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由于功率管MOSFET用作高壓側(cè)開關(guān)時，柵極電壓要比源極電壓高10~15V，才能保證功率管完全導(dǎo)通。這樣在上橋功率管MOSFET導(dǎo)通時，源極電壓為電源電壓VB+，柵極電壓就必須要大于電源電壓VB+10~15V。為了獲得比電源電壓還高的柵極電壓，采用一種被稱為“高壓浮柵型驅(qū)動電路”來驅(qū)動上橋。電容C1A在功率管導(dǎo)通之前已充電至+12V(相對于源極)，導(dǎo)通時，便能保證功率管MOSFET的柵極電壓比源極電壓(電源電壓VB+)高出12V。At為高電平時，Q1A導(dǎo)通，Q0A導(dǎo)通，Q2A截止，功率管MOSFET由截止變?yōu)閷?dǎo)通；At為低電平時，Q1A截止，Q0A截止，Q2A導(dǎo)通，功率管MOSFET由導(dǎo)通變?yōu)榻刂埂?/div>

下橋功率管的MOSFET的源極通過康銅絲R0(5毫歐)連接到地，無論MOSFET是否導(dǎo)通，源極電壓基本接近為零，所以柵極電壓維持在12V左右就可以保證MOSFET完全導(dǎo)通了。!Ab為高電平時，Q4A截止，Q3A截止，Q5A導(dǎo)通，功率管MOSFET由導(dǎo)通變?yōu)榻刂梗?Ab為低電平時，Q4A導(dǎo)通，Q4A導(dǎo)通，Q5A截止，功率管MOSFET由截止變?yōu)閷?dǎo)通。

轉(zhuǎn)把電壓輸入電路

手把電壓輸入電路是將手把輸出的模擬信號送到單片機的AD轉(zhuǎn)換口轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號的電路，控制程序根據(jù)此數(shù)字信號從而來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速。其原理圖如圖4.10所示。

圖4.10 轉(zhuǎn)把電壓輸入電路原理圖

如上圖所示，3為轉(zhuǎn)把電源線，與+5V相連，2與轉(zhuǎn)把信號輸入線相連，其輸入的是0~5V的模擬電壓，1為轉(zhuǎn)把接地線，當(dāng)轉(zhuǎn)把松開或者卸掉時，保證輸入AD口的電壓為0V。C8為濾波電容，濾除轉(zhuǎn)把信號中的高頻雜波。

硬件的可靠性設(shè)計

控制系統(tǒng)中，各種干擾是客觀存在的主要有來自系統(tǒng)內(nèi)部和外部的各種電氣干擾。如果缺乏對這些干擾的認(rèn)識和重視，就會導(dǎo)致控制系統(tǒng)誤差加大嚴(yán)重時會使系統(tǒng)失靈，甚至造成巨大的損失。電機調(diào)速系統(tǒng)存在比較大的干擾：一方面，電動機本身會產(chǎn)生電磁千擾；另一方面，逆變器中的電力電子器件是以開關(guān)方式工作的，工作中會產(chǎn)生大量高頻諧波。這些干擾信號通過“場”或“路”的方式傳遞到控制電路中，如果不采取有效措施加以避免，就可能使電路或程序工作紊亂。

在本系統(tǒng)的硬件設(shè)計過程中，主要考慮采用以下方法來防止干擾：

1）電源噪聲干擾的抑制。一般來說，這種干擾是無法完全克服的，只能盡量降低進(jìn)入干擾脈沖的幅度。一般做法在VCC與GND之間跨接10~100uf的電解電容，同時并一個濾去高頻的小電容；在低頻信號的傳輸通路中加入RC低通濾波器，可以大大減弱各類高頻干撫信號。

2）由于干擾抑制受到設(shè)備的體積、成本等多種因素的影響和限制，是不可能完全抑制的，只能盡量減小。因此，在控制系統(tǒng)電路的內(nèi)部設(shè)計上必須采取相應(yīng)的措施，保證系統(tǒng)運行的可靠性。通常的做法有：

a.盡可能使用單片機的內(nèi)部程序存儲器和內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器而不使用外部總線；由于STM8S903高性能單片機具有豐富的內(nèi)部資源,這一點可以輕易得到滿足；

b.在進(jìn)行系統(tǒng)擴展時，特別在一些模塊化設(shè)計多插板系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)總線、控制總線形成板與板的連接時，應(yīng)加總線驅(qū)動器。如果在總線上加有光電隔離電路時，必須選用高速光耦。

3）控制部分的PCB板整板敷銅，在電路各部分中配置去耦電容。PCB上的器件要合理布局，減輕各級之間的電磁輻合。將強、弱電嚴(yán)格分開，引線盡可能短；在有互感的線路中間置一根地線，起隔離作用，并要保證相互之間有一定的距離。電源線的走向盡量與數(shù)據(jù)傳輸方向一致，接地線盡量加粗。

4）對一些器件，如邏輯CPLD器件，未使用到的端口應(yīng)該設(shè)置成輸出狀態(tài)，以防止由于外界干擾而產(chǎn)生錯誤的邏輯輸出。

5）外部噪聲源干擾的抑制。傳感器及其信號連線應(yīng)盡量遠(yuǎn)離高電平大功率的導(dǎo)線和元器件，以減少噪聲和電磁場的干擾。為了實現(xiàn)物理隔離，即使在同一設(shè)備內(nèi)部，也應(yīng)該把這兩類信號導(dǎo)線分開走線。遠(yuǎn)距離走線時，更應(yīng)該注意把信號電纜和功率電纜分開，并保持一定的距離。

6）空間的場干擾的抑制。系統(tǒng)采取的措施主要有：

a.選擇較高等級的電子元器件，提高器件的抗干擾能力；

b.正確的接地方法，將數(shù)字地，模擬地及功率地分開，最后只在一點相連。

重慶科技學(xué)院本科生畢業(yè)設(shè)計

電動自行車控制器軟件設(shè)計

一個完備的控制系統(tǒng)，不僅需要有硬件電路作為支撐，還需要有軟件部分的配合與支持才能正常工作。軟件作為系統(tǒng)的“大腦中樞”，實時控制著微處理器執(zhí)行各項任務(wù)，對系統(tǒng)的功能和性能有至關(guān)重要的影響。相對于硬件設(shè)計來說，軟件設(shè)計具有更大的靈活性，這也給系統(tǒng)的設(shè)計帶來了很大的便利。

STM8集成開發(fā)環(huán)境簡介

本課題以C語言作為系統(tǒng)軟件設(shè)計語言，在STVD中外掛COSMIC C編譯器，進(jìn)行軟件開發(fā)。

ST TOOLSET

ST TOOLSET是ST提供的微控制器開發(fā)套件。ST TOOLSET包括兩部分軟件：ST Visual Develop (STVD)和ST Visual Programmer (STVP)。支持STM8全系列的開發(fā)。

ST Visual Develop (STVD)是ST微控制器的集成開發(fā)環(huán)境。主要是面向ST的8位微控制器產(chǎn)品。STVD可以創(chuàng)建，調(diào)試以及燒錄ST微控制器。STVD提供了一個免費的匯編編譯器。用戶可使用匯編語言直接在此環(huán)境中(STVD)編寫匯編程序。

ST Visual Programmer (STVP)是ST提供的用于生產(chǎn)或批量的專用燒錄軟件。

ST TOOLSET在下載后，運行其安裝程序，如圖5.1 a)所示；

在軟件安裝完成之后，可從開始菜單來啟動，“開始>ST Visual Develop”，如圖5.1 b)所示；

ST TOOLSET 啟動后，其界面如圖5.1 c)所示。

COSMIC介紹

Cosmic 公司(Cosmic Software Inc.)的Cosmic C編譯器(Cosmic C compiler)及全套嵌入開發(fā)工具支持STM8系列產(chǎn)品的開發(fā)。Cosmic產(chǎn)品包括C 交叉編譯器、匯編、連接器、ANSI庫、仿真器、硬件調(diào)試器和易于使用的集成開發(fā)環(huán)境（IDEA）。編譯界面如圖5.1 d)所示。

圖5.1 軟件安裝及調(diào)試界面

系統(tǒng)主程序設(shè)計

系統(tǒng)主程序主要完成STM8單片機各寄存器以及各變量的初始化和電機各狀態(tài)的轉(zhuǎn)換及其他信息處理等，流程圖如5.2所示。單片機寄存器初始化包括I/O口的輸入輸出初始化，定時器計數(shù)器的初始化，ADC寄存器的初始化等。電機具有工作和暫停兩種工作模式。

系統(tǒng)初始化完成后，主函數(shù)會不停的判斷下面應(yīng)該做的事，而這個判斷的依據(jù)來自于定時器以及其他程序模塊。當(dāng)判斷到應(yīng)該做的事情時，主函數(shù)馬上執(zhí)行該動作，執(zhí)行完畢后返回，繼續(xù)判斷，以此循環(huán)往復(fù)。當(dāng)系統(tǒng)判定系統(tǒng)出現(xiàn)故障（比如過壓、過流、欠壓）時，系統(tǒng)會馬上停車，當(dāng)故障排除后，系統(tǒng)檢測到電機起動信號，系統(tǒng)會重新起動電機。

圖5.2 系統(tǒng)主程序流程圖

系統(tǒng)主函數(shù)程序代碼如下所示：

void main(void)

{

PID_SP.p = 20;

PID_SP.i = 100;

PID_SP.d = 0;

CK_Init();

IO_Init();

Tim1_Init();

Tim5_Init();

Tim6_Init();

enableInterrupts();

LED_ON;

ADC_Init();

ADC1_StartConversion();

UART_Init();

while(1)

{

if(Mode_Changed)/******MODE_CHANGE*****/

Mode_Changed();

if(Trs_Flag)/****TRANSLATION*****/

{

Trs_Flag = 0;

UART1_ITConfig(UART1_IT_TXE,ENABLE);

}

if(Rec_Com)/***RECEIVE_complete******/

Receive_Com();

if(Contrl_Flag)/****SPEED_CONTROL***/

{

Contrl_Flag = 0;

Speed_Compute();

if(Mot_St)

PWM_Ctl();

}

ADC();/****AD轉(zhuǎn)換及數(shù)據(jù)處理*******/

Protect();/***系統(tǒng)保護(hù)***/

}

定時器程序設(shè)計

TIM6是一個8位的低級定時器，主要用于實現(xiàn)定時功能，給系統(tǒng)其它模塊提供執(zhí)行命令。每隔20ms，給速度控制函數(shù)提供一個啟動命令，并切換AD的采樣通道。每隔1s給通訊函數(shù)一個啟動命令。其流程如圖5.3所示。

圖5.3 定時器程序流程圖

定時器程序代碼如下：

void TIM6_UPD_OVF_TRG_IRQHandler(void) interrupt 23

{

static u8 i=0,com=0;

i++;

TIM6_ClearITPendingBit(TIM6_IT_UPDATE);

if(i==10) // 20ms

{

i = 0;

Contrl_Flag = 1;

com++;

if(com==50)

{

com = 0;

Trs_Flag = 1;

}

ADC_Switch = com % 3;

ADC_Init();

ADC1_StartConversion();

}

無傳感換相信號檢測程序設(shè)計

該函數(shù)其實質(zhì)為一個外部中斷函數(shù)，當(dāng)比較器輸出電平翻轉(zhuǎn)時，觸發(fā)該外部中斷，進(jìn)而進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置判斷，匹配換相邏輯，配置TIM5，延時30個電角度時間后由TIM5調(diào)用換相函數(shù)。其流程如圖5.4所示。

無傳感換相信號檢測程序代碼如下：

void EXTI_PORTB_IRQHandler(void) interrupt 4

{

u8 State,Trigger;

EXTI_SetExtIntSensitivity(EXTI_PORT_GPIOB, EXTI_SENSITIVITY_RISE_FALL);

State = GPIO_ReadInputData(GPIOB);

Trigger = (u8)(State & 0xE0);//PB7|8|9

if(Trigger != 0)

{

Counter = TIM5_GetCounter();

TIM5_SetCounter(0);

TIM5_OC1Init(TIM5_OCMODE_PWM1,

TIM5_OUTPUTSTATE_DISABLE,(u16)(Counter/2),TIM5_OCPOLARITY_HIGH);

switch(Trigger)

{

case 0xa0:Motor_Step = 1;break;//next->AC

case 0x80:Motor_Step = 2;break;//next->BC

case 0xc0:Motor_Step = 3;break;//next->BA

case 0x40:Motor_Step = 4;break;//next->CA

case 0x60:Motor_Step = 5;break;//next->CB

case 0x20:Motor_Step = 0;break;//next->AB

}

圖5.4 無傳感換相信號檢測程序流程圖

霍爾模式換相信號檢測程序設(shè)計

該函數(shù)和無傳感換相信號檢測子程序一樣，其實質(zhì)為一個外部中斷函數(shù)。但其端口輸入信號為霍爾信號，當(dāng)霍爾信號發(fā)生變化時，觸發(fā)該中斷，然后進(jìn)行轉(zhuǎn)子位置判斷，匹配換相邏輯，最后調(diào)用換相函數(shù)。其流程如圖5.5所示。

圖5.5 霍爾模式換相信號檢測程序流程圖

霍爾模式換相信號檢測程序代碼如下：

void EXTI_PORTD_IRQHandler(void) interrupt 6

{

u8 State,Trigger;

State = GPIO_ReadInputData(GPIOD);

Trigger = (u8)(State & 0x1c);//PD2|3|4

GPIO_Init(GPIOD,GPIO_PIN_2|GPIO_PIN_3|GPIO_PIN_4,GPIO_MODE_IN_FL_IT);

EXTI_SetExtIntSensitivity(EXTI_PORT_GPIOD,EXTI_SENSITIVITY_RISE_FALL);//hall_mode

if(Trigger != 0)

{

Counter = TIM5_GetCounter();

TIM5_SetCounter(0);

switch(Trigger)

{

case 0x04:Motor_Step = 1;break;//next->AC

case 0x0c:Motor_Step = 2;break;//next->BC

case 0x08:Motor_Step = 3;break;//next->BA

case 0x18:Motor_Step = 4;break;//next->CA

case 0x10:Motor_Step = 5;break;//next->CB

case 0x14:Motor_Step = 0;break;//next->AB

case 0x00:

case 0x1c:if(Auto_Flag)

{

Hall_Flag = 0;Sen_Flag = 1;Hall_Fault = 1;Mode_Changed = 1;

}break; }

if(Mot_St)

Commutation(Motor_Step,Duty_Cycle);

}

換相函數(shù)設(shè)計

該函數(shù)在轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)到固定位置（換相準(zhǔn)確位置）時被系統(tǒng)調(diào)用，其主要作用是配置TIM1的寄存器，讓TIM1產(chǎn)生預(yù)期的PWM波形輸出。其流程如圖5.6所示。

換相程序代碼如下：

void Commutation(u8 Step,u16 PWM_Commutation)

{

Step_Count++;

PWM_Commutation*=100;

TIM1_CtrlPWMOutputs(DISABLE);

OUT_Disable();

CD_OFF; //關(guān)閉ABC三相下橋臂

BD_OFF;

AD_OFF;

switch(Step)

{

//step 0: AB;

case 0:

TIM1_OC3Init(TIM1_OCMODE_PWM2, TIM1_OUTPUTSTATE_ENABLE, TIM1_OUTPUTNSTATE_DISABLE, PWM_Commutation, TIM1_OCPOLARITY_LOW, TIM1_OCNPOLARITY_HIGH, TIM1_OCIDLESTATE_RESET, TIM1_OCNIDLESTATE_SET);

BD_ON;//開啟B管下橋臂

break;//step 1:AC;

case 1: TIM1_OC3Init(TIM1_OCMODE_PWM2,TIM1_OUTPUTSTATE_ENABLE,TIM1_OUTPUTNSTATE_DISABLE,PWM_Commutation,TIM1_OCPOLARITY_LOW,TIM1_OCNPOLARITY_HIGH, TIM1_OCIDLESTATE_RESET, TIM1_OCNIDLESTATE_SET);

CD_ON;break;//step 2:BC;

case 2:

TIM1_OC2Init(TIM1_OCMODE_PWM2,TIM1_OUTPUTSTATE_ENABLE,TIM1_OUTPUTNSTATE_DISABLE,PWM_Commutation,TIM1_OCPOLARITY_LOW,TIM1_OCNPOLARITY_HIGH, TIM1_OCIDLESTATE_RESET, TIM1_OCNIDLESTATE_SET);

CD_ON;break;//step 3:BA;

case 3:

TIM1_OC2Init(TIM1_OCMODE_PWM2,TIM1_OUTPUTSTATE_ENABLE,TIM1_OUTPUTNSTATE_DISABLE,PWM_Commutation,TIM1_OCPOLARITY_LOW,TIM1_OCNPOLARITY_HIGH, TIM1_OCIDLESTATE_RESET, TIM1_OCNIDLESTATE_SET);

AD_ON;break;//step 4:CA;

case 4:

TIM1_OC1Init(TIM1_OCMODE_PWM2,TIM1_OUTPUTSTATE_ENABLE,TIM1_OUTPUTNSTATE_DISABLE,PWM_Commutation,TIM1_OCPOLARITY_LOW,TIM1_OCNPOLARITY_HIGH, TIM1_OCIDLESTATE_RESET, TIM1_OCNIDLESTATE_SET);

AD_ON;break;//step 5:CB;

case 5:

TIM1_OC1Init(TIM1_OCMODE_PWM2,TIM1_OUTPUTSTATE_ENABLE,TIM1_OUTPUTNSTATE_DISABLE,PWM_Commutation,TIM1_OCPOLARITY_LOW,TIM1_OCNPOLARITY_HIGH, TIM1_OCIDLESTATE_RESET, TIM1_OCNIDLESTATE_SET);

BD_ON;break;

}

TIM1_CtrlPWMOutputs(ENABLE);

}

圖5.6 換相程序流程圖

工作模式切換程序設(shè)計

當(dāng)系統(tǒng)判定工作模式發(fā)生改變時，該函數(shù)被調(diào)用。該函數(shù)主要負(fù)責(zé)模式切換的具體工作，比如寄存器配置，改寫標(biāo)志等。其流程如圖5.7所示。

工作模式切換程序代碼如下：

void Mode_Changed(void)

{

Mode_Changed = 0;

if(Sen_Flag) //sensorless_mode

{

GPIO_Init(GPIOD,GPIO_PIN_2|GPIO_PIN_3|GPIO_PIN_4,GPIO_MODE_IN_FL_NO_IT);

圖5.7 工作模式切換程序流程圖

//close hall_chanel

//defineEXTI PORTB_PIN5,6,7.PIN_5->PHASE_C;PIN_6->PHASE_B;PIN_7->PHASE_A

GPIO_Init(GPIOB,GPIO_PIN_5|GPIO_PIN_6|GPIO_PIN_7,GPIO_MODE_IN_FL_IT);

EXTI_SetExtIntSensitivity(EXTI_PORT_GPIOB,EXTI_SENSITIVITY_RISE_FALL);

TIM5_ITConfig(TIM5_IT_CC1, ENABLE);

Trs_Data[10] = 0;

Hall_Flag = 0;

}

if(Hall_Flag) //hall_mode

{

GPIO_Init(GPIOB, GPIO_PIN_5|GPIO_PIN_6|GPIO_PIN_7,GPIO_MODE_IN_FL_NO_IT);

GPIO_Init(GPIOD, GPIO_PIN_2|GPIO_PIN_3|GPIO_PIN_4, GPIO_MODE_IN_FL_IT);//PD2->HA,PD3->HB,PD4->HC

EXTI_SetExtIntSensitivity(EXTI_PORT_GPIOD, EXTI_SENSITIVITY_RISE_FALL);//hall_mode

TIM5_ITConfig(TIM5_IT_CC1, DISABLE);

Trs_Data[10] = 1;

Hall_Fault = 0;

}

if(Hall_Fault)

{

Trs_Data[10] = 2;

}

速度控制程序設(shè)計

每隔20ms，該函數(shù)被主函數(shù)調(diào)用，用于根據(jù)電機當(dāng)前轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速之差，改變PWM輸出，來達(dá)到電機速度基本保持恒定的目的。其流程圖如圖5.8所示。

圖5.8 速度控制程序流程圖

速度控制程序代碼如下：

if(Contrl_Flag)/****SPEED_CONTROL***/

{

Contrl_Flag = 0;

Speed_Compute();

if(Mot_St)

PWM_Ctl();

}

AD采樣程序設(shè)計

AD采樣程序主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)的母線電流、母線電壓以及轉(zhuǎn)把電壓的采集與初步處理。系統(tǒng)每次進(jìn)行一路AD轉(zhuǎn)換，每隔20ms切換一個通道，開始一次AD轉(zhuǎn)換。其流程如圖5.9所示。

圖5.9 AD采樣程序流程圖

AD采樣程序代碼如下：

void ADC(void)

{

EOC_Flag = ADC1_GetFlagStatus(ADC1_FLAG_EOC);

if(EOC_Flag)

{

ADC1_ClearFlag(ADC1_FLAG_EOC);

EOC_Flag = 0;

switch(ADC_Switch)

{

case 0: Conversion_Val = ADC1_GetConversionValue();

bus_cur=((float)Temp-195.05)*(5000/2048);//(Temp-5*1/21*4*1024/5)*5/1024/0.5/4*1000//放大1000倍

Bus_Cur = (u16)bus_cur;

break;

case 1: Conversion_Val = ADC1_GetConversionValue();

bus_vol = (float)Conversion_Val*5/1024*32.2/2.2*1000;

Bus_Vol = (u16)bus_vol;

break;

case 2: Conversion_Val = ADC1_GetConversionValue();

Speed_Set = (u16)(Conversion_Val*3+1000);

if(Speed_Set<1000)Speed_Set = 1000;if(Speed_Set>3800)Speed_Set = 3800;break;

default: break;

}

ADC1_DeInit();

Trs_Data[2] = (u8)(Bus_Vol/256);

Trs_Data[3] = (u8)(Bus_Vol%256);

Trs_Data[4] = (u8)(Bus_Cur/256);

Trs_Data[5] = (u8)(Bus_Cur%256);

Trs_Data[6] = (u8)(Speed_Set/256);

Trs_Data[7] = (u8)(Speed_Set%256);

}

系統(tǒng)保護(hù)程序設(shè)計

系統(tǒng)保護(hù)程序?qū)崿F(xiàn)了電機的過壓、欠壓、過流保護(hù)，保護(hù)了電機和電源。當(dāng)系統(tǒng)檢測到過壓、欠壓、過流信號后，馬上停車，并做一些后續(xù)工作后返回。其流程如圖5.10所示。

系統(tǒng)保護(hù)程序代碼如下：

圖5.10 系統(tǒng)保護(hù)程序流程圖

void Protect(void)

{

if((Mot_St==1)&&Speed_Measure>=1000)

{

if(Bus_Cur >= CUR_MAX)

{

TIM1_Cmd(DISABLE);

CD_OFF;

BD_OFF;

AD_OFF;

Mot_St = 0;

OUT_Disable();

}

if(Bus_Vol >= VOL_MAX)

{

TIM1_Cmd(DISABLE);

CD_OFF;

BD_OFF;

AD_OFF;

Mot_St = 0;

OUT_Disable();

}

if(Speed_Measure >= 1000)

if(Bus_Vol <= VOL_MIN)

{

TIM1_Cmd(DISABLE);

CD_OFF;

BD_OFF;

AD_OFF;

Mot_St = 0;

OUT_Disable();

}

西京學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計）

測試程序設(shè)計

電動自行車控制器設(shè)計完成后，由于該控制器為一個針對電動自行車具體應(yīng)用的系控制系統(tǒng)，所以相對于其他控制器來說，人機界面相對較差。為彌補這個不足，給后面的系統(tǒng)調(diào)試及最終成果演示提供一個良好的信息交互平臺，在本系統(tǒng)設(shè)計中加入了下位機與上位機通訊的功能。

測試系統(tǒng)功能設(shè)計

為形成一個良好的人機交互平臺，本系統(tǒng)的上位機使用borland公司的C++ Builder軟件進(jìn)行開發(fā)，Borland C++ Builder 具有強大的界面功能。最終要求上位機能和下位機保持實時通訊，實時更新下位機的母線電流、母線電壓、設(shè)定轉(zhuǎn)速及測得轉(zhuǎn)速等信息，并有電流及速度趨勢曲線。上位機還應(yīng)具有PID參數(shù)整定模塊，用于電機速度閉環(huán)調(diào)試時候的參數(shù)整定；電機起�？刂颇K，用于控制電機的起動、停止；電機工作模式選擇模塊，可以控制電機的工作模式選擇；串口選擇、控制模塊，選擇和下位機通訊的串口號及控制串口的工作狀態(tài)；電機運行狀況顯示模塊，用于顯示電機當(dāng)前的工作狀況。

通訊協(xié)議

系統(tǒng)中，上位機和下位機的通訊功能使用實現(xiàn)。使用MSComm控件可以輕松地實現(xiàn)上位機與下位機的數(shù)據(jù)交換。但是，本系統(tǒng)中上位機與下位機交換的數(shù)據(jù)較多，而且還涉及許多電機控制命令。所以為了讓上位機和下位機準(zhǔn)確地執(zhí)行數(shù)據(jù)操作，在系統(tǒng)設(shè)計中加入了眾多通訊協(xié)議。上位機接收到用戶的請求時，便向下位機傳送數(shù)據(jù)。當(dāng)用戶的請求為改變PID參數(shù)時，上位機便向下位機傳送4個字節(jié)的數(shù)據(jù)；當(dāng)用戶的請求為改變電機運行狀態(tài)的命令請求時，上位機向下位機傳送3個字節(jié)的數(shù)據(jù)。具體協(xié)議信息，請參考表6.1、表6.2。

1）當(dāng)用戶改變PID參數(shù)時，上位機將向下位機連續(xù)傳送寬度為4個字節(jié)的數(shù)據(jù)串：數(shù)據(jù)串的第一個字節(jié)標(biāo)志著PID三個Edit控件中哪個控件的值發(fā)生了改變，即用戶修改了PID參數(shù)中的哪一個。數(shù)據(jù)起值為0xe1，表面用戶改變的是P參數(shù)；0xe2，表面用戶改變的是I參數(shù)；0xe3表面用戶改變的是D參數(shù)。數(shù)據(jù)串的第二個字節(jié)為本次傳送數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)寬度，方便下位機的數(shù)據(jù)接收判斷。當(dāng)然，在用戶改變PID參數(shù)時，該字節(jié)內(nèi)裝入的是4。數(shù)據(jù)串的第三第四個字節(jié)裝的是當(dāng)前的參數(shù)（P、I或D），第三個字節(jié)為數(shù)據(jù)的高位，第四個字節(jié)為數(shù)據(jù)的低位。

2）當(dāng)用戶需要改變電機的運行狀態(tài)時，上位機將向下位機連續(xù)傳送寬度為3個字節(jié)的數(shù)據(jù)串：數(shù)據(jù)串的第一個字節(jié)用于存儲當(dāng)前的數(shù)據(jù)串為命令信號。數(shù)據(jù)串的第二個字節(jié)用于存儲數(shù)據(jù)串的數(shù)據(jù)寬度，同樣也是用于下位機判斷數(shù)據(jù)接收完成與否。數(shù)據(jù)串的第三個字節(jié)存儲信息為當(dāng)前的用戶命令，下位機需要通過判斷此字節(jié)的數(shù)據(jù)，來完成相應(yīng)的動作。數(shù)值0代表用戶設(shè)定電機工作在霍爾模式；數(shù)值1表示用戶設(shè)定電機工作在無傳感模式；數(shù)值2表示用戶設(shè)定電機工作在自動切換模式；數(shù)值3表示用戶需要起動電機；數(shù)值4表示用戶需要讓電機停止工作。

3）當(dāng)然，下位機向上位機傳送的數(shù)據(jù)也需要加入通訊協(xié)議。下位機每隔1s向上位機發(fā)送一次數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)串寬度為11個字節(jié)。上位機通過一定的協(xié)議去讀取接收到的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)串的第一個字節(jié)為數(shù)據(jù)起始代碼，其數(shù)值為0xbb，第二個字節(jié)為數(shù)據(jù)串寬度代碼，其數(shù)值為0x0b。數(shù)據(jù)串的第三、第四個字節(jié)分別存放的是母線電壓的高八位和低八位，第五、第六個字節(jié)分別存放母線電流的高八位和低八位，第七、第八個字節(jié)分別存放設(shè)定轉(zhuǎn)速的高八位和低八位，第九、第十個字節(jié)分別存放的是測得轉(zhuǎn)速的高八位和低八位，第十一字節(jié)存放的是當(dāng)前工作模式的信息，數(shù)值0表示電機當(dāng)前工作在無傳感模式下，數(shù)值1表示電機當(dāng)前工作在霍爾模式下，數(shù)值2表示電機霍爾傳感器出現(xiàn)故障，系統(tǒng)需要切換到自動切換模式下工作。

表6.1 上位機向下位機發(fā)送數(shù)據(jù)

	1	2	3	4	含義
1	0xe1	4	數(shù)據(jù)高位	數(shù)據(jù)低位	用戶需要修改P參數(shù)
2	0xe2	4	數(shù)據(jù)高位	數(shù)據(jù)低位	用戶需要修改I參數(shù)
3	0xe3	4	數(shù)據(jù)高位	數(shù)據(jù)低位	用戶需要修改D參數(shù)
4	0xbc	3	0x00	--	電機工作模式為霍爾模式
5	0xbc	3	0x01	--	電機工作模式為無感模式
6	0xbc	3	0x02	--	電機工作模式為自動切換模式
7	0xbc	3	0x03	--	電機起動
8	0xbc	3	0x04	--	電機停車

表6.2 下位機向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)

字節(jié)號	1	2	3	4	5		6
數(shù)據(jù)	0xbb	0x0b	數(shù)據(jù)高位	數(shù)據(jù)低位	數(shù)據(jù)高位		數(shù)據(jù)低位
含義	數(shù)據(jù)開始	數(shù)據(jù)個數(shù)	母線電壓		母線電流
字節(jié)號	7	8	9	10	11
數(shù)據(jù)	數(shù)據(jù)高位	數(shù)據(jù)低位	數(shù)據(jù)高位	數(shù)據(jù)低位	0	1		2
含義	設(shè)定轉(zhuǎn)速		實時轉(zhuǎn)速		霍爾模式	無感模式		霍爾故障

下位機程序設(shè)計

下位機程序設(shè)計包含了單字節(jié)數(shù)據(jù)傳送、接收程序設(shè)計和數(shù)據(jù)接收完成后的數(shù)據(jù)處理部分的程序設(shè)計。單字節(jié)數(shù)據(jù)的傳送、接收程序其實質(zhì)為一個數(shù)據(jù)傳送、接收中斷函數(shù)，無太多的邏輯在里面。

數(shù)據(jù)傳送中斷程序設(shè)計

下位機每隔1s向上位機發(fā)送實時數(shù)據(jù)，包括母線電壓、母線電流、設(shè)定轉(zhuǎn)速、測得轉(zhuǎn)速、霍爾傳感器狀態(tài)、當(dāng)前工作模式。通訊數(shù)據(jù)傳送中斷程序主要負(fù)責(zé)下位機向上位機發(fā)送固定格式的數(shù)據(jù)，每當(dāng)發(fā)送完成一個字節(jié)，系統(tǒng)產(chǎn)生該中斷，繼續(xù)發(fā)送需傳送數(shù)據(jù)的下一字節(jié)。其流程如圖6.1所示。

圖6.1 數(shù)據(jù)傳送中斷程序流程圖

數(shù)據(jù)傳送中斷程序代碼如下：

void UART1_TX_IRQHandler(void) interrupt 17

{

static u8 i=0;

UART1_SendData8(Trs_Data);

UART1_ClearITPendingBit(UART1_IT_TXE);

i++;

if(i==11)

{

i=0;

UART1_ITConfig(UART1_IT_TXE,DISABLE);

}

數(shù)據(jù)接收中斷程序設(shè)計

數(shù)據(jù)接收中斷程序主要負(fù)責(zé)下位機接收上位機發(fā)送下來的固定格式的數(shù)據(jù)，每當(dāng)接收完成一個字節(jié)，系統(tǒng)產(chǎn)生該中斷，繼續(xù)等待上位機傳送數(shù)據(jù)的下一字節(jié)。其流程如圖6.2所示。

圖6.2 數(shù)據(jù)接收中斷程序流程圖

數(shù)據(jù)接收中斷程序代碼如下：

void UART1_RX_IRQHandler(void) interrupt 18

{

static u8 number=0;

number++;

Rec_Data[number-1] = UART1_ReceiveData8();

if(number > 2)

if(number == Rec_Data[1])

{

number = 0;

Rec_Com = 1;

}

數(shù)據(jù)接收完成程序設(shè)計

數(shù)據(jù)接收完成程序在主函數(shù)中被調(diào)用，當(dāng)主函數(shù)判定數(shù)據(jù)接收完成后，調(diào)用該子程序。該子程序主要對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并進(jìn)行命令響應(yīng)。主要響應(yīng)的命令有電機起動、電機停車、工作模式選擇等。其流程如圖6.3所示。

圖6.3 數(shù)據(jù)接收完成程序流程圖

數(shù)據(jù)接收完成程序代碼如下：

void Receive_Com(void)

{

u16 receive_val;

Rec_Com = 0;

if(((Rec_Data[0]&0xf0)==0xb0)||((Rec_Data[0]&0xf0)==0xe0))

if((Rec_Data[1]==3)||(Rec_Data[1]==4))

{

switch(Rec_Data[1])

{

case 3: receive_val = Rec_Data[2];break;

case 4: receive_val = Rec_Data[2]<<8;receive_val += Rec_Data[3];break;

}

switch(Rec_Data[2])

{

case 2: Auto_Flag = 1;Hall_Flag = 1;Sen_Flag = 0;Mode_Changed = 1;break;

case 0: Auto_Flag = 0;Hall_Flag = 1;Sen_Flag = 0;Mode_Changed = 1;break;

case 1: Auto_Flag = 0;Hall_Flag = 0;Sen_Flag = 1;Mode_Changed = 1;break;

case 3: TIM1_Cmd(ENABLE);Commutation(Motor_Step,15);Mot_St = 1;break;

case 4: TIM1_Cmd(DISABLE);CD_OFF;BD_OFF;AD_OFF;Mot_St = 0;OUT_Disable();break;

}

switch(Rec_Data[0])

{

case 0xe1: PID_SP.p = receive_val; break;

case 0xe2: PID_SP.i = receive_val; break;

case 0xe3: PID_SP.d = receive_val; break;

}

上位機程序設(shè)計

上位機主要實現(xiàn)了用戶對電機的啟�？刂啤⑺俣乳]環(huán)PID參數(shù)整定及電機運行狀態(tài)的實時監(jiān)控。上位機是用戶與單片機交流的窗口，當(dāng)用戶有請求時，可通過上位機將請求傳送至單片機，單片機會通過上位機，將系統(tǒng)的運行狀況反饋給用戶。上位機接收到下位機傳送的數(shù)據(jù)后會更新畫面顯示，好讓用戶知道當(dāng)前電機的工作狀況；上位機在接收到用戶的請求時也會向下位機傳送控制命令及數(shù)據(jù)更新值，讓下位機按用戶的意圖動作。其流程如圖6.4所示，其詳細(xì)代碼見附錄4.4。

圖6.4 上位機程序流程圖

測試結(jié)果

本研究課題經(jīng)過理論分析，硬件電路設(shè)計、軟件的編寫和調(diào)試，最終完成了電動自行車控制器的樣品設(shè)計。該控制器以ST系列單片機中性價比較高的STM8S903K3為控制核心，充分利用片內(nèi)多種資源，設(shè)計出的控制器具有體積小的特點和較低的成本優(yōu)勢，具有一定的市場競爭力。

控制器樣品設(shè)計完成后，我們對控制器進(jìn)行了一系列關(guān)鍵點的波形測試，測試結(jié)果分別如下圖所示。

圖6.5 A相的端電壓與霍爾信號波形

圖6.6 B相反電動勢過零信號與C相霍爾信號波形

霍爾模式

無傳感模式

自動切換模式（霍爾出現(xiàn)故障）

從故障中恢復(fù)

圖6.7 上位機監(jiān)控畫面

如圖6.5所示，相電壓為一個梯形波。在MOSFET導(dǎo)通時，繞組端電壓在24V左右；而在MOSFET關(guān)斷后一段時間內(nèi)，繞組端電壓迅速降到-1V左右，那是因為續(xù)流二極管的鉗位作用，降繞組的感應(yīng)電壓釋放掉。

如圖6.6所示，霍爾信號的跳變與反電動勢的跳變有一定的延遲，這個延遲大約為30個電角度。因為在硬件電路中加入了低通濾波器，引入了一定的相位延遲，所以B相的過零信號并不是超前B相霍爾信號30個電角度，在換相邏輯匹配之前一定要慎重判斷轉(zhuǎn)子位置，防止發(fā)生換相錯誤。

如圖6.7 a)所示，系統(tǒng)在霍爾模式下啟動，工作，運行狀況良好；圖6.7 b)所示，系統(tǒng)在無傳感模式下啟動，工作，運行狀況良好；圖6.7 c)所示，系統(tǒng)在自動切換模式下出現(xiàn)霍爾故障，系統(tǒng)自動切換到無傳感模式下；圖6.7 d)所示，當(dāng)霍爾修復(fù)后，系統(tǒng)又可切換回霍爾模式下工作。

系統(tǒng)調(diào)試

1）在霍爾模式下，轉(zhuǎn)速計算不準(zhǔn)確。用示波器觀察霍爾信號輸入引腳，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在某3個位置可能不停地在進(jìn)外部中斷，在不停地?fù)Q相。因為本系統(tǒng)中轉(zhuǎn)速的計算是通過計數(shù)換相步數(shù)來實現(xiàn)的，所以轉(zhuǎn)速會出現(xiàn)很大的偏差。后來發(fā)現(xiàn)是ADC采樣的影響，將ADC采樣頻率降低，并且在霍爾模式下?lián)Q相前加入邏輯判斷后，問題解決。

2）在定時器的調(diào)試環(huán)節(jié)，配置好定時器后，發(fā)現(xiàn)怎么都進(jìn)不了中斷，檢查程序，一切配置合理，后來在老師的指導(dǎo)下，發(fā)現(xiàn)是中斷向量表的問題。重新配置中斷向量表，問題解決。

3）在調(diào)試霍爾換相的時候，發(fā)現(xiàn)很多子程序跳不進(jìn)去，貌似程序一直在外邊中斷中循環(huán)執(zhí)行。在老師的指導(dǎo)下，進(jìn)了外邊中斷后重新配置一遍外部中斷，問題解決。原來SMT8S903K3沒有清除外部中斷標(biāo)志位的函數(shù)，重新配置外部中斷，可以清除中斷標(biāo)志位。

4）ADC不能正常工作，每次都只能轉(zhuǎn)換一次，轉(zhuǎn)換完成后進(jìn)入中斷處理數(shù)據(jù)，然后再啟動，但后面ADC根本就啟動不了。后來把數(shù)據(jù)處理放在主函數(shù)中，通過在主函數(shù)中判斷轉(zhuǎn)換完成標(biāo)志位的方式來控制ADC的啟停，問題解決。

5）在ADC能夠準(zhǔn)確地工作后，寫了一串讓ADC以單次掃描模式工作的代碼，讓其依次采集母線電壓、母線電流以及轉(zhuǎn)把電壓，發(fā)現(xiàn)ADC并不能很好地工作，使能了緩沖區(qū)后，讀出來的值始終只有一個，按理說應(yīng)該是三個，因為我配置了三個模擬量輸入通道，而且ADC的工作模式已配置為單次掃描模式。讀出的緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)始終是在配置通道時的最后一個通道。修改配置方法，改為只配一個通道（三個通道中，通道號最大那個通道），轉(zhuǎn)換出來的值依然不對。無奈，只好修改代碼，讓ADC工作在單次轉(zhuǎn)換的模式下，分時段去采樣母線電壓、母線電流及轉(zhuǎn)把輸入電壓。

6）在無傳感模式的起動代碼的調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)電機在加入起動代碼后，在最初的延時換相階段能夠正常轉(zhuǎn)動，但在從異步模式切換到同步模式后，電機停止轉(zhuǎn)動。在老師的提示下發(fā)現(xiàn)可能是異步起動時轉(zhuǎn)速不夠，縮短異步起動延時時間，問題解決。但在引入負(fù)載后，延時換相起動再次失效。后來索性去掉延時換相起動部分，在無傳感的工作模式下，直接定位轉(zhuǎn)子位置（和霍爾模式的電機起動差不多），發(fā)現(xiàn)電機也能正常起動，但起動成功的概率降低。最終，代碼中雖然做了起動策略，但考慮到其通用性不強，沒有調(diào)用延時換相起動函數(shù)，而直接采取了霍爾式的“單步起動法”。

7）在無傳感模式下，換相不正確，電流偏大，而且總莫名其妙地大幅度抖動。用示波器觀察反電動勢過零信號和霍爾信號，發(fā)現(xiàn)反電動勢信號和霍爾信號與理論上的30個電角度的延遲有較大偏差，在外部中斷觸發(fā)后，判斷轉(zhuǎn)子位置的邏輯和理論上不匹配，使用示波器，逐步定位，判斷轉(zhuǎn)子位置，重新建立換相邏輯后，問題解決。

8）在與上位機的單字節(jié)通訊程序調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)下位機可以接收上位機傳下來的數(shù)據(jù)，但是上位機不能接收下位機傳出的數(shù)據(jù)。用示波器觀察通訊脈沖，發(fā)現(xiàn)可能是硬件故障，排除硬件故障后，問題解決。

9）在單字節(jié)通訊調(diào)通后，按著單字節(jié)傳送的原理，寫多字節(jié)的通訊。發(fā)現(xiàn)在一定的通訊次數(shù)后，下位機傳送到上位機的數(shù)據(jù)和上位機傳下去的數(shù)據(jù)一樣，但程序里面并不是實現(xiàn)的這個功能。后來在下位機的通訊代碼中加入判斷條件，當(dāng)系統(tǒng)判定數(shù)據(jù)傳送完成是時屏蔽數(shù)據(jù)傳送中斷，問題解決。

10）編程過程中，出現(xiàn)代碼過長，超出存儲區(qū)域的問題。在網(wǎng)上找了很多解決辦法，試過自己配置連接文件，試過修改存儲區(qū)域地址，試過使用保留存儲區(qū)，試過編譯方式等，都無效。后來刪除了一部分編譯了但沒用到的庫文件，問題解決。

11）在系統(tǒng)保護(hù)部分的調(diào)試過程中，發(fā)現(xiàn)加入保護(hù)代碼后電機很難起動成功，即便是在霍爾工作模式下也是如此。后來才發(fā)現(xiàn)可能是起動的時候電流過大或者電壓過低，系統(tǒng)直接進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，停掉電機。在系統(tǒng)保護(hù)代碼之前加入電機起動判斷，讓電機起動再判斷是否需要采取保護(hù)措施，問題解決。

12）在寫完轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制代碼后調(diào)試，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)在啟動的時候會有很大一個超調(diào)，而且不管怎么調(diào)PID參數(shù)都解決不了。后來發(fā)現(xiàn)是PID控制函數(shù)的調(diào)用問題，原來在上位機向下位機發(fā)送起動信號之前，下位機以及就現(xiàn)有的速度（0 RPM），和設(shè)定轉(zhuǎn)速做了多次PID運算，當(dāng)下位機接收到上位機的起動命令，此時輸出PWM以及被速度控制算法改為了最大值（默認(rèn)最大值為80%）。在調(diào)用速度閉環(huán)控制函數(shù)之前，加入了電機起動判斷后，電機起動時超調(diào)量大大減小。

總之，在整個畢業(yè)設(shè)計期間，由于對軟件使用的不熟悉所引起的錯誤操作導(dǎo)致的問題不占少數(shù)，在此就不一一列舉。還有其他許多小問題，在此也不詳述。

小結(jié)

本文對電動自行車控制系統(tǒng)在設(shè)計中遇到的關(guān)鍵問題進(jìn)行了較為全面的研究與分析，介紹了控制系統(tǒng)四大組成部分的工作原理，重點闡述了無刷直流電機的工作原理與控制策略，分析了選用STM8S903K3單片機作為控制核心的優(yōu)勢，分模塊詳述了系統(tǒng)軟硬件設(shè)計原理。

但是本系統(tǒng)的設(shè)計還有頗多不足，比如無傳感模式的起動問題，不能保證系統(tǒng)的通用性，而且起動有可能不成功。由于時間的問題，在系統(tǒng)的閉環(huán)控制方面，本應(yīng)該采用速度、電流串級控制，而最終舍棄了電流閉環(huán)，只做了一個速度閉環(huán)控制，而且速度控制的精度并不算高。在系統(tǒng)保護(hù)功能方面，欠壓保護(hù)的閥值設(shè)定的較低，在電機起動時還是會突然拉低母線電壓，而且會持續(xù)一段時間，至今沒找到問題所在。所以為了不影響電機的正常起動，將欠壓保護(hù)的閥值改小。在電機的起動中，按理說應(yīng)該由轉(zhuǎn)把發(fā)出起動命令，但在本系統(tǒng)中，卻采用了上位機發(fā)出起動命令的方式。在系統(tǒng)中，剎車功能、上電自檢功能沒有添加。

雖然，本系統(tǒng)存在諸多不足與缺陷，但系統(tǒng)的硬件設(shè)計是經(jīng)過了時間考驗的，是值得借鑒的。軟件方面缺陷雖多，但可由日后升級彌補，升級后將是相當(dāng)具競爭力的產(chǎn)品，可用于商業(yè)，批量生產(chǎn)。最終，本系統(tǒng)作為一個商業(yè)用途的電動自行車控制器，還需改進(jìn)；但作為一個無刷直流電機初學(xué)者的入門教程和電動自行車的工作原理教程還是不錯的。