【正文】 ...................................... 40 系統(tǒng)硬件可靠性設(shè)計(jì) ........................................ 40 電源與集成芯片去耦 .................................... 40 電磁兼容設(shè)計(jì) .......................................... 41 本章小結(jié) .................................................. 41 第 4 章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) ............................................. 42 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)概述 .......................................... 42 主程序的設(shè)計(jì) .............................................. 43 各功能模塊的設(shè)計(jì)思想 ...................................... 45 位置檢測模塊 .......................................... 45 幻想控制模塊 .......................................... 45 A/D 采樣模塊 ........................................... 47 雙閉環(huán)控制模塊 ........................................ 48 軟件的可靠性設(shè)計(jì) .......................................... 51 采用模塊化程序設(shè)計(jì)方法 ................................ 51 合理安排中斷 .......................................... 51 程序“跑飛”與“死鎖”的解脫 .......................... 52 本章小結(jié) .............................................. 52 總 結(jié) ........................................................... 53 致 謝 ........................................................... 54 參考文獻(xiàn) ......................................................... 55 附錄 1：電動自行車驅(qū)動系統(tǒng)原理圖 ................................. 57 第 1 章 緒 論 課題的研究背景與發(fā)展?fàn)顩r 二十一世紀(jì)是“綠色環(huán)?！钡氖兰o(jì)，環(huán)境保護(hù)和能源節(jié)約問題已成為新世紀(jì)最為突出的兩大主題,而汽車行業(yè)與這兩大主題都息息相關(guān)，所以汽車產(chǎn)業(yè)無疑要發(fā)生新的革命。本課題采用 ATMEL 公司 AVR 系列單片機(jī) ATmgea16 作為控制芯片，兼顧成本與性能要求，做了以下方面的工作：首先，綜述了電動自行車和稀土無刷直流電機(jī)的國內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顩r，基于其應(yīng)用的特點(diǎn)，對電機(jī)的類型、控制策略、功率變換器與控制核心進(jìn)行了綜合的考慮，提出了適合此情況的稀土無刷直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)方案。其次，根據(jù) AVR 單片機(jī)的特點(diǎn)詳細(xì)設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的控制策略：將電流檢測設(shè)計(jì)成分流電阻間接測流；將調(diào)速系統(tǒng)設(shè)計(jì)為電流、速度雙閉環(huán)控制，以保證調(diào)速的精度和響應(yīng)速度，并在軟件中分別用 PI 算法來實(shí)現(xiàn)；制定了電機(jī)“軟起動”控制方案；采用了高性能的驅(qū)動集成電路 IR2130 來驅(qū)動 MOFSET 組成的全橋逆變電路；將 PWM 波的發(fā)生及系統(tǒng)保護(hù)等功能采用主控芯片集中處理，增加了系統(tǒng)的可靠性。隨著工業(yè)化和城市化的推進(jìn)，汽車廢氣排放及對石油資源的過度消耗所引發(fā)的環(huán)境、能源問題也日益嚴(yán)重，已經(jīng)引起了世界各國的普遍重視。而且汽車廢氣排放出的氮氧化物與碳?xì)浠衔镌谧贤饩€的作用下，易形成高毒性的光化學(xué)煙霧，污染我們賴以生存的自然環(huán)境，直接危害人體健康，城市空氣污染情況日趨嚴(yán)重，控制汽車廢氣污染已成為環(huán)保部門的嚴(yán)峻課題。但是石油價(jià)格在 20 世紀(jì) 70 年代末開始下跌,電動汽車的商業(yè)化失去了動力,電動汽車的發(fā)展走入低谷。但是有部分相關(guān)技術(shù)水平還存在一定問題，市場的孕育還未完全進(jìn)入良性循環(huán)，有待進(jìn)一步改善 。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)對設(shè)計(jì)最高時(shí)速、空車質(zhì)量、外形尺寸的相關(guān)規(guī)定，電動自行車歸屬非機(jī)動車管理范疇，應(yīng)同時(shí)具備以下 5 個(gè)特征：必須具備腳踏行駛功能，蓄電池只作為輔助能源；必須具備兩個(gè)車輪；設(shè)計(jì)車速不大于 20 公里/小時(shí)；整車重量不大于 40 公斤；輪胎寬度（胎內(nèi)）不大于54 毫米。根據(jù)電機(jī)的換向方式，直流電機(jī)可分為機(jī)械換向的有刷直流電機(jī)和電子換向的無刷直流電機(jī)。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)，由于電力電子技術(shù)，微電子技術(shù)，微機(jī)和稀土永磁材料的發(fā)展為無刷直流電機(jī)的研究奠定了基礎(chǔ)。本文所研究的驅(qū)動系統(tǒng)便是采用直接驅(qū)動的無刷直流電機(jī)。由模擬器件構(gòu)成的控制器只能實(shí)現(xiàn)簡單的控制，功能單一升級換代困難，而且由分立器件構(gòu)成的系統(tǒng)控制精度不高，溫度漂移，器件老化嚴(yán)重，使得維護(hù)成本增高，限制了它的發(fā)展和應(yīng)用。在論文的后續(xù)章節(jié)中將對其作詳細(xì)介紹。一般燃料電池比能量都高于鉛酸電池，其應(yīng)用的主要難點(diǎn)在于如何縮小反應(yīng)裝置和提高反應(yīng)速度，同時(shí)安全性問題和制造價(jià)格問題還有待進(jìn)一步完善。還有一種外轉(zhuǎn)子式結(jié)構(gòu)，即帶有稀土永磁極的轉(zhuǎn)子在外，嵌有繞組的定子在里。它由定、轉(zhuǎn)子組成，其轉(zhuǎn)子與電動機(jī)同軸，以跟蹤電機(jī)本體轉(zhuǎn)子位置；其定子固定于電機(jī)本體定子或端蓋，以感應(yīng)和輸出轉(zhuǎn)子位置信號。電流流通aF路徑為：電源正極→ 管→A 相繞組→B 相繞組→ 管→電源負(fù)極。故 A、C 相繞組導(dǎo)通的狀態(tài)對應(yīng)的霍爾信號邏輯為 、 、 。導(dǎo)通型。eK由方程式 222 可得式 23= = （式 2neKEeaxpcrIU??3）在轉(zhuǎn)速不變時(shí)，轉(zhuǎn)矩平衡方程式用式 24 表示。s ） ；j 2—轉(zhuǎn)子的機(jī)械角加速度(rad/s )。 （式 2BABABBAAAd edtiLtidtiMRidttiLRieU ??????8）式中：、 —A、B 相電勢，電動運(yùn)行時(shí)最大幅值 ，e 2dUE?、 —相電阻， = = ；BRARB、 —相電感， = = ；ALL、 —兩相互感， = = ；MAMBA—蓄電池電壓；dU、 —相電流；AiB設(shè) ，上式可改寫為式 ??+ = （式 2dtiL)(R)]([21BAdeU?9） 在電動運(yùn)行時(shí)，換相前電路電流為零，換相后 0。本法不需要改接電源極性，且在電機(jī)轉(zhuǎn)速低于額定空載轉(zhuǎn)速時(shí)可實(shí)現(xiàn)電磁制動，同時(shí)向電源(蓄電池)回饋能量，從而可被系統(tǒng)再次利用。2由 可得042????aavREd?UE21??又由 = 0，可得，在 時(shí)電源側(cè)獲得最大功率的能0??PavaU2量回饋，另一方面，由平均電流方程式可知，α 值越大，則電動機(jī)的制動電流即制動轉(zhuǎn)矩越大。又因?yàn)楣β示w管的飽和管壓降隨著集電極電流的變化而變化，在基極電流不變時(shí)。又從方程式(217)可見，改變電源電壓，可以很容易地改變輸出轉(zhuǎn)矩(在同一轉(zhuǎn)速下)或(在同一負(fù)載下)。 “軟啟動”的電控方案解決了零狀態(tài)起步耗電大的問題，大幅度地提高了一次充電的續(xù)行里程。 位置檢測信號處理單元在對無刷直流電機(jī)的控制中，磁極位置的測定直接決定了控制效果的好壞。這樣，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，三個(gè)霍爾元件便交替輸出三個(gè)寬為 180176。U i0tU o0tU st 1 t 2T圖 26 輸入輸出電壓波形電動機(jī)電樞繞組兩端的電壓平均值 用式 218 表示。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。iT增量型算法表達(dá)式用式 220 表示。 （式 2)()(TkekTe???21） （式 2?，)()()()( kTeKkeTkupl???? 0E?22） （式 2，p0?23）積分分離算法要設(shè)置積分分離閥 ， 時(shí)，采用 PI 控制，可保證系0E0)(kTe?統(tǒng)的控制精度；當(dāng) 時(shí)，也即偏差較大時(shí)，采用 P 控制可使超調(diào)量為降0)(kTe?低。而全橋逆變器的控制比較簡控制信號，且任一時(shí)刻導(dǎo)通的兩相電流相等，只要對其中一相電流進(jìn)電流也得到了控制。逆變器的驅(qū)動形式主要有三種：雙極性 PWM、單極性 PWM 和倍頻 PWM。終上分析，本文針對電動自行車用的永磁無刷直流電機(jī)的驅(qū)動控制采用單極性 PWM 實(shí)現(xiàn)。前者是在直流側(cè)近地端串上一個(gè)電阻，將放大后的信號傳給驅(qū)動集成電路 IR2130，利用其內(nèi)部的過流、直通、過壓、欠壓等檢測功能，在發(fā)生故障時(shí)將故障信號輸出給單片機(jī)，有單片機(jī)對 PWM 的脈寬進(jìn)行鉗位，使加在繞組上的電壓值不能太高，這樣就起到了過流保護(hù)作用。它是基于AVR RISC、低功耗 CMOS 的 8 位單片機(jī)，芯片內(nèi)部集成了較大容量的存儲器和豐富強(qiáng)大的硬件接口電路，具備 AVR 高檔單片機(jī) MEGE 系列的全部性能和特點(diǎn)，但由于采用了小引腳封裝，所以其價(jià)格僅與低檔單片機(jī)相當(dāng)，成為 AVR 高檔單片機(jī)中內(nèi)部接口豐富、功能齊全、性能價(jià)格比最好的品種。 控制系統(tǒng)組成 ATmega16；，本系統(tǒng)需要兩路不同等級的電源，＋5V 與＋15V，采用三端集成穩(wěn)壓器；3. 轉(zhuǎn)子位置信號處理，檢測轉(zhuǎn)子位置，送至 AVR 的中斷引腳；4. 電流采樣部分，通過檢測定子及直流側(cè)電流，完成保護(hù)功能，并將電流和保護(hù)信號送至 AVR 單片機(jī)；，驅(qū)動電路采用的是美國 RI 公司最新 6 單元驅(qū)動集成電IR2130，來自 AVR 單片機(jī)的輸出信號通過驅(qū)動電路驅(qū)動各功率開關(guān)管的導(dǎo)通、斷開；，由可調(diào)電位器將轉(zhuǎn)速的給定信號送到 AVR 的 ADC 口；，如 PWM 輸出，電池欠壓保護(hù)，剎車環(huán)節(jié)，液晶顯示、按鍵電路，故障指示等。三端固定集成穩(wěn)壓電路的使用非常方便，而且其內(nèi)部含過流、過熱和過載保護(hù)電路所以采用 7815 和 7805 構(gòu)成三端正穩(wěn)壓器電路。5V10KR673C98P4A(三BGND2O圖 34 位置檢測電路電流反饋和過電流保護(hù)是所有驅(qū)動裝置不可缺少的環(huán)節(jié)。 1920876+圖 37 功率驅(qū)動電路驅(qū)動電路采用的是美國 RI 公司最新 6 單元驅(qū)動集成電 IR2130。一旦外電流發(fā)生過流或者直通，即電流檢測單元送來的信號高于 05V 時(shí)，則 IR2130 內(nèi)部的電流比較器迅速翻轉(zhuǎn)，促使故障邏輯處理單元輸出低電平，一則封鎖 3 路輸入脈沖信號處理器的輸出，使 IR2130 的輸出全為低電平，保護(hù)功率管；另一面 FAULT 腳輸出故障指示。提供給電機(jī)的電壓或者電流就是這種調(diào)制信號。表 31 T/C1 的時(shí)鐘源選擇CS12 CS11 CS10 說明0 0 0 無時(shí)鐘源（T/C1）被停止0 0 1 CK 系統(tǒng)時(shí)鐘0 1 0 CK/8(來自預(yù)分頻器)0 1 1 CK/64(來自預(yù)分頻器)1 0 0 CK/256(來自預(yù)分頻器)1 0 1 CK/1024(來自預(yù)分頻器)1 1 0 外部 T1 腳，下降沿驅(qū)動1 1 1 外部 T1 腳，上升沿驅(qū)動在 T/C1 的控制寄存器 AT(CCRIA)中可以設(shè)置 PWM 為 8 位、9 位或 10 位。1324567098ABYGNDCHIPWMKRnFO+VLS圖 38 PWM 波的輸出控制電路 速度給定環(huán)節(jié)調(diào)速是電動自行車不可缺少的一個(gè)功能。K 點(diǎn)的電壓 將隨著可調(diào)電阻位置的變換而變換，向上調(diào)，KU值增大；向下調(diào)， 值減小。表 32 OC1 方式選擇COM1A1 COM1A2 在 OC1 上的作用0 0 不連接0 1 不連接1 0 清比較匹配值，向上計(jì)數(shù)置比較匹配值，向下計(jì)數(shù)（PWM 不翻轉(zhuǎn)）1 1 清比較匹配值，向下計(jì)數(shù)置比較匹配值，向上計(jì)數(shù)（PWM 不翻轉(zhuǎn)）在相位、頻率可調(diào) PWM 模式下，計(jì)數(shù)器為雙程計(jì)數(shù)器:從 0x0000 一直加到TOP(可以為固定的 10 位)，在下一個(gè)計(jì)數(shù)脈沖到達(dá)時(shí)，改變計(jì)數(shù)方向，從TOP 開始減 1 計(jì)數(shù)到 0x0000。比較寄存器的值不斷與定時(shí)器計(jì)數(shù)器的值比較，當(dāng)兩個(gè)值匹配時(shí)，在相應(yīng)的輸出上就會產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)換(由高到低或由低到高)。同樣若發(fā)生工作電源欠壓，則欠壓檢閱器迅速翻轉(zhuǎn)，也會進(jìn)行類似動作。如圖 37 所示，VB1~VB3 是懸浮電源連接端，通過自舉電容為 3 個(gè)上橋臂功率管的驅(qū)動器提供內(nèi)部懸浮電源；VS1—VS3 是其對應(yīng)的懸浮電源地端。由于 ATmega16 的 A/D 輸入信號范圍是 0~5v，用 LM358 構(gòu)成的同相放大器，把信號進(jìn)行低通濾波后再由 RC 電路籍位，然后送到單片機(jī)的 ADC口，這樣即有效的消除了尖峰噪聲影響，又起到了過壓保護(hù)的作用，電路如圖 35 所示。其原理圖見圖 33 所示。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16 的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá) 1