【正文】 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，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。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(jié)本章對電動自行車的關(guān)鍵部件—無刷直流電動機的工作原理、特性進(jìn)行了分析和研究，為系統(tǒng)控制策略的設(shè)計提供了理論基礎(chǔ)。詳細(xì)介紹了本系統(tǒng)采用的新款 AVR 單片機 ATmgea16 的功能特性；結(jié)合其控制特點設(shè)計了本系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，并對各環(huán)節(jié)的控制策略進(jìn)行了詳細(xì)的分析與探討，為后續(xù)的軟硬件設(shè)計奠定了基礎(chǔ)。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(nèi)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(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?？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(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；，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。系統(tǒng)原理框圖見圖 31 所示報警信號單 片 機轉(zhuǎn)速給定電池電壓電源保護(hù)電路驅(qū)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(jié)構(gòu)的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。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。 ATmega16 AVR 內(nèi)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(nèi)同時訪問兩個獨立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)大大提高了代碼效率，并且具有比普通的 CISC 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(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(qū)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(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。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。123VinGND+圖 33 端正穩(wěn)壓器電路圖 信號檢測電路設(shè)計位置信號是電機控制的主要反饋信息，只有確定轉(zhuǎn)子的當(dāng)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(dǎo)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。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)。本系統(tǒng)控制直流側(cè)電流，測量的是母線電流，在功率管的近地端接入一個適當(dāng)?shù)呢?fù)載電阻，將電流信號轉(zhuǎn)換電壓信號。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。+LM3581KR240C67ADV圖 35 電流檢測電路 三相全橋逆變電路及其功率驅(qū)動的設(shè)計 圖 36 三相全橋逆變電路本設(shè)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(dǎo)通型星形三相六狀態(tài)。功率開關(guān)管選用高速型 MOSFET 器件 IRF540，它內(nèi)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(guān)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(qū)動電路驅(qū)動各功率開關(guān)管的導(dǎo)通、斷開，從而使定子各相繞組按一定次序?qū)?，定子相電流隨轉(zhuǎn)子位置的變化按一定的次序換相。 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。該電路為 28腳雙列直插元件，驅(qū)動能力強，保護(hù)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(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。HIN1~HINLIN1~LNI3 為逆變器上橋臂和下橋臂功率管的驅(qū)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(hù):HO1~HOLO1~LO3 是逆變器上下橋臂功率開關(guān)器件驅(qū)動信號輸出端；FAULT 為過流、直通短路、過壓、欠壓保護(hù)輸出端，該端提供一個故障保護(hù)的指示信號。IR2130 正常工作時，輸入的 6 路驅(qū)動信號經(jīng)輸入信號處理器處理后變?yōu)?6 路輸入脈沖。驅(qū)動下橋臂功率管的信號 LO1~3 經(jīng)輸出驅(qū)動器功放后直接送往被驅(qū)動功率器件。而驅(qū)動上橋臂功率管的信號 HO1~3 先經(jīng)集成于 IR2130 內(nèi)部的 3 個脈沖處理器和電平移位器中的自舉電路進(jìn)行電位變換，變?yōu)?3 路電位懸浮的驅(qū)動脈沖。再經(jīng)對應(yīng)的 3 路輸出鎖存器鎖存并經(jīng)嚴(yán)格的驅(qū)動脈沖檢驗后送到輸出驅(qū)動器進(jìn)行功放后才加到被驅(qū)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(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。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(zhuǎn)，也會進(jìn)行類似動作。當(dāng) IR2130 驅(qū)動上橋臂的自舉電源工作電壓不足時，該路的驅(qū)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(dāng)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(qū)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(nèi)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(jìn)行處理。當(dāng)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)。 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(guān)器件的開關(guān)時間，為電機繞組提供所需的能量，控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。提供給電機的電壓或者電流就是這種調(diào)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(fù)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(diào)制值。比較寄存器的值不斷與定時器計數(shù)器的值比較，當(dāng)兩個值匹配時，在相應(yīng)的輸出上就會產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)換(由高到低或由低到高)。當(dāng)兩個值之間的第二個匹配產(chǎn)生，或當(dāng)一個定時器周期結(jié)束時，相應(yīng)的就會在輸出上產(chǎn)生一個轉(zhuǎn)換。通過這種方法，所產(chǎn)生的輸出脈沖的開關(guān)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(diào)制值是不同的，這樣相應(yīng)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(diào)的 PWM 波。定時器/計數(shù)器 1 可以從晶振時鐘、預(yù)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(jìn)行設(shè)置，如表 31 所示。表 31 T/C1 的時鐘源選擇CS12 CS11 CS10 說明0 0 0 無時鐘源（T/C1）被停止0 0 1 CK 系統(tǒng)時鐘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。當(dāng)T/C1 處于 PWM 模式時，可以通過 COM1A1 和 COM1A2 位來設(shè)置 PB1(OCl)，如表 32所示。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，向上計數(shù)置比較匹配值，向下計數(shù)（PWM 不翻轉(zhuǎn)）1 1 清比較匹配值，向下計數(shù)置比較匹配值，向上計數(shù)（PWM 不翻轉(zhuǎn)）在相位、頻率可調(diào) PWM 模式下，計數(shù)器為雙程計數(shù)器:從 0x0000 一直加到TOP(可以為固定的 10 位)，在下一個計數(shù)脈沖到達(dá)時，改變計數(shù)方向，從TOP 開始減 1 計數(shù)到 0x0000。計數(shù)器計數(shù)上限 TOP 值大/小決定了 P 惻輸出頻率的低/高，而比較寄存器的數(shù)值則決定了輸出脈沖的起始相位和脈寬。通過設(shè)置比較寄存器 OCR1A/OCR1B 的值，可以獲得不同占空比 α 的脈沖波形。 波的輸出控制從 BP1 口輸出的 PWM 波經(jīng)阻容濾波后輸入 74LS08 其中一個與門，該與門的輸出為其它三個與門的一路輸入，另外三個輸入分別由 PBBPBP4 控制，這三個口的輸出電平?jīng)Q定了某一時刻三路 PWM 波中的某一路傳送給驅(qū)動電路 IR2130 中相對應(yīng)的那路上橋臂驅(qū)動信號輸入端，使逆變器的上橋臂受控于 PWM 波，而下橋臂的通斷由單片機的另外三個 I/0 口 PDPDPD6 控制。于是就實現(xiàn)了上一章所設(shè)計的單極性 PWM 波調(diào)制模式。這六個口的電平變化是由單片機通過軟件檢查上一時刻的相位表，進(jìn)而決定下一時刻是哪兩個口輸出有效電平，使電機運行的相位和速度得到高效的控制，電路如圖 38 所示。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功能。該系統(tǒng)調(diào)速功能的實現(xiàn)是在手柄上安裝一個光耦可調(diào)電阻，由手動實現(xiàn)的；在實驗中用的是電位器，接在 0~5V 之間，給出一個模擬電壓，經(jīng)過簡單的濾波環(huán)節(jié)后接到單片機的 ADC 引腳上，其原理圖如圖 39 所示。K 點的電壓 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。Uu圖 39 調(diào)速電路原理圖 電池電壓檢測單元蓄電池電壓的檢測是實現(xiàn)對其容量監(jiān)控的關(guān)鍵，也是對電池進(jìn)行欠壓保護(hù)的有效途徑。本系統(tǒng)通過采樣電池的端電壓，并對信號