PSOC芯片控制电动自行车论文

-1-目录第一章引言............................................31．1课题设计背景............................................31．2永磁无刷直流电机的发展..................................41．3关于PSOC的介绍..........................................6第二章智能控制器的体系结构............................82．1控制器功能介绍...........................................82．2系统总体方案设计..........................................8第三章智能控制器硬件方案设计........................123．1PSOC的内部资源与结构..................................123.1.1PSOC的内部资源....................................123.1.2PSOC的内部结构.....................................143．2Cy8c24423的内部资源...................................173.2.1ADC模块工作原理....................................193.2.2动态配置能力及实现方法..............................213．3智能控制器硬件方案设计.................................213.3.1驱动电路............................................223.3.2过流保护电路........................................223.3.3欠压保护电路........................................233.3.4调速刹车电路........................................243.3.5电源电路............................................25第四章系统软件设计...................................264．1程序总体流程图..........................................284．2具体软件设计方案........................................304.2.1电机调速方案........................................304.2.2电机及控制器保护方案................................304.2.3欠压保护方案........................................314.2.4刹车控制方案........................................324．3PSOC开发环境介绍......................................334.3.1PSOC开发环境......................................334.3.2与传统单片机系统设计方案的比较.....................33-2-第五章设计中遇到的问题及解决方法.....................355.1设计中遇到的问题.........................................355.2绘制原理图中遇到的问题...................................36第六章结论...........................................37致谢..................................................39参考文献..............................................40-3-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-4-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-5-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-6-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