shù)進(jìn)行測試，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化。</p><p>　　2. 無刷電機(jī)控制系統(tǒng)分析</p><p>　　2.1 三相無刷直流電機(jī)星形連接全橋驅(qū)動(dòng)原理</p><p>　　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

35、的頻率就可以改變轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速。無刷直流電機(jī)控制器包括電源部分和控制部分，如圖2.1所示。電源部分提供三相電源給電機(jī)，控制部分則按照需求轉(zhuǎn)換電源頻率。電源部分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。不論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(dòng)電機(jī)。逆變器一般由六個(gè)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

36、機(jī)線圈的開關(guān)?？刂撇糠謩t提供PWM脈沖寬度調(diào)制信號(hào)決定功率晶體管開關(guān)頻率及逆變器換相的時(shí)機(jī)。對(duì)于無刷直流電機(jī)，當(dāng)負(fù)載變動(dòng)時(shí)，一般希望速度可以穩(wěn)定于設(shè)定值而不會(huì)有太大的變動(dòng)，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(shí)也作為相序控制的依據(jù)。</p><p>　　電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)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A

37、H, BH, CH(上橋臂功率晶體管)</p><p>　　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)</p><p>　　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(dòng)。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)到霍爾傳感器感應(yīng)出另一組信號(hào)的位置時(shí)，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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng).功率晶體管的開啟方法舉例如下:AH, BL一組—&

38、gt;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(shí)導(dǎo)通.此外，因?yàn)殡娮恿慵傆虚_關(guān)的響應(yīng)時(shí)間，所以功率晶體管在關(guān)與開的交錯(cuò)時(shí)間要將零件的響應(yīng)時(shí)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(hào)為Ha,

39、 Hb, Hc，分別對(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)系如表2.1所示。</p><p>　　在電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，控制部分會(huì)根據(jù)系統(tǒng)設(shè)定的速度決定功率管的導(dǎo)通時(shí)間。若系統(tǒng)要求加速，則增長功率管導(dǎo)通的時(shí)間，若要求減速，則縮短功率管導(dǎo)通的時(shí)間，此部分工作由PWM脈寬調(diào)制信號(hào)控制。</p><p>　　圖2.1三相無刷直流電機(jī)工作原理</p>&l

40、t;p>　　Inverter MOTOR</p><p>　　圖2.2 逆變器原理圖</p><p>　　表2.1霍爾位置信號(hào)與換相的關(guān)系</p><p>　　2.2 直流電動(dòng)機(jī)的PWM調(diào)速原理</p><p>　　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、

41、調(diào)速范圍大的優(yōu)點(diǎn)。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(dòng)機(jī)的電樞端電壓，實(shí)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。</p><p>　　本系統(tǒng)利用開關(guān)驅(qū)動(dòng)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(dòng)機(jī)電樞電壓，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。圖2.3是對(duì)電

42、機(jī)進(jìn)行PWM調(diào)速控制時(shí)的電樞繞組</p><p>　　兩端的電壓波形。當(dāng)開關(guān)管的柵極輸入高電平時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，直流電動(dòng)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(dòng)機(jī)電樞兩端電壓為0, tz秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖剑_關(guān)管的動(dòng)作重復(fù)前面的過程。</p><p><b>　　U1 </b></p><p><b>　

43、　T</b></p><p><b>　　U0</b></p><p>　　Us t1 t2</p><p><b>　　0</b></p><p>　　圖2.3 輸入輸出電壓波形</p><p>　　電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端的電壓平均值。為:</p>

44、;<p>　　式中占空比a表示在一個(gè)周期T里，開關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)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(shí)，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，從而達(dá)到調(diào)速的目的.理想空載轉(zhuǎn)速與占空比a成正比。</p><p>　　3. 無刷直流電機(jī)控制器硬件設(shè)計(jì)</p><p>　　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

45、、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)結(jié)構(gòu)簡單，價(jià)格較便宜，但是系統(tǒng)靈活性不足，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，成本較高，不易在市場上推廣。本設(shè)計(jì)使用單片機(jī)作為主控芯片可以彌補(bǔ)上述兩方案的不足。</p><p><b>　　3.1 硬件組成</b></p><p>　　本控制器根據(jù)項(xiàng)目參

46、數(shù)要求應(yīng)具有如下功能:</p><p>　　(1)具有電動(dòng)、定速、助力三種工作模式:在電動(dòng)模式下，控制系統(tǒng)能夠根據(jù)電動(dòng)車轉(zhuǎn)把所給電壓，正常加電運(yùn)轉(zhuǎn);定速模式下，無需按住轉(zhuǎn)把，電動(dòng)車能夠按照設(shè)定速度運(yùn)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(shí)現(xiàn)助力騎行.三種工作模式可通過模式轉(zhuǎn)換按鈕切換。</p><p>　　(2)當(dāng)系統(tǒng)出錯(cuò)或者位置傳感器、助力傳感器出錯(cuò)時(shí)能夠進(jìn)入自檢模式并顯示

47、錯(cuò)誤。</p><p>　　(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)。</p><p>　　(4)能夠?qū)崟r(shí)顯示電動(dòng)車的狀態(tài)。</p><p>　　根據(jù)上述功能，所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)硬件框圖 。如圖3.1所示。</p><p><b>　　50V </b></p><p><b>　　PW

48、M</b></p><p>　　圖3.1 硬件系統(tǒng)框圖 </p><p>　　3.2 三相全橋逆變電路和驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　逆變電路和驅(qū)動(dòng)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(gè)系統(tǒng)的運(yùn)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(dòng)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

49、抗高、驅(qū)動(dòng)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(diǎn)，因而在各類中小功率開關(guān)電路中得到了廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　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較復(fù)雜，需要六組控制信號(hào)，電機(jī)三相繞組的工作也相對(duì)獨(dú)立，必須對(duì)三相電流分別控制。而全橋逆變器的控制比較簡單，只需三組獨(dú)立控制信號(hào)，且任一時(shí)刻導(dǎo)通的兩相電流相等，只要對(duì)其中一

50、相電流進(jìn)行控制，另外一相電流也得到了控制.因此本設(shè)計(jì)采用全橋逆變電路來控制各相位的導(dǎo)通，如圖2.2所示。</p><p>　　本設(shè)計(jì)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(jià)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(gè)N溝道MOSFET管組成逆變器的一相。 當(dāng)

51、功率MOSFET管用作開關(guān)，被驅(qū)動(dòng)飽和導(dǎo)通，即在它的兩極之間壓降最低時(shí)，其柵極驅(qū)動(dòng)要求可概括如下:</p><p>　　(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(shí)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.</p><p>　　(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(diǎn)。</p><p>　　(3) 柵極驅(qū)動(dòng)電路吸收

52、的功率不會(huì)顯著地影響總效率。</p><p>　　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。</p><p>　　3.2.1 頂端、底端驅(qū)動(dòng)電路</p><p><b>　　(1) 驅(qū)動(dòng)電路</b></p><p>　　如圖3.2

53、所示，由于受到匹配電壓的限制，頂端驅(qū)動(dòng)電路無法直接與TTL器件匹配，</p><p>　　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)。</p><p>　　當(dāng)某相頂端驅(qū)動(dòng)電路有效時(shí)，場效應(yīng)器件VF1(或VF3,V F5)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

54、后，X1(或X2, X3電壓與電池電壓相同)。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(jì)中，頂端驅(qū)動(dòng)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(shí)，電機(jī)繞組產(chǎn)生瞬間的反向高壓可能會(huì)損壞功率管，所以在直流母線上并聯(lián)一只

55、耐高壓電容，意外停機(jī)時(shí)，母線上產(chǎn)生的瞬間高壓會(huì)由于電容兩端電壓不能突變而得到抑制。</p><p>　　底端電壓驅(qū)動(dòng)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(hào)調(diào)制底端驅(qū)動(dòng)信號(hào)，調(diào)制后的信號(hào)通過電阻藕合至底端驅(qū)動(dòng)場效應(yīng)管柵極，控制場效應(yīng)管導(dǎo)通狀態(tài)。因?yàn)榈锥蓑?qū)動(dòng)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(dòng)電路中R22,R30,R38為串聯(lián)柵

56、電阻，是場效應(yīng)管底端驅(qū)動(dòng)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。</p><p>　　以A相為例，頂端驅(qū)動(dòng)，當(dāng)LM339的2口輸出為低時(shí)，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?yàn)樽笳邑?fù)(從而保證Ql開通時(shí)Q2關(guān)斷)，</p><p>　　VF1柵極電壓為50V左右，源極電壓為36V左右，VF1開通;當(dāng)LM

57、339的2口輸出為高時(shí)，Ql關(guān)斷，這時(shí)VF1截止。Q2與R18, R19, C26組成有源濾波器。底端驅(qū)動(dòng)，當(dāng)經(jīng)過邏輯</p><p>　　保護(hù)的A相底端控制信號(hào)aBTM輸入為1時(shí)，經(jīng)過底端驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生12V有效信號(hào)，使得</p><p>　　VF2導(dǎo)通。同時(shí)，單片機(jī)輸出的PWM信號(hào)送到NE555的RST端，對(duì)底端控制信號(hào)進(jìn)行調(diào)制。</p><p>　　圖3.2 M

58、OSFET驅(qū)動(dòng)逆變電路</p><p>　　3.2.2 電源電路</p><p>　　驅(qū)動(dòng)電路的電源部分包含兩部分電路:一部分是將電池電源36V，通過三端穩(wěn)壓器LM7915產(chǎn)生相對(duì)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(dòng)電壓;另一部分是通過三端穩(wěn)壓器LM7812產(chǎn)生的+12V電壓，用于頂端驅(qū)動(dòng)匹配和底端驅(qū)動(dòng)電路。如圖3.3所示，電源電路中，根據(jù)各個(gè)部分的電

59、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。</p><p>　　圖3.3 +21V和+12V電源電路</p><p>　　3.2.3 振蕩倍壓和硬件保護(hù)電路</p><p><b>　?。?）硬件保護(hù)電路</b></p><p>　　為了增加控

60、制系統(tǒng)的可靠性和安全性，設(shè)計(jì)了純硬件制動(dòng)保護(hù)電路，如圖3.4所示。制動(dòng)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(dòng)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(shí)，測試點(diǎn)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(diǎn)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(shí)，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(diǎn)1處電平約0.7V,測試點(diǎn)2處

61、電壓為21V左右，RST有效，振蕩電路停止振蕩，頂端驅(qū)動(dòng)電路將不再輸出驅(qū)動(dòng)電壓，從而實(shí)現(xiàn)硬件制動(dòng)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(qiáng)系統(tǒng)。</p><p><b>　?。?）振蕩倍壓電路</b></p><p>　　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

62、的振蕩頻率約為4-5KHz,振蕩信號(hào)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。</p><p>　　倍壓電路的工作原理是:當(dāng)NE555的3腳為GND電壓(+21V)時(shí)，電源36V通過二極管D4給電容C24充電，如果時(shí)間常數(shù)合適，C24上的電壓近似等于36V-21V=15V，方向?yàn)樽?/p>

63、負(fù)右正:當(dāng)NE555的3腳為高時(shí)，電容C24左側(cè)為36V，右側(cè)為36V+15V=51V，因?yàn)槎O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)過若干周期的反復(fù)充電，電容C25上的電壓就升到后部驅(qū)動(dòng)所需要的51V恒定電壓。</p><p>　　圖3.4 振蕩倍壓電路和純硬件保護(hù)電路</p><p>　　3.3 速度控制電路</p><p&g

64、t;<b>　　3.4 其他</b></p><p>　　3.4.1 蓄電池檢測方案</p><p>　　電動(dòng)自行車在使用過程中實(shí)時(shí)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?，放電至其端電壓達(dá)到規(guī)定值時(shí)所釋放出的總電量來表示。當(dāng)蓄電池以恒定電流放電時(shí)，它的容量等于放

65、電電流和放電時(shí)間的乘積:</p><p>　　式中Q的單位為(A-h)。如果放電電流不是一個(gè)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(shí)間的乘積之和:</p><p>　　由于蓄電池的容量受到很多因素的影響，長時(shí)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較困難。</p><p>　　本方案利用蓄電池端電壓與容量之間的關(guān)系，通

66、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，</p><p>　　從而顯示電池相應(yīng)的電量，以及判斷電池是否欠壓。</p><p>　　3.4.2 助力信號(hào)檢測方案</p><p>　　本設(shè)計(jì)中用到的助力傳感器為V7系列電動(dòng)車用助力傳感器。V7助力傳感器由開關(guān)</p><p>　　型

67、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(shí)，傳感器</p><p>　　輸出為低，無磁場時(shí)輸出為高，后部處理電路根據(jù)接收到的信號(hào)進(jìn)行處理，向單片機(jī)發(fā)出符合以下規(guī)律的信號(hào):</p><p>　　(1) 頻率與轉(zhuǎn)速成正比；</p><p>　　(2) 電機(jī)正轉(zhuǎn)時(shí)，一周期內(nèi)的高電平時(shí)間:低電平時(shí)間>=2:1 ；</p><

68、p>　　電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)，一周期內(nèi)的高電平時(shí)間:低電平時(shí)間>=1:2 。</p><p>　　為了使得采集的數(shù)據(jù)更精確，電動(dòng)車助力輪上裝有5個(gè)感應(yīng)鐵塊，所以助力輪轉(zhuǎn)一圈，助力傳感器會(huì)按照上述規(guī)律送出5組信號(hào).利用PIC單片機(jī)的普通I/O口和定時(shí)器</p><p>　　TO加以配合，檢測高低電平的時(shí)間，從而確定相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，給出對(duì)應(yīng)的助力。</p><p><

69、;b>　　4. 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)</b></p><p><b>　　4.1 概述</b></p><p>　　在軟件方面，本設(shè)計(jì)利用匯編語言，采用模塊化編程和結(jié)構(gòu)化編程。</p><p>　　模塊化編程:完全實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)所有的技術(shù)指標(biāo)需要大量而有效的程序來實(shí)現(xiàn)，煩瑣的程序需要采用模塊化編程的方法，即將一個(gè)大的程序分成若干小的模塊，

70、各個(gè)模塊保持相對(duì)的獨(dú)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(gè)程序模塊分別設(shè)計(jì)，從而使程序的調(diào)試、修改和維護(hù)都變得比較容易。</p><p>　　結(jié)構(gòu)化編程:各個(gè)子程序之間使用結(jié)構(gòu)良好的轉(zhuǎn)移和調(diào)用，這樣各個(gè)模塊可有效地組合成一個(gè)整體，使流程明確地從一個(gè)程序模塊轉(zhuǎn)移到下一個(gè)程序模塊.在這個(gè)過程中，要注意嚴(yán)格控制使用任意轉(zhuǎn)移語句。</p><p>　　根據(jù)課題要求，無刷智能控制器智能部

71、分功能如下:</p><p><b>　　(1) 電動(dòng)模式:</b></p><p>　　打開電鎖，如果各電器部件正常工作，電動(dòng)車進(jìn)入電動(dòng)狀態(tài)，此時(shí)前儀表板電動(dòng)指示燈點(diǎn)亮，轉(zhuǎn)動(dòng)電動(dòng)車轉(zhuǎn)把，電動(dòng)車正常加電運(yùn)轉(zhuǎn);如轉(zhuǎn)把、剎把、助力傳感器信號(hào)出錯(cuò)，則電動(dòng)車進(jìn)入自檢狀態(tài)，待前面所說電器部件信號(hào)恢復(fù)正常，過2-3秒電動(dòng)車退出自檢模式，進(jìn)入正常電動(dòng)狀態(tài)。</p>&

72、lt;p><b>　　(2) 助力模式:</b></p><p>　　打開電鎖，在電動(dòng)車進(jìn)入電動(dòng)模式下，按動(dòng)模式轉(zhuǎn)換按鈕，電動(dòng)模式轉(zhuǎn)換到助力模式，此時(shí)前儀表板電動(dòng)指示燈滅，助力指示燈亮，騎行實(shí)現(xiàn)一加一助力:再次按動(dòng)模式轉(zhuǎn)換按鈕或剎車，則電動(dòng)車退出助力模式回到電動(dòng)模式，助力模式下剎車，電機(jī)斷電，但不退出助力模式。</p><p><b>　　(3) 定速

73、模式:</b></p><p>　　打開電鎖，在電動(dòng)車進(jìn)入電動(dòng)模式下，按住模式轉(zhuǎn)換按鈕保持2-3秒鐘不動(dòng)，電動(dòng)車由電動(dòng)模式轉(zhuǎn)換到定速模式，此時(shí)前儀表板電動(dòng)指示燈滅，定速模式指示燈點(diǎn)亮，電動(dòng)車將保持現(xiàn)有的固定速度運(yùn)行，再次按動(dòng)模式按鈕或剎車，則電動(dòng)車退出定速模式回到電動(dòng)模式。當(dāng)車速低于2km/h時(shí)，定速功能無效，其目的是避免用戶在推車時(shí)誤觸發(fā)模式轉(zhuǎn)換按鍵。</p><p><

74、;b>　　(4) 自檢功能:</b></p><p>　　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(hào)出錯(cuò)時(shí)，打開電鎖，此時(shí)電動(dòng)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(jì)越快;定速燈指示助力傳感器;捏剎把時(shí)電動(dòng)燈亮;三個(gè)電量指示燈分別指示無刷電機(jī)的三個(gè)霍爾信號(hào)。如各電器部件信號(hào)恢復(fù)正常，過2-3秒電動(dòng)車退出自檢模式回到電動(dòng)模式，或重新打

75、開電鎖，電動(dòng)車進(jìn)入正常電動(dòng)狀態(tài)。</p><p><b>　　4.2 主程序</b></p><p>　　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、</p><p>　　定時(shí)器等單元的初值設(shè)置;中斷設(shè)置;變量、標(biāo)志寄存器的初始化。為了防止在初始化</p><p>　　的過程中，中斷的

76、意外到來，應(yīng)在主程序的開始處先關(guān)閉全局中斷。初始化完成后，進(jìn)入自檢程序，若各電器信號(hào)正常，則2秒后退出自檢模式。重新對(duì)相關(guān)寄存器，定時(shí)器賦初值，打開INT外部中斷，即允許模式轉(zhuǎn)換按鈕中斷。判斷電機(jī)啟動(dòng)是否成功,如果成功進(jìn)入正常工作模式函數(shù)，若有非法狀態(tài)，停電機(jī)，程序跳入自檢模式進(jìn)行自檢。</p><p>　　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(shí)，首先判斷系統(tǒng)處于何種工作模式，然后檢

77、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(cuò)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(hào)，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)，等待剎車結(jié)束信號(hào)。剎車結(jié)束后，如果工作模式為定速模式，則退出定速模式，進(jìn)入電動(dòng)模式。</p><p>　　在電動(dòng)模式下，單片機(jī)采集轉(zhuǎn)把電壓信息，控制輸出的PWM信號(hào)的占空比;定速模式下，轉(zhuǎn)把信號(hào)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

78、式下，根據(jù)定時(shí)器TO采集助力傳感器的高低電平時(shí)間，控制PWM信號(hào)的占空比。在這個(gè)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(dòng)、定速和助力三種模式。</p><p><b>　　助力</b></p><p>　　N N&

79、lt;/p><p><b>　　NN</b></p><p>　　圖4.1 系統(tǒng)工作流程圖</p><p>　　圖4.2 正常工作模式流程圖</p><p><b>　　4.3 中斷</b></p><p>　　4.3.1 單片機(jī)中斷資源</p><p>

80、;　　本設(shè)計(jì)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(shí)器TMRO溢出中斷，定時(shí)器TMR1溢出中斷，定時(shí)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(jí)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(jí)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(jí)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(jí)中斷源不

81、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(gè)外設(shè)中斷屏蔽位PEIE的控制PIC單片機(jī)只有一個(gè)中斷向量，沒有中斷優(yōu)先級(jí)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(shí)，任何一個(gè)中斷標(biāo)志位有效都會(huì)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:</p><p>　　(1) 保存臨時(shí)寄存器W、狀態(tài)寄存器STATUS、指針寄存器PCLATH的值

82、;</p><p>　　(2) 逐個(gè)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(shí)有效時(shí)才執(zhí)</p><p>　　行相應(yīng)的中斷服務(wù)程序;</p><p>　　(3) 中斷返回時(shí)恢復(fù)這三個(gè)寄存器的值。</p><p>　　4.3.2 定時(shí)器資源分配</p><p>　　定時(shí)器/計(jì)數(shù)器的作用:檢測外部電路送來的一系

83、列方波信號(hào)的脈寬、周期或者頻</p><p>　　率:對(duì)外部事件產(chǎn)生的觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行準(zhǔn)確地計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)。PIC16F72配置了3個(gè)定時(shí)器/計(jì)</p><p>　　數(shù)器模塊:TMRO、TMR1、TMR2。</p><p>　　(1) TMRO:8位寬，有一個(gè)可選的預(yù)分頻器，用于通用目的。</p><p>　　(2) TMR1:16位寬，有一個(gè)可編程的

84、預(yù)分頻器和一個(gè)可選的低頻時(shí)基振蕩器.適合與CCP 捕捉/比較/脈寬調(diào)制)模塊配合使用來實(shí)現(xiàn)輸入捕捉或輸出比較功能。</p><p>　　(3) TMR2:8位寬，有一個(gè)可編程的預(yù)分頻器和一個(gè)可編程的后分頻器，還附帶一個(gè)周期寄存器和比較器，適合與CCP模塊配合使用來實(shí)現(xiàn)PWM脈沖寬度調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生。這時(shí)，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(shí)也把后分頻器的作用屏蔽掉;通過向周期寄存器PR2

85、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(hào)周期.</p><p>　　根據(jù)三個(gè)定時(shí)器的特點(diǎn)，在程序中將資源分配如下:</p><p>　　(1) TMR0:計(jì)算助力傳感器送出的高低電平持續(xù)時(shí)間;用做欠壓保護(hù)5秒鐘的定</p><p>　　時(shí)器;計(jì)算電機(jī)換相時(shí)間。</p><p>　　(2) TMR1:做為跳

86、出自檢模式2秒鐘時(shí)間的定時(shí)器;通過改變定時(shí)時(shí)間，控制PWM</p><p>　　占空比輸出;用于模式轉(zhuǎn)換按鍵的時(shí)間判斷;用于堵轉(zhuǎn)保護(hù)的時(shí)間判斷。</p><p>　　(3) TMR2:控制自檢模式下LED SPEED閃爍的頻率;用做周期可調(diào)的時(shí)基發(fā)生</p><p>　　器，為PWM提供周期可調(diào)的時(shí)基信號(hào)。</p><p>　　4.3.3 M

87、OD鍵(INT中斷)處理模塊</p><p>　　模式轉(zhuǎn)換由外部中斷1NT完成，電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)始終允許MOD鍵中斷。自檢完成后，若工作條件正常，啟動(dòng)電機(jī)，進(jìn)入電動(dòng)模式，此時(shí)按下MOD鍵，按鍵標(biāo)志位KMOD FLAG置1，在T1中斷服務(wù)子程序中判斷，若按下MOD鍵小于2秒，則進(jìn)入助力模式:若按下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(dòng)模式。</p><p>&l

88、t;b>　　4.4 AD轉(zhuǎn)換</b></p><p>　　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)換結(jié)束后，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(chǔ)單元，供其他子程序調(diào)用，AD轉(zhuǎn)換子程序，如圖4.3所示。</p><p>　　PIC16F72單片機(jī)內(nèi)部的AD模塊是8位的，具有5個(gè)模擬通道。通過定義AD控制寄存器1的A/

89、D轉(zhuǎn)換引腳功能選擇位可以分配模擬和數(shù)字通道。</p><p>　　AD模塊的操作過程要求占用較多的時(shí)間，其占用的時(shí)間主要包含兩個(gè)部分;采樣/保持電容的充電時(shí)間和A/D轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換時(shí)間。每一位數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換時(shí)間被定義為TAD。為了保證A/D轉(zhuǎn)換電路正確地進(jìn)行轉(zhuǎn)換，所選A/D轉(zhuǎn)換時(shí)鐘源必須滿足最小TAD</p><p>　　時(shí)間要求，即TAD不得小于1.6us 。</p><

90、p>　　對(duì)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(shí)，將會(huì)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加入阻容RC濾波電路。</p><p>　　圖4.3 模數(shù)轉(zhuǎn)換子程序流程圖</p><p>　　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

91、真，所以需要采取一定的算法以得到較為精確和穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換結(jié)果。</p><p>　　采用的算法如下:每輪進(jìn)行8次采樣，第一次采樣值存入一備份寄存器XX_TMP,</p><p>　　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:</p><p>　?、貯DC_RES內(nèi)的值應(yīng)大于0X03，否則認(rèn)為無效；</p><p>　?、?/p>

92、ADC_RES應(yīng)小于251(即255-4)，否則認(rèn)為無效；</p><p>　?、踃X_TMP應(yīng)大于(ADC_RES-3) ，否則認(rèn)為無效；</p><p>　?、躕X_TMP應(yīng)小于(ADC_RES+4)，否則認(rèn)為無效。</p><p>　　程序認(rèn)為無效后就退出此輪采樣，不保留采樣值。</p><p>　　表4.1和4.2分別是電源電壓轉(zhuǎn)換數(shù)

93、值表和轉(zhuǎn)把電壓轉(zhuǎn)換數(shù)值表。在設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)把電壓與PWM占空比的對(duì)應(yīng)函數(shù)時(shí)，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(duì)應(yīng)的數(shù)字量在[56,132]范圍時(shí)，若SP+1，則DUTY(占空比)+1;當(dāng)SP對(duì)應(yīng)的數(shù)字量在[132, 169]范圍時(shí)，若SP+1，則DUTY(占空比)+2。</p><p>　　表4.1電源電壓轉(zhuǎn)換數(shù)值表</

94、p><p>　　表4.2轉(zhuǎn)把電壓(SP)轉(zhuǎn)換數(shù)值表</p><p>　　4.5 PWM(脈沖寬度調(diào)制)</p><p>　　PIC16F72系列單片機(jī)配有輸入捕捉/輸出比較/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(shí)可調(diào)的PWM信號(hào)，例如實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速、步進(jìn)電機(jī)的變頻控制等。</p><p>　　當(dāng)CCP

95、工作于PWM模式時(shí)，CCP引腳可以輸出分辨率達(dá)10位的PWM信號(hào)波形。產(chǎn)生如此波形需要確定兩個(gè)基本參數(shù):一個(gè)是周期(高電平和低電平持續(xù)時(shí)間之和);另一個(gè)是脈寬(高電平持續(xù)時(shí)間)。</p><p>　　周期 周期</p><p><b>　　脈寬</b></p><p><b>　　TMR2=周期值時(shí)</b>

96、;</p><p><b>　　TMR2=脈寬值時(shí)</b></p><p>　　圖4.4 脈寬調(diào)制器輸出波形</p><p>　　當(dāng)CCP工作于PWM模式時(shí)，確定PWM信號(hào)周期所用到的定時(shí)器就是8位寬的時(shí)基定時(shí)器TMR2，而確定PWM信號(hào)脈寬所用到的定時(shí)器則是10位寬的時(shí)基定時(shí)器(由定時(shí)器TMR2的8位和其低端擴(kuò)展的兩位共同構(gòu)成) PWM信號(hào)的

97、周期可以通過向PR2中寫入數(shù)值來人為設(shè)定。該周期計(jì)算公式如下:</p><p>　　PWM周期=[(PR2)+1]X4XToscX(TMR2預(yù)分頻) (4.1)</p><p>　　其中，Tosc為系統(tǒng)時(shí)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(hào)的脈沖寬度預(yù)定值，可以通過寫入10位脈寬寄存器來設(shè)定。計(jì)算公式如下:&l

98、t;/p><p>　　PWM高電平時(shí)間= (CCPRIL: CCPICON<5: 4>)XToscX(TMR2分頻比) (4.2)</p><p>　　其中，CCPRIL: CCPICON<5: 4>代表由2個(gè)寄存器拼裝組合得到的10位數(shù)據(jù);Tosc為</p><p>　　系統(tǒng)時(shí)鐘周期;TMR2預(yù)分頻比可以是1,4 或16。</

99、p><p>　　PR2值的確定:因?yàn)橄到y(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(shí)，PWM的頻率為19.84 kHz，達(dá)到要求，Tosc為1.2us。</p><p>　　4.6 位置信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)的對(duì)應(yīng)關(guān)系</p><p>　　功能:反應(yīng)電機(jī)轉(zhuǎn)子當(dāng)前位置，據(jù)此判斷控制信號(hào)并計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)速;</p><p>　　符

100、號(hào):Sa,Sb,Sc---傳感器位置信號(hào);</p><p>　　Ta,Tb,Tc---上橋臂控制信號(hào);</p><p>　　Ba,Bb,Bc---下橋臂控制信號(hào);</p><p>　　屬性:Sa,Sb,Sc---輸入信號(hào),3位二進(jìn)制數(shù);</p><p>　　Ta,Tb,Tc,Ba,Bb,Bc---輸出信號(hào);</p><p&

101、gt;　　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。</p><p>　　表 4.3位置信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)對(duì)應(yīng)表</p><p>　　4.7 數(shù)字PI速度調(diào)節(jié)</p><p>　　4.7.1 位置型PID算法程序的設(shè)計(jì)</p><p>　　在模擬系統(tǒng)中，PI

102、D算法的表達(dá)式為：</p><p><b>　　(4.3)</b></p><p>　　式中，P(t)調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào);e(t)調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào)，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(shí)間;TD為調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間。</p><p>　　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(shí)刻的偏差值來計(jì)算控制量。因

103、此，在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，必須首先對(duì)式4.3進(jìn)行離散化處理，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(shí)積分項(xiàng)和微分項(xiàng)可用求和及增量式表示:</p><p><b>　　(4.4)</b></p><p><b>　　(4.5)</b></p><p>　　將式4.4、式4.5代入式4.3，則可得離散的PID表達(dá)式:<

104、;/p><p><b>　　(4.6)</b></p><p>　　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(shí)的偏差值;E(k-1)第(k-1)次采樣時(shí)的偏差值;k采樣序號(hào)，k=O, 1, 2..;P(k)第k次采樣時(shí)調(diào)節(jié)器的輸出。</p><p>　　根據(jù)遞推原理，可寫出(k-1)次的PID輸出表達(dá)式:<

105、/p><p><b>　　(4.7)</b></p><p>　　用式4.6減去式4.7，可得:</p><p><b>　　(4.8)</b></p><p>　　式中，為積分系數(shù)； 為微分系數(shù)。</p><p>　　由式4.8可知，要計(jì)算第k次輸出值P(k)，只要知道P(k-

106、1)，E(k)，E(k-1)，E(k-2)即可，比式4.6計(jì)算要簡單得多。</p><p>　　由式4.6可寫出第k次采樣時(shí)PD:)的輸出表達(dá)式:</p><p><b>　　(4.9)</b></p><p>　　設(shè)比例項(xiàng)輸出:Pp(k)=KpE(k) </p><p><b>　　積分項(xiàng)輸出: </b

107、></p><p><b>　　微分項(xiàng)輸出: </b></p><p>　　所以式4.9可改寫為: (4.10)</p><p>　　4.7.2 數(shù)字PI速度調(diào)節(jié)器設(shè)計(jì)</p><p>　　對(duì)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)

108、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)速相同時(shí)，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率(額定負(fù)載時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)速降落與理想空載轉(zhuǎn)速之比)要小得多。當(dāng)要求的靜差率相同時(shí)，閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)速范圍可以大大提高。</p><p>　　速度調(diào)節(jié)器是實(shí)現(xiàn)調(diào)速的核心環(huán)節(jié)，它的設(shè)計(jì)好壞對(duì)系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)性能關(guān)系很大。</p><p>　　本系統(tǒng)中的速度閉環(huán)控制，主要有測速、給定值

109、計(jì)算、比較、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(gè)高電平的時(shí)間間隔獲得，為了簡化硬件，采用單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)器測速。</p><p>　　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(xiàng)，算法如下: </p><p><b>　　(4.11)</b></p><p>　　為了保證流過電機(jī)的電流不超過最大限度

110、，需要對(duì)電流調(diào)節(jié)器的輸出進(jìn)行限幅處</p><p><b>　　理，即</b></p><p>　　IF P(k)>Um,THEN P(k)=Um,</p><p>　　轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)器的作用如下:</p><p>　　(1)使轉(zhuǎn)速np跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)無靜差。</p><p>　　(2)對(duì)負(fù)

111、載變化起抗擾作用。</p><p>　　(3)其輸出限幅值決定允許的最大電流。</p><p>　　在速度閉環(huán)調(diào)制系統(tǒng)中，對(duì)采樣頻率的要求不是很高，本設(shè)計(jì)中速度環(huán)程序的采樣周期設(shè)定為40ms。本程序設(shè)置SPEED COUNT為速度環(huán)的計(jì)數(shù)器，進(jìn)入AD中斷之后，首先判斷延時(shí)是否已到，如果延時(shí)到，調(diào)用PI子程序，同時(shí)計(jì)數(shù)器清。</p><p>　　此外,可以將本設(shè)計(jì)的速

112、度閉環(huán)調(diào)制進(jìn)一步改進(jìn)為電流、速度雙閉環(huán)調(diào)制。雙閉環(huán)調(diào)速的特點(diǎn)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(shí)際速度的差額及時(shí)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩，在速度差值比較大時(shí)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(shí)，又能使轉(zhuǎn)矩自動(dòng)減小，這樣可以避免過大的超調(diào)，以利于調(diào)速過程的快速性。并且，電流環(huán)的等效時(shí)間常數(shù)比較小，當(dāng)系統(tǒng)受到外來干擾時(shí)它能比較快速的作出響應(yīng)，抑制干擾的影響，提高