基于PSoC单片机的电动自行车控制器的设计.doc

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1、无锡科技职业学院毕业设计（论文）基于PSoC单片机的电动自行车控制器的设计基于PSoC单片机的电动自行车控制器的设计摘要：本文从无刷直流电机的结构和工作原理出发，详细阐述了无刷直流电机在导通、续流和换相三种不同状态下的电压方程以及无刷直流电机的转矩特性与其动态数学模型，建立了无刷直流电机的传递函数。 本文在分析无刷直流电机电流和速度调节原理的基础上，提出了电流和速度控制方案，引入了经典控制理论中的PID控制。针对模拟控制系统理论进行了数字化的转换，完成了系统软件的设计，完善了控制系统PID。分别在PWM中断和1KHZ中断实现了电流环和速度环，同时完成了两个环路的传递。根据功能需求，完善了程序实

2、现的功能。最后,对控制器的性能和各项功能进行了严格的测试，给出了测试的图形、数据和结果，测试表明，该控制器可靠性好，成本低，符合产品的开发要求。关键词：无刷直流电机，可编程片上系统，控制器，模拟控制Design of electric bicycle controller based on the programmable chip system PSoCAbstract：This paper brushless dc motor from the structure and the working principle, a detailed explanation of brushless

3、dc motor in the conduction, free-wheeling and commutation three different state equation and the voltage of brushless dc motor of the torque characteristics and its dynamic mathematical model to establish of brushless dc motor transfer function.Based on the analysis of brushless dc motor current and

4、 speed adjustment principle was put forward on the basis of current and speed control scheme, introduced the theory of classical control PID control. According to the simulation control system theory to the digital conversion, completed the design of the system software, perfect the PID control syst

5、em. PWM interrupt and respectively in 1 KHZ interrupt realized the current loop and speed loop, finish at the same time two loop transfer. According to the function demand, perfect the function of the realization of the program.Finally, the performance of the controller and various functions of the

6、strict test, the test are the graphics, data and results, test show that the controller good reliability, low cost, in line with the development of the product requirementsKey Words：Brushless dc motor，Programmable chip system，Controller, simulation control目录前言1第1章 电动自行车的简介21.1电动自行车的构成21.2电动自行车控制器的研究

7、现状及难点3第2章 电动自行车控制器的系统分析与设计52.1无刷直流电动机的基本结构与工作原理52.1.1基本结构52.1.2工作原理62.2电动自行车控制器的功能7第3章 智能控制器硬件方案设计103.1硬件系统框图103.2电源电路103.3刹车输入电路113.4霍尔位置检测电路113.5三相桥式逆变电路123.6触发电路123.7电源欠压保护电路133.8助力转向系统143.9系统控制PID内容143.9.1 PID控制介绍153.9.2 数字PID控制算法15第4章 电动自行车控制器软件设计174.1系统软件总体设计174.1.1主程序设计174.1.2中断服务程序设计174.2功能模

8、块程序设计204.2.1驱动换相模块204.2.2柔性电子刹车 (EABS) 模块204.2.3巡航模块214.3电机控制程序设计224.3.1速度调节程序224.4软件抗干扰设计224.4.1 L输出输入量的软件抗干扰234.4.2程序执行时的软件抗干扰23第5章 结语25附录26附录126附录232谢辞33参考文献34iii前言PSOC芯片控制无刷直流电动机用于电动自行车，既可以完成一系列个性化定制，又可以减小产品的体积和成本、降低系统设计周期。PSOC由基本的CPU内核和预设外围部件组成，就是在一个专有MCU内核周围集成PSOC块，利用芯片内部可编程互列阵列，可以有效地配置芯片上的模拟和

9、数字电路资源，达到可编程片上系统的目的。无刷直流电动机智能控制器基于PSOC片上系统。改进以前传统微处理器，具有更多的功能，保密性更强。随着现代社会可持续发展战略的深入人心，环境和能源问题越来越引起人们的重视。由于燃油车辆产生大量的废气和噪声污染，因而被零污染、高效率和宁静的新型电动车代替已成为一个不可逆转的趋势。与燃油机相比，电动车具有节能、可均衡电网高峰与低谷期的负荷以及可消除空气污染和降低城市噪音，且能源广泛(可来自火力、煤炭、石油、天然气、水力、风力、地热、潮汐、原子能发电)等众多优点，电动车的研究已成为世界各国的研究热点之一。以前电动自行车的主要问题是电源问题，那时的电动自行车使用的

10、电源是汽车用的铅酸蓄电池，维护非常麻烦，除了要及时充电外，还要经常换蒸馏水，而且电池体积重量都很大。到了最近，电源问题得到较好的解决，于是电动自行车就得到了迅速的发展。加上各国政府对环境的重视和相应法规的出台，也使得电动车的开发更具有迫切性和商业前景。第1章 电动自行车的简介1.1电动自行车的构成电动自行车主要由四个部分组成：车架、电源(蓄电池)、电机和控制器。1.电源 (蓄电池)电源为电动自行车动力系统及控制系统提供能量。蓄电池的电能容量、伏安特性、寿命等质量因素对整个动力系统有非常大的影响力。目前电动自行车用蓄电池基本是经济实惠的铅酸电池。大多数电动自行车采用48V12AH、36V12AH

11、铅酸电池，24V12AH的电池由于续行里程较短，选择得比较少。环保效能更好的镍氢电池和锂电池则因为成本较高，导致售价偏高。如果其成本有所下降，进而降低售价，那么以配载锂电池与镍氢电池为主的电动自行车将会大面积普及。燃氢电池、纳米碳管蓄能高、寿命长、性能优良但成本高昂，随着科技的发展，它们将是未来电动自行车动力源的发展方向。2.电机电气技术发展到今天，各种电机的生产控制技术已经相当成熟，电动自行车电机有多种可以选择，但普遍选择的还是有刷直流电动机和无刷直流电动机(BLDCM)。采用这两种电机的原因在于它们的控制方法简单，整车成本相对低廉，控制性能可以满足自行车要求。无刷直流电动机控制稍复杂，但因

12、没有电刷，所以在寿命、安全方面优于有刷直流电机。电动自行车电机的驱动方式有：轮毂式驱动、中置式驱动和悬挂式驱动。市场上电动自行车以轮毂驱动为主，而轮毂驱动又以后轮驱动为好，前轮驱动性能相对较差。绝大多数电动自行车采用的是直流轮毂电机，它们为外转子式，这样定子可以固定在轴承上，非常适用于电动车的驱动。3控制器控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，它主要完成以下几个功能：(1) 对转子位置检测器输出的信号、PWM调制信号、刹车信号等进行逻辑综合，为驱动电路提供各开关管的斩波信号和选通信号，实现电机的正反转和停车控制。(2) 产生PWM调制信号，使电机的电枢电压随给定速度信

13、号而自动变化，实现电机开环调速。(3) 对电机进行速度闭环和电流闭环调节，使系统具有较好的动、静态性能。(4) 实现短路、过流、欠电压等故障保护功能。图1-1为电动自行车控制系统图，图1-2为电机控制器的详细框图，电动机主要包括电源电路、控制电路、功率驱动电路以及检测反馈电路。电源电路将蓄电池的提供电压经过转换，为控制电路和功率驱动电路提供工作电压；控制电路接受外部信号，控制电机运行，同时实现控制算法；功率驱动电路将控制电路输出的控制信号进行功率放大，驱动电机运行；检测反馈电路采集电机运行的各种参数，供控制电路使用。图1-1：电动自行车控制系统图图1-2：控制器框图1.2电动自行车控制器的研究

14、现状及难点电动自行车控制器的主要形式有：分立元件加少量集成电路构成的模拟控制系统、基于专用集成电路的控制系统、以微型计算机技术为核心的数模混合控制系统和全数字控制统。模拟控制系统由于模拟电路中不可避免的存在参数漂移和参数不一致等问题，加上线路复杂、调试不便等因素，使电机的可靠性和性能受到影响，在电动自行车控制器中已经不采用了。当前，电动自行车控制器设计有待深入研究的主要问题包括：(1) 转矩脉动问题随着电动自行车的深入使用，人们对电动自行车的爬坡能力(即输出力矩)、启动噪声、骑行抖动等性能指标提出了更离要求。这些指标与无刷直流电动机的转矩脉动有直接关系，且无刷直流电动机与其他电动机相比，本身具

15、有更大的转矩脉动。针对这一问题，人们从电动机本体和电动机控制系统两方面出发提出了多种转矩脉动控制方法。随着电动机设计技术和电动机控制技术的不断发展，这方面的研究还会不断深入的进行下去。(2) 调速方法现在常用的控制方法是速度调节和电流调节均采用PI调节器的双闭环调速方法，因为其算法简单和可靠性高，尤其适用于可以建立精确数学模型的确定性控制系统，因此得到了广泛的应用。但由于电动自行车骑行路况的复杂性，不同的路况对电机电流和速度的调节有不同的要求，且需要控制器在各种参数不同的电机都能可靠运行，因此传统的PI调节器还不能完全满足其控制要求。如何在这些情况下进行速度调节就要求研究和设计人员投入更多的精

16、力。(3) 控制器设计出于成本考虑，无刷直流电动机控制系统设计普遍采用单片机的数字控制。以MCU为核心的控制系统并不是一个纯硬件的控制电路，它还必须配合软件系统才能控制无刷直流电动机正常工作。这也为控制系统的设计带来更大的灵活性。软件设计就必然涉及到控制算法的研究和应用。因此，研究先进的控制算法就成为设计无刷直流电动机控制系统的一个重要方面。而由于单片机本身资源的有限，在DSP上能实现的复杂控制算法要在单片机上实现，还要进行精简。所以研究已经较成熟的复杂控制算法在单片机上的应用也是一个重要的方面。(4) 电磁干扰电磁兼容在应用电子线路中已日益受到人们的重视。无刷直流电动机是一种电子电机，同样有

17、抗干扰和防止对外界干扰的要求。无刷直流电动机控制器是强、弱电共存的电路，对于采用PWM高频调制脉冲的控制器，高的调制频率很容易对控制器其他线路产生干扰，因此必须认真处理其间的电磁干扰和电磁兼容问题。目前，对无刷直流电动机的电磁干扰问题进行研究，已越来越受到重视。第2章 电动自行车控制器的系统分析与设计2.1无刷直流电动机的基本结构与工作原理2.1.1基本结构无刷直流电动机的基本结构原理如图2-l所示。图2-1：无刷直流电动机结构原理图它主要由电动机本体、位置传感器和电子开关线路三部分组成。电动机本体在结构上与永磁同步电动机相似，但是没有笼型绕组和其他启动装置。其定子绕组一般制成多相(三相、四相

18、、五相不等)，转子由永久磁钢按一定极对数(2P=2，4)组成。图2-1中的电动机本体为三相两极，三相定子绕组分别与电子开关线路中对应的功率开关器件联结，A相、B相、C相绕组分别与功率开关管Vl、V2、V3连接，位置传感器VPl、VP2、VP3跟踪转子与电机转轴相联结，用来检测电动机转子的位置，其输出端与电子开关线路中对应的功率开关器件连接。当定子绕组的某一相通电时，该电流与转子永久磁钢的磁极所产生的磁场互相作用而产生转矩，驱动转子旋转，再由位置传感器将转子磁钢位置变换成电信号，去控制电子开关线路，从而使定子各绕组按一定次序导通，定子相电流随转子位置的变化而按一定的次序换相。由于电子开关线路的导

19、通次序是与转子转角同步的，因而起到了机械换向器的换向作用。因此，所谓无刷直流电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台由电子开关线路、永磁同步电动机以及位置传感器三者组成的电动机系统。其基本原理框图如图2-2所示。图2-2：基本原理框图无刷直流电机的开关线路是用来控制电机定子上各相绕组通电的顺序和时间，主要由功率逻辑开关单元和位置传感器信号处理单元两个部分组成。功率逻辑开关单元是控制电路的核心，其功能是将电源的功率以一定的逻辑关系分配给无刷直流电机定子上各绕组，以便使电动机产生持续不断的转矩。而各相绕组导通的顺序和时间主要取决于来自位置传感器的信号。2.1.2工作原理图2-3为无刷直流电动机系统

20、图，以此说明无刷直流电动机的工作原理。电机本体的电枢绕组为三相星形连接，位置传感器与电机本体同轴，控制电路对位置信号进行逻辑变换后产生驱动信号，驱动信号经驱动电路隔离放大后控制逆变器的功率开关管，使电机的各项绕组按一定的顺序工作。 图2-3：无刷直流电动机系统当转子转至图2-4(a)所示位置时，控制电路根据所获得的转子位置信息，使VTl、VT4导通，即A、B两相通电。电枢绕组在空间产生的磁动势为Fa，与定子磁场产生的磁动势Fr相互作用，使电机的转子顺时针转动。当转子在空间转过60电角度，到达图2-4(b)所示位置时，转子位置传感器输出的信号经控制电路逻辑变换后驱动逆变器，使VTl、VT6导通，

21、A、C两相绕组通电，电枢绕组在空间产生的磁动势Fa如图2-4(b)所示，此时定转子磁场相互作用，使电机的转子继续顺时针转动。转子在空间每转过60电角度，逆变器开关就发生一次切换，其导通逻辑为VTl、VT4VTl、VT6VT3、VT6VT3、VT2VT5、VT2VT5、VT4VTl、VT4。在此过程中，转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用，沿顺时针方向连续旋转。 图2-4：无刷直流电动机的工作原理示意图在图2-4(a)到图2-4(b)的60电角度范围内，转子磁场沿顺时针连续旋转，而定子合成磁场在空间保持图2-4(a)中Fa的位置静止；只有当转子磁场连续旋转60电角度，到达图2-4(b)所示的Fr

22、位置时，定子磁场才从图2-4(a)的Fa位置跳跃到图2-4(b)中的Fa位置。可见定子合成磁场在空间不是连续旋转的，而是一种跳跃式旋转磁场。转子在空间没转过60电角度，定子绕组就进行一次换流，定子合成磁场的磁状态就发生一次跳跃。可见，电动机有六种磁状态，每一次有两相导通，每相绕组的导通时间对应于转子旋转120电角度。无刷直流电机的这种工作方式称为两相星形六状态。2.2电动自行车控制器的功能本文设计的控制器蓄电池电压为48V，手把输出电压为OV4V，正常运行时的最大电流值为15A；当出现异常情况，导致电流急剧上升，电流值超过25A时，进入过流保护关闭驱动。功能包括调速、巡航、柔性电子刹车(EAB

23、S)、堵转保护、限流、过流保护、欠压保护、防飞车、软启动和60和120电机智能适应。1. 调速功能当限速线未接时，手把从 (1.25V3.8V) 转动时，PWM的输出范围3到95。当接上限速线时，手把从(1.25V3.8V)转动时，PwM输出范围3到75，速度最高达20kmh。以下情况会造成调速功能失效：(1) 进入巡航；(2) 有刹车信号；(3) 故障时，故障指示灯闪烁；(4) 蓄电池欠压时。2. 巡航功能巡航功能是为了避免骑行者的手腕疲劳而设置的，进入巡航后，可以松开手把，电动自行车仍以手把松开前的速度继续前行。巡航功能分为自动巡航和手动巡航，巡航功能也可以通过把短路子接上就取消该功能，不

24、短接就保留该功能。自动巡航功能进入条件：转把电压必须高于2V，并保持当前电压值(0.1V抖动)至少8秒时间。自动巡航退出条件：(1) 刹车信号；(2) 转把二次归零；(3) 发生堵转；(4) 电池欠压保护手动巡航进入条件：(1)按巡航键则开始巡航；(2)退出条件同自动巡航。3. 柔性电子刹车 (EABS) 功能此功能借鉴于汽车的ABS功能，为了防止在高速骑行时突然刹车，轮胎打滑，或者由于惯性把人摔落车下，而造成的安全事故。它利用电机回馈制动的原理，使电机停下来，而非利用刹车片的摩擦作用，因此有利于保护刹车片，在高速时和下坡时可以向电池充电，增加电池的续航里程。4. 堵转保护功能当轮子发生堵转

25、(即使把有发生转动，但是电机未发生转动的情况) ，电机绕组中的电流很大，持续时间过长，会使电机绕组过热烧断，损坏电机，同时也会使电池长时间大电流放电，损坏电池，必须及时加以断电保护。处理过程如下：前2秒：PWM以最大占空比输出驱动电机，这是为了防止启动和遇到小障碍物时误进入堵转状态，影响正常骑行。第3秒：检测，若位置还未发生变化将PWM输出停止，电机停转保护，此时手把失效。堵转状态的取消：(1) 有刹车信号；(2) 轮子转动一个相位角；(3) 重新开机5. 限流动能电机中的电流不能无限制增加，所以在保持最大转矩的条件下，限制最大输入电流为15A。6. 过流保护功能在正常行驶中若检测到大于25A

26、的电流值立即关闭PWM输出，电机停转保护，转把失效。7. 欠压保护功能当电池毫压低于42V（左右偏差O.5V)，并保持1秒后，欠压功能开启，自动关闭电机，等到转把归零后，再次检测电池电压，只有电池电压回升到44V以上才能再次驱动电机。欠压保护是为了保护电池过度放电，影响其使用寿命，使用回差保护，避免电机在欠压点来回启停。8. 防飞车功能当手把损坏时，手把电压输出一直保持在1.25V以上，接通电源，电机就会开始运转，向前飞出去，导致人身事故，同时也是防止某种误操作。9. 软启动电机启动时，会产生很大的冲击电流，这样对电机和电池损害很大，软启动就是为了抑制启动时的冲击电流，使电流缓慢上升，短时间内

27、达到稳定状态。10. 60和120电机智能适应电动自行车用电机根据其位置传感器安装角度的不同分为两种：60电机和120电机，这两种电机输出的位置信号不一样，不能使用同样的换相时序，通常控制器也根据电机不同也分为两种，此功能就是兼容两种角度的电机，不需要改动任何硬件。第3章 智能控制器硬件方案设计3.1硬件系统框图如图3-1所示，电动自行车控制器系统主要由以下部分组成；逆变电路、功率驱动保护电路、电源电路、单片机及其外围控制电路。逆变电路及其驱动电路是单片机和电机之间的联系枢纽，其传输性能的好坏直接影响着整个系统的运行质量。其功能是将电源的功率以一定逻辑关系分配给无刷直流电动机定子上各相绕组。本

28、系统采用三相全桥逆变电路。功率驱动保护电路为单片机和逆变器之间的桥梁，单片机的输出信号，经过功率放大后，开通、关断M0SFET，同时防止逆变器端的电压反串到单片机端，损坏单片机的IO口。电源电路提供功率驱动及保护电路、单片机控制电路所需的电源。单片机为控制核心，根据输入的信号运行控制算法控制电机的运行。外围控制电路包括刹车信号、巡航电路等。图3-1：控制器系统框图3.2电源电路电源电路通过两级电压变换，得到控制电路所需的两组电压：+13V和+5V。+13V作为功率驱动电路的电源，+5V作为单片机及其他控制电路的电源。如图3-2所示，48V电压经串联电阻后输入到LM317中，输出端电压即为+l3

29、V。LM317为可调节端正电压稳压器，输出电压范围为l.2V到37V，在输出范围内能提供超过1.5A的电流，外部只需要两个电阻设置输出电压，内部有限流、热关断和安全工作区补偿功能。图3-2：电源电路3.3刹车输入电路刹车输入电路如图3-3所示。电动自行车的刹车输入信号有两种：低电平和高电平，有的厂商采用低电平刹车，有的厂商采用高电平刹车。为了满足所有需要，本系统兼容低电平和高电平刹车。低电平刹车时，通过一个隔离二极管D8，把信号直接送入刹车信号检测I/O口；高电平刹车时，通过电阻R49、R50和三极管T12构成一个取反电路，把高电平转换为低电平。同时软件检测到I/O电平为低时，判定为有刹车信号

30、。图3-3：刹车输入电路3.4霍尔位置检测电路如图3-4所示，霍尔位置检测电路在系统中的作用主要有两个：一是检测电机定、转子的相对位置并提供驱动换相信号；二是通过检测某一路脉冲信号的个数，经软件计算后转换为速度信号，构成速度的反馈环节。霍尔传感器由于安装在电机内部，与电机转子一起运动而产生抖动，同时电机的绕组也会对其产生干扰，输出信号中含有很多杂波，因此采用电容C33予以滤除，电容值均为0.OluF。同时为了防止单片机控制电路对霍尔传感器的影响，中间用二极管D7、D8、D25隔离，二投管采用至IN4148可以满足要求。图3-4：霍尔位置检测电路3.5三相桥式逆变电路逆变电路是与整流电路（Rec

31、tifier）相对应，将低电压变为高电压，把直流电变成交流电的电路称为逆变电路。如图3-5，桥式逆变电路的开关状态由加于其控制极的电压信号决定，桥式电路的PN端加入直流电压Ud，A、B端接向负载。当T1、T3关合而T2、T4打开时，U0=Ud;相反,当T2、T4关合而T1、T3打开时，U0=-Ud。于是当桥中各臂以频率 f（由控制极电压信号重复频率决定）轮番通断时，输出电压u0将成为交变方波，其幅值为Ud。控制信号频率f可以决定出端频率，改变直流电源电压Ud可以改变基波幅值，从而实现逆变的目的。图3-5：逆变电路3.6触发电路触发电路是具有一些稳态的或非稳态的电路，其中至少有一个是稳态的，并设

32、计成在施加一适当脉冲时即能启动所需的转变。触发器可将模拟信号波形整形为数字电路能够处理的方波波形，而且由於触发器具有滞回特性，所以可用於抗干扰，其应用包括在开环配置中用於抗扰，以及在闭环正反馈配置中用於实现多谐振荡器。对於标准的触发器，当输入电压高於正向阈值电压时，则输出为高；当输入电压低於负向阈值电压时，则输出为低；当输入在正负向阈值电压之间时，则输出不改变，也就是说输出由高电平翻转为低电平，或是由低电平翻转为高电平对应的阈值电压是不同的。只有当输入电压发生足够的变化时，输出才会变化，如图3-6所示。图3-6: 触发电路3.7电源欠压保护电路在电动自行车运行的过程中，需要对电源电压进行监视，

33、当电源电压不足时，再放电就会对电池的寿命造成严重损害，缩短了电池的使用时间。因此，在电池电压不足时，应该停止对电动自行车供电。当电池电压低于48V时，控制器切断电源，开启欠压保护功能。由于电源电压是连续减小的，又是模拟信号，所以要先通过低通滤波滤除噪声，再经过A/D转换送单片机处理。电池电压检测电路如图3-7所示，通过选择合适的电阻值Rout，使得分压之后的电压信号的变化始终处于0，5V之间即可。等到转把归零后，再次检测电池电压，只有电池电压回升到48V以上才能再次驱动电机。欠压保护是为了保护电池过度放电，影响其使用寿命，使用回差保护，避免电机在欠压点来回启停。图3-7: 蓄电池保护电路3.8

34、助力转向系统当前市场上的助力传感器采用的是开关型霍尔元件，用支架固定在电动自行车右中轴旁，中轴上装有磁环，中轴转一周则磁环上的五个磁钢使霍尔元器件输出五个脉冲（正转脉冲占空比50%），控制器检测到后，则可计算出主力大小给电机供电，助力传感线有三根引线：黄（信号）、红（电源）、黑（地线），助力信号检测电路如图3-8所示。这种方法是根据助力传感器输出脉冲的频率来判断用户脚蹬踏板的速度，从而输出相应的PWM占空比调节输出的电动力，实现人力、电力供电动车的驱动力。电动自行车在行驶过程中，并不是以恒定的速度前进的，用户根据骑车状况，有时需要加快速度，有时需要减慢速度，因此，调速是电动自行车不可缺少的一个

35、功能。电动自行车的调速转把一般是采用线性霍尔元器件实现的，它的原理是：通过调节元器件敏感面磁场的强弱，使输出电压连续性变化，对于供电电源为5V的线性霍尔元器件，它的输出电压变化范围大约是1.0V4.2V。转把跟控制器的连接关系如图3-9所示。 图3-8:助力电路 图3-9:转把电路3.9系统控制PID内容3.9.1 PID控制介绍PID控制是最早发展起来的控制策略之一，旱在20世纪30年代末期就已经出现，50多年来不断更新换代，由于其算法简单、可靠性高，被广泛应用于工业过程控制，尤其是在可建立精确数学模型的确定控制系统应用很多。按偏差的比例、积分和微分线性组合进行控制的方式，就是著名的PID控

36、制。简单说来，PID控制器各校正环节的作用如下：比例环节：即时成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用，以减少偏差。积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度。积分作用的强弱取决于积分时间常数TI，TI越大，积分作用越弱，反之则越强。微分环节：反映偏差信号的变化趋势(变化速率)，并在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。其结构如图3-10所示。图3-10：系统控制框图3.9.2 数字PID控制算法数字PID控制算法PIDPID控制的控制规律为 （3.3） 式中，KP为比例常数；TI为积分常数；TD

37、为积分常数。在数字控制中，由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差量计算控制量，因此需要对其进行离散化处理，可得离散的增量式PID控制算法为 （3.4）式中，为第k个采样时刻的控制量与第k-1个采样时刻的控制量之差；ek为第k个采样时刻的偏差；为第k个采样时刻的偏差与第k-1个采样时刻的系统偏差之差。第4章 电动自行车控制器软件设计4.1系统软件总体设计4.1.1主程序设计主程序主要完成全局变量的定义、各模块的初始化、电机初始位置的检测、上电自检、防飞车保护以及速度、电流双闭环的计算，主程序的流程图如图4-1所示。系统每次上电，首先进入防飞车保护检测，如图4-1中虚线框所示。所谓

38、“防飞车保护”是指，当手把中霍尔传感器损坏后在手把松开归零后仍然输出一个大于零的电压值，接通电源，电机就会马上启动运转，为了防止发生安全事故，上电后需检测手把电压是否为零，为零时进入下一步操作，否则在此等待。打开总中断后，程序进入主程序循环，根据采集得来的电流、速度数据进行PID运算。图4-1：主程序流程图4.1.2中断服务程序设计ATmega48总共有26个中断向量，编号从126，编号越小，优先级越高，不支持中断嵌套。本系统使用的中断向量为：定时器计数器O溢出中断(以下称定时中断)和ADC转换结束中断(以下称AD中断)。应用C语言编程，在进入中断处理时，C编译器会自动进行中断保护和恢复、清除

39、中断标志。同时为了避免中断嵌套，在进入中断程序时，首先关闭总中断，退出中断时再打开总中断。两个中断同时发生时，定时中断向量号比AD中断向量号小，首先执行，AD中断等定时中断退出后再执行。定时中断服务程序是整个控制器的灵魂，是软件部分的核心，采用“时间片”分时思想，完成了控制器所有的功能设计、保护模块以及驱动换相。定时中断服务程序一方面接受外部输入的按键操作信号，执行各个功能模块，例如，按下巡航按键，电动自行车进入巡航模式，按下刹车按键，进入柔性电子刹车模式；另一方面根据检测得到的电压、电流值，当电源电压低于某个值时进入欠压保护，当电流高于某个值时，进入过流保护。编程时，把各个功能模块当作一个事

40、件，定时中断服务程序就是一个事件调度器，它根据事件的轻重缓急来决定事件执行的先后，同时保证不发生冲突或者堵塞。事件调度器的调度原则就是“时间片”分时思想，为了保证实时性，“时间片”取128us，定时中断服务程序的流程图如图4-2所示。图4-2：定时中断服务程序流程图AD中断完成电源电压、相电流和手把电压的采集任务，把采集得到的电压电流值经过软件滤波后存储在缓冲器中，供主程序和定时中断服务程序调用。在AD中断服务程序中，根据电源电压、相电流和手把电压的速度要求，采用不同的采样速度，相电流的采样速度最快，手把电压次之；电源电压最慢。软件设计中三者的采样速度关系为，每采集20次相电流采集一次手把电压

41、，每采集128次手把电压采集一次电源电压。其中，相电流的采样速度为AD转换的速率(大约为13个AD时钟周期)。如此，既保证了电流采集的实时性，又保证了电源电压采集的平稳性。AD转换时，向ADC启动转换位ADSC位写“1”可以启动单次转换，在转换过程中此位保持为高，直到转换结束，然后被硬件清零。如果在转换过程中改变了转换通道，ADC会在通道改变前完成这一次转换。工作于单次转换模式时，总是在启动转换之前选定通道，需要选择新的转换通道时，最简单的办法是在等待转换结束后再改变通道。本系统是在ADC转换结束产生的中断中先读取转换结果，再改交通道，并启动下一次新的转换。AD中断服务程序的流程图如图4-3所

42、示。图4-3：AD中断服务程序流程图4.2功能模块程序设计4.2.1驱动换相模块无刷直流电动机需要根据位置传感器输出的信号(HA，HC)进行换相，HB，才能正常运转。(HA，HB，HC)总共有八种组合：(000)、(001)、(010)、(011)、(101)、(110)、(111)，其中6种为有效组合，剩余2组为无效组合；在120电机中，(000)、(111)为无效组合。在60电机中(101)、(010)为无效组合。采用二二导通方式，构成两相导通三相六状态。系统根据检测到的 (HA，HB，HC) 查表得到要导通的MOSFET，输出控制信号，其中上桥MOSFET开通为高电平，下桥开通为低电平。

43、霍尔位置信号与换相控制表如表4-1所示。由表4-1看出，60电机和120电机的换相相序只有两处不一样： (000) 和 (101) 、 (111) 和 (010) ，而导通管和电流流向都是一样，因此根据此表不管是60电机还是120电机都能正常换相。表4-1：霍尔位置信号与换相控制表本文采用H_pwm-L_on调制方式。换相补偿采用延迟重叠换相法，换相时，开通三MOSFET，延时时间经多次试验比较，取换相周期的14时，转矩脉动最小，效果最好。4.2.2柔性电子刹车 (EABS) 模块柔性电子刹车是电动自行车一个非常重要的功能，柔性电子刹车性能体现控制器的技术含金量，也是电动自行车的一大闪亮卖点。

44、柔性电子刹车作为机械刹车的辅助措施，平时采用电子刹车，紧急情况电子刹车和机械刹车同时进行，既能延长机械刹车片的寿命，也能提高刹车效果，减少安全事故。如图4-5所示。图4-5：柔性电子刹车（EABS）流程图柔性电子刹车的理论基础为能量回馈制动原理，刹车时，先关闭所有MOSFET，再全部开通下桥MOSFET，且下桥PWM调制，使PWM的占空比由100快速减小到0。柔度由占空比的减小速度决定，速度越快，刹车越急，柔度越硬；速度越慢，刹车越缓慢，柔度越柔和。为了使绕组中的电流不发生突变，按下刹车键时，先把正常运转时的占空比逐渐减为O，关闭全桥，再开通下桥。4.2.3巡航模块巡航分为自动巡航和手动巡航，

45、自动巡航功能进入条件：手把电压必须高于2V，并保持当前电压值(O.1V抖动)至少8秒时间。手动巡航进入条件：按巡航键则开始巡航。一般的控制器都只有一种巡航模式，本系统把两种 巡航模式综合在一起，操作更加方便。流程图如图4-6所示 图4-6：巡航流程图 图4-7：欠压保护流程图4.3电机控制程序设计本系统采用速度环加电流环双闭环控制方式对电机的速度进行调节，在定时中断中定时2.5ms，在主程序中查询定时标志并调用算法子程序对电流和速度进行调节。每2.5ms调用一次电流调节程序，调节电流，电流每调节10次调节一次速度，即速度环每25ms调节一次。4.3.1速度调节程序速度调节的软件控制流程如图4-

46、9所示，大体过程是：在主程序中循环检测是否需要进行速度调节，若是刚启动第一次循环则必须进行速度调节。如果不进行速度调节，那就直接进行电流调节，进行下一次循环。速度的具体调节流程为：进入速度调节以后首先调用定时中断程序计算得到的当前电机的实际转速V1，然后用设定转速和实际转速相减得到偏差e(k)，如果e(k)eth，则执行模糊控制；如果偏差小于等于eth则执行PI控制。图4-9：速度调节流程图4.4软件抗干扰设计电动自行车在实际路况骑行时，控制器会不可避免的受到来自电机和周围环境的干扰，为了确保应用程序按设计有序的运行，软件设中必须有防干扰措施，以提高系统的可靠性。4.4.1 L输出输入量的软件

47、抗干扰数字量的输入过程中可以利用数字滤波技术对输入的信号进行数学处理，滤掉信号中的干扰部分，提高信号的真实性。本系统中的手把电压、相电流和电源电压的输入均采用了递推平均值滤波技术，具体实现方法是：采用一数组作为测量数据的存储器，数组的长度固定为N，每采到一次新数据，就用新数据代替数组中最老的那个数据，然后计算新数组的平均值把该平均值作为信号的实际值。示意图如图4-11所示。图4-11：递推平均值滤波示意图如果输入的信号是开关量，可以采样多次，每次采样的结果必须绝对一致才行。通过一路霍尔位置信号测量速度时，采用计算脉宽的方式滤波，由于一般的干扰脉宽较小，而位置信号脉宽较大，当发生电平变化时，连续采集几次，结果都一致，则认为为真实值，否则为干扰捕获。采集按键信号输入时亦如此。数字量输出软件抗干扰的方法是重复输出同一数据，重复周期尽可能短。这样输出装置在得到一个被干扰的信号后，来不及反应，就又得到了一个正确信号，从而可以防止误动作。4.4.2程序执行时的软件抗干扰如果干扰作用于CPU上，破坏程序计数器PC的状态，导致程序从一个区域跳到另一个区域，或者程序在地址空间内“乱飞”，陷入“