直流无刷电机控制器的研制设计报告.docx
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直流无刷电机控制器的研制设计报告
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XXXXXXX学院
直流无刷电机控制器的研制设计报告
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序言
直流电动机具有非常好的线性机械特性、宽的调速范围、大的起动转距、简单的控制电路等优点,应用十分广泛。
但是,因直流电动机的电刷和换向器的强迫性接触,造成了它结构复杂、可靠性差、接触电阻变化等一系列问题,影响了直流电动机的调速精度和性能.随着电子技术、功率元件技术和高性能的磁性材料制造技术的飞速发展,利用电子器件和传感装置代替直流电动机的换向器,这就出现了无刷直流电动机,使直流电动机减少了滑动接触,消除了换向火花。
无刷电机的优点如此之多,而且它在我们实际生活中也得到了非常广泛应用,如电动自行车,航模和微型玩具,所以激起了我们研制无刷电机的浓厚兴趣。
本次毕业设计主要介绍了基于单片机的无刷电机的控制系统,我主要侧重于硬件方面的介绍。
其中第一章主要介绍了无刷电机特点和工作原理;第二章主要介绍AT89C51单片机的系统结构和内部功能模块;第三章主要介绍了硬件电路的设计,其中包括:
驱动模块的设计、控制模块的设计、测速模块的设计、过载保护模块的设计;第四章主要介绍了系统的调试,分为硬件调试、软硬联调及成品封装。
本章中详细记述了在调试过程中出现的问题以及解决方案。
最后附录了本次毕业设计的硬件电路连接图(包括控制电路原理图和测速电路原理图)、元器件清单、参考文献。
由于时间和水平有限,我们的设计做的还不够完善的,在许多方面都需要进一步的改进和突破,比如板子可以设计得更加完美等。
在这里希望大家集思广益,为我们多提宝贵意见和建议。
设计中的错误和不足之处在所难免,恳请各位老师、同学批评指正。
第1章无刷电机
1.1无刷电机概述
1.1.1无刷电机的特点
传统的直流电机以其优良的转矩特性和调速性能在运动领域中有着广泛的应用,但机械电刷却是它的致命弱点。
电刷的存在带来了一系列的问题,如:
存在机械摩擦、噪声、电火花无线电干扰及寿命短,再加上它制造成本高及维修困难等缺点,从而大大地限制了它的应用范围。
无刷直流电动机就是为了既要保持有刷直流电动机的优异特性,又要革除电刷和换向器的“顽疾”为目的而研制的。
控制系统中的执行电动机应该具有下列优点:
快速性、可靠性高、体积小、重量轻、节能、效率高、适应环境和经济性。
下面就这些方面具体分析无刷直流电动机的优点所在。
表1-1是目前应用较为广泛的几种电动机的基本性能的比较:
基本性能
电机类型
效率
体积
控制特性
技术性能
结构
寿命
电机本体
成本
直流电动机
较高
小
好
短
高
无刷直流电动机
高
小
较好
长
高
交流电动机
低
大
一般
长
低
开关磁阻电动机
较低
较小
较好
长
低
在快速性方面,无刷直流电动机的转子是由永磁材料构成的磁极体,电枢绕组在定子上,因而转子外径相对较小,转子转动惯量因而也较小;在转矩方面,有直流电动机才能达到大的起动转矩和最大转矩,而无刷直流电动机具有直流电机的特性,从而起动转矩和最大转矩都较大。
因此无刷直流电动机可以实现快速的起、停、加速和减速。
在可控性方面,直流电动机的输出转矩和绕组流过的电流成线性关系,直流电动机的起动转矩又大,因此可控性很好、很方便。
无刷直流电动机的输出特性和一般有刷的直流电动机很相似,只要简单的改变电动机的输入电压的大小就可以实现在很大的范围内进行无极调速。
在可靠性方面,因为其消除了电刷和换向器,所以也就消除了故障的主要根源,由于无刷直流电机的转子上没有绕组,因此转子上没有电的损耗,又由于主磁场是恒定的,因此铁损也是极小的(在方波电流驱动时,电枢磁势的轴线是脉动的,会在转子铁心内产生一定的铁损)。
总的来说除了轴承旋转产生的摩擦损耗外,转子方面的损耗很小,因而进一步增加了可靠性。
因此可知:
和其它类型的电动机相比,无刷直流电动机不仅较为可靠而且损耗较小,它的电枢在定子上,直接与机壳相连,散热条件好,热传导系数大,由于这样的原因,在相同的条件下,在相同的出力要求下,无刷直流电动机可以设计的更小,重量更轻。
无论是电机设计还是系统设计,提高效率、节约能源都具有重要的意义,有着长远的社会和经济效益。
而异步电动机运行在轻载时功率因数低,增加了线路和网络的损耗,因此,提高电动机的效率,选择损耗最小、效率最高的电机是很重要的。
在环境适应性方面,对于高性能的系统,如果只能采用直流电动机,但同时又要求长寿命,免维护以及防爆,易燃的环境条件下,有刷直流电动机就无能为力了,无刷直流电动机是最好的选择。
在经济性方面,随着电子技术的进步,电子工业的发展,电子元器件的价格不断的下降。
在国外的市场上,无刷直流电动机驱动,控制器的价格已经和异步电动机的变频器相差不多了。
不过由于稀土永磁材料的价格较贵,电机的成本也相应较高。
但是考虑到综合指标(系统性能,重量,能量消耗等)之后,无刷直流电动机的应用仍处于上升的趋势。
1.1.2无刷电机的发展历史及应用[4]
无刷直流电动机自1962年问世以来,现已广泛应用于计算机外围设备、办公自动化设备、家电产品、音像设备、汽车、、电动车、数控机床、机器人、医疗设备、宇宙飞船、人造卫星等方面和领域。
70年代初,随着电机技术及其相关学科的迅猛发展,无刷直流电机进入了实用阶段,在计算机外设等领域开始应用,还先后研究成功方波和正弦波无刷直流电机。
近40年来,“无刷直流电机”的概念已由最初的具有电子换向器的直流电机发展到泛指一切具有传统直流电机外部特性的电子换向电机。
如今的无刷直流电机集特种电机、变速机构、检测元件、控制软件与硬件于一体,形成为新一代电动调速系统,且体现着当今应用科学的许多最新成果,因此其是机电一体化的高科技产物,在各个领域得到了广泛的应用。
80年代,无刷直流电机得到了迅猛的发展和推厂应用,这主要是由于大功率开关器件和人规模专用集成电路技术高速发展的结果。
进入90年代以来,无刷直流电机调速系统的逆变装置中的开关元件不仅成本降低,而且向高频化、大容量化、小型化、智能化发展。
在我国,无刷直流电机的研制始于70年代初期,作为高科技产品受到了我国基础工业落后的制约,其综合水平低于国际水平,大约相当于国外70年代末80年代初的水准。
目前,国内研究单位开展无刷直流电机的研究已有时日,积累了丰富的设计理论和设计经验,只是由于自身条件而没有达到规模化生产,大部分仍处于仿真或实验阶段。
如今,随着微电子技术的迅速发展和微处理器技术的日益更新,高速微处理器和DSP(数字信号处理器)的出现,以及专用控制芯片的出现,使得无刷直流电动机控制系统的运行速度、处理能力和基本性能有了很大的改善。
1.2无刷电机工作原理
1.2.1无刷电机结构[1]
无刷直流电动机通常是由电动机、转子位置传感器和功率开关电路三部分组成。
位置检测器的作用是检测转子的位置,相当于直流电动机的电刷,为电子换向提供转子的位置信息,实现无接触式的电子换向。
位置检测器的种类很多,有电磁式、光电式、霍尔元件式和接近开关式,本次控制系统设计中所使用的是霍尔式位置传感器。
图1-1为直流无刷电动机的工作原理图。
图1-1无刷直流电动机的工作原理图
电动机本体由一定磁极对数的永磁钢转子(亦称主转子)和一个多相的电枢绕组(亦称主定子)组成,如图1-2所示。
1-定子2-转子3-传感器定子4-传感器转子5-电子换相开关电路
图1-2无刷直流电动机结构示意图
转子的结构有两种:
一种是将瓦片状的永磁贴在转子外表上,如图1-3(a)所示,称为凸极式;另一种是将永磁体内嵌到转子铁心中,如图1-3(b)所示,称为内嵌式。
定子上开有齿槽,齿槽数与转子极数和相数有关,应是它们的整数倍。
图1-3永磁转子结构类型
电枢绕组分为开启式和闭合式两种,固定在定子铁心槽内。
电枢铁心由硅钢片叠压而成。
电枢绕组接法有三相星形接法、四相星形接法、三相角形接法、四相闭合式接法、二相正交式接法。
其绕组的端头和相应的电子开关电路连接。
为了改善齿谐及减少转矩波动,电枢绕组可采用分数槽绕组。
1.2.2无刷电机的位置传感器[1]
位置传感器是一种无机械接触的检测转子位置的装置,由传感器转子和传感器定子组成。
前者与主转子同轴旋转;后者安装在定子机壳内,它能够提供信号,并按照一定的逻辑关系去触发电子换向开关电路。
常用直流无刷电动机的位置传感器有如下三种:
1.电磁式位置传感器
电磁式位置传感器是利用电磁效应来实现位置测量的,其结构如图l-4所示。
定子是由高频导磁材料的铁心制成,一般有6个极,且等间距分布,每个极上都绕有线圈,相互间隔的3个极为同一绕组,接高频电源,作为励磁极;另外3个极都有自己独立的绕组,作为感应极,是传感器的输出端。
转子是一个由非导磁材料制成的圆盘,其上镶嵌有扇形的导磁材料。
转子与电动机轴连在一起,随着电动机同步转动。
图1-4电磁式位置传感器原理图
2.光电式位置传感器
光电式位置传感器是利用光电效应进行工作的,其结构如图l-5所示。
它由发光二极管、光敏接收元件、遮光板组成。
发光二极管和光敏接收元件分别安装在遮光板的两侧,固定不动,遮光板安装在转子上,并随转子一起转动。
遮光板上开有120度的扇形口,扇形口的数目与转子磁极的极对数相等。
当遮光板的
图1-5光电式位置传感器原理图扇形口对着某个光敏接收元件时,该元件因接收到发光二极管发出的光而产生光电流输出;而其他接收元件被遮光板遮住,接收不到光,没有输出。
这样,随着转子的转动,光敏接收元件轮流接收光信号而产生输出,由此可判断转子所处的位置。
光敏元件的输出较弱,其后需要接整形放大电路,并输出脉冲信号。
3.霍尔式位置传感器
霍尔式位置传感器是利用霍尔效应进行工作的。
霍尔效应是一种磁电效应,是德国物理学家霍尔1879年研究载流导体在磁场中受力的性质时发现的。
当电流垂直于外磁场方向通过导体时,在垂直于磁场和电流方向的导体的两个端面之间出现电势差的现象称为霍尔效应,该电势差称为霍尔电势差(霍尔电压)。
图1-6霍尔效应
A、B-霍尔电极C、D-控制电极
如图1-6,半导体材料的长、宽、厚分别为l、b和d。
在与X轴相垂直的两个端面c和d上做两个金属电极,称为控制电极。
在控制电极上外加一电压u,材料中便形成一个沿X方向流动的电流I,称为控制电流。
设图中的材料是N型半导体,导电的载流子是电子。
在Z轴方向的磁场作用下,电子将受到一个沿Y轴负方向力的作用,这个力就是洛仑兹力。
洛仑兹力用FL表示,大小为:
FL=qvB
式中,q为载流子电荷;v为载流子的运动速度;B为磁感应强度。
在洛仑兹力的作用下,电子向一侧偏转,使该侧形成负电荷的积累,另一侧则形成正电荷的积累。
这样,A、B两端面因电荷积累而建立了一个电场EH,称为霍尔电场。
该电场对电子的作用力与洛仑兹力的方向相反,即阻止电荷的继续积累。
当电场力与洛仑兹力相等时,达到动态平衡,这时有
qEH=qvB
霍尔电场的强度为EH=vB
在A与B两点间建立的电势差称为霍尔电压,用UH表示
UH=EHb=vBb
利用这一原理可以设计制成霍尔位置传感器,霍尔器件通过检测磁场变化,转变为电信号输出,可用于监视和测量物体运行参数的变化。
例如位置、位移、角度、角速度、转速等等,并可将这些变量进行二次变换;可测量压力、质量、液位、流速、流量等。
在本次毕业设计中,装在无刷电机永磁定转子上的位置传感器便是霍尔位置传感器,单片机根据霍尔信号检测出转子的位置,从而实现对无刷电机的控制。
并通过单片机P3.3口检测出单位时间内发出的霍尔信号脉冲数,从而确定了无刷电机的运行速度。
表l-2给出了几种位置传感器的构成及主要特点。
表1-2位置传感器的构成及主要特点
类别
构成
主要特点
霍尔式
传感器定子(按一定次序配置的霍尔元件、磁敏二极管或三极管等磁敏元件)、传感器转子(永磁体)
霍尔元件体积小,对温度较敏感,正反转控制方便,并能提供随转子位置作正弦变化的信号
电磁式
传感器定子(按一定次序配置的开口变压器等电磁元件)、传感器转子(导磁片)
结构可靠,输出信号大而稳定,对环境要求不高,体积大,抗震
光电式
传感器定子(按一定次序配置的光敏二极管、三极管、发光二极管或固态光源等光电元件),传感器转子(由光栏形成的旋转的光束)
光敏二极管、三极管受环境影响较大,光源易损,光源耗电较大;采用发光二极管或固态光源,结构简单,体积小
1.2.3无刷电机工作原理
无刷直流电动机通常是由电动机本体、位置传感器和驱动电路三部分组成。
电动机本体的主要特点是,采用永磁转子,而定子结构类似与交流感应电动机,采用三相或两相绕组,几乎雷同于永磁同步电动机[2]。
工作原理如图1-6所示:
图1-6无刷电机工作原理图
要让电机转动起来,首先电子换相电路必须根据霍尔位置传感器(hall-sensor)感应到的电机转子目前所在位置,然后依照定子绕线决定开启(或关闭)功率开关的顺序,如上图1-6中A、B、C(这些称为上臂功率MOSEFT)及X、Y、Z(这些称为下臂功率MOSEFT),使电流依序流经电机线圈产生顺向(或逆向)旋转磁场,并与转子的磁铁相互作用,如此就能使电机正/反向转动。
当电机转子转动到霍尔位置传感器感应出下一组信号的位置时,电子换相电路又再开启下一组功率MOSEFT,同时关闭上一组功率MOSEFT。
每组功率MOSEFT在空间上导通600,每隔六分之一电周期,功率MOSEFT切换一次。
每组功率MOSEFT的组合为:
上臂功率MOSEFT和下臂功率MOSEFT各选通一只,但决不能AX、BY、CZ作为一组功率MOSEFT来使用。
此外因为电子零件总有开关的响应时间,所以功率晶体管在关与开的交错时间要将零件的响应时间考虑进去,否则当上臂(或下臂)尚未完全关闭,下臂(或上臂)就已开启,结果就造成上、下臂短路而使功率MOSEFT烧毁。
如此循环电机就可以依同一方向继续转动直到电子换相电路决定要电机转子停止则关闭功率MOSEFT(或只关闭上/下臂功率MOSEFT);如果要电机反转,则功率MOSEFT开启相序相反即可。
例如:
图1-6中电机正转时功率MOSEFT的开启顺序如下:
A、Z开启→B、Z开启→B、X开启→C、X开启→C、Y开启→A、Y开启
电机反转时功率MOSEFT的开启顺序如下:
A、Y开启→C、Y开启→C、X开启→B、X开启→B、Z开启→A、Z开启
正转各功率MOSEFT导通状态如下图1-7所示:
图1-7各功率开关导通状态
第2章AT89C51单片机简介
目前,89C51单片机在工业检测领域中得到了广泛的应用,成为市场上的主流。
89C51是ATMEL公司生产的一种单片机,在一小块芯片上集成了一个微型计算机的各个组成部分。
每一个单片机包括:
一个8位的微型处理器CPU;一个256K的片内数据存储器RAM;片内程序存储器ROM;四个8位并行的I/O接口P0-P3,每个接口既可以输入,也可以输出;两个定时器/记数器;五个中断源的中断控制系统;一个全双工UART的串行I/O口;片内振荡器和时钟产生电路,但石英晶体和微调电容需要外接,最高允许振荡频率是12MHZ。
2.1AT89C51单片机结构[3]
2.1.1中央处理器(CPU)
中央处理器(CPU)是单片微型计算机的指挥、执行中心。
由它读入用户程序,并逐条执行指令,它是由8位算术/逻辑运算部件(简称ALU)、定时/控制部件,若干寄存器A、B、PSW、以及16位程序计数器(PC)和数据指针寄存器(DM)等主要部件组成。
算术逻辑单元的硬件结构与典型微型机相似。
它具有对8位信息进行+、-、x、/四则运算和逻辑与、或、异或、取反、清“0”等运算,并具有判跳、转移、数据传送等功能,此外还提供存放中间结果及常用数据寄存器。
控制器部件是由指令寄存器、程序计数器PC、定时与控制电路等组成的。
指令寄存器中存放指令代码。
执行指令时,从程序存储器中取来经译码器译码后,根据不同指令由定时与控制电路发出相应的控制信号,送到存储器、运算器或I/O接口电路,完成指令功能。
程序计数器PC用来存放下一条将要执行的指令,共16位,指令执行结束后,PC计数器自动增加,指向下一条要执行的指令地址。
CPU功能,总的来说是以不同的方式,执行各种指令。
不同的指令其功能略异。
有的指令涉及到各寄存器之间的关系;有的指令涉及到单片机核心电路内部各功能部件的关系;有的则与外部器件如外部程序存储器发生联系。
令CPU发出一系列在时间上有一定次序的信号,控制和启动一部分逻辑电路,完成某种操作。
2.1.2AT89C51引脚及其功能
AT89C51单片机采用40个引脚双列直插式封装,其中有2个专用于主电源引脚,2个外接晶振的引脚,4个控制或电源复位的引脚,以及32条输入输出I/O引脚。
下面将设计中涉及到的引脚功能分为4个部分叙述各个引脚的功能。
1、电源引脚Vcc和Vss
Vcc(40脚):
芯片工作电源输入端接+5V电源;
Vss(20脚):
芯片工作接地端。
2、外接晶振引脚XTAL1和XTAL2
XTAL1(19脚)、XTAL2(20脚):
接外部石英晶体振荡器。
在单片机内部,采用内部时钟方式时,在C1和C2引脚上接石英晶体和微调电容可以构成振荡器,振荡频率的选择范围为1.2—12MHZ;如图2-1所示:
图2-1内部振荡源
3、控制信号与电源复位引脚
控制信号与电源复位引脚为EA/VPP和RST/VPD:
(A)RST/VPD(9脚):
RST即为RESET,VPD为备用电源,所以该引脚为单片机的上电复位或掉电保护端。
当单片机振荡器工作时,该引脚上出现持续两个机器周期的高电平,就可实现复位操作,使单片机复位到初始状态。
复位电路如图2-2所示:
图2-2手动复位电路
当VCC发生故障,降低到低电平规定值或掉电时,该引脚可接上备用电源VPD(+5V)为内部RAM供电,以保证RAM中的数据不丢失。
(B)EA/Vpp(31脚):
EA为访问外部程序储器控制信号/编程电压输入端,低电平有效。
当EA端保持高电平时,片内存储器有效,单片机访问片内程序存储器4KB(MCS—51子系列为8KB)。
若超出该范围时,自动转去执行外部程序存储器的程序。
当EA端保持低电平时,无论片内有无程序存储器,均只访问外部程序存储器。
对于内部有程序存储器的单片机EA=0,对于内部无程序存储器的单片机EA=1。
在设计中EA必需接+5V。
4、输入/输出(I/O)引脚P0口、P1口、P2口及P3口
(A)P0口(39脚~22脚):
P0.0~P0.7统称为P0口。
当不接外部存储器与不扩展I/O接口时,它可作为准双向8位输入/输出接口。
当接有外部程序存储器或扩展I/O口时,P0口为地址/数据分时复用口。
它分时提供8位双向数据总线。
由于P0口内部没有拉高电阻,所以在实际应用中常外接330欧姆上拉电阻。
设计中P0口分别用作按钮指示灯显示和数码管显示端口。
(B)P1口(1脚~8脚):
P1.0~P1.7统称为P1口,内部自带上拉电阻,可作为准双向I/O接口使用。
设计中P1口用作位置传感器的霍尔信号的检测口。
(C)P2口(21脚~28脚):
P2.0~P2.7统称为P2口,内部自带上拉电阻,一般可作为准双向I/O接口。
当接有外部程序存储器或扩展I/O接口且寻址范围超过256个字节时,P2口用于高8位地址总线送出高8位地址。
设计中P2口分别用作MOSEFT的控制端和数码管的位选端。
(D)P3口(10脚~17脚):
P3.0~P3.7统称为P3口,内部自带上拉电阻。
它为双功能口,可以作为一般的准双向I/O接口,也可以将每1位用于第2功能,而且P3口的每一条引脚均可独立定义为第1功能的输入输出或第2功能。
P3口的第2功能见下表2-1:
表2-1AT89C51的P3口管脚含义
引脚
第2功能
P3.0
RXD(串行口输入端0)
P3.1
TXD(串行口输出端)
P3.2
INT0(外部中断0请求输入端,低电平有效)
P3.3
INT1(外部中断1请求输入端,低电平有效)
P3.4
T0(时器/计数器0计数脉冲输入端)
P3.5
T1(时器/计数器1数脉冲输入端)
P3.6
WR(外部数据存储器空间写通信号输出端,低电平有效)
P3.7
RD(外部数据存储器空间读信号输出端,低电平有效)
在设计中,P3口既作为I/O接口使用,又作为第2功能来使用,分别用作电机控制口和测速端口。
综上所述,MCS—51系列单片机的引脚作用可归纳为以下两点:
1).单片机功能多,引脚数少,因而许多引脚具有第2功能;
2).单片机对外呈3总线形式,由P2、P0口组成16位地址总线;由P0口分时复位作为数据总线。
附:
AT89C51的管脚如图2-3所示:
图2-3AT89C51管脚图
2.2中断系统
计算机都具有实时处理功能,能对外界异步发生的事件作出及时的处理,这是依靠它们的中断来实现的。
所谓中断是指中央处理器在处理某件事情的时候,外部发生了某一事件(如定时器计数溢出),请求CPU迅速去处理,CPU暂时中断当前的工作,转入处理所发生的事件,处理完以后,再回到原来中断的地方,继续原来的工作。
这样的过程就称为中断。
实现这种功能的部件称为中断系统。
产生中断的请求源就成为中断源。
AT89C51单片机内部有五个中断源,分别是外部中断0、定时器T0、外部中断1、定时器T1、和串行口中断。
在这次的编程中就用到了前四个中断。
这五个中断的入口地址各不相同,如表2-2所示:
表2-2中断入口地址
中断源
入口地址
外部中断0
0003H
定时器T0
000BH
外部中断1
0013H
定时器T1
001BH
串行口中断
0023H
典型的单片机可以实现二级中断服务程序嵌套,每个中断源可以编程为高级中断,或低优先级中断,允许或禁止向CPU请求中断。
与中断系统有关的特殊功能寄存器有中断允许寄存器IE、中断优先级控制寄存器IP、中断源寄存器(TCON,SCON中的有关位)。
2.2.1中断源
89C51单片机的中断源共有五个,其中2个外部中断源INT0(P3.2)和INT1(P3.3),3个内部中断源,分别是定时器/计数器T0、T1的溢出中断源和串行口的发送接受中断。
这些中断源分别锁在TCON、SCON的相应位中。
1、外部中断源(2个)
INT0、INT1上输入的两个外部中断源和它们的触发方式控制位存在特殊寄存器TCON的低四位,TCON的高四位为T1、T0的运行控制位和溢出标志位:
D7D6D5D4D3D2D1D0
---
---
---
---
IE1
IT1
IE0
IT0
IT0/IT1外部中断0/1触发方式控制位。
IT0/IT1=0,外部中断0/1为电平触发方式;IT0/IT1=1,外部中断0/1为边沿触发方式。
IE0/IE1外部中断0/1请求源(INT0,P3.2/INT1,P3.3)标志。
IE0/IE1=1外部中断0/1向CPU请求中断,当CPU响应该中断时,由硬件清“0”IE0/IE1(边沿触发方式)。
2、内部中断源(3个)
定时器/计数器T0的溢出中断TF0(TCON.5):
T0被允许计数以后,从初值开始加1计数,当产生溢出时置“1”IF0,向CPU请求中断,一直保护到CPU响应该中断时才由硬件清零(也可以由查询程序清零)。
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