基于ATmega8的新型電動(dòng)自行車調(diào)速控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    關(guān)鍵詞：ATmega8；無刷直流電動(dòng)機(jī)；調(diào)速控制系統(tǒng)

１ 引言

當(dāng)前，隨著保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源的呼聲日益高漲?無污染、能源可多樣化配置的新型交通工具引起了人們的普遍關(guān)注，同時(shí)也得到了極大的發(fā)展，電動(dòng)自行車便是其中之一?１?。它以蓄電池發(fā)出的電能作為驅(qū)動(dòng)能源，以電動(dòng)機(jī)作動(dòng)力，具有無廢氣污染、“零排放”、無噪音、輕便美觀等特點(diǎn)?特別適合在人口較集中的大中城市中使用。但目前市場上的電動(dòng)自行車還存在著一些不夠完善的地方，尤其是電機(jī)控制方面有待于進(jìn)一步提高。本文根據(jù)無刷直流電機(jī)的原理，利用美國Ａｔｍｅｌ公司２００２年推出的一款新型ＡＶＲ高檔單片機(jī)ＡＴｍｅｇａ８作為主控芯片設(shè)計(jì)了一種無刷直流電機(jī)調(diào)速控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有硬件結(jié)構(gòu)簡單、軟件設(shè)計(jì)靈活、適用面廣、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)?具有一定的實(shí)用價(jià)值。

２ ATmega8芯片簡介

ＡＴｍｅｇａ系列單片機(jī)承襲了ＡＶＲ系列中ＡＴ９０所具有的特點(diǎn)? 并增加了更多的接口功能? 而且在省電性、穩(wěn)定性、抗干擾性及靈活性方面都更加周全和完善。ＡＴｍｅｇａ８屬于ＡＴｍｅｇａ系列單片機(jī)(ＡＴｍｅｇａ１６／ＡＴｍｅｇａ３２／ＡＴｍｅｇａ６４／ＡＴｍｅｇａ１２８)的一個(gè)子集, 其內(nèi)部集成了較大容量的存儲器和豐富的硬件接口電路, 并且在軟件上能有效支持Ｃ高級語言及匯編語言。

ＡＴｍｅｇａ８是一款采用低功耗ＣＭＯＳ工藝生產(chǎn)的基于ＡＶＲ ＲＩＳＣ(精簡指令集)結(jié)構(gòu)的８位單片機(jī)。ＡＶＲ單片機(jī)的核心是將３２個(gè)工作寄存器和豐富的指令集連接在一起, 所有的工作寄存器都與ＡＬＵ(算術(shù)邏輯單元)直接相連, 可在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)用一條指令同時(shí)訪問(讀寫)２個(gè)獨(dú)立的寄存器。這種結(jié)構(gòu)可提高代碼效率,使得大部分指令的執(zhí)行時(shí)間僅為一個(gè)時(shí)鐘周期，故可達(dá)到將近１ＭＩＰＳ／ＭＨｚ的性能, 運(yùn)行速度比普通單片機(jī)高出１０倍。ＡＴｍｅｇａ８的主要性能特點(diǎn)如下:

(１)高性能、低功耗的８位ＡＶＲ微控制器。采用先進(jìn)的ＲＩＳＣ精簡指令集結(jié)構(gòu)；有１３０條功能強(qiáng)大的指令, 大多數(shù)為單周期指令；內(nèi)含３２個(gè)８位通用工作寄存器；工作在１６ＭＨｚ時(shí)指令處理速度為１６ＭＩＰＳ。

(２)片內(nèi)集成了較大容量的非易失性程序和數(shù)據(jù)存儲器。８ｋ字節(jié)的Ｆｌａｓｈ程序存儲器的 可擦寫次數(shù)大于１００００次；５１２個(gè)字節(jié)Ｅ２ＰＲＯＭ的擦寫次數(shù)至少可達(dá)１０００００次；支持在線編程(ＩＳＰ)和在應(yīng)用編程(ＩＡＰ)；帶有可編程的程序加密位。

    (３)豐富強(qiáng)大的外部接口。帶有２個(gè)帶預(yù)分頻的８位定時(shí)／計(jì)數(shù)器、１個(gè)帶預(yù)分頻的１６位定時(shí)／計(jì)數(shù)器；３個(gè)ＰＷＭ 通道?可實(shí)現(xiàn)任意１６位以內(nèi)相位和頻率可調(diào)的ＰＷＭ 脈寬調(diào)制輸出；６通道Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換；一個(gè)Ｉ２Ｃ串行接口、一個(gè)可編程的ＵＳＡＲＴ接口、一個(gè)支持主／從、收／發(fā)的ＳＰＩ同步串行接口；帶片內(nèi)ＲＣ振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器；片內(nèi)模擬比較器。

(４)具有特殊的微控制器性能。內(nèi)含可控制的上電復(fù)位延時(shí)電路和可編程的欠電壓檢測電路；芯片內(nèi)部和外部共有１８個(gè)中斷源；５種休眠模式(空閑、ＡＤＣ噪聲抑制、省電、掉電、待命)。

３ 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)系統(tǒng)主要包括轉(zhuǎn)子位置檢測電路、測速電路、調(diào)速電路、ＭＯＳＦＥＴ全橋電路、限流電路等，圖１所示是其原理框圖。其中無刷直流電機(jī)由電動(dòng)機(jī)本體、轉(zhuǎn)子位置檢測器和電子開關(guān)電路三部分組成。直流電源通過開關(guān)電路向電動(dòng)機(jī)定子繞組供電，位置檢測器可隨時(shí)檢測轉(zhuǎn)子的位置，并根據(jù)轉(zhuǎn)子的位置信號來控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止，從而實(shí)現(xiàn)電子換向。

３．１ 轉(zhuǎn)子位置檢測電路

本設(shè)計(jì)中的無刷直流電動(dòng)機(jī)有２對磁極?定子繞組采用三相型接法?３個(gè)霍爾位置傳感器的空間間距為６０°?即電角度為１２０°。３個(gè)霍爾傳感器的輸出Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３分別直接接到ＡＴｍｅｇａ８的２６、２７、２８腳，運(yùn)用這三個(gè)腳的數(shù)模轉(zhuǎn)換功能(ＡＤＣ)可對霍爾信號進(jìn)行采樣和轉(zhuǎn)換。

３．２ 電機(jī)轉(zhuǎn)速控制電路

ａ．測速電路

要對無刷直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行準(zhǔn)確的控制?首先要準(zhǔn)確地測量出它的轉(zhuǎn)速。本設(shè)計(jì)利用轉(zhuǎn)子位置傳感器的輸出脈沖信號來反映電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。先將位置傳感器信號經(jīng)過采樣調(diào)理電路后送至單片機(jī)的ＰＤ３腳?該引腳可作為外部中斷源的輸入口。隨著電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)?ＰＤ３將不斷接收到脈沖信號。當(dāng)ＰＤ３接收到一個(gè)上升沿時(shí)將啟動(dòng)定時(shí)器Ｔ０以開始計(jì)時(shí)，直至接收到下一個(gè)相鄰的上升沿為止，定時(shí)器Ｔ０的計(jì)時(shí)結(jié)果便是電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一圈所需的時(shí)間?據(jù)此即可計(jì)算出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。

圖3

    ｂ．換向調(diào)速電路

無刷直流電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的控制方法可分為勵(lì)磁控制法與電樞電壓控制法兩類?４?。由于前者所受的各類限制較多，且勵(lì)磁線圈電感較大?動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差。所以常用的是改變電樞端電壓以實(shí)現(xiàn)調(diào)速的電樞電壓控制法。設(shè)直流電源電壓為Ｕｄ，為電樞串聯(lián)一個(gè)電阻Ｒ并接到電源Ｕｄ，則電樞兩端的電壓Ｕａ為Ｕａ＝Ｕｄ－ＩａＲ，顯然?調(diào)節(jié)電阻Ｒ即可改變端電壓?從而達(dá)到調(diào)速目的。但這種傳統(tǒng)的調(diào)壓調(diào)速方法效率較低。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展?出現(xiàn)了許多新的電樞電壓控制方法。ＰＷＭ?脈寬調(diào)制?就是其中之一，其基本原理如圖２所示。

設(shè)加在電機(jī)電樞兩端的矩形波的幅值電壓為Ｕｄ ?則電機(jī)電樞兩端電壓的平均值為?

Ｕａ＝(Ｔ１－Ｔ２)Ｕｄ／(Ｔ１＋Ｔ２)＝(２Ｔ１／Ｔ２－１)Ｕｄ＝(２α－１)Ｕｄ

其中α為占空比，通過改變α的值可達(dá)到調(diào)壓的目的。由于０ ≤α≤１, Ｕａ值的范圍是－Ｕｄ～＋Ｕｄ,因而電機(jī)可以在正、反兩個(gè)方向調(diào)速運(yùn)轉(zhuǎn)。

圖３所示是一種電動(dòng)自行車無刷直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的部分原理圖。通過圖中單片機(jī)可采樣電動(dòng)自行車手柄上可調(diào)電阻的電壓，再經(jīng)Ａ／Ｄ轉(zhuǎn)換后送到ＰＷＭ寄存器，從而控制單片機(jī)的ＰＢ１腳，輸出占空比可調(diào)的ＰＷＭ 信號。該信號和來自限流電路ＬＭ３５８比較器的輸出信號一起通過軟件比較，在限流電路不工作的情況下輸出ＰＷＭ信號，以配合軟件控制的ＰＢ０、ＰＤ５和ＰＤ６引腳來驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的光耦，進(jìn)而控制ＭＯＳＦＥＴ全橋電路換相導(dǎo)通，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的換向。因此,通過調(diào)節(jié)單片機(jī)ＰＷＭ信號的占空比,最終可改變加在電動(dòng)機(jī)定子繞組上的電壓,從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的調(diào)速。

４ 系統(tǒng)軟件控制

ＡＴｍｅｇａ８在軟件上能有效支持Ｃ語言及匯編語言。Ｃ語言目前已成為設(shè)計(jì)嵌入式系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)語言，它既有普通高級語言結(jié)構(gòu)化編程、可讀性好、維護(hù)方便的特點(diǎn)，又具有匯編等低級語言對硬件訪問方便、代碼效率高的特點(diǎn)。本設(shè)計(jì)是用Ｃ語言編程實(shí)現(xiàn)的，具有很好的可移植性，其程序流程圖如圖４所示。

５ 結(jié)束語

用本方案設(shè)計(jì)的電動(dòng)自行車調(diào)速控制系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)運(yùn)行過程中獲得了良好的動(dòng)、靜態(tài)特性。高性價(jià)比ＡＴｍｅｇａ８單片機(jī)的運(yùn)用大大降低了成本，提高了軟件設(shè)計(jì)靈活性，豐富了硬件接口功能，為今后系統(tǒng)升級創(chuàng)造了良好條件。