【正文】 序 計(jì)數(shù) 器（ P C ）程 序 地 址數(shù) 據(jù) 總 線數(shù) 據(jù) 地 址數(shù) 據(jù) 總 線 圖 34 PIC系列單片機(jī)哈佛總線結(jié)構(gòu) (3) RISC技術(shù) RISC (Reduced Instruction Set Computer)是指精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)。主要特點(diǎn)有： 性能特點(diǎn)： ① 由于 指令集 簡(jiǎn)化后， 流水線 以及常用指令均可用硬件執(zhí)行； ②采用大量 的 寄存器 ，使大部分指令操作都在 寄存器 之間進(jìn)行，提高了處理速度； ③ 采用緩存 — 主機(jī) — 外存三級(jí)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)，使取數(shù)與存數(shù)指令分開執(zhí)行，使處理器可以完成盡可能多的工作，且不因從存儲(chǔ)器存取信息而放慢處理速度。 應(yīng)用特點(diǎn) ： 由于 RISC處理器指令簡(jiǎn)單、采用硬布線控制邏輯、處理能力強(qiáng)、速度快 ； 運(yùn)行特點(diǎn) ： RISC芯片的工作頻率一般在 400MHZ數(shù)量級(jí) 。 時(shí)鐘頻率 低，功率消耗少，溫升也少，機(jī)器不易發(fā)生故障和老化，提高了系統(tǒng)的可靠性。 RISC技術(shù)的作 用是減少指令，改善計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)，提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。PIC16F72單片機(jī)指令集系統(tǒng)有 35條指令，均采用單字節(jié)指令，而且除 4條判斷轉(zhuǎn)移指令發(fā)生間跳外，其余的都是單周期指令，執(zhí)行的速度較高 。 (4)指令特色 PIC系列單片機(jī)的指令系統(tǒng)具有代碼壓縮率高和尋址方式簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。 (5)功耗低 由于 PIC系列單片機(jī)采用的是 CMOS結(jié)構(gòu)，所以它的功率消耗很低。 (6)驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng) PIC單片機(jī)的 I/O端口驅(qū)動(dòng)負(fù)載的能力較強(qiáng)，每個(gè)輸出引腳可以驅(qū)動(dòng) 2025mA的負(fù)載；它既能夠在高電平下直接驅(qū)動(dòng)發(fā)光二 極管 LED、光電耦合器、小型繼電器等，也能在低電平下直接驅(qū)動(dòng)，這樣可以大大簡(jiǎn)化控制電路。 (7)應(yīng)用平臺(tái)界面友好，開發(fā)方便 它的應(yīng)用平臺(tái)界面友好，開發(fā)方便，這不管是對(duì)初學(xué)者還是后續(xù)的應(yīng)用開發(fā)，都提供了完善的硬件和軟件支持，包括各檔次的硬件仿真器和編程器。 (8)程序存儲(chǔ)器版本齊全 Microchip公司生產(chǎn)的產(chǎn)品是一個(gè)單片機(jī)系列，可供用戶選擇的存儲(chǔ)器類別較多，為產(chǎn)品的不同應(yīng)用場(chǎng)合提供了一個(gè)全方位的選擇內(nèi)容和不同的性能檔次。 PIC16F72 單片機(jī)的主要性能 PICl6F72 單片機(jī)是目前電瓶車 控制器 的 主流控制芯片 。對(duì) PIC16F72 單片機(jī) 的外部資源： 它的頻率有 20MHz，其中有 2K字 14 位寬的程序存儲(chǔ)空間，伴隨著 128字節(jié) 8位寬的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間；另外 有 28 個(gè)引腳，去掉電源、復(fù)位、振蕩器等，共有 22 個(gè)可復(fù)用的 IO 端 口，其中第 13 腳是 CCP1 輸出口，可輸出最大分辨率達(dá) 10BIT 的可調(diào) PWM 信號(hào)，當(dāng)中有 8個(gè)中斷， 3 個(gè) 8 位 I/O 口以及 PORTA、 PORTB、 PORTC；還有三個(gè)定時(shí)器模塊： TIMER0、TIMER TIMER2，并隨帶著一個(gè) PWM 輸出 (CCP)模塊； 8 位 5 通道的 AD 模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入口，可提供 檢測(cè)外部電路的電壓，一個(gè)外部中斷輸入腳，可處理突發(fā)事件。 PIC16F72 單片機(jī)的引腳排列 圖 31 PIC16F72 引腳圖 各引腳應(yīng)用如下： 1： MCLR復(fù)位 /燒寫高壓輸入兩用口 2：模擬量輸入口：放大后的電流信號(hào)輸入口，單片機(jī)將此信號(hào)進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換后經(jīng)過運(yùn)算來控制 PWM的輸出，使電流不致過大而燒毀功率管。正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)電壓應(yīng)在 左右 3：模擬量輸入口：電源電壓經(jīng)分壓后的輸入口，單片機(jī)將此信號(hào)進(jìn)行 AD 轉(zhuǎn)換后判斷電池電壓是否過低，如果低則切斷輸出以保護(hù)電池，避免電池 因過放電而損壞。正常時(shí)電壓應(yīng)在 3V 以上 4：模擬量輸入口：線性霍爾組成的手柄調(diào)速電壓輸入口，單片機(jī)根據(jù)此電壓高低來控制輸出給電機(jī)的總功率，從而達(dá)到調(diào)整速度的目的。 5：模擬 /數(shù)字量輸入口：剎車信號(hào)電壓輸入口?？梢允褂?AD轉(zhuǎn)換器判斷，或根據(jù)電平高低判斷，平時(shí)該腳為高電平，當(dāng)有剎車信號(hào)輸入時(shí)，該腳變成低電平，單片機(jī)收到該信號(hào)后切斷給電機(jī)的供電，以減少不必要的損耗。 6：數(shù)字量輸入口： 1+1 助力脈沖信號(hào)輸入口，當(dāng)騎行者踏動(dòng)踏板使車前行時(shí)，該口會(huì)收到齒輪傳感器發(fā)出的脈沖信號(hào)，該信號(hào)被單片機(jī)接收到后會(huì)給電機(jī)輸出一 定功率以幫助騎行者更輕松地往前走。 7：模擬 /數(shù)字量輸入口：由于電機(jī)的位置傳感器排列方法不同，該口的電平高低決定適合于哪種電機(jī)，目前市場(chǎng)上常見的有所謂 120176。和60176。排列的電機(jī)。有的控制器還可以根據(jù)該口的電壓高低來控制起動(dòng)時(shí)電流的大小，以適合不同的力度需求。 8：?jiǎn)纹瑱C(jī)電源地。 9：?jiǎn)纹瑱C(jī)外接振蕩器輸入腳。 10：?jiǎn)纹瑱C(jī)外接振蕩器反饋輸出腳。 11：數(shù)字輸入口：功能開關(guān) 1 12：數(shù)字輸入口：功能開關(guān) 2 13：數(shù)字輸出口： PWM 調(diào)制信號(hào)輸出腳，速度或電流由其輸出的脈沖占空比寬度控制。 14：數(shù) 字輸入口：功能開關(guān) 3 1 1 17：數(shù)字輸入口：電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器信號(hào)輸入口，單片機(jī)根據(jù)其信號(hào)變化決定讓電機(jī) 的相應(yīng)繞組通電，從而使電機(jī)始終向需要的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。這個(gè)信號(hào)上面講過有 120176。和 60176。之分，這個(gè)角度實(shí)際上是這三個(gè)信號(hào)的電相位之差， 120176。就是和三相電一樣，每個(gè)相位和前面的相位角相差 120176。60176。就是相差 60176。 18：數(shù)字輸出口：該口控制一個(gè) LED 指示燈，大部分廠商都將該指示燈用作故障情況顯示，當(dāng)控制器有重大故障時(shí)該指示燈閃爍不同的次數(shù)表示不同的故障類型以方便生產(chǎn)、維修。 19：?jiǎn)纹瑱C(jī) 電源地。 20：?jiǎn)纹瑱C(jī)電源正。 +5V 電壓輸入， 上限是 。 21：數(shù)字輸入口：外部中斷輸入，當(dāng)電流由于意外原因突然增大而不在控制范圍時(shí)，該口有低電平脈沖輸入。單片機(jī)收到此信號(hào)時(shí)產(chǎn)生中斷，關(guān)閉電機(jī)的輸出，從而保護(hù)重要器件不致?lián)p壞或故障不再擴(kuò)大。 22：數(shù)字輸出口：同步續(xù)流控制端，當(dāng)電流比較大時(shí)，該口輸出低電平，控制其后邏輯電路，使同步續(xù)流功能開啟。該功能在后面詳細(xì)講解。 2328：數(shù)字輸出口：是功率管的邏輯開關(guān)，單片機(jī)根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)子位置傳感器的信號(hào)，由這里輸出三相交流信號(hào)控制功率 MOSFET 開關(guān) 的導(dǎo)通和關(guān)閉，使電機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)。 PIC16F72 單片機(jī)的功能特性 （ 1） 功能部件的特性 帶有 8位 5通道模數(shù)轉(zhuǎn)換器； 高驅(qū)動(dòng)電流，每個(gè) I／ O引腳灌電流和拉電流最大均可達(dá) 25mA；可直接驅(qū)動(dòng)數(shù)碼管 (LED)、光耦合器等器件工作 ；可雙向獨(dú)立編程設(shè)置 I/O引腳； 8位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 TMRO，帶 8位預(yù)分頻器；有 1路捕捉輸入 /比較輸出 /PWM輸出 (CCP)； 16位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 TMR1，休眠中仍可計(jì)數(shù)； 8位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 TMR2,帶有 8位的周期寄存器及預(yù)分頻器和后分頻器； 帶有 SPITM(主 /從模式 )和 I2CTM(從模式 )同步串口；帶軟件控制選擇的欠壓檢測(cè)(BOD)；欠壓檢測(cè)電路用于欠壓復(fù)位 (BOR)。 (2) 微控制器的特殊功能： 使用高性能的 RISC CPU； 可進(jìn)行 1000次擦寫操作的閃存程序存儲(chǔ)器(標(biāo)準(zhǔn)值 )；上電復(fù)位 (POR)，上電延時(shí)定時(shí)器 (PWRT)和振蕩器起振定時(shí)器 (OST)，采用自身片上 RC振蕩器可靠工作的看門狗定時(shí)器 (WDT)；斷電復(fù)位鎖定，即當(dāng)芯片電源電壓下降到某一值以后時(shí)，使芯片保持復(fù)位， 當(dāng)電源電壓恢復(fù)正常后恢復(fù)運(yùn)行； 可編程代碼保護(hù)；省電的休眠模式，可選振蕩器選項(xiàng)；通過 2個(gè)引腳進(jìn)行在線串行編程 (ICSPTM)；處理器讀取程序存儲(chǔ)器【 1】 PIC16F72 單片機(jī)對(duì) PWM 信號(hào)的處理 直流電動(dòng)機(jī)調(diào)速的方法可分為勵(lì)磁控制法和電樞電壓控制法。在眾多的電樞電壓控制方法中，脈寬調(diào)制 (PWM)技術(shù)因?yàn)樾栌玫拇蠊β士煽仄骷佟⒕€路簡(jiǎn)單、調(diào)速范圍寬、電流波形系數(shù)好、附加損耗小、功率因數(shù)高的優(yōu)點(diǎn)，從而得到廣泛應(yīng)用。 CCP(捕捉輸入／比較輸出／ PWM輸出 )模塊是 PICl6F72 芯片的重要組成部分，它有 3 種工作方式：捕捉方式、輸出比較方式和脈寬調(diào)制方式。當(dāng)處于脈寬調(diào)制工作方式時(shí)，可以在引腳輸出分 辨率高達(dá) 10 位的 PWM 信號(hào)。用程序語言控制 PWM 信號(hào)的周期和高電平持續(xù)時(shí)間，從而控制電機(jī)的電樞電壓，以達(dá)到調(diào)速的目的【 31】。 逆變開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 逆變開關(guān)元件 MOSFET MOSFET 在 1960 年由貝爾實(shí)驗(yàn)室的 D. Kahng 和 Martin Atalla 實(shí)驗(yàn)成功，這種元件的操作原理和雙載子晶體管（ Bipolar Junction Transistor, BJT）截然不同，且因?yàn)橹圃斐杀镜土c使用面積較小、高整合度的優(yōu)勢(shì)，在大型積體電路（ LargeScale Integrated Circuits, LSI）或是超大型積體電路（ Very LargeScale Integrated Circuits, VLSI）的領(lǐng)域里，重要性遠(yuǎn)超過 BJT。 近年來由于 MOSFET 元件的性能逐漸提升，除了傳統(tǒng)上應(yīng)用于諸如微處理器、微控制器等數(shù)位訊號(hào)處理的場(chǎng)合上，也有越來越多類比訊號(hào)處理的積體電路可以用 MOSFET 來實(shí)現(xiàn)。 開關(guān)速度快，輸入阻抗高，熱穩(wěn)定性好，所需驅(qū)動(dòng)功率小且驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，工作頻率高，不存在二次擊穿問題 驅(qū)動(dòng)芯片 IR2103 簡(jiǎn)介 （ 1） IR2103 的特點(diǎn)：采用雙列 8 腳封裝，高端工作電壓為 600V，低端工作電壓為 10~20V，功率為 1W。 IR2103 是一款半橋驅(qū)動(dòng)集成芯片，該芯片內(nèi)部集成了互相獨(dú)立的控制驅(qū)動(dòng)輸出電路，可直接驅(qū)動(dòng)兩個(gè)中功率半導(dǎo)體器件，如 MOSFE 或 IGBT，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，工作頻率高，且具有多種保護(hù)功能。 IR2103 配備有大脈沖電流緩沖級(jí)，可將交叉?zhèn)鲗?dǎo)減至最低；同時(shí)采用具有下拉功能的施密特觸發(fā)式輸入設(shè)計(jì)，可有效隔絕噪音，以防止器件意外開通。 IR2103 的引腳圖如圖 32 所示。 圖 32 IR2103 引腳圖 引腳功能如下： 1 腳 VCC：邏 輯電源與低端電源電壓； 2 腳 HIN：高端邏輯輸入； 3 腳 LIN：低端邏輯輸入； 4 腳 COM：低端電源接地； 5 腳 LO：低端驅(qū)動(dòng)輸出電壓； 6 腳 VS：高端浮偏電源偏置電壓： 7 腳 HO：高端驅(qū)動(dòng)輸出電壓； 8 腳 VB：高端浮置電源電壓。 （ 2） IR2103 主要功能：引腳 8 是高端浮置電源連接端，通過自舉電容上橋臂功率管的驅(qū)動(dòng)器提供內(nèi)部浮置電源，引腳 6 是與引腳 8 對(duì)應(yīng)的浮偏電源的地端。引腳 2和引腳 3分別是上橋臂功率管和下橋臂功率管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)邏輯輸入端，引腳 2 是高電平有效，引腳 3 是低電平有效，他們的輸入信號(hào)范圍為 3V~5V，與 TTL 電平和 CMOS 電平兼容。引腳 7 和引腳 5 分別是輸出逆變橋上橋臂和下橋臂的功率開關(guān)器件的驅(qū)動(dòng)信號(hào)端，其輸出的電平信號(hào)范圍為 10~20V，其輸出的信號(hào)受引腳 2 和引腳 3 的共同控制，具體的輸入輸出時(shí)序邏輯關(guān)系如圖 33 所示： 圖 33 IR2103 輸入輸出時(shí)序邏輯關(guān)系圖 IR2103 芯片內(nèi)部電路框圖： IR2103 工作原理非常簡(jiǎn)單，在滿足自舉得情況下，當(dāng) IR2103 的 2 腳 HIN高端邏輯輸入為高電平時(shí)， 7 腳 HO 高端驅(qū)動(dòng)輸出電壓端輸出高電平，使上橋管VT1 導(dǎo)通。當(dāng) IR2103 的 3 腳 LIN 低端邏輯輸 入為高電平時(shí)， 5 腳 LO 低端驅(qū)動(dòng)輸出電壓端輸出高電平，使下橋管 VT2 導(dǎo)通。由于有死區(qū)時(shí)間控制， 5 腳 LO低端驅(qū)動(dòng)輸出電壓和 7 腳 HO 高端驅(qū)動(dòng)輸出電壓不會(huì)同時(shí)出現(xiàn)高電平的，也就是說，上下橋管 VT VT2 不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通的，既不會(huì)發(fā)生直通現(xiàn)象。 IR2103 的 3 腳受單片機(jī)控制的。在電動(dòng)自行車的無刷電機(jī)控制電路中，就是利用單片機(jī)去控制三個(gè) IR2103，對(duì)于由六個(gè)功率元件構(gòu)成的三相橋式逆變器來說，采用三片 IR2103 三個(gè)橋臂是中小型功率變換的理想選擇。此類逆變電路中的主電路可將直流電壓（ +VCC）逆變?yōu)槿嘟涣鬏敵鲭妷?U、 V、 W，送給無刷電機(jī)。由于三相逆變器每個(gè)周期總有一個(gè)上下管導(dǎo)通，故上管自舉電容容易充電，三個(gè)上管自舉電路可有序工作。但若 IR2103 使用不當(dāng)，尤其是自舉電容選擇不好，易導(dǎo)致芯片損壞或不能正常工作。 IR2103 典型的應(yīng)用電路（驅(qū)動(dòng)電路圖）： 此外， IR2103 所具備的產(chǎn)生死區(qū)時(shí)間功能如圖 34 所示： 圖 34 死區(qū)時(shí)間波形圖 當(dāng) HIN 和 LIN 同時(shí)從低電平跳變到高電平時(shí)， HO 和 LO 并不是在同一個(gè)時(shí)間往各自相反的方向跳變，而是 HO 的輸出波形要比 LO 的輸出波形窄，從而在兩個(gè)波形跳變處產(chǎn)生了時(shí)間 差 DT，這個(gè)時(shí)間差 DT 就是死區(qū)時(shí)間。根據(jù) IR3103的 Date sheet，產(chǎn)生的死區(qū)時(shí)間 DT 的大致范圍是 400~650ns，滿足 MOSFET 的開通或關(guān)斷時(shí)間。由于后續(xù)部分的硬件電路設(shè)計(jì)部分要用到死區(qū)時(shí)間，所以在先這里簡(jiǎn)單的介紹一下。 無刷直流電機(jī)控制器的硬件設(shè)計(jì) 無刷直流電機(jī)控制器硬件設(shè)計(jì)思路 本文設(shè)計(jì)的 無刷直流電機(jī)控制器硬件電路 主要 包