面向電動自行車的高效的8位微控制器解決方案

1、面向電動自行車的高效的8位微控制器解決方案摘要：“尺寸小巧但功能強大”，英飛凌XC864將成為新興電動自行車市場最流行的微控制器。這款8位微控制器采用TSSOP-20小型封裝，并帶有適用于三相無刷直流電機應用的CAPCOM電機控制模塊。腳踏板運動通過計時器2（Timer2）來測量，以計算協(xié)助騎車人順利騎行所需的助力。此外，它還有過流與過壓保護功能。 應用背景 將電機集成于自行車，協(xié)助騎車人減少踩腳踏板所費體力，已成為一種不斷發(fā)展的趨勢。本文討論電動自行車采用電子控制單元（ECU），根據(jù)騎車人踩腳踏板所付出的體力來提供相應的電動助力。微控制器相當于ECU的大腦，負責三相無刷直流電機的換相及處理騎

2、行所需電動助力。 三相無刷直流電機以其耐用性、線性控制特性、高效以及優(yōu)秀的轉矩體積比在電動自行車市場備受歡迎。對于無刷直流電機控制而言，確定轉子位置和實現(xiàn)復雜控制機制較為棘手和困難。英飛凌針對電機驅動系統(tǒng)提供了多種微控制器從功能全面的8位和16位微控制器到能控制任何電機驅動系統(tǒng)并集成外設的32位TriCore微控制器。 電動自行車不斷增長的全球市場 行業(yè)報告預測未來5年全球電動自行車銷量增幅將達到8至10。2009年，中國成為全球最大的電動自行車生產(chǎn)國與消費國。許多國家正在推行可以拯救世界的新一代潔凈與綠色能源解決方案。電動自行車可為更清潔與更綠色的交通提供完美解決方案。這種趨勢有助于推動電動

3、自行車在歐美市場的銷售。 英飛凌XC800微控制器系列概述 XC800系列是安全可靠、靈活擴展的智能化8位微控制器，可滿足對成本有要求并對性能敏感的工業(yè)與多市場應用需求。 英飛凌的高性能8位微控制器XC800系列將雙周期8051內核與嵌入式閃存和片上外設融合在一起。XC800的創(chuàng)新改進包括溫度范圍提升至150C、電容觸摸控制和內嵌矢量計算機的16位性能等。閃存大小從2KB到64KB不等，并有最高達3KB的RAM，引腳數(shù)也從16引腳到64引腳不等，使您能輕松根據(jù)自己的用途選出合適的產(chǎn)品。這些高質量微控制器非常適用于5V及3V應用。 工業(yè)設備和家用電器的能效問題關乎智能控制與網(wǎng)絡連接。利用英飛凌8

4、位微控制器，設計者們可以通過采用磁場定向控制或功率因素校正等高級控制算法和CAN、DALI或IO-鏈接等通信標準來對優(yōu)化所設計系統(tǒng)的能效。 高效驅動與自動化 工業(yè)設備與家用電器的高效驅動 泵、壓縮機和風扇 工業(yè)生產(chǎn)或樓宇服務的自動化網(wǎng)絡 直觀人機界面 工業(yè)自動化 醫(yī)療設備 POS終端 智能照明 高亮度LED 亮度與顏色控制 照明通信網(wǎng)絡 智能功率管理 高效功率轉換 電池管理 感應烹飪 英飛凌CC6單元由1個具有3條捕獲/比較通道的計時器模塊T12與1個具有1條比較通道的計時器模塊T13組成。T12的通道可產(chǎn)生最多6個PWM信號或接受6個捕獲觸發(fā)信號。T12的通道可用于控制最多3個帶自動死區(qū)生成

5、的半橋。他們可共同產(chǎn)生控制信號模式，驅動交流電機或逆變器?？梢院苋菀椎貙嵤┱一蚩臻g矢量調制。特殊操作模式采用霍爾傳感器或反電動勢檢測，支持無刷直流電機控制。不僅如此，它還支持多相電機的阻塞換相和控制機制。ADC與CC6之間的直接硬件連接可實現(xiàn)功能強大的PWM控制。 圖注： ADC：模數(shù)轉換器 Out-of-Range Comparator：超量程比較器 Limit Check Control：限值校驗控制 Limit Event：限值事件 Boundary 1：邊界1 Boundary 0：邊界0 Boundary Flag Control：邊界標志控制 Start ：開始 Compare：

6、比較 Trap Handling：自陷處理 Hall Pattern Evaluation：霍爾模式評估 Dead-Time Control：死區(qū)控制 Output State Selection：輸出狀態(tài)選擇 Multi-channel Mode：多通道模式 Hall Compare Logic：霍爾比較邏輯 Output Modulation：輸出調制 Output Level Selection：輸出電平選擇 CCU6 特性 時間測量捕獲 PWM生成比較 額外調制突發(fā) 靈活信號生成單發(fā) 單極電機多通道 無刷直流驅動阻塞換相 可編程死區(qū)控制 ADC特性 10位分辨率、+/- 2LSB 轉換

7、時間1.5us PWM硬件同步支持無噪聲采樣 自動掃描、注入和比較模式減輕CPU負載 英飛凌電動自行車解決方案 XC864是高性能8位微控制器XC800系列的成員之一。該產(chǎn)品基于兼容行業(yè)標準8051處理器的XC800內核。XC864配有功能強大的捕獲比較單元（CAPCOM）和10位模數(shù)轉換器（ADC）。這些功能使得XC864適用于三相無刷直流（BLDC）電機應用，如電動自行車等。 該控制器的主要功能包括三相對稱PWM（帶自動死區(qū)生成）、可與PWM同步觸發(fā)的快速ADC，硬件故障處理與自動霍爾效應傳感器解碼及硬件噪聲過濾等。XC864采用小型封裝（TSSOP-20）。 主要特性 27MHz高性能

8、三相對稱PWM（帶自動死區(qū)生成） 可與PWM同步觸發(fā)的快速ADC 硬件故障處理 自動霍爾效應傳感器解碼及硬件噪聲過濾 圖1所示為XC864 8位微處理器框圖。 圖1：XC864框圖圖注： Program & Data Memory Bus：程序和數(shù)據(jù)存儲總線 8 KB Boot ROM：8KB引導ROM 4/8/16 KB Flash：4/8/16KB閃存 256 Byte RAM+ 64 Byte Monitor RAM：256字節(jié)RAM+64字節(jié)監(jiān)控RAM 512 Byte XRAM：512字節(jié)XRAM XC800 Core：XC800內核 Interrupt Controller：中斷控

9、制器 System Control Unit：系統(tǒng)控制單元 EVR, POR Brownout：EVR、上電復位/掉電復位 Peripheral Bus：外設總線 Timer 2：計時器2 Watchdog Timer：看門狗計時器 Ports：端口 Debug & JTAG：調試與JTAG 1) 包括1KB監(jiān)控ROM 2) 包括4kB數(shù)據(jù)閃存 CAPCOM有一組檢測無刷直流電機內嵌霍爾傳感器信號的輸入引腳（CCPOS0,1,2）。電機轉動時，CAPCOM通過傳送適當?shù)碾姍C驅動信號，對任何霍爾傳感器信號改變做出自主響應。CAPCOM可同步三組高邊低邊信號，以開關MOSFET為電機轉動提供電能。

10、如發(fā)生過流，電流感應機制通過連接CTRAP引腳，立即禁用電機。 圖2：電動自行車框圖圖注： Timer 2：計時器2 Motor drive signals(6)：電機驅動信號（6） Hall sensor(3)：霍爾感應器（3） Current Sensing(1)：電流感應（1） Battery Monitoring(1)：電池監(jiān)控（1） Pedal Detection(1) ：腳踏板檢測（1） MOTOR DRIVER：電機驅動器 PEDAL：腳踏板 對于無刷直流電機，下一多通道狀態(tài)值取決于霍爾輸入模式。霍爾模式（CURH）與調制模式（MCMP）之間是有緊密關聯(lián)的。因為電機的種類不同，所

11、以驅動電機的調制模式也可以有所不同。因此，界定霍爾模式及其相關調制模式之間關聯(lián)時保留較大靈活性是有利的。CCU6通過一個寄存器存儲實際霍爾模式（CURHS）、下一預期霍爾模式（EXPHS）和它的輸出模式（MCMPS）來實現(xiàn)這一功能。在每一個正確的霍爾事件中，新的霍爾模式及其相關輸出模式可以通過軟件載入（從預定義表中）至MCMOUTS寄存器。這有助于微控制單元為下一即將到來的正確霍爾事件做好準備，從而可以使其即刻做出響應。 圖注： CC60 act. Speed：CC60實際速度 CC61 phase delay：CC61相位延遲 CC62 timeout：CC62超時 Ch0 gets cap

12、tured value for act. speed：Ch0獲取實際速度捕獲值 Ch2 compare for timeout：Ch2超時比較 Ch1 compare for phase delay：Ch1相位延遲比較 無刷直流模式下，計時器12的通道0執(zhí)行捕獲功能，通道1與通道2執(zhí)行比較功能。檢測到有效霍爾邊緣后，計時器12的計數(shù)值將被捕獲至通道0（代表實際電機轉速），然后計時器12將被重置。當計時器達到通道1中的比較值時，輸出將通過觸發(fā)MCMP位字段的轉移來切換。此觸發(fā)事件可結合實施噪聲過濾（正確霍爾事件）的幾個必需條件并可將下一多通道狀態(tài)同步至調制源（避免輸出線峰值）。通道1比較功能可用

13、作輸入至輸出切換的相位延遲，該功能對采用無傳感器反電動勢技術而非霍爾傳感器是必需的。 通道2的比較值可用作指示電機目的速度遠小于所需值（可能由異常負載變化而導致）的超時觸發(fā)（中斷）。 大多數(shù)情況下，與電源開關行為相關的打開或關閉時間是不對稱的。如果打開電源設備所花時間比關閉該電源設備所花時間短，就會產(chǎn)生一個比較普遍的問題。這將導致逆變器橋臂發(fā)生短路，從而可能會損壞到整個系統(tǒng)。為了從硬件上解決該問題，CCU6帶了一個可編程死區(qū)計數(shù)器，這將延遲切換信號（主用至被用邊緣未被延遲）的備用至主用邊緣。 寄存器T12DTC 控制計時器12比較通道的死區(qū)生成。每個通道均可通過位 DTEx獨立啟用/禁用死區(qū)生

14、成。這三個通道中的每一個通道均可通其自有觸發(fā)器及啟用信號獨立工作。 自陷功能允許脈寬調制輸出對輸入引腳/CTRAP狀態(tài)作出反應。該功能可在自陷輸入被激活時（例如因過流導致的緊急停止）關閉電源設備。處于自陷狀態(tài)時，所選擇的輸出將強制轉入備用狀態(tài)，并將停止任何主用調制。 圖3：計時器2的腳踏板速度檢測功能圖注： Determine the speed of the pedal：檢測腳踏板速度 Timer 2 start automatically at the falling edge：計時器2在下降邊緣自動啟動 The period of two consecutive falling edge

15、s is transfer into Timer 2 captured register at the next falling edge：兩次連續(xù)下降邊緣間隔時間在下一下降邊緣被發(fā)送至計時器2捕獲寄存器 電動自行車的助力取決于腳踏板的速度。如果緩慢騎行，那么所產(chǎn)生的電動助力就小。如果快速騎行，產(chǎn)生的電動助力就會增加。腳踏板速度與MOSFET驅動占空比之間呈正向對應關系。騎車人踩得越快，所需占空比越高，產(chǎn)生的電能越多，自行車行駛得越快。 16位通用計時器（計時器2）可用作計時器與計數(shù)器。不僅如此，它還具有自動重載模式與單通道捕獲模式。計時器2在腳踏板信號下降邊緣自動啟動，然后將從自動啟動模式切

16、換至捕獲模式。在下一下降邊緣，計時器2中的檢測值（腳踏板信號下降邊緣間隔時間）將被發(fā)送至捕獲寄存器中。根據(jù)腳踏板信號下降邊緣間隔時間可以計算出驅動MOSFET所需占空比。 圖注： no delay due to interrupt latency：延遲中斷帶來的無延遲 analog channel f：模擬通道f timer hardware triggered conversion：計時器硬件觸發(fā)轉換 conversion channel f：轉換通道f Timer Triggered Conversion：計時器觸發(fā)轉換 傳統(tǒng)ADC觸發(fā)請求是由計時器中斷服務例行程序中的軟件指令生成的。此傳

17、統(tǒng)方法將根據(jù)是否有任何更高優(yōu)先級嵌套中斷以在不同時機對ADC進行觸發(fā)。不過，XC800 ADC的創(chuàng)新設計解決了觸發(fā)時機不精確的問題。ADC的轉換啟動可以由硬件直接觸發(fā)，無需任何CPU干預或軟件指令。該功能可實現(xiàn)精確時間等距測量。 XC864包含一個帶有4條多路復用模擬輸入通道的高性能10位ADC。此ADC采用逐次逼近技術對最多4路不同來源的模擬電壓水平進行轉換。10位ADC的典型總不可調誤差為+/-1 LSB，這將為模擬讀數(shù)（對于電流測量特別適用）提供高分辨率與精確度。 用于電機控制的同一CAPCOM計時器，可作為ADC的觸發(fā)器用于電池監(jiān)控。ADC的限值檢測特性允許只在過壓或欠壓時產(chǎn)生中斷。大

18、多數(shù)時間，電池在容限范圍內運行良好，所以ADC無需中斷CPU。只有在過壓或欠壓條件下，ADC才會對中斷CPU。 圖注： Over-voltage：過壓 Nominal Voltage 24V：額定電壓為24V Tolerance: 20 to 28 V：容限范圍：20至28V Under-voltage：欠壓 Behaviour of Battery：電池行為 ADC Interrupt generated：生成的ADC中斷 No ADC Interrupt：無ADC中斷 ADC boundary interrupt：ADC邊界中斷 電動自行車參考解決方案 英飛凌開發(fā)了一組應用套件，展示了采用

19、英飛凌低成本、高價值8位XC866微控制器的電動自行車應用的硬件與固件實施情況。此套件支持霍爾傳感器與無傳感器這兩種三相無刷直流電機。它還支持24V、36V和48V全系列電池并可驅動高達750W的電機。 額定電壓 24V至48V 額定功率 高達750W 微控制器 XC866 MOSFET IPP120N06N IC驅動 6ED003L06-F 該微控制器可通過IC驅動器或分立元件對電機進行驅動。IC驅動器可在早期開發(fā)階段提供保護。最終產(chǎn)品將由于成本因素而采用基于分立元件的設計。用戶可使用引導加載選項通過JTAG連接或UART連接下載程序。 與電動自行車應用套件配套的還有電動自行車軟件庫。可對此

20、軟件庫的功能進行逐個啟用。此軟件庫占用1713字節(jié)代碼空間和29字節(jié)RAM空間。英飛凌電動自行車硬件板載源代碼為電動自行車制造商提供了一個快速開發(fā)的環(huán)境。 車把控制 控制基于車把位置的占空比 電池電壓監(jiān)控 如果電池電壓低于閾值限值，則減少PWM 過流監(jiān)控 如果電池電流高于閾值限值，則減少PWM 電機控制代碼生成DAvE Drive DavE Drive是應用代碼生成器，適用于利用英飛凌8位與16位微控制器對永磁同步電機與無刷直流電機進行控制。它是一款基于圖形用戶界面（GUI）的軟件工具，可允許應用開發(fā)人員以十分高效的方式對用于三相無刷同步電機控制的XC866/XC88x/XC878/XE164軟件進行配置。有了DAvE Drive，開發(fā)人員只需點擊鼠標即可完成對電機選擇、電機轉速、控制類型和其他各種選項的代碼優(yōu)化。DAvE Drive充分利用英飛凌微控制器的功能，譬如它用矢量計算機生成適用于XC800的優(yōu)化FOC代碼，而這一般是具有電機控制與匯編編程知識的專家才能完成。 DAvE Drive是以應用為中心的DAvE（英飛凌數(shù)字應用虛擬工程師）插件。DAvE提供初始化、配置與驅動代碼，以減輕初學者和專家的編程負擔。該工具生成完整的算法源代碼，可用熱門編譯工具如Keil或Tasking編譯器進行編譯與調試。 圖注： CONTRO