用用 PSOCPSOC 芯片控制电动自行车芯片控制电动自行车添加时间: 2010-1-13 20:57:45 文章来源: 文章作者: 点击数:1278目录目录第一章 引言. 311 课题设计背景. 312 永磁无刷直流电机的发展. 513 关于 PSOC 的介绍. 6第二章 智能控制器的体系结构. 821 控制器功能介绍. 822 系统总体方案设计. 9第三章 智能控制器硬件方案设计. 1231 PSOC 的内部资源与结构. 123.1.1 PSOC 的内部资源. 123.1.2 PSOC 的内部结构. 1532 Cy8c24423 的内部资源. 183.2.1 ADC 模块工作原理. 203.2.2 动态配置能力及实现方法. 2133 智能控制器硬件方案设计. 223.3.1 驱动电路. 223.3.2 过流保护电路. 233.3.3 欠压保护电路. 243.3.4 调速刹车电路. 253.3.5 电源电路. 26第四章 系统软件设计. 2741 程序总体流程图. 2942 具体软件设计方案. 314.2.1 电机调速方案. 314.2.2 电机及控制器保护方案. 314.2.3 欠压保护方案. 324.2.4 刹车控制方案. 3343 PSOC 开发环境介绍. 344.3.1 PSOC 开发环境. 344.3.2 与传统单片机系统设计方案的比较. 34第五章 设计中遇到的问题及解决方法. 375.1 设计中遇到的问题. 385.2 绘制原理图中遇到的问题. 38第六章 结论. 40致谢. 42参考文献. 43第一章第一章 引言引言1 11 1 课题设计背景课题设计背景本课题是用 PSOC 芯片控制电动自行车，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。电动自行车自从 20 世纪 80 年代发明以来经历了一个漫长的发展过程，在 20 世纪 90 年代北京的道路上曾经出现过电动自行车，但由于很多技术并没有过关以及交通管理上的一些问题，逐渐在马路上消失了。当时主要的问题是电源没过关，那时的电动自行车使用的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。电动自行车有很多的优点，它不像汽车、摩托车那样有废气及噪音污染，速度低、易于驾驶，一般只要会骑自行车，用不了一个小时就能掌握电动自行车的操作，因此特别适合妇女及老人的使用。早在 19 世纪末，电动汽车就已出现，并有望成为蒸汽机的代替品。但随着内燃机技术的进步，燃油车逐渐取得了优势地位。相比之下，速度较慢、价格较高，因而逐渐退出市场，其后电动车的研究一度处于低潮。直至 20 世纪 70 年代初，石油危机的爆发以及考虑到电动 42%的空气污染由交通车辆所造成，零排放的电动车又逐渐引起人们的关注。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。从上世纪 60 年代至今，电动车的开发主要经历三个发展阶段：1、20 世纪 90 年代以前，蓄电池电动车以蓄电池作为系统的动力源。2、90 年代起，复合型电动车蓄电池系统和燃油系统相互配合使用的电动车，这种车由电动机和汽油发动机联合驱动。与燃油车和纯电动车相比复合车既显著降低了排放，提高了燃油效率，又能在保持高速和远程行使方面取得较大突破。由于并非真正的零排放车辆，所以复合车通常被视为电动汽车发展过程中的过渡性产品。3、燃料电池电动车，燃料电池是一种将燃料的化学能直接转化为电能的“电池”，它不是蓄电池，而是“发电厂”，这种电池的使用，能提高起能量密度，但不具备回收电能的功能。国内的电动车发展也很迅速，20 世纪 90 年代初，国家计委、国家科委就曾为此专门立项，中国电工技术学会电动车辆研究会早在 1987 年就已成立，电动汽车项目科技部已列入“九五”国家重大科技产业项目，各个研究课题已全面起动，并己取得阶段性成果。电动自行车，无论是从技术，还是从市场来讲，都有比较广阔的发展前景。首先：电动自行车在技术上比较成熟，价格也较低，更为大多数厂家和用户接受。其次：与电动汽车相比，电动自行车是一种更加灵活、方便的中短途交通工具，尤其适合于没有驾驶执照的老人和未成年人。再次：电动自行车对路况要求较低。亚洲城市街道拥挤，人们上下班路程较短，这种“停停走走”的交通状况尤其适合于电动自行车。此外：电动自行车还兼有运动和健身的功能，很适合于休息娱乐用，因此即使将来电动汽车风行起来，电动自行车市场也不至于衰退。电动自行车已经达到 200-300万辆，全世界已达 600 万辆。前景非常乐观。1 12 2 永磁无刷直流电机的发展永磁无刷直流电机的发展19 世纪中叶，人类发明了电动机，一百多年来，电动机作为重要的动力机械，为人类社会的发展和进步起到了巨大的推动作用。在进入 21 世纪的今天，电机控制技术有了飞跃发展。电动机是电动自行车动力系统的核心。早期的电动自行车采用较多的是有刷直流电动机。这种电机控制简单，在较低速时运行可靠、调速性能和过载能力较好，但在高速运行时，换向火花和电刷磨损会带来一些问题。近年来，随着微机控制技术的发展以及新型电力电子器件和高性能永磁材料的不断出现，永磁无刷直流电机和开关磁阻电机的应用也日益广泛。特别是永磁无刷直流电机，因其高功率、宽调速范围、高运行可靠性、高效率、免维护等众多优点，而倍受青睐，成为众多电动自行车厂家的首选。一般所说的直流电动机是指具有换向器和电刷的直流电动机。在这种电动机中定子侧安装固定主磁极和电刷，转子侧安放电枢绕组和换向器。直流电源的电能通过电刷和换向器进入电枢绕组，产生电枢电流，电枢电流与主磁场相互作用产生转矩，带动负载。然而由于电刷和换向器的存在，结果产生了一系列致命的点：a 、结构复杂,可靠性差，故障多，需要维护，维护又困难，寿命短。b、换向火花形成电磁干扰。无刷直流电动机就是在保留有刷直流电动机的优良性能的基础上，为去除电刷和换向器而研究开发的。由于无刷直流电动机没有电刷和换向器，它的绕组里电流的通、断是通过电子换向电路及功率放大器实现的。要在电动机中产生恒定方向的电磁转矩，就应使电枢电流随磁场位置的变化而变化。为实现这一点，就需要确认磁极与绕组之间的相对位置信息。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），固定部分与定子连。如图一所示，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 1.1 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图 1.1 无刷直流电动机原理示意图空间互差 120电角度,因此三相绕组轮流通电时间也因每相 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。1 13 3 关于关于 PSOCPSOC 的介绍的介绍由美国塞扑拉丝半导体公司倡导并推出的完全基于通用 IP 模块，由可编程选择来构成产品 SOC的设想，把单片机的发展从 MCU 推到了 SOC 的新阶段。塞扑拉丝的 PSOC 系列产品是在一个专有MCU 内核周围集成了 PSOC 块（可配置的模块和数字外围器件阵列），利用芯片内部可编程互列阵列，可有效地配置芯片的模拟和数字电路资源，达到可编程片上系统的目的。塞扑拉丝公司生产的片内系统可编程微处理器 CY8C25XXX/26XXX 系列单片机作为嵌入式，集成了构成一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有的模拟和数字外设及其他功能部件。这些外设或者功能模块包括：ADC、可编程增益放大器、DAC、电压比较器、电压基准、内部温度传感器、UART、SPI、定时器、计数器、内部震荡器、看门狗定时器及电源监视器等。这些外设部件的高度集成为设计出小体积、低供耗、高可靠性、高性能的单片机应用系统提供了方便，同时也可使系统的整体成本大大降低。嵌入式系统是当前关注的热点，微控器通常是嵌入式系统的主要部件，微控器又经历了单片机、DSP、SOC 的发展过程，有专家认为，PSOC 是微控制器的最高级阶段。PSOC 是赛普拉斯微系统公司开发的可编程片上系统。最近几年，随着电子技术及半导体工艺的迅猛发展，片上系统，特别是可配置片上系统，将逐渐成为微控制器的发展方向。人们在各种各样的微控制器和嵌入式控制系统设计过程中发现，并非不同的设计就必须用完全不同的外围器件；相反，这其中有大量共同的部分，因此，启发了芯片设计工程师建立这种可配置微控制器。通过在芯片内建立一些通用的数字和模拟块（Digital and analog block），把它们配置成微控制器的各种功能模块。并把这些功能模块存储在器件库中。用户通过使用其提供的集成开发平台（IDE），调用这些功能模块（Module），设定模块时钟输入，配置全局变量和局部变量，设定用户功能参数，就能完成功能模块的配置。另外，这些功能模块还可以相互连接，以完成更加复杂的功能。因此，通过合理的配置数字和模拟就可以在片内实现大部分外围器件的工作。并且，由于设定的参数是存储在片内 Flash 中，因此，无论是在设计之初，还是在产品应用现场，工程师均可通过软件重新配置数字和模拟 Block 参数，从而增加了删除功能模块，定义输入了输出引脚，完成硬件升级。这就是可编程嵌入式片上系统的动态重新配置能力。第二章第二章 智能控制器的体系结构智能控制器的体系结构2 21 1 控制器功能介绍控制器功能介绍电动自行车的控制器用于控制电动自行车的运行，具体实现功能如下：（1）运行控制：使电动自行车的速度能按照手把转动的角度发生变化从零速度到最大速度；（2）具有电流过载保护功能，在各种运行状态电流都不超过保护值；（3）刹车时自动断开供电电源；（4）欠压保护：当电源供电不足电池电压下降到电池最低电压时切断电源，以保护电池。酸铅电池不怕充足就怕没电。（5）其它功能：为提高使用性能，电动自行车常附带有一些其它功能。非零启动功能是为了防止起