1 引言
當前，隨著保護環境、節約能源的呼聲日益高漲無污染、能源可多樣化配置的新型交通工具引起了人們的普遍關注，同時也得到了極大的發展，電動自行車便是其中之一。它以蓄電池發出的電能作為驅動能源，以電動機作動力，具有無廢氣污染、“零排放”、無噪音、輕便美觀等特點特別適合在人口較集中的大中城市中使用。但目前市場上的電動自行車還存在著一些不夠完善的地方，尤其是電機控制方面有待于進一步提高。本文根據無刷直流電機的原理，利用美國Atmel公司2002年推出的一款新型AVR高檔單片機ATmega8作為主控芯片設計了一種無刷直流電機調速控制系統，該系統具有硬件結構簡單、軟件設計靈活、適用面廣、價格低廉等優點具有一定的實用價值。
2 ATmega8芯片簡介
ATmega系列單片機承襲了AVR系列中AT90所具有的特點，并增加了更多的接口功能而且在省電性、穩定性、抗干擾性及靈活性方面都更加周全和完善。ATmega8屬于ATmega系列單片機(ATmega16/ATmega32/ATmega64/ATmega128)的一個子集, 其內部集成了較大容量的存儲器和豐富的硬件接口電路, 并且在軟件上能有效支持C高級語言及匯編語言。
ATmega8是一款采用低功耗CMOS工藝生產的基于AVR RISC(精簡指令集)結構的8位單片機。AVR單片機的核心是將32個工作寄存器和豐富的指令集連接在一起, 所有的工作寄存器都與ALU(算術邏輯單元)直接相連, 可在一個時鐘周期內用一條指令同時訪問(讀寫)2個獨立的寄存器。這種結構可提高代碼效率,使得大部分指令的執行時間僅為一個時鐘周期，故可達到將近1MIPS/MHz的性能, 運行速度比普通單片機高出10倍。ATmega8的主要性能特點如下:
(1)高性能、低功耗的8位AVR微控制器。采用先進的RISC精簡指令集結構;有130條功能強大的指令, 大多數為單周期指令;內含32個8位通用工作寄存器;工作在16MHz時指令處理速度為16MIPS。
(2)片內集成了較大容量的非易失性程序和數據存儲器。8k字節的Flash程序存儲器的 可擦寫次數大于10000次;512個字節E2PROM的擦寫次數至少可達100000次;支持在線編程(ISP)和在應用編程(IAP);帶有可編程的程序加密位。
(3)豐富強大的外部接口。帶有2個帶預分頻的8位定時/計數器、1個帶預分頻的16位定時/計數器;3個PWM 通道可實現任意16位以內相位和頻率可調的PWM 脈寬調制輸出;6通道A/D轉換;一個I2C串行接口、一個可編程的USART接口、一個支持主/從、收/發的SPI同步串行接口;帶片內RC振蕩器的可編程看門狗定時器;片內模擬比較器。
(4)具有特殊的微控制器性能。內含可控制的上電復位延時電路和可編程的欠電壓檢測電路;芯片內部和外部共有18個中斷源;5種休眠模式(空閑、ADC噪聲抑制、省電、掉電、待命)。
3 系統硬件設計
整個系統主要包括轉子位置檢測電路、測速電路、調速電路、MOSFET全橋電路、限流電路等，圖1所示是其原理框圖。其中無刷直流電機由電動機本體、轉子位置檢測器和電子開關電路三部分組成。直流電源通過開關電路向電動機定子繞組供電，位置檢測器可隨時檢測轉子的位置，并根據轉子的位置信號來控制開關管的導通和截止，從而實現電子換向。
3.1 轉子位置檢測電路
本設計中的無刷直流電動機有2對磁極定子繞組采用三相型接法3個霍爾位置傳感器的空間間距為60°即電角度為120°。3個霍爾傳感器的輸出H1、H2、H3分別直接接到ATmega8的26、27、28腳，運用這三個腳的數模轉換功能(ADC)可對霍爾信號進行采樣和轉換。
3.2 電機轉速控制電路
a.測速電路
要對無刷直流電動機的轉速進行準確的控制首先要準確地測量出它的轉速。本設計利用轉子位置傳感器的輸出脈沖信號來反映電動機的轉速。先將位置傳感器信號經過采樣調理電路后送至單片機的PD3腳該引腳可作為外部中斷源的輸入口。隨著電動機的轉動PD3將不斷接收到脈沖信號。當PD3接收到一個上升沿時將啟動定時器T0以開始計時，直至接收到下一個相鄰的上升沿為止，定時器T0的計時結果便是電動機轉動一圈所需的時間據此即可計算出電動機的轉速。
b.換向調速電路
無刷直流電動機轉速的控制方法可分為勵磁控制法與電樞電壓控制法兩類。由于前者所受的各類限制較多，且勵磁線圈電感較大動態響應較差。所以常用的是改變電樞端電壓以實現調速的電樞電壓控制法。設直流電源電壓為Ud，為電樞串聯一個電阻R并接到電源Ud，則電樞兩端的電壓Ua為Ua=Ud-IaR，顯然調節電阻R即可改變端電壓從而達到調速目的。但這種傳統的調壓調速方法效率較低。隨著電力電子技術的發展出現了許多新的電樞電壓控制方法。PWM脈寬調制就是其中之一。其基本原理如圖2所示。
設加在電機電樞兩端的矩形波的幅值電壓為Ud 則電機電樞兩端電壓的平均值為
Ua=(T1-T2)Ud/(T1+T2)=(2T1/T2-1)Ud=(2α-1)Ud
其中α為占空比，通過改變α的值可達到調壓的目的。由于0 ≤α≤1, Ua值的范圍是-Ud～+Ud,因而電機可以在正、反兩個方向調速運轉。
通過單片機可采樣電動自行車手柄上可調電阻的電壓，再經A/D轉換后送到PWM寄存器，從而控制單片機的PB1腳，輸出占空比可調的PWM 信號。該信號和來自限流電路LM358比較器的輸出信號一起通過軟件比較，在限流電路不工作的情況下輸出PWM信號，以配合軟件控制的PB0、PD5和PD6引腳來驅動相應的光耦，進而控制MOSFET全橋電路換相導通，實現電機的換向。因此,通過調節單片機PWM信號的占空比,最終可改變加在電動機定子繞組上的電壓,從而實現電動機的調速。
4 系統軟件控制
ATmega8在軟件上能有效支持C語言及匯編語言。C語言目前已成為設計嵌入式系統的標準語言，它既有普通高級語言結構化編程、可讀性好、維護方便的特點，又具有匯編等低級語言對硬件訪問方便、代碼效率高的特點。本設計是用C語言編程實現的，具有很好的可移植性。其程序流程圖如圖4所示。
5 結束語
用本方案設計的電動自行車調速控制系統在實驗運行過程中獲得了良好的動、靜態特性。高性價比ATmega8單片機的運用大大降低了成本，提高了軟件設計靈活性，豐富了硬件接口功能，為今后系統升級創造了良好條件。