【正文】 在逆變器輸出電壓的每個周期內(nèi)，所使用的三角波數(shù)目不變，因此產(chǎn)生的 SPWM 波的脈沖數(shù)是一定的。 （ 2）異步控制方式 。 實際應(yīng)用較多的分段同步控制方式綜合了同步控制和異步控制的優(yōu)點：在低頻段使用異步控制方式，而在其它頻率段使用同步控制方式。當(dāng)轉(zhuǎn)子處于反轉(zhuǎn)的狀態(tài)，三個霍爾傳感器感應(yīng)出來的值正好次序相反。 軟件脈沖分配方式的調(diào)速，可以通過采用延時或定時程序調(diào)整兩個控制字之間的時間間隔來實現(xiàn)；硬件脈沖分配方式的調(diào)速，可以通過控制步進脈沖的頻率來實現(xiàn)。如果它的值太大，則可以較快地到達目的位置，但有可能產(chǎn)生振蕩。如果啟動頻率超過極限啟動頻率 ，步進電動機會產(chǎn)生失步，不能正常啟動；如果突然停止，會由于慣性發(fā)生過沖，造成位置精度降低；升降速過于緩慢，則會影響執(zhí)行機構(gòu)的工作效率。 圖 加減速運行曲線 （ a）勻加減速曲線；（ b） S形加減速曲線 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 12 加減速實時算法的核心是使用定時中斷，當(dāng)定時器發(fā)生超時中斷時，中斷服務(wù)程序推動電機走下一步，然后計算出下一步將要維持的時間，并以之設(shè)置定時器下一次的中斷時間。 圖 用定時器控制時間 如圖 所示，電機某一步的持續(xù)時間（即定時器的延時時間） 為 （ ） 式中： 為第 n步時定時器的計數(shù)值； f為給定時器提供的時鐘源頻率。但式（ ）需要開平方，它不適合沒有浮點運算功能的處理器，下面再加以變換。它的第 0步是對應(yīng)加速過程的第 i 步，最后一步對應(yīng)加速過程的第 0步。由于每一步的延時時間是由前一步計算出來的，如果 的誤差較大，后面每一步的延時誤差都增大。按照功率管的通電方式，可以分為兩兩導(dǎo)通和三三導(dǎo)通兩種控制方式。電角度，對應(yīng)每相繞組持續(xù)導(dǎo)通 120176?！?120176。針對本設(shè)計，系統(tǒng)完成機械的自動化改裝和硬件設(shè)計之后，根據(jù)軟件編程方法，需要提出軟件的設(shè)計思路，如圖 所示為本系統(tǒng)總體軟件的設(shè)計思路。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 17 圖 3 無刷直流電機 控制器的硬件設(shè)計 18 3 無刷直流電機控制器的硬件設(shè)計 微控制器的選擇：系統(tǒng)采用 ATmega128 為核心控制芯片。 圖 ATmega128 最小系統(tǒng)原理圖 兩個具有獨立的預(yù)分頻器和比較器功能的 8 位定時器 / 計數(shù)器。 6路分辨率可編程（ 1 到 16 位）的 PWM 輸出比較調(diào)制器。 片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)定的 RC 振蕩器。 編輯本段 I/O 封裝。 ATmega128TQFP 封裝現(xiàn)主要有這些型號： ATmega12816AU、 ATmega12816AI。作為輸入使用時 ,若內(nèi)部上拉電阻使能 ,則端口被外部 電路拉低時將輸出電流。端口 8 也可以用作其他不同的特殊功能。 端口 D(PD7~PD0):端口 D 為 8 位雙向 I/0 口 ,復(fù)位發(fā)生時端口 D 為三態(tài)。 端口 F(PFT~PF0):端口 F為 ADC 的模擬輸人引腳。復(fù)位發(fā)生時端口 F 為三態(tài)。 端口 G(PG4~PG0):端口 G為 5位雙向 I/O口 ,并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。端口 G 也可以用作其他不同的特殊功能。超過最小門限時間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。 AVCC:AVCC 為端口 F以及 ADC 轉(zhuǎn)換器的電源 .需要與 Vcc相連接 .即使沒有使用 ADC 也應(yīng)該如此。在上電復(fù)位時保持麗為低電平將使器件進入。 在單片機的應(yīng)用中，人機界面占據(jù)相當(dāng)重要的地位。液晶面板的電極是通過一種 ITO 的金屬化合物蝕刻在上下玻璃基板上。這樣通過在上下 玻璃基板電極間施加不同的交流電壓，即可實現(xiàn)液晶顯示的兩種基本狀態(tài)亮 (On)和暗 (Off)4 無刷直流電機控制器的軟件設(shè)計 21 4 無刷直流電機控制器的軟件設(shè)計 常用的軟件設(shè)計方法有模塊化 — 結(jié)構(gòu)化編程方法、過程化編程方法、面向?qū)ο缶幊谭椒ㄒ约懊嫦蛑悄荏w的編程方法。但在遇見大系統(tǒng)時，這種分解會導(dǎo)致大量的過程和功能塊產(chǎn)生，各個功能塊之間有著復(fù)雜的相互依賴關(guān)系，會帶來一些不好解決的問題；面向?qū)ο缶幊谭椒ㄖ饕獋?cè)重的是每個元素個體的實現(xiàn)方法，忽略各個元素之間存在的相互聯(lián)系；面向智能體編程方法是由人工智能的編程思想發(fā)展而來的，它沒有制定明確的編程規(guī)則，我們可以認為是控制器通過傳感器對自身所處的環(huán)境進行感知的一種能力 [8]。 模塊內(nèi)部包含的主要元素有過程、作用、回饋和知識庫，與這些元素相聯(lián)系的外部元素為輸入、輸出、學(xué)習(xí)和意識。知識庫收到過程的反饋后，分析判斷過程運行的好與壞，并通過意識將判斷結(jié)果輸出。系統(tǒng)不斷的運行重復(fù)這一系列過程，知識庫也不斷的得到更新，模塊的性能不斷得到改善，整個系統(tǒng)的智能性也就有了很大的提高。 管理程序各個功能子程序輸入和輸出有機結(jié)合起來，某個子程序輸出是另一個子程序輸入部分。各個主層模塊的功能圖 所示： 各主層模塊功能圖 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 23 初始化模塊完成主控芯片即 ATmega128 維持正常工作的基本配置以及初始化外圍硬件在上電以后應(yīng)該保持的狀態(tài)。通過配置單片機內(nèi)部倍頻機構(gòu)將單片機的工作頻率設(shè)置為 8MHz。DDRA=0X00。DDRC=0X00。DDRE=0X00。DDRG=0X00。定時器中斷間隔過大則會使得微控制器遺漏一些重要的信息，從而錯過最好的控制時機。自動控制系統(tǒng)來說，下面從各個功能子模塊介紹本系統(tǒng)的管理模塊。由于鍵盤是一組按鈕開關(guān)的集合，在智能儀表中，常采用軟件來識別按鍵，所以，在鍵盤的設(shè)計中應(yīng)同時從硬件和軟件兩方面加以考慮。 (4)鍵盤設(shè)計軟件流程圖 軟件流程圖如下圖所示： 鍵盤軟件流程圖 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 27 控制系統(tǒng)的鍵盤設(shè)計程序中，關(guān)鍵變量是有兩個，一是鍵盤數(shù)據(jù)變量為key_data；二是鍵值有效字判斷變量為 key_ctrl，當(dāng) key_ctrl=0xff 時表示有鍵按 下，否則沒有按鍵按下。但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差， Kp加大，會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。積分作用太強會使系統(tǒng)超調(diào)量加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。 在計算機控制系統(tǒng)中，使用的是數(shù)字 PID控制器， PID 控制規(guī)律的實現(xiàn)必須用數(shù)值逼近的方法。按模擬 PID 控制算法的算式，現(xiàn)以一系列的采樣時刻點 代表連續(xù)時間 ，以和式代替積分，以增量代替微分，則可作如下近似變換 （ ） 式中： 為采樣周期。 由 變換的性質(zhì) 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 29 式（ ）的 變換式為 （ ） 由式（ ）便可得到數(shù)字 PID 控制器的 傳遞函數(shù)為 （ ） 或者 （ ） 數(shù)字 PID控制器如圖 所示。這種算法的缺點是，由于全量輸出，所以每次輸出均與 過去的狀態(tài)有關(guān)，計算時要對 進行累加，計算機運算工作量大。 當(dāng)執(zhí)行機構(gòu)需要的是控制量的增量（例如驅(qū)動步進電動機）時，可由式（ ）導(dǎo)出提供增量的 PID 控制算式。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 31 圖 PID控制算法程序框圖 圖 PID控制系統(tǒng)框圖 可以將式（ ）進一步改寫為 （ ） 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 32 式中 它們都是與采樣周期、比例系數(shù)、積分時間常數(shù)、微分時間常數(shù)有關(guān)的系數(shù)。 由圖 、圖 可以看出，就整個系統(tǒng)而言，位置型與增量型控制算法并無本質(zhì)區(qū)別，或者仍然全部由計算機承擔(dān)其計算，或者一部分由其他部件去完成。此外，當(dāng)計算機發(fā)生故障時，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號的鎖存作用，故能仍然保持原值。因此，在選擇時不可一概而論，一般認為在以晶閘管作為執(zhí)行器或在控制精度要求高的系統(tǒng)中，可采用位置控制算法，而在以歩進電動機或電動閥門作為執(zhí)行器的系統(tǒng)中，則可采用增量控制算法。 模擬量可以是電壓、電流等電信號，也可以是壓力、溫度、濕度、位移、聲音等非電信號。 逐次逼近法 逐次逼近式 A/D 是比較常見的一種 A/D 轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換的時間為微秒級。然后再置逐次逼近寄存器次高位為 1，將寄存器中新的數(shù)字量送 D/A 轉(zhuǎn)換器，輸出的 Vo 再與 Vi 比較，若VoVi，該位 1 被保留，否則被清除。 雙積分法 采用 雙積分法的 A/D 轉(zhuǎn)換器由電子開關(guān)、積分器、比較器和控制邏輯等部件組成。Vi 越大，積分器輸出電壓越大，反向積分時間也越長。 根據(jù) AD 轉(zhuǎn)換器的電壓比較功能實現(xiàn)對無刷直流電機的電流檢測和過流保護功能。 //閉環(huán)模擬比較器 ADCSRA=0X87。速度較低時，因測量時間內(nèi)的脈沖數(shù)變少，誤差所占的比例會變大，所以 M法宜測量高速。速度較高時，測 得的周期較小，誤差所占的比例變大，所以 T法宜測量低速。 定量分析： M/T 法中的“低速”、“高速”如何確定呢？ 假定能接受的誤差范圍為 1%、 M法測得脈沖數(shù)為 f, T 法 測得時間為 t 。不能光憑經(jīng)驗估算確定高低速、傳西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 37 動比、編碼線數(shù)。這次設(shè)計為以后的工作提供了以下寶貴經(jīng)驗 ： 。系統(tǒng)分析人員逐漸理解用戶需求，并且自頂向下逐步細化數(shù)據(jù)流程圖。 結(jié)構(gòu)化方法設(shè)計的軟件結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，缺乏靈活性，可維護性差。 本文所設(shè)計的基于 ATMEGA128 單片機的無刷直流電機控制器具有硬 件結(jié)構(gòu)簡單、保護功能完善主要實現(xiàn)了如下功能 : (1)采用 ATMEGA128 單片機作為主控芯片，加強了電機的智能控制； (2)安全控制電機系統(tǒng)，實現(xiàn)了系統(tǒng)的欠壓保護、過流保護； (3)設(shè)計了逆變器驅(qū)動電路、硬件過流保護電路，提高系統(tǒng)的可靠性 。 參考文獻 40 參考文獻 [1] 邱關(guān)源 .電路 (第 5 版 ).高等教育出版社 . [2] 閻石 .數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) (第 5版 ).高等教育出版社 . [3] 童詩白等 .模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) (第 4版 ).高等教育出版社 . [4] 李發(fā)海等 .電機拖動基礎(chǔ)（第 3版 ).清華大學(xué)出版社 . [5] 王兆安等 .電力電子技術(shù)（第 5版 ).機械工業(yè)出版社 . [6] 孫傳友 等 .現(xiàn)代檢測技術(shù)及儀表 .高等教育出版社 . [7] 胡文靜 .永磁無刷直流電動機的發(fā)展 .微特電機學(xué)報 ,2020,35（ 4）： 34～ 38 [8] 蔡耀成 .無刷直流電機中的霍爾傳感器 .微特電機學(xué)報 ,1999,27（ 5)23～ 25 [9]。 通過本次的畢業(yè)設(shè)計，我系統(tǒng)的學(xué)習(xí)了有關(guān) ATMEGA128 系列單片機的知識，而且進一步了解了單片機編程技巧，設(shè)計過程中遇到許多新的問題，讓我對軟件開發(fā)從理論的探討到實際中的實踐這樣相互聯(lián)系又相互分離的過程有 了全面的認識，使我收獲不少，受益非淺 由于時間與能力有限，本文所設(shè)計的控制系統(tǒng)還有待于進一步的改進，比如可采用無位置傳感器的控制方法，利用軟件檢測電機的反電動勢，從而省去位置傳感器，降低硬件成本，提高可靠性 。當(dāng)軟件工程的規(guī)模比較大，用戶需求經(jīng)常變更的情況下，不宜使用結(jié)構(gòu)化方法。當(dāng)需求變更時，功能分解就要重新進行，功能變化就會導(dǎo)致軟件模塊結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，造成了軟件結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。不同的人轉(zhuǎn)換出的結(jié)果可能不同，有很大的隨意性，這是做工程非常忌諱的，質(zhì)量很難評價。 圖 霍爾傳感器反饋信號圖 采用 M法，定時周期為 1ms，根據(jù)從單個霍爾傳感器所讀取脈沖個數(shù)計算無刷直流電機轉(zhuǎn)速，完成對無刷直流電機速度采集。 若 V1 V2，則 M/T 法能滿足全范圍內(nèi)的速度測量。 M 法、 T 法各且優(yōu)劣和適應(yīng)范圍，編碼器線數(shù)不能無限增加、測量時間也不能太長 (得考慮實時性 )、計時單位也不能無限小，所以往往候 M法、 T 法都無法勝任全速度范圍內(nèi)的測量。 T法是測量兩個脈沖之間的時間換算成周期，從而得到頻率。脈沖測速最典型的方法有測頻率(M法 )和測周期 (T 法 )。 //先關(guān) ADC ADMUX=0X10。 雙積分式 AD 轉(zhuǎn)換原理圖 電壓頻率轉(zhuǎn)換法 采用電壓頻率轉(zhuǎn)換法的 A/D轉(zhuǎn)換器，由計數(shù)器、控制門及一個具有恒定時間的時鐘門控制信號組成，電壓頻率式 AD轉(zhuǎn)換器原理圖 它的工作原理是 V/F 轉(zhuǎn)換電路把輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與模擬電壓成正比的脈沖信號。間隔轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，屬于間接轉(zhuǎn)換。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將逐次逼近寄存器中的數(shù)字量送入緩沖寄存器，得到數(shù)字量的輸出。 基本原理是從高位到低位逐位試探比較，好像用天平稱物體，從重到輕逐級增減砝碼進行試探。 A/D 轉(zhuǎn)換后，輸出的數(shù)字信號可以有 8 位、 10位、 12 位和 16 位等。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 (論文 ) 33 圖 增量型 PID控制算法的程序框圖 在 系統(tǒng)的調(diào)試運行過程中，通過 LCD管顯示電機的轉(zhuǎn)速?？刂圃隽?的確定，僅與最近 次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果。 1）由于計算機輸出增量，因此誤動