【小型电动车控制器的优化设计12000字（论文）】

I小型电动车控制器的优化设计摘要近年来，由于燃油交通工具尾气排放对城市空气造成的严重污染，以及能源短缺问题日益突显，发展绿色交通工具己成为重要课题。电动摩托车由于轻便灵活、节能环保、价格适中而得到人们的广泛使用，是人们理想的短途出行交通工具。目前电动摩托车主要采用是永磁无刷直流电动机。永磁无刷直流电机具有功率密度大、转矩大、控制简单和运行稳定等优点，在电动汽车、航空航天、工业传动等领域得到广泛应用，其控制技术已相对成熟。但是，无刷直流电动机由于本体设计和特有的控制策略存在较严重的转矩脉动问题。限制了它的应用范围。本文探索全新的转矩脉动控制措施，进而达到抑制换相过程中转矩脉动的效果。电动摩托车控制器作为电动摩托车的控制核心，是电动摩托的关键部件，决定了整个电动车辆的性能。（1）简要介绍了无刷直流电动机的基本结构和工作原理，并建立了的数学模型；为电机控制提供了理论基础。（2）分析了无刷直流电动机换相转矩脉动产生的原因，从开关损耗和调制方式极性的角度对转矩脉动的影响分析对不同PWM调制方式下进行了讨论，在H_PWM_L_ON调制方式的基础上，提出一种简单的抑制换相转矩脉动的PWM调制策略。（3）采用瑞萨公司的R8C2K单片机为控制核心，详细论述了电动车控制器各单元电路的组成和实现机理。设计了包括三相全桥逆变主电路、基于IR2103的驱动电路，电源转换、电流检测与保护、位置信号检测、和电压采样与欠压保护等一系列硬件电路。（4）结合控制器硬件电路的特点，以HEW为软件开发工具。采用模块化设计思想设计了控制程序。文章给出了各个模块详细的流程图，并给出了部分核心程序的源代码。（5）对用本文所设计的控制器无刷直流电机进行实验，对比实验结果表明：本文设计的永磁无刷直流电机控制器能够正常工作，采用本文所设计永磁无刷直流电机换相转矩脉动明显减小，证明了本文所提出的控制方法是有效的。关键词：永磁无刷直流电机；换相转矩脉动；MOSFET驱动目录TOC\o"1-3"\h\u221861绪论 1285451.1研究背景 1113551.2电动车用电机发展概述 1124451.3无刷电机控制器的发展概述 2165311.4本文主要研究的内容 348482无刷直流电机的关键技术研究 4194082.1无刷直流电机的结构 4115812.1.1电机本体 4207342.1.2位置传感器 423212.2无刷直流电机的工作原理 5175382.3无刷直流电机的数学模型 7159072.3.1电压方程 821942.3.2感应电动势方程 945462.3.3工作特性 9208433控制器的设计 126963.1硬件系统总体方案 12225653.2主控芯片的选择及特征介绍 12115993.3主控电路设计 13146433.4电源电路设计 1541753.5软件开发环境 159773.6R8C2K主程序 16172083.6.1R8C2K初始化 17271163.6.2中断优先级初始化 17284223.6.3I/O引脚功能设置 18154343.6.4定时器RD的初始化设定 1897813.7A/D采样子程序 21319994结束语 2424045参考文献 251绪论1.1研究背景在中国过去30年里发生的巨大变化中，交通方式的改变应该算是最显而易见的了。曾经挤满自行车的城市街道上，现在却布满了大大小小的汽车。随着经济的发展和生活水平的提高，小汽车已经成为了现在中国人出行的主要交通工具。然而，这也造成了严重的交通拥挤，交叉路口、高速公路上汽车堵塞成为常见景观。并且汽车尾气污染问题日益严重。今年以来，一轮又一轮的雾霾天气，不断袭击着国内一些城市。目前雾霾天依然在大范围蔓延，受影响面积约占国土面积的四分之一，受影响人口约六亿人。据专家介绍，其中汽车尾气排放是继高耗能产业以及燃煤污染第二位的污染源，是雾霾天气出现的原因之一。燃油摩托车和助力车曾一度是城市交通比较普遍的短途中小型的日常交通代步工具，摩托车由于是燃油发动机驱动，动力足，但由于发动机噪音大，速度快，安全系数低，易发生发交通事故，而且效率只有30%左右有大量的尾气排放。目前很多城市都已经“禁摩”。环境污染的不断加剧和能源供应的日益紧缺，发展低排放技术和可再生能源是我们应该选择的符合“可持续发展”战略的道路。随着蓄电池技术和大功率电力电子开关器件的成熟，以蓄电池作为能源的电动摩托车得到了广泛应用。由于电动摩托车使用蓄电池和电动机作为动力源，故在平常行驶的过程中没有尾气的排放，所以与燃油摩托车和助力车相比节省了能源，而且没有污染排放，做到了节能环保。并且由于电动摩托车是电机驱动的，电动机运行时噪音小，运行稳定。其价格适中，很适合大力推广，体积轻便，行车灵活基本上不会造成交通堵塞。所以说发展电动摩托车的能缓解环境污染问题，交通压力、和日益突出的能源日益枯竭问题的同时，也能给人们的日常出行也带来极大的便利。1.2电动车用电机发展概述目前市面上电动摩托车采用后轮驱动，电机主要用轮毂式直流电机。早期的电动摩托车采用有刷直流电机，相对无刷直流电机其成本很低，并且其采用机械滑动接触机构换相，所以它对控制技术要求不高，但是存在电机的寿命短、效率低、噪声大，需要定期更换电刷等缺点。无刷直流电机，把永磁体装在的转子上，三相绕组嵌在定子内。用逆变器和转子位置检测器组成电子换向器，取代有刷直流电动机的机械换向器和电刷，消除了故障的主要根源。采用电子换相，对控制技术提出要求较高。但就电机而言，消除了由于电刷和齿轮的磨损而造成的定期更换，使电机具有寿命长、效率高、噪声小、维护简单等优点，而且可在较宽的范围内实现平滑调速。自上世纪90年代以来，计算机技术、控制理论和材料技术飞速发展，微控制器技术如单片机、数字信号处理器（DSP）等得到迅速发展，同时，大量先进的控制算法和控制策略出现，这些新技术逐渐被应用到永磁无刷直流电机及其控制系统中，降低了控制系统的成本，极大的扩大了永磁无刷直流电机的发展，使得无刷直流电机成为电动摩托车的主流电机。1.3无刷电机控制器的发展概述电动摩托车由车体、电机、蓄电池和控制器组成，控制器作为电动摩托车的控制核心，不光是电动摩托车的驱动中心，更是车载蓄电池能源的管理中心。是电动摩托的关键部件，决定了整个电动车辆的性能。电机控制器是无刷直流电动机正常运行并实现各种调速伺服功能的指挥中心，负责收集控制信号并由此控制各个器件的工作，能实现以下功能：为驱动电路提供各种控制信号；产生PWM调制信号，实现电机的调速，实现短路、过流、欠压等故障保护功能。可以说，微型电动车控制器的发展离不开微处理芯片的发展，每一次微处理器的发展都会带来控制技术的一次飞跃。由于无刷电机控制的基本功能性要求和安全性要求均不难解决，早期采用分立元件加集成电路组成的全模拟式结构的控制器；其不可避免的存在器件随温度的漂移而导致控制精度不高的问题，其功能单一，随着现代控制技术和微处理器的发展，全模拟式控制器已完全被数字式所取代。其后出现了以专用的无刷马达驱动芯片加上适当的外围电路的控制器方案。其针对无刷电机的控制要求，将控制逻辑集成在芯片内，这类控制器技术成熟、集成度高、稳定可靠、保护电路动作快、抗干扰能力强，应用起来也比较方便，并且价格便宜，以摩托罗拉的MC33035芯片为代表。该控制系统的缺点是智能性差，不够灵活，保护措施有限，由于是专用电路的集成，不易于功能的扩展，系统升级空间小。后来随着市场竞争加剧，很多厂商都增加了不少附加功能，一些附加功能用此类集成芯片实现起来比较困难，所以使用单片机作为主控芯片的控制器迅速取代了专用集成芯片方案的控制器。单片机通过编程，可以模拟无刷电机的控制逻辑，其特点是使用灵活，通过修改程序可适应不同规格的无刷电机，增加控制器灵活性，易于实现各种功能，设计人员可以依据不同市场的需求设计相应扩展功能。同时还可根据不同结构的对电机进行控制的优化，使控制器与电机达到良好的匹配，通常将此类控制器称为数字式控制器。近几年，国内外一些大公司以DSP（数字信号处理器）为主控芯片的控制器，都是由一个以DSP为基础的内核，配以电机控制所需的外围功能电路，集成在单一芯片内，这类控制器功能强大、数据处理速度快。使得控制器体积缩小、结构紧凑，可靠性提高。但由于DSP芯片价格昂贵，使应用此芯片的电动摩托车的生产成本提高，就目前而言此方案在广大的民用市场无法大规模推广应用。1.4本文主要研究的内容根据课题的研究对象，从工程应用的角度出发，本文课题的主要工作在以下三个方面开展。（1）无刷直流电机控制策略的研究；(2)如何抑制换相引起的转矩脉动；(3)以R8C2K单片机为主控芯片的电动摩托车控制器软硬件设计。论文对基于R8C2K单片机的电动摩托车控制器方案作了深入的探讨，这包括控制了系统总体方案的设计、硬件电路的设计、系统软件的设计以及系统实验测试等等。同时对系统调速控制策略、转矩脉动的抑制方法和制动时的能量回馈原理进行了分析，通过试验验证了系统的可行性。2无刷直流电机的关键技术研究2.1无刷直流电机的结构无刷直流电机本体总体结构示意图如图2.1所示。图2.1无刷直流电动机的结构示意图其中，1为主定子、2为主转子、3为传感器定子，4为传感器转子，5为电子换向开关电路。2.1.1电机本体电机本体在结构上与永磁同步电动机相似，是由定子和转子组成的。图2.2无刷直流电机本机截面示意图无刷直流电动机电枢绕组放到定子上。多相绕组与电子开关电路相连接。绕组联结方式有两种：星型联结和三角形联结。在电机运行过程中，定子绕组在能量转换部分扮演着主要角色。转子是电动机的传动装置，通电后的定子绕组的合成磁场和转子产生的磁场相互作用产生转矩使得转子的转动。由三部分组成：永磁体、支撑部件和导磁体。永磁体和导磁体是形成磁场的核心部件，在很大程度上决定了电动机的特性。可分为凸出式、嵌入式和插入式三种。2.1.2位置传感器位置传感器是无刷直流电动机系统的关键部件之一，也是区别于有刷直流电动机的主要标志。其作用是：实时检测转子的位置，将转子的位置信号转换成电信号，为主控芯片转子位置信息，使主控芯片发出正确的换相信息，以控制功率开关器件使其导通或者截止，使电动机电枢绕组中的电流能够随着转子位置的变化而按次序换相通电，气隙中形成步进式的旋转磁场，从而驱动转子连续不断地旋转。无刷电机霍尔位置传感器是将有关外围电子元件集成在一起，组成一个有源的磁敏集成电路。通常将霍尔芯片（一矩形半导体薄片）、放大器、温度补偿电路、电源稳压电路、输出级等制作在同一块硅片上，然后用塑料封装。它是一个有源磁电转换元器件，俗称霍尔元件。霍尔元件有线性型和开关型之分，供电电源有12V和5V之别。用于电动摩托车无刷直流电机的霍尔元件均为开关型且供电电源均为5V。线性型：输入为变化的磁感应强度，得到与磁感应强度成线性关系的输出电压。可用于磁场测量、电流测量、电压测量等。2）开关型：输入为磁感应强度，输出为开关信号（含施密特触发器：能够把变化缓慢的输入信号整形成边沿陡峭的矩形脉冲）。2.2无刷直流电机的工作原理无刷直流电机用转子位置检测装置和电子换向电路来代替有刷直流电机的机械换相器和电刷。通过转子位置检测装置得到转子的位置信息，经主控芯片逻辑译码处理后，控制电子开关电路实现换相，使得定子合成电磁场随着转子的位置在不断地变化，确保与转子永磁磁体产生的磁场始终保持90°~120°左右的空间角，产生连续的转矩。图2.3为永磁无刷直流电机系统示意图。图2.3三相桥式结构示意图VT1、VT6导通，A、B相通电（b）VT1、VT2导通，A、C相通电图2.4三相永磁无刷直流电动机的工作原理示意图其中虚线A-X表示与A相绕组轴线相正交的位置；虚线B-Y表示与B相绕组轴线相正交的位置；虚线C-Z表示与C相绕组轴线相正交的位置；由A-X、B-Y、C-Z交叉形成了6个60°的扇区，霍尔位置传感器一个输出信号与一个扇区相对应。当转子在如图2.4(a)所示位置时，霍尔元件在传感器磁场作用下，获得的转子位置信息，传输给主控芯片，经逻辑译码处理后，主控芯片发出相应的控制信号，驱动功率开关管VT1、VT6，使其导通，即A、B两相绕组通电。转子永磁磁动势Fm，与定子合成磁动势Fa的空间位置如图2.4(a)所示，永磁转子产生顺时钟方向的转矩，使转子顺时针转动。电流经电源正极→V1管→A相绕组→B相绕组→V6管到电源负极。当转子顺时针转过60°电角度，到达图2.4(b)所示位置时，转子位置传感器输出与这个扇区相对应的信号，经控制电路逻辑译码处理后驱动功率开关管VT1、VT6，使其导通，A、C两相绕组通电，转子永磁磁动势Fm，与定子合成磁动势Fa的空间位置如图2.4(a)所示，电流经电源正极→VT1管→A相绕组→C相绕组→VT2管到电源负极。此时定转子磁场相互作用，使电机的转子继续顺时针转动。如图2.4(b)所示。转子在空间每转过60°电角度，进入下一个60°的扇区，霍尔位置传感器信号发生变化，使得三相桥式逆变电路开关器件发生一次切换。其导通逻辑为VT1、VT6—VT1、VT2—VT3、VT2—VT3、VT4—VT5、VT4—VT5、VT6—VT1、VT6。在此过程中，转子始终受到顺时针方向的电磁转矩作用，沿顺时针方向连续旋转。转子绕每转过60°电角度，换相电路工作，电机发生换相一次，使得定子合成磁场改变。可见，电动机有六种磁状态，任一时刻无刷直流电机只有两相绕组导通。无刷直流电机的这种工作方式称为三相六状态二相导通方式。表2.1无刷直流电机的工作过程扇区序号导通功率管导通绕组电流流向1VT6、VT1A、B两相电源正极—VT1—A相—B相—VT6—电源负极2VT1、VT2A、C两相电源正极—VT1—A相—C相—VT2—电源负极3VT2、VT3B、C两相电源正极—VT3—B相—C相—VT2—电源负极4VT3、VT4B、A两相电源正极—VT3—B相—A相—VT4—电源负极5VT4、VT5C、A两相电源正极—VT5—C相—A相—VT4—电源负极6VT5、VT6C、B两相电源正极—VT5—C相—B相—VT6—电源负极2.3无刷直流电机的数学模型采用理想化的无刷直流电机用状态方程表示的数学模型，电流为理想的方波，反电势为理想的梯形波，建立无刷直流电机模型时，为简化分析，作如下假设：不计磁路饱和；不计电机涡流损耗和磁滞损耗；不计定子电流的电枢反应；定子绕组采用Y形接法，三相绕组完全对称。2.3.1电压方程对于某一相绕组，由KVL定理可知：可得电机三相电压方程，式中，ua、ub、uc—定子相绕组电压；ia、ib、ic—定子相绕组电流；ea、eb、ec定子相绕反电动势；L—每相绕组的自感；R—每相绕组的自阻；Lm—每相绕组的互感。三相绕组为Y型连接，且没有中线，有，则带入上式有：根据以上电压方程组，可得电机的等效电路图，如图2.5所示。图2.5无刷直流电动机的等效电路2.3.2感应电动势方程方波气隙每极磁通为：其中，B为气隙磁场强度，为极距，l为导体的有效长度，是计算极弧系数。单根绕组导体在气隙磁场中的感应电势为式中：v为导体垂直于磁感线运动的线速度。对于线速度v有：式中：n为电机转速；D为电枢绕组旋转内径；p为电机极对数；如果定子每相绕组的匝数是N，则每相绕组总感应电动势为：因而有：考虑到三相永磁方波电动机是两相同时通电，所以，线电势E为两相电势之和：2.3.3工作特性无刷直流电机的电压平衡方程：（2.12）式中：Iave为平均电枢电流；U为外加电压；Em为电枢绕组内的感应电动势；Rave为电枢绕组的等效电阻∆U为开关管饱和压降，对于三相桥式电路为2∆U。1）启动特性由式2.12可知，电机在起动时，反电动势为零，因此起动电流为（2.13）由式2.13可以看出，起动电流比稳定工作电流大很多，所以电机起动时电磁转矩很大，电机可以快速起动，并能带负载直接起动。随着转子的加速，反电动势Em增加，电磁转矩降低，加速转矩减小，最后进入正常工作状态。2）调速原理转速公式为：（2.14）由式2.14可知调节电动机转速的二种方法：（1）调节绕组电压U工作条件：保持励磁，保持电阻调节过程：改变电压UN→U↓→n↓,n0↓

调速特性：转速下降，机械特性曲线平行下移。图2.6调压调速特性曲线调节励磁磁通Φ工作条件：保持电压U=UN，保持电阻R=Ra调节过程：减小励磁调速特性：转速上升，机械特性曲线变软。图2.7调磁调速特性曲线对比二种调速方法的特性曲线可知：增减励磁磁通虽然能够平滑调速，但调速范围不大，调压调速方式平滑性好，能较大范围内无极调速，稳定性好。所以，无刷直流电机的调压调速性能最好，通过改变电机绕组输入端平均电压即可实现平滑调速，本课题采用PWM调制技术就是来改变加在电机绕组上的电压从而实现调速。3控制器的设计硬件电路是电动机控制器工作基础，其设计的好坏，将直接影响到控制系统对电动机控制的实时性和可靠性。3.1硬件系统总体方案控制器系统框图如图3.1所示。整个控制器由主控电路、由MOSFET组成的功率逆变主电路、以IR2103为核心的前级驱动电路、霍尔位置信号检测电路、电源电压调理电路、转把调速信号调理电路，刹车信号调理电路、欠电压/过电流保护电路等组成。转子位置检测电路提供无刷直流电机转子的位置信息，为电机的正确换相以及速度的计算提供依据。主控电路通过来自电机的霍尔信号产生相应的控制信号提供给MOSFET的驱动电路，进而驱动功率MOSFET三相桥，使无刷直流电机的三相绕组得到按一定规律变化的励磁电流。当系统发生过压、过流、短路等故障时，主控电路将封锁PWM信号，使电机停机。图3.1无刷直流控制器系统框图3.2主控芯片的选择及特征介绍基于以上文对控制策略的分析与研究，本系统是一个要求高速、高效、高可靠性的控制系统。要由一个能满足这些条件的控制器来控制系统的正常运行，并希望其价位适宜，这样才能更好的使研究成果向产品化发展。因此，主控芯片的选型十分重要。无刷直流电机控制系统需要快速的、高精度的计算，要求控制系统具有很强的实时性。目前，市场上应用在无刷直流电机控制上的芯片主要有三大类，专用的电机控制芯片、单片机系列以及DSP系列控制芯片。专用的集成电路控制芯片中Motorola公司的MC33035最为典型，这款芯片系统结构简单、成本低廉。但功能难以扩展，控制系统灵活性和智能性受到了限制，也从一定程度上影响了电动车的控制和使用性能。对于一般的单片机，其指令执行速度和运算能力很难做到系统实时控制，尤其是对于电机控制系统，实时性是主要的要求之一。DSP运算处理速度快，能实时地进行复杂的运算，有利于系统实现一些更为复杂的控制算法。但成本太高，经济性较差。R8C2K芯片是瑞萨公司推出的16位专门为电机控制而设计的高性能单片机，它采用哈佛总线结构和RISC技术，指令执行效率高，功耗极低，并且具有1M字节的地址空间。片内集成有1.5KRAM和16K的ROM，独立的乘法器，能进行高速运算处理。辅助电压监测器（AVD）、低电压监测器（LVD）、看门狗、通过噪声对策结构实现了辐射噪声低和噪声耐量强等特性。除了单片机的普通模块功能之外，还集成了用于电机控制的6路带可编程死区的PWM功能模块。10位8通道有采样&保持功能A/D转换器，其转换速度可以达到5us以内，A/D的捕捉触发模式，可以在一个PWM周期内的任意时刻开启A/D采样，容易对电流的精准控制。为实现过流保护功能特别设计的脉冲输出强制截止，发生过流时在硬件上强制截止PWM波形的输出等等。R8C2K既具有控制功能强，又具有数字信号处理强的特点，这些特点使它比一般的DSP硬件开发电路更简单更便宜，而且比同档的单片机更能适应数字信号处理的要求。R8C2K这些优异的性能为电动车控制器的实现提供了良好的硬件环境和软件基础。图3.2R8C2K结构框图3.3主控电路设计R8C2K控制器的最小系统如图3.3所示，R8C2K控制器的最小系统主要包括供电电源、复位电路、时钟电路、仿真接口等。下面我们先来看此控制器电路的核心部分：由R8C/2K单片机组成的主控电路部分，其他电路都是为其服务或被其控制。图3.3R8C2K控制器最小系统1）控制芯片；图3.3中RESET上接的是外部复位电路；I_AD、V_AD、ZB_AD接口分别是电机母线电流采样与蓄电池组电压监测电路、转把信号调理电路到主控芯片的输入接口；HALL11、HALL22、HALL33接霍尔信号调理电路；PWMA/PWMA_、PWMB/PWMB_、PWMC/PWMC_分别是A、B、C三相逆变桥电路上、下桥臂开关信号输出接口；TXD0，RXD0为调试接口，方便程序在线调试；XIN，XOUT：外部晶振电路。VREF为A/D模块参考电压接口。2）时钟电路：系统的时钟电路由图3.3中电容C29，C30和晶振Y1组成，采取芯片的XIN和XOUT引脚之间连接一个外部晶体振，以启动内部的振荡器产生系统时钟，通过内部有锁相环时钟模块（PLL电路）R8C2K芯片可以获得更快的运行速度。晶振采用5MHz的石英晶体谐振器。接地电容C29、C30取为30pF。3）复位电路：功能是当模块死机或运行不正常时，使控制器恢复至正常状态。系统复位电路由图3.3中R35、C31、S1组成。复位按钮S1的使用，使得调试过程中可以实现手动复位。正常情况时，电源通过电阻R35对电容C31充电，CPU的RESE引脚的电平为高，CPU不复位。当手动按下按钮S1时，电容C31通过按钮S1短路放电，CPU的RESET引脚的电平为低，将触发CPU复位。4）程序下载接口电路调试与测试接口虽然不是系统运行所必需的，但现代系统越来越强调可测性，调试、测试接口的设计也越来越受到重视。在本电路设计中，采用了瑞萨公司的标准脚串口仿真调试接口，相关调试接口引脚的定义为：TXD0为串行发送，RXD0为串行接收。3.4电源电路设计控制系统中各个部分需要不同的工作电压。电动机运行时所需的电源来自于蓄电池(本系统所使用的是6组12V蓄电池并联)，该电源通过MOSFET，为电机三相A、B、C提供电压，接在三相桥式路的母线上。N沟道的MOSFET导通时其栅极G的电压必须比源极S高出10V以上才能保证完全导通[37]，而在控制电路中，驱动芯片IR2103需要+15V的供电电源。单片机、霍尔传感器以及其他许多器件都是需要5V的驱动电压，所以必须有合适的电压转换电路给控制系统供电。在整个系统中，对+5V电源的要求比较高，不仅是因为逻辑电路，MCU等的电源电压都不能过高，而且由于MCU的所有A/D转换都是以+5V电压为基准，所以当+5V不准确时会出现电流，欠压值，手柄控制等均不能达到设计的要求。图3.4为本设计的电源电路，前级+72V转+15V开关电源电路，后级为+15V转+5V电路，通过稳压模块78L05转换为+5V，供MCU、运放等其他电路使用，7805输入与输出端之间的跨接2个电阻以分流，减少在稳压芯片上消耗的功率，降低稳压芯片的发热。前端+72V转+15V电路为一个典型的开关电源电路。它采用反馈方式得到稳定的电压输出。优点是该电路与市面上的DC/DC模块相比成本低、功耗低。输入电压在30V~80V范围内，都有稳定的+15V左右输出。图3.4电源电路3.5软件开发环境一般软件开发都需要经过程序编写/工程管理器、编译连接、仿真调试这三个主要过程。本系统中前两部分主要由HEW(High-performanceEmbeddedWorkshop)软件来完成，它是瑞萨公司研发的瑞萨CPU专用代码编写集成开发环境，能满足复杂的应用的要求，内置了NC30编译器，将编辑、调试、工程管理集成在一个环境里，极大的方便了程序的调试工作而提高工作效率，是理想的瑞萨单片机开发工具之一。图3.5HEW集成开发环境(IDE界面)最后的仿真调试选用串口仿真，其相应的上位机调试软件为FoUSB，它支持所有瑞萨16位单片微控制器(R8C2K系列)。通过USB转RS232与上位机的USB接口相连。NC30：瑞萨单片机R8C系列的C语言编译器。FoUSB：R8C系列单片机的串口调试软件，通过这个软件，可以在HEW软件内通过单片机的串口UART1对单片机进行DEBUG或者烧写。3.6R8C2K主程序主程序是任何程序都必不可少的部分，是整个程序的入口。主程序流程如图3.6所示，主程序首先调用初始化程序，对CPU工作时钟，看门狗寄存器以及中断向量寄存器I/O引脚功能选择、RD定时器的等其他关键外设进行初始化设置以及定义全局变量。初始化完成后，系统先进行MOSFET自检，检测的原理就是开机时用极短的时间（10-20us）的时间开启逆变桥所有的上桥臂，关闭所有的下桥臂，检测此时的电流，如果检测到大电流则说明下桥臂有短路现象，同理，也可以检测出上桥臂是否有短路现象。单片机在上电后，进行初始化以及MOSFET自检，开中断，设置捕获中断，读取系统的各个状态参数，进行工作模式的选择的。本控制器系统设有空闲模式、启动模式、调速模式、故障保护模式、刹车制动模式、以及惯性制动模式。电机的初始状态为空闲状态，无故障有转把信号即可进入启动运行状态，在电机运行过程中需要进行运行参数状态检测，设置相应的全局标志位。在中断中修改电机运行参数，为主函数的工作模式选择提供判断的依据。图3.6主程序流程图3.6.1R8C2K初始化要想使R8C2K正常工作，必需对其进行正确的配置。对于系统初始化的代码部分，同样按照功能不同进行了模块化设计，控制器的主控芯片初始化程序包括：系统时钟频率的设置，看门狗定时器的设置，中断寄存器设置，通用I/O口的初始化设置以及A/D转换器初始化、定时器工作方式的初始化等。为了防止在初始化过程中出现中断的意外情况，首先在程序的开始需关闭系统的总中断和外设中断，清除所有中断标志。由于中断优先级关系着整个控制程序能否实时稳定正常的对外部情况做出响应，I/O口的功能配置关系着CPU各部件能否正常工作，定时器RD的PWM的工作模式是控制器的核心功能，而且对系统的正常工作也极为关键，因此对这3个部分的初始化设置做重点介绍。3.6.2中断优先级初始化设置采集任务的优先级顺序关系到控制器程序的运行稳定性，本模块中断触发源有：捕获换相信号、以及A/D采样子程序、欠电压保护。由于过电流响应关系到系统的安全，故将其安排在硬件中断中。霍尔信号捕捉中断关系到换相的正常进行，有很高的及时性，设为最高，A/D采样中断采集电机运行时母线电流、转把电压、蓄电池电压，关系到调速系统的精确性，以及系统状态的判定，故设为次之。欠电压保护对实时性的要求比较低，故设为3者之间最低。3.6.3I/O引脚功能设置MCU引脚功能设置非常重要，关系到引脚的具体应用。R8C2K的可编程输入/输出端口有P0_0~P0_3、P0_5、P1、P2、P3_3~P3_5、P4_5等25个端口。其具体的输入/输出可以通过配置由PDi（i=0~4）寄存器的PDi_j（j=0~7）位控制来设置，其中8个引脚作为通用输入输出端口，已发送控制信号。其引脚具体功能在本控制器模块中的配置见表4.1。引脚标号名称I/O功能8P3_3/INT3/TRCCLKI电子刹车信号9P2_7/TRDIOD1OA相上桥驱动10P2_6/TRDIOC1OA相下桥驱动11P2_5/TRDIOB1OB相上桥驱动12P2_4/TRDIOA1OB相下桥驱动13P2_3/TRDIOD0OC相上桥驱动14P2_1/TRDIOB0OC相下桥驱动17P4_5/INT0I过电流中断响应接口18P1_7/TRAIO/INT1I霍尔H119P1_6/CLK0I霍尔H222P1_3/KI3/AN11/TRBOI霍尔H330P0_2/AN5/RXD2IIAD31P0_1/AN6/TXD2IVAD32P0_0/AN7I转把AD3.6.4定时器RD的初始化设定R8C/2K芯片内置2个16位定时器。分别为定时器RC和定时器RD，有输入捕捉和输出比较功能。它们各自独立运行。定时器RD是有2个通道（通道0和通道1）的16位定时器，各通道有4个输入/输出引脚。定时器RD的六路PWM输出端口连接到三相桥驱动电路上，功率器件的输出连接到电机的三个励磁线圈。定时器RD有5种模式：定时器模式、PWM模式、复位同步PWM模式、互补PWM模式和PWM3模式。其互补PWM模式工作下输出三角波调制、有死区时间的三相波形。互补PWM模式：输出3个正相和3个反相（共6个）的相同周期的PWM波形（三相、三角波调制、有死区时间）图3.7互补PWM模式的输出模型工作时序图如图3.7所示。TRD0和TRD1是定时器RD的两个16位计数器。计数器工作于连续加/减计数模式，在递增计数和递减计数期间各发生一次匹配，从而控制输出引脚得的波形。改变比较寄存器的值就会改变脉冲的占空比。TRDi（i=1或0）对由用户所设定的计数源根据不同情况进行递增或递减计数。计数源可以选择单片机内部的时钟源（f1、f2、f4、f8、f32、fOCO40M）或者外接时钟信号到TRDCLK端口。通过设定寄存器TRDGRA0的值可设置定时器RD的PWM输出信号的周期（载波频率）。计数器TRDi与寄存器TRDGRA0在定时器RD的每个计数时钟周期中都进行比较，当发生匹配时便开始一个新的PWM周期。通过设定寄存器TRDGRB0、TRDGRA1和TRDGRB1的值可设置定时器RD六路PWM波形的占空比。在定时器RD的每个时钟周期中，计数器TRDi的值与寄存器TRDGRB0、TRDGRA1和TRDGRB1的值进行比较，如果计数器TRDi的值与这个三个寄存器的值发生匹配，相应的PWM端口的输出会被置高或置低。voidTimer_RD_Init(void){p2=0;//将P2口初始化为低电平pd2=0xFF;//将P2口设置为输出端口trd0ic=0x00//关定时器RD中断trd1ic=0x00;//定时器关RD中断trdstr=0x0C;//关定时器关RDtrdmr=0xE0;//把TRDGRD0，TRDGRC1TRDGRD1设置为缓存寄存器trdfcr=0x0f;//设置比较值//TRD0从零开始计数trdoer1=0xff;//关掉全部PWM输出trdcr0=0x00;trdcr1=0x00;//设置计数来源为f1trd0=72;//设置死区时间1/fk*p=3.6ustrd1=0;trdgra0=736;//PWM频率1/(1/fk*(m+2-p)*2)=15kH其中fk为计数源频率//m，n，p分别为TRDGRA0，TRDGRB0，TRD0寄存器的设定值trdgrb0=DutyCycle;//设置PWM占空比trdgra1=DutyCycle;trdgrb1=DutyCycle;trdgrd0=DutyCycle;trdgrc1=DutyCycle;trdgrd1=DutyCycle;int0ic=0x00;//关外部中断0inten=0x01;//开外部中断0，intf=0x03;//外部中断进行trdoer2=0x80;//关闭外部中断通道int0ic=0x05;//使能外部中断0trdstr=0x0F;//打开定时器RD}3.7A/D采样子程序在本设计的电动摩托车控制系统中，有较多的模拟信号需要输入R8C2K中，如电机的相电流信号、作为速度给定的转把电压信号和蓄电池的电压信号，可能会造成R8C2K的A/D采样资源不够分配的情况。这时，可采用多路开关将待采样模拟信号区分开来，根据各控制器对各模拟量实时性和精度的要求，由R8C2K决定在合适的时间选通所需的采样通道。系统的A/D中断子程序主要用来切换A/D输入通道，采样母线电流，转把电压，电源电压，把这三个模拟量要经过A/D转换后变为数字量，经过软件滤波后存储在相应的全局变量中，供主程序和中断服务子程序调用。在A/D中断服务程序中，根据控制系统对电源电压、相电流和转把压的精度要求，采用不同的采样速度，相电流作为系统的重要状态监测量，电流环作为速度调节的内环，而电流环是每次有了新的电流的采样值才进行调节。要提高调速的及时性，其采样频率必须要高。转把电压作为速度调节的外环，可以适当慢于内环电流环的调节频率;电压采样值的作用只是用于判断是否过欠电压，而且就算欠电压情况成立，短时间内也不会对蓄电池造成大的损害，所以电压采样的频率不需要很高。而R8C2K中只有一个A/D转换器，所以在程序设计时对其采样输入通道的选择策略很重要。在本设计中三者的采样速度关系为，每采集8次相电流采集1次手把电压，每采集256次手把电压采集一次电源电压。这样，既保证了电流采集的实时性，又保证了电源电压采集的平稳性。以下为A/D采样模块部分代码：voidAD(void){charx;if(ts==1)//如果为转把采样{chs0=1;//选择电流采样通道count_vol=count_vol+1;//电池采样计数寄存器spepid=1;//置转速闭环运算标志ts=0;tsh=adresh;//tsh存放存手柄A/Dif(count_vol==0)//如果蓄电池采样时间到，则选择AN6通道，采集电池电压{chs0=0;chs1=1;volflag=1;x=1;delay1(x);adgo=1;}}elseif(volflag==1){//电池采样完毕，进行处理chs1=0;chs0=1;volflag=0;voltage=adresh;//voltage存放电池A/D值lowpower=1;}else{currenth=adresh;//currenth存放电流A/D值curpid=1;count_ts=count_ts-1;