psoc芯片控制電動(dòng)自行車論文(已修改)

　

【正文】 目錄第一章 引言 31．1 課題設(shè)計(jì)背景 31．2 永磁無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展 41．3 關(guān)于PSOC的介紹 6第二章 智能控制器的體系結(jié)構(gòu) 82．1 控制器功能介紹 82．2系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 8第三章 智能控制器硬件方案設(shè)計(jì) 123．1 PSOC的內(nèi)部資源與結(jié)構(gòu) 12 PSOC的內(nèi)部資源 12 PSOC 的內(nèi)部結(jié)構(gòu) 143．2 Cy8c24423的內(nèi)部資源 17 ADC模塊工作原理 19 動(dòng)態(tài)配置能力及實(shí)現(xiàn)方法 213．3 智能控制器硬件方案設(shè)計(jì) 21 驅(qū)動(dòng)電路 22 過(guò)流保護(hù)電路 22 欠壓保護(hù)電路 23 調(diào)速剎車電路 24 電源電路 25第四章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 264．1 程序總體流程圖 284．2 具體軟件設(shè)計(jì)方案 30 電機(jī)調(diào)速方案 30 電機(jī)及控制器保護(hù)方案 30 欠壓保護(hù)方案 31 剎車控制方案 324．3 PSOC開發(fā)環(huán)境介紹 33 PSOC開發(fā)環(huán)境 33　與傳統(tǒng)單片機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的比較 33第五章 設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題及解決方法 35 設(shè)計(jì)中遇到的問(wèn)題 35 繪制原理圖中遇到的問(wèn)題 36第六章 結(jié)論 37致謝 39參考文獻(xiàn) 40第一章 引言1．1 課題設(shè)計(jì)背景本課題是用PSOC芯片控制電動(dòng)自行車，PSOC芯片控制無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)用于電動(dòng)自行車，既可以完成一系列個(gè)性化定制，又可以減小產(chǎn)品的體積和成本、降低系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期。PSOC由基本的CPU內(nèi)核和預(yù)設(shè)外圍部件組成，就是在一個(gè)專有MCU內(nèi)核周圍集成PSOC塊，利用芯片內(nèi)部可編程互列陣列，可以有效地配置芯片上的模擬和數(shù)字電路資源，達(dá)到可編程片上系統(tǒng)的目的。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)智能控制器基于PSOC片上系統(tǒng)。改進(jìn)以前傳統(tǒng)微處理器，具有更多的功能，保密性更強(qiáng)。隨著現(xiàn)代社會(huì)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的深入人心，環(huán)境和能源問(wèn)題越來(lái)越引起人們的重視。由于燃油車輛產(chǎn)生大量的廢氣和噪聲污染，因而被零污染、高效率和寧?kù)o的新型電動(dòng)車代替已成為一個(gè)不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。與燃油機(jī)相比，電動(dòng)車具有節(jié)能、可均衡電網(wǎng)高峰與低谷期的負(fù)荷以及可消除空氣污染和降低城市噪音，且能源廣泛（可來(lái)自火力、煤炭、石油、天然氣 、水力、風(fēng)力、地?zé)帷⒊毕⒃幽馨l(fā)電）等眾多優(yōu)點(diǎn)，電動(dòng)車的研究已成為世界各國(guó)的研究熱點(diǎn)之一。電動(dòng)自行車自從20世紀(jì)80年代發(fā)明以來(lái)經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的發(fā)展過(guò)程，在20世紀(jì)90年代北京的道路上曾經(jīng)出現(xiàn)過(guò)電動(dòng)自行車，但由于很多技術(shù)并沒(méi)有過(guò)關(guān)以及交通管理上的一些問(wèn)題，逐漸在馬路上消失了。當(dāng)時(shí)主要的問(wèn)題是電源沒(méi)過(guò)關(guān)，那時(shí)的電動(dòng)自行車使用的電源是汽車用的鉛酸蓄電池，維護(hù)非常麻煩，除了要及時(shí)充電外，還要經(jīng)常換蒸餾水，而且電池體積重量都很大。到了最近，電源問(wèn)題得到較好的解決，于是電動(dòng)自行車就得到了迅速的發(fā)展。電動(dòng)自行車有很多的優(yōu)點(diǎn)，它不像汽車、摩托車那樣有廢氣及噪音污染，速度低、易于駕駛，一般只要會(huì)騎自行車，用不了一個(gè)小時(shí)就能掌握電動(dòng)自行車的操作，因此特別適合婦女及老人的使用。早在19世紀(jì)末，電動(dòng)汽車就已出現(xiàn)，并有望成為蒸汽機(jī)的代替品。但隨著內(nèi)燃機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，燃油車逐漸取得了優(yōu)勢(shì)地位。相比之下，速度較慢、價(jià)格較高，因而逐漸退出市場(chǎng)，其后電動(dòng)車的研究一度處于低潮。直至20世紀(jì)70年代初，石油危機(jī)的爆發(fā)以及考慮到電動(dòng)42%的空氣污染由交通車輛所造成，零排放的電動(dòng)車又逐漸引起人們的關(guān)注。各國(guó)政府對(duì)環(huán)境的重視和相應(yīng)法規(guī)的出臺(tái)也使得電動(dòng)車的開發(fā)更具有迫切性和商業(yè)前景。從上世紀(jì)60年代至今，電動(dòng)車的開發(fā)主要經(jīng)歷三個(gè)發(fā)展階段：20世紀(jì)90年代以前，蓄電池電動(dòng)車——以蓄電池作為系統(tǒng)的動(dòng)力源。90年代起，復(fù)合型電動(dòng)車——蓄電池系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)相互配合使用的電動(dòng)車，這種車由電動(dòng)機(jī)和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合驅(qū)動(dòng)。與燃油車和純電動(dòng)車相比復(fù)合車既顯著降低了排放，提高了燃油效率，又能在保持高速和遠(yuǎn)程行使方面取得較大突破。由于并非真正的零排放車輛，所以復(fù)合車通常被視為電動(dòng)汽車發(fā)展過(guò)程中的過(guò)渡性產(chǎn)品。燃料電池電動(dòng)車，燃料電池是一種將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的“電池”，它不是蓄電池，而是“發(fā)電廠”，這種電池的使用，能提高起能量密度，但不具備回收電能的功能。國(guó)內(nèi)的電動(dòng)車發(fā)展也很迅速，20世紀(jì)90年代初，國(guó)家計(jì)委、國(guó)家科委就曾為此專門立項(xiàng)，中國(guó)電工技術(shù)學(xué)會(huì)電動(dòng)車輛研究會(huì)早在1987年就已成立，電動(dòng)汽車項(xiàng)目科技部已列入“九五”國(guó)家重大科技產(chǎn)業(yè)項(xiàng)目，各個(gè)研究課題已全面起動(dòng)，并己取得階段性成果。電動(dòng)自行車，無(wú)論是從技術(shù)，還是從市場(chǎng)來(lái)講，都有比較廣闊的發(fā)展前景。首先：電動(dòng)自行車在技術(shù)上比較成熟，價(jià)格也較低，更為大多數(shù)廠家和用戶接受。其次：與電動(dòng)汽車相比，電動(dòng)自行車是一種更加靈活、方便的中短途交通工具，尤其適合于沒(méi)有駕駛執(zhí)照的老人和未成年人。再次：電動(dòng)自行車對(duì)路況要求較低。亞洲城市街道擁擠，人們上下班路程較短，這種“停停走走”的交通狀況尤其適合于電動(dòng)自行車。此外：電動(dòng)自行車還兼有運(yùn)動(dòng)和健身的功能，很適合于休息娛樂(lè)用，因此即使將來(lái)電動(dòng)汽車風(fēng)行起來(lái)，電動(dòng)自行車市場(chǎng)也不至于衰退。電動(dòng)自行車已經(jīng)達(dá)到200300萬(wàn)輛，全世界已達(dá)600萬(wàn)輛。前景非常樂(lè)觀。1．2 永磁無(wú)刷直流電機(jī)的發(fā)展19世紀(jì)中葉，人類發(fā)明了電動(dòng)機(jī)，一百多年來(lái)，電動(dòng)機(jī)作為重要的動(dòng)力機(jī)械，為人類社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步起到了巨大的推動(dòng)作用。在進(jìn)入21世紀(jì)的今天，電機(jī)控制技術(shù)有了飛躍發(fā)展。電動(dòng)機(jī)是電動(dòng)自行車動(dòng)力系統(tǒng)的核心。早期的電動(dòng)自行車采用較多的是有刷直流電動(dòng)機(jī)。這種電機(jī)控制簡(jiǎn)單，在較低速時(shí)運(yùn)行可靠、調(diào)速性能和過(guò)載能力較好，但在高速運(yùn)行時(shí)，換向火花和電刷磨損會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題。近年來(lái)，隨著微機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展以及新型電力電子器件和高性能永磁材料的不斷出現(xiàn)，永磁無(wú)刷直流電機(jī)和開關(guān)磁阻電機(jī)的應(yīng)用也日益廣泛。特別是永磁無(wú)刷直流電機(jī)，因其高功率、寬調(diào)速范圍、高運(yùn)行可靠性、高效率、免維護(hù)等眾多優(yōu)點(diǎn)，而倍受青睞，成為眾多電動(dòng)自行車廠家的首選。一般所說(shuō)的直流電動(dòng)機(jī)是指具有換向器和電刷的直流電動(dòng)機(jī)。在這種電動(dòng)機(jī)中定子側(cè)安裝固定主磁極和電刷，轉(zhuǎn)子側(cè)安放電樞繞組和換向器。直流電源的電能通過(guò)電刷和換向器進(jìn)入電樞繞組，產(chǎn)生電樞電流，電樞電流與主磁場(chǎng)相互作用產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，帶動(dòng)負(fù)載。然而由于電刷和換向器的存在，結(jié)果產(chǎn)生了一系列致命的點(diǎn)：a 、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,可靠性差，故障多，需要維護(hù)，維護(hù)又困難，壽命短。b、換向火花形成電磁干擾。無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)就是在保留有刷直流電動(dòng)機(jī)的優(yōu)良性能的基礎(chǔ)上，為去除電刷和換向器而研究開發(fā)的。由于無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)沒(méi)有電刷和換向器，它的繞組里電流的通、斷是通過(guò)電子換向電路及功率放大器實(shí)現(xiàn)的。要在電動(dòng)機(jī)中產(chǎn)生恒定方向的電磁轉(zhuǎn)矩，就應(yīng)使電樞電流隨磁場(chǎng)位置的變化而變化。為實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，就需要確認(rèn)磁極與繞組之間的相對(duì)位置信息。一般采用位置傳感器來(lái)完成，由位置傳感器將轉(zhuǎn)子磁極的位置信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，然后去驅(qū)動(dòng)功率器件，控制相應(yīng)繞組電流的通、斷。與有刷直流電動(dòng)機(jī)不同，無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)的永久磁鋼磁極安放在轉(zhuǎn)子上，而電樞繞組安裝在定子上。位置傳感器也有相應(yīng)的兩部分，轉(zhuǎn)動(dòng)部分和電動(dòng)機(jī)本體中轉(zhuǎn)子同軸連接（轉(zhuǎn)動(dòng)部分通常由電機(jī)轉(zhuǎn)子代替），固定部分與定子連。如圖一所示，在電動(dòng)機(jī)裝配過(guò)程中,首先調(diào)整好位置傳感器的三個(gè)信號(hào)元件（a 、b、c）與電機(jī)定子三相繞組（AX ，BY，CZ）之間的相對(duì)位置，使得轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)轉(zhuǎn)到定子某相繞組下時(shí)，該相繞組才導(dǎo)通，以保證轉(zhuǎn)子磁極下的繞組導(dǎo)體電流方向始終保持一致。 中，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子N 極位于A(a) 處，則傳感器a 元件感應(yīng)出信號(hào)，使功率晶體管V1 導(dǎo)通，A 相繞組中便有電流通過(guò),設(shè)其方向?yàn)锳(流入) 、X(流出) ，便產(chǎn)生水平向左的定子磁場(chǎng)，與向上的轉(zhuǎn)子磁場(chǎng)相互作用而產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)；當(dāng)N 極旋轉(zhuǎn)至B(b) 處，b 元件輸出信號(hào)使晶體管V2 導(dǎo)通而其余斷；B 相繞組通過(guò)電流，同樣產(chǎn)生逆時(shí)針?lè)较虻碾姶呸D(zhuǎn)矩，當(dāng)磁極旋轉(zhuǎn)至C(c) 處，其動(dòng)作過(guò)程與前兩處相同。如此反復(fù)循環(huán)，電動(dòng)機(jī)即可旋轉(zhuǎn)起來(lái)。由于傳感器元件安裝位置為 無(wú)刷直流電動(dòng)機(jī)原理示意圖空間互差120176。電角度,因此三相繞組輪流通電時(shí)間也因每相120176。因?yàn)楣β示w管的導(dǎo)通和截止是通過(guò)位置傳感器傳感信號(hào)來(lái)控制的，所以傳感器的位置和三相繞組位置之間必須有嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)，在電機(jī)安裝時(shí)應(yīng)加以注意。1．3 關(guān)于PSOC的介紹由美國(guó)塞撲拉絲半導(dǎo)體公司倡導(dǎo)并推出的完全基于通用IP模塊，由可編程選擇來(lái)構(gòu)成產(chǎn)品SOC的設(shè)想，把單片機(jī)的發(fā)展從MCU推到了SOC的新階段。塞撲拉絲的PSOC系列產(chǎn)品是在一個(gè)專有MCU內(nèi)核周圍集成了PSOC塊（可配置的模塊和數(shù)字外圍器件陣列），利用芯片內(nèi)部可編程互列陣列，可有效地配置芯片的模擬和數(shù)字電路資源，達(dá)到可編程片上系統(tǒng)的目的。塞撲拉絲公司生產(chǎn)的片內(nèi)系統(tǒng)可編程微處理器CY8C25XXX/26XXX系列單片機(jī)作為嵌入式，集成了構(gòu)成一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有的模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能部件。這些外設(shè)或者功能模塊包括：ADC、可編程增益放大器、DAC、電壓比較器、電壓基準(zhǔn)、內(nèi)部溫度傳感器、UART、SPI、定時(shí)器、計(jì)數(shù)器、內(nèi)部震蕩器、看門狗定時(shí)器及電源監(jiān)視器等。這些外設(shè)部件的高度集成為設(shè)計(jì)出小體積、低供耗、高可靠性、高性能的單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)提供了方便，同時(shí)也可使系統(tǒng)的整體成本大大降低。嵌入式系統(tǒng)是當(dāng)前關(guān)注的熱點(diǎn)，微控器通常是嵌入式系統(tǒng)的主要部件，微控器又經(jīng)歷了單片機(jī)、DSP、SOC 的發(fā)展過(guò)程，有專家認(rèn)為，PSOC 是微控制器的最高級(jí)階段。PSOC 是賽普拉斯微系統(tǒng)公司開發(fā)的可編程片上系統(tǒng)。最近幾年，隨著電子技術(shù)及半導(dǎo)體工藝的迅猛發(fā)展，片上系統(tǒng)，特別是可配置片上系統(tǒng)，將逐漸成為微控制器的發(fā)展方向。人們?cè)诟鞣N各樣的微控制器和嵌入式控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，并非不同的設(shè)計(jì)就必須用完全不同的外圍器件；相反，這其中有大量共同的部分，因此，啟發(fā)了芯片設(shè)計(jì)工程師建立這種可配置微控制器。通過(guò)在芯片內(nèi)建立一些通用的數(shù)字和模擬塊（Digital and analog block），把它們配置成微控制器的各種功能模塊。并把這些功能模塊存儲(chǔ)在器件庫(kù)中。用戶通過(guò)使用其提供的集成開發(fā)平臺(tái)（IDE），調(diào)用這些功能模塊（Module），設(shè)定模塊時(shí)鐘輸入，配置全局變量和局部變量，設(shè)定用戶功能參數(shù)，就能完成功能模塊的配置。另外，這些功能模塊還可以相互連接，以完成更加復(fù)雜的功能。因此，通過(guò)合理的配置數(shù)字和模擬就可以在片內(nèi)實(shí)現(xiàn)大部分外圍器件的工作。并且，由于設(shè)定的參數(shù)是存儲(chǔ)在片內(nèi)Flash 中，因此，無(wú)論是在設(shè)計(jì)之初，還是在產(chǎn)品應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)，工程師均可通過(guò)軟件重新配置數(shù)字