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多用途喷药小车的调速装置设计
30页 15000字数+说明书+开题报告+任务书+外文翻译+文献综述
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多用途喷药小车的调速装置设计开题报告.doc
多用途喷药小车的调速装置设计说明书.doc
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文献综述.doc
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目 录
1绪论1
1.1本课题的研究背景和意义1
1.2控制理论的概念1
1.3电动机控制技术的发展2
1.3.1电力电子器件的发展2
1.3.2微机控制电动机技术的发展2
1.3.3微机控制电动机的特点2
1.4本课题的主要任务3
2喷药小车电动机的研究3
2.1电动车对电动机的基本要求4
2.2永磁无刷直流电动机特性分析4
2.2.1无刷直流电动机的结构4
2.2.2永磁无刷直流电动机的基本性能5
2.2.3永磁无刷直流电动机的控制系统5
2.2.4 直流无刷电机的运行原理5
2.2.5永磁无刷直流电动机的不足7
3总体设计布局7
4电动小车调速系统的硬件设计7
4.1 MCS-51单片机内部结构7
4.3电流检测单元11
4.3.1霍尔电流传感器的测量原理11
4.3.2电流检测电路12
4.4速度给定单元13
4.4.1霍尔转把结构13
4.4.2霍尔转把的信号特征13
4.5速度检测单元14
4.5.1霍尔位置检测电路14
4.5.2集成转速传感器15
4.5.3集成型速度传感器的性能特点16
4.6译码器16
4.7.1 Intel8279可编程键盘／显示器接口简介17
4.7.2 蓄电池的容量显示18
4.8控制器保护功能欠压检测电路18
5电动小车控制器软件设计19
5.1系统软件设计的基本要求19
5.2系统主程序结构20
5.2.1主程序流程20
5.2.2定时中断服务程序流程20
5.2.3 AD中断服务程序流程21
5.3电机控制程序设计21
5.3.1 速度调节程序21
5.3.2 电流调节程序22
5.4 软件抗干扰设计22
结论24
致 谢25
参考文献26
摘 要
采用单片机控制永磁无刷直流电动机的调速系统适用于电动小车等小功率的工作况。并且可以将多余的电能进行回溃。该调速控制系统具有调速性能好、功率因数高、节能、体积小、重量轻等优点。比较适合生活生产的使用实际需要。
本文从小车调速系统要求分析入手，将整个系统分成了四个部分，分析和讨论了各个部分的电路原理、控制策略以及实现的方法。详细的讨论了系统的各种工况及信号的传递情况，并得到了系统各个部分在不同工况的工作状态。系统各部分的控制电路基于Intel公司的控制芯片8051单片机。根据永磁无刷直流电动机的特性实施脉宽PWM控制，并通过转速传感器测量转速通过八段数码管动态显示转速与电量，通过软硬件的配合，实现了整个系统的设计要求，达到设计目的。
关键词：单片机； 脉宽调速系统； 电动机； 传感器； 蓄电池
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摘 要采用单片机控制永磁无刷直流电动机的调速系统适用于电动小车等小功率的工作况。并且可以将多余的电能进行回溃。该调速控制系统具有调速性能好、功率因数高、节能、体积小、重量轻等优点。比较适合生活生产的使用实际需要。本文从小车调速系统要求分析入手，将整个系统分成了四个部分，分析和讨论了各个部分的电路原理、控制策略以及实现的方法。详细的讨论了系统的各种工况及信号的传递情况，并得到了系统各个部分在不同工况的工作状态。系统各部分的控制电路基于Intel公司的控制芯片8051单片机。根据永磁无刷直流电动机的特性实施脉宽PWM控制，并通过转速传感器测量转速通过八段数码管动态显示转速与电量，通过软硬件的配合，实现了整个系统的设计要求，达到设计目的。关键词：单片机； 脉宽调速系统； 电动机； 传感器； 蓄电池ABSTRACTSCM control of permanent magnet brushless DC motor speed control system applicable to electric bicycles, and other low-power work. Redundant power and can return to collapse. The system has good speed performance, high power factor, energy saving, small size, light weight, and other advantages. Tally with the actual situation .This paper analyzes the requirements from the system, the whole system will be divided into four parts, analysis and discussion of the various parts of the circuit of the control strategy, implementation method. Discussed in detail the status of the various systems and signal transduction, and have the system in different parts of the state the status of the work. Part of the system control circuit based on Intels 8051 chip microcontroller. According to the permanent magnet brushless DC motor control of the PWM pulse width, speed sensor and passed through eighth speed digital dynamic display of speed and electrical quantities, through hardware and software support, for the entire system design requirements. Key words: SCM; pulse speed control system; motor; speed sensor; battery目 录1绪论11.1本课题的研究背景和意义11.2控制理论的概念11.3电动机控制技术的发展21.3.1电力电子器件的发展21.3.2微机控制电动机技术的发展21.3.3微机控制电动机的特点21.4本课题的主要任务32喷药小车电动机的研究32.1电动车对电动机的基本要求42.2永磁无刷直流电动机特性分析42.2.1无刷直流电动机的结构42.2.2永磁无刷直流电动机的基本性能52.2.3永磁无刷直流电动机的控制系统52.2.4 直流无刷电机的运行原理52.2.5永磁无刷直流电动机的不足73总体设计布局74电动小车调速系统的硬件设计74.1 MCS-51单片机内部结构74.3电流检测单元114.3.1霍尔电流传感器的测量原理114.3.2电流检测电路124.4速度给定单元134.4.1霍尔转把结构134.4.2霍尔转把的信号特征134.5速度检测单元144.5.1霍尔位置检测电路144.5.2集成转速传感器154.5.3集成型速度传感器的性能特点164.6译码器164.7.1 Intel8279可编程键盘显示器接口简介174.7.2 蓄电池的容量显示184.8控制器保护功能欠压检测电路185电动小车控制器软件设计195.1系统软件设计的基本要求195.2系统主程序结构205.2.1主程序流程205.2.2定时中断服务程序流程205.2.3 AD中断服务程序流程215.3电机控制程序设计215.3.1 速度调节程序215.3.2 电流调节程序225.4 软件抗干扰设计22结论24致 谢25参考文献26中国地质大学长城学院2012届毕业设计1绪论1.1本课题的研究背景和意义 本设计的出发点源自生活实际的需要，满足我国农民在农业生产时候的使用。我国作为世界上的农业大国，农业是国家发展的一个命脉。国家人口众多，需要的农业产品数量便自然而然的也有量上的要求，于是种植便是发展的一个要素。加上我国地理环境多种多样，使得在多样的环境中还能满足生产需要显得尤为重要。本设计是在农产品种植过程中对农作物实施喷药作业时的一个半自动化工具的一个部分。电动喷药小车的研发，其控制器部分是核心的一个组成，于是控制器的设计便是一个重要的任务。1.2控制理论的概念随着社会的进步和科学技术的发展，控制理论经历了从传统控制理论到大系统理论和智能控制理论的发展历程。传统控制理论包括经典控制理论和现代控制理论。经典控制理论主要解决单输入单输出问题，并采用传递函数、时域及频域分析方法研究对被控对象的控制，其研究对象主要是线性定常对象。现代控制理论从时域研究了多输入多输出线性系统，建立了刻划控制系统本质的基本理论，使控制从一类工程设计方法提高成为一门新的科学。虽然传统控制理论曾经在一段时期成为解决控制问题的有力工具并在当今控制领域起着重要作用，但是随着科学技术的发展，工程科学对控制提出了更高的要求，传统控制理论却表现出了它的局限性。工业生产过程多具有非线性、时变性和不确定性，一般难以用精确的数学模型描述。传统控制理论的任务在于反馈控制使闭环系统稳定。但工程技术提出的控制任务远不能用稳定来概括，面对复杂的对象，复杂的环境和复杂的任务必须发展新概念、理论与方法【1】。智能控制理论是控制理论与人工智能相结合的产物，是传统控制理论在深度上的挖掘，其目标是提高控制系统自寻优、自适应、自学习、自组织等方面的智能水平。迄今为止，世界上最高级、最有成效的控制器还是人类自身，因为人具有比任何其他动物都发达的大脑，人具有处理模糊信息和直觉推理等多种智能【1】。从不同角度模拟人的智能就产生了不同的智能控制理论分支，其中应用较多的有模糊控制、专家系统和神经网络等【2】。从广义上讲，各种智能控制方法的共同点是使工程控制系统具有某种仿人的智能，即研究人脑的微观或宏观结构功能，并把它移植到工程上【3】。“电动小车调速系统研究”课题的主要任务是研制一种电动小车调速装置，为机器控制电动小车自主运行研究做前期准备工作。另外，在运动控制系统中应用最普遍的是电动机自动调速系统。由于直流电动机具有极好的运行性能和控制特性，长期以来是自动调速系统的主要形式。在许多工业部门，如金属加工、纺织、海洋钻探、轧钢、矿山采掘、造纸以及电动汽车等需要高性能可控电力拖动的场合，广泛采用直流调速系统。因此研究电动小车调速系统具有重要的理论和现实意义。1.3电动机控制技术的发展电动机控制是一门集电动机运行理论、电子技术、自动控制理论和微机控制技术于一起的机电一起化技术【4】【5】。随着这些相关技术的进步，电动机控制技术也在不断地发展。1.3.1电力电子器件的发展从20世纪50年代中期第一代电力电子器件即普通晶闸管(Thyristor)发明至今，电力电子器件的发展已经历了第二代有自关断能力的电力电子器件、第三代复合场控器件和第四代功率集成电路等。功率集成电路(Powerintegratedcircuit，PlC)的出现是电力电子器件发展的第四次突破，它实现了电力电子技术和微电子技术的结合以及动力信息一体化，将电动机控制技术推向了一个新时代。自问世以来，晶闸管的功率容量己提高了3000倍。电力电子器件的一个新的发展动向是电力电子器件向集成化、智能化方向发展。智能功率模块(Intelligent Powermodule，IPM)是电力电子器件向第四代功率集成电路发展的过渡产品，它是微电子技术和电力电子技术相结合的产物。功率集成电路不仅具有一定的功率输出能力，而且具有逻辑、控制、传感、检测、保护和自诊断功能。功率集成电路内集成有驱动电路、保护电路，可实现过电流、短路、欠压和过压等保护功能。外界只需提供PWM信号，智能功率模块就可以实现以往复杂的主电路及其外围电路的功能。可以预期，新的更高性能的电力电子器件还会出现，已有的各代电力电子器件的性能还会不断地改进和提高。1.3.2微机控制电动机技术的发展微型计算机应用的普及，为电动机控制实现数字化、高性能化和网络化创造了条件。目前除采用各类单片微机作为数字控制器核心外，数字信号处理器(DSP)已展现出越来越大的优势。借助于数字和网络技术，智能控制已深入到电动机控制系统的各个方面。基于现代控制理论的控制方法建立在对象精确的数学模型之上，需要传感器、观察器，结构复杂，无法摆脱系统非线性和参数变化的影响。智能控制无需对象的精确数学模型并具有较强的鲁棒性，近年已被陆续引入电动机的控制之中，使电动机控制朝着智能化控制方向发展【5】。1.3.3微机控制电动机的特点与连续控制相比较，电动机数字控制有如下主要特点【6】：(1)控制系统集成度高，硬件电路单一，可靠性高，可重复性好。(2)一台微机可以为多个控制回路服务，完成较多的控制功能。(3)对于不同的控制算法和要求，一般不必改变系统的硬件，只需按新的控制算法编制新程序即可。(4)借助一些人机界面设备可实现对系统运行状态的监控、预警、故障诊断等功能；借助处理器的通讯功能可实现与上位机的通讯；借助现场总线技术可实现底层控制设备的联网，因而能方便地实现高复杂度的多机协同工作。(5)计算机运算速度快，精度高，具有逻辑判断能力，且具有大容量的存储单元，因此有能力实现复杂的控制规律，以达到较高的控制质量。(6)数字量的运算不会出现模拟电路中的零点漂移问题，容易保证足够的控制精度。由于微机控制电动机有上述特点，所以微机控制电动机的理论及应用得到迅速地发展，成为运动控制系统的发展方向之一。1.4本课题的主要任务现代电动车是融合了电力、电子、机械控制、材料科学以及化工技术等多种高新技术的综合产品。整体的运行性能、经济性等首先取决于电池系统和电机驱动控制系统。电动车的电机驱动系统一般由4个主要部分组成，即控制器、功率变换器、电动机及传感器。目前电动车中使用的电动机一般有直流电动机、感应电动机、开关磁阻电动机以及永磁无刷电动机等。本论文主要内容包括：(l) 根据永磁无刷直流电动机的特性实施脉宽PWM控制，检测直流无刷电机运转时产生的反电势来确定转子的位置，从而确定换向点和换向时刻。(2) 利用液晶技术，设计出电动小车的运行过程中的参数显示系统。(3) 实验、计算、分析结果得出结论。2喷药小车电动机的研究在所有已有的电动机中，综合性能最好的是直流电动机。过去开发的电动车主要采用有刷直流电动机，有刷直流电动机系统调速方便，改变其输入电压或励磁电流就可对其转矩实现独立的控制，进行平滑的调速，所以有刷直流电动机调速系统具有良好的动态特性和调速品质。但是有刷直流电动机系统由于电刷和换向器的存在而导致以下两方面缺点：第一，必须进行经常性的维修和保养；第二，无法实现高速大容量。这两方面的缺点使其在电动车驱动系统中的应用受到了限制。而无刷直流电动机则克服了有刷直流电动机的缺点，它既有有刷直流电动机的优越的性能，又依靠电子换向，免去了机械式电刷和换向器。本系统选用无刷直流电动机。无刷直流电动机，就其基本结构而言，可以认为是一台有电子开关线路、永磁式同步电动机以及位置传感器三者组成的“电动机系统”。它借助反映转子位置的位置信号，通过驱动控制电路，驱动逆变电路的功率开关元件，使电枢绕组依一定次序馈电，从而在气隙中产生步进式旋转磁场，拖动永磁转子旋转。随着转子的转动，转子位置信号依一定规律变化，从而改变电枢绕组的通电状态，实现无刷直流电动机的机械能量转换。2.1电动小车对电动机的基本要求电动小车的运行，与一般的工业应用不同，非常复杂。因此，对驱动系统的要求是很高的。 (1) 电动小车用电动机应具有瞬时功率大，过载能力强、过载系数应为(34)，加速性能好，使用寿命长的特点。(2) 电动小车用电动机应具有宽广的调速范围，包括恒转矩区和恒功率区。在恒转矩区，要求低速运行时具有大转矩，以满足起动和爬坡的要求；在恒功率区，要求低转矩时具有高的速度，以满足车在平坦的路面能够高速行驶的要求。(3) 电动小车用电动机应能够在车减速时实现再生制动，将能量回收并反馈回蓄电池，使得电汽车具有最佳能量的利用率，这在内燃机的摩托车上是不能实现的。 (4) 电动小车用电动机应在整个运行范围内，具有高的效率，以提高1次充电的续驶里程。另外还要求电动小车用电动机可靠性好，能够在较恶劣的环境下长期工作，结构简单适应大批量生产，运行时噪声低，使用维修方便，价格便宜等。2.2永磁无刷直流电动机特性分析2.2.1无刷直流电动机的结构图1无刷直流电动机的结构2.2.2永磁无刷直流电动机的基本性能永磁无刷直流电动机是一种高性能的电动机。它的最大特点就是具有直流电动机的外特性而没有刷组成的机械接触结构。加之，它采用永磁体转子，没有励磁损耗，发热的电枢绕组又装在外面的定子上，散热容易，因此，永磁无刷直流电动机没有换向火花，没有无线电干扰，寿命长，运行可靠，维修简便。此外，它的转速不受机械换向的限制，如果采用空气轴承或磁悬浮轴承，可以在每分钟高达几十万转运行。永磁无刷直流电动机机系统相比具有更高的能量密度和更高的效率，在电动小车中有着很好的应用前景。2.2.3永磁无刷直流电动机的控制系统 典型的永磁无刷直流电动机是一种矢量控制系统，由于永磁体只能产生固定幅值磁场，因而永磁无刷直流电动机系统非常适合于运行在恒转矩区域，一般采用电流滞环控制或电流反馈型SPWM法来完成。为进一步扩充转速，永磁无刷直流电动机也可以采用弱磁控制。弱磁控制的实质是使相电流相位角超前，提供直轴去磁磁势来削弱定子绕组中的磁链。2.2.4 直流无刷电机的运行原理直流无刷电动机控制器是用来控制电动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件组成，如图2所示。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直流无刷电动机的定子上各相绕组，以便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与转子的位置有关，主要取决于来自位置传感器的信号及逻辑开关信号。【7】传感器信号逻辑处理器NV1V3V2ABCH2H3H1 图2无刷直流电动机结构原理一般的永磁式直流电动机的定子由永久磁钢组成，其主要作用是在电动机 气隙中建立磁场，其电枢绕组通电后产生电枢反应磁场，由电力电子逆变器供给电枢绕组的电流并不是正弦波，而是120的方波，因而三相合成磁动势不是恒速旋转的，而是跳跃式的步进磁动势，它和恒速旋转的转子磁动势产生献转矩除了平均转矩之外，还有脉动分量。由于电力电子逆变器的换向作用，使得这两个磁场的方向在电动机运动的过程中始终保持一定的角度，从而产生最大平均转矩而驱动电动机不停地运转。图3无刷直流电动机的运行原理图直流电源开关电路电动机本体位置传感器 图4 有位置传感器的直流无刷电机原理框图直流电源电子电路电动机本体 图5 无位置传感器的直流无刷电机原理框图2.2.5永磁无刷直流电动机的不足永磁无刷直流电动机受到永磁材料工艺的影响和限制，使得永磁无刷直流电动机的功率范围较小，最大功率仅几十千瓦。永磁材料在受到振动、高温和过载电流作用时，其导磁性能可能会下降或发生退磁现象，将降低永磁电动机的性能，严重时还会损坏电动机，在使用中必须严格控制，使其不发生过载。永磁无刷直流电动机在恒功率模式下，操纵复杂，需要一套复杂的控制系统，从而使得永磁无刷直流电动机的驱动系统造价很高。3总体设计布局对于电动小车控制系统设计主要有四个方面：一、控制电路的设计；二、传感器选择以及安放设计；三、显示电路的设计；四、程序设计。从总的方面来考虑，传感器的使用应该尽量减少单片机的信号处理量，但是又必须能使车行驶自如。控制电路要根据选用的电机和传感器来设计，主要考虑稳定性，抗干扰性。控制核心采用51单片机，控制系统与电路用光耦完全隔离以避免干扰。控制上采用分时复用技术，仅用一块单片机就实现了信号采集，电机控制和转速显示。如图6所示。蓄电池输入电路电机控制器电 动机图6 电动小车控制系统图4电动小车调速系统的硬件设计电动小车的性能指标一般包括：驱动性能、驾驶性能、车载能源系统性能三部份，其中驱动性能取决于电机功率因素，车载能源系统性能取决于电池的容量，驾驶性能指标主要包括：加速性能、最大爬坡性能、刹车性能及驾驶里程性能等驾驶模式，驾驶性能指标的优劣取决于控制系统驾驶模式的技术。4.1 MCS-51单片机内部结构 8051是MCS-51系列单片机的典型产品，我们以这一代表性的机型进行系统的讲解。8051单片机包含中央处理器、程序存储器(ROM)、数据存储器(RAM)、定时/计数器、并行接口、串行接口和中断系统等几大单元及数据总线、地址总线和控制总线等三大总线，现在我们分别加以说明：（1）中央处理器 中央处理器(CPU)是整个单片机的核心部件，是8位数据宽度的处理器，能处理8位二进制数据或代码，CPU负责控制、指挥和调度整个单元系统协调的工作，完成运算和控制输入输出功能等操作。（2）数据存储器(RAM) 8051内部有128个8位用户数据存储单元和128个专用寄存器单元，它们是统一编址的，专用寄存器只能用于存放控制指令数据，用户只能访问，而不能用于存放用户数据，所以，用户能使用的的RAM只有128个，可存放读写的数据，运算的中间结果或用户定义的字型表。（3）程序存储器(ROM) 8051共有4096个8位掩膜ROM，用于存放用户程序，原始数据或表格。（4）定时/计数器(ROM) 8051有两个16位的可编程定时/计数器，以实现定时或计数产生中断用于控制程序转向。（5）并行输入输出(I/O)口 8051共有4组8位I/O口(P0、 P1、P2或P3)，用于对外部数据的传输。（6）全双工串行口 8051内置一个全双工串行通信口，用于与其它设备间的串行数据传送，该串行口既可以用作异步通信收发器，也可以当同步移位器使用。（7）中断系统 8051具备较完善的中断功能，有两个外中断、两个定时/计数器中断和一个串行中断，可满足不同的控制要求，并具有2级的优先级别选择。（8）时钟电路 8051内置最高频率达12MHz的时钟电路，用于产生整个单片机运行的脉冲时序，但8051单片机需外置振荡电容。单片机的结构有两种类型，一种是程序存储器和数据存储器分开的形式，即哈佛图7 MCS-51内部结构示意图(Harvard)结构，另一种是采用通用计算机广泛使用的程序存储器与数据存储器合二为一的结构，即普林斯顿(Princeton)结构。INTEL的MCS-51系列单片机采用的是哈佛结构的形式，而后续产品16位的MCS-96系列单片机则采用普林斯顿结构。图7是MCS-51系列单片机的内部结构示意图【8】:图8 PDIP（9）MCS-51的引脚说明 MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接PDIP结构，图8是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线与P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明：Pin20:接地脚。Pin40:正电源脚，正常工作或对片内EPROM烧写程序时，接+5V电源。Pin18:时钟XTAL2脚，片内振荡电路的输出端。8051的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在18和19脚外接石英晶体(2-12MHz)和振荡电容，振荡电容的值一般取10p-30p。另外一种是外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入。MCS-51系列单片机中的8031、8051及8751均采用40Pin封装的双列直接DIP结构，右图是它们的引脚配置，40个引脚中，正电源和地线两根，外置石英振荡器的时钟线两根，4组8位共32个I/O口，中断口线 与P3口线复用。现在我们对这些引脚的功能加以说明：Pin20:接地脚。Pin40:正电源脚，正常工作或对片内EPROM烧写程序时，接+5V电源。Pin19:时钟XTAL1脚，片内振荡电路的输入端。Pin18:时钟XTAL2脚，片内振荡电路的输出端。8051的时钟有两种方式，一种是片内时钟振荡方式，但需在18和19脚外接石英晶体(2-12MHz)和振荡电容，振荡电容的值一般取10p-30p。另外一种是外部时钟方式，即将XTAL1接地，外部时钟信号从XTAL2脚输入。输入输出(I/O)引脚，Pin39-Pin32为P0输入输出脚，Pin1-Pin1为P1.0-P1.7输入输出脚，Pin21-Pin28为P2.0-P2.7输入输出脚，P-Pin-P3.7输入输出脚，这些输入输出脚的功能说明将在以下内容阐述。Pin9:RESET/Vpd复位信号复用脚，当8051通电，时钟电路开始工作，在RESET引脚上出现24个时钟周期以上的高电平，系统即初始复位。初始化后，程序计数器PC指向0000H，P0-P3输出口全部为高电平，堆栈指钟写入07H，其它专用寄存器被清“0”。RESET由高电平下降为低电平后，系统即从0000H地址开始执行程序。然而，初始复位不改变RAM（包括工作寄存器R0-R7）的状态，8051的初始态如表1：表1 8051的初始态特殊功能寄存器初始态特殊功能寄存器初始态A00HB00HPC00HSP07H4.2 A/D转换芯片ADC0809芯片是最常用的8位模数转换器。 它的模数转换原理采用逐次逼进型，芯片由单个5V电源供电，可以分时对8路输入模拟量进行AD转换，典型的AD转换时间为100微妙左右。在同类型产品中，ADC0809模数转换器的分辨率、转换速度和价位都属于居中位置。内部逻辑结构，如图9所示:图 9 ADC0809内部结构引脚功能说明：D7D0：8位数字量输出，A/D转换结果。IN0IN7：8路模拟电量输入，可以是：05V或者5V5V或者10V+10V。+VREF：正极性参考电源。START：启动A/D转换控制输入，高电平有效。入的工作时钟，典型频率为500KHz。ALE：地址锁存控制输入，高电平开启接收3位地址码，低电平锁存地址。CBA：3位地址输入，其8个地址值分别选中8路输入模拟量IN0IN7之一进行模数转换。C是高位地址，A是最低位地址。OE：数字量输出使能控制，输入高有效，输出A/D转换结果D7D0。EOC：模数转换状态输出。当模数转换未完成时，EOC输出低电平；当模数转换完成时，EOC输出高电平。EOC输出信号可以作为中断请求或者查询控制。Vcc：芯片工作电源5V。GND：芯片接地端。4.3电流检测单元4.3.1霍尔电流传感器的测量原理图10为霍尔电流传感器原理电路图，它是根据磁场平衡原理工作的。具体工作过程为：流过主回路的电流IP在导线周围产生一个强的磁场，这一磁场被聚磁环聚集并感应霍尔器件，使霍尔器件有一电压信号输出。这一信号被放大嚣放大并使相应的功率管导通，从而获得一补偿电流IS补偿电流IS流过绕在聚磁环上的多匝副边线圈时所产生的磁场与主电流所产生的磁场方向相反，因而产生补偿作用，使磁场减少，霍尔电压也随着减少，最后当IS所产生的磁场与IP所产生的磁场相等时，补偿电流IS将不再变化。图10霍尔电流传感器原理电路图此时， NPIPNSIS 公式（1）式中，NP为原边线圈匝数；IP为原边电流；NS为副边线圈匝数；IS为副边电流。主回路电流IP的任何变化都会破坏磁场的平衡，一旦磁场失去平衡，霍尔器件就有电压信号输出，相应地就有补偿电流IS流过副边线圈进行补偿。从宏观来看，副边补偿电流IS的安匝数在任何时刻都与主电流IP的安匝数相等。由式(1)可知，如果已知NP、NS，在测得IS的条件下即可求得原边电流IP。4.3.2电流检测电路对于两相导通三相六状态无刷直流电动机，任一时刻，只有两相绕组导通，电流从一相绕组流进，从另一相绕组流出，电流大小与直流侧电流大小相等。这样，只要在直流侧串联一个采样电阻就可以检测导通相的相电流。常见的无刷直流电动机的电流检测方法有：电阻法，霍尔电流传感器法，电流互感器法。这三种方法的对比如表 2 所示。表2 电阻法，霍尔电流传感器法，电流互感器法三种方法对比电流检测方法 电阻法 霍尔电流传感器法 电流互感器法精确度 好 好 中等温度影响 小 大 小费用 最低 最高 中等隔离程度 不隔离 隔离 隔离大电流检测能力 差 好 好直流偏置问题 存在 无 无存在饱和/滞后 无 有 有耗能情况 高 低 低是否接入电路中 是 否 否直流/交流检测 都可以 都可以 交流检测在本系统中采用霍尔电流传感器测量母线电流。与普通互感器相比，霍尔电流传感器有如下特点【9】；(1)霍尔电流传感器可以测量任意波形的电流，它的副边电流的波形可以不失真地反映原边电流的波形，而普通互感器只适用于测量50Hz的正弦波。(2)霍尔电流传感器的原边和副边之间完全绝缘，绝缘电压一般为212kV，特殊要求可达2050kV。(3)抗外磁场能力强。(4)工作频带宽，在0100kHz频率范围内精度为l，在05kHz范围内为05。(5)过载能力强，当原边电流过载时，模块可自动饱和，即使过载电流是额定电流的20倍，LEM模块也不会损坏。(6)线性度好，优于01。(7)动态响应时间小于lus，跟踪速度高于50Aus。4.4速度给定单元 转把是控制电动小车车速的转换器件，是控制器的信号输入部件。电动小车上使用的转把根据传感器种类常见的有霍尔元件式转把和光电式转把两种，目前采用霍尔式转把的电动小车占多数。 电动小车的转把有3根引线，分别是电源（+5V）、地线和转把信号线（线性连续变化信号）。下面介绍霍尔元件式转把的构成。4.4.1霍尔转把结构 转把由固定的转把座和霍尔元件、可动转柄和产生磁场强度均匀变化的磁钢构成。如图11所示。转把的霍尔元件由三根引线输出送到控制器中。图11转把外形构造4.4.2霍尔转把的信号特征 霍尔转把输出电压的大小，取决于霍尔元件周围的磁场强度。转动转把，转把可动手柄上的磁铁跟着转动，即改变了霍尔元件周围的磁场强度，霍尔元件输出电压随之改变，也就是改变了霍尔转把的输出电压。 霍尔转把最常用的是以下两种信号转把：14.2V 变化的正向转把和4.21V变化的反向转把。其中绝大多数是正向转把，其他输出电压变化范围的转把，目前市场中很少存在，为非标准产品，只存在早期生产的电动小车中。发光二极管遮光板光敏晶体管图12 线性光电式传感器4.4.3光电式转把 光电式转把有两种结构。一种是光电传感器位于转把中；另一种是光电传感器位于控制器中，转把手柄通过钢丝带动控制器内光电传感器内部的遮光板位移，光电管产生控制信号。第一种结构光电转把中发光管、光电接受管位于把座上，装在转把可动转柄上的遮光板位于发光管和光电接受管之间的缺口处，转动转柄，遮光板随之移动，由于发光管发出的光恒定，遮光板改变了到达接受管的光的强度，光电接收管内阻随之变化，产生的电信号送到控制器中。光电式传感器结构如图12所示。位于控制器中的光电式传感器调速信号产生原理与上述相同，不再赘述。4.5速度检测单元4.5.1霍尔位置检测电路如图 13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，软件计算后转换为速度信号,构成速度的反馈环节。图中位置传感器为电机内置的三个霍尔传感器，根据其安装位置的不同分为 60 电机和 120 电机，60 电机输出的霍尔位置状态有 000 和 111 状态，而 120 电机中没有。霍尔传感器输出脉冲信号，其输出信号通过上拉电阻 R1、R2、R3 与+5V 电压相连，信号电平整定为 0V和 5V，使之与单片机的 I/O 口电平一致。 图13 霍尔位置检测电路4.5.2集成转速传感器成转速传感器具有灵敏度高、测量范围宽、抗干扰能力强、外围电路简单等优点，是传统的分立式转速传感器的升级换代产品。下面是磁阻式集成转速传感器的工作原理与典型应用，如图14。转速属于常规电测参数。测量转速时经常采用磁阻式传感器或光电式传感器进行非接触性测量，传统的磁阻式传感器是由磁钢、线圈等分立元件构成的，亦可用耳塞机改装而成。但这种传感器存在一些缺点：第一，灵敏度低，传感器与转动齿轮的最大间隙（亦称磁感应距离）只有零点几毫米；第二，在测量高速旋转物体的转速时，因安装不牢固或受机械振动，容易与齿轮发生碰撞，安全性较差；第三，这种传感器所产生的是幅度很低且变化缓慢的模拟电压信号，因此，需要经过放大、整形后变成沿口陡直的数字频率信号，才能送给数字转速仪或数字频率计测量转速，而且外围电路比较复杂；第四，它无法测量非常低（接近于零）的转速，因为这时磁阻式传感器可能检测不到转速信号。图14集成转速传感器的外形图图15 传感器简化电路图图16 测量原理 4.5.3集成型速度传感器的性能特点 目前，转速传感器正朝着高灵敏度、高可靠性和全集成化的方向发展，芯片内含高性能磁钢、磁敏电阻传感器和IC。它利用IC来完成信号变换功能，其输出的电流信号频率与被测转速成正比，电流信号的变化幅度为7mA14mA。由于其外围电路比较简单，因而很容易配二次仪表测量转速。测量范围宽，灵敏度高，它的齿轮转动频率范围是0-25kHz，而且即使在转动频率接近于零时，它也能够进行测量。传感器与齿轮的最大磁感应距离为2.9mm（典型值），由于与齿轮相距较远，因此使用比较安全。该传感器抗干扰能力强，同时具有方向性，它对轴向振动不敏感。另外，芯片内部还有电磁干扰滤波器、电压控制器以及恒流源，从而保证了其工作特性不受外界因素的影响。体积较小，其最大外形尺寸为8621mm，能可靠固定在齿轮附近。采用12V电源供电（典型值），最高不超过16V。工作温度范围宽达4085。4.6译码器图17 74LS164时序图如图17所示，74LS164为串行移位译码器，它主要由时钟线控制，时钟线每来一个上升弦，数据线将把一位数移进去，移八次就进一个字节，同时在数码管显示出来。译码器是实现组合逻辑的功能部件。它的输入是二进制的代码，输出是一组高低电平信号，每输入一组不同的代码，只有一个输出端呈现有效信号。74LS245芯片是一个八位的总线收发器，其输入/输出引脚分成两组，工作原理如表4：表4 74LS245芯片工作原理允许E 方向控制DIR 操作低电平 低电平 B数据到A总线低电平 高电平 A数据到B总线高电平 悬空 隔离4.7操作显示单元在小车的行驶过程中，控制器和操作人员之问需要互通信息，以便操作人员能及时地控制小车的运行状态。为此，操作人员和计算机之间应设置显示器和操作器。显示器和操作器的作用一是显示小车的给定速度和瞬时速度；二是供操作人员操作；三是显示操作结果。本节说明操作显示单元的设计。4.7.1 Intel8279可编程键盘显示器接口简介Intel8279是一种通用可编程的键盘、显示器接口，使用8279可简化系统的软硬件设计，充分提高CPU的工作效率。8279的片内结构如图414所示，主要包括键盘输入和显示输出两部分以及相应的寄存器和控制电路。键盘输入部分可以和“个按键或传感器阵列相连，能自动消除按键抖动并能对多键同时按下提供保护。显示部分按扫描方式工作，可为LED显示器件提供多路复用信号，可以显示多达16位的字符和数字。【10】图18 Intel8279结构框图 图19七段型液晶显示的电极引线排布4.7.2 蓄电池的容量显示电动小车在使用过程中蓄电池的剩余容量显示给用户带来比较大的方便，它表明蓄电池提供的电能大约能够使电动小车行驶多少里程，蓄电池是否需要充电等。蓄电池的总容量通常以充足电后，放电至其端电压达到规定值时所释放出的总电量来表示。当蓄电池以恒定电流放电时，它的容量(Q)等于放电电流(Id)和放电时间(td)的乘积： 公式（2）式中Id的单位为安(A)，td的单位为小时(h)，Q的单位为安时(Ah)。其放电特性如图20所示。 图20 蓄电池连续放电曲线如果放电电流不是一个恒定的常数，蓄电池的容量为不同的放电电流与相应时间的乘积之和： 公式(3)由于蓄电池的容量受到多种因素的影响，长时间的使用，反复的充电放电，一些蓄电池的容量将逐渐减小，因此要准确显示蓄电池的剩余容量比较困难。如果采用此方式来显示蓄电池的容量，还需要考虑蓄电池充电特性和蓄电池的放电率放电率=额定容量Q锁定(Ah)/放电电流Id(A)等因素。在本方案中，利用蓄电池端电压与容量之间的关系，通过测量蓄电池的端电压来显示蓄电池的容量。 蓄电池的电势是指蓄电池在开路时的端电压，由于蓄电池内阻r的存在，当蓄电池两端接上负载R时，内阻上就会产生压降，此时蓄电池的端电压不是电势E，而是： 公式(4)而蓄电池的内阻与蓄电池的容量成反比，在充电过程中，内阻逐渐减小，在放电过程中增加，由式(4)可知，通过实验的办法测出蓄电池的容量与端电压的关系。电动小车在行驶中，利用软件让单片机对蓄电池端电压U进行测量、处理，并将处理的结果值经I/O端口发送到液晶显示驱动器进行处理，实现显示。4.8控制器保护功能欠压检测电路铅酸蓄电池在使用过程中。若发生过度放电，就会在电池的阴极表面产生大颗粒的硫酸铅颗粒，造成电池阴极硫酸盐化。硫酸铅是一种绝缘物质，一旦生成，就难以恢复【11】。电池阴极上的硫酸铅越多，电池的内阻就越大，电池的充放电性能就越差。为了防止电池因过度放电而损坏，在系统中设计了欠压检测电路，欠压检测电路如图21所示。因36V铅酸电池的放电终止电压为315V，所以本系统欠压保护值设置为32V。图21 欠压保护电路5电动小车控制器软件设计在上一章硬件设计的基础上，本章研究电动小车调速系统的软件设计。本章首先论述电动小车调速系统软件设计的基本要求和设计方法；其次对系统的各个模块进行详细设计；最后说明调节器参数的整定方法及软件抗干扰措施。5.1系统软件设计的基本要求为了使电动小车调速系统中各种硬件设备能够正常运行，有效地实现各个控制环节的实时控制和管理，除了要设计合理的硬件电路外，还必须要有高质量的软件支持。软件设计质量将直接决定整个控制系统的控制质量和效率。总体来说，控制系统的软件设计有以下基本要求【12】：(1)实时性。由于本系统属于电动机控制系统，而电动机控制系统都是快速的实时控制系统，所以软件必须是实时控制软件。这就要求单片机必须在一定的时间内完成一系列的软件处理过程，例如对电动机的被控参数(如本系统中的转速、电流等)反馈信号进行采样、计算、逻辑判断，按规定的控制算法进行数值计算，输出各种控制信号，以及对突然出现的故障报警和处理等。上述各种处理，若超过规定的时间，便失去了实时控制的意义。(2)可靠性。可靠性通常包括正确性和健壮性这两个相互补充的方面。正确性是指软件系统本身没有错误，能够在预期的环境中完成期望的功能。健壮性是指当系统遇到意外情况时能按某种预定的方式作出适当的处理，并能及时通知管理人员请求人工干预，事后从故障状态恢复到正常状态比较容易，所以健壮的系统应能避免出现灾难性后果。(3)可维护性。在软件运行期中，对软件所作的各种修正性、完善性和适应性修改总称为维护。一个高质量的软件，都不是一次设计和调试完成的。软件的设计过程一般是边设计，边调试，经过多次修改和完善，最终才能满足所要求的功能和特性。软件在设计完成之后，在运行阶段尚需不断修正，因为软件虽经测试但不可避免地隐含着各种错误，这些错误在软件运行阶段才会逐步暴露出来，因而要进行排错。软件在运行阶段往往还需作适应性修改，因为计算机发展迅速，一般在35年内，硬件或软件就会有更新换代的新产品，于是应用软件系统也需要作相应的调整或移植【12】。因此，在软件设计过程中，要遵守软件的设计规则，使软件具有良好的结构，以便软件的维护。综上所述，电动机控制系统软件的设计应符合实时性、可靠性和可维护性等方面的要求。为了保证软件的质量，在开发过程中，就应该采取多种有效的技术和质量保证措施。5.2系统主程序结构5.2.1主程序流程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 22所示。图22 主程序的流程图5.2.2定时中断服务程序流程图23定时中断服务程序流程5.2.3 AD中断服务程序流程图23 AD 中断服务程序流程5.3电机控制程序设计5.3.1 速度调节程序图24 速度调节流程速度调节的软件控制流程如图24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 ： u(k)=KPe(k)-e(k-1)+KIe(k)，接着把e(k)赋给e(k-1)，为下一次运算做准备，接着给控制量u“加上由PI调节出的增量 u作为新的控制量。把速度调节输出出的控制量作为电流调节的给定量，进行电流调节。5.3.2 电流调节程序电流调节的流程图如图25所示，调节的过程是：进入电流调节以后，首先对采样到的电流值进行中值滤波，得到当前电流的实际值I1，接着计算理想电流I( 由 速 度 调 节 得 到 ) 和 I1的 偏 差 e(k)=I-I1， 根 据 增 量 式 PI 算 法 D(k)=Kpe(k)-e(k-1)+KIe(k) 求 得 控 制量D的 D，为了使系统调速平稳还要对 D进行判断，使每次控制量的增量不能大于，然后把当前的控制量和本次计算得到的增量相加得到新的控制量D。控制量D的值直接赋给单片机的片内PWM产生器的相位比较寄存器，以此来控制产生的PWM波的占空比，进行速度的调节。为了使系统安全 运行设置了控制量得上限DMAX，为了使系统能顺利启动设置了控制量得下限DMIN。电流的准确测量是电流调节的基础条件，无刷直流电动机控制系统的直流母线电流不是连续的，且电流还有建立、稳定、和关断三个阶段，所以给电流准确测量带来了难度。本系统利用波形发生器的PWM中断进行电流采样，正好在PWM波的有效电平正中产生PWM中断，此时正好是母线电流的稳定阶段，测到的电流可以很好的反映电动机的实际运行状态。每个PWM周期PWM中断响应一次，采样电流一次，由于PWM中断响应比较频繁，所以不要在此中断中安排太多语句。图25 电流调节流程5.4 软件抗干扰设计电动小车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，软件设计中必须有防干扰措施，以提高系统的可靠性。结论电动喷药小车因其轻便灵活、节能环保可以得到广泛应用，给农民在进行农业生产带来了极大方便；随着电动小车的大面积普及，电动车产业在近十几年也得到长足的发展，各厂商都不惜投入巨资开发新型产品，抢占市场。电动小车以无刷直流电动机为驱动动力，实质为一个电力传动系统，其控制大脑就是电动小车的控制器，控制器的性能好坏直接关系到整车的性能。本文
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