用PSOC芯片控制电动自行车毕业设计.docx
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用PSOC芯片控制电动自行车毕业设计
用PSOC芯片控制电动自行车
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目录
第一章引言.3
1.1 课题设计背景.3
1.2 永磁无刷直流电机的发展.5
1.3关于PSOC的介绍.6
第二章智能控制器的体系结构.8
2.1控制器功能介绍.8
2.2系统总体方案设计.9
第三章 智能控制器硬件方案设计.12
3.1 PSOC的内部资源与结构.12
3.1.1 PSOC的内部资源.12
3.1.2PSOC的内部结构.15
3.2 Cy8c24423的内部资源.18
3.2.1ADC模块工作原理.20
3.2.2动态配置能力及实现方法.21
3.3 智能控制器硬件方案设计.22
3.3.1驱动电路.22
3.3.2过流保护电路.23
3.3.3欠压保护电路.24
3.3.4调速刹车电路.25
3.3.5电源电路.26
第四章系统软件设计.27
4.1程序总体流程图.29
4.2具体软件设计方案.31
4.2.1电机调速方案.31
4.2.2电机及控制器保护方案.31
4.2.3欠压保护方案.32
4.2.4刹车控制方案.33
4.3 PSOC开发环境介绍.34
4.3.1 PSOC开发环境.34
4.3.2 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.37
5.1设计中遇到的问题.38
5.2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
第一章引言
1.1 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。
1.2 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。
1.3关于PSOC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(Digitalandanalogblock),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。
第二章智能控制器的体系结构
2.1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动电流过大,具有该功能的自行车只有当电动自行车的车速大于某一速度(例如5公里/小时)后控制才起作用,以保护蓄电池,使蓄电池不在大电流放电状态下工作;软起动的目的同前,使电动自行车工作电流保持恒定,使蓄电池不在大电流放电状态下工作;保持功能是使电动自行车的运行速度在手把给定的最大速度运行,以减轻长途骑行时的疲劳,即你骑行时将车速增加到某个速度运行时,可放开手把,自行车则维持在该速度上运行,若要增加速度则可通过增加手把转角,但要降低车速则必须使用刹车解除来保持状态。
2.2系统总体方案设计
本文围绕PSoC单片机来实现整个电动自行车控制器的设计,Cy8c24423单片机产生PWM信号并负责对整个系统控制、信号检测和系统保护;功率转换采用MOSFET(场效应晶体管),电动机位置信号与转速采用霍尔元件检测。
采用PSoC片上系统增加了系统的可靠性、安全性与快速性,并具有很好的灵活性,达到了很好的控制效果。
在本系统中,速度反馈信号来自转子位置信号的间接测量,即在PSoC中通过定时器将霍尔脉冲的频率测出,间接得到电动机转速。
电动自行车手柄给定速度与反馈速度相比较获得的误差信号,经过一个PI调节器调整后得到电流环参考信号的输入,再与测得的实际相电流信号比较,得出的误差信号再经过PI调节器调整为PWM信号的占空比,控制电动机转速。
在电动机启动阶段,速度变化率高,电流参考信号输入大,此时电流误差信号大,得到的输出占空比高,加在电动机上的电压平均值增大,保证在启动阶段维持一个较高的启动转矩,同时对电流参考信号幅值加以限制从而避免启动电流过大而损坏电动机。
功率变换电路采用三相桥式结构,三相绕组需6个开关器件,功率驱动电路采用分立元件(三极管、电阻、电容)构成,相对于集成芯片,成本低廉。
该控制系统原理框图如图2.1所示。
图2.1电动自行车智能控制器系统框图
控制器针对电动自行车和铅酸蓄电池的使用要求,提供欠压保护、电流保护和堵转保护等多种措施。
在电动车运行过程中,控制器检测蓄电池电压,当电压下降到额定电压的80%(欠压值)时,使电动机断电不工作,可避免短时重载欠压停车及临界欠压状态下不正常的运行振荡。
电流保护分两种情况,一种过载(12A
另一种是过流(I>17A),电流短时间内超过电流上限,电流反馈回路的比较器将触发PSoC的外部中断,在中断服务程序中,关闭PWM输出。
为避免外部干扰引起中断的误触发,将中断设置为电平触发方式,并在中断程序中检测电平状态。
经反复实验证明,电流中断保护有效。
如果在一段时间内检测电动机霍尔信号不变,则判断为发生了堵转,此时减小PWM的占空比,并继续检测,如果电动机堵转状态仍持续,则关闭PWM信号。
电流保护和堵转保护都是暂时关闭PWM输出,当松开调速手柄,再次转动仍可以启动电动机。
此外,控制器还具备巡航功能,当检测到手柄固定在某一位置超过一段时间,松开手柄,电动车会保持原来的速度运行。
电动自行车控制器需要三路AD分别测量手柄电压、电动机相线电流和电池电压,而且这三路信号的输入范围相差很大,为此,在PSoC中将输入信号经过一个多路转换开关和一个放大器连接AD,动态配置多路转换开关的输入管脚,可以在不同时间段内三路信号复用一个AD,而动态配置放大器的放大倍数,可以分别调整三路信号的输入范围。
对于控制器的输出而言,需要三路PWM信号,Cy8c24423有四个数字模块,控制器设计中一个用于AD,一个用于定时器,所以不可能再有三个PWM模块供选择。
为此,采取动态配置,一个PWM模块分时复用,不同时间配置到不同的输出管脚。
本控制器模拟模块和数字模块动态配置的界面如图2.2所示。
PSoC的集成化结构减少了设计方案中所需的模拟和数字元件的数量,节省了成本。
此外,PSoC的可编程性缩短了开发时间,能让产品更快上市。
PSoC设计系统的保密性体现在两个方面:
一是PSoC芯片集成了系统的大部分硬件,相当于“硬件加密”;二是程序编译链接形成目标代码时,可以选择部分或全部不可读,相当于“软件加密”,从而有效地保护了知识产权。
图2.2 PSOC动态配置界面
第三章 智能控制器硬件方案设计
3.1 PSOC的内部资源与结构
3.1.1 PSOC的内部资源
CYPRESSMICROSYSTEMSINC生产的PSOC是新一代功能强大的8位可配置微控制器。
PSOC器件集成有模拟和数字逻辑电路可编程模块、一个快速8位MCU16KB闪存、256字节SRAM以及乘法器/累加器、8根独立的输入和输出总线,其内部可用的BLOCK资源包含:
4个基本类型和4个通信类型的数字BLOCK,使用基本类型数字BLOCK可配置:
计数器(counter);定时器(timer);脉宽调制(PWM);循环冗余码校验(CRC)。
使用通信类型数字BLOCK可配置:
串行发(serialtransmitter);串行接收(serialreceiver);SPI主端(SPIMaster);SPI从端(SPISlave)。
使用模拟BLOCK可配置:
多极滤波器(multi-polefilters);放大器(gainstages);数模转换(DACs);模数转换(ADCs)。
使用这些资源可以配置成不同的功能模块,用以实现微控制器标准外围器件的功能。
所有PSOC器件都是可动态重配置的,使设计人员能动态地设计并实现新的系统功能。
设计人员可在不同的时钟周期中使用同一芯片的不同功能,从而提高了芯片利用率。
PSOC的集成化结构减少了设计方案中所需的模拟和数字元件的数量,节省了成本。
此外,PSOC的可编程性缩短了开发时间,能让产品更快上市。
其可在消费类、工业、办公自动化、电信和汽车领域应用中实现大量嵌入式控制功能。
PSOC的内部资源极为丰富,分别从以下几个方面进行介绍:
1.CPU的结构
M8C是一个高性能的8位的哈佛结构微处理器。
5个主要的寄存器控制CPU的操作。
5个寄存器分别是标志寄存器(CPU-F)、程序计数器(CPU-PC)、累加器(CPU-A)、堆栈指针寄存器(CPU-SP)、变址寄存器(CPU-X)。
2.存储器和寄存器
CY8C系列有4KB-16KB的程序存储器,并且可以擦除和改写的闪存。
有256B的数据存储器。
它的寄存器分为两块,即BANKO和BANK1,它们都是256字节,都是特殊功能寄存器。
通过设置CPU-F中的XIO来选择BANK0还是BANK1。
注意BANK0和BANK1的保留的地址是不能使用的。
这些寄存器是供用户对片内资源进行参数设置所用的。
3.I/O口及I/O口寄存器
CY8C24423型号有每个I/O口的各位都是独立可编程,有如下功能:
(1)能被CPU读写;
(2)控制其管脚的数据流方向;
(3)可与系统输入输出线相连;
(4)可选择在上升沿、下降沿、状态发生改变时编程;
(5)输出可编程实现高电平、低电平、高阻抗等。
另外,P0和P2口有模拟输入输出功能。
I/O的驱动模式有大电流、高阻态、高电平、低电平。
通过设置DM0、DM1控制驱动模式的选择,或者在硬件设计器中直接设置驱动模式。
在使用端口要注意的是驱动模式的设置。
这里要根据端口驱动对象的不同设置不同的驱动模式每个I/O端口都有几个寄存器,端口数据寄存器、中断使能寄存器、总线选择寄存器、驱动模式寄存器、中断控制寄存器。
通过设定这些寄存器的值从而实现所要的功能。
4.时钟
CY8C系列内部提供许多时钟,就CY8C24423有两个系统时钟、一个CPU时钟、一个32K的来自内部晶体振荡器或外部晶体振荡器的多路输出时钟。
通过在硬件设计器的全局资源里可以设置不同的时钟或通过对振荡器控制寄存器进行设置,从而选择所需要的时钟。
5.中断
中断源有:
I/O线,电压监控器,待机时钟,8个数字PSOCBLOCK和四个模拟列共15个。
每个中断都有独立使能位,他们在INT-MSK0(theGeneralInterruptMaskRegister)和INT-MSK1(theDigitalPSOCBlockInterruptMaskRegister),有一个通用中断使能位在CPU-F,能使所有中断失效。
当系统RESET后,INT-MSK0,INT-MASK1和CPU-F的中断使能位全部被清0。
中断向量寄存器(INT-VC)保存等待中断的具有最高优先级的中断,当被写时以前的所有等待中断的向量都被清除。
INT-MSK0(地址:
Bank0,e0h)INT-VC的8位值保存着等待中的最高优先级的中断,如果INT-VC被写,所有以前的等待中断被清。
GlobalPortI/OInterrupt为产生GPIO中断,应采取如下步骤:
(1)管脚驱动模式必须被选择以便该管脚有输入量;
(2)设置PRTXIE(thePortInterruptEnableRegital)的合适位使得管脚能产生中断;(3)中断边沿触发类型必须在PRTXIC0和PRTXIC1中被设置,而不能是缺省值00;(4)GPIO位在INT-MSK0必须被置位;(5)中断使能位在(CPU-F)要被置位;(6)因为GPIO中断都共享同一个中断向量,所以在一个GPIO中断产生前其他的中断源要清除。
6.硬件乘法
PSOC的乘法实现与普通单片机的区别是它是硬件乘法而不是通过乘法指令实现的。
这是一个8位无符号乘法器,它不但具有乘法功能,而且具有乘累加功能。
用它可以完成有符号及无符号乘法。
用它可以实现32位乘法。
3.1.2PSOC的内部结构
PSOC内有一个内核(M8CCPUCORE),所有的外围器件包括模拟模块和数字模块、静态存储器、乘法器、累加器、中断控制器、分频器、看门狗、休眠记时器、复位电源是通过系统内部总线和PSOC内核连在一起的。
闪存、震荡器、锁相环和PSOC内核直接连在一起。
模拟模块通过比较器连接到数字模块。
数字模块的时钟信号可以提供给模拟模块。
外部信号通过管脚进入,然后通过多路开关进入到模拟模块,模拟模块可以驱动管脚输出。
数字模块通过输入输出总线和外部管脚连接。
模拟模块之间的连接通过指定模块中的参数值直接显示出来。
模拟模块和数字模块是通过模拟时钟开关连接的。
模拟时钟开关连接单个数字模块的输出到每个功能单元的模拟时钟。
比较单元总线连接模拟单元总线的输出到数字模块的输入。
如图3.1所示,PSoC内部结构可分为2大块。
图3.1的左半部分是一个典型的微控制器系统,FLASH和SRAM以及8位CPU构成基本的微处理器系统。
芯片内设时钟振荡器无需外部提供时钟,此外器件还内建有温度传感器和基准参考电平电路。
图3.1的右边,虚线框内的部分就是PSoC的结构单元,他由许多模拟PSoC模块和数字PSoC模块以及可编程互联阵列(PIA)构成。
这些模拟和数字PSoC块通过PIA的互联可以组合成各种外围设备,我们把这些组合而成的外设称之为用户模块。
模拟用户模块包括:
ADC,DAC,滤波器、放大器等。
数字用户模块包括:
UART,PWM,SPI接口等。
混合模块包括:
DTMF发生器、Modem等。
这些用户模块可以通过PIA连接到通用I/O口的管脚(GPIO)上。
除此之外,芯片内还集成有乘法和
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