【正文】 表 31 T/C1 的時(shí)鐘源選擇CS12 CS11 CS10 說明0 0 0 無時(shí)。??27本系統(tǒng)使用的控制芯片 ATmega16 有一個(gè) 16 位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 1(T/C1)可運(yùn)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。通過這種方法，所產(chǎn)生的輸出脈沖的開關(guān)時(shí)間就會(huì)與比較寄存器的值成比例。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(huì)產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)換(由高到低或由低到高)。提供給電機(jī)的電壓或者電流就是這種調(diào)制信號(hào)。當(dāng)故障清除后，單片機(jī)需及時(shí)將 CLR 信號(hào)置為有效，以解除故障鎖閉狀態(tài)。當(dāng)逆變器同一橋臂上 2 個(gè)功率器件的輸入信號(hào)同時(shí)為高電平時(shí)，IR2130 輸出的 2 路門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)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。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(huì)進(jìn)行類似動(dòng)作。一旦外電流發(fā)生過流或者直通，即電流檢測(cè)單元送來的信號(hào)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(hào)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。而驅(qū)動(dòng)上橋臂功率管的信號(hào) HO1~3 先經(jīng)集成于 IR2130 內(nèi)部的 3 個(gè)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(dòng)脈沖。IR2130 正常工作時(shí)，輸入的 6 路驅(qū)動(dòng)信號(hào)經(jīng)輸入信號(hào)處理器處理后變?yōu)?6 路輸入脈沖。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(dòng)器提供內(nèi)部懸浮電源；VS1—VS3 是其對(duì)應(yīng)的懸浮電源地端。 1920876+圖 37 功率驅(qū)動(dòng)電路長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 39 驅(qū)動(dòng)電路采用的是美國 RI 公司最新 6 單元驅(qū)動(dòng)集成電 IR2130。如圖 36 所示，功率開關(guān)管CMPDSRCMI2，4，6 分別與直流無刷電動(dòng)機(jī)的 A、B、C 三相繞組相連。導(dǎo)通型星形三相六狀態(tài)。由于 ATmega16 的 A/D 輸入信號(hào)范圍是 0~5v，用 LM358 構(gòu)成的同相放大器，把信號(hào)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。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 36 5V10KR673C98P4A(三BGND2O圖 34 位置檢測(cè)電路電流反饋和過電流保護(hù)是所有驅(qū)動(dòng)裝置不可缺少的環(huán)節(jié)。經(jīng)過電阻上拉和電容濾波后的信號(hào)被送到 AVR單片機(jī)的數(shù)字 I/O 口。本系統(tǒng)采用的是霍爾傳感型位置檢測(cè)器，一般霍爾位置傳感器是集電極開路輸出，所以要在檢測(cè)環(huán)節(jié)加上拉電阻。其原理圖見圖 33 所示。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。 ATmega16 有如下特點(diǎn): 、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(shí)間為單個(gè)時(shí)鐘周期，32個(gè) 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(shí)器/計(jì)數(shù)器，一個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的 16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，具有獨(dú)立振蕩器的實(shí)時(shí)計(jì)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(cè)，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 所示長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 +VK97ankry()/8XNGtmeg圖 32 ATmega16 引腳圖 控制電源電路設(shè)計(jì)由于直流無刷電動(dòng)機(jī)的額定電壓為 24V，所以電動(dòng)自行車采用額定電壓為 24V的蓄電池。所有的寄存器都直接與運(yùn)算邏單元(ALU) 相連接，使得一條指令可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)同時(shí)訪問兩個(gè)獨(dú)立的寄存器。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 MIPS/MHz，從而可以減緩系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾。 控制系統(tǒng)組成 ATmega16；，本系統(tǒng)需要兩路不同等級(jí)的電源，＋5V 與＋15V，采用三端集成穩(wěn)壓器；3. 轉(zhuǎn)子位置信號(hào)處理，檢測(cè)轉(zhuǎn)子位置，送至 AVR 的中斷引腳；4. 電流采樣部分，通過檢測(cè)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(hào)送至 AVR 單片機(jī)；，驅(qū)動(dòng)電路采用的是美國 RI 公司最新 6 單元驅(qū)動(dòng)集成電IR2130，來自 AVR 單片機(jī)的輸出信號(hào)通過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)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(hào)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。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 第 3 章 硬件系統(tǒng)概述 本文選用 AVR 單片機(jī) ATmega16 為控制核心，它不僅具有強(qiáng)大高速的運(yùn)算處理能力，而且在片內(nèi)集成了豐富的電機(jī)控制外圍部件，這就大大簡(jiǎn)化了控制電路的硬件設(shè)計(jì)，加之采取了“硬件軟化”的設(shè)計(jì)方案，使得整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)潔。 本章小結(jié)本章對(duì)電動(dòng)自行車的關(guān)鍵部件—無刷直流電動(dòng)機(jī)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(jì)提供了理論基礎(chǔ)。，存儲(chǔ)空間足以滿足系統(tǒng)需要，并為系統(tǒng)的擴(kuò)展提供了必要保證； 個(gè)可編程工/0 口，可任意定義工/0 的輸入/輸出方向；驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，可直接驅(qū)動(dòng) 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(shí)和計(jì)數(shù)功能外，還具有捕捉、比較、脈寬調(diào)制輸出、實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)數(shù)等更為強(qiáng)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(dòng)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。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(chǔ)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。當(dāng)然這種速度上的升躍，是以高可靠性為其后盾的。因此，單片機(jī)的選型十分重要。 核心控制期間的選擇基于以上對(duì)控制策略的分析與研究，本系統(tǒng)是一個(gè)要求高速、高效、高可靠性的控制系統(tǒng)。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(hào)傳給驅(qū)動(dòng)集成電路 IR2130，利用其內(nèi)部的過流、直通、過壓、欠壓等檢測(cè)功能，在發(fā)生故障時(shí)將故障信號(hào)輸出給單片機(jī)，有單片機(jī)對(duì) 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。因此，要在蓄電池正極與地之間串上分壓A/D 采樣，單片機(jī)根據(jù)采樣結(jié)果判斷電池是否正常工作，如發(fā)生過壓警報(bào)，并切斷電源以保護(hù)電池 。過壓和欠壓保護(hù)主要是針對(duì)蓄電池設(shè)置的，在運(yùn)行過程中，電池至關(guān)重要的。完善的保護(hù)環(huán)節(jié)不但可以延長(zhǎng)系統(tǒng)的使用壽命，而且使其可靠性大大提高，也保障了使用者的安全。終上分析，本文針對(duì)電動(dòng)自行車用的永磁無刷直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)控制采用單極性 PWM 實(shí)現(xiàn)?；谕瑯拥?PWM 調(diào)制頻率，采用倍頻型 PWM 則可以獲得兩倍于前兩種 PWM 方式的電壓調(diào)制頻率，可以進(jìn)一步減小逆變器開關(guān)調(diào)制所對(duì)應(yīng)的電流紋波。單極性 PWM 則僅對(duì)逆變器上半橋或下半橋進(jìn)行 PWM 調(diào)制。為了避免在開關(guān)過程中橋臂出現(xiàn)直上下管切換期間需要嵌入死區(qū)，即兩者同時(shí)處于斷開狀態(tài)。逆變器的驅(qū)動(dòng)形式主要有三種：雙極性 PWM、單極性 PWM 和倍頻 PWM。所以本系統(tǒng)用 IR2130 來驅(qū)動(dòng) MOSFET 組成的全橋逆變器，驅(qū)動(dòng)時(shí)采用 120176。其可輸出的最大正向峰值驅(qū)動(dòng)電流為 250mA，而反向峰值驅(qū)動(dòng)電流為 500mA；它內(nèi)部設(shè)計(jì)有過流、過壓及欠壓保護(hù)、封鎖和指示網(wǎng)絡(luò)，使用戶可方便的用來保護(hù)被驅(qū)動(dòng)的 MOS 功率管。全橋型逆變電路有六個(gè)功率開關(guān)器件，若每個(gè)開關(guān)器件都用一單獨(dú)的驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)，則造成系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜且可靠性也會(huì)下降。而全橋逆變器的控制比較簡(jiǎn)控制信號(hào)，且任一時(shí)刻導(dǎo)通的兩相電流相等，只要對(duì)其中一相電流進(jìn)電流也得到了控制。在本控制系統(tǒng)中就采用了 MOSFET 組成逆變器的變換電路。 驅(qū)動(dòng)、逆變電路控制方案驅(qū)動(dòng)、逆變電路是主控芯片與被控電機(jī)之間聯(lián)系的紐帶，其傳輸性能的好壞直接影響著整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量。= （式 2)(kTu?)(21kTxwKii??24）為對(duì)應(yīng)與 的加權(quán)系數(shù)， 為神經(jīng)元比例系數(shù)。 （式 2)()(TkekTe???21）長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 27 （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。對(duì)于速度環(huán)的控制本系統(tǒng)根據(jù) AVR 單片機(jī)邏輯判斷能力強(qiáng)、編程靈活的特點(diǎn)采用改進(jìn)的 PI 算法一一積分分離 PI 算法來實(shí)現(xiàn)。其中采樣周期的選取要考慮以下三個(gè)因素：，根據(jù)香農(nóng)(Shannon)采樣定理，采用頻率至少為低通信號(hào)頻譜最高頻率的 2 倍；，采樣頻率的提高夠快的運(yùn)算速度，以滿足在兩次采樣數(shù)據(jù)之間完成必須的處理計(jì)算；，高的采樣頻率必率，一方面，PWM 頻率越高，輸出波形越理想，但另一方面，也越高，引起發(fā)熱、散熱的問題，另外，高的 PWM 頻率可能使電磁輻射更加嚴(yán)重。2p?它們兩者在本質(zhì)上是一樣的，但是相比位置型算法，增量式算法有很大的優(yōu)點(diǎn)：，所以由誤動(dòng)作造成的影響比較?。?；，增量只與最近的兩次采樣有關(guān)，容易獲得較消除了當(dāng)偏差存在時(shí)產(chǎn)生飽和的危險(xiǎn)。iT長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 26 增量型算法表達(dá)式用式 220 表示。位置型 PI 算法的表達(dá)式用公式 219 表示。本系統(tǒng)電流調(diào)節(jié)器用 PI 調(diào)節(jié)器，速度調(diào)節(jié)器為改進(jìn)的 PI 調(diào)節(jié)器。此外，電流環(huán)的等效時(shí)間常數(shù)比較小，當(dāng)系統(tǒng)受到外來干擾時(shí)它能比較快速的作出響應(yīng)，抑制干擾的影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和抗干擾能力。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。這種控制方式把速度調(diào)節(jié)器作為主調(diào)節(jié)器，電流調(diào)節(jié)器作為輔助調(diào)節(jié)器。S R C R轉(zhuǎn)速計(jì)算 位置信號(hào)反饋P W M逆變器B L D C M位置傳感器n*iref u*f iabf圖 27 無刷直流電機(jī)速度、電流雙閉環(huán)控制長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 最簡(jiǎn)單的調(diào)速系統(tǒng)為開環(huán)調(diào)速系統(tǒng)，但它的調(diào)速精度太低，不適用于電動(dòng)自行車的調(diào)速系統(tǒng)。所以當(dāng)電源電壓 Us 不變時(shí)，電樞的端電壓的平均值 U 取決0于占空比的大小，改變 α 值就可改變端電壓的平均值，從而達(dá)到調(diào)速的目的。長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 24 U i0tU o0tU st 1 t 2T圖 26 輸入輸出電壓波形電動(dòng)機(jī)電樞繞組兩端的電壓平均值 用式 218 表示。圖 26 是對(duì)電機(jī)進(jìn)行 PWM 調(diào)速控制時(shí)的電樞繞組兩端的電壓波形。改變電樞電壓調(diào)速的方法有穩(wěn)定性較好、調(diào)速范圍大的優(yōu)點(diǎn)。這種方案對(duì)于 A/D 轉(zhuǎn)換的精度和軟件數(shù)據(jù)處理有一定要求，但是造價(jià)很低，本系統(tǒng)采用第 2 套方案。 電流檢測(cè)信號(hào)處理單元電流檢測(cè)是系統(tǒng)電流環(huán)控制的重要環(huán)節(jié)，對(duì)于電流檢測(cè)有兩種方案：?；魻栐轿恢脗鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、價(jià)格低、工作可靠，但對(duì)工作溫度有一定要求，長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)人文信息學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 同時(shí)霍爾元件應(yīng)靠近傳感器的永磁體，否則輸出信號(hào)電平太低，不能正常工作。電角的矩形波信號(hào)。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。電角度，永磁體的極弧寬為 180176。當(dāng)霍爾元件按要求通以電流并置于外磁場(chǎng)中，即輸出霍爾電勢(shì)信號(hào)，當(dāng)其不受外磁場(chǎng)作用時(shí)，其輸出端無信號(hào)。?120本系統(tǒng)采用霍爾元件式位置傳感器來檢測(cè)電機(jī)的位置信號(hào)。 位置檢測(cè)信號(hào)處理單元在對(duì)無刷直流電機(jī)的控制中，磁極位置的測(cè)定直接決定了控制效果的好壞。常規(guī)的換相運(yùn)行是直接根據(jù)位置傳感器傳來的信號(hào)進(jìn)行換相控制，同時(shí)將電機(jī)速度反饋信號(hào)和手把給定的速度信號(hào)相減，得出偏差，經(jīng)過控制算法得出控制量。直流電源通過MOSFTE 構(gòu)成的逆變橋向 BLDCM 供電單片機(jī)在新的采樣周期到來時(shí)，先判斷系統(tǒng)的狀態(tài)，如是靜止?fàn)顟B(tài)則用軟件開環(huán)起動(dòng)，當(dāng)達(dá)到一定速度后再切換到常規(guī)換相運(yùn)行狀態(tài)。再把控制量以 PWM 的形式輸出給驅(qū)動(dòng)電路，由驅(qū)動(dòng)電路調(diào)節(jié)逆變器的輸出電壓，就調(diào)節(jié)了電機(jī)的電流大小，從而調(diào)節(jié)