孝感定原电子科技有限公司 文 档 编 号 产品名称： 产品版本 密级 共 页 基于 STM32 的电动车控制器软件
软件设计说明书
软件详细设计报告
目 录
摘 要 ...................................................................................................................................................... 3
1
详细设计 ................................................................................................................................. 3 1 .1 1 .2 1 .3 1 .4 1 .5 1 .6 2
软件简述 ..................................................................................................................... 3 软件功能描述 ............................................................................................................. 4 温度检测及显示模块设计 ......................................................................................... 6 热释电红外传感模块 ................................................................................................. 9 中断子程序设计 ....................................................................................................... 12 中断子程序设计 ....................................................................................................... 13
编程协定 ............................................................................................................................... 14 2 .1 2 .2 2 .3
操作系统 ................................................................................................................... 14 调试工具 ................................................................................................................... 15 编译链接工具 ........................................................................................................... 15
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摘 要
为了响应国家高效节能、低碳环保的可持续发展战略，各大生产厂商纷纷开 始研制各种新型环保节能交通工具，在这种严峻的情况下，电动车等新型交通工 具的出现无疑给人们带来很大希望。电动车以其低污染、高效率、节能环保的特 点受到了开发人员和普通大众的喜爱，并在逐渐替代那些高污染、低效率的交通 工具，从而在一定程度上缓解了能源短缺和环境污染问题给人们带来的困扰。 电机及其控制器是电动车的核心，而电机作为电动车的动力源头，无疑是电 动车最重要的组成部分。传统的有刷直流电机调速范围宽、起动转矩大、机械性 能好，因而长期以来一直广泛应用于各种电机伺服驱动系统，然而由于传统直流 电机自身带有电刷和换向器的结构缺陷，工作时电机的换向器容易产生电火花， 使得电机的可靠性大大降低，而且电机长时间工作还会严重磨损电刷，直接影响 着电机的性能和使用寿命。近年来，随着稀土永磁新材料的开发、自动控制技术 以及电力电子技术，特别是大功率开关器件的快速发展，使得无刷直流电机也得 到了迅速发展和广泛认可。无刷直流电机既保留了有刷直流电机调速范围宽、起 动转矩大、运行效率高等直流电机的优良特性，同时也摒弃了有刷直流电机存在 电刷和换向器的结构缺陷，使得电机结构更加简单，运行更加可靠，性能更加优 良，因而在当今国民经济的各个领域得到了广泛应用，目前无刷直流电机的应用 已从最初的军事工业领域，迅速发展到了航空航天、信息、医疗、家电以及工业 自动化等众多领域。
关键词
控制器 低碳环保
1 详细设计 1 .1 软件简述
为无刷直流电机的工作原理框图，它主要由直流电源、控制器、 电子开关电路、位置传感器和电动机本体等部分组成，其中外部直流电源用于为 整个系统提供工作电压。系统的工作原理如下：系统上电后控制器根据电机内部 的霍尔位置传感器检测到的电机转子位置信号得到电机当前的位置，经控制器处 理后输出相应的驱动信号，控制电子开关电路中各个MOSFET功率管按照一定的 顺序轮流导通与关断，从而将外部电源提供的直流电转变为三相交流电，然后将 产生的三相交流电加到无刷直流电机的三相电枢绕组上，控制电机各相电枢绕组两两轮流通电，就可以驱动电机转动，电机的转动方向和速度则由电机三相定子 电枢绕组各相的通电顺序和时间来决定。
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1 .2 软件功能描述
1 .2.1
软件功能介绍
系统基于STCC52单片机，主要的模块有热释电红外传感模块、温度检测模块、蜂鸣器报警模块、数码管显示模块和GSM短信报警模块。系统整体框架如图1所示。
1 .2.2
软件基本框架
信号调理部分采用了模拟比较器输入的结构，下图是本软件的基本框架图和主程序流程图。
图一 基本框架图
无刷直流电机的电枢绕组根据绕组相数的不同可分为两相绕组、三相绕组、 四相绕组及五相绕组等，电机的驱动方式根据所用电子开关电路中MOSFET 功率 管的连接方式不同可分为桥式驱动电路和非桥式驱动电路，其中桥式驱动电路又 可分为半桥式驱动和全桥式驱动电路。目前市面上的电动车所采用的无刷直流电 机电枢绕组相数大多都是三相，电枢绕组的连接方式大多是星形连接方式，本课 题所用的无刷直流电机也正是这种三相星形连接方式，因此本文后续的研究内容 都是围绕这种三相星形连接方式的无刷直流电机来展开的，电机的驱动方式采用 全桥式驱动电路。
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图二 主程序流程图
无刷直流电机控制系统的软件设计主要由主程序和中断服务子程序两大部分 组成，主程序主要完成系统初始化，电机启动、停止信号检测以及 PWM 定时器 的打开与关闭等工作。系统开机上电，首先对系统中用到的各个模块进行各项初 始化准备工作，主要包括系统时钟的配置、系统定时器的配置、系统中断向量的 配置、PWM 输出定时器的配置、通用GPIO端口的配置、霍尔位置检测定时器的 配置、电流电压检测ADC 的配置以及DMA通道配置等。系统初始化完成后，等 待电机启动，检测到电机启动信号时，开启 PWM 定时器，电机开始运行；随后 循环检测电机停止信号，当检测到电机停止信号时关闭 PWM 输出，电机停止运 行。系统软件主程序流程图如图所示。
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1 .3 温度检测及显示模块设计
温度检测及显示模块采用数字温度传感器DS18B20，DS18B20数字温度计接线方便，封装成后可应用于多种场合，耐磨耐碰，体积小，使用方便，并且具有超强的稳定性和卓越的灵敏性。温度检测电路如图2所示。
信号输入信号输入ADC信号输入数据门限判定数据比较器信号输入
1 .3.1
程序流程图
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信号输入多路通道切换指令ADC1采集ADC2采集信号门限判定DAC设定模拟数据比较
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1 .3.2
设备侧实现
为了保证采样的精度，因此采用了2路ADC并联使用，使得采样率达到4．8MHｚ，保证了在500ｋHｚ的噪声频带上也能有10倍的采样率。
将噪声采集后使用DMA传输8192个点的噪声信号，计算噪声的幅度，并根据噪声的最大值与均方根值确定比较器的电压幅度门限，然后通过DAC发出门限电压信号给比较器，形成电压门限。
承载了单频脉冲的待测信号经过了模拟比较器后变成了1个方波信号，方波信号进入了微控制器芯片检测端，该信号会触发中断，从而开始记录信号的脉冲次数以及信号的脉冲长度，通过脉冲长度与脉冲次数的商值可以得到信号的频率、脉宽。当信号的2次脉冲的间隔小于预设区间或者大于预设区间时，就会被判定为无效脉冲或者是噪声脉冲，由此减小信号的虚警概率。
1 .4 热释电红外传感模块
热释电红外传感模块主要用来对室内是否有人体进行检测，主要由热释电红外传感器RE20HDB和BISS0001处理芯片构成。BISS0001是CMOS类具有的高输入阻抗运算放大器，可以与多种传感器匹配，进行信号处理，能有效的抑制其他信号的干扰，稳定性高，调节范围广。
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方波信号定时器中断发生器脉冲分析模块计数器
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1 .4.1
程序流程图
方波信号输入中断检测定时器计时上升沿记录器脉冲宽度分析脉冲频率计算
1 .4.2
设备侧实现
若有人进入热释电红外传感器的扫描范围内，RE200B产生微弱的电压变化使得芯片被触发，经过BISS0001芯片的两级放大后，在VO信号输出端产生3.3 V左右的电压;当没有人经过时，VO端输出0 V，输出电压送入单片机进行判断和处理，从而实现了人体检测。
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1 .5 中断子程序设计
1 .5.1
子程序流程图
1 .5.2
设备侧实现
中断服务子程序是一个系统控制软件的核心，为了保证系统能够正常工作， 要求控制电路能够准确、及时地检测出电机的位置信号，以保证电机绕组的正确 换相，同时还要实时检测电机运行过程中的电流及转速，因此把对电机转子位置 信号的检测以及电机转速和电流的检测都放到中断服务子程序中来控制[53]。此外 中断子程序还要完成直接转矩控制策略的实现以及 PWM 控制信号的输出等功 能，具体的中断服务子程序流程图如上图所示。
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1 .6 中断子程序设计
1 .6.1
子程序流程图
1 .6.2
设备侧实现
对于一个控制系统而言，控制算法的设计决定着控制系统性能的优劣，对于 电机这种对实时性要求比较高的控制系统，不仅要求控制算法具有实时性和通用 性，同时还要求控制算法具有一定的容错能力，并且在满足性能指标的前提下控 制算法要尽可能简单可靠。直接转矩控制算法子程序正是对前面无刷直流电机直 接转矩控制策略的具体软件实现，根据前面对控制策略的研究可知直接转矩控制 算法子程序的实现主要包括定子磁链和电磁转矩的计算与比较控制、磁链扇区判 断、开关表状态选择以及电压空间矢量 PWM 输出等步骤[54]。具体的直接转矩控 制算法子程序流程图如上图所示。
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1 .7 LED状态指示模块
1 .7.1
子程序流程图
LED整列复位控制指令接收NY指令分析点亮指定灯
1 .7.2
设备侧实现
模块工作后，首先进行LED状态复位清楚亮灯状态，之后系统等待接收控制指令，当接收到LED控制指令后，首先对数据进行分析，确定对哪个灯进行点亮操作。通信线上有数据来时三极管Q5导通使Q3也导通点灯，并一下释放了1uF里的电荷，而这时即便通信线已很快恢复成高电平Q5截止，但电容两端还需由后面的电阻慢慢充电才能电压上升，于是Q3的截止就被迟缓了。
LED点亮熄灭到再次点亮是需要一定时间间隔的，一般常见的在 4 x ms，这里以4ms举例，也就是说如果点亮led，熄灭，下次点亮，只有这个熄灭的时间超过4ms，才可以看出闪烁，否则看起来就像是常亮的。
2 编程协定 2 .1 操作系统
Win7 操作系统， keil MDK Uvision5 集成开发环境
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2 .2 调试工具
J-link V8仿真调试器
2 .3 编译链接工具
Keil Uvision 5
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