畢業(yè)設計論文----單片機控制的無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)設計

1、<p>　　本 科 生 畢 業(yè) 論 文</p><p>　　題 目：單片機控制的無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)設計</p><p>　　專業(yè)年級：電子信息科學與技術（2005級）</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 無刷直流電機的現(xiàn)狀3</p><p>　　1.2 電動自行車介紹及發(fā)展前景4</p><p>　　1.3 本設計的主要工作6</p><p>　　2. 無刷電機控制系統(tǒng)分析6

3、</p><p>　　2.1 三相無刷直流電機星形連接全橋驅(qū)動原理6</p><p>　　2.2 直流電動機的PWM調(diào)速原理9</p><p>　　3. 無刷直流電機控制器硬件設計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)軟件設計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轉換21</p><p>　　4.5 PWM(脈沖寬度調(diào)制)23</p><p>　　4.6 位置信號和驅(qū)動信號的對應關系23</p><p>　　4.7 數(shù)字PI速度調(diào)節(jié)24</p><p>　　5. 系統(tǒng)調(diào)制與實驗結論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 實驗結論與建議29</p><p><b>　　結論30</b></p><p><b>　　參考文獻31</b></p><

7、p><b>　　致謝32</b></p><p>　　單片機控制的無刷直流電機驅(qū)動系統(tǒng)設計</p><p><b>　　摘要</b></p><p>　　本課題是講述無刷直流電機控制系統(tǒng)集電機、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)速領域有著廣泛的應用。電動自

8、行車的發(fā)明和使用對解決燃油車造成的嚴重環(huán)境污染和緩解日益突出的能源危機問題有一定的現(xiàn)實意義。根據(jù)項目參數(shù)要求，采用Microchip公司的PIC16F72單片機作為控制芯片，在硬件方面，進行了電源電路設計、系統(tǒng)硬件保護電路設計、三相全橋逆變電路設計、逆變器驅(qū)動電路設計。在軟件方面利用匯編語言，采用模塊化編程和結構化編程。根據(jù)無刷直流電機的控制原理，對系統(tǒng)的控制部分進行了詳細分析。利用數(shù)字PI控制理論實現(xiàn)電機速度的閉環(huán)調(diào)制。在系統(tǒng)可靠性方

9、面:設計了系統(tǒng)的欠壓、過流和堵轉保護。本文還對影響控制器和單片機系統(tǒng)可靠性的因素進行了分析，并且給出了解決方案.本文所設計的無刷電機控制器實現(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。保護功能較完善、硬件結構簡單、成本較低，具有升級空間，便于用戶二次開發(fā)。</p><p><b>　　關鍵詞</b></p><p>　　無刷直流電機,PIC單片機

10、,電動自行車,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 無刷直流電機的現(xiàn)狀</p><p>　　有刷直流電動機作為最早的電動機廣泛應用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的各個領域，由于其寬闊而平滑的優(yōu)良調(diào)速性能，在需要調(diào)速的應用領域占有重要地位，但機械換向裝置的</p><p>　　存在，限制了其發(fā)展和應用范圍。直流電動機的機械電刷和換向器因強迫性接觸，造成其結構復雜、可靠性差、火花、噪聲等一系列問題，影響了直流電動機的調(diào)速精度和性能?？茖W技

15、術的飛速發(fā)展，帶來了半導體技術的飛躍，開關型晶體管的研制成功為創(chuàng)造新型的無刷直流電動機帶來生機。1955年，美國人首次提出用晶體管換向線路代替機械換向裝置，經(jīng)過反復實驗，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的機械換相裝置， 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，以后人們發(fā)現(xiàn)電量波形和轉子磁場的位置存在著一定的對應關系，因此又出現(xiàn)了通過觀測電樞繞組中不同電量波形，監(jiān)測轉子位置的無位置傳感

16、器的電動機。</p><p>　　80年代初，無刷直流電機進入了實用階段，方波和正弦波無刷直流電機先后研究成功?！盁o刷直流電機”的概念已由最初的具有電子換相器的直流電機發(fā)展到泛指一切具有傳統(tǒng)直流電機外部特性的電子換相電機?，F(xiàn)今，無刷直流電機集電機、變速機構、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

17、(啟動轉矩大，啟動電流小)，運行平穩(wěn)，噪音低，效率高，應用場合從工業(yè)到民用極其廣泛。如電動自行車、電動汽車、電梯、抽油煙機、豆?jié){機、小型清污機、數(shù)控機床、機器人等等.由于無刷直流電機具有這些優(yōu)點，因此在2004年的國際電機會議上提出了有刷電機將被無刷電機取代這一發(fā)展趨勢。美、日、英、德在工業(yè)自動化領域中已經(jīng)實現(xiàn)了以無刷直流電機代替有刷電動機的轉換。</p><p>　　美國福特公司率先把無刷直流電機應用于汽車20

18、世紀80年代以來，隨著微機控制</p><p>　　技術的快速發(fā)展，出現(xiàn)了各種稱為無位置傳感器控制技術的方法，是當代無刷直流電機控制研究的熱點之一。各國知名半導體公司如Allegro,Philips,Micro Linear,To shiba等，先后推出了許多無刷直流電機無傳感器控制集成電路。</p><p>　　2004年12月我國電機制造業(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>　　無刷直流電機控制系統(tǒng)設計刷電機的主要原材料)生產(chǎn)供應基地，中國還將會成為全球最大的無刷電機生產(chǎn)國。隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，車用小功率電機的需求增長帶動了以永磁無刷直流電機為主體的車用小功率電機的興起，我國正在成為世界電動汽車制造業(yè)的主要供應商。</p&g

20、t;<p>　　1.2 電動自行車介紹及發(fā)展前景</p><p>　　1.2.1 電動自行車概況</p><p>　　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

21、行車，一般為一比一助力即人機對等出力。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的騎行模式。</p><p>　　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400多萬輛，今年則可望達到500萬輛，主要銷售在蘇浙滬、天津一帶，在鼓勵電動自行車的

22、上海，電動自行車擁有量已達120萬輛，其中2005年共銷售電動自行車40萬輛。專家預計，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)已進入高速發(fā)展時期。</p><p>　　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，這個市場將達到1000億元左右。千億元的大蛋糕讓人

23、心動，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入電動自行車行業(yè)，而且日益擴大生產(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。</p><

25、p>　　1.2.2 發(fā)展前景</p><p>　　電機是電動自行車的關鍵部件。為使電動自行車有良好的使用性能，驅(qū)動電機應具有寬調(diào)速范圍、高轉速和足夠大的起動轉矩。此外，由于電動自行車的驅(qū)動電機是車載形式運行的，這要求電機體積小、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是近20年發(fā)展起來的一類電機，電力電子技術，微電子技術、微機和稀土永磁材料

26、的發(fā)展為無刷直流電機的研究奠定了基礎。目前無刷直流電機的發(fā)展已經(jīng)和大功率開關器件、專用集成電路、稀土永磁材料、微機、新型控制理論及電機理論的發(fā)展緊密結合，顯示出廣泛的應用前景和強大的生命力。與其它電機相比它具有幾個明顯優(yōu)點：① 永磁無刷直流電機沒有電刷、而是利用電子換相，故克服了任何由電刷硬氣的問題。② 永磁體安裝在轉子上、電樞繞組裝在定子上，故導熱性能好，產(chǎn)生的熱量更容易散發(fā)出去；結構也變得簡單，并且節(jié)省了空間，使其磁場損失也得到了減

27、少。③ 它的效率與轉速永遠保持同步關系，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。</p><p>　　近些年來，隨著現(xiàn)代電力電子技術、控制技術和計算機技術的發(fā)展，電機的應用技術也得到了進一步發(fā)展，新產(chǎn)品、新技術層出不窮。許多電動車生產(chǎn)廠家都應用了一系列的電動車新技術，大大增強了自身品牌在市場上的影響，也頗受消費者的關注。麥科集團電助動車公司研制出智能變頻電機，變頻控制器和變頻高效電機共同組成高效動力

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換，即實現(xiàn)高效動力檔和高速動力檔的轉換；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。</p><p>　　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

29、的同時，也對整個社會的經(jīng)濟產(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，促進整車效率，而且可以節(jié)約能源和降低自行車的維護成本，從而推動電動自行車的廣泛應用。</p><p>　　1.3 本設計的主要工作</p><p>　　論文對無刷直流電機的控制原理進

30、行了詳細分析，依據(jù)無刷直流電機特性，針對電動自行車的控制需求，進行了無刷直流電機控制系統(tǒng)的設計。技術指標如下: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單片機作為控制芯片，逆變器由6個MOSFET管組成。通過微控

31、制單元電路、逆變器驅(qū)動電路等電路模塊的設計，實現(xiàn)了電機的智能控制以及欠壓保護、過流保護、堵轉保護等保護功能，可靠的對電動車電機和電池進行保護，確保電動車使用及安全。</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構化編程。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

32、PI控制理論實現(xiàn)電機速度的閉環(huán)調(diào)制。</p><p><b>　　具體設計下:</b></p><p>　?、?選用PIC16P72單片機作為主控芯片;</p><p>　?、?采用開關型霍爾傳感器作為電機轉子位置傳感器;</p><p>　?、?通過對PIC單片機編程，實現(xiàn)電動車電動、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，實現(xiàn)系統(tǒng)自檢、欠壓、過流、堵轉保護功能;</p><p>　?、?通過軟硬件設計，實現(xiàn)電動自行車儀表盤顯示控制;</p><p>　?、?利用PI控制理論實現(xiàn)電機速度的閉環(huán)調(diào)制;</p><p>　　本設計實現(xiàn)了無刷直流電機的自動控制，硬件結構簡單、成本較低，具有升級空間，便于用戶二次開發(fā)。設計中，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;借助于電動自行車實體，對軟硬件參數(shù)進行測試，實現(xiàn)結構優(yōu)化。</p><p>　　2. 無刷電機控制系統(tǒng)分析</p><p>　　2.1 三相無刷直流電機星形連接全橋驅(qū)動原理</p><p>　　無刷直流電機轉子的轉速受電機定子旋轉磁場的速度及轉子極數(shù)的影響，在轉子極數(shù)固定情況下，改變定子旋轉磁場

35、的頻率就可以改變轉子的轉速。無刷直流電機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，控制部分則按照需求轉換電源頻率。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)轉換器(converter)轉成直流電。不論是直流電輸入或是交流電輸入，送入電機線圈前須先將直流電壓由逆變器(inverter)轉成三相電壓來驅(qū)動電機。逆變器一般由六個功率晶體管，分為上橋臂和下橋臂，連接電機作為控制流經(jīng)電

36、機線圈的開關?？刂撇糠謩t提供PWM脈沖寬度調(diào)制信號決定功率晶體管開關頻率及逆變器換相的時機。對于無刷直流電機，當負載變動時，一般希望速度可以穩(wěn)定于設定值而不會有太大的變動，所以電機內(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)。</p><p>　　電機轉動由霍爾傳感器感應到的電機轉子所在位置，決定開啟或關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)電機線圈，產(chǎn)生順向或逆向旋轉</p><p>　　磁場，并與轉子磁鐵產(chǎn)生的磁場相互作用，使電機順向或逆向轉動。當電機轉子轉動到霍爾傳感器感應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)，電機就可以實現(xiàn)轉動.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導通.此外，因為電子零件總有開關的響應時間，所以功率晶體管在關與開的交錯時間要將零件的響應時間考慮進去，否則當上臂(或下臂)尚未完全關閉，下臂(或上臂)就已開啟，結果就造成上、下臂短路而使功率晶體管燒毀。設電機轉子位置傳感器采集的位置信號為Ha,

39、 Hb, Hc，分別對應于逆變器的A相、B相、C相，則當前位置與下一位置電子開關導通相的對應關系如表2.1所示。</p><p>　　在電機轉動時，控制部分會根據(jù)系統(tǒng)設定的速度決定功率管的導通時間。若系統(tǒng)要求加速，則增長功率管導通的時間，若要求減速，則縮短功率管導通的時間，此部分工作由PWM脈寬調(diào)制信號控制。</p><p>　　圖2.1三相無刷直流電機工作原理</p>&l

40、t;p>　　Inverter MOTOR</p><p>　　圖2.2 逆變器原理圖</p><p>　　表2.1霍爾位置信號與換相的關系</p><p>　　2.2 直流電動機的PWM調(diào)速原理</p><p>　　直流調(diào)速系統(tǒng)中應用最廣泛的一種調(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。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，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用在各種功率的調(diào)速系統(tǒng)中。</p><p>　　本系統(tǒng)利用開關驅(qū)動方式使半導體功率器件工作在開關狀態(tài)，通過脈寬調(diào)制(PWM)來控制電動機電樞電壓，實現(xiàn)調(diào)速。圖2.3是對電

42、機進行PWM調(diào)速控制時的電樞繞組</p><p>　　兩端的電壓波形。當開關管的柵極輸入高電平時，開關管導通，直流電動機電樞繞組兩端有電壓秒后，柵極輸入變?yōu)榈碗娖?，開關管截止，電動機電樞兩端電壓為0, tz秒后，柵極輸入重新變?yōu)楦唠娖?，開關管的動作重復前面的過程。</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>　　電動機電樞繞組兩端的電壓平均值。為:</p>

44、;<p>　　式中占空比a表示在一個周期T里，開關管導通的時間與周期的比值，a變化范圍為0-1之間。所以當電源電壓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，從而達到調(diào)速的目的.理想空載轉速與占空比a成正比。</p><p>　　3. 無刷直流電機控制器硬件設計</p><p>　　無刷直流電機控制器在控制方式上主要有以專用集成芯片

45、、單片機和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)結構簡單，價格較便宜，但是系統(tǒng)靈活性不足，保護功能有限:以DSP芯片為核心的控制器，控制精度較高，但是算法較復雜，開發(fā)周期長，成本較高，不易在市場上推廣。本設計使用單片機作為主控芯片可以彌補上述兩方案的不足。</p><p><b>　　3.1 硬件組成</b></p><p>　　本控制器根據(jù)項目參

46、數(shù)要求應具有如下功能:</p><p>　　(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)電動車轉把所給電壓，正常加電運轉;定速模式下，無需按住轉把，電動車能夠按照設定速度運行: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換按鈕切換。</p><p>　　(2)當系統(tǒng)出錯或者位置傳感器、助力傳感器出錯時能夠進入自檢模式并顯示

47、錯誤。</p><p>　　(3)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的欠壓保護、過流保護、堵轉保護。</p><p>　　(4)能夠?qū)崟r顯示電動車的狀態(tài)。</p><p>　　根據(jù)上述功能，所設計的系統(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)動電路</p><p>　　逆變電路和驅(qū)動電路是主控芯片與被控電機之間聯(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系分配給無刷直流電動機定子上各相繞組。功率場效應晶體管具有開關速度快、高頻特性好、輸入阻

49、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)寬和跨導線性度高等顯著特點，因而在各類中小功率開關電路中得到了廣泛的應用。</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雜，需要六組控制信號，電機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較簡單，只需三組獨立控制信號，且任一時刻導通的兩相電流相等，只要對其中一

50、相電流進行控制，另外一相電流也得到了控制.因此本設計采用全橋逆變電路來控制各相位的導通，如圖2.2所示。</p><p>　　本設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

51、功率MOSFET管用作開關，被驅(qū)動飽和導通，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:</p><p>　　(1) 柵極電壓一定要比漏極電壓高10~15V，用作高壓側開關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.</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。</p><p>　　(3) 柵極驅(qū)動電路吸收

52、的功率不會顯著地影響總效率。</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)動電路</p><p><b>　　(1) 驅(qū)動電路</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>　　當某相頂端驅(qū)動電路有效時，場效應器件VF1(或VF3,V F5)的柵極電壓不低于46V，才能保證場效應管的充分導通.導通

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為保護二極管。漏源間也要加保護電路以防止開關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.當電機意外突然停轉時，電機繞組產(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

55、耐高壓電容，意外停機時，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。</p><p>　　底端電壓驅(qū)動電路采用NE555內(nèi)部推挽電路，利用單片機產(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)動場效應管柵極，控制場效應管導通狀態(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

56、電阻，是場效應管底端驅(qū)動保護電路，可消去由MOSFET電容和柵一源電路在任何串聯(lián)繞組感應而生的高頻振蕩。</p><p>　　以A相為例，頂端驅(qū)動，當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(從而保證Ql開通時Q2關斷)，</p><p>　　VF1柵極電壓為50V左右，源極電壓為36V左右，VF1開通;當LM

57、339的2口輸出為高時，Ql關斷，這時VF1截止。Q2與R18, R19, C26組成有源濾波器。底端驅(qū)動，當經(jīng)過邏輯</p><p>　　保護的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</p><p>　　VF2導通。同時，單片機輸出的PWM信號送到NE555的RST端，對底端控制信號進行調(diào)制。</p><p>　　圖3.2 M

58、OSFET驅(qū)動逆變電路</p><p>　　3.2.2 電源電路</p><p>　　驅(qū)動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電路</p><p><b>　?。?）硬件保護電路</b></p><p>　　為了增加控

60、制系統(tǒng)的可靠性和安全性，設計了純硬件制動保護電路，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)動電路導通所需電壓源.通過LM339的保護功能，當系統(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;當系統(tǒng)過流時，純硬件的保護電路U5反向輸入端的電壓將高于正向輸入端參考電壓，U5內(nèi)部的三極管導通，測試點1處電平約0.7V,測試點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峰緣，增強系統(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,振蕩信號從NE555的3腳輸后，通過陶瓷電容C23和C24、二極管D3和D4構成的倍壓電路，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)合適，C24上的電壓近似等于36V-21V=15V，方向為左

63、負右正:當NE555的3腳為高時，電容C24左側為36V，右側為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)過若干周期的反復充電，電容C25上的電壓就升到后部驅(qū)動所需要的51V恒定電壓。</p><p>　　圖3.4 振蕩倍壓電路和純硬件保護電路</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。蓄電池的總容量通常以充足電后，放電至其端電壓達到規(guī)定值時所釋放出的總電量來表示。當蓄電池以恒定電流放電時，它的容量等于放

65、電電流和放電時間的乘積:</p><p>　　式中Q的單位為(A-h)。如果放電電流不是一個恒定的常數(shù)，蓄電池的容量為不同的放電電流與相應時間的乘積之和:</p><p>　　由于蓄電池的容量受到很多因素的影響，長時間的使用，反復的充放電，一些蓄電池的容量將逐漸減小，因此要準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.利用單片機的A/D轉換口，將電池兩端的電壓這一模擬量轉化為數(shù)字量，</p><p>　　從而顯示電池相應的電量，以及判斷電池是否欠壓。</p><p>　　3.4.2 助力信號檢測方案</p><p>　　本設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</p><p>　　型

67、霍爾元件和后部處理電路組成，供電電源5V。當霍爾原件感應面有磁場時，傳感器</p><p>　　輸出為低，無磁場時輸出為高，后部處理電路根據(jù)接收到的信號進行處理，向單片機發(fā)出符合以下規(guī)律的信號:</p><p>　　(1) 頻率與轉速成正比；</p><p>　　(2) 電機正轉時，一周期內(nèi)的高電平時間:低電平時間>=2:1 ；</p><

68、p>　　電機反轉時，一周期內(nèi)的高電平時間:低電平時間>=1:2 。</p><p>　　為了使得采集的數(shù)據(jù)更精確，電動車助力輪上裝有5個感應鐵塊，所以助力輪轉一圈，助力傳感器會按照上述規(guī)律送出5組信號.利用PIC單片機的普通I/O口和定時器</p><p>　　TO加以配合，檢測高低電平的時間，從而確定相應的轉速，給出對應的助力。</p><p><

69、;b>　　4. 系統(tǒng)軟件設計</b></p><p><b>　　4.1 概述</b></p><p>　　在軟件方面，本設計利用匯編語言，采用模塊化編程和結構化編程。</p><p>　　模塊化編程:完全實現(xiàn)本設計所有的技術指標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若干小的模塊，

70、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計，從而使程序的調(diào)試、修改和維護都變得比較容易。</p><p>　　結構化編程:各個子程序之間使用結構良好的轉移和調(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移到下一個程序模塊.在這個過程中，要注意嚴格控制使用任意轉移語句。</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) 電動模式:</b></p><p>　　打開電鎖，如果各電器部件正常工作，電動車進入電動狀態(tài)，此時前儀表板電動指示燈點亮，轉動電動車轉把，電動車正常加電運轉;如轉把、剎把、助力傳感器信號出錯，則電動車進入自檢狀態(tài)，待前面所說電器部件信號恢復正常，過2-3秒電動車退出自檢模式，進入正常電動狀態(tài)。</p>&

72、lt;p><b>　　(2) 助力模式:</b></p><p>　　打開電鎖，在電動車進入電動模式下，按動模式轉換按鈕，電動模式轉換到助力模式，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，在電動車進入電動模式下，按住模式轉換按鈕保持2-3秒鐘不動，電動車由電動模式轉換到定速模式，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。當車速低于2km/h時，定速功能無效，其目的是避免用戶在推車時誤觸發(fā)模式轉換按鍵。</p><p><

74、;b>　　(4) 自檢功能:</b></p><p>　　當轉把不在零位、剎把處于剎車狀態(tài)下，或轉把、剎把工作正常，但助力傳感器信號出錯時，打開電鎖，此時電動車進入自檢模式，轉把擰得角度越大，欠壓燈閃的頻率無刷育流電機控制系統(tǒng)設計越快;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的三個霍爾信號。如各電器部件信號恢復正常，過2-3秒電動車退出自檢模式回到電動模式，或重新打

75、開電鎖，電動車進入正常電動狀態(tài)。</p><p><b>　　4.2 主程序</b></p><p>　　程序主流程圖如圖4.1所示，主程序上電復位后完成系統(tǒng)初始化:PWM,ADC端口、</p><p>　　定時器等單元的初值設置;中斷設置;變量、標志寄存器的初始化。為了防止在初始化</p><p>　　的過程中，中斷的

76、意外到來，應在主程序的開始處先關閉全局中斷。初始化完成后，進入自檢程序，若各電器信號正常，則2秒后退出自檢模式。重新對相關寄存器，定時器賦初值，打開INT外部中斷，即允許模式轉換按鈕中斷。判斷電機啟動是否成功,如果成功進入正常工作模式函數(shù)，若有非法狀態(tài)，停電機，程序跳入自檢模式進行自檢。</p><p>　　電機正常工作模式流程如圖4.2所示。系統(tǒng)進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

77、查系統(tǒng)是否處于非法態(tài)，如果出現(xiàn)欠壓、過流、堵轉等錯誤，則停機，程序跳入到自檢狀態(tài);否則，判斷是否有剎車信號，如沒有，進入判斷模式及模式功能處理函數(shù):如果有，則停機，等待剎車結束信號。剎車結束后，如果工作模式為定速模式，則退出定速模式，進入電動模式。</p><p>　　在電動模式下，單片機采集轉把電壓信息，控制輸出的PWM信號的占空比;定速模式下，轉把信號無效，程序根據(jù)模式轉換前輸出的PWM占空比恒定輸出;助力模

78、式下，根據(jù)定時器TO采集助力傳感器的高低電平時間，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。</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 單片機中斷資源</p><p>

80、;　　本設計中應用到的PIC單片機的中斷源有: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

81、僅受全局中斷屏蔽位和各自中斷屏蔽位的控制，還要額外受到一個外設中斷屏蔽位PEIE的控制PIC單片機只有一個中斷向量，沒有中斷優(yōu)先級別之分，也沒有類似51系列、AVR系列單片機的PUSH和POP指令.當總中斷允許位GIE有效時，任何一個中斷標志位有效都會將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:</p><p>　　(1) 保存臨時寄存器W、狀態(tài)寄存器STATUS、指針寄存器PCLATH的值

82、;</p><p>　　(2) 逐個判斷可能產(chǎn)生中斷的中斷標志位和中斷允許位，只有二者同時有效時才執(zhí)</p><p>　　行相應的中斷服務程序;</p><p>　　(3) 中斷返回時恢復這三個寄存器的值。</p><p>　　4.3.2 定時器資源分配</p><p>　　定時器/計數(shù)器的作用:檢測外部電路送來的一系

83、列方波信號的脈寬、周期或者頻</p><p>　　率:對外部事件產(chǎn)生的觸發(fā)信號進行準確地計數(shù)計時。PIC16F72配置了3個定時器/計</p><p>　　數(shù)器模塊:TMRO、TMR1、TMR2。</p><p>　　(1) TMRO:8位寬，有一個可選的預分頻器，用于通用目的。</p><p>　　(2) TMR1:16位寬，有一個可編程的

84、預分頻器和一個可選的低頻時基振蕩器.適合與CCP 捕捉/比較/脈寬調(diào)制)模塊配合使用來實現(xiàn)輸入捕捉或輸出比較功能。</p><p>　　(3) TMR2:8位寬，有一個可編程的預分頻器和一個可編程的后分頻器，還附帶一個周期寄存器和比較器，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;通過向周期寄存器PR2

85、中寫入不同的值，以及給預分頻器設定不同的分頻比，來靈活調(diào)整TMR2輸出端的信號周期.</p><p>　　根據(jù)三個定時器的特點，在程序中將資源分配如下:</p><p>　　(1) TMR0:計算助力傳感器送出的高低電平持續(xù)時間;用做欠壓保護5秒鐘的定</p><p>　　時器;計算電機換相時間。</p><p>　　(2) TMR1:做為跳

86、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</p><p>　　占空比輸出;用于模式轉換按鍵的時間判斷;用于堵轉保護的時間判斷。</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)的時基發(fā)生</p><p>　　器，為PWM提供周期可調(diào)的時基信號。</p><p>　　4.3.3 M

87、OD鍵(INT中斷)處理模塊</p><p>　　模式轉換由外部中斷1NT完成，電機正常運轉時始終允許MOD鍵中斷。自檢完成后，若工作條件正常，啟動電機，進入電動模式，此時按下MOD鍵，按鍵標志位KMOD FLAG置1，在T1中斷服務子程序中判斷，若按下MOD鍵小于2秒，則進入助力模式:若按下MOD鍵2-3秒進入定速模式。在助力或定速模式下按下MOD鍵，返回電動模式。</p><p>&l

88、t;b>　　4.4 AD轉換</b></p><p>　　本系統(tǒng)涉及到A/D轉換的參量有電池電壓值、轉把給定值、過流電阻的采樣電壓值。每次A/D轉換結束后，單片機都將把采樣后經(jīng)過轉換的數(shù)據(jù)放入相應的存儲單元，供其他子程序調(diào)用，AD轉換子程序，如圖4.3所示。</p><p>　　PIC16F72單片機內(nèi)部的AD模塊是8位的，具有5個模擬通道。通過定義AD控制寄存器1的A/

89、D轉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間，其占用的時間主要包含兩個部分;采樣/保持電容的充電時間和A/D轉換電路的轉換時間。每一位數(shù)據(jù)的轉換時間被定義為TAD。為了保證A/D轉換電路正確地進行轉換，所選A/D轉換時鐘源必須滿足最小TAD</p><p>　　時間要求，即TAD不得小于1.6us 。</p><

90、p>　　對于模擬輸入電壓:當模擬輸入電壓高于單片機電源正電壓VDD或者低于單片機電源負電壓Vss有0.2V以上時，將會使得A/D轉換精度有所下降。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)轉換子程序流程圖</p><p>　　在A/D轉換的過程中，可能出現(xiàn)隨機千擾、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)定的轉換結果。</p><p>　　采用的算法如下:每輪進行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，采樣結果應該滿足下述算法:</p><p>　　①ADC_RES內(nèi)的值應大于0X03，否則認為無效；</p><p>　?、?/p>

92、ADC_RES應小于251(即255-4)，否則認為無效；</p><p>　?、踃X_TMP應大于(ADC_RES-3) ，否則認為無效；</p><p>　　④XX_TMP應小于(ADC_RES+4)，否則認為無效。</p><p>　　程序認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分別是電源電壓轉換數(shù)

93、值表和轉把電壓轉換數(shù)值表。在設計轉把電壓與PWM占空比的對應函數(shù)時，參照了Motorola公司生產(chǎn)的MC33035電機專用控制芯片的輸出曲線:設定轉把電壓SP的有效范圍為1.1V-3.3V;當SP對應的數(shù)字量在[56,132]范圍時，若SP+1，則DUTY(占空比)+1;當SP對應的數(shù)字量在[132, 169]范圍時，若SP+1，則DUTY(占空比)+2。</p><p>　　表4.1電源電壓轉換數(shù)值表</

94、p><p>　　表4.2轉把電壓(SP)轉換數(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可調(diào)的PWM信號，例如實現(xiàn)直流電機調(diào)速、步進電機的變頻控制等。</p><p>　　當CCP

95、工作于PWM模式時，CCP引腳可以輸出分辨率達10位的PWM信號波形。產(chǎn)生如此波形需要確定兩個基本參數(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)。</p><p>　　周期 周期</p><p><b>　　脈寬</b></p><p><b>　　TMR2=周期值時</b>

96、;</p><p><b>　　TMR2=脈寬值時</b></p><p>　　圖4.4 脈寬調(diào)制器輸出波形</p><p>　　當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位和其低端擴展的兩位共同構成) PWM信號的

97、周期可以通過向PR2中寫入數(shù)值來人為設定。該周期計算公式如下:</p><p>　　PWM周期=[(PR2)+1]X4XToscX(TMR2預分頻) (4.1)</p><p>　　其中，Tosc為系統(tǒng)時鐘周期;4Tosc為系統(tǒng)指令周期;TMR2預分頻比可以是1, 4或16,PWM信號的脈沖寬度預定值，可以通過寫入10位脈寬寄存器來設定。計算公式如下:&l

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

99、p><p>　　PR2值的確定: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PR2為41時，PWM的頻率為19.84 kHz，達到要求，Tosc為1.2us。</p><p>　　4.6 位置信號和驅(qū)動信號的對應關系</p><p>　　功能:反應電機轉子當前位置，據(jù)此判斷控制信號并計算電機轉速;</p><p>　　符

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

101、gt;　　工作方式:單片機可以用查詢方式獲得Sa,Sb,Sc;Sa,Sb,Sc與Ta,Tb,Tc,Ba,Bb,Bc之間的關系，如表4.3所示。</p><p>　　表 4.3位置信號和驅(qū)動信號對應表</p><p>　　4.7 數(shù)字PI速度調(diào)節(jié)</p><p>　　4.7.1 位置型PID算法程序的設計</p><p>　　在模擬系統(tǒng)中，PI

102、D算法的表達式為：</p><p><b>　　(4.3)</b></p><p>　　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。</p><p>　　由于用PIC單片機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

103、此，在單片機控制系統(tǒng)中，必須首先對式4.3進行離散化處理，用數(shù)字形式的差分方程代替連續(xù)系統(tǒng)微分方程，此時積分項和微分項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。</p><p>　　根據(jù)遞推原理，可寫出(k-1)次的PID輸出表達式:<

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計算要簡單得多。</p><p>　　由式4.6可寫出第k次采樣時PD:)的輸出表達式:</p><p><b>　　(4.9)</b></p><p>　　設比例項輸出:Pp(k)=KpE(k) </p><p><b>　　積分項輸出: </b

107、></p><p><b>　　微分項輸出: </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)器設計</p><p>　　對無刷直流電機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)的機械特性有以下優(yōu)越性:閉環(huán)系統(tǒng)的機械特性與開環(huán)系統(tǒng)機械特性相比，其性能大大提高，理想空載轉速相同時，閉環(huán)系統(tǒng)的靜差率(額定負載時電機轉速降落與理想空載轉速之比)要小得多。當要求的靜差率相同時，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)器是實現(xiàn)調(diào)速的核心環(huán)節(jié)，它的設計好壞對系統(tǒng)動、靜態(tài)性能關系很大。</p><p>　　本系統(tǒng)中的速度閉環(huán)控制，主要有測速、給定值

109、計算、比較、輸出限幅等環(huán)節(jié).電機轉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，采用單片機內(nèi)部定時器測速。</p><p>　　假設測量的轉速為If，轉速的給定值為I4ef，根據(jù)式4.10，不考慮微分項，算法如下: </p><p><b>　　(4.11)</b></p><p>　　為了保證流過電機的電流不超過最大限度

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

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，對采樣頻率的要求不是很高，本設計中速度環(huán)程序的采樣周期設定為40ms。本程序設置SPEED COUNT為速度環(huán)的計數(shù)器，進入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。</p><p>　　此外,可以將本設計的速

112、度閉環(huán)調(diào)制進一步改進為電流、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的轉矩和電流。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的轉矩，在速度差值比較大時電機轉矩大，速度變化快，以便盡快地把電機轉速拉向給定值，在轉速接近給定值時，又能使轉矩自動減小，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)的等效時間常數(shù)比較小，當系統(tǒng)受到外來干擾時它能比較快速的作出響應，抑制干擾的影響，提高