【正文】 結(jié)構(gòu)，131 條指令，大多數(shù)指令執(zhí)行時間為單個時鐘周期，32個 8 位通用工作寄存器，16K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash，擦寫壽命: 10000 次；512 字節(jié)的 EEPROM，擦寫壽命:100000 次 8 位定時器/計數(shù)器，一個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的 16 位定時器/計數(shù)器，具有獨立振蕩器的實時計數(shù)器RTC，四通道 PWM，8 路 10 位 ADC：上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測，片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)定的 RC 振蕩器，片內(nèi)/ 片外中斷源 種眠模式:空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby模式以及擴(kuò)展的 Standby 模式其引腳圖見 32 所示+VK97ankry()/8XNGtmeg圖 32 ATmega16 引腳圖 控制電源電路設(shè)計由于直流無刷電動機(jī)的額定電壓為 24V，所以電動自行車采用額定電壓為 24V的蓄電池。由于其先進(jìn)的指令集以及單時鐘周期指令執(zhí)行時間，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá) 1 MIPS/MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。第 3 章 硬件系統(tǒng)概述 本文選用 AVR 單片機(jī) ATmega16 為控制核心，它不僅具有強(qiáng)大高速的運算處理能力，而且在片內(nèi)集成了豐富的電機(jī)控制外圍部件，這就大大簡化了控制電路的硬件設(shè)計，加之采取了“硬件軟化”的設(shè)計方案，使得整個控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計比較簡潔。，存儲空間足以滿足系統(tǒng)需要，并為系統(tǒng)的擴(kuò)展提供了必要保證； 個可編程工/0 口，可任意定義工/0 的輸入/輸出方向；驅(qū)動能力強(qiáng)，可直接驅(qū)動 LED 等大電流負(fù)載，且多數(shù)的 I/0 口為復(fù)用口，除了作為通用數(shù)字 I/0使用外，其第二功能可作為芯片內(nèi)部其他外圍電路的接口：，除了能夠?qū)崿F(xiàn)通常的定時和計數(shù)功能外，還具有捕捉、比較、脈寬調(diào)制輸出、實時時鐘計數(shù)等更為強(qiáng)大的功能： ADC 和 DAC 轉(zhuǎn)換，可直接輸入模擬量、輸出數(shù)字量；，一旦程序進(jìn)入死循環(huán)能自動復(fù)位，保證系統(tǒng)工作的可靠性；、省電、掉電三種低功耗方式，很適合低功耗系統(tǒng)的要求。當(dāng)然這種速度上的升躍，是以高可靠性為其后盾的。 核心控制期間的選擇基于以上對控制策略的分析與研究，本系統(tǒng)是一個要求高速、高效、高可靠性的控制系統(tǒng)。因此，要在蓄電池正極與地之間串上分壓A/D 采樣，單片機(jī)根據(jù)采樣結(jié)果判斷電池是否正常工作，如發(fā)生過壓警報，并切斷電源以保護(hù)電池 。完善的保護(hù)環(huán)節(jié)不但可以延長系統(tǒng)的使用壽命，而且使其可靠性大大提高，也保障了使用者的安全?；谕瑯拥?PWM 調(diào)制頻率，采用倍頻型 PWM 則可以獲得兩倍于前兩種 PWM 方式的電壓調(diào)制頻率，可以進(jìn)一步減小逆變器開關(guān)調(diào)制所對應(yīng)的電流紋波。為了避免在開關(guān)過程中橋臂出現(xiàn)直上下管切換期間需要嵌入死區(qū)，即兩者同時處于斷開狀態(tài)。所以本系統(tǒng)用 IR2130 來驅(qū)動 MOSFET 組成的全橋逆變器，驅(qū)動時采用 120176。全橋型逆變電路有六個功率開關(guān)器件，若每個開關(guān)器件都用一單獨的驅(qū)動電路驅(qū)動，則造成系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜且可靠性也會下降。在本控制系統(tǒng)中就采用了 MOSFET 組成逆變器的變換電路。= （式 2)(kTu?)(21kTxwKii??24）為對應(yīng)與 的加權(quán)系數(shù)， 為神經(jīng)元比例系數(shù)。對于速度環(huán)的控制本系統(tǒng)根據(jù) AVR 單片機(jī)邏輯判斷能力強(qiáng)、編程靈活的特點采用改進(jìn)的 PI 算法一一積分分離 PI 算法來實現(xiàn)。2p?它們兩者在本質(zhì)上是一樣的，但是相比位置型算法，增量式算法有很大的優(yōu)點：，所以由誤動作造成的影響比較??；；，增量只與最近的兩次采樣有關(guān)，容易獲得較消除了當(dāng)偏差存在時產(chǎn)生飽和的危險。位置型 PI 算法的表達(dá)式用公式 219 表示。此外，電流環(huán)的等效時間常數(shù)比較小，當(dāng)系統(tǒng)受到外來干擾時它能比較快速的作出響應(yīng)，抑制干擾的影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。這種控制方式把速度調(diào)節(jié)器作為主調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器作為輔助調(diào)節(jié)器。所以當(dāng)電源電壓 Us 不變時，電樞的端電壓的平均值 U 取決0于占空比的大小，改變 α 值就可改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的。圖 26 是對電機(jī)進(jìn)行 PWM 調(diào)速控制時的電樞繞組兩端的電壓波形。這種方案對于 A/D 轉(zhuǎn)換的精度和軟件數(shù)據(jù)處理有一定要求，但是造價很低，本系統(tǒng)采用第 2 套方案。 電流檢測信號處理單元電流檢測是系統(tǒng)電流環(huán)控制的重要環(huán)節(jié)，對于電流檢測有兩種方案：。電角的矩形波信號。電角度，永磁體的極弧寬為 180176。?120本系統(tǒng)采用霍爾元件式位置傳感器來檢測電機(jī)的位置信號。常規(guī)的換相運行是直接根據(jù)位置傳感器傳來的信號進(jìn)行換相控制，同時將電機(jī)速度反饋信號和手把給定的速度信號相減，得出偏差，經(jīng)過控制算法得出控制量。再把控制量以 PWM 的形式輸出給驅(qū)動電路，由驅(qū)動電路調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓，就調(diào)節(jié)了電機(jī)的電流大小，從而調(diào)節(jié)電磁轉(zhuǎn)矩；當(dāng)電磁轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩平衡時，系統(tǒng)的速度便達(dá)到了給定?？刂齐娐返闹饕δ苁峭瓿呻姍C(jī)的起動、換相、調(diào)速、制動等控制并實現(xiàn)對電機(jī)、電池的保護(hù)；驅(qū)動電路的主要功能是利用工 RI2130 的自舉技術(shù)驅(qū)動功率 MOSFTE 管控制電機(jī)電流；而外圍輔助電路主要完成信號的采樣、對電路的供電、發(fā)出報警信號等功能。根據(jù)所需的系統(tǒng)運動特性，按表 23 可確定電機(jī)應(yīng)該具備的機(jī)械特性，同時還要求所選擇或設(shè)計的電機(jī)可以在有限的電源電壓下正常運行。如果負(fù)載不變，提高外加直流電壓，則轉(zhuǎn)速升高，逆變器的頻率提高，反電勢增大，使電流減小，電磁轉(zhuǎn)矩又呈現(xiàn)減小趨勢，這樣就使電機(jī)維持在一個較高的轉(zhuǎn)速下運行。所以，隨著轉(zhuǎn)速的減小，電動機(jī)的反電勢也減小，電樞電流增加，△U 增大，到一定值以后，增加較快。當(dāng)方程式 217 右邊兩項相等時，電磁轉(zhuǎn)矩為零，此時的轉(zhuǎn)速即為理想空載轉(zhuǎn)速。由方程式(21)(22)(23)可知式 216 和式 217。制動電流值在理論上可以很大，其主要受控制器功率器件的電流限制。根據(jù)無刷直流電動機(jī)的驅(qū)動原理，當(dāng)對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速驅(qū)動時，施加在電機(jī)繞組上的是與繞組感生電動勢反向的 PWM 斬波直流電壓。蓄電池的能量輸出與制動過程有關(guān)。1P （式 2iUPd?110） 電機(jī)的電磁功率 及電磁轉(zhuǎn)矩 的大小可以用式 211 和式 212 兩式計算：ememT （式 2iPBAe)(??11） （式 2?emT12）式中：Ω—轉(zhuǎn)子角速度。 電動運行特性 在電動運行狀態(tài)下，6 只開關(guān)管任意時刻只有 2 只開關(guān)管導(dǎo)通，分別屬于上橋臂和下橋臂,用圖 25 表示。 起動特性由方程式 225 、26 可知，電動機(jī)在起動時，由于反電勢為零，因此電樞電流( 即起動電流) 用公式 27 表示。TK在轉(zhuǎn)速變動情況下得出式 26 （式 2dtJTL???06）式中：—轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)動慣量（Nm)T—輸出轉(zhuǎn)矩(NU?V對于不同的電樞繞組形式和換向線路形式，電樞反電勢均用式 22 表示。霍爾元件信號 導(dǎo)通繞組 導(dǎo)通管子 uhABhC BAV V16 CV V 2 hABhC V V3 ABV V 4 uhABhCCV V5 V V 6t?tA B C?6012?80?403?60?42022?40?36V 1V 3V 5V 4V 4V 6V 2tt?t?圖 24 三相繞組與各開關(guān)管導(dǎo)通順序關(guān)系 電機(jī)的運行特性分析電動機(jī)是一種輸入電功率、輸出機(jī)械功率的原動機(jī)械。每個開關(guān)管的導(dǎo)通角為 120176。表 21 正轉(zhuǎn)時相互位置關(guān)系當(dāng)轉(zhuǎn)子每轉(zhuǎn)過 60176。電流流通路徑為：電源正極→ 管→A 相繞組→C 相繞組→ 管→電源負(fù)極。當(dāng)轉(zhuǎn)子經(jīng)過 60176。ACYZXBNSFaFf圖 23(a) 正轉(zhuǎn)時位置關(guān)系此時霍爾元件 A、B 在傳感器磁場作用下，有高電平輸出 ，霍爾1?kBAu元件 C 不受磁場作用， 。三個霍爾元件沿圓周均勻分別粘貼于電機(jī)端蓋上，彼此相差 120176。驅(qū)動電路將控制電路的輸出信號進(jìn)行功率放大，并向各開關(guān)管送去能使其飽和導(dǎo)通和可靠關(guān)斷的驅(qū)動信號。這種結(jié)構(gòu)形式最適用于電動車輛的驅(qū)動。稀土永磁電動機(jī)本體是由帶有電樞繞組的定子和永磁轉(zhuǎn)子組成。它作為化學(xué)蓄電池的輔助能源，可以顯著減小電動車輛對化學(xué)蓄電池的尖峰功率輸出的要求，在電動車輛中的應(yīng)用也越來越受到重視。與傳統(tǒng)的鉛酸電池相比，這些新型電池在性能上已經(jīng)有了很大的提升，但在功率密度上還不能和燃油相媲美。車載蓄電池要求有高的比能量、比功率、循環(huán)使用壽命、低成和合理地運行環(huán)境以及便于回收等特性。??5本論文根據(jù)電動自行車控制系統(tǒng)的功能設(shè)計要求，希望選用的微處理器具有響應(yīng)速度快、功耗低、體積小、價格低廉以及組成系統(tǒng)時所需要的外圍器件少的特點。全數(shù)字系統(tǒng)簡化了硬件，縮小了裝置體積，消除了溫度變化的影響，升級換代十分容易，控制精度不斷提高，重復(fù)性能也更好了?，F(xiàn)代控制技術(shù)的發(fā)展與微處理器的發(fā)展息息相關(guān)，可以說，每一次微處理器的進(jìn)步都推動了控制技術(shù)的一次飛躍。由于應(yīng)用了電力電子技術(shù)，電機(jī)的控制技術(shù)變得更加靈活，效率也更高了。從電動自行車的性能要求看，無刷直流電機(jī)即具有直流電機(jī)動態(tài)特性好、調(diào)速性能優(yōu)良的特點，又具有交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠、維護(hù)方便等優(yōu)點，且電磁轉(zhuǎn)矩大、脈動小。與其它電機(jī)相比它具有幾個明顯優(yōu)點: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引起的問題。過去無刷直流電機(jī)主要應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，隨著新材料的應(yīng)用和電子元器件的發(fā)展，無刷直流電機(jī)已大規(guī)模用于工業(yè)，商業(yè)和家電導(dǎo)領(lǐng)域，節(jié)能、靜音和免維護(hù)使其應(yīng)用領(lǐng)域越來越寬。但是直流機(jī)的體積和重量都較大，噪音也大，它采用電刷和換向器進(jìn)行電流換相，會產(chǎn)生電火花，而且碳刷容易磨損、損壞，增大維護(hù)、維修難度、增加使用成本。目前車輛驅(qū)動用的電動機(jī)類型大致有以下幾類， 分別為直流電機(jī)、交流異步電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)。它雖然具有普通自行車的外表特征（甚至具有摩托車的外表特征） ，但是主要的是，它是在普通自行車的基礎(chǔ)上，安裝了電機(jī)、控制器、蓄電池、轉(zhuǎn)把閘把等操縱部件和顯示儀表系統(tǒng)的機(jī)電一體化的個人交通工具。我國電動自行車產(chǎn)量迅速增長，具體數(shù)據(jù)見表 11。以北京為例，2022 年 1 月，據(jù)不完全統(tǒng)計，北京市的電動自行車不到 2 萬輛，而到了 6 月份已有 5 萬多輛電動自行車在北京的大街小巷穿行。而與汽車相比，靈活方便的中短途個人交通工具，如自行車、助動車和摩托車等，在全球依然占據(jù)絕大多數(shù)。20 世紀(jì) 90 年代開始，新一代電動汽車不斷涌現(xiàn)，1997 年 10 月底問世的混合動力電動汽車普銳斯prius，是世界上最早實現(xiàn)批量生產(chǎn)的電動汽車。20 世紀(jì)70 年代初期,美國、英國、法國、德國、意大利、日本等都開始發(fā)展電動汽車。所以，世界上的各個主要汽車生產(chǎn)和使用國紛紛制定了類似的政策或法規(guī)，并投入巨資，開發(fā)研究新型零排放汽車—電動車。據(jù)統(tǒng)計，在美國地區(qū)，43%的非甲烷有機(jī)物、57%的氧化氮、82%的一氧化碳都是汽車廢氣排放產(chǎn)生的，而全世界 20%的一氧化碳排放量來源于汽車廢氣。溫室氣體的大量排放導(dǎo)致全球氣溫上升，恒河 20 年后或干枯、圖瓦盧 50 年后沉入海底、馬爾代夫沉沒進(jìn)入百年倒計時……這并不是預(yù)言家有意制造的聳人聽聞的無聊預(yù)測，而是科學(xué)家在考慮溫室氣體排放后給地球開出的診斷書，氣候變化已經(jīng)使“拯救地球”的行動刻不容緩。using highperformance integrated circuit IR2130 driver to drive MOFSET fullbridge inverter circuit prising。關(guān)鍵詞：稀土無刷直流電機(jī) AVR 控制系統(tǒng) PWMAbstractWith the development of social civilization and scientific progress, human material and cultural living standards and environmental protection, energy, awareness of the munity calling for a pollutionfree, low noise, simple operation, the speed of personal transportation affordable means of transport As an ideal green means of transport, electric bicycle brings the gospel Taking into account China39?？紤]到我國目前的國情，電動自行車將迅速得到普及。電動自行車作為一種理想的“綠色”代步工具，為人們帶來了福音。最后，依據(jù)控制策略設(shè)計了系統(tǒng)軟、硬件。developing a motor soft start control scheme 。人類面臨的最大的環(huán)境問題歸納起來有三個方面：大氣污染、水資源污染以及生態(tài)環(huán)境遭受破環(huán)。 研究顯示，造成大氣污染的氣體主要由非甲烷有機(jī)物、氧化氮、一氧化碳組成。因此近幾十年來，世界各國政府、學(xué)術(shù)界以及工業(yè)界一直努力致力于研究開發(fā)和推