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SCHNEIDER    ATV320U40N4C    控制器

張黔豫 180 6446 5927 

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控制器是自動(dòng)化系統(tǒng)中不可或缺的組成部分。它通過(guò)接收來(lái)自傳感器或其他設(shè)備的輸入信號(hào)，并根據(jù)預(yù)設(shè)的控制策略或算法，產(chǎn)生相應(yīng)的輸出信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)被控對(duì)象的精確控制。控制器廣泛應(yīng)用于工業(yè)、交通、家居等領(lǐng)域，能夠提高系統(tǒng)的效率和穩(wěn)定性，減少能源浪費(fèi)，增強(qiáng)安全性和便利性。隨著技術(shù)的發(fā)展，控制器的智能化和網(wǎng)絡(luò)化將成為未來(lái)發(fā)展的重要趨勢(shì)。

控制系統(tǒng)就是控制器，概括地說(shuō)就是一個(gè)系統(tǒng)，它將監(jiān)督電機(jī)及電路的運(yùn)行狀態(tài)等各種有用的信號(hào)進(jìn)行采樣及分析，然后轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂浦噶罨蛘弑Ｗo(hù)指令。對(duì)電動(dòng)自行車控制器而言，便是將給定的電機(jī)速度信號(hào)、轉(zhuǎn)子位置信號(hào)及定子的電壓、電流反饋信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂菩盘?hào)或者保護(hù)指令，進(jìn)而監(jiān)督電機(jī)控制電路的運(yùn)行狀態(tài)；采樣及對(duì)比分析并將信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂浦噶?，從而控制電機(jī)的啟動(dòng)或停止、加速或減速等運(yùn)行狀態(tài)。

本系統(tǒng)主要是對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)速度的控制，這就需要根據(jù)轉(zhuǎn)子位置的信號(hào)來(lái)確定換相操作，所以按照電機(jī)工作流程采用三環(huán)控制接口：電流環(huán)、位置環(huán)和速度環(huán)；按照電機(jī)的正?？刂朴锌刹捎秒p環(huán)控制接口：開環(huán)啟動(dòng)控制和閉環(huán)速度調(diào)控。

電機(jī)的啟動(dòng)采用三段式恒壓升頻啟動(dòng)方式，電機(jī)的調(diào)速通過(guò)采集霍爾轉(zhuǎn)把的線性電壓變化，來(lái)實(shí)時(shí)改變主控芯片對(duì)應(yīng)的 PWM 占空比。PWM 分為單極性 PWM 和雙極性 PWM，經(jīng)過(guò)以往的經(jīng)驗(yàn)可知，一般采用單極性 PWM，因?yàn)閱螛O性 PWM 控制的電流波動(dòng)最大值也只有雙極性 PWM 控制電流波動(dòng)最大值的一半，所以考慮到減小電流脈動(dòng)及功率管的開關(guān)損耗，本電機(jī)控制器采用單極性 PWM 控制技術(shù)。

在以單M CU為核心的嵌入式系統(tǒng)中，MCU 的最小系統(tǒng)就是典型的核心構(gòu)件。中間構(gòu)件既有需求接口又有提供接口；而終端構(gòu)件只有需求接口，因此只能接受服務(wù)。利用硬件構(gòu)件進(jìn)行嵌入式系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)之前，必須進(jìn)行硬件構(gòu)件的合理劃分，按照一定規(guī)則，設(shè)計(jì)與系統(tǒng)目標(biāo)功能無(wú)關(guān)的的構(gòu)建個(gè)體，然后進(jìn)行組裝，完成具體系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)。

本設(shè)計(jì)選的外接電源是七組串聯(lián)鋰電池，其采用安全系數(shù)高的錳酸鋰電池，經(jīng)過(guò)國(guó)家法定機(jī)構(gòu)充電放電、短路、跌路、加熱、擠壓、針刺等6大實(shí)驗(yàn)，達(dá)到國(guó)家863范圍要求，并采用銅薄膜防爆閥，從根本上解決了鋰電池易爆易燃的問(wèn)題。

這款電池最大輸出電壓為29.6V。為使系統(tǒng)正常工作，需要將電壓轉(zhuǎn)換為15V 和5V。其中15V電源主要用于功率MOS管自舉升壓驅(qū)動(dòng)電路。5V電源則為MOS管驅(qū)動(dòng)電路、主控芯片、線性霍爾轉(zhuǎn)把、高低壓剎把及保護(hù)電路模塊提供穩(wěn)定的電源。在電源通往各模塊間，大量使用了二極管來(lái)保證控制器的穩(wěn)定性。

為了便于理解本電路的原理及后面的測(cè)試方法，首先要熟悉一個(gè)關(guān)鍵的元件即場(chǎng)效應(yīng)管（也叫 MOS 管），它承載了驅(qū)動(dòng)電機(jī)的開關(guān)的作用。場(chǎng)效應(yīng)管分為 N 溝道型場(chǎng)效應(yīng)管和P溝道型場(chǎng)效應(yīng)管兩種。一般N型功率型場(chǎng)效應(yīng)管的VGS閾值電壓都會(huì)在3～20V 之間。

過(guò)零檢測(cè)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性影響著電機(jī)的運(yùn)行，當(dāng)過(guò)零檢測(cè)不準(zhǔn)或著不及時(shí)時(shí)，則電機(jī)因?yàn)槿毕喽秳?dòng)，嚴(yán)重的或造成短時(shí)間短路而燒壞控制器。因此在硬件上采用LM339 高速比較器來(lái)采樣截至相的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)和總線中點(diǎn)電壓進(jìn)行比較，使用 MCU的輸入捕捉功能來(lái)捕捉輸出信號(hào)。電動(dòng)自行車控制器是用來(lái)控制電動(dòng)自行車電機(jī)的啟動(dòng)、運(yùn)行、進(jìn)退、速度、停止以及電動(dòng)自行車的其它電子器件的核心控制器件，它就像是電動(dòng)自行車的大腦，是電動(dòng)自行車上重要的部件。電機(jī)控制器是無(wú)刷直流電機(jī)正常運(yùn)行并實(shí)現(xiàn)各種調(diào)速控制功能的指揮中心，它主要完成以下任務(wù)：對(duì)各種輸入信號(hào)進(jìn)行邏輯綜合，為驅(qū)動(dòng)電路提供各種控制信號(hào)；產(chǎn)生PWM脈寬調(diào)制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速；對(duì)電機(jī)進(jìn)行速度環(huán)和電流環(huán)調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)具有較好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)性能；實(shí)現(xiàn)短路、過(guò)流、欠壓等一些故障保護(hù)功能。

嵌入式系統(tǒng)是軟件與硬件的結(jié)合體，硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)必須相輔相成。嵌入式系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)程序是直接工作在各種硬件設(shè)備上的軟件，正是由于驅(qū)動(dòng)程序的存在，各種硬件設(shè)備才能正常工作，從而達(dá)到理想工作效果，嵌入式軟件構(gòu)件是實(shí)現(xiàn)一定嵌入式系統(tǒng)功能的一組封裝的、規(guī)范的、可重用的、具有嵌入特性的軟件單元，是組成嵌入式系統(tǒng)的功能單位。A/D 轉(zhuǎn)換模塊（Analog To Digital Convert Module）即模/數(shù)轉(zhuǎn)換模塊，其功能是將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的數(shù)字信號(hào)。實(shí)際應(yīng)用中，這個(gè)電壓信號(hào)可能由溫度、濕度、壓力等實(shí)際物理量經(jīng)過(guò)傳感器和相應(yīng)的變換電路轉(zhuǎn)化而來(lái)。經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換后，MCU就可以處理這些物理量。進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，應(yīng)該了解以下一些基本問(wèn)題：第一，采樣精度是多少；第二，采樣速率有多快；第三，濾波問(wèn)題；第四，物理量回歸等。