【正文】 電池是否正常工作，如發(fā)生過壓警報，并切斷電源以保護電池 。??18過流保護由兩個部分組成，一個是直流回路的過流保護，另一個是相電流的保護護。前者是在直流側近地端串上一個電阻，將放大后的信號傳給驅動集成電路 IR2130，利用其內部的過流、直通、過壓、欠壓等檢測功能，在發(fā)生故障時將故障信號輸出給單片機，有單片機對 PWM 的脈寬進行鉗位，使加在繞組上的電壓值不能太高，這樣就起到了過流保護作用。相電流的保護與直流側主回路的保護是相近的，都是通過軟件的電流環(huán)來進行鉗位控制，只是控制的初始設置不同，一般來說，相電流的過流保護值為直流側的 l/3。 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)。要由一個能滿足這些條件的控制器來控制系統(tǒng)的正常運行，并希望其價位適宜，這樣才能更好的使研究成果向產(chǎn)品化發(fā)展。因此，單片機的選型十分重要。ATMEL 公司推出的 AVR 單片機，廢除了機器周期，拋棄復雜指令計算機(CISC)追求指令完備的做法；采用精簡指令集(RISC)，取指周期短，又可預取指令，實現(xiàn)流水作業(yè)，故可高速執(zhí)行指令。當然這種速度上的升躍，是以高可靠性為其后盾的。在 AVR 大家庭中尤為突出的是一款新型 AVR 高檔單片機 ATmega16。它是基于AVR RISC、低功耗 CMOS 的 8 位單片機，芯片內部集成了較大容量的存儲器和豐富強大的硬件接口電路，具備 AVR 高檔單片機 MEGE 系列的全部性能和特點，但由于采用了小引腳封裝，所以其價格僅與低檔單片機相當，成為 AVR 高檔單片機中內部接口豐富、功能齊全、性能價格比最好的品種。長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計（論文） 30 ATmega16 特性介紹： 因為采用了先進的 RICS 精簡指令集結構，所以具有足夠快的運行速度，可達 1MIPS/MHZ，是普通 CISC 單片機的 10 倍； 個 PWM 通道，可實現(xiàn)任意小于 16 位、相位和頻率可調的 PWM 脈寬調制輸出； 18 個不同的獨立中斷源，并有特定的中斷允許位，提高了系統(tǒng)的安全性。，存儲空間足以滿足系統(tǒng)需要，并為系統(tǒng)的擴展提供了必要保證； 個可編程工/0 口，可任意定義工/0 的輸入/輸出方向；驅動能力強，可直接驅動 LED 等大電流負載，且多數(shù)的 I/0 口為復用口，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部其他外圍電路的接口：，除了能夠實現(xiàn)通常的定時和計數(shù)功能外，還具有捕捉、比較、脈寬調制輸出、實時時鐘計數(shù)等更為強大的功能： ADC 和 DAC 轉換，可直接輸入模擬量、輸出數(shù)字量；，一旦程序進入死循環(huán)能自動復位，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。作為整個系統(tǒng)的控制核心，ATmega16 單片機具有的功能特點使它非常適合控制無刷直流電機。 本章小結本章對電動自行車的關鍵部件—無刷直流電動機的工作原理、特性進行了分析和研究，為系統(tǒng)控制策略的設計提供了理論基礎。詳細介紹了本系統(tǒng)采用的新款 AVR 單片機 ATmgea16 的功能特性；結合其控制特點設計了本系統(tǒng)的整體結構，并對各環(huán)節(jié)的控制策略進行了詳細的分析與探討，為后續(xù)的軟硬件設計奠定了基礎。長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計（論文） 31 第 3 章 硬件系統(tǒng)概述 本文選用 AVR 單片機 ATmega16 為控制核心，它不僅具有強大高速的運算處理能力，而且在片內集成了豐富的電機控制外圍部件，這就大大簡化了控制電路的硬件設計，加之采取了“硬件軟化”的設計方案，使得整個控制系統(tǒng)的硬件設計比較簡潔?？刂葡到y(tǒng)主要由以下幾個部分組成。 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. 轉子位置信號處理，檢測轉子位置，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電流，完成保護功能，并將電流和保護信號送至 AVR 單片機；，驅動電路采用的是美國 RI 公司最新 6 單元驅動集成電IR2130，來自 AVR 單片機的輸出信號通過驅動電路驅動各功率開關管的導通、斷開；，由可調電位器將轉速的給定信號送到 AVR 的 ADC 口；，如 PWM 輸出，電池欠壓保護，剎車環(huán)節(jié)，液晶顯示、按鍵電路，故障指示等。系統(tǒng)原理框圖見圖 31 所示長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計（論文） 32 報警信號單 片 機轉速給定電池電壓電源保護電路驅動電路I R 2 1 3 0電流信號處理電路位置信號處理電路穩(wěn)壓功率逆變器B L D C M圖 31 系統(tǒng)原理框圖 核心為處理器 ATmega16ATmega16 是基于增強的 AVR RISC 結構的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。由于其先進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 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。 ATmega16 AVR 內核具有豐富的指令集和 32 個通用工作寄存器。所有的寄存器都直接與運算邏單元(ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個時鐘周期內同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結構大大提高了代碼效率，并且具有比普通的 CISC 長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計（論文） 33 微控制器最高至 10 倍的數(shù)據(jù)吞吐率。 ATmega16 有如下特點: 、低功耗的 8 位 AVR 微處理器 RISC 結構，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：上電復位以及可編程的掉電檢測，片內經(jīng)過標定的 RC 振蕩器，片內/ 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模式以及擴展的 Standby 模式其引腳圖見 32 所示長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計（論文） 34 +VK97ankry()/8XNGtmeg圖 32 ATmega16 引腳圖 控制電源電路設計由于直流無刷電動機的額定電壓為 24V，所以電動自行車采用額定電壓為 24V的蓄電池。而本系統(tǒng)的 ATmega16 的電源為+5V，驅動單元的 IR2130 的電源為+15V。三端固定集成穩(wěn)壓電路的使用非常方便，而且其內部含過流、過熱和過載保護電路所以采用 7815 和 7805 構成三端正穩(wěn)壓器電路。其中 C1 和 C3 分別為穩(wěn)壓電容，C2 和 C4 為濾波電容。其原理圖見圖 33 所示。長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計（論文） 35 123VinGND+圖 33 端正穩(wěn)壓器電路圖 信號檢測電路設計位置信號是電機控制的主要反饋信息，只有確定轉子的當前位置，才能根據(jù)程序要求決定下一步的定子三相繞組的導電模式。本系統(tǒng)采用的是霍爾傳感型位置檢測器，一般霍爾位置傳感器是集電極開路輸出，所以要在檢測環(huán)節(jié)加上拉電阻。另外，對于編碼信號要根據(jù)檢測波形采取一定的硬件濾波和軟件防抖措施。經(jīng)過電阻上拉和電容濾波后的信號被送到 AVR單片機的數(shù)字 I/O 口。檢測電路見圖 34。長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計（論文） 36 5V10KR673C98P4A(三BGND2O圖 34 位置檢測電路電流反饋和過電流保護是所有驅動裝置不可缺少的環(huán)節(jié)。本系統(tǒng)控制直流側電流，測量的是母線電流，在功率管的近地端接入一個適當?shù)呢撦d電阻，將電流信號轉換電壓信號。由于 ATmega16 的 A/D 輸入信號范圍是 0~5v，用 LM358 構成的同相放大器，把信號進行低通濾波后再由 RC 電路籍位，然后送到單片機的 ADC口，這樣即有效的消除了尖峰噪聲影響，又起到了過壓保護的作用，電路如圖 35 所示。長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計（論文） 37 +LM3581KR240C67ADV圖 35 電流檢測電路 三相全橋逆變電路及其功率驅動的設計 圖 36 三相全橋逆變電路長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計（論文） 38 本設計采用的逆變電路為三相全橋式逆變器，其工作方式為 120176。導通型星形三相六狀態(tài)。功率開關管選用高速型 MOSFET 器件 IRF540，它內阻低、熱阻小，因此運行功耗低，很適合輸出級使用，具體參數(shù)如下: =100v、 =500v、DSVDGR=150w、 =07Ω、 =28A。如圖 36 所示，功率開關管CMPDSRCMIQQ2，QQ4，QQ6 分別與直流無刷電動機的 A、B、C 三相繞組相連。來自AVR 單片機的輸出信號通過驅動電路驅動各功率開關管的導通、斷開，從而使定子各相繞組按一定次序導通，定子相電流隨轉子位置的變化按一定的次序換相。 1920876+圖 37 功率驅動電路長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計（論文） 39 驅動電路采用的是美國 RI 公司最新 6 單元驅動集成電 IR2130。該電路為 28腳雙列直插元件，驅動能力強，保護功能齊全。如圖 37 所示，VB1~VB3 是懸浮電源連接端，通過自舉電容為 3 個上橋臂功率管的驅動器提供內部懸浮電源；VS1—VS3 是其對應的懸浮電源地端。HIN1~HINLIN1~LNI3 為逆變器上橋臂和下橋臂功率管的驅動信號輸入端，低電平有效；ITRIP 是過流信號檢測輸入端，可通過輸入電流信號來完成過流或者直通保護:HO1~HOLO1~LO3 是逆變器上下橋臂功率開關器件驅動信號輸出端；FAULT 為過流、直通短路、過壓、欠壓保護輸出端，該端提供一個故障保護的指示信號。IR2130 正常工作時，輸入的 6 路驅動信號經(jīng)輸入信號處理器處理后變?yōu)?6 路輸入脈沖。驅動下橋臂功率管的信號 LO1~3 經(jīng)輸出驅動器功放后直接送往被驅動功率器件。而驅動上橋臂功率管的信號 HO1~3 先經(jīng)集成于 IR2130 內部的 3 個脈沖處理器和電平移位器中的自舉電路進行電位變換，變?yōu)?3 路電位懸浮的驅動脈沖。再經(jīng)對應的 3 路輸出鎖存器鎖存并經(jīng)嚴格的驅動脈沖檢驗后送到輸出驅動器進行功放后才加到被驅動的功率管。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，則 IR2130 內部的電流比較器迅速翻轉，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，保護功率管；另一面 FAULT 腳輸出故障指示。由于本試驗用的無刷直流電機功率小、直流電壓低，在此僅通過一個取樣電阻和運放就可完成電流的檢測。同樣若發(fā)生工作電源欠壓，則欠壓檢閱器迅速翻轉，也會進行類似動作。當 IR2130 驅動上橋臂的自舉電源工作電壓不足時，該路的驅動信號檢測器迅速動作，封鎖其輸出，避免功率器件的損壞。當逆變器同一橋臂上 2 個功率器件的輸入信號同時為高電平時，IR2130 輸出的 2 路門極驅動信號全為低電平，從而可靠地避免因橋臂直通而燒毀功率管的現(xiàn)象發(fā)生。故障發(fā)生后，IR2130 內的故障邏輯處理單元的輸出將保持故障閉鎖狀態(tài)，故障信號通過 FAULT 送往單片機的外部中斷 1，由 ATmega16 在外部中斷處理子程序中及時對故障進行處理。當故障清除后，單片機需及時將 CLR 信號置為有效，以解除故障鎖閉狀態(tài)。長春工業(yè)大學人文信息學院畢業(yè)設計（論文） 40 PWM 波的控制單元 信號的產(chǎn)生在電機的控制系統(tǒng)中，PWM 被用來控制開關器件的開關時間，為電機繞組提供所需的能量，控制電機的轉速和轉矩。提供給電機的電壓或者電流就是這種調制信號。要產(chǎn)生一個 PWM 信號，需要有一個合適的定時器來重復產(chǎn)生一個與 PWM 周期相同的計數(shù)周期，一個比較寄存器保持著調制值。比較寄存器的值不斷與定時器計數(shù)器的值比較，當兩個值匹配時，在相應的輸出上就會產(chǎn)生一個轉換(由高到低或由低到高)。當兩個值之間的第二個匹配產(chǎn)生，或當一個定時器周期結束時，相應的就會在輸出上產(chǎn)生一個轉換。通過這種方法，所產(chǎn)生的輸出脈沖的開關時間就會與比較寄存器的值成比例。在每個定時周期中，這個過程都會出現(xiàn)，但每次比較寄存器中的調制值是不同的，這樣相應的輸出就會產(chǎn)生一個 PWM 信號 。??27本系統(tǒng)使用的控制芯片 ATmega16 有一個 16 位的定時器/計數(shù)器 1(T/C1)可運行于 PWM 模式，并利用 PB1 的第二功能—（OC1A）T/C1 輸出比較 A 匹配輸出口輸出相位、頻率可調的 PWM 波。定時器/計數(shù)器 1 可以從晶振時鐘、預定比例晶振時鐘或外部引腳中選擇時鐘源，這可由 T/Cl 控制寄存器 B(TCCR1B)的低 3 位(CS1CS1CS10)進行設置，如表 31 所示。表 31 T/C1 的時鐘源選擇CS12 CS11 CS10 說明0 0 0