基于摩托罗拉单片机的电动自行车设计.docx

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1、目 录第一章 绪 论 11.1 引言 11.2 控制器方案 21.3 本课题的研究背景与设计内容 31.4论文的结构 3第二章 带霍尔的无刷直流电机控制原理 4第三章 控制器的硬件方案设计 73.1 总体实现方案 73.2 MC68HC908JL3单片机简介 83.3 系统硬件设计 103.3.1 电源电路 103.3.2 控制器主电路 113.3.3 驱动电路设计 123.3.4 位置传感器的选择及安放 153.3.5 调速控制 183.3.6 检测电路的设计 183.3.7 系统控制示意图 203.3.8 硬件设计中的抗干扰措施 203.4本章小节 22第四章 控制器的软件设计 234.1

2、 控制器的主程序结构 234.2 HC08的内存分配 244.3振荡器 254.4 控制器中所用到的片内模块 264.4.1定时器接口模块(TIM) 264.4.2 ADC转换模块 284.5 ADC相关寄存器设置初始化 314.6 端口和时钟寄存器的初始化 314.7 霍尔信号的查询与绕组的换相 324.8 中断程序 324.8.1 过流与欠压保护中断子程序 324.8.2 刹车中断子程序 334.9 电机堵转检测 33第五章 设计中遇到的问题及其解决 35结 论 37致 谢 38第一章 绪 论1.1 引言电动自行车作为一种环保型交通工具，以其便捷、噪声低、污染少等优点，一经推出就备受广大消

3、费者的喜爱。目前市场上出现的电动自行车按照骑行方式可分为两类：一类为电动车，即骑行者不需自己用力，只要接通电源，电动自行车上的电机即能工作而带动自行车行。我国生产的电动自行车大多数属这一类型，通常这类车又分为两种驱动方式：一种为磨擦驱动方式，即电机转动时主动轮磨擦自行车的轮胎或轮箍驱动自行车运动，上海“永久倍特”就是这种驱动方式；一种为直接驱动型，电机与自行车轮箍连为一体，两轴同心。这种电机一般采用高科技的稀土电机，电机外壳为转子，如南京“大陆鸽”、苏州“小羚羊”都属这一类。还有一类为助力型，电动机的工作只是减少脚踏阻力，清华大学研制的一种电动自行车和台湾省巨大公司昆山分公司生产的新一代“捷安

4、特”afree电动车就属于这一种，这种电动车在国外称之“智”行车，这种车集人力和电力为一体，介于电动车和脚踏车之间，骑行者用力踏车时电机提供助力，助力的大小通过一智能型传感器传给控制器中的电脑芯片，由电脑芯片“指挥”电机施加多大的力而进行控制，助力与人力的比例可进行调节，人力越大，助力越大，骑行者不加力则电机不工作。我们现在使用较多的电动车就属于上面所说的第一类，应用于该类的电机又有无刷和有刷之分。有刷和无刷是指电机的换相方式，普通的直流电机就是一种有刷电机，它是电刷与换相器之间通过机械接触来进行换相的。而无刷电机是通过传感器（一般指霍尔传感）来检测绕组的位置，从而控制相应绕组的导通情况。与有

5、刷电机相比，无刷电机避免了机械接触与磨损，提高了电机寿命，减少了维修费用。此外，无刷电机在运行时不会像有刷电机那样产生电火花，对电动车上的仪表造成干扰。随着电动车控制器成本的大大降低，采用无刷电机作为驱动电机已经成为各大电动车厂商的首选，其中广泛采用的是一种无电刷带位置传感器的三绕组直流电机。为了能够降低控制器的成本，使其有较高的性价比，本毕业设计提出采用Motorola的mc68hc908jl3作为电动自行车的控制器。1.2 控制器方案无刷直流电机（Brushless Direct Current Motor）由电动机主体和驱动器组成，是一种典型的机电一体化产品。它的定子绕组多做成三相对称星

6、形接法，转子上粘有已充磁的永磁体，为了检测电动机转子的极性，在电动机内装有位置传感器，负责检测转子磁极的位置信号，控制器接收位置传感器信号，以一定的导通顺序触发功率器件，从而将电源以一定的逻辑顺序分给各相绕组，使电机产生连续转矩。所以设计无刷电机控制器的关键是根据位置传感器的信号来控制相应绕组的通断及其通断时间。除此之外，控制器还应具有转速调节，过载过流保护及显示等功能。MC68HC(9)08JL3是MC68HC08家族中高性能、低价位的一员。内含4096字节闪速存储器(Flash)，128字节RAM，同时带有看门狗，可防止程序跑飞，大大提高系统的抗干扰能力。它的片内资源也较丰富，其片内的TI

7、M（定时器接口模块）是一个双通道的定时器，具有输入捕捉、输出比较和脉宽调制（PWM）功能。有一个8位的12路ADC转换器。因此MC68HC(9)08JL3可选作为电动车控制器的主控芯片。1.3 本课题的研究背景与设计内容自20世纪70年代起，由于大规模集成电路技术的不断进步，将微处理器、存储器和外围设备集成到一块芯片上，开始了单片机（Single-chip Microcomputer）的时代。之后，单片机的CPU和指令系统功能不断加强，存储器容量显著提高，外围I/O部件的品种逐渐增多、数量逐渐增大，有的包含了A/D等特殊I/O部件，性价比大大提高，使单片机广泛应用于高级家用电器、复杂时实控制系

8、统、智能仪表、智能玩具及各类高科技产品中，且经久不衰。Motorola公司的M68HC08向上兼容了先前的M68HC05系列8位微控制器，因而可以说是它的增强该型版，其性能更好、功能更强、速度更高，是性价比很高的8位微控制器。采用此种类型的单片机作为电动车的控制器，能够大大简化无刷电机控制电路的设计，对电动车运行时重要参数进行监控，实现控制的智能化，提高系统的整体性能。采用Motorola单片机作为控制芯片的又一好处是,该芯片具有较强的抗干扰能力，可以简化电路设计中的防干扰措施，降低控制器的整体成本。本设计的具体方法为：Mc68hc908jl3单片机通过检测霍尔传感器中传来的信号，将驱动信号送

9、至驱动芯片Ir2103的输入端，然后由IR2103驱动相应的MOS功率管。为了控制行车的速度，将车把信号接至单片机的A/D输入端，经内部A/D转换处理后，改变驱动输入端的PWM占空比，从而实现电机的调速。此外，保护电路中的信号均送至单片机进行判读和处理，然后执行对应的保护动作或不动作。 1.4论文的结构本文以电动自行车的控制器为应用背景，对控制器中以单片机为核心的控制装置进行了研究。全文共分五章，各章的主要内容如下：第一章 谈论了自行车的发展现状，提出了电动自行车的控制器设计方案。第二章 论述了带霍尔的无刷直流电机控制原理，对全桥驱动下二二导通，三相六状态PWM调制方式进行了详细的阐述。第三章

10、 对控制器的硬件电路中各单元电路进行了设计，并对各电路的作用进行了相关介绍。第四章 给出了mc68hc908jl3这块芯片的内存分配和端口介绍，并结合设计本身，对设计中所要用的MCU内部功能模块(A/D、定时器)给予了叙述。同时还给出了相关模块的寄存器、端口初始化程序和欠压、过流、电机堵住检测保护的子程序。第五章 列出了本次设计过程中，所遇到的硬件和软件问题。同时给出了解决这些问题的方法。第二章 带霍尔的无刷直流电机控制原理直流无刷电机是同步电机的一种，也就是说电机转子的转速受电机定子旋转磁场的速度及转子极数(P)影响：N=120f / P。在转子极数固定情况下，改变定子旋转磁场的频率就可以改

11、变转子的转速。直流无刷电机即是将同步电机加上电子式控制(驱动器)，控制定子旋转磁场的频率并将电机转子的转速回授至控制中心反复校正，以期达到接近直流电机特性的方式。也就是说直流无刷电机能够在额定负载范围内当负载变化时仍可以控制电机转子维持一定的转速。无刷直流电机的内部结构如下：图11从图中可以看出，无刷直流电机的内部主要由定子、转子、位置传感器、转轴几部分组成，其中电枢绕组安装在定子上。要使得无刷电机正确运行起来，关键是要确定磁极与绕组之间的相对位置关系。一般采用位置传感器来完成,由位置传感器将转子磁极的位置信号转换成电信号,然后去驱动功率器件,控制相应绕组电流的通、断。与有刷直流电动机不同,无

12、刷直流电动机的永久磁钢磁极安放在转子上,而电枢绕组安装在定子上。位置传感器也有相应的两部分,转动部分和电动机本体中转子同轴连接(转动部分通常由电机转子代替) ,固定部分与定子相连。如图12所示,在电动机装配过程中,首先调整好位置传感器的三个信号元件(a 、b、c) 与电机定子三相绕组(AX ,BY,CZ) 之间的相对位置,使得转子磁场转到定子某相绕组下时,该相绕组才导通,以保证转子磁极下的绕组导体电流方向始终保持一致。图1 中,当电动机转子N 极位于A(a) 处,则传感器a 元件感应出信号,使功率晶体管V1 导通,A 相绕组中便有电流通过,设其方向为A(流入) 、X(流出) ,便产生水平向左的

13、定子磁场,与向上的转子磁场相互作用而产生电磁转矩,驱动转子逆时针旋转;当N 极旋转至B(b) 处,b 元件输出信号使晶体管V2 导通而其余关断,B 相绕组通过电流,同样产生逆时针方向的电磁转矩,当磁极旋转至C(c) 处,其动作过程与前两处相同。如此反复循环,电动机即可旋转起来。由于传感器元件安装位置为空间互差120电角度,因此三相绕组轮流通电时间也应为每相120。因为功率晶体管的导通和截止是通过位置传感器传感信号来控制的,所以传感器的位置和三相绕组位置之间必须有严格的对应,在电机安装时应加以注意。图1-2无刷电机中定子绕组的连接方式有三相星型连接和三角形连接两种。驱动方式可以是全桥驱动，也可以

14、是半桥驱动。这里以典型的全桥驱动，三相星型连接方式来阐述无刷电机的控制方法。按照位置传感器安装的电角度划分又可分为60度和120度的。120度驱动的基本框图如下：全桥驱动中即可以采用二二导通方式也可以采用三三导通方式，本课题中，我们采用全桥驱动下二二导通，三相六状态PWM调制方式。过程图如下所示：功率MOS管的导通顺序可举例如下：AH、BL一组AH、CL一组BH、CL一组BH、AL一组CH、AL一组CH、BL一组但绝不能开成AH、AL或BH、BL或CH、CL。此外因为电子零件总有开关的响应时间，所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去，否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭，下臂(

15、或上臂)就已开启，结果就造成上、下臂短路而使功率MOS管烧毁。 当电机转动起来，控制部会再根据驱动器设定的速度来决定由下一组(AH、BL或AH、CL或BH、CL或)开关导通，以及导通时间长短。此部份工作就由PWM来完成。电机定子绕组轴向示意图如图2所示：第三章 控制器的硬件电路设计第三章 控制器的硬件方案设计3.1 总体实现方案电动自行车控制器的主要控制功能有: 电机调速控制、刹车控制、蓄电池欠压保护、电机过载保护、电机过热保护及控制器过流保护等。以下给出以MC68HC90JL3为核心的控制框图。3.2 MC68HC908JL3单片机简介基 于 用 户 定 义 的 集 成 电 路(CSIC)

16、的 设 计 思 想，Motorola 68HC08 家 族 使 用 增 强 型08CPU， 并 配 以 各 种I/O 模 块 和 不 同 大 小 及 类 型 的 存 储 器， 组 成 不 同 的 单 片 机 系 列。 MC68HC(9)08JL3 是 其 中 优 化 了 的、 低 价 位 的 产 品， 其 中 带 有 括 号 中 的9 是Flash（ 快 闪） 式， 无9 是 掩膜 型 的。MC68HC(9)08JL3 由08CPU、 存 储 器、I/O 端 口、 时 钟 产 生、 定 时 器、 COP（ 开 门 狗） 及 系 统 集 成 等 模 块 组 成， 无SCI（ 异 步 串 行 接

17、口）、 SPI（ 同 步 外 围 接 口） 模 块。 它 采 用 全 静 态 设 计， 有WAIT、STOP 指 令。 它 有4096 字 节 快 闪 存 储 器(Flash) 或 掩 膜ROM；976 字 节 监 控 与 自 检 程 序；128 字 节RAM；12 路8 位A/D；7 个 键 盘 中 断 位(PTA0-PTA6)； 可 编 程 低 电 压 复 位； 可 选 用RC 振 荡 器 或 石 英 振 荡 器； 供 电 电 压 5V 或3V。MC68HC(9)08JL3 价 位 低， 因 此 它 去 掉 了 通 常HC08 单 片 机 内 部 的 锁 相 环 电 路, 外 部 采 用

18、最 高 为8MHz 的 振 荡 器， 故 它 的 内 部 总 线 速 度 为2MHZMC68HC(9)08JL3 使 用 08CPU 较 之 05CPU 的 最 大 改 进 在 于 堆 栈 指 针SP 不 再 是 固 定 的， 它 可 以 在64K 寻 址 空 间 内 滚 动， 因 而 可 以 使 用C 语 言 编 译 器。 另 外，08CPU 还 有 不 使 用 累 加 器 的 存 储 器 之 间 的 数 据 移 动、 快 速8 位 乘 法 和16 位 除 法 指 令，BCD 码 指 令 也 进 一 步 增 强。MC68HC(9)08JL3 有28、20、16 三 种 封 装 形 式。 28

19、 引 脚 的 有23 位I/O， 其 中12 路A/D 不 做A/D 使 用 时 也 可 定 义 成 普 通I/O，10 个LED 驱 动 输 出， 2 路 有25mA 漏 级 开 路 式 可 编 程 上 拉 电 阻 输 出，2 路 输 入 捕 捉 或PWM （ 脉 宽 调 制） 输 出 比 较。20 引 脚 封 装 片 去 掉 了 两 路A/D 和6 位 键 盘 中 断。16 引 脚 封 装 片 有11 个I/O 端 口。 3.3 系统硬件设计3.3.1 电源电路 电动自行车几乎都用能多次充电的蓄电池作为能源，目前使用的有全封闭免维护铅酸蓄电池、镉镍电池、镍氢电池、锂电池、燃料电池等。由于全

20、封闭免维护铅酸蓄电池在价格上有较大的优势，所以绝大多数电动自行车使用这种电池。电动自行车上将电池串联成电池组安装在专用的电池盒中，每个电池的容量通常为12安时（大的有18安时）。的寿命约为500次放电（寿命与电池质量与使用方法有很大关系）。控制器电路中需要两种电压：+15V和+5V。其中+15V为驱动芯片IR2103的供电电压，+5V则是其它大多数元件的使用电压。所以电源电路设计的重点就是从+36V蓄电池电压中获得+15V和+5V两种电压。我们选用7815与7805两种稳压器来实现电源电压的转换。7805 系列为 3 端正稳压电路,TO-220 封装，能提供多 种固定的输出电压，应用范围广。内

21、含过流、过热和过载保 护电路。带散热片时，输出电流可达 1A。虽然是固定稳压电路，但使用外接元件，可获得不同的电压和电流。主要特点：1、输出电流可达 1A 2、输出电压：5V 3、过热保护 4、短路保护 5、输出晶体管 SOA 保护。7805的外形图及引脚排列：7805功能框图7805典型应用电路7815为三端稳压+15V输出，其性质与7805相同。由于7815与7805的输入电压和电流都有一定的限制，为避免造成稳压器的输入电压、电流过大，在输入端串入100欧小功率的电阻，这样可以起到分压和限流的作用。输入与输出两端并上电解电容主要是为了起到滤波作用，避免电路中高频信号的干扰。此外，7815的

22、输入端还串入了一个二极管，利用二级管的单向导电特性，可以避免+36V电源电压极性接反而造成稳压器损坏的故障。3.3.2 控制器主电路控制器主电路如下图所示,电源电压为36V直流。主电路的电子开关管采用采用二二导通的控制方式，即在任一瞬间使两个N沟道MOSFET开关管同时导通，这种工作方式称作两相导通星型三相六状态工作方式，在二二导通工作方式下，开关管的导通顺序应为：VT1,VT2VT2,VT3VT3,VT4VT4,VT5VT5,VT6VT6,VT1。在这种工作方式下，每个周期共有6种导通状态。每隔60电角度工作状态改变一次，每个开关管导通120电角度。3.3.3 驱动电路设计为控制主电路中MO

23、SFET的通断，则需设计相应的驱动电路。上述全桥电路中使用了6个功率场控制器件，功率场控制器件泛指一切用电压信号控制工作电流的电力电子器件。这类器件的基本特点是输入阻抗极高，因而所需驱动功率很小，而且大多数器件在控制信号撤除之后即会自行关断，是一种高性能的自关断器件。与各种双极型电力电子器件相比，功率MOSFET从原理到性能都有很多独特之处。MOSFET可以有多种驱动方式，通常最简单和最方便的方法是通过TTL集成电路、CMOS集成电路和专用集成电路芯片驱动。专用驱动集成电路的体积小、外围电路简单、可靠、应用广泛。能用于MOSFET驱动的集成电路很多，典型的有：IR公司的IR21系列、Unitr

24、ode公司的UC37043715系列、Harris公司的HA4080系列、Maxim公司的MAX621C和4427C系列、飞思卡尔公司的MC3415X系列、Telcom公司的TC4421系列等。本设计中采用高压集成驱动电路IR2103来驱动同一桥臂的上下两个MOSFET管。使用IR2103可以避免同一桥臂的上下两管同时导通，同时该芯片集成了电荷泵，通过选择合适的外接电容和反向二极管就能够构成自举电路，很好的用于高端驱动的NMOS管。IR2103的典型连接图如下：MOS管用于高频高速电路，大电流场合。用于高端驱动的NMOS，导通时需要是栅极电压大于源极电压。而高端驱动的MOS管导通时源极电压与漏

25、极电压（VCC）相同，所以这时栅极电压要比VCC大4V或10V。如果在同一个系统里，要得到比VCC大的电压，就要专门的升压电路了。利用IR2103外围自举电容和反向二极管可以得到足够的短路电流去驱动NMOS管。IR2103外围自举电容和反向二极管的选择：在IR2103高端部分工作时，既需要保证在开关管关断过程中自举电容充电时间足够短，又应保证在开关管导通过程中电容电压下降不大，这就要求自举电容具有合适的电容量且漏电流要小。反向二极管的选择则要求在高端打开时，其反向漏电流必须足够小，以维持自举电容两端的压差。此处二极管选用块恢复二极管FR107，电容选用105uf/32V的无极性电容。IR210

26、3的外形图及功能框图：IR2103外形图IR2103功能框图IR2103的输入/输出时序图从时序图中可以看出：当HIN为高电平时，输出端HO为高电平，对应着同一桥臂中上面的功率管导通。当LIN为低电平时，输出端LO为低电平，对应着同一桥臂中下面的功率管导通。而当HIN为高电平，LIN为低电平时，输出端HO和LO均为低电平，即不会出现同一桥臂上下两管同时导通的现象保证了系统的安全性。3.3.4 位置传感器的选择及安放一、位置传感器的选择：全桥驱动方式下，电子开关的换相是根据位置传感器检测到的信号来决定换相导通的。无刷电机中常用的位置传感器有以下几种：1、电磁式传感器 2、光电式传感器 3、霍尔式

27、位置传感器。虽然位置传感器如何选择和安放是由制造厂家决定的，但是作为使用者，在设计电动自行车控制系统时应该知道这方面的一些知识。目前，无刷电机内部使用较多的位置传感器是霍尔式位置传感器。霍尔式位置传感器是利用“霍尔效应”进行工作的。利用霍尔式位置传感器工作的无刷直流电机的永磁转子，同时也是霍尔式传感器的转子。通过感知转子上的磁场强弱变化来辨别转子所处的位置。所谓霍尔效应，是指磁场作用于载流金属导体、半导体中的载流子时，产生横向电位差的物理现象。金属的霍尔效应是1879年被美国物理学家霍尔发现的。当电流通过金属箔片时，若在垂直于电流的方向施加磁场，则金属箔片两侧面会出现横向电位差。半导体中的霍尔

28、效应比金属箔片中更为明显，而铁磁金属在居里温度以下将呈现极强的霍尔效应。霍尔效应原理如下图所示：霍尔效应原理UH=Rh*I*B/d,其中RH霍尔系数；I通过的电流；B垂直于I的磁感应强度；d导体的厚度。所以利用永磁转子的磁场，对霍尔半导体通入直流电，当转子的磁场强度大小和方向随着它的位置不同而发生变化时，霍尔半导体就会输出霍尔电动势，霍尔电动势的大小和相位随转子位置而发生变化，从而起到检测转子位置的作用。霍尔集成电路是霍尔元件与电子线路一体化的产品，它是由霍尔元件、放大器、温度补偿电路和稳压电路利用集成电路工艺技术制成的。它能感知一切与磁有关的物理量，又能输出相关的电控信息，所以霍尔集成电路既

29、是一种集成电路，又是一种磁敏传感器，它一般采用DIP或扁平封装。按输出方式可分为线性型和开关型，常用开关型霍尔集成电路作为传感元件，它的外形像一只普通晶体管，如下图所示：集成电路原理图如下：二、位置传感器的放置常用的三相无刷直流电机一般有3个位置传感器，输出波形有2种：一种是相位差为60角度，如图a-1所示；另一种是相位差为120电角度，图a-2对六拍换相方式进行了描述并给出霍尔传感器输出信号的对照图。六拍换相提供了一种简单但高效的BLDC 电机驱动方法。Hall A（HA）、Hall B（HB）和Hall C（HC）用于检测相对于R、Y 和B 绕组的转子位置。根据来自霍尔传感器的读数（1 至

30、6），将分别驱动相应的两相绕组而第三相则不通电。每一个360 电角度周期将被分为6 个60 度电角度区间，在每一个60 度电角度区间中，一相绕组将被驱动为高电平，第二相则被驱动为低电平而第三相则将不通电。例如：在霍尔位置6 或区间1，R 绕组将被驱动至高电平而B 绕组将被驱动为低电平，Y 绕组将不导通。通过读入霍尔传感器状态，使用软件方式可方便实现六拍换相算法。图 a-1图 a-2三、位置传感器的结构霍尔位置传感器和电动机本体一样，也是由静止部分和运动部分组成，即位置传感器定子和位置传感器转子。其转子与电机主转子一同旋转，以指示电机主转子的位置，既可以直接利用电动机的永磁转子，也可以在转轴其他

31、位置上另外安装永磁转子。定子是由若干个霍尔元件，按一定的间隔，等距离地安装在传感器定子上，以检测电机转子的位置。下图为霍尔位置传感器的结构示意图。3.3.5 调速控制与直流电动机调速的方法一样，通过调整PWM占空比的方法调速，也是一种无刷直流电动机最常用的调速方法。脉宽 调 制 (PWM)是利用数字输出对模拟电路进行控制的一种有效技术，尤其是在对电机的转速控制方面，可大大节省能量。PWM具有很强的抗噪性，且有节约空间、比较经济等特点。模拟控制电路有以下缺陷:模拟电路容易随时间漂移，会产生一些不必要的热损耗，以及对噪声敏感等。而在用了PWM技术后，避免了以上的缺陷，实现了用数字方式来控制模拟信号

32、，可以大幅度降低成本和功耗。本设计中采用Motorola单片机自带的PWM功能来输出PWM波形，从而实现电机的调速。在电动机正常工作情况下，通过改变PWM的占空比可以实现电动自行车的速度调节。在电动机过流或电源电压过低时，PWM信号被关闭，使自行车惯性滑行，从而保证了安全性。该控制器中调速接口电路如下：调速手柄出来的模拟信号送至Motorola单片机的A/D转换接口， A/D转换处理后，改变相应的PWM输出占空比，达到无刷电机的调速。 3.3.6 检测电路的设计一、过流检测电路的设计直流电机在启动、超负荷运行或异常运行时，其电流很大。为了防止通过电机的电流太大而发生意外，系统中增加了驱动电路的

33、电流检测环节。在主电路中串一个采样电阻（其值很小，常取0.01欧），将采样电阻的电压送至LM358进行放大，然后再送至比较器中与给定电压进行比较。当主电路电流增大，大到取样电压高于参考电压时，比较器LM358输出高电平，过流检测电路见下图：二、电池电压检测电路直流电源的电压过高或过低都可能影响电机的正常运行，甚至引起电机无法正常起动。过高的电压会损坏功率器件的安全构成威胁，很可能超过功率器件的最大耐压而将其击穿，造成永久性损坏。负载不变，而电源电压降低会引起电流增大，开关损耗增大，可能使功率器件因过热而损坏:电压过低还可能造成电机发生堵转等情况，产生危害，而且过低的电压会降低系统的抗干扰能力。

34、因此，有必要对系统实行电压保护，本系统中设计了过压、欠压保护电路，防止因电压过高或过低对整个控制系统和电机本体产生损害，保证整个控制系统安全可靠的运行。图3-1中所示的电路为过压保护电路。比较器的反相输入端接固定的电压阀值，直流电源电压VCC经分压电路输入到比较器的同相输入端，把该电压值和设定的阀值相比较，直流电源电压正常时，比较器输出为低电平。如果发生了过电压，VCC的分压值超过了阀值，则比较器输出高电平，将此比较器的输出端与电流检测电路中反相器的输出端通过一个或非门连接起来，或非门的输出端送至单片机IRQ引脚。因此只要发生过流或过压情况，就会触发外部中断，从而使MCU执行相应的中断保护子程

35、序以保护功率器件。同理，通过调整分压电阻阻值，也可以将该电路设计为欠压检测电路。当系统检欠压情况时，控制器立刻停止电机的运行，保证整个系统的安全。直到电源电压恢复正常以后，再重新恢复系统的正常工作。图 3-13.3.7 系统控制示意图从无刷电机的三根霍尔信号线中传出来的霍尔信号被送至MCU的PTA0、PTA1、PTA2三个端口中，经MCU内部判断处理后来输出相应的全桥驱动信号。有关系统详细的工作过程将在以下章节重点讲解。3.3.8 硬件设计中的抗干扰措施随着电子技术的迅速发展，现代的电子设备已广泛地应用于工业和人类生活的各个领域。电子设备的广泛应用和发展，使得电子设备不可避免地在电磁环境中工作

36、。因此，必须解决电子设备在电磁环境中的适应能力，抗干扰措施己经成为每一个电子系统设计者必须要考虑的因素。控制系统在正常工作的时候，外界的各种自然的和人为的因素所产生的电磁能量会窜入到电路系统中，产生不需要的电压和电流，当这些电压电流达到一定程度时就会影响系统的正常工作，因此我们就把这些电压和电流称为噪声。如果这些噪声对系统产生了影响的话，我们就称之为电磁干扰(Electromagnetic Interference，简称EMI)。电磁干扰是客观存在的，很难完全消除，但是可以设法使其降至不干扰系统正常工作的程度，即不会对系统产生有害的影响。按照电磁干扰的传播方式，可以将其分为电磁辐射干扰和电磁传

37、导干扰两类，电磁辐射干扰即为空间磁场产生的干扰，如高频的电磁信号等;电磁传导干扰主要指通过导体入侵的干扰，如电源线上的干扰等。10干扰可能来源于系统外部，也可能来源于系统内部。外部干扰主要是空间电或磁的影响，还有从电源窜入的干扰。内部干扰主要是分布电容、分布电感引起的藕合感应，长线传输的波反射，多点接地造成的电位差引起的干扰，甚至元件产生的噪声。本系统存在着强电信号和弱电信号，如果对整个控制系统不采取抗干扰及保护措施，系统有可能会因为受到外界的干扰而动作紊乱，不能正常工作，甚至烧毁器件。因此必须在整个系统中加入抗干扰措施。本系统的硬件抗干扰及保护措施主要包括以下几个方面:1. 滤波电路工频交流

38、电经二型滤波器滤除电网中的谐波以及干扰噪声后，才进行下一步处理以供电机和控制驱动电路使用;每个集成芯片的电源输入端并接一个高频电容(一般为0.1),以减小集成芯片对电源的影响。2. 元器件合理布局印制电路板(PCB)的设计以逻辑功能一致性为原则，把属于同一功能模块的元器件尽量合理的放置在一起。对容易产生千扰或容易发热的器件需要尽量的靠边放置。如MOSFET或IPM安置在电路板的边缘，以便于添加散热片，也可防止其频繁开关造成对其他器件的干扰;易产生噪声的电路如开关电源等和不易产生噪声的电路保持一定的距离，并且它们的走线尽量短，尽m接近地;微处理器尽量和晶振等辅助电路靠近，远离强电压电路，且晶振周

39、围尽量不走信号线，不走模拟电路。3. 接地技术本系统中，模拟电路和数字电路共存，因此将所有的模拟地和数字地分别相连，最后将电路中的模拟地和数字地与电源地在一点汇集。同时用地线将模拟区和数字区隔离，这样可以避免模拟电路和数字电路通过地线回路相互千扰.4. 电路板合理布线一般的PCB上的印制电路线有一定的电感成分，微处理器和数字集成电路的引脚上常常会产生突变的电流，这样就使得印制电路线的电感成分被放大，印制电路线上就会产生相当大的压降，使得信号减弱，因此电路线特别是地线应尽量粗、短，以减少电感的成分;印制电路线之间存在分布电容，会有噪音干扰，因此信号线之间应尽量避免平行走线，选用垂直交义走线，平行

40、走线也应尽量缩短平行段的距离;强电控制线和弱电控制线分开走线;为避免输出回路和输入回路相互祸合，输出回路和输入回路也要尽量分开;数字信号和模拟信号要进行区分。3.4本章小节电源电路部分采用7815和7805来进行稳压，输出系统所需的+15V和+5V，为控制电路供电。微处理器选用了Motorola公司的8位高性能单片机MC68HC908JL3,详细介绍了其性能和特征。控制器主电路用6个N沟道的MOSFET构成全桥驱动电路，驱动部分采用IR公司的IR2103作为栅极驱动芯片，功率管选用IR公司的IRF3710。单片机通过控制专用驱动集成电路来实现二二导通方式。为了保障系统的稳定性与安全性，加入了电

41、流、电压检测电路和保护电路。外界以及控制系统内部的电磁信号会影响整个控制系统的正常工作，因此，在设计过程中需要从硬件和软件两方面着手采取抗干扰措施。本章主要介绍了硬件方面的抗干扰措施。 第四章 控制器的软件设计在前面几个章节中已经介绍了无刷直流有位置传感电动机的工作原理、硬件设计方案等方面内容。控制芯片采用Motorola的MC68HC908JL3作为主控芯片。本章里将着重介绍控制程序的设计。4.1 控制器的主程序结构 控制器初始化主要是：端口的初始化，如将PTA0PTA2置为输入状态，用于检测霍尔信号。将PTB0PTB5置为输出端，用于对IR2103进行控制，以决定全桥电路中MOSFET的导

42、通；内部模块的初始化，如定时器，A/D模块的初始化；芯片配置字节的设置等等。控制器为Motorola公司的单片微控制器MC68HC908JL3， 系统程序使用MC68HC(9)08系列微控制器的汇编语言开发。MC68HC(9)08系列单片机主要特征:与MC68HC05系列目标码完全向上兼容;64K字节程序/数据存储器空间:8 MHz CPU内部总线频率;16种寻址方式，相对于HC05增加了5种;可扩展的内部总线定义，用于寻址超过64K字节的地址空间;用于指令操作的16位索引寄存器;16位堆栈指针和相应栈操作指令;不使用累加器的存储器之间的数据移动:快速8位乘法和16位除法指令。4.2 HC08

43、的内存分配该MCU有64K存储空间，其中包括40%字节的ROM,1 28字节的RAM,3 2字节用户定义向量，976字节监控ROM。存储器的地址分配如表2-1所示：$0000$003F I/O寄存器，实际可读/写I/O控制寄存器27个 $0080$00FF 128字节RAM $EC00$FBFF ROM/FLASH(4096字节) $FC00FDFF 监控ROM(512字节) $FE00$FE0F 辅助I/O寄存器，包括断点控制，FLASH编程控制等 $FE10FFCF 监控ROM(448字节) $FFD0$FFFF 24个中断向量(48字节) 辅助I/O寄存器内容如下 $FE00 断点状态寄

44、存器BSR $FE01 复位状态寄存器RSR $FE03 断点标志控制寄存器BFCR $FE04 中断状态寄存器1 $FE05 中断状态寄存器2 $FE06 中断状态寄存器3 $FE08 FLASH控制寄存器FLCR $FE09 FLASH块保护寄存器FLBPR $FE0A FLASH测 式控制寄存器FLTCR $FE0C、$FE0D 断点地址寄存器 $FE0E 断点状态和控制寄存器 $FFFF 写该寄存器完成COP控制动作 表 2 1 从上表中可以看出：$0080到$00FF的地址范围是RAM区，它属于整个地址空间的第0页。通过快速而有效的直接寻址可以访问到所有第0页的数据，因此提供了一个存

45、储那些访问频率较高的全局变量的理想场所。同时，上电复位后，栈指针初始化为$00FF，所以栈区也处于这个区域内。每次进入中断服务例程时，栈区将扩大5个字节；而调用子例程时，将占用两个字节来存储返回地址。在进行嵌套调用时，尤其要注意由于栈区的膨胀而覆盖有用数据的可能性。I/O寄存器和控制寄存器区位于$0000-$003F，包含大部分控制寄存器、状态寄存器和数据寄存器。向量区位于$FFD0-$FFFF。MC68HC08JL3具有16位的栈指针，因此允许栈区处于64K地址空间的任意位置。必须注意的是，为保证操作正确，栈指针只应该指向RAM区域。在编制软件进行存储器空间分配时，RAM 空间用来存储程序运

46、行时的数据变量，FLASH作为程序存储空间。MC68HC08JL3集成有片上的闪速存储器，并且有在片的电荷泵来产生编程和擦除电压，所以只需要单一的外部电源就可以实现读出、写入和擦除的全部操作。JL3片上的闪速存储器包括一个4096字节的块作为用户存储器，外加32字节的小块供用户中断向量使用。这两块的地址范围分别为$EC00$FBFF和$FFE0$FFFF。它们可以象正常的RAM和ROM一样读出，而写入和擦除操作是通过闪速控制寄存器(FLCR)中的控制位来完成的。4.3振荡器这种微控制器有两种可选的振荡器类型：RC振荡器和石英晶体振荡器，具体采用哪一种，是在掩模时确定的。两种类型振荡器的片内和片

47、外电路均不相同。石英晶体振荡器采用石英共振或陶瓷共振来提供精确的时钟频率。在实际工作时，这种振荡器有两个外部引脚，即振荡放大器输入端OSC1和振荡放大器输出端OSC2。需要在这两个引脚间加入晶振、反馈电阻和电容，以实现稳定的工作频率。RC振荡器依靠外部一对电阻和电容与片内电路来提供精度为10的时钟频率，要求用在这里的电阻和电容自己的精度为1。按这种方式连接的振荡器精度和稳定度都要比石英晶体振荡器为低，但它只用到了一个外部引脚，即OSC1。原OSC2引脚可以设定为通用I/O引脚PT6或者RC振荡器输出时钟RCCLK。这两种振荡器外部接法如下图所示：振荡器电路的输出2OSCOUT为SIM单元提供时

48、钟，并决定COP的时钟周期。对石英晶体振荡器，2OSCOUT与XTALCLK相连，对RC振荡器，2OSCOUT与RCCLK相连。将2OSCOUT二分频后，得到OSCOUT，用于产生CPU和其他模块的总线时钟。当CPU进入低功耗STOP模式时，XTALCLK和RCCLK以及OSCCLK都被禁止，而在WAIT或BREAK模式时，时钟不受影响。4.4 控制器中所用到的片内模块4.4.1定时器接口模块(TIM)(1)TIM结构和功能本次设计中，定时器模块主要是用来产生PWM可调制波形。它在无刷电机转速控制中起着非常重要的作用。先来看下它的内部框图：TIM框图主要功能如下: 2通道定时/计数器 输入捕获: 上升沿、下降沿或任何跳变沿 输出比较: 设计、清除或触发 脉冲调宽PWM 可编程时钟输入