新型电动自行车调速控制系统设计

摘 要 本文介绍了一种以AVR单片机ATmega8为主控芯片的新型电动自行车调速控制系统的设计方案，给出了系统的硬件构成和软件设计方法。实验证明：该系统性能可靠、成本较低，是一种实用的无刷直流电动机调速系统。

关键词 ATmega8 无刷直流电动机 调速控制系统

中图分类号：TM925 文献标识码：A

当前，随着保护环境、节约能源的呼声日益高涨无污染、能源可多样化配置的新型交通工具引起了人们的普遍关注，同时也得到了极大的发展，电动自行车便是其中之一。它以蓄电池发出的电能作为驱动能源，以电动机作动力，具有无废气污染、“零排放”、无噪音、轻便美观等特点特别适合在人口较集中的大中城市中使用。但目前市场上的电动自行车还存在着一些不够完善的地方，尤其是电机控制方面有待于进一步提高。本文根据无刷直流电机的原理，利用美国Atmel公司2002年推出的一款新型AVR高档单片机ATmega作为主控芯片设计了一种无刷直流电机调速控制系统，该系统具有硬件结构简单、软件设计灵活、适用面广、价格低廉等优点具有一定的实用价值。

1 ATmega8芯片简介

ATmega8是一款采用低功耗cmos工艺生产的基于AVR RRISC（精简指令集）结构的8位单片机。AVR单片机的核心是将32个工作寄存器和丰富的指令集连接在一起，所有的工作寄存器都与ALU（算术逻辑单元）直接相连，可在一个时钟周期内用一条指令同时访问（读写）2个独立的寄存器。这种结构可提高代码效率，使得大部分指令的执行时间仅为一个时钟周期，故可达到将近1MIPS/MHZ的性能，运行速度比普通单片机高出10倍。ATmega8的主要性能特点如下：

1.1 高性能、低功耗的8位AVR微控制器

采用先进的RISC精简指令集结构；有130条功能强大的指令， 大多数为单周期指令；内含32个8位通用工作寄存器；工作在16MHZ时指令处理速度为16MIPS。

1.2 片内集成了较大容量的非易失性程序和数据存储器

8K字节的F1ash程序存储器的 可擦写次数大于10000次；512个字节E2PROM的擦写次数至少可达100000次；支持在线编程（ISP）和在应用编程（ISP）；带有可编程的程序加密位。

1.3 丰富强大的外部接口

带有2个带预分频的8位定时/计数器、1个带预分频的16位定时/计数器；3个PWM通道，可实现任意16位以内相位和频率可调的PWM 脉宽调制输出；6通道A/D转换；一个I2C串行接口、一个可编程的USART接口、一个支持主/从、收/发的SPI同步串行接口；带片内RC振荡器的可编程看门狗定时器；片内模拟比较器。

1.4 具有特殊的微控制器性能

内含可控制的上电复位延时电路和可编程的欠电压检测电路；芯片内部和外部共有18个中断源；5种休眠模式（空闲、ADC噪声抑制、省电、掉电、待命）。

2系统硬件设计

整个系统主要包括转子位置检测电路、测速电路、调速电路、MOSFET全桥电路、限流电路等。其中无刷直流电机由电动机本体、转子位置检测器和电子开关电路三部分组成。直流电源通过开关电路向电动机定子绕组供电，位置检测器可随时检测转子的位置，并根据转子的位置信号来控制开关管的导通和截止，从而实现电子换向。

2.1转子位置检测电路

本设计中的无刷直流电动机有2对磁极，定子绕组采用三相型接法，3个霍尔位置传感器的空间间距为60４电角度危0。扛龌舳衅鞯氖涑1、H2、H3分别直接接到ATmega8的26、27、28脚，运用这三个脚的数模转换功能（ADC）可对霍尔信号进行采样和转换。

2.2电机转速控制电路

2.2.1测速电路

要对无刷直流电动机的转速进行准确的控制首先要准确地测量出它的转速。本设计利用转子位置传感器的输出脉冲信号来反映电动机的转速。先将位置传感器信号经过采样调理电路后送至单片机的PD3脚，该引脚可作为外部中断源的输入口。随着电动机的转动PD3将不断接收到脉冲信号。当PD3接收到一个上升沿时将启动定时器TO以开始计时，直至接收到下一个相邻的上升沿为止，定时器TO的计时结果便是电动机转动一圈所需的时间，据此即可计算出电动机的转速。

2.2.2换向调速电路

无刷直流电动机转速的控制方法可分为励磁控制法与电枢电压控制法两类。由于前者所受的各类限制较多，且励磁线圈电感较大，动态响应较差。所以常用的是改变电枢端电压以实现调速的电枢电压控制法。设直流电源电压为Ud，为电枢串联一个电阻R并接到电源Ud，则电枢两端的电压Ua为Ua=Ud-IaR，显然，调节电阻R即可改变端电压，从而达到调速目的。但这种传统的调压调速方法效率较低。随着电力电子技术的发展出现了许多新的电枢电压控制方法。PWM脉宽调制就是其中之一。

设加在电机电枢两端的矩形波的幅值电压为Ud ，则电机电枢两端电压的平均值为

Ua=（T1-T2）Ud/（T1+T2）=（2T1/T2-1）Ud=（2 -1）Ud

其中 为占空比，通过改变 的值可达到调压的目的。由于0≤ ≤1，Ua值的范围是-Ud～+Ud，因而电机可以在正、反两个方向调速运转。

3系统软件控制

ATmega8在软件上能有效支持C语言及汇编语言。C语言目前已成为设计嵌入式系统的标准语言，它既有普通高级语言结构化编程、可读性好、维护方便的特点，又具有汇编等低级语言对硬件访问方便、代码效率高的特点。本设计可以用C语言编程实现，具有很好的可移植性。