基于AVR单片机的无刷直流电机控制器设计.doc

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1、本科毕业设计(论文)题目：无刷直流电机控制器设计 软件部分 院 （系）： 电子信息工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 090414 学 生： 刘 文 涛 学 号： 090414112 指导教师： 吴 杰 2013年 6月 无刷直流电机控制器设计-软件部分摘 要本设计采用ATmega128实现对无刷直流电机的控制，其中速度和转矩控制环境部分都采用闭环控制。整个系统主要由电流检测电路、转速和位置检测电路、功率驱动电路、过电流保护电路构成。该设计不仅要实现正、反向旋转时电机的正常调速，而且要在特殊情况下实现对电机的急停操作。无刷直流电机因为具有直流有刷电机的特性，同时驱动器也是频率变化

2、的装置，所以又名直流变频，无刷直流电机的运转效率，低速转矩，转速精度等都比任何控制技术的变频器还要好，由于无刷直流电动机是以自控式运行的，所以不会象变频调速下重载启动的同步电机那样在转子上另加启动绕组，也不会在负载突变时产生振荡和失步。多年来业界对异步电动机变频调速的研究，归根到底是在寻找控制异步电动机转矩的方法，稀土永磁无刷直流电动机必将以其脉宽调速小体积高效率和稳态转速误差小等特点在调速领域显现优势。可以解决产业界节点与高性能驱动的需求。关键词：无刷直流电机；控制器；脉宽调制Design of Brushless DC Motor Controller-Software PartAbstr

3、actThis design adopts the ATmega128 to achieve control of the brushless dc motor. The speed and torque control part adopts closed-loop control. The whole system is mainly composed of current detecting circuit, speed and position detection circuit, power driving circuit and over current protection ci

4、rcuit. The design is not only to achieve positive and reverse rotation of the motor at normal speed, but also under special circumstances. It could be done to stop the operation of motor. Because of brushless dc motor is dc motor of the characteristics, drive and frequency variation device at the sa

5、me time. As known as direct current frequency conversion, brushless dc motor operation is efficiency, low speed torque, rotational speed precision and so on. The brushless dc motor based on automatic control type to perform, so not like frequency control of motor speed synchronous motor overload sta

6、rt under plus startup winding on the rotor, also wont generate oscillation and step out when load mutation. For years the industry on the research of the asynchronous motor frequency control of motor speed, in the final analysis is looking for a way to control the asynchronous motor torque. Brushles

7、s dc motor is bound to its wide speed range, small volume, high efficiency, steady speed and small error characteristics appeared in the field of speed advantages. It can meet the requirements of industry nodes with high performance drive.Key Words: brushless dc motor;controller; pulse width modulat

8、ion目 录摘 要IAbstractII目 录III1 绪 论11.1课题研究背景11.2课题研究现状11.2.1无刷直流电机的发展11.2.2国内外研究进展与现状11.3课题来源21.4研究的应用价值21.4.1课题的设计思想31.4.2课题研究的内容31.4.3研究论文的章节安排32 无刷直流电机控制器的工作原理与总体设计42.1无刷直流电机的工作原理42.2无刷直流电机的工作方式的选择52.2.1无刷直流电机在三三导通方式下的工作原理52.2.2无刷直流电机在两两导通方式下的工作102.3无刷直流电机控制器原理162.4无刷直流电机软件设计163 无刷直流电机控制器的硬件设计183.1微

9、控制器模块的设计183.2键盘和显示电路204 无刷直流电机控制器的软件设计214.1软件编程方法214.2无刷直流电机控制器的整体软件结构224.3无刷直流电机控制器主层模块的软件设计234.3.1初始化模块234.3.2管理模块234.3.3维护更新模块255 总 结385工作总结38结束语39毕业设计（论文）知识产权声明42毕业设计（论文）独创性声明43附录A 程序44附录B 外文翻译54IV西安工业大学毕业设计(论文)1 绪 论1.1课题研究背景无刷直流电动机作为一种常见的执行机构在工业系统中被广泛应用。对无刷直流电动机的控制有很多种控制方法。其中，PWM控制方法在工业现场中以其稳定性

10、高，动态性能好而被广泛应用。设计一款PWM无刷直流电机控制器具有较高的实用价值。1.2课题研究现状近三十年来针对异步电动机变频调速的研究，归根到底是在寻找控制异步电动机转矩的方法，稀土永磁无刷直流电动机必将以其宽调速、小体积、高效率和稳态转速误差小等特点在调速领域显现优势。1.2.1无刷直流电机的发展无刷直流电机因为具有直流有刷电机的特性,同时也是频率变化的装置,所以又名直流变频,国际通用名词为BLDC.无刷直流电机的运转效率,低速转矩,转速精度等都比任何控制技术的变频器还要好,所以值得业界关注.本产品已经生产超过55kW,可设计到400kW,可以解决产业界节电与高性能驱动的需求。无刷电机在我

11、国的发展时间较短,便随着技术的日益成熟与完善得到了迅猛发展。已在航模、医疗器械、家用电器、电动车等多个领域得到广泛应用，并在深圳、长沙、上海等地形成初具规模产业链。如深圳伟业电机等一批专业厂商，在技术上不断推进行业发展。1.2.2国内外研究进展与现状有刷直流电机以其优良的转矩特性在运动控制领域得到了广泛的应用。但是，机械电刷却是有刷直流电机的一个致命的弱点。为此，早在1917年，Boiiger就提出了用整流管代替有刷直流电机的机械电刷，从而诞生了无刷直流电机的基本思想。1955年，美国DHarrison等人首次申请了用晶体管换向线路代替有刷直流电机机械电刷的专利，标志着现代无刷电机的诞生。近4

12、0年来，由于电机本体及其相关学科的迅猛发展，“无刷直流电机”的概念已由最初的具有电子换向的直流电机发展到泛指一切具有有刷直流电机外部特性的电子换向电机。刷直流电机的发展亦使得电机理论与大功率开关器件、模拟和数字专用集成电路、微处理技术、现代控制理论以及高性能材料的结合更加紧密。如今无刷直流电机集特种电机、变速机构、检测元件、控制软件与硬件于一体，形成为新一代电动伺服系统，且体觋着当今应用科学的许多最新成果，因此是机电一体化的高技术产物。无刷直流电机真正进入实用阶段应从1978年开始，当时原西德MANNESMANN公司的Indramat分部在汉诺威贸易博览会上，正式推出MAC经典无刷直流电机及其

13、驱动器。80年代在国际上开展了深入的研究，先后研制成方波无刷电机和正弦波无刷直流电机，在10多年的时间里，无刷直流电机在国际上已得到较为充分的发展，在一些较为发达的国家里，无 刷直流电机将在未来的几年中成为主导电机，并逐步取代其它类型的电机。无刷直流电机在近10年里得到迅速推广应用的另一个原因，是由于电力电子技术和集成控制技术高速发展的结果，性能优良、价格低廉的电子元器件为制造无刷直流电机创造了基本条件。80年代初期，电机本体与换向驱动电路的价格比大约为1：10，而当今已降至1：13，这就为大量推广应用创造了先决条件。我国无刷电机的研制工作始于70年代初期，主要集中在一些科研院所和高等院校。经

14、过20多年的发展，目前我国已有几种系列产品生产，如ST系列，IFTS系列，ASM系列，但仍没有制定出国家标准，限于我国元器件水平及相关理论与实践相结合的程度还比较低，尤其是制造工艺和加工设备较国际水准差距较大，所以目前我国无刷电机综合水平仍低于国际水平，大约相当于国外70年代末80年代初的水准，有待进一步研究和开发。1.3课题来源直流电机具有响应快速、较大的起动转矩、从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能，但直流电机的优点也正是它的缺点，因为直流电机要产生额定负载下恒定转矩的性能，则电枢磁场与转子磁场须恒维持90，这就要藉由碳刷及整流子。碳刷及整流子在电机转动时会产生火花、碳粉因此除了会造

15、成组件损坏之外，使用场合也受到限制。交流电机没有碳刷及整流子，免维护、坚固、应用广，但特性上若要达到相当于直流电机的性能须用复杂控制技术才能达到。现今半导体发展迅速功率组件切换频率加快许多，提升驱动电机的性能。微处理机速度亦越来越快，可实现将交流电机控制置于一旋转的两轴直交坐标系统中，适当控制交流电机在两轴电流分量，达到类似直流电机控制并有与直流电机相当的性能。无刷直流电机的发展空间得到进一步的提升。1.4研究的应用价值无刷直流电机的应用十分广泛，如汽车、工具、工业工控、自动化以及航空航天等等。总的来说，无刷直流电机可以分为以下三种主要用途：持续负载应用：主要是需要一定转速但是对转速精度要求不

16、高的领域，比如风扇、抽水机、吹风机等一类的应用，这类应用成本较低且多为开环控制。可变负载应用：主要是转速需要在某个范围内变化的应用，对电机转速特性和动态响应时间特性有更高的需求。如家用电器具中的、甩干机和压缩机就是很好的例子，汽车工业领域中的油泵控制、电控制器、发动机控制等，这类应用的系统成本相对更高些。定位应用：大多数工业控制和自动控制方面的应用属于这个类别，这类应用中往往会完成能量的输送，所以对转速的动态响应和转矩有特别的要求，对控制器的要求也较高。测速时可能会用上光电和一些同步设备。过程控制、机械控制和运输控制等很多都属于这类应用。1.4.1课题的设计思想无刷直流电机在生活和工业系统中扮

17、演着重要角色，因此设计一款无刷直流电机控制器是非常有必要的。无刷直流电机控制器的设计基本要求是能够实现对电机的调速，控制电机的正反转和急停，通过液晶显示电机转速和功率信息，用霍尔传感器采集转子的位置信息。1.4.2课题研究的内容学习无刷直流电机的工作原理，实现对无刷直流电机电机转速、转向和转矩的控制，并反馈回电机实时的转速信息，设计系统的保护电路。1.4.3研究论文的章节安排无刷直流电机控制器的设计，本论文的结构及内容安排如下：第一章：绪论主要介绍了无刷直流电机的背景、现状及课题来源，阐述了课题研究的应用价值，并对本系统设计的目的和内容做了论述；第二章：无刷直流电机工作原理与总体设计简要介绍了

18、无刷直流的机械和电器系统的组成；第三章：无刷直流电机控制器的硬件设计确定了设计系统的硬件设计原理方法，并详细介绍了系统正常运行和故障处理的各个模块的器件选择与原理设计。第四章：无刷直流电机控制器系统的软件设计简要介绍了软件编程方法，在设计系统的软件总体流程设计下对设计各个子模块的设计流程做了详细介绍，介绍了在软件中对各种故障处理的控制算法，最后对ATmega128的集成编译环境做了简要说明。第五章：无刷直流电机控制器的调试介绍了实验室调试。第六章：结论对整个设计系统进行总结，指出设计系统的成功之处，同时从工业产品的角度，对整个设计中的不足之处和有待改进之处进行论述。54西安工业大学毕业设计(论

19、文)2 无刷直流电机控制器的工作原理与总体设计经过对课题工程背景的研究，设计需要从控制对象的角度寻找设计的切入点，本章从无刷直流电机的原理分析，从而得出无刷直流电机控制器的总体设计思想框架。2.1无刷直流电机的工作原理三相六磁极无刷直流电机模型如图2-1所示：图2.1 无刷直流电机内部结构图由上图可知无刷直流电机电机的内部结构与交流同步电机的内部结构完全相同，因此可以采用交流同步电机的控制方式对其控制；同时也可以对其采用步进电机的三相六拍控制方式。2.2无刷直流电机的工作方式的选择图2.2交流同步电机控制电路图2.2.1无刷直流电机在三三导通方式下的工作原理 a.三相逆变桥的工作原理三相逆变桥

20、的电路简图如上图所示，控制逆变管的导通和关断可以把直流电逆变成矩形波三相交流电，图中R、Y、B为逆变桥的输出。180导通型三相逆变器的控制规律如图（b）所示，其中深色部分表示逆变管导通。可以看出，每一时刻总有三个逆变管导通，另三个逆变管关断，并且与、与、与每对逆变管不能同时导通。线电压，的波形如图（c）所示，可以看出，它们的幅值为U，三者之间互差120。各阶段的等值电路及相电压和线电压值见下表所示。表2.1 180导通型三相逆变器各阶段的等值电路及相电压和线电压值阶段06060120120180120240240300300360导通管号1，3，51，5，61，2，62，4，62，3，43，4

21、，5等值电路图2.3三相逆变桥工作原理与输出波形（a） 电路简图；（b） 逆变管通断时序；（c） 线电压与相电压波形b.变频与变压交流异步电动机的定子绕组的反电动势是定子绕组切割旋转磁场磁力线的结果，其有效值的计算式为 （2.1）式中：为与电动机结构有关的常数；为电源频率；为磁通。而在电源一侧，电源电压的平衡方程式为 （2.2）加在电机绕组端的电源电压，一部分产生感应电动势，另一部分消耗在阻抗（线圈电阻和漏电感）上。定子电流分两部分，即式中：是少部分，用于建立主磁场磁通；是大部分，用于产生电磁力带动机械负载。交流异步电动机进行变频调速时，如频率下降，则降低。在电源电压不变的情况下，定子电流将增

22、加。此时如果外负载不变，则不变，将增加，也就是使磁通量增加。的增加又使增加，达到新的平衡点。通常在设计时已使电动机的磁通容量达到最大容量，因此磁通量再增加将产生磁饱和，引起电流波形畸变，削弱电磁力矩，影响机械特性。解决机械特性下降问题的一种方案是维持磁通量恒定不变，即设法使=常数，这就要求当电动机调速改变电源频率时，也进行相应变化，以维持它们的比值不变。实际上，因为无法控制的大小，通常是忽略在阻抗上产生的压降，用调节电源电压来近似地代替调节，使其跟随频率的变化，保持磁通量近似恒定，即 （2.3）这就是为什么在变频的同时也要变压，即VVVF。c.SPWM调制波用脉宽调制PWM，可以方便地实现变频

23、和变压：调节占空比，就可以调节输出的平均电压；调节PWM波的频率，就可以改变电源频率，实现调速。然而，矩形波含有许多高次谐波成分，将产生使交流异步电动机发热、力矩下降、振动噪声等不良后果。使逆变电路输出的电压波形成为正弦波的一种方法是，将等宽的矩形波变成一组宽度渐变的脉冲波，其宽度变化规律应符合正弦的变化规律，如图3-48所示的正弦脉宽调制波，简称SPWM波。由于谐波成分大大减少，驱动效果可以达到基本满意的水平。产生正弦脉宽调制波SPWM的通常方法是，用一组等腰三角形波与一个正弦波进行比较，如图2.5所示，以其交点作为开关管“开”或“关”的时刻。等腰三角形波称为载波，而正弦波则称为调制波。改变

24、正弦波的频率，就可以改变输出电源的频率，从而改变电动机的转速；改变正弦波的幅值，也就改变了正弦波与载波的交点，使输出脉冲系列的宽度发生变化，从而改变输出电压。图2.4 SPWM波形图2.5 SPWM波生成方法三相逆变开关管生成SPWM波的控制方式有单极性控制和双极性控制两种。（1）单极性控制。每半个周期内，在逆变桥的同一桥臂的上下两个逆变开关管中，只有一个逆变开关管按图2-4的规律反复通断，而另一个逆变开关管始终关断；在另半个周期内，两个逆变开关管的工作状态正好相反。三相逆变器中的六个逆变开关管的工作状态仍然可以用图2.6（b）进行描述，例如，开关管在、时间段中按SPWM波的规律进行开通和关断

25、，在、时间段则全关断；同一桥臂的开关管正好相反，在、时间段全关断，而在、间段则按SPWM波的规律进行开通和关断；三个桥臂工作的规律都相同，只是在相位上相差120。（2）双极性控制。在全部周期内，同一桥臂的上下两个逆变管交替开通与关断，形成互补的工作方式，其各种波形如图2.6所示。图2.6（a）表示了三相调制波与等腰三角形载波的关系，三相调制波由频率和幅值都一样，但相位上相差120的三条正弦波、组成。每一条正弦波与等腰三角形载波的交点决定了同一桥臂（同相）逆变开关管的开通与关断的时间。图2.6（b）、（c）、（d）表示了各相电压、输出的波形，它们的最大幅值是，其中上臂开关管产生正脉冲。下臂开关管

26、产生负脉冲。同样，三相相电压波形的相位也互差120。图2.6（e）是线电压的输出波形，同理也可以得到，。d.载波频率的选择SPWM波仅仅是近似正弦波，仍然含有高次谐波的成分。一般说来，载波频率应大于调制波频率1020倍，载波频率越高，谐波波幅越小，电流波形越平滑。高的载波频率还可以使变频器和电机的噪声进入超声范围，达到静音效果。载波频率的提高，受逆变开关管的最高开关频率限制。采用IGBT（工作频率可达几十kHz以上）为逆变开关管，可以得到较平滑的电流波形。载波与调制波的频率调整有以下三种形式。（1）同步控制方式。使调制波频率与载波频率的比值等于常数，即在逆变器输出电压的每个周期内，所使用的三角

27、波数目不变，因此产生的SPWM波的脉冲数是一定的。这种控制方式的优点是，在调制波频率变化的范围内，逆变器输出波形的正负半波完全对称，使输出三相波形之间具有120相差的对称关系。但在低频时有严重的不足：每个周期SPWM脉冲个数过少，使谐波分量增大。（2）异步控制方式。使载波频率固定不变，只调整调制波频率进行调速。虽然不存在同步控制方式所产生的低频谐波分量大的缺点，但是可能会造成逆变器输出的正半波与负半波、三相波之间不严格对称的现象，引起电动机运行不平稳。图2.6 三相逆变器输出双极性SPWM波形图(a) 三相调制波与三角载波；(b) R相相电压波形；(c) Y相相电压波形；(d) B相相电压波形

28、；(e) 线电压波形（3）分段同步控制方式。实际应用较多的分段同步控制方式综合了同步控制和异步控制的优点：在低频段使用异步控制方式，而在其它频率段使用同步控制方式。2.2.2无刷直流电机在两两导通方式下的工作无刷直流电机采用三相六拍工作方式，其工作原理与步进电机的工作方式是相同的。电机在旋转之前首先完成转子定位工作，然后再根据霍尔传感器反馈回的转子位置信息给出下一步的控制信息。a.控制过程转子处于正转状态时霍尔传感器H1、H2、H3感应出来的信号分别为101（AB）、100（AC）、110（BC）、010（BA）、011（CA）、001（CB）然后进行下一轮循环。当转子处于反转的状态，三个霍尔

29、传感器感应出来的值正好次序相反。图2.7无刷直流电机工作原理图要实现对电机的反转控制，只需要按照以上感应出的霍尔信号反向给出控制信号即可。b.速度控制控制脉冲的频率决定步进电动机的转速。脉冲的时间间隔越短，步进电动机就转得越快。软件脉冲分配方式的调速，可以通过采用延时或定时程序调整两个控制字之间的时间间隔来实现；硬件脉冲分配方式的调速，可以通过控制步进脉冲的频率来实现。假设让电机以恒定的加速度加速到指定的转速，之后匀速运行。当快要到达指定的停止位置时，再以恒定的加速度减速，在停止位置处停住，如图2.8所示。其中加速度要根据不同的电机，设定不同的加速度值。如果它的值太大，则可以较快地到达目的位置

30、，但有可能产生振荡。如果它的值太小，由于转矩与加减速度成正比，转矩可能过小，产生失步。因此，在设计时需要因电机而异。图2.8 加减速示意图步进电动机驱动执行机构从A点到B点移动时，要经历升速、恒速和减速过程。如果启动频率超过极限启动频率，步进电动机会产生失步，不能正常启动；如果突然停止，会由于惯性发生过冲，造成位置精度降低；升降速过于缓慢，则会影响执行机构的工作效率。对步进电动机的加减速应在保证不失步和不过冲的前提下，尽快移动到指定位置。为了满足加减速要求，步进电动机的运行通常按照根据经验和试验得到的加减速曲线进行。如图2.9（a）所示的匀加减速曲线和图2.9（b）所示的S形（分段指数曲线）加

31、减速曲线。图2.9 加减速运行曲线（a）匀加减速曲线；（b）S形加减速曲线加减速实时算法的核心是使用定时中断，当定时器发生超时中断时，中断服务程序推动电机走下一步，然后计算出下一步将要维持的时间，并以之设置定时器下一次的中断时间。当下一次中断来临时，再推动一步，并设置再下一步的时间，如此循环往复。如图2.10所示，步进电机先以加速度加速，然后以加速度减速到停止，之间没有匀速过程。从到是第一步持续的时间，从到是第二步持续的时间，从到是最后一步持续的时间；每一步的时间间隔越短，平均加减速度越接近和。图2.10 用定时器控制时间 如图2.10所示，电机某一步的持续时间（即定时器的延时时间）为 （2.

32、4）式中：为第n步时定时器的计数值；f为给定时器提供的时钟源频率。转速（单位：）为 （2.5）加速度（单位：）为 （2.6）式（2.6）假设了每步的平均速度等于中心时间的速度。如果为加速状态，则，；如果为减速状态，则，。电机转过的步数n为 （2.7）转过n步所花的时间为 （2.8）由图2.10可知，第n步的定时器计数值为 （2.9）由式（2.8）和式（2.9）可得第0步的计数值为 （2.10）再由式（2.8）、式（2.9）和式（2.10），可得第n步的定时器计数值也可表示为 （2.11）由式（2.10）可知，第0步的计数值包含了加速度的信息，只要把设定好，后面的实时计算就不用再考虑了。但式（2

33、.11）需要开平方，它不适合没有浮点运算功能的处理器，下面再加以变换。由式（2.11）可得相邻两步的比值为 （2.13）根据泰勒变换可得 （2.14）再由式（2.10）、式（2.11）和式（2.13）代入式（2.12）可近似得到 （2.15）根据泰勒变换可得 （2.16）把式（2.15）的n换成i，得 （2.17）由式（2.7）开始，就假设了大于零，即为加速，所以式（2.16）是加速的递推公式，只要知道前一步的计数值，就可以算出后一步的计数值。加速过程如图2.11所示。可以推断，减速过程是图2.11的逆过程，如图2.12所示。它的第0步是对应加速过程的第i步，最后一步对应加速过程的第0步。如果

34、减速过程中要跑m步，则有 （2.18）图2.11 加速过程图2.12 减速过程 现在根据式（2.11）和式（2.12）分别列出相邻的两步c值之比的确切值与近似值，见表2.2所示。这里假设。表2.2近似值的误差n确切的近似的近似值误差10.41420.60000.448520.76730.77780.013630.84300.84620.0037040.88100.88240.0015250.90410.90487.66E-460.91960.92004.41E-4100.95110.95129.42E-51000.99500.99509.38E-810000.99950.99959.37E-1

35、1从表2.2可以看出，除外，其他比值的误差都很小。由于每一步的延时时间是由前一步计算出来的，如果的误差较大，后面每一步的延时误差都增大。解决办法是把单独挑出来，使它等于0.4142倍的，其他值依然按照式（2.15）递推计算 （2.19）最后，由式（2.18）可推导出步进电机从速度为0加速到s，以及速度从s减速到0所要走的步数为 （2.20）在本例中，加速过程的加速度和加速过程的减速度都为1000，给定时器提供的时钟源频率为50MHz，根据式（2.10）和式（2.16）可以计算出和的值，根据式（2.15）就可以导出的值。由以上分析可进行编程调试。由V1V6六只功率管构成的驱动全桥可以控制绕组的通

36、电状态。按照功率管的通电方式，可以分为两两导通和三三导通两种控制方式。由于两两导通方式提供了更大的电磁转矩而被广泛采用。在两两导通方式下，每一瞬间有两个功率管导通，每隔16周期即60电角度换相一次，每只功率管持续导通 120电角度，对应每相绕组持续导通120，在此期间相电流方向保持不变。为保证产生最大的电磁转矩，通常需要使绕组合成磁场与转子磁场保持垂直。由于采用换相控制方式，其定子绕组产生的是跳变的磁场，使得该磁场与转子磁场的位置保持在60120相对垂直的范围区间。2.3无刷直流电机控制器原理图2.13无刷直流电机控制器原理框图单片机从键盘获得启动信号，根据给定转速信息配置输出PWM信号的相关

37、频率和占空比，电机通过霍尔传感器将电机转子的转速和位置信息反馈给单片机，单片机通过AD采集模块采集接在杆路上小电阻的电压信息获取电流信号，同时实现过流保护功能，单片机将转速信息和功率信息显示在液晶屏上。2.4无刷直流电机软件设计作为系统框架的硬件系统，如果没有软件，那么所设计的控制系统就像没有灵魂一样，由此可见，软件实现的好坏将对整个系统的运行状态影响是至关重要的。针对本设计，系统完成机械的自动化改装和硬件设计之后，根据软件编程方法，需要提出软件的设计思路，如图2.6所示为本系统总体软件的设计思路。为保证自动控制系统的稳定运行，程序中必须对各个功能模块进行合理的调度，使各个功能模块更加灵活高效

38、地实现各自的控制功能。本设计中对各个功能模块的编程设计是通过C语言实现的，软件设计采用模块化和结构化的编程思想，完成对冲孔打桩机自动控制系统软件功能实现。本设计系统的总体软件结构图如下图所示。图2.14软件系统总体设计思路西安工业大学毕业设计(论文)3 无刷直流电机控制器的硬件设计3.1微控制器模块的设计微控制器的选择：系统采用ATmega128为核心控制芯片。ATmega128微控制器是的8位单片机，64管脚封装。因其容量大，处理速度快，I/O口也足够，耐温较51单片机要好很多，所以选此芯片。其最小系统原理图如下图所示。 图3.1 ATmega128最小系统原理图两个具有独立的预分频器和比较

39、器功能的8 位定时器/ 计数器。两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器。具有独立预分频器的实时时钟计数器。两路8 位PWM。6路分辨率可编程（1 到16 位）的PWM输出比较调制器。8路10 位ADC,8 个单端通道,7 个差分通道,2 个具有可编程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道。具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器。上电复位以及可编程的掉电检测。片内经过标定的RC 振荡器。片内/ 片外中断源。6种睡眠模式: 空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby 模式以及扩展的Standby 模式。可以通过软件进行选择的时钟频率。编辑本段

40、I/O 封装。53个可编程I/O 64引脚TQFP 与 64 引脚 MLF封装。工作电压：2.7 - 5.5V ATmega128L,4.5 - 5.5V ATmega128。速度等级：0 - 8 MHz ATmega128L,0 - 16 MHz ATmega128。ATmega128TQFP封装现主要有这些型号：ATmega128-16AU、ATmega128-16AI。ATmega128各引脚功能如下：Vcc:数字电路的电源,GND:地。端口A(PA7PAO):端口A为双向I/O口并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性,可以输出和吸收大电流。作为输入使用时,若内部上拉

41、电阻使能,则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口A为三态。端口A也可以用作其他不同的特殊功能。端口B(PB7PB0):端口B为8位双向I/O口,复位发生时端口B为三态。端口8也可以用作其他不同的特殊功能。端口C(PC7PC0):端口C为8位双向I/0口,复位发生时端口C为三态。端口C也可以用作其他不同的特殊功能。在ATmegal03兼容模式下,端口C只能作为输出,而且在复位发生时不是三态。端口D(PD7PD0):端口D为8位双向I/0口,复位发生时端口D为三态。端口D也可以用作其他不同的特殊功能。端口E(PE7PE0):端口E为8位双向I/0口,复位发生时端口E为三态。端口E也可以用

42、作其他不同的特殊功能。端口F(PFTPF0):端口F为ADC的模拟输人引脚。如果不作为ADC的模拟输入.端口F可以作为8位双向I/0口并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具有对称的驱动特性,可以输出和吸收大电流。作为输入使用时,若内部上拉电阻使能.则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口F为三态。如果使能JTAG接口.则复位发生时引脚PF 7(TDI)、PF5(TMS)和PF4(TCK)的上拉电阻使能。端口F也可以作为J TAG接口。在ATmegal03兼容模式下,端口F只能作为输入引脚。端口G(PG4-PG0):端口G为5位双向I/O口,并具有可编程的内部上拉电阻。其输出缓冲器具

43、有对称的驱动特性,可以输出和吸收大电流。作为输入使用时.若内部上拉电阻使能.则端口被外部电路拉低时将输出电流。复位发生时端口G为三态。端口G也可以用作其他不同的特殊功能。在ATmegal 03兼容模式下，端口G只能作为外部存储器的锁存信号以及32kHz振荡器的输入,并且在复位时这些引脚初始化为PG0=1、PGl=1以及PG2=0。PG3和PG4是振荡器引脚。RESET:复位输入引脚。超过最小门限时间的低电平将引起系统复位。低于此时间的脉冲不能保证可靠复位。XTALl:反向振荡器放大器及片内时钟操作电路的输入。XTAL2:反向振荡器放大器的输出。AVCC:AVCC为端口F以及ADC转换器的电源.

44、需要与Vcc相连接.即使没有使用ADC也应该如此。使用ADC时应该通过一个低通滤波器与Vcc连接。AREF:AREF为ADC的模拟基准输入引脚。PEN是SPl串行下载的使能引脚。在上电复位时保持丽为低电平将使器件进入。SPl串行下载模式,在正常工作过程中PEN引脚没有其他功能。3.2键盘和显示电路3.2.1键盘电路键盘是由若干个按钮组成的开关矩阵，它是单片机系统中最常用的输入设备，用户能通过键盘向计算机输入指令，地址或者数据；一般单片机系统中采用的是非编码键盘，非编码键盘是由软件来识别键盘上的闭合键，它具有结构简单，使用灵活等特点。设计键盘的16个键分别为：09 数字键；电机开、关，启动键，停止键；退出键；确定键，以及功能键。3.2.