【導讀】專業(yè)年級：電子信息科學與技術

　　

【正文】 中判斷，若按下 MOD鍵小于 2秒，則進入助力模式 :若按下 MOD鍵 23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。 AD轉換 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過轉換的數(shù)據放入相應的存儲單元，供其他子程序調用， AD轉換子程序，如圖 。 PIC16F72單片機內部的 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/D轉換引腳功能選擇位可以分配模擬和數(shù)字通道。 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 時間要求，即 TAD不得小于 。 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 ，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。 第 22 頁 共 32 頁 圖 模數(shù)轉換子程序 流程圖 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。 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, 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 : ① ADC_RES內的值應大于 0X03，否則認為無效； ② ADC_RES應小于 251(即 2554)，否則認為無效； ③ XX_TMP應大于 (ADC_RES3) ，否則認為無效； ④ XX_TMP應小于 (ADC_RES+4)，否則 認為無效。 程序認為無效后就退出此輪采樣，不保留采樣值。 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 。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。 表 電源電壓 數(shù)字量 電池電量 1級變 196 電池電量 2級 188 電池電量 3級 177 電池電量 4級 169 入口 ,通道號 初始化 ADC 延時等待 讀取轉換結果 返回 ,讀通道結果 第 23 頁 共 32 頁 表 (SP)轉換數(shù)值表 轉把電壓 0V 5V 數(shù)字量 0 56 132 169 255 PWM(脈沖寬度調制 ) PIC16F72系列單片機配有輸入捕捉 /輸出比較 /脈沖寬度調制 CCP模塊。其中脈寬調制輸出工作模式，適合用于從引腳上輸出脈沖寬度隨時可調的 PWM信號，例如實現(xiàn)直流電機調速、步進電機的變頻控制等。 當 CCP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 )。 周期 周期 脈寬 TMR2=周期值時 TMR2=脈寬值時 圖 脈寬調制器輸出波形 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 : PWM周期 =[(PR2)+1]X4XToscX(TMR2預分頻 ) () 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 : PWM高電平時間 = (CCPRIL: CCPICON5: 4)XToscX(TMR2分頻比 ) () 其中， CCPRIL: CCPICON5: 4代表由 2個寄存器拼裝組合得到的 10位數(shù)據 。Tosc為 系統(tǒng)時鐘周期 。TMR2預分頻比可以是 1,4 或 16。 PR2值的確定 :因為系統(tǒng)所需要的 PWM的頻率約為 20kHz，根據式 ,當 PR2為 41時， PWM的頻率為 kHz，達到要求， Tosc為 。 位置信號和驅動信號的對應關系 第 24 頁 共 32 頁 功能 :反應電機轉子當前位置，據此判斷控制信號并計算電機轉速 。 符號 :Sa,Sb,Sc傳感器位置信號 。 Ta,Tb,Tc上橋臂控制信號 。 Ba,Bb,Bc下橋臂控制信號 。 屬性 :Sa,Sb,Sc輸入信號 ,3位二進制數(shù) 。 Ta,Tb,Tc,Ba,Bb,Bc輸出信號 。 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 。 表 輸入 輸入 輸出 輸出 60 度 120 度 頂部驅動 底部驅動 Sa Sb Sc 1 0 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 0 0 0 Sa Sb Sc 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 1 0 1 Ta Tb Tc 0 1 1 1 0 1 1 0 1 1 1 0 1 1 0 0 1 1 Ba Bb Bc 0 0 1 0 0 1 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 0 數(shù)字 PI速度調節(jié) 位置型 PID算法程序的設計 在模擬系統(tǒng)中， PID算法的表達式為 ： dt tdedttetetP TTK DlP )()(1)([)( ? ??? () 式中， P(t)調節(jié)器的輸出信號 。e(t)調節(jié)器的偏差信號，它等于測量值與給定值之 差 :Kp為調節(jié)器的比例系數(shù) 。Tt為調節(jié)器的積分時間 。TD為調節(jié)器的微分時間。 由于用 PIC單片機控制是一種采樣控制，它只能根據采樣時刻的偏差值來計算控制量。因此，在單片機控制系統(tǒng)中，必須首先對式 ，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 : 第 25 頁 共 32 頁 ? ?? ? ???? nj njn jETtjEdtte 0 00 )()()( () T kEkEt kEkdt tde )1()()1()( ???? ?????? () 將式 、式 ，則可得離散的 PID表達式 : )]}1()]([)()({)( 0 ????? ?? kEkETjETkEkP kj DlpTTK () 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(k1)第 (k1)次采樣時的偏差值 。k采樣序號， k=O, 1, 2..。P(k)第 k次采樣時調節(jié)器的輸出。 根據遞推原理，可寫出 (k1)次的 PID 輸出表達式 : )]}2()]1([)()1({)1( 10 ???????? ??? kEkETjETkEkP kj DlpTTK () 用式 ，可得 : )]2()1(2)([)()]1()([)1()( ??????????? kEkEkEkEkEkEkPkP KKK DlP() 式中， TKKlPlT? 為積分系數(shù)； TTKK DpD ? 為微分系數(shù)。 由式 ，要計算第 k次輸出值 P(k)，只要知道 P(k1)， E(k)， E(k1)， E(k2)即可，比式 。 由式 k次采樣時 PD:)的輸出表達式 : )]1()([)()()( 10 ????? ??? kEkEjEkEkP kj DlP KKK () 設比例項輸出 :Pp(k)=KpE(k) 積分項輸出 : )1()()()()()( 1010 ?????? ?????? kkEjEkEjEk PKKKKP lkj llkj lll 微分項輸出 : )]1()([)( ??? kEkEk KP DD 所以式 : )()()()( kkkkP PPPDlp ??? () 數(shù)字 PI速度調節(jié)器設計 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)控制相第 26 頁 共 32 頁 比速度控制閉環(huán)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)調速系統(tǒng)的調速范圍可以大大提高 。 速度調節(jié)器是實現(xiàn)調速的核心環(huán)節(jié)，它的設計好壞對系統(tǒng)動、靜態(tài)性能關系很大。 本系統(tǒng)中的速度閉環(huán)控制，主要有測速、給定值計算、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，采用單片機內部定時器測速。 假設測量的轉速為 If，轉速的給定值為 I4ef，根據式 ，不考慮微分項，算法如下 : )()()( kkkP PP lP ?? () 為了 保 證流過電機的電流不超過最大限度，需要對電流調節(jié)器的輸出進行限幅處 理，即 IF P(k)Um,THEN P(k)=Um, 轉速調節(jié)器的作用如下 : (1)使轉速 np跟隨給定電壓變化，穩(wěn)態(tài)無靜差。 (2)對負載變化起抗擾作用 。 (3)其輸出限幅值決定允許的最大電流。 在速度閉環(huán)調制系統(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，調用 PI子程序，同時計數(shù)器清 。 此外 ,可以將本設計的速度閉環(huán)調制進一步改進為電流、速度雙閉環(huán)調制。雙閉環(huán)調速的特點是速度調節(jié)器的輸出作為電流調節(jié)器的給定來控制電機的轉矩和電流。好處是可以根據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，以利于調速過程的快速性。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，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力 。而且雙閉環(huán)系統(tǒng)以速度調節(jié)器的輸出作為電流調節(jié)器的給定值，對速度調節(jié)器的輸出限幅就限定了電樞中的電流，起第 27 頁 共 32 頁 到了保護逆變橋的作用。 5. 系統(tǒng)調制與實驗結論 系統(tǒng)硬件調試 硬件電路的安裝與調試過程應按照模塊進行，安裝和測試步驟為 : 相對 15V電源部分，測試輸出電壓，為 36V15V=21V。 振蕩電路 ,測試無負載狀態(tài)下輸出為 50V左右 。 a相頂端驅動電路，測試 a相頂端驅動輸出 。 b相頂端驅動電路，測試 b相頂端驅動輸出 。 c相頂端驅動電路，測試 c相頂端驅動輸出 。 安裝 +12V電源部分，測試輸出電壓 。 安 裝 LM339和 NE555驅動輸出部分元件 。 安裝 +5V電源部分，測試輸出電壓 。 安裝場效應驅動器件 。 完成上述模塊安裝與測試后，進行整機調試，整機