基于AVR單片機(jī)的無刷直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)

1、本科畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)題目：無刷直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì) 軟件部分 院 （系）： 電子信息工程學(xué)院 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 090414 學(xué) 生： 劉 文 濤 學(xué) 號： 090414112 指導(dǎo)教師： 吳 杰 2013年 6月 無刷直流電機(jī)控制器設(shè)計(jì)-軟件部分摘 要本設(shè)計(jì)采用atmega128實(shí)現(xiàn)對無刷直流電機(jī)的控制，其中速度和轉(zhuǎn)矩控制環(huán)境部分都采用閉環(huán)控制。整個(gè)系統(tǒng)主要由電流檢測電路、轉(zhuǎn)速和位置檢測電路、功率驅(qū)動電路、過電流保護(hù)電路構(gòu)成。該設(shè)計(jì)不僅要實(shí)現(xiàn)正、反向旋轉(zhuǎn)時(shí)電機(jī)的正常調(diào)速，而且要在特殊情況下實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的急停操作。無刷直流電機(jī)因?yàn)榫哂兄绷饔兴㈦姍C(jī)的特性，同時(shí)驅(qū)動器也是頻率變化

2、的裝置，所以又名直流變頻，無刷直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率，低速轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速精度等都比任何控制技術(shù)的變頻器還要好，由于無刷直流電動機(jī)是以自控式運(yùn)行的，所以不會象變頻調(diào)速下重載啟動的同步電機(jī)那樣在轉(zhuǎn)子上另加啟動繞組，也不會在負(fù)載突變時(shí)產(chǎn)生振蕩和失步。多年來業(yè)界對異步電動機(jī)變頻調(diào)速的研究，歸根到底是在尋找控制異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的方法，稀土永磁無刷直流電動機(jī)必將以其脈寬調(diào)速小體積高效率和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差小等特點(diǎn)在調(diào)速領(lǐng)域顯現(xiàn)優(yōu)勢。可以解決產(chǎn)業(yè)界節(jié)點(diǎn)與高性能驅(qū)動的需求。關(guān)鍵詞：無刷直流電機(jī)；控制器；脈寬調(diào)制design of brushless dc motor controller-software partabstr

3、actthis design adopts the atmega128 to achieve control of the brushless dc motor. the speed and torque control part adopts closed-loop control. the whole system is mainly composed of current detecting circuit, speed and position detection circuit, power driving circuit and over current protection ci

4、rcuit. the design is not only to achieve positive and reverse rotation of the motor at normal speed, but also under special circumstances. it could be done to stop the operation of motor. because of brushless dc motor is dc motor of the characteristics, drive and frequency variation device at the sa

5、me time. as known as direct current frequency conversion, brushless dc motor operation is efficiency, low speed torque, rotational speed precision and so on. the brushless dc motor based on automatic control type to perform, so not like frequency control of motor speed synchronous motor overload sta

6、rt under plus startup winding on the rotor, also wont generate oscillation and step out when load mutation. for years the industry on the research of the asynchronous motor frequency control of motor speed, in the final analysis is looking for a way to control the asynchronous motor torque. brushles

7、s dc motor is bound to its wide speed range, small volume, high efficiency, steady speed and small error characteristics appeared in the field of speed advantages. it can meet the requirements of industry nodes with high performance drive.key words: brushless dc motor;controller; pulse width modulat

8、ion目 錄摘 要iabstractii目 錄iii1 緒 論11.1課題研究背景11.2課題研究現(xiàn)狀11.2.1無刷直流電機(jī)的發(fā)展11.2.2國內(nèi)外研究進(jìn)展與現(xiàn)狀11.3課題來源21.4研究的應(yīng)用價(jià)值21.4.1課題的設(shè)計(jì)思想31.4.2課題研究的內(nèi)容31.4.3研究論文的章節(jié)安排32 無刷直流電機(jī)控制器的工作原理與總體設(shè)計(jì)42.1無刷直流電機(jī)的工作原理42.2無刷直流電機(jī)的工作方式的選擇52.2.1無刷直流電機(jī)在三三導(dǎo)通方式下的工作原理52.2.2無刷直流電機(jī)在兩兩導(dǎo)通方式下的工作102.3無刷直流電機(jī)控制器原理162.4無刷直流電機(jī)軟件設(shè)計(jì)163 無刷直流電機(jī)控制器的硬件設(shè)計(jì)183.1微

9、控制器模塊的設(shè)計(jì)183.2鍵盤和顯示電路204 無刷直流電機(jī)控制器的軟件設(shè)計(jì)214.1軟件編程方法214.2無刷直流電機(jī)控制器的整體軟件結(jié)構(gòu)224.3無刷直流電機(jī)控制器主層模塊的軟件設(shè)計(jì)234.3.1初始化模塊234.3.2管理模塊234.3.3維護(hù)更新模塊255 總 結(jié)385工作總結(jié)38結(jié)束語39畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明42畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）獨(dú)創(chuàng)性聲明43附錄a 程序44附錄b 外文翻譯541 緒 論1.1課題研究背景無刷直流電動機(jī)作為一種常見的執(zhí)行機(jī)構(gòu)在工業(yè)系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用。對無刷直流電動機(jī)的控制有很多種控制方法。其中，pwm控制方法在工業(yè)現(xiàn)場中以其穩(wěn)定性高，動態(tài)性能好而被廣泛應(yīng)用。設(shè)計(jì)

10、一款pwm無刷直流電機(jī)控制器具有較高的實(shí)用價(jià)值。1.2課題研究現(xiàn)狀近三十年來針對異步電動機(jī)變頻調(diào)速的研究，歸根到底是在尋找控制異步電動機(jī)轉(zhuǎn)矩的方法，稀土永磁無刷直流電動機(jī)必將以其寬調(diào)速、小體積、高效率和穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)速誤差小等特點(diǎn)在調(diào)速領(lǐng)域顯現(xiàn)優(yōu)勢。1.2.1無刷直流電機(jī)的發(fā)展無刷直流電機(jī)因?yàn)榫哂兄绷饔兴㈦姍C(jī)的特性,同時(shí)也是頻率變化的裝置,所以又名直流變頻,國際通用名詞為bldc.無刷直流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)效率,低速轉(zhuǎn)矩,轉(zhuǎn)速精度等都比任何控制技術(shù)的變頻器還要好,所以值得業(yè)界關(guān)注.本產(chǎn)品已經(jīng)生產(chǎn)超過55kw,可設(shè)計(jì)到400kw,可以解決產(chǎn)業(yè)界節(jié)電與高性能驅(qū)動的需求。無刷電機(jī)在我國的發(fā)展時(shí)間較短,便隨著技術(shù)的日

11、益成熟與完善得到了迅猛發(fā)展。已在航模、醫(yī)療器械、家用電器、電動車等多個(gè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，并在深圳、長沙、上海等地形成初具規(guī)模產(chǎn)業(yè)鏈。如深圳偉業(yè)電機(jī)等一批專業(yè)廠商，在技術(shù)上不斷推進(jìn)行業(yè)發(fā)展。1.2.2國內(nèi)外研究進(jìn)展與現(xiàn)狀有刷直流電機(jī)以其優(yōu)良的轉(zhuǎn)矩特性在運(yùn)動控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。但是，機(jī)械電刷卻是有刷直流電機(jī)的一個(gè)致命的弱點(diǎn)。為此，早在1917年，boiiger就提出了用整流管代替有刷直流電機(jī)的機(jī)械電刷，從而誕生了無刷直流電機(jī)的基本思想。1955年，美國dharrison等人首次申請了用晶體管換向線路代替有刷直流電機(jī)機(jī)械電刷的專利，標(biāo)志著現(xiàn)代無刷電機(jī)的誕生。近40年來，由于電機(jī)本體及其相關(guān)學(xué)科

12、的迅猛發(fā)展，“無刷直流電機(jī)”的概念已由最初的具有電子換向的直流電機(jī)發(fā)展到泛指一切具有有刷直流電機(jī)外部特性的電子換向電機(jī)。刷直流電機(jī)的發(fā)展亦使得電機(jī)理論與大功率開關(guān)器件、模擬和數(shù)字專用集成電路、微處理技術(shù)、現(xiàn)代控制理論以及高性能材料的結(jié)合更加緊密。如今無刷直流電機(jī)集特種電機(jī)、變速機(jī)構(gòu)、檢測元件、控制軟件與硬件于一體，形成為新一代電動伺服系統(tǒng)，且體覡著當(dāng)今應(yīng)用科學(xué)的許多最新成果，因此是機(jī)電一體化的高技術(shù)產(chǎn)物。無刷直流電機(jī)真正進(jìn)入實(shí)用階段應(yīng)從1978年開始，當(dāng)時(shí)原西德mannesmann公司的indramat分部在漢諾威貿(mào)易博覽會上，正式推出mac經(jīng)典無刷直流電機(jī)及其驅(qū)動器。80年代在國際上開展了深

13、入的研究，先后研制成方波無刷電機(jī)和正弦波無刷直流電機(jī)，在10多年的時(shí)間里，無刷直流電機(jī)在國際上已得到較為充分的發(fā)展，在一些較為發(fā)達(dá)的國家里，無 刷直流電機(jī)將在未來的幾年中成為主導(dǎo)電機(jī)，并逐步取代其它類型的電機(jī)。無刷直流電機(jī)在近10年里得到迅速推廣應(yīng)用的另一個(gè)原因，是由于電力電子技術(shù)和集成控制技術(shù)高速發(fā)展的結(jié)果，性能優(yōu)良、價(jià)格低廉的電子元器件為制造無刷直流電機(jī)創(chuàng)造了基本條件。80年代初期，電機(jī)本體與換向驅(qū)動電路的價(jià)格比大約為1：10，而當(dāng)今已降至1：13，這就為大量推廣應(yīng)用創(chuàng)造了先決條件。我國無刷電機(jī)的研制工作始于70年代初期，主要集中在一些科研院所和高等院校。經(jīng)過20多年的發(fā)展，目前我國已有幾

14、種系列產(chǎn)品生產(chǎn)，如st系列，ifts系列，asm系列，但仍沒有制定出國家標(biāo)準(zhǔn)，限于我國元器件水平及相關(guān)理論與實(shí)踐相結(jié)合的程度還比較低，尤其是制造工藝和加工設(shè)備較國際水準(zhǔn)差距較大，所以目前我國無刷電機(jī)綜合水平仍低于國際水平，大約相當(dāng)于國外70年代末80年代初的水準(zhǔn)，有待進(jìn)一步研究和開發(fā)。1.3課題來源直流電機(jī)具有響應(yīng)快速、較大的起動轉(zhuǎn)矩、從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能，但直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)也正是它的缺點(diǎn)，因?yàn)橹绷麟姍C(jī)要產(chǎn)生額定負(fù)載下恒定轉(zhuǎn)矩的性能，則電樞磁場與轉(zhuǎn)子磁場須恒維持90，這就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在電機(jī)轉(zhuǎn)動時(shí)會產(chǎn)生火花、碳粉因此除了會造成組件損壞之外，使用場合也受到限

15、制。交流電機(jī)沒有碳刷及整流子，免維護(hù)、堅(jiān)固、應(yīng)用廣，但特性上若要達(dá)到相當(dāng)于直流電機(jī)的性能須用復(fù)雜控制技術(shù)才能達(dá)到。現(xiàn)今半導(dǎo)體發(fā)展迅速功率組件切換頻率加快許多，提升驅(qū)動電機(jī)的性能。微處理機(jī)速度亦越來越快，可實(shí)現(xiàn)將交流電機(jī)控制置于一旋轉(zhuǎn)的兩軸直交坐標(biāo)系統(tǒng)中，適當(dāng)控制交流電機(jī)在兩軸電流分量，達(dá)到類似直流電機(jī)控制并有與直流電機(jī)相當(dāng)?shù)男阅堋o刷直流電機(jī)的發(fā)展空間得到進(jìn)一步的提升。1.4研究的應(yīng)用價(jià)值無刷直流電機(jī)的應(yīng)用十分廣泛，如汽車、工具、工業(yè)工控、自動化以及航空航天等等?？偟膩碚f，無刷直流電機(jī)可以分為以下三種主要用途：持續(xù)負(fù)載應(yīng)用：主要是需要一定轉(zhuǎn)速但是對轉(zhuǎn)速精度要求不高的領(lǐng)域，比如風(fēng)扇、抽水機(jī)、吹風(fēng)

16、機(jī)等一類的應(yīng)用，這類應(yīng)用成本較低且多為開環(huán)控制?？勺冐?fù)載應(yīng)用：主要是轉(zhuǎn)速需要在某個(gè)范圍內(nèi)變化的應(yīng)用，對電機(jī)轉(zhuǎn)速特性和動態(tài)響應(yīng)時(shí)間特性有更高的需求。如家用電器具中的、甩干機(jī)和壓縮機(jī)就是很好的例子，汽車工業(yè)領(lǐng)域中的油泵控制、電控制器、發(fā)動機(jī)控制等，這類應(yīng)用的系統(tǒng)成本相對更高些。定位應(yīng)用：大多數(shù)工業(yè)控制和自動控制方面的應(yīng)用屬于這個(gè)類別，這類應(yīng)用中往往會完成能量的輸送，所以對轉(zhuǎn)速的動態(tài)響應(yīng)和轉(zhuǎn)矩有特別的要求，對控制器的要求也較高。測速時(shí)可能會用上光電和一些同步設(shè)備。過程控制、機(jī)械控制和運(yùn)輸控制等很多都屬于這類應(yīng)用。1.4.1課題的設(shè)計(jì)思想無刷直流電機(jī)在生活和工業(yè)系統(tǒng)中扮演著重要角色，因此設(shè)計(jì)一款無刷直

17、流電機(jī)控制器是非常有必要的。無刷直流電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)基本要求是能夠?qū)崿F(xiàn)對電機(jī)的調(diào)速，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和急停，通過液晶顯示電機(jī)轉(zhuǎn)速和功率信息，用霍爾傳感器采集轉(zhuǎn)子的位置信息。1.4.2課題研究的內(nèi)容學(xué)習(xí)無刷直流電機(jī)的工作原理，實(shí)現(xiàn)對無刷直流電機(jī)電機(jī)轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)矩的控制，并反饋回電機(jī)實(shí)時(shí)的轉(zhuǎn)速信息，設(shè)計(jì)系統(tǒng)的保護(hù)電路。1.4.3研究論文的章節(jié)安排無刷直流電機(jī)控制器的設(shè)計(jì)，本論文的結(jié)構(gòu)及內(nèi)容安排如下：第一章：緒論主要介紹了無刷直流電機(jī)的背景、現(xiàn)狀及課題來源，闡述了課題研究的應(yīng)用價(jià)值，并對本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的目的和內(nèi)容做了論述；第二章：無刷直流電機(jī)工作原理與總體設(shè)計(jì)簡要介紹了無刷直流的機(jī)械和電器系統(tǒng)的組成；

18、第三章：無刷直流電機(jī)控制器的硬件設(shè)計(jì)確定了設(shè)計(jì)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)原理方法，并詳細(xì)介紹了系統(tǒng)正常運(yùn)行和故障處理的各個(gè)模塊的器件選擇與原理設(shè)計(jì)。第四章：無刷直流電機(jī)控制器系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)簡要介紹了軟件編程方法，在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的軟件總體流程設(shè)計(jì)下對設(shè)計(jì)各個(gè)子模塊的設(shè)計(jì)流程做了詳細(xì)介紹，介紹了在軟件中對各種故障處理的控制算法，最后對atmega128的集成編譯環(huán)境做了簡要說明。第五章：無刷直流電機(jī)控制器的調(diào)試介紹了實(shí)驗(yàn)室調(diào)試。第六章：結(jié)論對整個(gè)設(shè)計(jì)系統(tǒng)進(jìn)行總結(jié)，指出設(shè)計(jì)系統(tǒng)的成功之處，同時(shí)從工業(yè)產(chǎn)品的角度，對整個(gè)設(shè)計(jì)中的不足之處和有待改進(jìn)之處進(jìn)行論述。2 無刷直流電機(jī)控制器的工作原理與總體設(shè)計(jì)經(jīng)過對課題工程背景

19、的研究，設(shè)計(jì)需要從控制對象的角度尋找設(shè)計(jì)的切入點(diǎn)，本章從無刷直流電機(jī)的原理分析，從而得出無刷直流電機(jī)控制器的總體設(shè)計(jì)思想框架。2.1無刷直流電機(jī)的工作原理三相六磁極無刷直流電機(jī)模型如圖2-1所示：圖2.1 無刷直流電機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖由上圖可知無刷直流電機(jī)電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)與交流同步電機(jī)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全相同，因此可以采用交流同步電機(jī)的控制方式對其控制；同時(shí)也可以對其采用步進(jìn)電機(jī)的三相六拍控制方式。2.2無刷直流電機(jī)的工作方式的選擇圖2.2交流同步電機(jī)控制電路圖2.2.1無刷直流電機(jī)在三三導(dǎo)通方式下的工作原理 a.三相逆變橋的工作原理三相逆變橋的電路簡圖如上圖所示，控制逆變管的導(dǎo)通和關(guān)斷可以把直流電逆變成矩

20、形波三相交流電，圖中r、y、b為逆變橋的輸出。180導(dǎo)通型三相逆變器的控制規(guī)律如圖（b）所示，其中深色部分表示逆變管導(dǎo)通?？梢钥闯觯恳粫r(shí)刻總有三個(gè)逆變管導(dǎo)通，另三個(gè)逆變管關(guān)斷，并且與、與、與每對逆變管不能同時(shí)導(dǎo)通。線電壓，的波形如圖（c）所示，可以看出，它們的幅值為u，三者之間互差120。各階段的等值電路及相電壓和線電壓值見下表所示。表2.1 180導(dǎo)通型三相逆變器各階段的等值電路及相電壓和線電壓值階段06060120120180120240240300300360導(dǎo)通管號1，3，51，5，61，2，62，4，62，3，43，4，5等值電路圖2.3三相逆變橋工作原理與輸出波形（a） 電路簡圖

21、；（b） 逆變管通斷時(shí)序；（c） 線電壓與相電壓波形b.變頻與變壓交流異步電動機(jī)的定子繞組的反電動勢是定子繞組切割旋轉(zhuǎn)磁場磁力線的結(jié)果，其有效值的計(jì)算式為 （2.1）式中：為與電動機(jī)結(jié)構(gòu)有關(guān)的常數(shù)；為電源頻率；為磁通。而在電源一側(cè)，電源電壓的平衡方程式為 （2.2）加在電機(jī)繞組端的電源電壓，一部分產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，另一部分消耗在阻抗（線圈電阻和漏電感）上。定子電流分兩部分，即式中：是少部分，用于建立主磁場磁通；是大部分，用于產(chǎn)生電磁力帶動機(jī)械負(fù)載。交流異步電動機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速時(shí)，如頻率下降，則降低。在電源電壓不變的情況下，定子電流將增加。此時(shí)如果外負(fù)載不變，則不變，將增加，也就是使磁通量增加。的增

22、加又使增加，達(dá)到新的平衡點(diǎn)。通常在設(shè)計(jì)時(shí)已使電動機(jī)的磁通容量達(dá)到最大容量，因此磁通量再增加將產(chǎn)生磁飽和，引起電流波形畸變，削弱電磁力矩，影響機(jī)械特性。解決機(jī)械特性下降問題的一種方案是維持磁通量恒定不變，即設(shè)法使=常數(shù)，這就要求當(dāng)電動機(jī)調(diào)速改變電源頻率時(shí)，也進(jìn)行相應(yīng)變化，以維持它們的比值不變。實(shí)際上，因?yàn)闊o法控制的大小，通常是忽略在阻抗上產(chǎn)生的壓降，用調(diào)節(jié)電源電壓來近似地代替調(diào)節(jié)，使其跟隨頻率的變化，保持磁通量近似恒定，即 （2.3）這就是為什么在變頻的同時(shí)也要變壓，即vvvf。c.spwm調(diào)制波用脈寬調(diào)制pwm，可以方便地實(shí)現(xiàn)變頻和變壓：調(diào)節(jié)占空比，就可以調(diào)節(jié)輸出的平均電壓；調(diào)節(jié)pwm波的頻率

23、，就可以改變電源頻率，實(shí)現(xiàn)調(diào)速。然而，矩形波含有許多高次諧波成分，將產(chǎn)生使交流異步電動機(jī)發(fā)熱、力矩下降、振動噪聲等不良后果。使逆變電路輸出的電壓波形成為正弦波的一種方法是，將等寬的矩形波變成一組寬度漸變的脈沖波，其寬度變化規(guī)律應(yīng)符合正弦的變化規(guī)律，如圖3-48所示的正弦脈寬調(diào)制波，簡稱spwm波。由于諧波成分大大減少，驅(qū)動效果可以達(dá)到基本滿意的水平。產(chǎn)生正弦脈寬調(diào)制波spwm的通常方法是，用一組等腰三角形波與一個(gè)正弦波進(jìn)行比較，如圖2.5所示，以其交點(diǎn)作為開關(guān)管“開”或“關(guān)”的時(shí)刻。等腰三角形波稱為載波，而正弦波則稱為調(diào)制波。改變正弦波的頻率，就可以改變輸出電源的頻率，從而改變電動機(jī)的轉(zhuǎn)速；改

24、變正弦波的幅值，也就改變了正弦波與載波的交點(diǎn)，使輸出脈沖系列的寬度發(fā)生變化，從而改變輸出電壓。圖2.4 spwm波形圖2.5 spwm波生成方法三相逆變開關(guān)管生成spwm波的控制方式有單極性控制和雙極性控制兩種。（1）單極性控制。每半個(gè)周期內(nèi)，在逆變橋的同一橋臂的上下兩個(gè)逆變開關(guān)管中，只有一個(gè)逆變開關(guān)管按圖2-4的規(guī)律反復(fù)通斷，而另一個(gè)逆變開關(guān)管始終關(guān)斷；在另半個(gè)周期內(nèi)，兩個(gè)逆變開關(guān)管的工作狀態(tài)正好相反。三相逆變器中的六個(gè)逆變開關(guān)管的工作狀態(tài)仍然可以用圖2.6（b）進(jìn)行描述，例如，開關(guān)管在、時(shí)間段中按spwm波的規(guī)律進(jìn)行開通和關(guān)斷，在、時(shí)間段則全關(guān)斷；同一橋臂的開關(guān)管正好相反，在、時(shí)間段全關(guān)斷

25、，而在、間段則按spwm波的規(guī)律進(jìn)行開通和關(guān)斷；三個(gè)橋臂工作的規(guī)律都相同，只是在相位上相差120。（2）雙極性控制。在全部周期內(nèi)，同一橋臂的上下兩個(gè)逆變管交替開通與關(guān)斷，形成互補(bǔ)的工作方式，其各種波形如圖2.6所示。圖2.6（a）表示了三相調(diào)制波與等腰三角形載波的關(guān)系，三相調(diào)制波由頻率和幅值都一樣，但相位上相差120的三條正弦波、組成。每一條正弦波與等腰三角形載波的交點(diǎn)決定了同一橋臂（同相）逆變開關(guān)管的開通與關(guān)斷的時(shí)間。圖2.6（b）、（c）、（d）表示了各相電壓、輸出的波形，它們的最大幅值是，其中上臂開關(guān)管產(chǎn)生正脈沖。下臂開關(guān)管產(chǎn)生負(fù)脈沖。同樣，三相相電壓波形的相位也互差120。圖2.6（e

26、）是線電壓的輸出波形，同理也可以得到，。d.載波頻率的選擇spwm波僅僅是近似正弦波，仍然含有高次諧波的成分。一般說來，載波頻率應(yīng)大于調(diào)制波頻率1020倍，載波頻率越高，諧波波幅越小，電流波形越平滑。高的載波頻率還可以使變頻器和電機(jī)的噪聲進(jìn)入超聲范圍，達(dá)到靜音效果。載波頻率的提高，受逆變開關(guān)管的最高開關(guān)頻率限制。采用igbt（工作頻率可達(dá)幾十khz以上）為逆變開關(guān)管，可以得到較平滑的電流波形。載波與調(diào)制波的頻率調(diào)整有以下三種形式。（1）同步控制方式。使調(diào)制波頻率與載波頻率的比值等于常數(shù)，即在逆變器輸出電壓的每個(gè)周期內(nèi)，所使用的三角波數(shù)目不變，因此產(chǎn)生的spwm波的脈沖數(shù)是一定的。這種控制方式的

27、優(yōu)點(diǎn)是，在調(diào)制波頻率變化的范圍內(nèi)，逆變器輸出波形的正負(fù)半波完全對稱，使輸出三相波形之間具有120相差的對稱關(guān)系。但在低頻時(shí)有嚴(yán)重的不足：每個(gè)周期spwm脈沖個(gè)數(shù)過少，使諧波分量增大。（2）異步控制方式。使載波頻率固定不變，只調(diào)整調(diào)制波頻率進(jìn)行調(diào)速。雖然不存在同步控制方式所產(chǎn)生的低頻諧波分量大的缺點(diǎn)，但是可能會造成逆變器輸出的正半波與負(fù)半波、三相波之間不嚴(yán)格對稱的現(xiàn)象，引起電動機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn)。圖2.6 三相逆變器輸出雙極性spwm波形圖(a) 三相調(diào)制波與三角載波；(b) r相相電壓波形；(c) y相相電壓波形；(d) b相相電壓波形；(e) 線電壓波形（3）分段同步控制方式。實(shí)際應(yīng)用較多的分段同

28、步控制方式綜合了同步控制和異步控制的優(yōu)點(diǎn)：在低頻段使用異步控制方式，而在其它頻率段使用同步控制方式。2.2.2無刷直流電機(jī)在兩兩導(dǎo)通方式下的工作無刷直流電機(jī)采用三相六拍工作方式，其工作原理與步進(jìn)電機(jī)的工作方式是相同的。電機(jī)在旋轉(zhuǎn)之前首先完成轉(zhuǎn)子定位工作，然后再根據(jù)霍爾傳感器反饋回的轉(zhuǎn)子位置信息給出下一步的控制信息。a.控制過程轉(zhuǎn)子處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)時(shí)霍爾傳感器h1、h2、h3感應(yīng)出來的信號分別為101（ab）、100（ac）、110（bc）、010（ba）、011（ca）、001（cb）然后進(jìn)行下一輪循環(huán)。當(dāng)轉(zhuǎn)子處于反轉(zhuǎn)的狀態(tài)，三個(gè)霍爾傳感器感應(yīng)出來的值正好次序相反。圖2.7無刷直流電機(jī)工作原理圖要

29、實(shí)現(xiàn)對電機(jī)的反轉(zhuǎn)控制，只需要按照以上感應(yīng)出的霍爾信號反向給出控制信號即可。b.速度控制控制脈沖的頻率決定步進(jìn)電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。脈沖的時(shí)間間隔越短，步進(jìn)電動機(jī)就轉(zhuǎn)得越快。軟件脈沖分配方式的調(diào)速，可以通過采用延時(shí)或定時(shí)程序調(diào)整兩個(gè)控制字之間的時(shí)間間隔來實(shí)現(xiàn)；硬件脈沖分配方式的調(diào)速，可以通過控制步進(jìn)脈沖的頻率來實(shí)現(xiàn)。假設(shè)讓電機(jī)以恒定的加速度加速到指定的轉(zhuǎn)速，之后勻速運(yùn)行。當(dāng)快要到達(dá)指定的停止位置時(shí)，再以恒定的加速度減速，在停止位置處停住，如圖2.8所示。其中加速度要根據(jù)不同的電機(jī)，設(shè)定不同的加速度值。如果它的值太大，則可以較快地到達(dá)目的位置，但有可能產(chǎn)生振蕩。如果它的值太小，由于轉(zhuǎn)矩與加減速度成正比，轉(zhuǎn)

30、矩可能過小，產(chǎn)生失步。因此，在設(shè)計(jì)時(shí)需要因電機(jī)而異。圖2.8 加減速示意圖步進(jìn)電動機(jī)驅(qū)動執(zhí)行機(jī)構(gòu)從a點(diǎn)到b點(diǎn)移動時(shí)，要經(jīng)歷升速、恒速和減速過程。如果啟動頻率超過極限啟動頻率，步進(jìn)電動機(jī)會產(chǎn)生失步，不能正常啟動；如果突然停止，會由于慣性發(fā)生過沖，造成位置精度降低；升降速過于緩慢，則會影響執(zhí)行機(jī)構(gòu)的工作效率。對步進(jìn)電動機(jī)的加減速應(yīng)在保證不失步和不過沖的前提下，盡快移動到指定位置。為了滿足加減速要求，步進(jìn)電動機(jī)的運(yùn)行通常按照根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)得到的加減速曲線進(jìn)行。如圖2.9（a）所示的勻加減速曲線和圖2.9（b）所示的s形（分段指數(shù)曲線）加減速曲線。圖2.9 加減速運(yùn)行曲線（a）勻加減速曲線；（b）s形

31、加減速曲線加減速實(shí)時(shí)算法的核心是使用定時(shí)中斷，當(dāng)定時(shí)器發(fā)生超時(shí)中斷時(shí)，中斷服務(wù)程序推動電機(jī)走下一步，然后計(jì)算出下一步將要維持的時(shí)間，并以之設(shè)置定時(shí)器下一次的中斷時(shí)間。當(dāng)下一次中斷來臨時(shí)，再推動一步，并設(shè)置再下一步的時(shí)間，如此循環(huán)往復(fù)。如圖2.10所示，步進(jìn)電機(jī)先以加速度加速，然后以加速度減速到停止，之間沒有勻速過程。從到是第一步持續(xù)的時(shí)間，從到是第二步持續(xù)的時(shí)間，從到是最后一步持續(xù)的時(shí)間；每一步的時(shí)間間隔越短，平均加減速度越接近和。圖2.10 用定時(shí)器控制時(shí)間 如圖2.10所示，電機(jī)某一步的持續(xù)時(shí)間（即定時(shí)器的延時(shí)時(shí)間）為 （2.4）式中：為第n步時(shí)定時(shí)器的計(jì)數(shù)值；f為給定時(shí)器提供的時(shí)鐘源頻率

32、。轉(zhuǎn)速（單位：）為 （2.5）加速度（單位：）為 （2.6）式（2.6）假設(shè)了每步的平均速度等于中心時(shí)間的速度。如果為加速狀態(tài)，則，；如果為減速狀態(tài)，則，。電機(jī)轉(zhuǎn)過的步數(shù)n為 （2.7）轉(zhuǎn)過n步所花的時(shí)間為 （2.8）由圖2.10可知，第n步的定時(shí)器計(jì)數(shù)值為 （2.9）由式（2.8）和式（2.9）可得第0步的計(jì)數(shù)值為 （2.10）再由式（2.8）、式（2.9）和式（2.10），可得第n步的定時(shí)器計(jì)數(shù)值也可表示為 （2.11）由式（2.10）可知，第0步的計(jì)數(shù)值包含了加速度的信息，只要把設(shè)定好，后面的實(shí)時(shí)計(jì)算就不用再考慮了。但式（2.11）需要開平方，它不適合沒有浮點(diǎn)運(yùn)算功能的處理器，下面再加以

33、變換。由式（2.11）可得相鄰兩步的比值為 （2.13）根據(jù)泰勒變換可得 （2.14）再由式（2.10）、式（2.11）和式（2.13）代入式（2.12）可近似得到 （2.15）根據(jù)泰勒變換可得 （2.16）把式（2.15）的n換成i，得 （2.17）由式（2.7）開始，就假設(shè)了大于零，即為加速，所以式（2.16）是加速的遞推公式，只要知道前一步的計(jì)數(shù)值，就可以算出后一步的計(jì)數(shù)值。加速過程如圖2.11所示?？梢酝茢?，減速過程是圖2.11的逆過程，如圖2.12所示。它的第0步是對應(yīng)加速過程的第i步，最后一步對應(yīng)加速過程的第0步。如果減速過程中要跑m步，則有 （2.18）圖2.11 加速過程圖2.

34、12 減速過程 現(xiàn)在根據(jù)式（2.11）和式（2.12）分別列出相鄰的兩步c值之比的確切值與近似值，見表2.2所示。這里假設(shè)。表2.2近似值的誤差n確切的近似的近似值誤差10.41420.60000.448520.76730.77780.013630.84300.84620.0037040.88100.88240.0015250.90410.90487.66e-460.91960.92004.41e-4100.95110.95129.42e-51000.99500.99509.38e-810000.99950.99959.37e-11從表2.2可以看出，除外，其他比值的誤差都很小。由于每一步的延

35、時(shí)時(shí)間是由前一步計(jì)算出來的，如果的誤差較大，后面每一步的延時(shí)誤差都增大。解決辦法是把單獨(dú)挑出來，使它等于0.4142倍的，其他值依然按照式（2.15）遞推計(jì)算 （2.19）最后，由式（2.18）可推導(dǎo)出步進(jìn)電機(jī)從速度為0加速到s，以及速度從s減速到0所要走的步數(shù)為 （2.20）在本例中，加速過程的加速度和加速過程的減速度都為1000，給定時(shí)器提供的時(shí)鐘源頻率為50mhz，根據(jù)式（2.10）和式（2.16）可以計(jì)算出和的值，根據(jù)式（2.15）就可以導(dǎo)出的值。由以上分析可進(jìn)行編程調(diào)試。由v1v6六只功率管構(gòu)成的驅(qū)動全橋可以控制繞組的通電狀態(tài)。按照功率管的通電方式，可以分為兩兩導(dǎo)通和三三導(dǎo)通兩種控制

36、方式。由于兩兩導(dǎo)通方式提供了更大的電磁轉(zhuǎn)矩而被廣泛采用。在兩兩導(dǎo)通方式下，每一瞬間有兩個(gè)功率管導(dǎo)通，每隔16周期即60電角度換相一次，每只功率管持續(xù)導(dǎo)通 120電角度，對應(yīng)每相繞組持續(xù)導(dǎo)通120，在此期間相電流方向保持不變。為保證產(chǎn)生最大的電磁轉(zhuǎn)矩，通常需要使繞組合成磁場與轉(zhuǎn)子磁場保持垂直。由于采用換相控制方式，其定子繞組產(chǎn)生的是跳變的磁場，使得該磁場與轉(zhuǎn)子磁場的位置保持在60120相對垂直的范圍區(qū)間。2.3無刷直流電機(jī)控制器原理圖2.13無刷直流電機(jī)控制器原理框圖單片機(jī)從鍵盤獲得啟動信號，根據(jù)給定轉(zhuǎn)速信息配置輸出pwm信號的相關(guān)頻率和占空比，電機(jī)通過霍爾傳感器將電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速和位置信息反饋給

37、單片機(jī)，單片機(jī)通過ad采集模塊采集接在桿路上小電阻的電壓信息獲取電流信號，同時(shí)實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)功能，單片機(jī)將轉(zhuǎn)速信息和功率信息顯示在液晶屏上。2.4無刷直流電機(jī)軟件設(shè)計(jì)作為系統(tǒng)框架的硬件系統(tǒng)，如果沒有軟件，那么所設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)就像沒有靈魂一樣，由此可見，軟件實(shí)現(xiàn)的好壞將對整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)影響是至關(guān)重要的。針對本設(shè)計(jì)，系統(tǒng)完成機(jī)械的自動化改裝和硬件設(shè)計(jì)之后，根據(jù)軟件編程方法，需要提出軟件的設(shè)計(jì)思路，如圖2.6所示為本系統(tǒng)總體軟件的設(shè)計(jì)思路。為保證自動控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，程序中必須對各個(gè)功能模塊進(jìn)行合理的調(diào)度，使各個(gè)功能模塊更加靈活高效地實(shí)現(xiàn)各自的控制功能。本設(shè)計(jì)中對各個(gè)功能模塊的編程設(shè)計(jì)是通過c語

38、言實(shí)現(xiàn)的，軟件設(shè)計(jì)采用模塊化和結(jié)構(gòu)化的編程思想，完成對沖孔打樁機(jī)自動控制系統(tǒng)軟件功能實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)的總體軟件結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。圖2.14軟件系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路3 無刷直流電機(jī)控制器的硬件設(shè)計(jì)3.1微控制器模塊的設(shè)計(jì)微控制器的選擇：系統(tǒng)采用atmega128為核心控制芯片。atmega128微控制器是的8位單片機(jī)，64管腳封裝。因其容量大，處理速度快，i/o口也足夠，耐溫較51單片機(jī)要好很多，所以選此芯片。其最小系統(tǒng)原理圖如下圖所示。 圖3.1 atmega128最小系統(tǒng)原理圖兩個(gè)具有獨(dú)立的預(yù)分頻器和比較器功能的8 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器。兩個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)

39、器。具有獨(dú)立預(yù)分頻器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器。兩路8 位pwm。6路分辨率可編程（1 到16 位）的pwm輸出比較調(diào)制器。8路10 位adc,8 個(gè)單端通道,7 個(gè)差分通道,2 個(gè)具有可編程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道。具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器。上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測。片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)定的rc 振蕩器。片內(nèi)/ 片外中斷源。6種睡眠模式: 空閑模式、adc 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、standby 模式以及擴(kuò)展的standby 模式?？梢酝ㄟ^軟件進(jìn)行選擇的時(shí)鐘頻率。編輯本段i/o 封裝。53個(gè)可編程i/o 64引腳tqfp 與 64 引腳 mlf封裝。工作電壓：2

40、.7 - 5.5v atmega128l,4.5 - 5.5v atmega128。速度等級：0 - 8 mhz atmega128l,0 - 16 mhz atmega128。atmega128tqfp封裝現(xiàn)主要有這些型號：atmega128-16au、atmega128-16ai。atmega128各引腳功能如下：vcc:數(shù)字電路的電源,gnd:地。端口a(pa7pao):端口a為雙向i/o口并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性,可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí),若內(nèi)部上拉電阻使能,則端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。復(fù)位發(fā)生時(shí)端口a為三態(tài)。端口a也可以用作其他不同

41、的特殊功能。端口b(pb7pb0):端口b為8位雙向i/o口,復(fù)位發(fā)生時(shí)端口b為三態(tài)。端口8也可以用作其他不同的特殊功能。端口c(pc7pc0):端口c為8位雙向i/0口,復(fù)位發(fā)生時(shí)端口c為三態(tài)。端口c也可以用作其他不同的特殊功能。在atmegal03兼容模式下,端口c只能作為輸出,而且在復(fù)位發(fā)生時(shí)不是三態(tài)。端口d(pd7pd0):端口d為8位雙向i/0口,復(fù)位發(fā)生時(shí)端口d為三態(tài)。端口d也可以用作其他不同的特殊功能。端口e(pe7pe0):端口e為8位雙向i/0口,復(fù)位發(fā)生時(shí)端口e為三態(tài)。端口e也可以用作其他不同的特殊功能。端口f(pftpf0):端口f為adc的模擬輸人引腳。如果不作為adc

42、的模擬輸入.端口f可以作為8位雙向i/0口并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性,可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí),若內(nèi)部上拉電阻使能.則端口被外部電路拉低時(shí)將輸出電流。復(fù)位發(fā)生時(shí)端口f為三態(tài)。如果使能jtag接口.則復(fù)位發(fā)生時(shí)引腳pf 7(tdi)、pf5(tms)和pf4(tck)的上拉電阻使能。端口f也可以作為j tag接口。在atmegal03兼容模式下,端口f只能作為輸入引腳。端口g(pg4-pg0):端口g為5位雙向i/o口,并具有可編程的內(nèi)部上拉電阻。其輸出緩沖器具有對稱的驅(qū)動特性,可以輸出和吸收大電流。作為輸入使用時(shí).若內(nèi)部上拉電阻使能.則端口被外部電路

43、拉低時(shí)將輸出電流。復(fù)位發(fā)生時(shí)端口g為三態(tài)。端口g也可以用作其他不同的特殊功能。在atmegal 03兼容模式下，端口g只能作為外部存儲器的鎖存信號以及32khz振蕩器的輸入,并且在復(fù)位時(shí)這些引腳初始化為pg0=1、pgl=1以及pg2=0。pg3和pg4是振蕩器引腳。reset:復(fù)位輸入引腳。超過最小門限時(shí)間的低電平將引起系統(tǒng)復(fù)位。低于此時(shí)間的脈沖不能保證可靠復(fù)位。xtall:反向振蕩器放大器及片內(nèi)時(shí)鐘操作電路的輸入。xtal2:反向振蕩器放大器的輸出。avcc:avcc為端口f以及adc轉(zhuǎn)換器的電源.需要與vcc相連接.即使沒有使用adc也應(yīng)該如此。使用adc時(shí)應(yīng)該通過一個(gè)低通濾波器與vcc

44、連接。aref:aref為adc的模擬基準(zhǔn)輸入引腳。pen是spl串行下載的使能引腳。在上電復(fù)位時(shí)保持麗為低電平將使器件進(jìn)入。spl串行下載模式,在正常工作過程中pen引腳沒有其他功能。3.2鍵盤和顯示電路3.2.1鍵盤電路鍵盤是由若干個(gè)按鈕組成的開關(guān)矩陣，它是單片機(jī)系統(tǒng)中最常用的輸入設(shè)備，用戶能通過鍵盤向計(jì)算機(jī)輸入指令，地址或者數(shù)據(jù)；一般單片機(jī)系統(tǒng)中采用的是非編碼鍵盤，非編碼鍵盤是由軟件來識別鍵盤上的閉合鍵，它具有結(jié)構(gòu)簡單，使用靈活等特點(diǎn)。設(shè)計(jì)鍵盤的16個(gè)鍵分別為：09 數(shù)字鍵；電機(jī)開、關(guān)，啟動鍵，停止鍵；退出鍵；確定鍵，以及功能鍵。3.2.2顯示電路在單片機(jī)的應(yīng)用中，人機(jī)界面占據(jù)相當(dāng)重要的

45、地位。人機(jī)界面主要包括事件輸入和結(jié)果指示，事件輸入包括鍵盤輸入，通訊接口，事件中斷等，結(jié)果指示包括led/lcd顯示、通訊接口、外圍設(shè)備操作等。而在這些人機(jī)界面當(dāng)中，lcd 顯示技術(shù)由于其具有界面友好，成本較低等特點(diǎn)而在很多應(yīng)用場合得以廣泛應(yīng)用。整個(gè)lcd panel由上下玻璃基板和偏振片組成，在上下玻璃之間，按照螺旋結(jié)構(gòu)將液晶分子有規(guī)律的進(jìn)行涂層。液晶面板的電極是通過一種ito的金屬化合物蝕刻在上下玻璃基板上。液晶分子的排列為螺旋結(jié)構(gòu)，對光線具有旋旋旋光性，上下偏振片的偏振角度相互垂直。在上下基板間的電壓為0時(shí)，自然光通過偏振片后，只有與偏振片方向相同的光線得以進(jìn)入液晶分子的螺旋結(jié)構(gòu)的涂層中

46、，由于螺旋結(jié)構(gòu)的的旋旋旋光性，將入射光線的方向旋轉(zhuǎn)90度后照射到另一端的偏振片上，由于上下偏振片的偏振角度相互垂直，這樣入射光線通過另一端的偏振片完全的射出，光線完全進(jìn)入觀察者的眼中，看到的效果就為白色。而在上下基板間的電壓為一交流電壓時(shí)，液晶分子的螺旋結(jié)構(gòu)在電(磁)場的作用下，變成了同向排列結(jié)構(gòu)，對光線的方向沒有作任何旋轉(zhuǎn)，而上下偏振片的偏振角度相互垂直，這樣入射光線就無法通過另一端的偏振片射出，光線無法進(jìn)入觀察者的眼中，看到的效果就為黑色。這樣通過在上下玻璃基板電極間施加不同的交流電壓，即可實(shí)現(xiàn)液晶顯示的兩種基本狀態(tài)亮(on)和暗(off)4 無刷直流電機(jī)控制器的軟件設(shè)計(jì)4.1軟件編程方法

47、常用的軟件設(shè)計(jì)方法有模塊化結(jié)構(gòu)化編程方法、過程化編程方法、面向?qū)ο缶幊谭椒ㄒ约懊嫦蛑悄荏w的編程方法。選擇合適的軟件設(shè)計(jì)方法決定了系統(tǒng)軟件的結(jié)構(gòu)是否合理，同時(shí)決定了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能是否穩(wěn)定可靠。前面提到的四種軟件設(shè)計(jì)方法在實(shí)際應(yīng)用時(shí)各有優(yōu)缺點(diǎn)，模塊化結(jié)構(gòu)化編程和過程化編程方法它們共同的出發(fā)點(diǎn)是將一個(gè)龐大復(fù)雜的系統(tǒng)分解成若干個(gè)較小的過程，或者是功能塊。每個(gè)功能塊只執(zhí)行相對單一的功能，每個(gè)功能塊都具有單入口單出口的結(jié)構(gòu)，并且都可以進(jìn)行獨(dú)立的調(diào)試。但在遇見大系統(tǒng)時(shí)，這種分解會導(dǎo)致大量的過程和功能塊產(chǎn)生，各個(gè)功能塊之間有著復(fù)雜的相互依賴關(guān)系，會帶來一些不好解決的問題；面向?qū)ο缶幊谭椒ㄖ饕獋?cè)重的是每個(gè)元素個(gè)體

48、的實(shí)現(xiàn)方法，忽略各個(gè)元素之間存在的相互聯(lián)系；面向智能體編程方法是由人工智能的編程思想發(fā)展而來的，它沒有制定明確的編程規(guī)則，我們可以認(rèn)為是控制器通過傳感器對自身所處的環(huán)境進(jìn)行感知的一種能力8?？v觀這四種編程方法的優(yōu)缺點(diǎn)，依據(jù)實(shí)際情況，本設(shè)計(jì)采用一種結(jié)合模塊化結(jié)構(gòu)化和面向智能體兩種方法相結(jié)合的新軟件編程方法。編寫程序時(shí)采用軟件模塊化和硬件模塊化相結(jié)合的方法，首先分硬件模塊進(jìn)行編寫各個(gè)模塊的軟件，然后通過設(shè)置標(biāo)志位，承接各個(gè)模塊之間的關(guān)系，使之成為一個(gè)整體的系統(tǒng)。這樣的編程方法從硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件代碼的編寫兩大方面都大大降低了難度，縮短了系統(tǒng)的開發(fā)周期。模塊內(nèi)部包含的主要元素有過程、作用、回饋和知

49、識庫，與這些元素相聯(lián)系的外部元素為輸入、輸出、學(xué)習(xí)和意識。內(nèi)部和外部元素之間相輔相成，構(gòu)成一個(gè)完整的系統(tǒng)。該系統(tǒng)化的基本思想是：當(dāng)外部輸入進(jìn)入到模塊內(nèi)部時(shí)，通過過程運(yùn)行，運(yùn)行的結(jié)果輸出到外部，同時(shí)反饋給知識庫。過程的運(yùn)行受控于知識庫的作用，接收來自于知識庫的參數(shù)及方法。知識庫收到過程的反饋后，分析判斷過程運(yùn)行的好與壞，并通過意識將判斷結(jié)果輸出。在這一過程中，知識庫作用于過程的參數(shù)或方法是固定的，顯示其靜態(tài)開放特性。運(yùn)行完成后，知識庫借助于學(xué)習(xí)和反饋結(jié)果對參數(shù)和方法進(jìn)行修訂，提供給下一次過程運(yùn)行。這種修訂后的的參數(shù)和方法，能夠有效的提高模塊的適應(yīng)性，顯示其動態(tài)開放特性。系統(tǒng)不斷的運(yùn)行重復(fù)這一系列

50、過程，知識庫也不斷的得到更新，模塊的性能不斷得到改善，整個(gè)系統(tǒng)的智能性也就有了很大的提高。 圖4.1 模塊結(jié)構(gòu)在系統(tǒng)的內(nèi)部，知識庫會通過分析輸出量的評測結(jié)果及反饋值信息，對其內(nèi)容進(jìn)行更新，設(shè)計(jì)中，也可以通過鍵盤對各個(gè)參數(shù)進(jìn)行重新配置。4.2無刷直流電機(jī)控制器的整體軟件結(jié)構(gòu)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)是基于atmega128開發(fā)，其開發(fā)環(huán)境支持c/c+，將軟件系統(tǒng)看成三大程序構(gòu)成，初始化程序、管理程序、維護(hù)更新程序。初始化主模塊中含有微控制器芯片的內(nèi)部硬件初始化、過程關(guān)系和知識庫的初始化。管理程序各個(gè)功能子程序輸入和輸出有機(jī)結(jié)合起來，某個(gè)子程序輸出是另一個(gè)子程序輸入部分。管理程序是各個(gè)子程序協(xié)調(diào)運(yùn)行核心管理，在整

51、個(gè)調(diào)度的過程中均有消息觸發(fā)。維護(hù)更新程序就是負(fù)責(zé)過程是直接的屬性輸入輸出關(guān)系。主要功能是提高系統(tǒng)的自適應(yīng)能力以及自學(xué)習(xí)能力。各個(gè)主層模塊的功能圖4.2所示：4.2 各主層模塊功能圖4.3無刷直流電機(jī)控制器主層模塊的軟件設(shè)計(jì)4.3.1初始化模塊初始化模塊完成主控芯片即atmega128維持正常工作的基本配置以及初始化外圍硬件在上電以后應(yīng)該保持的狀態(tài)。同時(shí)完成各個(gè)模塊知識庫參數(shù)的初始化以及系統(tǒng)各個(gè)模塊完成功能的初始化。a.cpu的初始化(1)時(shí)鐘的初始化維持cpu正常工作最重要的便是工作頻率，過高的工作頻率不利于cpu的穩(wěn)定工作，過低的頻率則不能順利完成樁機(jī)自動控制系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)。通過實(shí)驗(yàn)調(diào)試，a

52、tmega128芯片系統(tǒng)時(shí)鐘在8mhz時(shí)運(yùn)行效率高且穩(wěn)定性好。通過配置單片機(jī)內(nèi)部倍頻機(jī)構(gòu)將單片機(jī)的工作頻率設(shè)置為8mhz。(2)i/o的初始化i/o初始化中，對atmega128的各i/o端口進(jìn)行初始化，統(tǒng)一將i/o端口設(shè)置缺省狀態(tài)。如果在各個(gè)功能程序中需要用到cpu的i/o端口資源的話，由各個(gè)單元模塊自行配置開啟使用，這種對i/o資源的初始化設(shè)計(jì)，主要是為了保證軟件系統(tǒng)的安全，避免相關(guān)i/o端口未初始化而對程序產(chǎn)生影響。void port_init ()porta=0x00;ddra=0x00;portb=0x00;ddrb=0x00;portc=0x00;ddrc=0x00;portd=0

53、x00;ddrd=0x00;porte=0x00;ddre=0x00;portf=0x00;ddrf=0x00;portg=0x00;ddrg=0x00;(3)初始化定時(shí)中斷地市中斷可以為控制系統(tǒng)提供精確的時(shí)間參數(shù)，本設(shè)計(jì)中正是利用了其這一特點(diǎn)。系統(tǒng)中延時(shí)函數(shù)的延時(shí)時(shí)間都是由定時(shí)器提供的。若定時(shí)器中斷過于頻繁，那么，在同樣的時(shí)間里，微控制器要比正常情況下多處理很多的信息，會影響微控制器的利用效率。定時(shí)器中斷間隔過大則會使得微控制器遺漏一些重要的信息，從而錯(cuò)過最好的控制時(shí)機(jī)。結(jié)合本系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況，將定時(shí)器中斷設(shè)置為每2ms一次。b.其它模塊的初始化無刷直流電機(jī)控制器有多個(gè)功能子模塊，由于實(shí)現(xiàn)功能的不同，各個(gè)功能子模塊所利用的cpu的資源是不一樣的，因此對于這些功能子模塊的初始化，各自的初始化配置根據(jù)設(shè)計(jì)需要在各自程序中實(shí)現(xiàn)。4.3.2管理模塊圖4.3 無刷直流電機(jī)控制器工作流程圖管理模塊是實(shí)現(xiàn)軟件系統(tǒng)功能的中軸，分為主程序和中斷服務(wù)程序，它們之間沒有運(yùn)行的先后順序，并沒有強(qiáng)調(diào)同步與異步，管理模塊通過一系列的標(biāo)志位將系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊聯(lián)系起來，通過對各個(gè)標(biāo)志位的置位與清零實(shí)現(xiàn)對各個(gè)模塊的有效調(diào)度，以使各個(gè)功能模塊配合實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的控制功能。自動控制系統(tǒng)來說，下面從各個(gè)功能子模塊介紹本系統(tǒng)的