【正文】 參考文獻(xiàn) 40 參考文獻(xiàn) [1] 邱關(guān)源 .電路 (第 5 版 ).高等教育出版社 . [2] 閻石 .數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) (第 5版 ).高等教育出版社 . [3] 童詩(shī)白等 .模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) (第 4版 ).高等教育出版社 . [4] 李發(fā)海等 .電機(jī)拖動(dòng)基礎(chǔ)（第 3版 ).清華大學(xué)出版社 . [5] 王兆安等 .電力電子技術(shù)（第 5版 ).機(jī)械工業(yè)出版社 . [6] 孫傳友 等 .現(xiàn)代檢測(cè)技術(shù)及儀表 .高等教育出版社 . [7] 胡文靜 .永磁無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的發(fā)展 .微特電機(jī)學(xué)報(bào) ,2020,35（ 4）： 34～ 38 [8] 蔡耀成 .無(wú)刷直流電機(jī)中的霍爾傳感器 .微特電機(jī)學(xué)報(bào) ,1999,27（ 5)23～ 25 [9]。 通過(guò)本次的畢業(yè)設(shè)計(jì)，我系統(tǒng)的學(xué)習(xí)了有關(guān) ATMEGA128 系列單片機(jī)的知識(shí)，而且進(jìn)一步了解了單片機(jī)編程技巧，設(shè)計(jì)過(guò)程中遇到許多新的問(wèn)題，讓我對(duì)軟件開(kāi)發(fā)從理論的探討到實(shí)際中的實(shí)踐這樣相互聯(lián)系又相互分離的過(guò)程有 了全面的認(rèn)識(shí)，使我收獲不少，受益非淺 由于時(shí)間與能力有限，本文所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)還有待于進(jìn)一步的改進(jìn)，比如可采用無(wú)位置傳感器的控制方法，利用軟件檢測(cè)電機(jī)的反電動(dòng)勢(shì)，從而省去位置傳感器，降低硬件成本，提高可靠性 。 本文所設(shè)計(jì)的基于 ATMEGA128 單片機(jī)的無(wú)刷直流電機(jī)控制器具有硬 件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、保護(hù)功能完善主要實(shí)現(xiàn)了如下功能 : (1)采用 ATMEGA128 單片機(jī)作為主控芯片，加強(qiáng)了電機(jī)的智能控制； (2)安全控制電機(jī)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)； (3)設(shè)計(jì)了逆變器驅(qū)動(dòng)電路、硬件過(guò)流保護(hù)電路，提高系統(tǒng)的可靠性 。當(dāng)軟件工程的規(guī)模比較大，用戶(hù)需求經(jīng)常變更的情況下，不宜使用結(jié)構(gòu)化方法。 結(jié)構(gòu)化方法設(shè)計(jì)的軟件結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定，缺乏靈活性，可維護(hù)性差。當(dāng)需求變更時(shí)，功能分解就要重新進(jìn)行，功能變化就會(huì)導(dǎo)致軟件模塊結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，造成了軟件結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。系統(tǒng)分析人員逐漸理解用戶(hù)需求，并且自頂向下逐步細(xì)化數(shù)據(jù)流程圖。不同的人轉(zhuǎn)換出的結(jié)果可能不同，有很大的隨意性，這是做工程非常忌諱的，質(zhì)量很難評(píng)價(jià)。這次設(shè)計(jì)為以后的工作提供了以下寶貴經(jīng)驗(yàn) ： 。 圖 霍爾傳感器反饋信號(hào)圖 采用 M法，定時(shí)周期為 1ms，根據(jù)從單個(gè)霍爾傳感器所讀取脈沖個(gè)數(shù)計(jì)算無(wú)刷直流電機(jī)轉(zhuǎn)速，完成對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)速度采集。不能光憑經(jīng)驗(yàn)估算確定高低速、傳西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 37 動(dòng)比、編碼線數(shù)。 若 V1 V2，則 M/T 法能滿足全范圍內(nèi)的速度測(cè)量。 定量分析： M/T 法中的“低速”、“高速”如何確定呢？ 假定能接受的誤差范圍為 1%、 M法測(cè)得脈沖數(shù)為 f, T 法 測(cè)得時(shí)間為 t 。 M 法、 T 法各且優(yōu)劣和適應(yīng)范圍，編碼器線數(shù)不能無(wú)限增加、測(cè)量時(shí)間也不能太長(zhǎng) (得考慮實(shí)時(shí)性 )、計(jì)時(shí)單位也不能無(wú)限小，所以往往候 M法、 T 法都無(wú)法勝任全速度范圍內(nèi)的測(cè)量。速度較高時(shí)，測(cè) 得的周期較小，誤差所占的比例變大，所以 T法宜測(cè)量低速。 T法是測(cè)量?jī)蓚€(gè)脈沖之間的時(shí)間換算成周期，從而得到頻率。速度較低時(shí)，因測(cè)量時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)變少，誤差所占的比例會(huì)變大，所以 M法宜測(cè)量高速。脈沖測(cè)速最典型的方法有測(cè)頻率(M法 )和測(cè)周期 (T 法 )。 //閉環(huán)模擬比較器 ADCSRA=0X87。 //先關(guān) ADC ADMUX=0X10。 根據(jù) AD 轉(zhuǎn)換器的電壓比較功能實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)刷直流電機(jī)的電流檢測(cè)和過(guò)流保護(hù)功能。 雙積分式 AD 轉(zhuǎn)換原理圖 電壓頻率轉(zhuǎn)換法 采用電壓頻率轉(zhuǎn)換法的 A/D轉(zhuǎn)換器，由計(jì)數(shù)器、控制門(mén)及一個(gè)具有恒定時(shí)間的時(shí)鐘門(mén)控制信號(hào)組成，電壓頻率式 AD轉(zhuǎn)換器原理圖 它的工作原理是 V/F 轉(zhuǎn)換電路把輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成與模擬電壓成正比的脈沖信號(hào)。Vi 越大，積分器輸出電壓越大，反向積分時(shí)間也越長(zhǎng)。間隔轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，屬于間接轉(zhuǎn)換。 雙積分法 采用 雙積分法的 A/D 轉(zhuǎn)換器由電子開(kāi)關(guān)、積分器、比較器和控制邏輯等部件組成。轉(zhuǎn)換結(jié)束后，將逐次逼近寄存器中的數(shù)字量送入緩沖寄存器，得到數(shù)字量的輸出。然后再置逐次逼近寄存器次高位為 1，將寄存器中新的數(shù)字量送 D/A 轉(zhuǎn)換器，輸出的 Vo 再與 Vi 比較，若VoVi，該位 1 被保留，否則被清除。 基本原理是從高位到低位逐位試探比較，好像用天平稱(chēng)物體，從重到輕逐級(jí)增減砝碼進(jìn)行試探。 逐次逼近法 逐次逼近式 A/D 是比較常見(jiàn)的一種 A/D 轉(zhuǎn)換電路，轉(zhuǎn)換的時(shí)間為微秒級(jí)。 A/D 轉(zhuǎn)換后，輸出的數(shù)字信號(hào)可以有 8 位、 10位、 12 位和 16 位等。 模擬量可以是電壓、電流等電信號(hào)，也可以是壓力、溫度、濕度、位移、聲音等非電信號(hào)。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 33 圖 增量型 PID控制算法的程序框圖 在 系統(tǒng)的調(diào)試運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò) LCD管顯示電機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，在選擇時(shí)不可一概而論，一般認(rèn)為在以晶閘管作為執(zhí)行器或在控制精度要求高的系統(tǒng)中，可采用位置控制算法，而在以歩進(jìn)電動(dòng)機(jī)或電動(dòng)閥門(mén)作為執(zhí)行器的系統(tǒng)中，則可采用增量控制算法。控制增量 的確定，僅與最近 次的采樣值有關(guān)，所以較容易通過(guò)加權(quán)處理而獲得比較好的控制效果。此外，當(dāng)計(jì)算機(jī)發(fā)生故障時(shí)，由于輸出通道或執(zhí)行裝置具有信號(hào)的鎖存作用，故能仍然保持原值。 1）由于計(jì)算機(jī)輸出增量，因此誤動(dòng)作時(shí)影響小，必要時(shí)可用邏輯判斷的方法去掉。 由圖 、圖 可以看出，就整個(gè)系統(tǒng)而言，位置型與增量型控制算法并無(wú)本質(zhì)區(qū)別，或者仍然全部由計(jì)算機(jī)承擔(dān)其計(jì)算，或者一部分由其他部件去完成。 采用增量式算法時(shí)，計(jì)算機(jī)輸出的控制增量 對(duì)應(yīng)的是本次執(zhí)行機(jī)構(gòu)位置（例如閥門(mén)開(kāi)度）的增量。 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 31 圖 PID控制算法程序框圖 圖 PID控制系統(tǒng)框圖 可以將式（ ）進(jìn)一步改寫(xiě)為 （ ） 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 32 式中 它們都是與采樣周期、比例系數(shù)、積分時(shí)間常數(shù)、微分時(shí)間常數(shù)有關(guān)的系數(shù)。 式（ ）稱(chēng)為增量型 PID 控制算法。 當(dāng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)需要的是控制量的增量（例如驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)）時(shí)，可由式（ ）導(dǎo)出提供增量的 PID 控制算式。所謂增量型 PID 是指數(shù)字控制器的輸出只是控制量的增量 。這種算法的缺點(diǎn)是，由于全量輸出，所以每次輸出均與 過(guò)去的狀態(tài)有關(guān)，計(jì)算時(shí)要對(duì) 進(jìn)行累加，計(jì)算機(jī)運(yùn)算工作量大。圖 給出了位置式控制系統(tǒng)示意圖。 由 變換的性質(zhì) 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 29 式（ ）的 變換式為 （ ） 由式（ ）便可得到數(shù)字 PID 控制器的 傳遞函數(shù)為 （ ） 或者 （ ） 數(shù)字 PID控制器如圖 所示。為書(shū)寫(xiě)方便，將 簡(jiǎn)化表示成 等，即省去 。按模擬 PID 控制算法的算式，現(xiàn)以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn) 代表連續(xù)時(shí)間 ，以和式代替積分，以增量代替微分，則可作如下近似變換 （ ） 式中： 為采樣周期。 1）數(shù)字 PID 位置型控制算法。 在計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中，使用的是數(shù)字 PID控制器， PID 控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)必須用數(shù)值逼近的方法。 微分控制能反映偏差信號(hào)的變化趨勢(shì)（變化速率），減少超調(diào)量，克服振蕩，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性提高，同時(shí)加快系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。積分作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)量加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩。主要用于消除靜差，只要系統(tǒng)存在誤差， 積分控制作用就不斷地積累，輸出控制量以消除誤差，因而，只要有足夠的時(shí)間，積分控制將能完全消除誤差。但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差， Kp加大，會(huì)引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。 （ 1）比例環(huán)節(jié) 。 (4)鍵盤(pán)設(shè)計(jì)軟件流程圖 軟件流程圖如下圖所示： 鍵盤(pán)軟件流程圖 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 27 控制系統(tǒng)的鍵盤(pán)設(shè)計(jì)程序中，關(guān)鍵變量是有兩個(gè)，一是鍵盤(pán)數(shù)據(jù)變量為key_data；二是鍵值有效字判斷變量為 key_ctrl，當(dāng) key_ctrl=0xff 時(shí)表示有鍵按 下，否則沒(méi)有按鍵按下。 (2)鍵值判斷： 在確認(rèn)有鍵按下以后， 進(jìn)一步識(shí)別出是哪一個(gè)按鍵。由于鍵盤(pán)是一組按鈕開(kāi)關(guān)的集合，在智能儀表中，常采用軟件來(lái)識(shí)別按鍵，所以，在鍵盤(pán)的設(shè)計(jì)中應(yīng)同時(shí)從硬件和軟件兩方面加以考慮。大大提高了程序的修改性、升級(jí)性，是對(duì)智能體模型特征的重要完善。自動(dòng)控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，下面從各個(gè)功能子模塊介紹本系統(tǒng)的管理模塊。 無(wú)刷直流電機(jī)控制器有多個(gè)功能子模塊，由于實(shí)現(xiàn)功能的不同，各個(gè)功能子模塊所利用的 CPU 的資源是不一樣的，因此對(duì)于這些功能子模塊的初始化，各自的初始化配置根據(jù)設(shè)計(jì)需要在各自程序中實(shí)現(xiàn)。定時(shí)器中斷間隔過(guò)大則會(huì)使得微控制器遺漏一些重要的信息，從而錯(cuò)過(guò)最好的控制時(shí)機(jī)。系統(tǒng)中延時(shí)函數(shù)的延時(shí)時(shí)間 都是由定時(shí)器提供的。DDRG=0X00。DDRF=0X00。DDRE=0X00。DDRD=0X00。DDRC=0X00。DDRB=0X00。DDRA=0X00。如果在各個(gè)功能程序中需要用到 CPU 的 I/O 端口資源的話，由各個(gè)單元模塊自行配置開(kāi)啟使用，這種對(duì) I/O 資源的初始化設(shè)計(jì)，主要是為了保證軟件系統(tǒng)的安全，避免 相關(guān) I/O 端口未初始化而對(duì)程序產(chǎn)生影響。通過(guò)配置單片機(jī)內(nèi)部倍頻機(jī)構(gòu)將單片機(jī)的工作頻率設(shè)置為 8MHz。 的初始化 (1)時(shí)鐘的初始化 維持 CPU正常工作最重要 的便是工作頻率，過(guò)高的工作頻率不利于 CPU 的穩(wěn)定工作，過(guò)低的頻率則不能順利完成樁機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)。各個(gè)主層模塊的功能圖 所示： 各主層模塊功能圖 西安工業(yè)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) (論文 ) 23 初始化模塊完成主控芯片即 ATmega128 維持正常工作的基本配置以及初始化外圍硬件在上電以后應(yīng)該保持的狀態(tài)。 維護(hù)更新程序就是負(fù)責(zé)過(guò)程是直接的屬性輸入輸出關(guān)系。 管理程序各個(gè)功能子程序輸入和輸出有機(jī)結(jié)合起來(lái)，某個(gè)子程序輸出是另一個(gè)子程序輸入部分。 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于 ATmega128 開(kāi)發(fā)，其開(kāi)發(fā)環(huán)境支持 C/C++，將軟件系統(tǒng)看成三大程序構(gòu)成，初始化程序、管理程序、維護(hù)更新程序。系統(tǒng)不斷的運(yùn)行重復(fù)這一系列過(guò)程，知識(shí)庫(kù)也不斷的得到更新，模塊的性能不斷得到改善，整個(gè)系統(tǒng)的智能性也就有了很大的提高。運(yùn)行完成后，知識(shí)庫(kù)借助于學(xué)習(xí)和反饋結(jié)果對(duì)參數(shù)和方法進(jìn)行修訂，提供給下一次過(guò)程運(yùn)行。知識(shí)庫(kù)收到過(guò)程的反饋后，分析判斷過(guò)程運(yùn)行的好與壞，并通過(guò)意識(shí)將判斷結(jié)果輸出。該系統(tǒng)化的基本思想是：當(dāng)外部輸入進(jìn)入到模塊內(nèi)部時(shí)，通過(guò)過(guò)程運(yùn)行，運(yùn)行的結(jié)果 輸出到外部，同時(shí)反饋給知識(shí)庫(kù)。 模塊內(nèi)部包含的主要元素有過(guò)程、作用、回饋和知識(shí)庫(kù)，與這些元素相聯(lián)系的外部元素為輸入、輸出、學(xué)習(xí)和意識(shí)。編寫(xiě)程序時(shí)采用軟件模塊化和硬件模塊化相結(jié)合的方法，首先分硬件模塊進(jìn)行編寫(xiě)各個(gè)模塊的軟件，然后通過(guò)設(shè)置標(biāo)志位，承接各個(gè)模塊之間的關(guān)系，使之成為一個(gè)整體的系統(tǒng)。但在遇見(jiàn)大系統(tǒng)時(shí)，這種分解會(huì)導(dǎo)致大量的過(guò)程和功能塊產(chǎn)生，各個(gè)功能塊之間有著復(fù)雜的相互依賴(lài)關(guān)系，會(huì)帶來(lái)一些不好解決的問(wèn)題；面向?qū)ο缶幊谭椒ㄖ饕獋?cè)重的是每個(gè)元素個(gè)體的實(shí)現(xiàn)方法，忽略各個(gè)元素之間存在的相互聯(lián)系；面向智能體編程方法是由人工智能的編程思想發(fā)展而來(lái)的，它沒(méi)有制定明確的編程規(guī)則，我們可以認(rèn)為是控制器通過(guò)傳感器對(duì)自身所處的環(huán)境進(jìn)行感知的一種能力 [8]。 前面提到的四種軟件設(shè)計(jì)方法在實(shí)際應(yīng)用時(shí)各有優(yōu)缺點(diǎn)，模塊化 — 結(jié)構(gòu)化編程和過(guò)程化編程方法它們共同的出發(fā)點(diǎn)是將一個(gè)龐大復(fù)雜的系統(tǒng)分解成若干個(gè)較小的過(guò)程，或者是功能塊。這樣通過(guò)在上下 玻璃基板電極間施加不同的交流電壓，即可實(shí)現(xiàn)液晶顯示的兩種基本狀態(tài)亮 (On)和暗 (Off)4 無(wú)刷直流電機(jī)控制器的軟件設(shè)計(jì) 21 4 無(wú)刷直流電機(jī)控制器的軟件設(shè)計(jì) 常用的軟件設(shè)計(jì)方法有模塊化 — 結(jié)構(gòu)化編程方法、過(guò)程化編程方法、面向?qū)ο缶幊谭椒ㄒ约懊嫦蛑悄荏w的編程方法。在上下基板間的電壓為 0 時(shí)，自然光通過(guò)偏振片后，只有與偏振片 方向相同的光線得以進(jìn)入液晶分子的螺旋結(jié)構(gòu)的涂層中，由于螺旋結(jié)構(gòu)的的旋旋旋光性，將入射光線的方向旋轉(zhuǎn) 90 度后照射到另一端的偏振片上，由于上下偏振片的偏振角度相互垂直，這樣入射光線通過(guò)另一端的偏振片完全的射出，光線完全進(jìn)入觀察者的眼中，看到的效果就為白色。液晶面板的電極是通過(guò)一種 ITO 的金屬化合物蝕刻在上下玻璃基板上。而在這些人機(jī)界面當(dāng)中， LCD 顯示技術(shù)由于其具有界面友好，成本較低等特點(diǎn)而在很多應(yīng)用場(chǎng)合得以廣泛應(yīng)用。 在單片機(jī)的應(yīng)用中，人機(jī)界面占據(jù)相當(dāng)重要的地位。 鍵盤(pán)是由若干個(gè)按鈕組成的開(kāi)關(guān)矩陣，它是單片機(jī)系統(tǒng)中最常用的輸入設(shè)備，用戶(hù)能通過(guò)鍵盤(pán)向計(jì)算機(jī)輸入指令，地址或者數(shù)據(jù)；一般單片機(jī)系統(tǒng)中采用的是非編碼鍵盤(pán)，非編碼鍵盤(pán)是由軟件來(lái)識(shí)別鍵盤(pán)上的閉合鍵，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用靈活等特點(diǎn)。在上電復(fù)位時(shí)保持麗為低電平將使器件進(jìn)入。 AREF:AREF 為 ADC的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。 AVCC:AVCC 為端口 F以及 ADC 轉(zhuǎn)換器的電源 .需要與 V