畢業(yè)論文基于psoc單片機(jī)的電動(dòng)自行車(chē)控制器的設(shè)計(jì)

1、<p>　　畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）報(bào)告</p><p>　　題 目 基于PSoC單片機(jī)的電動(dòng)自行車(chē)控制器的設(shè)計(jì)</p><p>　　系 別 </p><p>　　專(zhuān) 業(yè) </p><p>　　班 級(jí) </p>&l

2、t;p>　　學(xué)生姓名 </p><p>　　學(xué) 號(hào) </p><p>　　指導(dǎo)教師 </p><p>　　基于PSoC單片機(jī)的電動(dòng)自行車(chē)控制器的設(shè)計(jì)</p><p>　　摘要：本文從無(wú)刷直流電機(jī)的結(jié)構(gòu)和工作原理出發(fā)，詳細(xì)闡述了無(wú)刷直流電機(jī)在導(dǎo)

3、通、續(xù)流和換相三種不同狀態(tài)下的電壓方程以及無(wú)刷直流電機(jī)的轉(zhuǎn)矩特性與其動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型，建立了無(wú)刷直流電機(jī)的傳遞函數(shù)。 </p><p>　　本文在分析無(wú)刷直流電機(jī)電流和速度調(diào)節(jié)原理的基礎(chǔ)上，提出了電流和速度控制方案，引入了經(jīng)典控制理論中的PID控制。針對(duì)模擬控制系統(tǒng)理論進(jìn)行了數(shù)字化的轉(zhuǎn)換，完成了系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)，完善了控制系統(tǒng)PID。分別在PWM中斷和1KHZ中斷實(shí)現(xiàn)了電流環(huán)和速度環(huán)，同時(shí)完成了兩個(gè)環(huán)路的傳遞。根據(jù)功能

4、需求，完善了程序?qū)崿F(xiàn)的功能。</p><p>　　最后,對(duì)控制器的性能和各項(xiàng)功能進(jìn)行了嚴(yán)格的測(cè)試，給出了測(cè)試的圖形、數(shù)據(jù)和結(jié)果，測(cè)試表明，該控制器可靠性好，成本低，符合產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)要求。</p><p>　　關(guān)鍵詞：無(wú)刷直流電機(jī)，可編程片上系統(tǒng)，控制器，模擬控制</p><p>　　Design of electric bicycle controller based

5、 on the programmable chip system PSoC</p><p>　　Abstract：This paper brushless dc motor from the structure and the working principle, a detailed explanation of brushless dc motor in the conduction, free-wheeli

6、ng and commutation three different state equation and the voltage of brushless dc motor of the torque characteristics and its dynamic mathematical model to establish of brushless dc motor transfer function.</p>&l

7、t;p>　　Based on the analysis of brushless dc motor current and speed adjustment principle was put forward on the basis of current and speed control scheme, introduced the theory of classical control PID control. Accord

8、ing to the simulation control system theory to the digital conversion, completed the design of the system software, perfect the PID control system. PWM interrupt and respectively in 1 KHZ interrupt realized the current l

9、oop and speed loop, finish at the same time two loop transfer. Accord</p><p>　　Finally, the performance of the controller and various functions of the strict test, the test are the graphics, data and results

10、, test show that the controller good reliability, low cost, in line with the development of the product requirements</p><p>　　Key Words：Brushless dc motor，Programmable chip system，Controller, simulation cont

11、rol</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　前言1</b></p><p>　　第1章 電動(dòng)自行車(chē)的簡(jiǎn)介2</p><p>　　1.1電動(dòng)自行車(chē)的構(gòu)成2</p><p>　　1.2電動(dòng)自行車(chē)控制器的研究現(xiàn)狀及難點(diǎn)3</p>

12、<p>　　第2章 電動(dòng)自行車(chē)控制器的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)5</p><p>　　2.1無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理5</p><p>　　2.1.1基本結(jié)構(gòu)5</p><p>　　2.1.2工作原理6</p><p>　　2.2電動(dòng)自行車(chē)控制器的功能7</p><p>　　第3章 智能控制器硬

13、件方案設(shè)計(jì)10</p><p>　　3.1硬件系統(tǒng)框圖10</p><p>　　3.2電源電路10</p><p>　　3.3剎車(chē)輸入電路11</p><p>　　3.4霍爾位置檢測(cè)電路11</p><p>　　3.5三相橋式逆變電路12</p><p>　　3.6觸發(fā)電路12&l

14、t;/p><p>　　3.7電源欠壓保護(hù)電路13</p><p>　　3.8助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)14</p><p>　　3.9系統(tǒng)控制PID內(nèi)容14</p><p>　　3.9.1 PID控制介紹15</p><p>　　3.9.2 數(shù)字PID控制算法15</p><p>　　第4章 電動(dòng)自行

15、車(chē)控制器軟件設(shè)計(jì)17</p><p>　　4.1系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)17</p><p>　　4.1.1主程序設(shè)計(jì)17</p><p>　　4.1.2中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)17</p><p>　　4.2功能模塊程序設(shè)計(jì)20</p><p>　　4.2.1驅(qū)動(dòng)換相模塊20</p><p>　　

16、4.2.2柔性電子剎車(chē) (EABS) 模塊20</p><p>　　4.2.3巡航模塊21</p><p>　　4.3電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)22</p><p>　　4.3.1速度調(diào)節(jié)程序22</p><p>　　4.4軟件抗干擾設(shè)計(jì)22</p><p>　　4.4.1 L輸出輸入量的軟件抗干擾23</p&

17、gt;<p>　　4.4.2程序執(zhí)行時(shí)的軟件抗干擾23</p><p><b>　　第5章 結(jié)語(yǔ)25</b></p><p><b>　　附錄26</b></p><p><b>　　附錄126</b></p><p><b>　　附錄232&

18、lt;/b></p><p><b>　　謝辭33</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)34</b></p><p><b>　　前言</b></p><p>　　PSOC芯片控制無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)用于電動(dòng)自行車(chē)，既可以完成一系列個(gè)性化定制，又可以減小產(chǎn)品的體積和

19、成本、降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期。</p><p>　　PSOC由基本的CPU內(nèi)核和預(yù)設(shè)外圍部件組成，就是在一個(gè)專(zhuān)有MCU內(nèi)核周?chē)蒔SOC塊，利用芯片內(nèi)部可編程互列陣列，可以有效地配置芯片上的模擬和數(shù)字電路資源，達(dá)到可編程片上系統(tǒng)的目的。</p><p>　　無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)智能控制器基于PSOC片上系統(tǒng)。改進(jìn)以前傳統(tǒng)微處理器，具有更多的功能，保密性更強(qiáng)。隨著現(xiàn)代社會(huì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的深入人心，環(huán)境

20、和能源問(wèn)題越來(lái)越引起人們的重視。由于燃油車(chē)輛產(chǎn)生大量的廢氣和噪聲污染，因而被零污染、高效率和寧?kù)o的新型電動(dòng)車(chē)代替已成為一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。與燃油機(jī)相比，電動(dòng)車(chē)具有節(jié)能、可均衡電網(wǎng)高峰與低谷期的負(fù)荷以及可消除空氣污染和降低城市噪音，且能源廣泛(可來(lái)自火力、煤炭、石油、天然氣、水力、風(fēng)力、地?zé)?、潮汐、原子能發(fā)電)等眾多優(yōu)點(diǎn)，電動(dòng)車(chē)的研究已成為世界各國(guó)的研究熱點(diǎn)之一。</p><p>　　以前電動(dòng)自行車(chē)的主要問(wèn)題是電源

21、問(wèn)題，那時(shí)的電動(dòng)自行車(chē)使用的電源是汽車(chē)用的鉛酸蓄電池，維護(hù)非常麻煩，除了要及時(shí)充電外，還要經(jīng)常換蒸餾水，而且電池體積重量都很大。到了最近，電源問(wèn)題得到較好的解決，于是電動(dòng)自行車(chē)就得到了迅速的發(fā)展。加上各國(guó)政府對(duì)環(huán)境的重視和相應(yīng)法規(guī)的出臺(tái)，也使得電動(dòng)車(chē)的開(kāi)發(fā)更具有迫切性和商業(yè)前景。</p><p>　　第1章 電動(dòng)自行車(chē)的簡(jiǎn)介</p><p>　　1.1電動(dòng)自行車(chē)的構(gòu)成</p>

22、<p>　　電動(dòng)自行車(chē)主要由四個(gè)部分組成：車(chē)架、電源(蓄電池)、電機(jī)和控制器。</p><p>　　1.電源 (蓄電池)</p><p>　　電源為電動(dòng)自行車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)及控制系統(tǒng)提供能量。蓄電池的電能容量、伏安特性、壽命等質(zhì)量因素對(duì)整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)有非常大的影響力。目前電動(dòng)自行車(chē)用蓄電池基本是經(jīng)濟(jì)實(shí)惠的鉛酸電池。大多數(shù)電動(dòng)自行車(chē)采用48V12AH、36V12AH鉛酸電池，24V12A

23、H的電池由于續(xù)行里程較短，選擇得比較少。環(huán)保效能更好的鎳氫電池和鋰電池則因?yàn)槌杀据^高，導(dǎo)致售價(jià)偏高。如果其成本有所下降，進(jìn)而降低售價(jià)，那么以配載鋰電池與鎳氫電池為主的電動(dòng)自行車(chē)將會(huì)大面積普及。燃?xì)潆姵亍⒓{米碳管蓄能高、壽命長(zhǎng)、性能優(yōu)良但成本高昂，隨著科技的發(fā)展，它們將是未來(lái)電動(dòng)自行車(chē)動(dòng)力源的發(fā)展方向。</p><p><b>　　2.電機(jī)</b></p><p>　　

24、電氣技術(shù)發(fā)展到今天，各種電機(jī)的生產(chǎn)控制技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，電動(dòng)自行車(chē)電機(jī)有多種可以選擇，但普遍選擇的還是有刷直流電動(dòng)機(jī)和無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)(BLDCM)。采用這兩種電機(jī)的原因在于它們的控制方法簡(jiǎn)單，整車(chē)成本相對(duì)低廉，控制性能可以滿足自行車(chē)要求。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制稍復(fù)雜，但因沒(méi)有電刷，所以在壽命、安全方面優(yōu)于有刷直流電機(jī)。電動(dòng)自行車(chē)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式有：輪轂式驅(qū)動(dòng)、中置式驅(qū)動(dòng)和懸掛式驅(qū)動(dòng)。市場(chǎng)上電動(dòng)自行車(chē)以輪轂驅(qū)動(dòng)為主，而輪轂驅(qū)動(dòng)又以后輪驅(qū)動(dòng)為好，

25、前輪驅(qū)動(dòng)性能相對(duì)較差。絕大多數(shù)電動(dòng)自行車(chē)采用的是直流輪轂電機(jī)，它們?yōu)橥廪D(zhuǎn)子式，這樣定子可以固定在軸承上，非常適用于電動(dòng)車(chē)的驅(qū)動(dòng)。</p><p><b>　　3．控制器</b></p><p>　　控制器是無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種調(diào)速伺服功能的指揮中心，它主要完成以下幾個(gè)功能：</p><p>　　(1) 對(duì)轉(zhuǎn)子位置檢測(cè)器輸出的信號(hào)、P

26、WM調(diào)制信號(hào)、剎車(chē)信號(hào)等進(jìn)行邏輯綜合，為驅(qū)動(dòng)電路提供各開(kāi)關(guān)管的斬波信號(hào)和選通信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和停車(chē)控制。</p><p>　　(2) 產(chǎn)生PWM調(diào)制信號(hào)，使電機(jī)的電樞電壓隨給定速度信號(hào)而自動(dòng)變化，實(shí)現(xiàn)電機(jī)開(kāi)環(huán)調(diào)速。</p><p>　　(3) 對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度閉環(huán)和電流閉環(huán)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)、靜態(tài)性能。</p><p>　　(4) 實(shí)現(xiàn)短路、過(guò)流、欠電壓等

27、故障保護(hù)功能。</p><p>　　圖1-1為電動(dòng)自行車(chē)控制系統(tǒng)圖，圖1-2為電機(jī)控制器的詳細(xì)框圖，電動(dòng)機(jī)主要包括電源電路、控制電路、功率驅(qū)動(dòng)電路以及檢測(cè)反饋電路。電源電路將蓄電池的提供電壓經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換，為控制電路和功率驅(qū)動(dòng)電路提供工作電壓；控制電路接受外部信號(hào)，控制電機(jī)運(yùn)行，同時(shí)實(shí)現(xiàn)控制算法；功率驅(qū)動(dòng)電路將控制電路輸出的控制信號(hào)進(jìn)行功率放大，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)行；檢測(cè)反饋電路采集電機(jī)運(yùn)行的各種參數(shù)，供控制電路使用。<

28、/p><p>　　圖1-1：電動(dòng)自行車(chē)控制系統(tǒng)圖</p><p>　　圖1-2：控制器框圖</p><p>　　1.2電動(dòng)自行車(chē)控制器的研究現(xiàn)狀及難點(diǎn)</p><p>　　電動(dòng)自行車(chē)控制器的主要形式有：分立元件加少量集成電路構(gòu)成的模擬控制系統(tǒng)、基于專(zhuān)用集成電路的控制系統(tǒng)、以微型計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的數(shù)?；旌峡刂葡到y(tǒng)和全數(shù)字控制統(tǒng)。模擬控制系統(tǒng)由于模擬

29、電路中不可避免的存在參數(shù)漂移和參數(shù)不一致等問(wèn)題，加上線路復(fù)雜、調(diào)試不便等因素，使電機(jī)的可靠性和性能受到影響，在電動(dòng)自行車(chē)控制器中已經(jīng)不采用了。當(dāng)前，電動(dòng)自行車(chē)控制器設(shè)計(jì)有待深入研究的主要問(wèn)題包括：</p><p>　　(1) 轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)問(wèn)題</p><p>　　隨著電動(dòng)自行車(chē)的深入使用，人們對(duì)電動(dòng)自行車(chē)的爬坡能力(即輸出力矩)、啟動(dòng)噪聲、騎行抖動(dòng)等性能指標(biāo)提出了更離要求。這些指標(biāo)與無(wú)刷直流電

30、動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)有直接關(guān)系，且無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)與其他電動(dòng)機(jī)相比，本身具有更大的轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)。針對(duì)這一問(wèn)題，人們從電動(dòng)機(jī)本體和電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)兩方面出發(fā)提出了多種轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)控制方法。隨著電動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)技術(shù)和電動(dòng)機(jī)控制技術(shù)的不斷發(fā)展，這方面的研究還會(huì)不斷深入的進(jìn)行下去。</p><p><b>　　(2) 調(diào)速方法</b></p><p>　　現(xiàn)在常用的控制方法是速度調(diào)節(jié)和電流調(diào)節(jié)均采用

31、PI調(diào)節(jié)器的雙閉環(huán)調(diào)速方法，因?yàn)槠渌惴ê?jiǎn)單和可靠性高，尤其適用于可以建立精確數(shù)學(xué)模型的確定性控制系統(tǒng)，因此得到了廣泛的應(yīng)用。但由于電動(dòng)自行車(chē)騎行路況的復(fù)雜性，不同的路況對(duì)電機(jī)電流和速度的調(diào)節(jié)有不同的要求，且需要控制器在各種參數(shù)不同的電機(jī)都能可靠運(yùn)行，因此傳統(tǒng)的PI調(diào)節(jié)器還不能完全滿足其控制要求。如何在這些情況下進(jìn)行速度調(diào)節(jié)就要求研究和設(shè)計(jì)人員投入更多的精力。</p><p><b>　　(3) 控制器設(shè)

32、計(jì)</b></p><p>　　出于成本考慮，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)普遍采用單片機(jī)的數(shù)字控制。以MCU為核心的控制系統(tǒng)并不是一個(gè)純硬件的控制電路，它還必須配合軟件系統(tǒng)才能控制無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)正常工作。這也為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)更大的靈活性。軟件設(shè)計(jì)就必然涉及到控制算法的研究和應(yīng)用。因此，研究先進(jìn)的控制算法就成為設(shè)計(jì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的一個(gè)重要方面。而由于單片機(jī)本身資源的有限，在DSP上能實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜

33、控制算法要在單片機(jī)上實(shí)現(xiàn)，還要進(jìn)行精簡(jiǎn)。所以研究已經(jīng)較成熟的復(fù)雜控制算法在單片機(jī)上的應(yīng)用也是一個(gè)重要的方面。</p><p><b>　　(4) 電磁干擾</b></p><p>　　電磁兼容在應(yīng)用電子線路中已日益受到人們的重視。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)是一種電子電機(jī)，同樣有抗干擾和防止對(duì)外界干擾的要求。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)控制器是強(qiáng)、弱電共存的電路，對(duì)于采用PWM高頻調(diào)制脈沖的控制

34、器，高的調(diào)制頻率很容易對(duì)控制器其他線路產(chǎn)生干擾，因此必須認(rèn)真處理其間的電磁干擾和電磁兼容問(wèn)題。目前，對(duì)無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的電磁干擾問(wèn)題進(jìn)行研究，已越來(lái)越受到重視。</p><p>　　第2章 電動(dòng)自行車(chē)控制器的系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)</p><p>　　2.1無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)與工作原理</p><p><b>　　2.1.1基本結(jié)構(gòu)</b><

35、/p><p>　　無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的基本結(jié)構(gòu)原理如圖2-l所示。</p><p>　　圖2-1：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)原理圖</p><p>　　它主要由電動(dòng)機(jī)本體、位置傳感器和電子開(kāi)關(guān)線路三部分組成。電動(dòng)機(jī)本體在結(jié)構(gòu)上與永磁同步電動(dòng)機(jī)相似，但是沒(méi)有籠型繞組和其他啟動(dòng)裝置。其定子繞組一般制成多相(三相、四相、五相不等)，轉(zhuǎn)子由永久磁鋼按一定極對(duì)數(shù)(2P=2，4)組成。圖2-1

36、中的電動(dòng)機(jī)本體為三相兩極，三相定子繞組分別與電子開(kāi)關(guān)線路中對(duì)應(yīng)的功率開(kāi)關(guān)器件聯(lián)結(jié)，A相、B相、C相繞組分別與功率開(kāi)關(guān)管Vl、V2、V3連接，位置傳感器VPl、VP2、VP3跟蹤轉(zhuǎn)子與電機(jī)轉(zhuǎn)軸相聯(lián)結(jié)，用來(lái)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子的位置，其輸出端與電子開(kāi)關(guān)線路中對(duì)應(yīng)的功率開(kāi)關(guān)器件連接。</p><p>　　當(dāng)定子繞組的某一相通電時(shí)，該電流與轉(zhuǎn)子永久磁鋼的磁極所產(chǎn)生的磁場(chǎng)互相作用而產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)，再由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁鋼

37、位置變換成電信號(hào)，去控制電子開(kāi)關(guān)線路，從而使定子各繞組按一定次序?qū)?，定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化而按一定的次序換相。由于電子開(kāi)關(guān)線路的導(dǎo)通次序是與轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)角同步的，</p><p>　　因而起到了機(jī)械換向器的換向作用。因此，所謂無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)，就其基本結(jié)構(gòu)而言，可以認(rèn)為是一臺(tái)由電子開(kāi)關(guān)線路、永磁同步電動(dòng)機(jī)以及位置傳感器三者組成的電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。其基本原理框圖如圖2-2所示。</p><p>　　

38、圖2-2：基本原理框圖</p><p>　　無(wú)刷直流電機(jī)的開(kāi)關(guān)線路是用來(lái)控制電機(jī)定子上各相繞組通電的順序和時(shí)間，主要由功率邏輯開(kāi)關(guān)單元和位置傳感器信號(hào)處理單元兩個(gè)部分組成。功率邏輯開(kāi)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)系分配給無(wú)刷直流電機(jī)定子上各繞組，以便使電動(dòng)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(shí)間主要取決于來(lái)自位置傳感器的信號(hào)。</p><p><b

39、>　　2.1.2工作原理</b></p><p>　　圖2-3為無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)圖，以此說(shuō)明無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的工作原理。電機(jī)本體的電樞繞組為三相星形連接，位置傳感器與電機(jī)本體同軸，控制電路對(duì)位置信號(hào)進(jìn)行邏輯變換后產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路隔離放大后控制逆變器的功率開(kāi)關(guān)管，使電機(jī)的各項(xiàng)繞組按一定的順序工作。</p><p>　　圖2-3：無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)</p

40、><p>　　當(dāng)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)至圖2-4(a)所示位置時(shí)，控制電路根據(jù)所獲得的轉(zhuǎn)子位置信息，使VTl、VT4導(dǎo)通，即A、B兩相通電。電樞繞組在空間產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)為Fa，與定子磁場(chǎng)產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)Fr相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)轉(zhuǎn)子在空間轉(zhuǎn)過(guò)60°電角度，到達(dá)圖2-4(b)所示位置時(shí)，轉(zhuǎn)子位置傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)控制電路邏輯變換后驅(qū)動(dòng)逆變器，使VTl、VT6導(dǎo)通，A、C兩相繞組通電，電樞繞組在空間產(chǎn)生的磁動(dòng)勢(shì)Fa如圖

41、2-4(b)所示，此時(shí)定轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用，使電機(jī)的轉(zhuǎn)子繼續(xù)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。</p><p>　　轉(zhuǎn)子在空間每轉(zhuǎn)過(guò)60°電角度，逆變器開(kāi)關(guān)就發(fā)生一次切換，其導(dǎo)通邏輯為VTl、VT4—VTl、VT6—VT3、VT6—VT3、VT2—VT5、VT2—VT5、VT4—VTl、VT4。在此過(guò)程中，轉(zhuǎn)子始終受到順時(shí)針?lè)较虻碾姶呸D(zhuǎn)矩作用，沿順時(shí)針?lè)较蜻B續(xù)旋轉(zhuǎn)。</p><p>　　圖2-4：無(wú)刷直

42、流電動(dòng)機(jī)的工作原理示意圖</p><p>　　在圖2-4(a)到圖2-4(b)的60°電角度范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)沿順時(shí)針連續(xù)旋轉(zhuǎn)，而定子合成磁場(chǎng)在空間保持圖2-4(a)中Fa的位置靜止；只有當(dāng)轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)連續(xù)旋轉(zhuǎn)60°電角度，到達(dá)圖2-4(b)所示的Fr位置時(shí)，定子磁場(chǎng)才從圖2-4(a)的Fa位置跳躍到圖2-4(b)中的Fa位置?？梢?jiàn)定子合成磁場(chǎng)在空間不是連續(xù)旋轉(zhuǎn)的，而是一種跳躍式旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)。</

43、p><p>　　轉(zhuǎn)子在空間沒(méi)轉(zhuǎn)過(guò)60°電角度，定子繞組就進(jìn)行一次換流，定子合成磁場(chǎng)的磁狀態(tài)就發(fā)生一次跳躍?？梢?jiàn)，電動(dòng)機(jī)有六種磁狀態(tài)，每一次有兩相導(dǎo)通，每相繞組的導(dǎo)通時(shí)間對(duì)應(yīng)于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)120°電角度。無(wú)刷直流電機(jī)的這種工作方式稱(chēng)為兩相星形六狀態(tài)。</p><p>　　2.2電動(dòng)自行車(chē)控制器的功能</p><p>　　本文設(shè)計(jì)的控制器蓄電池電壓為48V，

44、手把輸出電壓為OV～4V，正常運(yùn)行時(shí)的最大電流值為15A；當(dāng)出現(xiàn)異常情況，導(dǎo)致電流急劇上升，電流值超過(guò)25A時(shí)，進(jìn)入過(guò)流保護(hù)關(guān)閉驅(qū)動(dòng)。功能包括調(diào)速、巡航、柔性電子剎車(chē)(EABS)、堵轉(zhuǎn)保護(hù)、限流、過(guò)流保護(hù)、欠壓保護(hù)、防飛車(chē)、軟啟動(dòng)和60°和120°電機(jī)智能適應(yīng)。</p><p><b>　　1. 調(diào)速功能</b></p><p>　　當(dāng)限速線未接時(shí)

45、，手把從 (1.25V～3.8V) 轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，PWM的輸出范圍3％到95％。當(dāng)接上限速線時(shí)，手把從(1.25V～3.8V)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，PwM輸出范圍3％到75％，速度最高達(dá)20km／h。</p><p>　　以下情況會(huì)造成調(diào)速功能失效：(1) 進(jìn)入巡航；(2) 有剎車(chē)信號(hào)；(3) 故障時(shí)，故障指示燈閃爍；(4) 蓄電池欠壓時(shí)。</p><p><b>　　2. 巡航功能</b&g

46、t;</p><p>　　巡航功能是為了避免騎行者的手腕疲勞而設(shè)置的，進(jìn)入巡航后，可以松開(kāi)手把，電動(dòng)自行車(chē)仍以手把松開(kāi)前的速度繼續(xù)前行。巡航功能分為自動(dòng)巡航和手動(dòng)巡航，巡航功能也可以通過(guò)把短路子接上就取消該功能，不短接就保留該功能。</p><p>　　自動(dòng)巡航功能進(jìn)入條件：轉(zhuǎn)把電壓必須高于2V，并保持當(dāng)前電壓值(0.1V抖動(dòng))至少8秒時(shí)間。</p><p>　　自

47、動(dòng)巡航退出條件：(1) 剎車(chē)信號(hào)；(2) 轉(zhuǎn)把二次歸零；(3) 發(fā)生堵轉(zhuǎn)；(4) 電池欠壓保護(hù)</p><p>　　手動(dòng)巡航進(jìn)入條件：(1)按巡航鍵則開(kāi)始巡航；(2)退出條件同自動(dòng)巡航。</p><p>　　3. 柔性電子剎車(chē) (EABS) 功能</p><p>　　此功能借鑒于汽車(chē)的ABS功能，為了防止在高速騎行時(shí)突然剎車(chē)，輪胎打滑，或者由于慣性把人摔落車(chē)下，而造

48、成的安全事故。它利用電機(jī)回饋制動(dòng)的原理，使電機(jī)停下來(lái)，而非利用剎車(chē)片的摩擦作用，因此有利于保護(hù)剎車(chē)片，在高速時(shí)和下坡時(shí)可以向電池充電，增加電池的續(xù)航里程。</p><p><b>　　4. 堵轉(zhuǎn)保護(hù)功能</b></p><p>　　當(dāng)輪子發(fā)生堵轉(zhuǎn) (即使把有發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)，但是電機(jī)未發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)的情況) ，電機(jī)繞組中的電流很大，持續(xù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)使電機(jī)繞組過(guò)熱燒斷，損壞電機(jī)，同時(shí)

49、也會(huì)使電池長(zhǎng)時(shí)間大電流放電，損壞電池，必須及時(shí)加以斷電保護(hù)。處理過(guò)程如下：</p><p>　　前2秒：PWM以最大占空比輸出驅(qū)動(dòng)電機(jī)，這是為了防止啟動(dòng)和遇到小障礙物時(shí)誤進(jìn)入堵轉(zhuǎn)狀態(tài)，影響正常騎行。第3秒：檢測(cè)，若位置還未發(fā)生變化將PWM輸出停止，電機(jī)停轉(zhuǎn)保護(hù)，此時(shí)手把失效。</p><p>　　堵轉(zhuǎn)狀態(tài)的取消：(1) 有剎車(chē)信號(hào)；(2) 輪子轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)相位角；(3) 重新開(kāi)機(jī)</p&

50、gt;<p><b>　　5. 限流動(dòng)能</b></p><p>　　電機(jī)中的電流不能無(wú)限制增加，所以在保持最大轉(zhuǎn)矩的條件下，限制最大輸入電流為15A。</p><p><b>　　6. 過(guò)流保護(hù)功能</b></p><p>　　在正常行駛中若檢測(cè)到大于25A的電流值立即關(guān)閉PWM輸出，電機(jī)停轉(zhuǎn)保護(hù)，轉(zhuǎn)把失效

51、。</p><p><b>　　7. 欠壓保護(hù)功能</b></p><p>　　當(dāng)電池毫壓低于42V（左右偏差O.5V)，并保持1秒后，欠壓功能開(kāi)啟，自動(dòng)關(guān)閉電機(jī)，等到轉(zhuǎn)把歸零后，再次檢測(cè)電池電壓，只有電池電壓回升到44V以上才能再次驅(qū)動(dòng)電機(jī)。欠壓保護(hù)是為了保護(hù)電池過(guò)度放電，影響其使用壽命，使用回差保護(hù)，避免電機(jī)在欠壓點(diǎn)來(lái)回啟停。</p><p&g

52、t;<b>　　8. 防飛車(chē)功能</b></p><p>　　當(dāng)手把損壞時(shí)，手把電壓輸出一直保持在1.25V以上，接通電源，電機(jī)就會(huì)開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，向前飛出去，導(dǎo)致人身事故，同時(shí)也是防止某種誤操作。</p><p><b>　　9. 軟啟動(dòng)</b></p><p>　　電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的沖擊電流，這樣對(duì)電機(jī)和電池?fù)p害很大，

53、軟啟動(dòng)就是為了抑制啟動(dòng)時(shí)的沖擊電流，使電流緩慢上升，短時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。</p><p>　　10. 60°和120°電機(jī)智能適應(yīng)</p><p>　　電動(dòng)自行車(chē)用電機(jī)根據(jù)其位置傳感器安裝角度的不同分為兩種：60°電機(jī)和120°電機(jī)，這兩種電機(jī)輸出的位置信號(hào)不一樣，不能使用同樣的換相時(shí)序，通?？刂破饕哺鶕?jù)電機(jī)不同也分為兩種，此功能就是兼容兩種角度的

54、電機(jī)，不需要改動(dòng)任何硬件。</p><p>　　第3章 智能控制器硬件方案設(shè)計(jì)</p><p><b>　　3.1硬件系統(tǒng)框圖</b></p><p>　　如圖3-1所示，電動(dòng)自行車(chē)控制器系統(tǒng)主要由以下部分組成；逆變電路、功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路、電源電路、單片機(jī)及其外圍控制電路。</p><p>　　逆變電路及其驅(qū)動(dòng)電路是單片

55、機(jī)和電機(jī)之間的聯(lián)系樞紐，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(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)定子上各相繞組。本系統(tǒng)采用三相全橋逆變電路。</p><p>　　功率驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路為單片機(jī)和逆變器之間的橋梁，單片機(jī)的輸出信號(hào)，經(jīng)過(guò)功率放大后，開(kāi)通、關(guān)斷M0SFET，同時(shí)防止逆變器端的電壓反串到單片機(jī)端，損壞單片機(jī)的I／O口。</p><p>　　電源電路提供功率驅(qū)

56、動(dòng)及保護(hù)電路、單片機(jī)控制電路所需的電源。單片機(jī)為控制核心，根據(jù)輸入的信號(hào)運(yùn)行控制算法控制電機(jī)的運(yùn)行。外圍控制電路包括剎車(chē)信號(hào)、巡航電路等。</p><p>　　圖3-1：控制器系統(tǒng)框圖</p><p><b>　　3.2電源電路</b></p><p>　　電源電路通過(guò)兩級(jí)電壓變換，得到控制電路所需的兩組電壓：+13V和+5V。+13V作為功

57、率驅(qū)動(dòng)電路的電源，+5V作為單片機(jī)及其他控制電路的電源。</p><p>　　如圖3-2所示，48V電壓經(jīng)串聯(lián)電阻后輸入到LM317中，輸出端電壓即為+l3V。LM317為可調(diào)節(jié)端正電壓穩(wěn)壓器，輸出電壓范圍為l.2V到37V，在輸出范圍內(nèi)能提供超過(guò)1.5A的電流，外部只需要兩個(gè)電阻設(shè)置輸出電壓，內(nèi)部有限流、熱關(guān)斷和安全工作區(qū)補(bǔ)償功能。</p><p><b>　　圖3-2：電源電

58、路</b></p><p><b>　　3.3剎車(chē)輸入電路</b></p><p>　　剎車(chē)輸入電路如圖3-3所示。電動(dòng)自行車(chē)的剎車(chē)輸入信號(hào)有兩種：低電平和高電平，有的廠商采用低電平剎車(chē)，有的廠商采用高電平剎車(chē)。為了滿足所有需要，本系統(tǒng)兼容低電平和高電平剎車(chē)。</p><p>　　低電平剎車(chē)時(shí)，通過(guò)一個(gè)隔離二極管D8，把信號(hào)直接送入

59、剎車(chē)信號(hào)檢測(cè)I/O口；高電平剎車(chē)時(shí)，通過(guò)電阻R49、R50和三極管T12構(gòu)成一個(gè)取反電路，把高電平轉(zhuǎn)換為低電平。同時(shí)軟件檢測(cè)到I/O電平為低時(shí)，判定為有剎車(chē)信號(hào)。</p><p>　　圖3-3：剎車(chē)輸入電路</p><p>　　3.4霍爾位置檢測(cè)電路</p><p>　　如圖3-4所示，霍爾位置檢測(cè)電路在系統(tǒng)中的作用主要有兩個(gè)：一是檢測(cè)電機(jī)定、轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置并提供驅(qū)

60、動(dòng)換相信號(hào)；二是通過(guò)檢測(cè)某一路脈沖信號(hào)的個(gè)數(shù)，經(jīng)軟件計(jì)算后轉(zhuǎn)換為速度信號(hào)，構(gòu)成速度的反饋環(huán)節(jié)。</p><p>　　霍爾傳感器由于安裝在電機(jī)內(nèi)部，與電機(jī)轉(zhuǎn)子一起運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生抖動(dòng)，同時(shí)電機(jī)的繞組也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生干擾，輸出信號(hào)中含有很多雜波，因此采用電容C33予以濾除，電容值均為0.OluF。同時(shí)為了防止單片機(jī)控制電路對(duì)霍爾傳感器的影響，中間用二極管D7、D8、D25隔離，二投管采用至IN4148可以滿足要求。</p

61、><p>　　圖3-4：霍爾位置檢測(cè)電路</p><p>　　3.5三相橋式逆變電路</p><p>　　逆變電路是與整流電路（Rectifier）相對(duì)應(yīng)，將低電壓變?yōu)楦唠妷海阎绷麟娮兂山涣麟姷碾娐贩Q(chēng)為逆變電路。</p><p>　　如圖3-5，橋式逆變電路的開(kāi)關(guān)狀態(tài)由加于其控制極的電壓信號(hào)決定，橋式電路的PN端加入直流電壓Ud，A、B端接向負(fù)

62、載。當(dāng)T1、T3關(guān)合而T2、T4打開(kāi)時(shí)，U0=Ud;相反,當(dāng)T2、T4關(guān)合而T1、T3打開(kāi)時(shí)，U0=-Ud。于是當(dāng)橋中各臂以頻率 f（由控制極電壓信號(hào)重復(fù)頻率決定）輪番通斷時(shí)，輸出電壓u0將成為交變方波，其幅值為Ud。</p><p>　　控制信號(hào)頻率f可以決定出端頻率，改變直流電源電壓Ud可以改變基波幅值，從而實(shí)現(xiàn)逆變的目的。</p><p><b>　　圖3-5：逆變電路&l

63、t;/b></p><p><b>　　3.6觸發(fā)電路</b></p><p>　　觸發(fā)電路是具有一些穩(wěn)態(tài)的或非穩(wěn)態(tài)的電路，其中至少有一個(gè)是穩(wěn)態(tài)的，并設(shè)計(jì)成在施加一適當(dāng)脈沖時(shí)即能啟動(dòng)所需的轉(zhuǎn)變。</p><p>　　觸發(fā)器可將模擬信號(hào)波形整形為數(shù)字電路能夠處理的方波波形，而且由於觸發(fā)器具有滯回特性，所以可用於抗干擾，其應(yīng)用包括在開(kāi)環(huán)配置中

64、用於抗擾，以及在閉環(huán)正反饋配置中用於實(shí)現(xiàn)多諧振蕩器。</p><p>　　對(duì)於標(biāo)準(zhǔn)的觸發(fā)器，當(dāng)輸入電壓高於正向閾值電壓時(shí)，則輸出為高；當(dāng)輸入電壓低於負(fù)向閾值電壓時(shí)，則輸出為低；當(dāng)輸入在正負(fù)向閾值電壓之間時(shí)，則輸出不改變，也就是說(shuō)輸出由高電平翻轉(zhuǎn)為低電平，或是由低電平翻轉(zhuǎn)為高電平對(duì)應(yīng)的閾值電壓是不同的。只有當(dāng)輸入電壓發(fā)生足夠的變化時(shí)，輸出才會(huì)變化，如圖3-6所示。</p><p>　　圖3-

65、6: 觸發(fā)電路</p><p>　　3.7電源欠壓保護(hù)電路</p><p>　　在電動(dòng)自行車(chē)運(yùn)行的過(guò)程中，需要對(duì)電源電壓進(jìn)行監(jiān)視，當(dāng)電源電壓不足時(shí)，再放電就會(huì)對(duì)電池的壽命造成嚴(yán)重?fù)p害，縮短了電池的使用時(shí)間。因此，在電池電壓不足時(shí)，應(yīng)該停止對(duì)電動(dòng)自行車(chē)供電。</p><p>　　當(dāng)電池電壓低于48V時(shí)，控制器切斷電源，開(kāi)啟欠壓保護(hù)功能。由于電源電壓是連續(xù)減小的，又是模

66、擬信號(hào)，所以要先通過(guò)低通濾波濾除噪聲，再經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換送單片機(jī)處理。電池電壓檢測(cè)電路如圖3-7所示，通過(guò)選擇合適的電阻值Rout，使得分壓之后的電壓信號(hào)的變化始終處于[0，5V]之間即可。等到轉(zhuǎn)把歸零后，再次檢測(cè)電池電壓，只有電池電壓回升到48V以上才能再次驅(qū)動(dòng)電機(jī)。</p><p>　　欠壓保護(hù)是為了保護(hù)電池過(guò)度放電，影響其使用壽命，使用回差保護(hù)，避免電機(jī)在欠壓點(diǎn)來(lái)回啟停。</p><p&g

67、t;　　圖3-7: 蓄電池保護(hù)電路</p><p><b>　　3.8助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)</b></p><p>　　當(dāng)前市場(chǎng)上的助力傳感器采用的是開(kāi)關(guān)型霍爾元件，用支架固定在電動(dòng)自行車(chē)右中軸旁，中軸上裝有磁環(huán)，中軸轉(zhuǎn)一周則磁環(huán)上的五個(gè)磁鋼使霍爾元器件輸出五個(gè)脈沖（正轉(zhuǎn)脈沖占空比<50%，反轉(zhuǎn)占空比>50%），控制器檢測(cè)到后，則可計(jì)算出主力大小給電機(jī)供電，助力傳

68、感線有三根引線：黃（信號(hào)）、紅（電源）、黑（地線），助力信號(hào)檢測(cè)電路如圖3-8所示。這種方法是根據(jù)助力傳感器輸出脈沖的頻率來(lái)判斷用戶腳蹬踏板的速度，從而輸出相應(yīng)的PWM占空比調(diào)節(jié)輸出的電動(dòng)力，實(shí)現(xiàn)人力、電力供電動(dòng)車(chē)的驅(qū)動(dòng)力。</p><p>　　電動(dòng)自行車(chē)在行駛過(guò)程中，并不是以恒定的速度前進(jìn)的，用戶根據(jù)騎車(chē)狀況，有時(shí)需要加快速度，有時(shí)需要減慢速度，因此，調(diào)速是電動(dòng)自行車(chē)不可缺少的一個(gè)功能。電動(dòng)自行車(chē)的調(diào)速轉(zhuǎn)把一般

69、是采用線性霍爾元器件實(shí)現(xiàn)的，它的原理是：通過(guò)調(diào)節(jié)元器件敏感面磁場(chǎng)的強(qiáng)弱，使輸出電壓連續(xù)性變化，對(duì)于供電電源為5V的線性霍爾元器件，它的輸出電壓變化范圍大約是1.0V~4.2V。轉(zhuǎn)把跟控制器的連接關(guān)系如圖3-9所示。</p><p>　　圖3-8:助力電路 圖3-9:轉(zhuǎn)把電路</p><p>　　3.9系統(tǒng)控制PID內(nèi)容</p>&l

70、t;p>　　3.9.1 PID控制介紹</p><p>　　PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的控制策略之一，旱在20世紀(jì)30年代末期就已經(jīng)出現(xiàn)，50多年來(lái)不斷更新?lián)Q代，由于其算法簡(jiǎn)單、可靠性高，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過(guò)程控制，尤其是在可建立精確數(shù)學(xué)模型的確定控制系統(tǒng)應(yīng)用很多。按偏差的比例、積分和微分線性組合進(jìn)行控制的方式，就是著名的PID控制。</p><p>　　簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，PID控制器各校正環(huán)節(jié)

71、的作用如下：</p><p>　　比例環(huán)節(jié)：即時(shí)成比例地反映控制系統(tǒng)的偏差信號(hào)e(t)，偏差一旦產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用，以減少偏差。</p><p>　　積分環(huán)節(jié)：主要用于消除靜差，提高系統(tǒng)的無(wú)差度。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間常數(shù)TI，TI越大，積分作用越弱，反之則越強(qiáng)。</p><p>　　微分環(huán)節(jié)：反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)(變化速率)，并在偏差信號(hào)值變得太

72、大之前，在系統(tǒng)中引入一個(gè)有效的早期修正信號(hào)，從而加快系統(tǒng)的動(dòng)作速度，減小調(diào)節(jié)時(shí)間。其結(jié)構(gòu)如圖3-10所示。</p><p>　　圖3-10：系統(tǒng)控制框圖</p><p>　　3.9.2 數(shù)字PID控制算法</p><p>　　數(shù)字PID控制算法PIDPID控制的控制規(guī)律為</p><p><b>　?。?.3） </b>

73、;</p><p>　　式中，KP為比例常數(shù)；TI為積分常數(shù)；TD為積分常數(shù)。</p><p>　　在數(shù)字控制中，由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差量計(jì)算控制量，因此需要對(duì)其進(jìn)行離散化處理，可得離散的增量式PID控制算法為</p><p><b>　?。?.4）</b></p><p>　　式中，為第

74、k個(gè)采樣時(shí)刻的控制量與第k-1個(gè)采樣時(shí)刻的控制量之差；ek為第k個(gè)采樣時(shí)刻的偏差；為第k個(gè)采樣時(shí)刻的偏差與第k-1個(gè)采樣時(shí)刻的系統(tǒng)偏差之差。</p><p>　　第4章 電動(dòng)自行車(chē)控制器軟件設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)</p><p>　　4.1.1主程序設(shè)計(jì)</p><p>　　主程序主要完成全局變量的定義、各模塊的初

75、始化、電機(jī)初始位置的檢測(cè)、上電自檢、防飛車(chē)保護(hù)以及速度、電流雙閉環(huán)的計(jì)算，主程序的流程圖如圖4-1所示。</p><p>　　系統(tǒng)每次上電，首先進(jìn)入防飛車(chē)保護(hù)檢測(cè)，如圖4-1中虛線框所示。所謂“防飛車(chē)保護(hù)”是指，當(dāng)手把中霍爾傳感器損壞后在手把松開(kāi)歸零后仍然輸出一個(gè)大于零的電壓值，接通電源，電機(jī)就會(huì)馬上啟動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)，為了防止發(fā)生安全事故，上電后需檢測(cè)手把電壓是否為零，為零時(shí)進(jìn)入下一步操作，否則在此等待。</p&g

76、t;<p>　　打開(kāi)總中斷后，程序進(jìn)入主程序循環(huán)，根據(jù)采集得來(lái)的電流、速度數(shù)據(jù)進(jìn)行PID運(yùn)算。</p><p>　　圖4-1：主程序流程圖</p><p>　　4.1.2中斷服務(wù)程序設(shè)計(jì)</p><p>　　ATmega48總共有26個(gè)中斷向量，編號(hào)從1～26，編號(hào)越小，優(yōu)先級(jí)越高，不支持中斷嵌套。本系統(tǒng)使用的中斷向量為：定時(shí)器／計(jì)數(shù)器O溢出中斷(以下

77、稱(chēng)定時(shí)中斷)和ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束中斷(以下稱(chēng)AD中斷)。應(yīng)用C語(yǔ)言編程，在進(jìn)入中斷處理時(shí)，C編譯器會(huì)自動(dòng)進(jìn)行中斷保護(hù)和恢復(fù)、清除中斷標(biāo)志。同時(shí)為了避免中斷嵌套，在進(jìn)入中斷程序時(shí)，首先關(guān)閉總中斷，退出中斷時(shí)再打開(kāi)總中斷。兩個(gè)中斷同時(shí)發(fā)生時(shí)，定時(shí)中斷向量號(hào)比AD中斷向量號(hào)小，首先執(zhí)行，AD中斷等定時(shí)中斷退出后再執(zhí)行。</p><p>　　定時(shí)中斷服務(wù)程序是整個(gè)控制器的靈魂，是軟件部分的核心，采用“時(shí)間片”分時(shí)思想，完成了

78、控制器所有的功能設(shè)計(jì)、保護(hù)模塊以及驅(qū)動(dòng)換相。定時(shí)中斷服務(wù)程序一方面接受外部輸入的按鍵操作信號(hào)，執(zhí)行各個(gè)功能模塊，例如，按下巡航按鍵，電動(dòng)自行車(chē)進(jìn)入巡航模式，按下剎車(chē)按鍵，進(jìn)入柔性電子剎車(chē)模式；另一方面根據(jù)檢測(cè)得到的電壓、電流值，當(dāng)電源電壓低于某個(gè)值時(shí)進(jìn)入欠壓保護(hù)，當(dāng)電流高于某個(gè)值時(shí)，進(jìn)入過(guò)流保護(hù)。編程時(shí)，把各個(gè)功能模塊當(dāng)作一個(gè)事件，定時(shí)中斷服務(wù)程序就是一個(gè)事件調(diào)度器，它根據(jù)事件的輕重緩急來(lái)決定事件執(zhí)行的先后，同時(shí)保證不發(fā)生沖突或者堵塞。

79、事件調(diào)度器的調(diào)度原則就是“時(shí)間片”分時(shí)思想，為了保證實(shí)時(shí)性，“時(shí)間片”取128us，定時(shí)中斷服務(wù)程序的流程圖如圖4-2所示。</p><p>　　圖4-2：定時(shí)中斷服務(wù)程序流程圖</p><p>　　AD中斷完成電源電壓、相電流和手把電壓的采集任務(wù)，把采集得到的電壓電流值經(jīng)過(guò)軟件濾波后存儲(chǔ)在緩沖器中，供主程序和定時(shí)中斷服務(wù)程序調(diào)用。在AD中斷服務(wù)程序中，根據(jù)電源電壓、相電流和手把電壓的速度

80、要求，采用不同的采樣速度，相電流的采樣速度最快，手把電壓次之；電源電壓最慢。軟件設(shè)計(jì)中三者的采樣速度關(guān)系為，每采集20次相電流采集一次手把電壓，每采集128次手把電壓采集一次電源電壓。其中，相電流的采樣速度為AD轉(zhuǎn)換的速率(大約為13個(gè)AD時(shí)鐘周期)。如此，既保證了電流采集的實(shí)時(shí)性，又保證了電源電壓采集的平穩(wěn)性。</p><p>　　AD轉(zhuǎn)換時(shí)，向ADC啟動(dòng)轉(zhuǎn)換位ADSC位寫(xiě)“1”可以啟動(dòng)單次轉(zhuǎn)換，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中此

81、位保持為高，直到轉(zhuǎn)換結(jié)束，然后被硬件清零。如果在轉(zhuǎn)換過(guò)程中改變了轉(zhuǎn)換通道，ADC會(huì)在通道改變前完成這一次轉(zhuǎn)換。工作于單次轉(zhuǎn)換模式時(shí)，總是在啟動(dòng)轉(zhuǎn)換之前選定通道，需要選擇新的轉(zhuǎn)換通道時(shí)，最簡(jiǎn)單的辦法是在等待轉(zhuǎn)換結(jié)束后再改變通道。本系統(tǒng)是在ADC轉(zhuǎn)換結(jié)束產(chǎn)生的中斷中先讀取轉(zhuǎn)換結(jié)果，再改交通道，并啟動(dòng)下一次新的轉(zhuǎn)換。AD中斷服務(wù)程序的流程圖如圖4-3所示。</p><p>　　圖4-3：AD中斷服務(wù)程序流程圖</

82、p><p>　　4.2功能模塊程序設(shè)計(jì)</p><p>　　4.2.1驅(qū)動(dòng)換相模塊</p><p>　　無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)需要根據(jù)位置傳感器輸出的信號(hào)(HA，HC)進(jìn)行換相，HB，才能正常運(yùn)轉(zhuǎn)。(HA，HB，HC)總共有八種組合：(000)、(001)、(010)、(011)、(101)、(110)、(111)，其中6種為有效組合，剩余2組為無(wú)效組合；在120°電

83、機(jī)中，(000)、(111)為無(wú)效組合。在60°電機(jī)中(101)、(010)為無(wú)效組合。采用二二導(dǎo)通方式，構(gòu)成兩相導(dǎo)通三相六狀態(tài)。系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到的 (HA，HB，HC) 查表得到要導(dǎo)通的MOSFET，輸出控制信號(hào)，其中上橋MOSFET開(kāi)通為高電平，下橋開(kāi)通為低電平?；魻栁恢眯盘?hào)與換相控制表如表4-1所示。由表4-1看出，60°電機(jī)和120°電機(jī)的換相相序只有兩處不一樣： (000) 和 (101) 、 (1

84、11) 和 (010) ，而導(dǎo)通管和電流流向都是一樣，因此根據(jù)此表不管是60°電機(jī)還是120°電機(jī)都能正常換相。</p><p>　　表4-1：霍爾位置信號(hào)與換相控制表</p><p>　　本文采用H_pwm-L_on調(diào)制方式。換相補(bǔ)償采用延遲重疊換相法，換相時(shí)，開(kāi)通三MOSFET，延時(shí)時(shí)間經(jīng)多次試驗(yàn)比較，取換相周期的1／4時(shí)，轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)最小，效果最好。</p>

85、;<p>　　4.2.2柔性電子剎車(chē) (EABS) 模塊</p><p>　　柔性電子剎車(chē)是電動(dòng)自行車(chē)一個(gè)非常重要的功能，柔性電子剎車(chē)性能體現(xiàn)控制器的技術(shù)含金量，也是電動(dòng)自行車(chē)的一大閃亮賣(mài)點(diǎn)。柔性電子剎車(chē)作為機(jī)械剎車(chē)的輔助措施，平時(shí)采用電子剎車(chē)，緊急情況電子剎車(chē)和機(jī)械剎車(chē)同時(shí)進(jìn)行，既能延長(zhǎng)機(jī)械剎車(chē)片的壽命，也能提高剎車(chē)效果，減少安全事故。如圖4-5所示。</p><p>　　

86、圖4-5：柔性電子剎車(chē)（EABS）流程圖</p><p>　　柔性電子剎車(chē)的理論基礎(chǔ)為能量回饋制動(dòng)原理，剎車(chē)時(shí)，先關(guān)閉所有MOSFET，再全部開(kāi)通下橋MOSFET，且下橋PWM調(diào)制，使PWM的占空比由100％快速減小到0。柔度由占空比的減小速度決定，速度越快，剎車(chē)越急，柔度越硬；速度越慢，剎車(chē)越緩慢，柔度越柔和。為了使繞組中的電流不發(fā)生突變，按下剎車(chē)鍵時(shí)，先把正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的占空比逐漸減為O，關(guān)閉全橋，再開(kāi)通下橋。&

87、lt;/p><p><b>　　4.2.3巡航模塊</b></p><p>　　巡航分為自動(dòng)巡航和手動(dòng)巡航，自動(dòng)巡航功能進(jìn)入條件：手把電壓必須高于2V，并保持當(dāng)前電壓值(O.1V抖動(dòng))至少8秒時(shí)間。手動(dòng)巡航進(jìn)入條件：按巡航鍵則開(kāi)始巡航。一般的控制器都只有一種巡航模式，本系統(tǒng)把兩種 巡航模式綜合在一起，操作更加方便。流程圖如圖4-6所示<

88、/p><p>　　圖4-6：巡航流程圖 圖4-7：欠壓保護(hù)流程圖</p><p>　　4.3電機(jī)控制程序設(shè)計(jì)</p><p>　　本系統(tǒng)采用速度環(huán)加電流環(huán)雙閉環(huán)控制方式對(duì)電機(jī)的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)，在定時(shí)中斷中定時(shí)2.5ms，在主程序中查詢(xún)定時(shí)標(biāo)志并調(diào)用算法子程序?qū)﹄娏骱退俣冗M(jìn)行調(diào)節(jié)。每2.5ms調(diào)用一次電流調(diào)節(jié)程序，調(diào)節(jié)電流，電流每調(diào)節(jié)10次調(diào)

89、節(jié)一次速度，即速度環(huán)每25ms調(diào)節(jié)一次。</p><p>　　4.3.1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4-9所示，大體過(guò)程是：在主程序中循環(huán)檢測(cè)是否需要進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，若是剛啟動(dòng)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(shí)中斷程序計(jì)算得到的當(dāng)前電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速V1，然后用

90、設(shè)定轉(zhuǎn)速和實(shí)際轉(zhuǎn)速相減得到偏差e(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。</p><p>　　圖4-9：速度調(diào)節(jié)流程圖</p><p>　　4.4軟件抗干擾設(shè)計(jì)</p><p>　　電動(dòng)自行車(chē)在實(shí)際路況騎行時(shí)，控制器會(huì)不可避免的受到來(lái)自電機(jī)和周?chē)h(huán)境的干擾，為了確保應(yīng)用程序按設(shè)計(jì)有序的運(yùn)行，軟件設(shè)中必須有防干

91、擾措施，以提高系統(tǒng)的可靠性。</p><p>　　4.4.1 L輸出輸入量的軟件抗干擾</p><p>　　數(shù)字量的輸入過(guò)程中可以利用數(shù)字濾波技術(shù)對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，濾掉信號(hào)中的干擾部分，提高信號(hào)的真實(shí)性。本系統(tǒng)中的手把電壓、相電流和電源電壓的輸入均采用了遞推平均值濾波技術(shù)，具體實(shí)現(xiàn)方法是：采用一數(shù)組作為測(cè)量數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)器，數(shù)組的長(zhǎng)度固定為N，每采到一次新數(shù)據(jù)，就用新數(shù)據(jù)代替數(shù)組中最老

92、的那個(gè)數(shù)據(jù)，然后計(jì)算新數(shù)組的平均值．把該平均值作為信號(hào)的實(shí)際值。示意圖如圖4-11所示。</p><p>　　圖4-11：遞推平均值濾波示意圖</p><p>　　如果輸入的信號(hào)是開(kāi)關(guān)量，可以采樣多次，每次采樣的結(jié)果必須絕對(duì)一致才行。通過(guò)一路霍爾位置信號(hào)測(cè)量速度時(shí)，采用計(jì)算脈寬的方式濾波，由于一般的干擾脈寬較小，而位置信號(hào)脈寬較大，當(dāng)發(fā)生電平變化時(shí)，連續(xù)采集幾次，結(jié)果都一致，則認(rèn)為為真實(shí)值

93、，否則為干擾捕獲。采集按鍵信號(hào)輸入時(shí)亦如此。數(shù)字量輸出軟件抗干擾的方法是重復(fù)輸出同一數(shù)據(jù)，重復(fù)周期盡可能短。這樣輸出裝置在得到一個(gè)被干擾的信號(hào)后，來(lái)不及反應(yīng)，就又得到了一個(gè)正確信號(hào)，從而可以防止誤動(dòng)作。</p><p>　　4.4.2程序執(zhí)行時(shí)的軟件抗干擾</p><p>　　如果干擾作用于CPU上，破壞程序計(jì)數(shù)器PC的狀態(tài)，導(dǎo)致程序從一個(gè)區(qū)域跳到另一個(gè)區(qū)域，或者程序在地址空間內(nèi)“亂飛”，

94、陷入“死循環(huán)”等情況，使系統(tǒng)不能正常工作。常用的解決方法有以下幾種：</p><p><b>　　1.軟件陷阱</b></p><p>　　軟件陷阱是利用一條指令，強(qiáng)行將捕獲到的亂飛的程序引向一個(gè)指定的地址，這個(gè)地址一般是程序的復(fù)位入口地址OOOOH，這樣我們就可將亂飛的程序重新納入正軌。由以下三條指令就可以組成一個(gè)軟件陷阱：</p><p>

95、<b>　　NOP</b></p><p><b>　　NOP</b></p><p>　　LJMP 0000H</p><p>　　軟件陷阱一般安排在以下幾個(gè)區(qū)域：未使用的中斷向量區(qū)，未使用的EPPROM空間及非EPPROM空間，程序運(yùn)行區(qū)和中斷服務(wù)程序區(qū)。如果程序跑飛到一個(gè)臨時(shí)構(gòu)成的死循環(huán)中區(qū)時(shí)，軟件陷阱也就無(wú)能為力了

96、，這時(shí)就要求助于程序運(yùn)行監(jiān)視器(WATCHDOG)。</p><p>　　2.程序運(yùn)行監(jiān)視器 (WATCHDOG) </p><p>　　程序運(yùn)行監(jiān)視器 (WATCHDOG) 又叫看門(mén)狗，看門(mén)狗有一個(gè)16位計(jì)數(shù)器。當(dāng)它啟動(dòng)后，每個(gè)狀態(tài)周期其計(jì)數(shù)增1，若在64K狀態(tài)周期(12MHz晶體時(shí)為16ms)內(nèi)，沒(méi)有通過(guò)指令消除它，則計(jì)數(shù)器溢出，使系統(tǒng)復(fù)位?？撮T(mén)狗給系統(tǒng)提供一種能從瞬時(shí)故障中自動(dòng)恢復(fù)的

97、能力?？撮T(mén)狗本身獨(dú)立工作，基本不依賴(lài)CPU。CPU在一個(gè)固定時(shí)間間隔內(nèi)與之打一次交道，表明自己目前運(yùn)行正常。當(dāng)CPU落入死循環(huán)以后，看門(mén)狗能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并復(fù)位系統(tǒng)。除了軟件看門(mén)狗還可以采用硬件看門(mén)狗，硬件看門(mén)狗是一個(gè)具有清零端和超時(shí)溢出信號(hào)端的定時(shí)器。把溢出信號(hào)端接到單片機(jī)的復(fù)位端，若如現(xiàn)超時(shí)溢出，則對(duì)單片機(jī)復(fù)位。為了不讓看門(mén)狗溢出，在程序運(yùn)行過(guò)程中，要周期性的對(duì)看門(mén)狗進(jìn)行清零操作。</p><p><b>

98、;　　第5章 結(jié)語(yǔ)</b></p><p>　　隨著片上系統(tǒng)集成時(shí)代的到來(lái)，對(duì)PSOC的功能和應(yīng)用研究對(duì)于解決當(dāng)今社會(huì)日益復(fù)雜的控制要求無(wú)疑有極其重要的意義，特別體現(xiàn)在對(duì)實(shí)時(shí)性、體積、動(dòng)態(tài)配置要求比較高的領(lǐng)域。本文通過(guò)對(duì)電動(dòng)自行車(chē)控制器的研究，應(yīng)用PSOC片上系統(tǒng)實(shí)行對(duì)電動(dòng)自行車(chē)的控制。為了進(jìn)一步完善控制器功能，對(duì)雙閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的控制參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以最大程度的降低噪聲，使調(diào)速過(guò)程更加平滑、流暢，同

99、時(shí)，逐步增加一些新的功能，譬如1：1助力、發(fā)電制動(dòng)、雙動(dòng)力等功能，拓寬控制器的適用范圍，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。改進(jìn)后的控制器具有工作效率高、控制功能完善、保護(hù)功能強(qiáng)、成本低廉、保密性好等特點(diǎn)，將具有更良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。</p><p><b>　　附錄</b></p><p><b>　　附錄1</b></p><p><

100、;b>　　源程序：</b></p><p>　　#include <pic.h></p><p>　　#define AND 0xe0 //狀態(tài)采集5，6，7 位</p><p>　　#define CURA 0X0a //電流環(huán)比例和積分系數(shù)之和</p><p>　　#define CURB 0X09 //電流

101、環(huán)比例系數(shù)</p><p>　　#define THL 0X6400 //電流環(huán)最大輸出</p><p>　　#define FULLDUTY 0X0FF //占空比為1 時(shí)的高電平時(shí)間</p><p>　　#define SPEA 0X1d //轉(zhuǎn)速環(huán)比例和積分系數(shù)之和</p><p>　　#define SPEB 0X1c //轉(zhuǎn)速環(huán)比例

102、系數(shù)</p><p>　　#define GCURHILO 0X0330 //轉(zhuǎn)速環(huán)最大輸出</p><p>　　#define GCURH 0X33 //最大給定電流</p><p>　　#define GSPEH 0X67 //最大轉(zhuǎn)速給定</p><p>　　#define TSON 0X38 //手柄開(kāi)啟電壓1.1 V，TSON*2

103、為剎車(chē)后手柄開(kāi)啟電壓，即</p><p><b>　　2.2 V</b></p><p>　　#define VOLON 0X4c //低電壓保護(hù)重開(kāi)電壓3.0 V 即33 V</p><p>　　#define VOLOFF 0X49 //低電壓保護(hù)關(guān)斷電壓2.86 V 即31.5 V</p><p>　　volati

104、le unsigned char DELAYH,DELAYL,oldstate,speed,</p><p>　　speedcount,tsh,count_ts,count_vol,gcur,currenth,</p><p>　　voltage; //寄存器定義</p><p>　　static bit sp1,spe,ts,volflag,spepid,lowp

105、ower,</p><p>　　off,shutdown,curpid; //標(biāo)志位定義</p><p>　　static volatile unsigned char new[10]={0xaf,0xbe,0xff,0x7e,0xcf,</p><p>　　0xff,0xd7,0x77,0xff,0xff}; //狀態(tài)寄存器表</p><p&g

106、t;　　//------------初始化子程序------------</p><p>　　void INIT877()</p><p><b>　　{</b></p><p>　　PORTC=0X0FF; //關(guān)斷所有MOSFET</p><p>　　TRISC=0X02; //設(shè)置C 口輸出</p>

107、<p>　　PIE1=0X00; //中斷寄存器初始化，關(guān)斷所有中斷</p><p>　　TRISA=0XCF; //設(shè)置RA4,RA5 輸出</p><p>　　TRISB=0XEF; //RB 口高三位輸入，采集電機(jī)三相的霍爾信號(hào)</p><p>　　PORTC=new[(PORTB&AND)>>5]; //采集第一次霍爾信號(hào)，并輸

108、出相應(yīng)的信號(hào)，導(dǎo)通</p><p>　　T2CON=0X01; //TMR2 4 分頻</p><p>　　CCPR1L=0X0FF; //初始時(shí)PWM 輸出全高</p><p>　　CCP1CON=0X0FF; //CCP1 設(shè)置為PWM 方式</p><p>　　CCP2CON=0X0B; //CCP2 設(shè)置為特殊方式，以觸發(fā)AD<

109、/p><p>　　ADCON0=0X81; //AD 時(shí)鐘為32 分頻,且AD 使能,選擇AN0 通道采集手</p><p>　　TMR2=0X00; //TMR2 寄存器初始化</p><p>　　TMR1H=0X00; //TMR1 寄存器初始化</p><p>　　TMR1L=0X00;</p><p>　　T1CO

110、N=0X00; //TMR1 為1 分頻</p><p>　　CCPR2H=0X08;</p><p>　　CCPR2L=0X00; //電流采樣周期設(shè)置為T(mén)AD=512 μs</p><p>　　PR2=0XC7; //PWM 頻率設(shè)置為5 kHz</p><p>　　ADCON1=0X02; //AD 結(jié)果左移</p>&l

111、t;p>　　OPTION=0XFB; //INT 上升沿觸發(fā)</p><p>　　TMR2ON=1; //PWM 開(kāi)始工作</p><p>　　INTCON=0XD8; //中斷設(shè)置GIE=1,PEIE=1,RBIE=1</p><p>　　ADIE=1; //AD中斷使能</p><p>　　speedcount=0x00; //轉(zhuǎn)速

112、計(jì)數(shù)寄存器</p><p>　　speed=0x7f; //轉(zhuǎn)速保持寄存器</p><p>　　spe=1; //低速標(biāo)志位</p><p>　　sp1=1; //低速標(biāo)志位</p><p>　　oldstate=0x0ff; //初始狀態(tài)設(shè)置，區(qū)別于其他狀態(tài)</p><p>　　count_ts=0x08; //電流