基于ATmega8的新型電動自行車調速控制系統設計方案

m.jxmhotel.com.cn 來源：科技論壇　　　電動車商情網作者：俠名類別：電動車維修時間：2005-12-19

摘要：介紹了一種以AVR單片機ATmega8為主控芯片的新型電動自行車調速控制系統的設計方案給出了系統的硬件構成和軟件設計方法。實驗證明：該系統性能可靠、成本較低，是一種實用的無刷直流電動機調速系統。１引言當前，隨著保護環境、節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注，同時也得到了極大的發展，電動自行車便是其中之一１。它以蓄電池發出的電能作為驅動能源，以電動機作動力，具有無廢氣污染、“零排放”、無噪音、輕便美觀等特點特別適合在人口較集中的大中城市中使用。但目前市場(Rialto)上的電動自行車還存在著一些不夠完善的地方，尤其是電機控制方面有待于進一步提高。本文根據無刷直流電機的原理，利用美國Ａｔｍｅｌ公司２００２年推出的一款新型ＡＶＲ高檔單片機ＡＴｍｅｇａ８作為主控芯片設計了一種無刷直流電機調速控制系統，該系統具有硬件結構簡單、軟件設計靈活、適用面廣、價格低廉等優點具有一定的實用價值。２ ATmega8芯片簡介ＡＴｍｅｇａ系列單片機承襲了ＡＶＲ系列中ＡＴ９０所具有的特點 并增加了更多的接口功能 而且在省電性、穩定性、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(ＡＴｍｅｇａ１６／ＡＴｍｅｇａ３２／ＡＴｍｅｇａ６４／ＡＴｍｅｇａ１２８)的一個子集, 其內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工藝生產的基于ＡＶＲＲＩＳＣ(精簡指令集)結構的８位單片機。ＡＶＲ單片機的核心是將３２個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(算術邏輯單元)直接相連, 可在一個時鐘周期內用一條指令同時訪問(讀寫)２個獨立的寄存器。這種結構可提高代碼效率,使得大部分指令的執行時間僅為一個時鐘周期，故可達到將近１ＭＩＰＳ／ＭＨｚ的性能, 運行速度(Tempo)比普通單片機高出１０倍。ＡＴｍｅｇａ８的主要性能特點如下: (１)高性能、低功耗的８位ＡＶＲ微控制器。采用先進的ＲＩＳＣ精簡指令集結構；有１３０條功能強大的指令, 大多數為單周期指令；內含３２個８位通用工作寄存器；工作在１６ＭＨｚ時指令處理速度(Tempo)為１６ＭＩＰＳ。 (２)片內集成了較大容量的非易失性程序和數據存儲器。８ｋ字節的Ｆｌａｓｈ程序存儲器的可擦寫次數大于１００００次；５１２個字節Ｅ２ＰＲＯＭ的擦寫次數至少可達１０００００次；支持在線編程(ＩＳＰ)和在應用編程(ＩＡＰ)；帶有可編程的程序加密位。 (３)豐富強大的外部接口。帶有２個帶預分頻的８位定時／計數器、１個帶預分頻的１６位定時／計數器；３個ＰＷＭ通道可實現任意１６位以內相位和頻率可調的ＰＷＭ脈寬調制輸出；６通道Ａ／Ｄ轉換；一個Ｉ２Ｃ串行接口、一個可編程的ＵＳＡＲＴ接口、一個支持主／從、收／發的ＳＰＩ同步串行接口；帶片內ＲＣ振蕩器的可編程看門狗定時器；片內模擬比較器。 (４)具有特殊的微控制器性能。內含可控制的上電復位延時電路和可編程的欠電壓檢測電路；芯片內部和外部共有１８個中斷源；５種休眠模式(空閑、ＡＤＣ噪聲抑制、省電、掉電、待命)。３系統硬件設計整個系統主要包括轉子位置檢測電路、測速電路、調速電路、ＭＯＳＦＥＴ全橋電路、限流電路等，圖１所示是其原理框圖。其中無刷直流電機由電動機本體、轉子位置檢測器和電子開關電路三部分組成。直流電源通過開關電路向電動機定子繞組供電，位置檢測器可隨時檢測轉子的位置，并根據轉子的位置信號來控制開關管的導通和截止，從而實現電子換向。３．１轉子位置檢測電路本設計中的無刷直流電動機有２對磁極定子繞組采用三相型接法３個霍爾位置傳感器的空間間距為６０°即電角度為１２０°。３個霍爾傳感器的輸出Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３分別直接接到ＡＴｍｅｇａ８的２６、２７、２８腳，運用這三個腳的數模轉換功能(ＡＤＣ)可對霍爾信號進行采樣和轉換。３．２電機轉速控制電路ａ．測速電路要對無刷直流電動機的轉速進行準確的控制首先要準確地測量出它的轉速。本設計利用轉子位置傳感器的輸出脈沖信號來反映電動機的轉速。先將位置傳感器信號經過采樣調理電路后送至單片機的ＰＤ３腳該引腳可作為外部中斷源的輸入口。隨著電動機的轉動ＰＤ３將不斷接收到脈沖信號。當ＰＤ３接收到一個上升沿時將啟動定時器Ｔ０以開始計時，直至接收到下一個相鄰的上升沿為止，定時器Ｔ０的計時結果便是電動機轉動一圈所需的時間據此即可計算出電動機的轉速。ｂ．換向調速電路無刷直流電動機轉速的控制方法可分為勵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，且勵磁線圈電感較大動態響應較差。所以常用的是改變電樞端電壓以實現調速的電樞電壓控制法。設直流電源電壓為Ｕｄ，為電樞串聯一個電阻Ｒ并接到電源Ｕｄ，則電樞兩端的電壓Ｕａ為Ｕａ＝Ｕｄ－ＩａＲ，顯然調節電阻Ｒ即可改變端電壓從而達到調速目的。但這種傳統的調壓調速方法效率較低。隨著電力電子技術的發展出現了許多新的電樞電壓控制方法。ＰＷＭ脈寬調制　就是其中之一，其基本原理如圖２所示。設加在電機電樞兩端的矩形波的幅值電壓為Ｕｄ 則電機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的值可達到調壓的目的。由于０ ≤α≤１, Ｕａ值的范圍是－Ｕｄ～＋Ｕｄ,因而電機可以在正、反兩個方向調速運轉。圖３所示是一種電動自行車無刷直流電機調速系統的部分原理圖。通過圖中單片機可采樣電動自行車手柄上可調電阻的電壓，再經Ａ／Ｄ轉換后送到ＰＷＭ寄存器，從而控制單片機的ＰＢ１腳，輸出占空比可調的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引腳來驅動相應的光耦，進而控制ＭＯＳＦＥＴ全橋電路換相導通，實現電機的換向。因此,通過調節單片機ＰＷＭ信號的占空比,最終可改變加在電動機定子繞組上的電壓,從而實現電動機的調速。４系統軟件控制ＡＴｍｅｇａ８在軟件上能有效支持Ｃ語言及匯編語言。Ｃ語言目前已成為設計嵌入式系統的標準語言，它既有普通高級語言結構化編程、可讀性好、維護方便的特點，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。本設計是用Ｃ語言編程實現的，具有很好的可移植性，其程序流程圖如圖４所示。５結束語用本方案設計的電動自行車調速控制系統在實驗運行過程中獲得了良好的動、靜態特性。高性價比ＡＴｍｅｇａ８單片機的運用大大降低了成本，提高了軟件設計靈活性，豐富了硬件接口功能，為今后系統升級創造了良好條件。